【正文】 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書雙容水箱液位控制系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計目錄摘要 IAbstract II第一章 緒論 1 1 2第二章PCT試驗裝置介紹 3 PCT實驗裝置構(gòu)成簡介 3 3 3 4 4 4 5 5 6 水箱液位實驗控制系統(tǒng)的用途 7第三章 雙容水箱液位控制系統(tǒng)分析設(shè)計 8 8 8 9 9 雙容水箱液位控制系統(tǒng)方案設(shè)計 12 12 13 13 17 18 1Ti、Td對控制質(zhì)量的影響 20 21 24第四章 組態(tài)軟件設(shè)計 27“組態(tài)王”簡介 27 28 28 29 31 33 36 38第五章 雙容水箱液位控制系統(tǒng)實驗 40 40 40 42總結(jié) 43參考文獻 43附錄 45致謝 47第一章 緒論隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)工藝中的控制問題也日趨復(fù)雜。在人們的生活中以及某些化工和能源的生產(chǎn)過程中，常常涉及一些液位或流量控制的問題。在石油、化工、輕工和食品等工業(yè)生產(chǎn)過程中，有許多貯罐作為原料、半成品的貯液罐，前一道工序的成品或半成品不斷地流入下一道工序的貯液罐進行加工和處理，為保證生產(chǎn)過程能連續(xù)地正常進行，必須對貯罐的液位進行控制。還比如居民生活用水的供應(yīng)，通常需要使用蓄水池，蓄水池中的液位需要維持合適的高度，還有一些水處理的過程也需要對蓄水池中的液位實施控制，另外涉及蓄液容器的生產(chǎn)過程也很多見，例如在核動力蒸汽發(fā)生器工作過程中以及乙烯工程污水處理廠的自動排水處理場等，因此，需要設(shè)計合適的控制器自動調(diào)整容器的出入液流量，使得容器內(nèi)液位保持正常水平。特別地，在出入液流量較大的情況下，為了平抑液位的變化，實際生產(chǎn)中往往選用多個互相連通的蓄液容器。上述不同背景的實際問題都可以抽象為某種水箱的液位控制問題。由于工業(yè)生產(chǎn)的飛速發(fā)展，人們對生產(chǎn)過程的自動化控制水平的要求也越來越高。每一個先進、實現(xiàn)的控制算法的出現(xiàn)都對工業(yè)生產(chǎn)具有巨大的推動作用。然而，當(dāng)前的學(xué)術(shù)研究成果與實際生產(chǎn)應(yīng)用技術(shù)水平并不是同步的，甚至相差幾十年。最近幾年，國內(nèi)一些控制領(lǐng)域已接近甚至超越了國際水平，然而，就先進理論應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域的狀況來講，與發(fā)達國家相比卻存在較大差距。其原因固然是多方面的，但是，一個很明顯的原因就是在于理論研究尚缺乏實際背景的支持，理論的算法一旦應(yīng)用于現(xiàn)場就會遇到各種各樣的實際問題，制約了其應(yīng)用前景。在目前尚不具有在實驗室中復(fù)現(xiàn)真實工業(yè)過程條件的今天，開發(fā)經(jīng)濟實用的具有典型對象特性的使用裝置無疑是一條探索將理論成果轉(zhuǎn)化為應(yīng)用技術(shù)的捷徑。在過程工業(yè)中，被控量通常有以下四種：液位、壓力、流量、溫度，而液位不僅是工業(yè)過程中的常見參數(shù)，且便于直接觀察，也容易測量。以液位過程構(gòu)成的實驗系統(tǒng)，可靈活地進行過程組態(tài)，實施各種不同的控制方案，它不僅能夠滿足實際現(xiàn)場的應(yīng)用要求，而且可以對新理論的研究論證提供強有力的平臺。液位控制裝置也是過程控制最常用的實驗裝置，國外很多實驗室有此類裝置，如瑞典LUND大學(xué)等，很多重要的研究報告、模擬仿真均出自此類裝置。因此，液位控制系統(tǒng)是過程控制的重要研究模型，對液位控制系統(tǒng)的研究具有顯著的理論和實際意義。本課題主要以雙容水箱液位過程控制實驗系統(tǒng)作為研究對象，介紹了其硬件構(gòu)成、系統(tǒng)建模并進行相關(guān)控制方案及控制算法的分析、研究。利用PCT試驗臺上的系列儀表和牛頓模塊結(jié)合計算機控制技術(shù)，在組態(tài)軟件下編程并且通過調(diào)整和改進控制算法，從而實現(xiàn)雙容水箱液位控制系統(tǒng)的設(shè)計要求。通過利用調(diào)節(jié)器的工程整定方法，最后得到一組能穩(wěn)定、準確、快速的達到控制要求的PID參數(shù)。通過本設(shè)計掌握串級控制系統(tǒng)的基本概念，了解串級控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，即主被控參數(shù)、副被控參數(shù)、主調(diào)節(jié)器、副調(diào)節(jié)器、主回路、副回路。掌握串級控制系統(tǒng)的特點、串級控制系統(tǒng)的設(shè)計思想，掌握串級控制主、副控制回路的選擇。掌握串級控制系統(tǒng)參數(shù)整定方法，熟悉PID參數(shù)對控制系統(tǒng)質(zhì)量指標的影響，用計算機進行PID參數(shù)的調(diào)整和自動控制的投運。并將串級控制系統(tǒng)參數(shù)投運到實驗中。最后對實驗結(jié)果進行分析總結(jié)，針對實驗過程中的存在的一些問題進行下一步的改進。第二章PCT試驗裝置介紹 PCT實驗裝置構(gòu)成簡介實驗臺主要由上水箱、中水箱、下水箱、儲水箱、溫控圓筒、加熱器、液位和壓力傳感器、壓力罐、濕度傳感器、工業(yè)PH計、電磁流量傳感器、孔板流量傳感器、渦輪流量傳感器、電動調(diào)節(jié)閥、變頻器、水泵、加溫模塊、接線端子、電源總開關(guān)、電流指示表、比例器、DC24V開關(guān)電源以及上海萬迅智能調(diào)節(jié)儀表組成的掛箱。下面就本設(shè)計所用到的設(shè)備及模塊做簡單介紹。水箱的結(jié)構(gòu)特點是：采用兩槽結(jié)構(gòu)，主要分溢流緩沖槽、工作槽、溢流水管。溢流緩沖槽：是為了解決水流直接注入水箱造成被測液面波動而設(shè)計的，當(dāng)水流注入水箱后經(jīng)過溢流緩沖槽緩沖，溢出水槽沿水槽壁流下達到減少被測液面波動。工作槽：是為了我們做實驗而用的，工作槽中有個排水口，這排水口在做實驗時由一個有孔有機玻璃管插上，隨著工作槽水位的上升，工作槽的排水量也會增加，這樣就可以滿足一階、二階液位實驗的要求。 溢流水管：當(dāng)設(shè)備無人職守時有時會出現(xiàn)水箱的水位已經(jīng)到達最高水位，為了防止液位滿出水箱，則多出的水可以通過溢流排水管排出。水箱I（上位水箱）液位高度：0～280mm水箱II（下位水箱）液位高度：0～280mm水箱III（不銹鋼儲水箱）液位高度：0～500mm液位傳感器連接水箱的底部，檢測水箱的液位，同時輸出4～20mA的電流信號。提供給計算機作為液位檢測信號。本套工業(yè)自動化儀表實驗采用掛箱式，組裝靈活，如果從新組裝了液位傳感器（例如改變了液位傳感器在網(wǎng)孔板上的位置或改變了所檢測的水箱），液位傳感器都要從新校正零點和量程。電動調(diào)節(jié)閥為美國霍尼威爾的智能電動調(diào)節(jié)閥，具有精度高、技術(shù)先進、體積小、重量輕、推動力大、功能強、控制單元與電動執(zhí)行機構(gòu)一體化，可靠性高、操作方便，并可與計算機配套使用，組成最佳調(diào)節(jié)回路。該電動調(diào)節(jié)閥具有自反饋系統(tǒng)只需要在外部加4～20mA電流即可控制，4mA為全關(guān)狀態(tài)，20mA為全開狀態(tài)，在無輸入信號的情況下電動調(diào)節(jié)閥處于全關(guān)狀態(tài)。使用時只需要將調(diào)節(jié)器輸出的4～20mA電流信號輸入到面板上的控制端口上即可。壓力傳感器結(jié)構(gòu)原理和液位傳感器完全相同，其測量范圍為0~100KP，具體調(diào)試方法與液位傳感器調(diào)試方法相同。其調(diào)節(jié)時可以通過變頻器調(diào)節(jié)水泵壓力，通過標準檢測儀表監(jiān)控壓力；壓力傳感器輸出的電流通過智能儀表監(jiān)測顯示，使智能儀表顯示數(shù)據(jù)與標準校準儀表顯示數(shù)據(jù)相同。如果有誤差可通過調(diào)節(jié)壓力傳感器零點調(diào)節(jié)和量程調(diào)節(jié)電位器調(diào)準。采用三菱FRS500變頻器，4～20mA控制信號輸入，可對流量或壓力進行控制。 變頻器的基本操作：(1) 合上控制對象上的電源(2) 把PCTET02面板上的內(nèi)外控開關(guān)打到內(nèi)控狀態(tài)，按下設(shè)置PU燈亮(3) 設(shè)置參數(shù)如下：C5=15 P21=3 P30=1 P39=80 P53=1 P59=1 P60=4 P61=4 P62=4 P63=4(4) 按“PU/EXT”按鈕設(shè)置EXT燈亮，把PCTET02面板上的內(nèi)/外控開關(guān)打到“外控”，狀態(tài)，在PCTET02面板上變頻器輸入端子上輸入4～20mA電流即控制變頻器的頻率設(shè)定值。(5) 停止外部控制，只要把PCTET02面板上的內(nèi)/外控制開關(guān)打到內(nèi)控一端即可停止控制。(6) 由外部控制切換到內(nèi)部控制步驟：① PCTET02面板上內(nèi)外控開關(guān)打到內(nèi)控一邊。② 按變頻器上PU使PU燈亮。③ 按變頻器上“RUN”鍵使Run燈亮，旋動變頻器上頻率設(shè)定電位器到合適值。(7) 由內(nèi)部控制切換到外部控制步驟：① 按變頻器STOP鍵停止變頻器 。 ② 按 “PU/EXT”鍵使EXT燈亮。③ 把PCTET02面板上的內(nèi)/外控開關(guān)打到“外控”狀態(tài)，其變頻器就在外部控制信號下工作。 水泵選用上海凱士循環(huán)水泵，噪音低、壽命長、功耗小、AC380V供電。在水泵出口裝有壓力罐和壓力變送器，與變頻器一起構(gòu)成供水系統(tǒng)。本裝置在計算機控制和通訊上采用牛頓7000系列模塊，它是RS232轉(zhuǎn)485通訊模塊，RS232/RS485雙向協(xié)議轉(zhuǎn)換。，一個RS485網(wǎng)上可掛256個模塊，3000V隔離，支持多種速率多種數(shù)據(jù)格式。通訊距離：；；。8024是D/A模塊，4通道模擬輸出模塊。電流輸出：4～20 mA，0～20 mA；電壓輸出：+/10V，0～10V，+/5V。精度14Bit。8017是A/D模塊，8通道模擬輸入模塊。模擬輸入：1～5V，4～20mA；輸入范圍：+/150 mV，+/ 500mV，+/ 1V，+/ 5V，+/ 10V，+/ 20 mA。通道數(shù)量：6路差動/2路單端或8差動（跳線選擇）；采樣頻率10Hz。 液位控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖上水箱和下水箱的液位信號分別由兩壓力傳感器檢測，檢測到的液位信號經(jīng)液位變送器轉(zhuǎn)換成4 20 mA 的電流信號，串聯(lián)250歐姆標準電阻轉(zhuǎn)換為15V電壓信號，再通過A/ D 模塊(Nudam7017)將采集到的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，該數(shù)字信號經(jīng)RS485 總線，再由RS232/485轉(zhuǎn)換器傳送給計算機，計算機采集到的數(shù)字信號在組態(tài)軟件中由PID 控制器進行處理得出控制信號，控制信號再經(jīng)RS232/485轉(zhuǎn)換器及RS485總線送給D/ A 模塊(Nudam7024)，最后轉(zhuǎn)換得到的模擬信號驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)工作。 水箱液位實驗控制系統(tǒng)的用途水箱液位控制實驗系統(tǒng)是PCT實驗裝置中的重要組成部分，可單獨進行各種實驗的分析和研究，且它是一種非線性、強耦合、多變量和大滯后的復(fù)雜系統(tǒng)，是進行控制理論與控制工程教學(xué)、實驗和研究的理想平臺，具有強大的實驗功能。它不僅可以實現(xiàn)一階對象、二階對象，還可以實現(xiàn)更高階對象的分析、研究，而且它還可以作為一種多功能型實驗設(shè)備去驗證各種新型算法。它易于在實驗中操作，直觀性強，適用于教學(xué)實驗；可以模擬多種實際應(yīng)用故障。我們還可以通過經(jīng)典的PID控制器設(shè)計與調(diào)試，進行智能控制教學(xué)實驗與研究。各種控制器的控制效果通過水位的變化直觀地反映出來，同時通過液位傳感器對水位的精確檢測，方便地獲得瞬態(tài)響應(yīng)指標，準確評估控制性能。開放的控制器實驗裝置，便于我們進行自己的控制器設(shè)計，滿足創(chuàng)新研究的需要。液位控制實驗裝置是過程控制中最常用的實驗裝置，可在此裝置上探討、研究、開發(fā)各種新型控制算法，學(xué)習(xí)各種不同的控制方案，通過調(diào)試不同控制方案下的實驗系統(tǒng)，使我們能更清楚地了解工業(yè)過程控制中系統(tǒng)的投運和整定方法。第三章 雙容水箱液位控制系統(tǒng)分析設(shè)計對被控系統(tǒng)的分析，是設(shè)計過程控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)資料或基本依據(jù)。要對現(xiàn)代日益復(fù)雜和龐大的被控過程進行研究分析、實施控制，尤其是進行最優(yōu)設(shè)計時，必須了解其工作過程及其數(shù)學(xué)模型等。因此，數(shù)學(xué)模型對過程控制系統(tǒng)的分析設(shè)計、實現(xiàn)生產(chǎn)過程的優(yōu)化校制具有極為重要的意義。被控對象的數(shù)學(xué)模型，是反映被控過程的輸出量與輸入量關(guān)系的數(shù)學(xué)描述。或者說是描述被控過程因輸人作用導(dǎo)致輸出量(被控變量)變化的數(shù)學(xué)表達式。被控過程可能既受控制輸人的作用，也受擾動量影響。控制輸入總是力圖使被控過程按照某種期望的規(guī)律變化，而擾動量一般總是影響被控過程偏離期望運行狀態(tài)。但從系統(tǒng)角度來看，無論是控制輸人