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双容水箱水位控制系统毕业设计论文
毕业设计论文
双容水箱水位控制系统
摘要
双容水箱液位控制系统是采用先进的控制算法完成对过程液位的控制的控制系统，它在饮料、食品加工、溶液过滤、化工生产等多种行业的生产加工过程中均有广泛应用。
在本设计中充分利用自动化仪表技术，计算机技术，通讯技术和自动控制技术，以实现对水箱液位的串级控制。
首先对被控对象的模型进行分析，并采用实验建模法求取模型的传递函数。
其次，根据被控对象模型和被控过程特性设计串级控制系统，采用动态仿真技术对控制系统的性能进行分析。
然后，设计并组建仪表过程控制系统，通过智能调节仪表实现对液位的串级PID控制。
最后，借助数据采集模块﹑MCGS组态软件和数字控制器，设计并组建远程计算机过程控制系统，完成控制系统实验和结果分析。
关键词：
液位,模型,PID控制,仪表过程控制系统,计算机过程控制系统
Abstract
Doubletankwaterlevelcontrolsystemistheuseofadvancedcontrolalgorithmofprocessliquidlevelcontrolsystem,itisinthebeverage,foodprocessing,filteringsolution,chemicalproductionandotherindustriesintheproductionprocesshasbeenwidelyused.Inthedesignofthefulluseofautomationtechnology,computertechnology,communicationtechnologyandautomaticcontroltechnology,inordertoachievethewatertankliquidlevelcascadecontrol.Firstly,theobjectmodelisanalyzed,andtheexperimentalmodelingmethodformodeltransferfunction.Secondly,accordingtothecontrolledobjectmodelandthecontrolledprocesscharacteristicdesignofcascadecontrolsystem,usingdynamicsimulationtechnologytothecontrolsystemperformanceanalysis.Then,designandconstructionprocesscontrolinstrumentationsystem,throughtheintelligentcontrollerforliquidlevelcascadePIDcontrol.Finally,withthehelpofadataacquisitionmodule,MCGSconfigurationsoftwareanddigitalcontroller,designandestablishmentofaremotecomputerprocesscontrolsystem,completecontrolsystemexperimentandresultanalysis
Keywords:
liquidlevel，modelPIDcontrol，indicatorprocesscontrolsystem，computerprocesscontrolsystem
摘要Ⅰ
AbstractⅡ
1绪论1
2被控对象建模2
2.1水箱模型分析2
2.2阶跃响应曲线法建立模型3
3系统控制方案设计与仿真7
3.1液位串级控制系统介绍7
3.2PID控制原理7
3.3系统控制方案设计10
3.4控制系统仿真12
4建立仪表过程控制系统17
4.1过程仪表介绍17
4.2仪表过程控制系统的组建19
4.3仪表过程控制系统PID参数整定23
5模拟计算机过程控制系统25
5.1计算机过程控制系统硬件设计25
5.2MCGS软件工程组态28
5.3组态软件调试38
6结论40
参考文献41
致谢42
附录43
1绪论
双容水箱系统是一种比较常见的工业现场液位系统，在实际生产中，双容水箱控制系统在石油、化工﹑环保﹑水处理﹑冶金等行业尤为常见。
通过液位的检测与控制从而调节容器内的输入输出物料的平衡，以便保证生产过程中各环节的物料搭配得当。
经过比较和筛选，串级控制系统PID控制无论是从操作性、经济性还是从系统的控制效果均有比较突出的特性，因此采用串级控制系统PID控制对双荣水箱液位控制系统实现控制。
论文以THJ-2高级过程控制实验系统为基础的实验数据作为出发点，利用MATLAB的曲线拟合的方法分别仿真出系统中上水箱、下水箱的输出响应曲线。
对曲线进行处理求出各水箱的参数，用所求出的参数列写出水箱的传递函数。
采用复杂控制系统中的串级控制系统列写出系统框图，根据串级控制系统PID参数整定的方法整定出主控制器和副控制器的P、I、D的数值，从而满足控制系统对各项性能的要求。
对于控制器的选择，从经济以及控制效果考虑采用智能仪表实现控制，并应用组态软件对系统实施监控。
为了能够使双容水箱系统能实现远程的检测和控制，本文又进一步的设计出计算机过程控制系统，利用ICP-7017数据采集模块实现模拟量输入通道的功能
利用ICP-7024数据采集模块实现模拟量输入通道的功能（自带485通讯接口），通过RS232/485完成通讯转换实现与计算机的通讯和控制。
ICP-7000系列采集模块的作用是将传感器检测到的被控参数标准信号通过A/D转换送入计算机，计算机是将控制运算发出的控制信号通过D/A转换发给执行机构（调节阀、变频器）。
整个控制系统的控制算法及监控功能都在控制计算机中实现。
对于计算机控制，采用的是组态软件MCGS来实现的，通过对软件进行编程使组态软件模拟出双容水箱液位控制系统的手动和自动两种工作状态。
2被控对象建模
在控制系统设计工作中，需要针对被控过程中的合适对象建立数学模型。
被控对象的数学模型是设计过程控制系统、确定控制方案、分析质量指标、整定调节器参数等的重要依据。
被控对象的数学模型（动态特性）是指过程在各输入量（包括控制量和扰动量）作用下，其相应输出量（被控量）变化函数关系的数学表达式。
在液位串级控制系统中，我们所关心的是如何控制好水箱的液位。
上水箱和下水箱是系统的被控对象，必须通过测定和计算他们模型，来分析系统的稳态性能、动态特性，为其他的设计工作提供依据。
上水箱和下水箱为THJ-2高级过程控制实验装置中上下两个串接的有机玻璃圆筒形水箱，另有不锈钢储水箱负责供水与储水。
上水箱尺寸为：
d=25cm,h=240mm;下水箱尺寸为：
d=35cm,h=240mm，每个水箱分为三个槽：
缓冲槽、工作槽、出水槽。
2.1水箱模型分析
图2.1液位被控过程简明原理图
系统中上水箱和下水箱液位变化过程各是一个具有自衡能力的单容过程。
如图，水箱的流入量为Q1，流出量为Q2，通过改变阀1的开度改变Q1值，改变阀2的开度可以改变Q2值。
液位h越高，水箱内的静压力增大,Q2也越大。
液位h的变化反映了Q1和Q2不等而导致水箱蓄水或泻水的过程。
若Q1作为被控过程的输入量，h为其输出量，则该被控过程的数学模型就是h与Q1之间的数学表达式。
根据动态物料平衡，Q1-Q2=A（dh/dt）；△Q1-△Q2=A（d△h/dt）在静态时，Q1=Q2，dh/dt=0；当Q1发生变化后，液位h随之变化，水箱出口处的静压也随之变化，Q2也发生变化。
由流体力学可知，液位h与流量之间为非线性关系。
但为了简便起见，做线性化处理得Q2=△h/R2，经拉氏变换得单容液位过程的传递函数为W0（s）=H（s）/Q1（s）=R2/（R2Cs+1）=K/（Ts+1）
注：
△Q1﹑△Q2﹑△h:
分别为偏离某一个平衡状态Q10﹑Q20﹑h0的增量。
R2:
阀2的阻力A:
水箱截面积T:
液位过程的时间常数（T=R2C）K:
液位过程的放大系数（K=R2）C:
液位过程容量系数
2.2阶跃响应曲线法建立模型
在本设计中将通过实验建模的方法，分别测定被控对象上水箱和下水箱在输入阶跃信号后的液位响应曲线和相关参数。
通过磁力驱动泵供水，手动控制电动调节阀的开度大小,改变上水箱/下水箱液位的给定量，从而对被控对象施加阶跃输入信号，记录阶跃响应曲线。
在测定模型参数中可以通过以下两种方法控制调节阀，对被控对象施加阶跃信号：
（1）通过智能调节仪表改变调节阀开度，增减水箱的流入水量大小，从而改变水箱液位实现对被控对象的阶跃信号输入。
（2）改变调节阀开度,控制水箱进水量的大小，从而改变水箱液位，实现对被控对象的阶跃信号输入。
图2.1水箱模型测定原理图
2.2.1上水箱阶跃响应参数：
记录阶跃响应参数（间隔30s采集数据）:
表2.1上水箱阶跃响应数据
1
23.62
7
44.77
13
47.76
19
47.64
2
30.50
8
45.56
14
47.87
20
47.09
3
35.25
9
46.17
15
47.89
21
46.52
4
38.69
10
47.06
16
47.28
22
46.41
5
41.32
11
47.25
17
47.01
23
46.28
6
43.31
12
47.46
18
47.15
24
45.90
2.2.2下水箱阶跃响应参数：
记录阶跃响应参数（间隔30s采集数据）:
表2.2下水箱阶跃响应数据
1
54.02
13
84.61
25
98.45
37
103.93
49
107.20
2
57.19
14
86.34
26
99.19
38
104.39
50
107.28
3
60.28
15
87.71
27
99.83
39
104.84
51
107.32
4
63.53
16
89.18
28
100.43
40
105.06
52
107.38
5
66.56
17
90.44
29
101.01
41
105.53
53
107.56
6
69.52
18
91.76
30
101.42
42
105.80
54
107.66
7
72.26
19
93.04
31
101.81
43
106.08
55
107.82
8
74.79
20
94.11
32
102.26
44
106.33
56
107.67
9
77.00
21
95.18
33
102.79
45
106.41
57
107.55
10
79.07
22
96.04
34
103.19
46
106.61
58
107.39
11
80.87
23
96.96
35
103.36
47
106.65
59
107.25
12
82.88
24
97.49
36
103.65
48
106.94
60
107.10
由于实验测定数据存在误差，直接使用计算法求解水箱模型会使误差增大。
所以使用MATLAB软件对实验数据进行处理，根据最小二乘法对响应曲线进行最佳拟合后，再计算水箱模型。
两组实验数据中将阶跃响应初始点的值作为Y轴坐标零点，后面的数据依次减去初始值处理，作为Y轴上的各阶跃响应数据点，
采样时间作为X轴[1]。
2.2.3求取上水箱模型传递函数
在MATLAB的命令窗口输入曲线拟合指令：
>>x=0:
30:
420；
>>y=[06.8811.6315.0717.719.6921.1521.9422.5523.4423.6323.8424.1424.2524.27]；
>>p=polyfit（x,y,4）；
>>xi=0:
3:
420；
>>yi=polyval（p,xi）；
>>plot（x,y,’b:
o’xi,yi,'r'）。
图2.2上水箱拟合曲线
注：
图中曲线为拟合曲线，圆点为原数据点。
数据点与曲线基本拟合
[1]：
上述测量数据来源：
姜秀英，张翠宣.过程控制系统实训
如图所示，利用四阶多项式近似拟合上水箱响应曲线，得到多项式的表达式：
P（t）≈-1.8753e（-009）t4+2.2734e（-006）t3
-0.0010761t2+0.24707t+0.13991式（2.1）
根据曲线采用切线作图法计算上水箱特性参数，当阶跃响应曲线在输入量x（t）产生阶跃的瞬间，即t=0时，其曲线斜率为最大，然后逐渐上升到稳态值，该响应曲线可用一阶惯性环节近似描述，需确定K和T。
而斜率K为P（t）在t=0的导数P'（0）=0.24707,以此做切线交稳态值于A点,映射在t轴上的B点的值为T。
图2.3上水箱模型计算曲线
阶跃响应扰动值为10,静态放大系数为阶跃响应曲线的稳态值
与阶跃扰
动值
之比
，所以上水箱传递函数为
式（2.2）
2.2.4下水箱模型建立
在MATLAB的命令窗口输入曲线拟合指令：
>>x=0:
30:
1650；
>>y=[03.176.269.5112.5415.518.420.7722.9825.0526.8528.8630.5932.3233.6935.1636.4237.7439.0240.0941.1642.0242.9443.4744.4345.1745.8146.4146.9947.447.7948.2448.7749.1749.3449.6549.9150.3750.8251.0451.5151.7852.0652.3152.3952.5952.6352.9253.1853.2653.353.3653.5453.6453.853.8]；
>>p=polyfit（x,y,4）；
>>xi=0:
3:
1650；
>>yi=polyval（p,xi）；
>>plot（x,y,’b:
o’xi,yi,'r'）。
在MATLAB中绘出曲线如下：
图2.4下水箱拟合曲线
注：
图中曲线为拟合曲线，圆点为原数据点。
数据点与曲线基本拟合
如图所示，利用四阶多项式近似拟合下水箱的响应曲线，得到多项式的表达式
P（t）=-1.1061e（-011）t4+5.7384（e-008）t3
-0.00011849t2+0.12175t-0.31385式（2.3）
根据曲线采用切线作图法计算下水箱特性参数，当阶跃响应曲线在输入量x（t）产生阶跃的瞬间，即t=0时，其曲线斜率为最大，然后逐渐上升到稳态值，该响应曲线可用一阶惯性环节近似描述，需确定K和T.而斜率K为P（t）在t=0的导数P`（0）=0.12175,以此做切线交稳态值于A点,映射在t轴上的B点的值为T。
图2.5下水箱模型计算曲线
阶跃响应扰动值为10,静态放大系数为阶跃响应曲线的稳态值
与阶跃扰
动值
之比，所以下水箱传递函数为在实验建模的过程中，实验测取的被控对象为广义的被控对象，其动态特性包括了调节阀和测量变送器，即广义被控对象的传递函数为
，
为调节阀的传递函数，Gm（s）为测量变送器的传递函数。
3系统控制方案设计与仿真
控制方案设计是过程控制系统设计的核心，需要以被控过程模型和系统性能要求为依据，合理选择系统性能指标，合理选择被控参数，合理设计控制规律，选择检测、变送器和选择执行器。
选择正确的设计方案才能使先进的过程仪表和计算机系统在工业生产过程中发挥良好的作
3.1液位串级控制系统介绍
在工业实际生产中，液位是过程控制系统的重要被控量，在石油﹑化工﹑环保﹑水处理﹑冶金等行业尤为重要。
在工业生产过程自动化中，常常需要对某些设备和容器的液位进行测量和控制。
通过液位的检测与控制，了解容器中的原料﹑半成品或成品的数量，以便调节容器内的输入输出物料的平衡，保证生产过程中各环节的物料搭配得当。
通过控制计算机可以不断监控生产的运行过程，即时地监视或控制容器液位，保证产品的质量和数量。
如果控制系统设计欠妥，会造成生产中对液位控制的不合理，导致原料的浪费﹑产品的不合格，甚至造成生产事故，所以设计一个良好的液位控制系统在工业生产中有着重要的实际意义。
在液位串级控制系统的设计中采用THJ-2高级过程控制实验系统的实验数据作为基础，展开设计控制系统及工程实现的工作。
串级控制系统从总体上看，是定值控制系统，因此主被控变量在扰动作用下的过度过程和单回路定值控制系统的过度过程，具有相同的品质指标和类似的形式。
但是，串级控制系统在结构上增加了一个随动的副回路，因此，与单回路相比有以下几个优点。
1）串级控制系统对进入副回路的扰动具有较强的克服能力。
2）由于副回路的存在，明显改善了对象的特性，提高了系统的工作频率。
3）串级控制系统具有一定的自适应能力。
除上述优点外串级控制系统在有些场合应用效果显著，它主要应用于以下4中场合。
1）对象的容量滞后比较大。
2）调节对象的纯滞后比较长。
3）系统内存在激烈且幅值较大的干扰作用。
4）调节对象具有较大的非线性特性而且负荷变化较大。
而双容水箱均有上述缺点，因此可以看出串级控制系统很适合应用于双容水箱液位控制系统的设计
3.2PID控制原理
目前，随着控制理论的发展和计算机技术的广泛应用，PID控制技术日趋成熟。
先进的PID控制方案和智能PID控制器（仪表）已经很多，并且在工程实际中得到了广泛的应用。
现在有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器，能实现PID控制功能的可编程控制器（PLC），还有可实现PID控制的计算机系统等。
在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例积分微分控制，简称PID控制，又称PID调节。
PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。
y（t）
图3.1PID控制基本原理图
PID控制器是一种线性负反馈控制器，根据给定值r（t）与实际值y（t）构成控制偏差：
式（3.1）
控制规律为：
式（3.2）
或以传递函数形式表示：
式（3.3）
KP:
比例系数TI:
积分时间常数TD:
微分时间常数。
PID控制器各控制规律的作用如下：
（1）比例控制（P）：
比例控制是一种最简单的控制方式。
其控制器的输出与输入误差信号成比例关系，能较快克服扰动，使系统稳定下来。
但当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差
（2）积分控制（I）：
在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。
对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称此控制系统是有差系统。
为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。
积分项对误差的累积取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会越大。
这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。
但是过大的积分速度会降低系统的稳定程度，出现发散的振荡过程。
比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
（3）微分控制（D）：
在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。
自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。
其原因是由于存在有较大惯性环节或有滞后环节，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。
解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。
所以在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。
特别对于有较大惯性或滞后环节的被控对象，比例积分控制能改善系统在调节过程中动态特性。
PID控制器的参数整定是控制系统设计的重要内容，应根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。
PID控制器参数整定的方法分为两大类：
一是理论计算整定法。
它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。
由于实验测定的过程数学模型只能近似反映过程动态特，理论计算的参数整定值可靠性不高，还必须通过工程实际进行调整和修改。
二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统试验中进行控制器参数整定，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。
PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减曲线法。
三种方法都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。
但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。
1.临界比例法。
在闭合控制系统中，把调节器的积分时间TI置于最大，微分时间TD置零，比例度δ置于较大数值，把系统投入闭环运行，将调节器的比例度δ由大到小逐渐减小，得到临界振荡过程，记录下此时的临界比例度δk和临界振荡周期Tk。
根据以下经验公式计算调节器参数：
表3.1临界比例整定计算公式
调节器参数
控制规律
δ
TI
TD
P
2δk
PI
2.2δk
TK/1.2
PID
1.6δk
0.5Tk
0.25Tk
2.阻尼振荡法。
在闭合控制系统中，把调节器的积分时间TI置于最大，微分时间TD置零，比例度δ置于较大数值反复做给定值扰动实验，并逐渐减少比例度，直至记录曲线出现4：
1的衰减为止。
记录下此时的4：
1衰减比例度δ和衰减周期Tk。
根据以下经验公式计算调节器参数：
表3.2阻尼振荡整定计算公式
调节器参数
控制规律
δ
TI
TD
P
δS
PI
1.2δS
0.5TS
PID
0.8δS
0.3TS
0.1TS
3.反应曲线法
若被控对象为一阶惯性环节或具有很小的纯滞后，则可根据系统开环广义过程测量变送器阶跃响应特性进行近似计算。
在调节阀的输入端加一阶跃信号，记录测量变送器的输出响应曲线，并根据该曲线求出代表广义过程的动态特性参数。
3.3系统控制方案设计
3.3.1控制系统性能指标
（1）静态偏差：
系统过渡过程终了时的给定值与被控参数稳态值之差。
（2）衰减率：
闭环控制系统被施加输入信号后，输出响应中振荡过程的衰减指标，即振荡经过一个周期以后，波动幅度衰减的百分数。
为了保证系统足够的稳定程度，一般衰减率在0.75-0.9。
（3）超调量：
输出响应中过渡过程开始后，被控参数
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