水箱液位控制变频调节系统设计毕业设计.docx

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水箱液位控制变频调节系统设计毕业设计

本科毕业设计

题目：

水箱液位控制变频调节系统设计

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：

日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

注意事项

1.设计（论文）的内容包括：

1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）

2）原创性声明

3）中文摘要（300字左右）、关键词

4）外文摘要、关键词

5）目次页（附件不统一编入）

6）论文主体部分：

引言（或绪论）、正文、结论

7）参考文献

8）致谢

9）附录（对论文支持必要时）

2.论文字数要求：

理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。

3.附件包括：

任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。

4.文字、图表要求：

1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写

2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。

图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画

3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印

4）图表应绘制于无格子的页面上

5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档

5.装订顺序

1）设计（论文）

2）附件：

按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订

指导教师评阅书

指导教师评价：

一、撰写（设计）过程

1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神

□优□良□中□及格□不及格

2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度

□优□良□中□及格□不及格

3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力

□优□良□中□及格□不及格

4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性

□优□良□中□及格□不及格

5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

指导教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

评阅教师评阅书

评阅教师评价：

一、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

评阅教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

教研室（或答辩小组）及教学系意见

教研室（或答辩小组）评价：

一、答辩过程

1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况

□优□良□中□及格□不及格

2、对答辩问题的反应、理解、表达情况

□优□良□中□及格□不及格

3、学生答辩过程中的精神状态

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

评定成绩：

□优□良□中□及格□不及格

教研室主任（或答辩小组组长）：

（签名）

年月日

教学系意见：

系主任：

（签名）

年月日

一、设计正文………………………………………………………

（1）

二、附录……………………………………………………………（33）

1.设计任务书……………………………………………………（33）

2.设计中期检查报告……………………………………………（35）

3.指导教师指导记录表…………………………………………（36）

4.设计结题报告…………………………………………………（37）

5.成绩评定及答辩评议…………………………………………（39）

6.设计答辩过程记录……………………………………………（41）

水箱液位控制变频调节系统设计

摘要：

液位控制在钢铁、石油化工、食品灌装等行业中应用极为普及，对此进行研究有很高的使用价值。

目前生产中应用的液位控制系统，主要以传统的PID控制为主。

本系统单容水箱液位控制采用松下VFO，能根据需要调整其转速经过简单液位传感器信号的转换，便可得到电压信号，转化的电压信号为0-5V，反馈给变频器的VR1端，变频器根据输入给定值和反馈的实际值，即根据液位传感器信号转换获得的反馈电压信号，利用PID控制自动调节，改变频率输出值来调节所控制的三相异步电机转速，达到调速的目的，变频器通过改变电机的转速来调节液位，从而实现控水箱的液位平稳。

关键词：

变频调速；液位控制；过程PID控制

Cisternlevelcontrolvariablefrequencyregulationsystemdesign

Abstract:

Liquidlevelcontrolinsteel,petroleumchemicalindustry,foodfillingetc,areappliedextremelypopularresearchhashighusevalue.Thecurrentproductionapplicationofliquidlevelcontrolsystem,mainlywiththetraditionalPIDcontrolmainly.

Thissystemsingleletwatertankbypanasoniclevelcontrol,accordingtoneedVFOsetpcanadjustitsspeedthroughsimplelevelsensorsignalconversioncanbegotintovoltagesignalandthevoltagesignalis0-5V,feedbacktotheVR1endinverterfrequencyaccordingtotheinputofthegivenvalueandpracticalvalue,namelythefeedbackaccordingtolevelsensorsignalconversiongetfeedbackvoltagesignals,usingPIDcontrolautomaticadjustment,changefrequencyoutputvaluetoadjustthecontrolofthree-phaseasynchronousmotorspeed,andachievethepurpose,inverterspeedbychangingthemotorspeedtoadjustthelevel,soastorealizethestableofliquidlevelcontrolwatertank.

Keywords:

frequencycontrol;Liquidlevelcontrol;ProcessPIDcontrol

1.绪论

1.1课题意义

过程控制是自动技术的重要应用领域，它是指对液位、温度、流量等过程变量进行控制，在冶金、机械、化工、电力等方面得到了广泛应用。

尤其是液位控制技术在现实生活、生产中发挥了重要作用，比如，民用水塔的供水，如果水位太低，则会影响居民的生活用水；工矿企业的排水与进水，如果排水或进水控制得当与否，关系到车间的生产状况；锅炉汽包液位的控制，如果锅炉内液位过低，会使锅炉过热，可能发生事故；精流塔液位控制，控制精度与工艺的高低会影响产品的质量与成本等。

在这些生产领域里，基本上都是劳动强度大或者操作有一定危险性的工作性质，极容易出现操作失误，引起事故，造成厂家的的损失。

可见，在实际生产中，液位控制的准确程度和控制效果直接影响到工厂的生产成本、经济效益甚至设备的安全系数。

所以，为了保证安全条件、方便操作，就必须研究开发先进的液位控制方法和策略。

PCS-C型过程控制实验装置是专门针对于过程控制系统研究的实验系统。

它包含有温度、压力、流量、液位等多种被控变量和PID控制、PLC控制等多种控制方式。

十分适合对液位控制系统进行方法、策略的验证和研究。

所以，可以以这套实验装置为平台，开展液位控制系统研究。

1.2液位控制的特点与现状

液位控制工业最大的特点就是连续性，随着科学技术的迅猛发展，以液位控制为代表的连续工业逐步向大型化、连续化、自动化和集成化方向发展。

为了提高竞争能力，液位控制工业在不断地通过提高自动化水平来提高产品质量、节省能源、降低成本以获取更加显著的经济效益。

从控制工程的观点看，液位控制有如下一些特点：

①液体工业生产往往伴随有物化反应、生化反应等，因此过程机理比较复杂；

②被控对象往往是大惯性、高维、大时滞、严重不确定性与非线性等，控制起来非常困难；

③液位控制工业经常在高温、高压、易燃、易爆等环境下运行，生产的安全性是至关重要的。

根据液位控制的特点及其在生产中的工艺要求，可以知道，实现液位过程控制的目的和要求可归纳为：

抑制外界扰动的影响；确保液位控制过程的稳定性；使工厂生产状况更加优化。

传统的液位控制多采用包含手动控制方式的单回路控制，同时采用传统的指针式机械仪表来显示液位的当前值，如浮子式、磁电式、接近开关式、电容式、声波式等。

传统的液位控制在生产中一直占有主导地位，但随着科学技术的发展、生产线的更新，不仅要求偶更直观、准确、稳定的液位控制系统，同时还要求在降低生产设备的成本、提高设备安全条件等方面有所突破，这就要求我们开发新型既实用又廉价的液位控制系统。

液位控制的发展从七十年代到九十年代经历了几个阶段，控制理论由经典控制理论到现代控制理论，再到多学科交叉；控制工具由常规仪表到DCS，再到计算机网络控制；控制要求与控制水平也由原来的简单、安全、平稳到先进、优质、低耗、高产甚至市场预测、柔性生产。

可以说，在很短的时间内，液位控制技术得到了飞跃性的发展。

近年来，在控制工具方面，更是出现了如预测控制、单片机控制、自适应控制、非线性控制、鲁棒控制、以及智能控制等控制策略。

同时，也有了一种新的控制系统，称之为现场总线系统。

现场总线技术是计算机技术、通信技术、控制技术的综合与集成。

它的特点是全数字化、全分散化、全开放、可互操作和开放式互连网络。

它对液位自动控制系统的体系结构、设计方法、安装调试方法和产品结构方面产生了深远的影响。

尽管先进液位过程控制能提高控制质量并产生较好的经济效益，但它们仍然知识相互孤立的控制系统。

于是就出现了综合自动化系统，它是将控制、优化、调度、管理等集于一体的新的控制模式，并将信号处理技术、数据库技术、通信技术以及计算机网络技术进行有机结合而发展起来的高级自动化系统，也被称为计算机集成过程系统（CIPS）。

这便是液位过程控制系统的又一崭新的发展阶段。

1.3液位控制主要发展方向

1.3.1过程建模

目前国内外流行的建模方法大致有3类：

①机理建模。

也就是根据过程本身的内在机理，利用能量平衡、物质平衡、反应动力学等规律来建立系统模型。

该方法目前仍有不少的应用场合，但在方法上没有太大的发展。

这是由于液位控制过程工业种类繁多，其物化反应、生化反应等过程非常复杂，要想根据机理来建立准确的数学模型是非常困难的；

②“黑箱子”系统辨识。

也就是根据被控过程的输入、输出数据建立数学模型。

属于这类方法的有最小二乘法系统辨识、人工神经元网络模型、模糊模型、专家系统模型等。

各种智能模型的交叉亦是此类模型的一种趋势；

③集成模型建模。

此中建模方法将弥补机理建模和“黑箱子”系统辨识建模的短处而利用它们的长处。

其基本思想是将机理建模及其建模方法与各种系统辨识方法进行有机的结合，产生出能够较准确描述复杂过程的模型。

此方法目前尚无明确的定义，但这是过程建模的一个新研究方向。

国内外许多专家、学者在过程建模方面做了大量的研究，但就目前过程控制的水平而言，工业液位过程模型仍然是控制系统设计与开发的瓶颈，在这方面，日后有大量的工作需要完成。

1.3.2控制策略和方法

目前，已经开发出来的控制策略（算法）很多，但其中许多算法仍然只是停留在计算机仿真或实验装置的验证上，真正能有效地应用在工业过程中的并有发展潜力的仍为数不多。

以下是一些得到工程界公认的先进控制策略（算法）：

①改进的或复合PID控制算法。

大量的事实证明，传统的PID控制算法对于绝大部分工业过程的被控对象可取得较好的控制效果。

采用改进的PID算法或者将PID算法与其他算法进行有机结合往往可以进一步提高控制质量。

②预测控制。

预测控制是直接从工业过程控制中产生的一类基于模型的新型控制算法。

它高度结合了工业实际的要求，综合控制质量比较高。

预测控制有三要素，即预测模型、滚动优化和反馈校正。

它的机理表明它是一种开放式的控制策略，体现了人们在处理带有不确定性问题时的一种通用的思想方法。

③自适应控制。

在液位过程工业中，很多过程是时变的，如采用参数与结构固定不变的控制器，则控制系统的性能会不断恶化，这时就需要采用自适应控制系统来适应时变的过程。

它是辨识与控制的结合。

目前，比较成熟的自适应控制分3类：

1.自整定调节器及其他简单自适应控制器；2.模型参考自适应控制；3.自校正调节与控制。

④智能控制。

随着科学技术的发展，对工业过程不仅要求控制的精确性，更加注重控制的鲁棒性、实时性、容错性以及对控制参数的自适应和自学习能力。

另外，被控工业过程日益复杂，过程严重的非线性和不确定性，使许多系统无法用数学模型精确描述。

没有精确的数学模型作前提，传统控制系统的性能将大打折扣。

而智能控制器的设计却不依赖过程的数学模型，因而对于复杂的工业液位过程往往可以取得很好的控制效果。

常用的智能控制方法有以下几种：

模糊控制、分级递阶智能控制、专家控制、人工神经元网络控制、拟人智能控制。

这些智能控制方法各有千秋，但也都不同程度的存在问题。

同时，又有研究表明将它们相互交叉结合或与传统的控制方法结合会产生更好的效果。

它们中有些已经在石化、钢铁、冶金、食品等行业中取得了成功。

今后，需要进一步对智能控制的基础理论进行研究，以建立统一的智能控制系统的设计方法。

2.液位控制系统介绍

为了更好的理解液位控制系统的控制原理，便于对象、系统的建模和仿真，就必须对该系统硬件部分和其原有的控制方式进行一定的了解。

在硬件部分中，PCS-C型过程控制实验装置，变频器、传感器都是非常重要的器件，有必要知道它们的一些组成、原理。

2.1.PCS-C型过程控制实验装置

PCS-C型过程控制实验装置是针对于过程控制的专用实验系统，它集中了液位、流量、温度等多种被控变量，功能强大，使用方便，可进行综合性实验。

2.1.1系统组成

PCS-C型过程控制实验装置的控制参数有：

压力、温度、液位和流量，差不多包含了目前工业控制中的过程控制参数。

它的基本过程是水流回路，回路中的部件包括：

被控对象（上水箱、下水箱、管路、直流电机及水泵、交流电机及水泵、手动调节阀、复合加热水箱、电热丝、储水箱等），信号变送器（压力检测器、流量检测器、温度检测器、液位检测器等）。

在系统装置上有直流调速器、交流变频器等部件，它们可和直流电机及水泵、交流电机及水泵、电热丝等一起作为执行器。

另外，装置中还有多种调节器，主要包括温度智能调节器、计算机控制系统（配置有RS485微机通讯接口单元）、AI智能调节器（含比例P调节、比例积分PI调节、比例微分PD调节、比例积分微分PID调节）、位式调节器、PLC控制器等。

2.1.2供水系统

1、直流电机供水部分：

由直流电机驱动齿轮泵，将储水箱中的水经阀1V2、V4分别注入上、下水箱。

2、交流电机供水部分：

由磁力驱动循环泵，将储水箱中的水经流量计和阀2V1、V4将水分别注入上、下水箱。

复合水箱的内套水箱通过阀1V7一次性加满水后即将它关闭。

3、调节阀V4、阀V5，可调节上、下水箱的排水量。

各水箱的过量水都通过溢流口1、2、3回流到储水箱中。

2.1.3控制对象

装置结构展示屏示有三个实验对象，两个上水箱的水位控制对象，和一个温度控制对象（是一个由复合水箱与电加热容器构成）。

2.1.4AI智能调节器

一、主要特点

●人性化设计的操作方法，非常方便易学，并且不同功能档次的仪表操作相互兼容。

●包含国际上同类仪表的几乎所有功能，通用性强，技术成熟可靠。

●提供多个型号，无论是要求功能强大，还是要求价格经济，都能获得满意的选择。

●全球通用的85－264VAC输入范围开关电源或24VDC电源供电，并具备多种外型尺寸供客户选择。

●输入采用数字校正系统，内置常用热电偶和热电阻非线性校正表格，测量精确稳定。

●采用先进的AI人工智能调节算法，无超调，具备自整定（AT）功能。

●采用先进的模块化结构，提供丰富的输出规格，能广泛满足各种应用场合的需要，交货迅速且维护方便。

●通过ISO9002质量认证，品质可靠。

具备符合要求的抗干扰性能。

注意事项

●该系统介绍的是V6.0的AI系列人工智能工业调节器/温度控制器，本说明书介绍的功能有部分可能不适合其他版本仪表。

仪表的型号及软件版本号在仪表上电时会在显示器上显示出来，用户使用时应注意不同型号和版本仪表之间的区别。

务请用户仔细阅读本说明书，以正确使用及充分发挥本仪表的功能。

●AI仪表在使用前应对其输入、输出规格及功能要求来正确设置参数，只有配置好参数的仪表才能投入使用。

二、面板说明及操作说明：

图2-1AI智能调节器面板

①输出指示灯

②报警1指示灯

③报警2指示灯

④手动调节指示灯

⑤显示转换（兼参数设置进入）

⑥数据移位（兼手动/自动切换及程序设置进入）

⑦数据减少键（兼程序运行/暂停操作）

⑧数据增加键（兼程序停止操作）

⑨给定值显示窗

⑩测量值显示窗

三、显示状态

在基本状态下，SV窗口能用交替显示的字符来表示系统某些状态，如下：

1、输入的测量信号超出量程（因传感器规格设置错误、输入断线或短路均可能引起）时，则闪动显示“orAL”。

此时仪表将自动停止控制，并将输出固定在参数oPL定义的值上。

2、有报警发生时，可分别显示“HIAL”、“LoAL”、“dHAL”或“dLAL”，分别表示发生了上限报警、下限报警、正偏差报警和负偏差报警。

报警闪动的功能是可以关闭的（参看ALP参数的设置），将报警作为控制时，可关闭

报警字符闪动功能以避免过多的闪动。

3、对于AI－808P程序型仪表，字符闪动还表示程序运行状态。

当程序正常运行时（run状态），无闪动字符，而当

程序分别处于停止状态、暂停状态和准备状态时，则分别闪动“StoP”，“HoLd”和“rdy”字符。

仪表面板上还有4个LED指示灯，其含义分别如下：

OUT输出指示灯：

输出指示在线性电流输出时通过亮/暗变化反映输出电流的大小，在SSR电压输出（时间比例方

式）时，通过闪动时间比例反映输出大小。

AL1报警指示灯：

当报警/事件1动作时该灯亮。

AL2报警指示灯：

当报警/事件2动作时该灯亮。

MAN指示灯（仅808/808P用）灭，表示仪表处于自动调节状态；MAN指示灯亮，表示仪表处于手动输出状态。

四、基本操作

1、显示切换：

按

键可以切换不同的显示状态。

AI－808可在①、②两种状态下切换，AI－808P可在①、②、③、④等4种状态下切换，AI－708只有显示状态①，无需切换。

2、修改数据：

如果参数锁没有锁上，仪表下显示窗显示的数值除AI－808/808P显示的自动输出值，AI－808P显示的已运行时间和给定值不可直接修改改外，其余数据均可通过按﹤、∨或∧键来修改下显示窗口显示的数值。

例如：

需要设置给定值时（AI－708/808型），可将仪表切换到显示状态①，即