【正文】 雙容水箱水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 摘要 I 雙容水箱水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘要 雙容水箱液位控制系統(tǒng)是采用先進(jìn)的控制算法完成對(duì)過(guò)程液位的控制的控制系統(tǒng)，它在飲料、食品加工、溶液過(guò)濾、化工生產(chǎn)等多種行業(yè)的生產(chǎn)加工過(guò)程中均有廣泛應(yīng)用。在本設(shè)計(jì)中充分利用自動(dòng)化儀表技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)，通訊技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)水箱液位的串級(jí)控制。首先對(duì)被控對(duì)象的模型進(jìn)行分析，并采用實(shí)驗(yàn)建模法求取模型的傳遞函數(shù)。其次，根據(jù)被控對(duì)象模型和被控過(guò)程特性設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)， 采用動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)對(duì)控制系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析。 然后，設(shè)計(jì)并組建儀表過(guò)程控制系統(tǒng)，通過(guò)智能調(diào)節(jié)儀表實(shí)現(xiàn)對(duì)液位的串級(jí) PID 控制。最后，借助數(shù)據(jù)采集模塊﹑ MCGS 組態(tài)軟件和數(shù)字控制器，設(shè)計(jì)并組建遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)過(guò)程控制系統(tǒng)，完成控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和結(jié)果分析。 關(guān)鍵詞： 液位 ,模型 ,PID 控制 ,儀表過(guò)程控制系統(tǒng) ,計(jì)算機(jī)過(guò)程控制系統(tǒng) 河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） II Abstract Double tank water level control system is the use of advanced control algorithm of process liquid level control system, it is in the beverage, food processing, filtering solution, chemical production and other industries in the production process has been widely used. In the design of the full use of automation technology, puter technology, munication technology and automatic control technology, in order to achieve the water tank liquid level cascade control. Firstly, the object model is analyzed, and the experimental modeling method for model transfer function. Secondly, according to the controlled object model and the controlled process characteristic design of cascade control system, using dynamic simulation technology to the control system performance analysis. Then, design and construction process control instrumentation system, through the intelligent controller for liquid level cascade PID control. Finally, with the help of a data acquisition module, MCGS configuration software and digital controller, design and establishment of a remote puter process control system, plete control system experiment and result analysis Keywords: liquid level， model PID control， indicator process control system，puter process control system 河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 目錄 III 目 錄 摘 要 .............................................................. Ⅰ Abstract........................................................... Ⅱ 1 緒論 .............................................................. 1 2 被控對(duì)象建模 ...................................................... 2 水箱模型分析 ................................................ 2 階躍響應(yīng)曲線(xiàn)法建立模型 ...................................... 3 3 系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)與仿真 ............................................ 7 液位串級(jí)控制系統(tǒng)介紹 ........................................ 7 PID控制原理 ................................................. 7 系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì) ........................................... 10 控制系統(tǒng)仿真 ............................................... 12 4 建立儀表過(guò)程控制系統(tǒng) ............................................. 17 過(guò)程儀表介紹 ............................................... 17 儀表過(guò)程控 制系統(tǒng)的組建 ..................................... 19 儀表過(guò)程控制系統(tǒng) PID參數(shù)整定 ................................ 23 5 模擬計(jì)算機(jī)過(guò)程控制系統(tǒng) ........................................... 25 計(jì)算機(jī)過(guò)程控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) ................................. 25 MCGS軟件工程組態(tài) ........................................... 28 組態(tài)軟件調(diào)試 ............................................... 38 6 結(jié)論 ............................................................. 40 參考文獻(xiàn) ........................................................... 41 致謝 ............................................................... 42 附錄 ............................................................... 43 河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 緒論 1 1 緒論 雙容水箱系統(tǒng)是一種比較常見(jiàn)的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)液位系統(tǒng) ，在實(shí)際生產(chǎn)中 ，雙容水箱控制系統(tǒng)在石油、化工﹑環(huán)保﹑水處理﹑冶金等行業(yè)尤為常見(jiàn)。通過(guò)液位的檢測(cè)與控制從而調(diào)節(jié)容器內(nèi)的輸入輸出物料的平衡，以便保證生產(chǎn)過(guò)程中各環(huán)節(jié)的物料搭 配得當(dāng)。 經(jīng)過(guò)比較和篩選，串級(jí)控制系統(tǒng) PID 控制無(wú)論是從操作性、經(jīng)濟(jì)性還是從系統(tǒng)的控制效果均有比較突出的特性，因此采用串級(jí)控制系統(tǒng) PID 控制對(duì)雙榮水箱液位控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制。 論文以 THJ2 高級(jí)過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為出發(fā)點(diǎn)，利用MATLAB 的曲線(xiàn)擬合的方法分別仿真出系統(tǒng)中上水箱、下水箱的輸出響應(yīng)曲線(xiàn)。對(duì)曲線(xiàn)進(jìn)行處理求出各水箱的參數(shù)，用所求出的參數(shù)列寫(xiě)出水箱的傳遞函數(shù)。采用復(fù)雜控制系統(tǒng)中的串級(jí)控制系統(tǒng)列寫(xiě)出系統(tǒng)框圖，根據(jù)串級(jí)控制系統(tǒng) PID 參數(shù)整定的方法整定出主控制器和副控制器的 P、 I、 D 的數(shù)值，從而滿(mǎn)足控制系統(tǒng)對(duì)各項(xiàng)性能的要求。對(duì)于控制器的選擇，從經(jīng)濟(jì)以及控制效果考慮采用智能儀表實(shí)現(xiàn)控制，并應(yīng)用組態(tài)軟件對(duì)系統(tǒng)實(shí)施監(jiān)控。 為了能夠使雙容水箱系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的檢測(cè)和控制，本文又進(jìn)一步的設(shè)計(jì)出計(jì)算機(jī)過(guò)程控制系統(tǒng)，利用 ICP7017 數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)現(xiàn)模擬量輸入通道的功能 利用 ICP7024 數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)現(xiàn)模擬量輸入通道的功能 （自帶 485 通訊接口） ，通過(guò) RS232/485 完成通訊轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的通訊和控制。 ICP7000 系列采集模塊的作用是將傳感器檢測(cè)到的被控參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)通過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換送入計(jì)算機(jī) ， 計(jì)算機(jī) 是 將控制運(yùn)算發(fā)出的控制信號(hào)通過(guò) D/A 轉(zhuǎn)換發(fā)給執(zhí)行機(jī)構(gòu)（調(diào)節(jié)閥、變頻器）。整個(gè)控制系統(tǒng)的控制算法及監(jiān)控功能都在 控制計(jì)算機(jī) 中實(shí)現(xiàn)。 對(duì)于計(jì)算機(jī)控制，采用的是組態(tài)軟件 MCGS 來(lái)實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)對(duì)軟件進(jìn)行編程使組態(tài)軟件模擬出雙容水箱液位控制系統(tǒng)的手動(dòng)和自動(dòng)兩種工作狀態(tài)。 河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 被控對(duì)象建模 2 2 被控對(duì)象建模 在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作中，需要針對(duì)被控過(guò)程中的合適對(duì)象建立數(shù)學(xué)模型。被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型是設(shè)計(jì)過(guò)程控制系統(tǒng)、確定控制方案、分析質(zhì)量指標(biāo)、整定調(diào)節(jié)器參數(shù)等的重要依據(jù)。被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型（動(dòng)態(tài)特性）是指過(guò)程在各輸入量（包括控 制量和擾動(dòng)量）作用下，其相應(yīng)輸出量（被控量）變化函數(shù)關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式。在液位串級(jí)控制系統(tǒng)中，我們所關(guān)心的是如何控制好水箱的液位。上水箱和下水箱是系統(tǒng)的被控對(duì)象，必須通過(guò)測(cè)定和計(jì)算他們模型，來(lái)分析系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能、動(dòng)態(tài)特性，為其他的設(shè)計(jì)工作提供依據(jù)。上水箱和下水箱為 THJ2高級(jí)過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置中上下兩個(gè)串接的有機(jī)玻璃圓筒形水箱，另有不銹鋼儲(chǔ)水箱負(fù)責(zé)供水與儲(chǔ)水。上水箱尺寸為： d=25cm,h=240mm。下水箱尺寸為： d=35cm,h=240mm，每個(gè)水箱分為三個(gè)槽：緩沖槽、工作槽、出水槽。 水箱模型分析 圖 液位被控過(guò)程簡(jiǎn)明原理圖 系統(tǒng)中上水箱和下水箱液位變化過(guò)程各是一個(gè)具有自衡能力的單容過(guò)程。如圖，水箱的流入量為 Q1，流出量為 Q2，通過(guò)改變閥 1的開(kāi)度改變 Q1值，改變閥 2的開(kāi)度可以改變 Q2值。液位 h 越高，水箱內(nèi)的靜壓力增大 ,Q2也越大。液位 h 的變化反映了 Q1和 Q2不等而導(dǎo)致水箱蓄水或?yàn)a水的過(guò)程。若 Q1作為被控過(guò)程的輸入量， h 為其輸出量，則該被控過(guò)程的數(shù)學(xué)模型就是 h 與 Q1之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式。 根 據(jù) 動(dòng) 態(tài) 物 料 平 衡 ， Q1Q2=A(dh/dt) ； △ Q1 △ Q2=A(d △ h/dt) 在靜態(tài)時(shí)， Q1=Q2， dh/dt=0；當(dāng) Q1發(fā)生變化后，液位 h 隨之變化，水箱出口處的靜壓也隨之變化， Q2也發(fā)生變化。由流體力學(xué)可知，液位 h 與流量之間為非線(xiàn)性關(guān)系。但為了簡(jiǎn)便起見(jiàn)，做線(xiàn) 性化處理得 Q2=△ h/R2，經(jīng)拉氏變換得單容液位過(guò)程的傳遞函數(shù)為 W0(s)=H(s)/Q1(s)=R2/(R2Cs+1)=K/(Ts+1) 注：△ Q1 ﹑△ Q2﹑△ h:分別為偏離某一個(gè)平衡狀態(tài) Q10﹑ Q20﹑ h0 的增量。 R2:閥 2的阻力 A:水箱截面積 T:液位過(guò)程的時(shí)間常數(shù) (T=R2C) K:液位過(guò)程的放大系數(shù) (K=R2) C:液位過(guò)程容量系數(shù) Q1 Q1 1 2 Q2 A h 河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 被控對(duì)象建模 3 階躍響應(yīng)曲線(xiàn)法建立模型 在本設(shè)計(jì)中將通過(guò)實(shí)驗(yàn)建模的方法，分別測(cè)定被控對(duì)象上水箱和下水箱在輸入階躍信號(hào)后的液位響應(yīng)曲線(xiàn)和相關(guān)參數(shù)。 通過(guò)磁力驅(qū)動(dòng)泵 供水，手動(dòng)控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度大小 ,改變上水箱 /下水箱液位的給定量，從而對(duì)被控對(duì)象施加階躍輸入信號(hào)，記錄階躍響應(yīng)曲線(xiàn)。 在測(cè)定模型參數(shù)中可以通過(guò)以下兩種方法控制調(diào)節(jié)閥，對(duì)被控對(duì)象施加階躍信號(hào)： (1) 通過(guò)智能調(diào)節(jié)儀表改變調(diào)節(jié)閥開(kāi)度，增減水箱的流入水量 大小，從而改變水箱液位實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的階躍信號(hào)輸入。 (2)改變調(diào)節(jié)閥開(kāi)度 ,控制