下水箱液位控制系统设计.docx
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摘要
在人们生活以及工业生产等诸多领域经常涉及到液位和流量的控制问题,例如居民生活用水的供应,饮料、食品加工等多种行业的生产加工过程,通常需要使用蓄液池,蓄液池中的液位需要维持合适的高度,既不能太满溢出造成浪费,也不能过少而无法满足需求。
因此液面高度是工业过程控制过程中一个重要的参数，特别是在动态的状态下，采用适合的方法对液位进行检测、控制，能收到很好的效果就更为重要了。
在这次课程设计中，我们主要是设计一个下水箱液位控制系统，涉及到液位的动态控制、控制系统的建模、PID参数整定、传感器和调节阀等一系列的知识。
通过将电磁流量计和涡轮流量计分别作为主管道和副管道控制系统的调节阀控制水箱液位高度。
然后，通过参数试凑法对PID参数的调试，使上述的模型能快速的达到稳定并且超调量和余差等满足设计要求。
这次课设加深了对工业控制工程中对控制系统设计过程的认识。
在PID参数整定过程中，我对比例控制，积分控制，微分控制的作用、效果以及调试方法有了一定了解。
关键词：
过程控制下水箱液位控制PID参数整定
1绪论
自本世纪30年代以来，伴随着自动控制理论的日趋成熟，自动化技术不断地发展并获得了惊人的成就，在工业生产和科学发展中起着关键性的作用。
过程控制技术是自动化技术的重要组成部分，普遍运用于石油，化工，电力，冶金，轻工，纺织，建材等工业部门。
初期的过程控制系统采用基地式仪表和部分单元组合仪表，过程控制系统结构大多是单输入，单输出系统，过程控制理论是以频率法和根轨迹法为主体的经典控制理论，以保持被控参数温度，液位，压力，流量的稳定和消除主要扰动为控制目的过程。
现今的过程控制己进入计算机集成过程系统（CIPS）时代，并依托人工智能，控制理论和运筹学相结合的智能控制技术向工厂综合自动化的方向发展。
现代化过程工业向着大型化和连续化的方向发展，生产过程也随之日趋复杂，而对生产质量﹑经济效益的要求，对生产的安全、可靠性要求以及对生态环境保护的要求却越来越高。
不仅如此，生产的安全性和可靠性，生产企业的经济效益都成为衡量当今自动控制水平的重要指标。
因此继续采用常规的调节仪表（模拟式与数字式）已经不能满足对现代化过程工业的控制要求。
2下水箱液位控制系统设计简述
2.1设计目的
通过某种组态软件，结合实验已有设备，按照定值系统的控制要求，根据较快较稳的性能要求，采用但闭环控制结构和PID控制规律，设计一个具有美观组态画面和较完善组态控制程序的流量单回路过程控制系统。
2.2设计要求
1进行单容液位控制系统设计，画出系统的结构图。
2进行单容液位定值控制系统调节器参数的整定。
3基于WinCC的监控界面设计.
4系统投运，进行P、PI和PID三种调节器参数整定。
5比较三种调节器的控制效果。
2.3设计方案
整个过程控制系统由控制器、调节器、测量变送、被控对象组成。
在本次控制系统中控制器为计算机，采用算法为PID控制规律，调节器为电磁阀，测量变送为HB、FT两个组成，被控对象为流量PV。
结构组成见下图2-1所示。
图2-1流量单回路控制系统框图
当系统启动后，水泵开始抽水，通过管道分别将水送到上水箱和下水箱，由HB返回信号，是否还需要放水到下水箱。
若还需要（即水位过低），则通过电磁阀控制流量的大小，加大流量，从而使下水箱水位达到合适位置；若不需要（即水位过高或刚好合适），则通过电磁阀使流量保持或减小。
其整个流程图如图2-2所示。
图2-2流量单回路控制系统流程图
被控量为下水箱的液位高度，实验要求它的液位稳定在给定值。
将压力传感器LT1检测到的下水箱液位信号作为反馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节器控制气动调节阀的开度，以达到控水箱液位的目的。
为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制，系统的调节器应为PI或PID控制。
本控制系统的流程图如图2-3所示。
图2-3控制系统的流程图
下水箱液位检测信号LT1为标准的模拟信号，直接传送到SIEMENS的模拟量输入模块SM331，SM331和分布式I/O模块ET200M直接相连，ET200M挂接PROFIBUS-DP总线上，PROFIBUS-DP总线上挂接有控制器CPU315-2DP（CPU315-2DP为PROFIBUS-DP总线上的DP主站），这样就完成了现场测量信号到CPU的传送。
本实验的执行机构为带PROFIBUS-PA通讯接口的阀门定位器PROFIBUS-PA总线上，PROFIBUS-PA总线通过LINK和COUPLER组成的DP链路与PROFIBUS-DP总线交换数据，PROFIBUS-DP总线上挂接有控制器CPU315-2DP，这样控制器CPU315-2DP发出的控制信号就经由PROFIBUS-DP总线到达PROFIBUS-PA总线来控制执行机构阀门定位器。
3下水箱液位系统的组成
3.1单回路控制系统
单回路过程控制系统亦称单回路调节系统简称单回路系统，一般指针对一个被控过程,采用一个测量变送器监测被控过程，采用一个控制器来保持一个被控参数恒定，其输出也只控制一个执行机构。
从系统的框图3-1看，只是一个闭环回路。
图3-1单回路控制系统方框图
图中，、、和分别表示被控对象、检测变送仪表、执行器和控制器的传递函数。
系统工作时，被控过程的输出信号（被控变量）通过检测变送仪表后将其变换为测量值，并将测量值反馈到控制器的输入端；控制器根据系统被控变量的设定值与测量值的偏差，按照一定的控制算法输出控制量；执行器根据控制器送来的控制信号，通过改变操作变量的大小，对被控对象进行调节，克服扰动对系统的影响，从而使被控变量趋于设定值，达到预期的控制目标。
单回路系统结构简单，投资少，易于调整和投运，又能满足不少工业生产过程的控制要求，因此应用十分广泛，尤其适用于被控过程的纯滞后和小惯性、负荷和扰动变化比较平缓，或者对被控制量要求不高的场合，约占目前工业控制系统80%以上。
单回路过程控制系统虽然简单，但它的分析、设计方法是其它各种复杂过程控制系统分析、设计的基础。
3.1.1控制器
控制器只接受一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。
本系统所要保持的恒定参数是液位的给定高度，即控制的任务是控制水箱液位等于给定值所要求的高度。
所以本设计控制器采用SIEMENS公司的S7300 CPU，本CPU既具有能进行多点通讯功能的MPI接口，又具有PROFIBUS-DP通讯功能的DP通讯接口，并通过WINCC组态软件完成对下水箱液位的控制。
3.1.2执行器
本设计采用智能直行程电动调节阀，对控制回路的流量进行调节。
电动调节阀型号为：
QSTP-16K。
具有精度高、技术先进、体积小、重量轻、推动力大、功能强、控制单元与电动执行机构一体化、可靠性高、操作方便等优点，电源为单相220V，控制信号为4～20mADC或1～5VDC，输出为4～20mADC的阀位信号，使用和校正非常方便。
采用磁力驱动泵，型号为16CQ-8P，流量为30升/分，扬程为8米，功率为180W。
泵体完全采用不锈钢材料，以防止生锈，使用寿命长。
在本设计中还选用电磁阀作为电动调节阀的旁路，起到阶跃干扰的作用。
电磁阀工作压力：
最小压力为0Kg/，最大压力为1Mp/；工作温度：
－5～80℃；工作电压：
220VAC。
3.1.3被控对象
本设计被控对象选择下水箱，下水箱尺寸为：
D=35cm，H=20cm。
水箱结构独特，由三个槽组成，分别为缓冲槽、工作槽和出水槽，进水时水管的水先流入缓冲槽，出水时工作槽的水经过带燕尾槽的隔板流入出水槽，这样经过缓冲和线性化的处理，工作槽的液位较为稳定，便于观察。
水箱底部均接有扩散硅压力传感器与变送器，可对水箱的压力和液位进行检测和变送。
3.1.4检测装置
本设计采用压力传感器对下水箱的液位进行检测，其量程为0～5KP，精度为0.5级。
采用工业用的扩散硅压力变送器，带不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。
采用涡轮流量计对由电动调节阀控制的动力支路、由变频器控制的动力支路及盘管出口处的流量进行检测。
其优点是测量精度高，反应快。
流量范围：
0～1.2m3/h；精度：
1.0%；输出：
4～20mADC。
3.2下位机部分
1、PLC的简介
可编程控制器（简称PLC）是专为在工业环境下应用的一种数字运算操作的电子系统。
目前国内外PLC品种繁多，生产PLC的厂商也很多，其中德国西门子公司在S5系列PLC的基础上推出了S7系列PLC，性能价格比越来越高。
S7系列PLC有很强的模拟量处理能力和数字运算功能，具有许多过去大型PLC才有的功能，其扫描速度甚至超过了许多大型的PLC，S7系列PLC功能强、速度快、扩展灵活，并具有紧凑的、无槽位限制的模块化结构，因而在国内工控现场得到了广泛的应用。
根据学校要求，在本装置中采用了S7-300PLC控制系统。
2、Step7编程软件的简介
本装置中S7-300PLC，采用的是Step7编程软件，利用这个软件可以对PLC进行编程、调试、下装、诊断。
STEP7是用于SIMATICS7-300/400站创建可编程逻辑控制程序的标准软件，可使用梯形逻辑图、功能块图和语句表。
它是SIEMENSSIMATIC工业软件的组成部分。
STEP7以其强大的功能和灵活的编程方式广泛应用于工业控制系统，总体说来，它有如下功能特性：
1、可通过选择SIMATIC工业软件中的软件产品进行扩展
2、为功能摸板和通讯处理器赋参数值
3、强制和多处理器模式
4、全局数据通讯
5、使用通讯功能块的事件驱动数据传送
6、组态连接
3.3上位机部分
1、WINCC概述
WINCC指的是WindowsControlCenter，它是在生产和过程自动化中解决可视化和控制任务的监控系统，它提供了适用于工业的图形显示、消息、归档以及报表的功能模板。
高性能的功能耦合、快速的画面更新以及可靠的数据交换使其具有高度的实用性。
WINCC是基于WindowsNT32位操作系统的，在WindowsNT或Windows2000标准环境中，WINCC具有控制自动化过程的强大功能，它是基于个人计算机，同时具有极高性价比的操作监视系统。
WINCC的显著特性就是全面开放，它很容易结合用户的下位机程序建立人机界面，精确的满足控制系统的要求。
不仅如此，WINCC还建立了像DDE、OLE等在Windonws程序间交换数据的标准接口，因此能毫无困难的集成ActiveX控制和OPC服务器、客户端功能。
WINCC软件是基于多语言设计的，这意味着可以在中文、德语、英语等众多语言之间进行选择。
2、WINCC组态界面
2-4-1wincc组态好的界面
4系统调试部分
4.1系统建模
本实验研究的被控对象只有一个，那就是下水箱如图4-1。
要对该对象进行较好的计算机控制，有必要建立被控对象的数学模型。
单容水箱是一个自衡系统。
根据它的这一特性，我们可以用阶跃响应测试法进行建模。
如图4-1，设水箱的进水量为Q1，出水量为Q2，水箱的液面高度为h，出水阀V2固定于某一开度值。
若Q1作为被控对象的输入变量，h为其输出变量，则该被控对象的数学模型就是h与Q1之间的数学表达式。
根据动态物料平衡关系有
（4-1）
将式（4-1）表示为增量形式
（4-2）
式中，、、——分别为偏离某一平衡状态、、的增量；C——水箱底面积。
在静态时，=；=0；当发生变化时，液位h随之变化，阀处的静压也随之变化，也必然发生变化。
由流体力学可知，流体在紊流情况下，液位h与流量之间为非线性关系。
但为简化起见，经线性化处理，则可近似认为与成正比，而与阀的阻力成反比，即
或（4-3）
式中，为阀的阻力，称为液阻。
将式（4-3）代入式（4-2）可得
（4-4）
在零初始条件下，对上式求拉氏变换，得：
（4-5）
式中，T=R2C为水箱的时间常数（注意：
阀V2的开度大小会影响到水箱的时间常数），K=R2为过程的放大倍数。
令输入流量=，为常量，则输出液位的高度为：
（4-6）
即（4-7）
当t时，因而有（4-8）
当t=T时，则有（4-9）
式（4-7）表示一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数，如图4-2所示。
由式（4-9）可知该曲线上升到稳态值的63.2%所对应的时间，就是水箱的时间常数T。
该时间常数T也可以通过坐标原点对响应曲线作切线，此切线与稳态值的交点所对应的时间就是时间常数T。
图4-1单溶水箱图4-2阶跃响应曲线
4.2PID算法
数字PID控制是在实验研究和生产过程中采用最普遍的一种控制方法，在液位控制系统中也有着极其重要的控制作用。
本章主要介绍PID控制的基本原理，液位控制系统中用到的数字PID控制算法。
一般，在控制系统中，控制器最常用的控制规律是PID控制。
常规PID控制系统原理框图如图4-3所示。
系统由模拟PID控制器和被控对象组成。
积分
比例
微分
被控对象
u（t）
e（t）
r（t）
-
c（t）
图4-3PID控制系统原理框图
PID控制器是一种线性控制器，它是根据给定值r（t）与实际输出值c（t）构成控制偏差：
e（t）=r（t）-c（t）（4-10）
将偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）通过线性组合可以构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID控制器。
它的控制规律为
（4-11）
写成传递函数形式为
（4-12）
式中——比例系数；——积分时间常数；——微分时间常数；
4.3调试过程
当系统选用P调节时，如图4-4与图4-5是不同比例度的比较。
可以发现当比例度为0.5时，系统的稳态偏差为32mm；当比例度为5时，系统的稳态偏差为6mm。
比例度越大，系统的稳态偏差越小。
图4-4比例度为0.5的比例调节
图4-5比例度为5的比例调节
当系统选用PI调节时，如图4-6与图4-7是在相同比例度下，积分时间不同的比较，可以发现相同比例度下，积分时间越长，振荡频率越低；如图4-与图4-8是在相同积分时间下，不同比例度的比较，可以发现相同积分时下，比例度越大，最大动态偏差越小，调节时间越短。
图4-6比例度为1，积分时间为100000的PI调节
图4-7比例度为1，积分时间为200000的PI调节
图4-8比例度为5，积分时间为200000的PI调节
当系统选用PID调节时，如图4-9与图4-10是在相同比例度，积分时间下，不同微分时间的比较，可以发现微分时间增大，最大动态偏差增大；如图4-11与图4-12是在相同比例度，微分时间下，不同积分时间的比较，可以发现积分时间增大，振荡频率减小，动态偏差增大；如图4-12与图4-13是在相同积分时间，微分时间下，不同比例度的比较，可以发现比例度增大，动态偏差小，振荡频率减小。
图4-9微分时间为10000的PID调节
图4-10微分时间为20000的PID调节
图4-11比例度为1积分时间为200000的PID调节
图4-12比例度为1积分时间为100000的PID调节
图4-13比例度为5积分时间为100000的PID调节
5结论分析
当一个单回路系统设计安装就绪之后，控制质量的好坏与控制器参数的选择有着很大的关系。
合适的控制参数，可以带来满意的控制效果。
反之，控制器参数选择得不合适，则会导致控制质量变坏，甚至会使系统不能正常工作。
因此，当一个单回路系统组成以后，如何整定好控制器的参数是一个很重要的实际问题。
一个控制系统设计好以后，系统的投运和参数整定是十分重要的工作。
系统由原来的手动操作切换到自动操作时，必须为无扰动，这就要求调节器的输出量能及时地跟踪手动的输出值，并且在切换时应使测量值与给定值无偏差存在。
一般言之，具有比例（P）调节器的系统是一个有差系统，比例度δ的大小不仅会影响到余差的大小，而且也与系统的动态性能密切相关。
比例积分（PI）调节器，由于积分的作用，不仅能实现系统无余差，而且只要参数δ，Ti选择合理，也能使系统具有良好的动态性能。
比例积分微分（PID）调节器是在PI调节器的基础上再引入微分D的作用，从而使系统既无余差存在，又能改善系统的动态性能（快速性、稳定性等）。
在单位阶跃作用下，P、PI、PID调节系统的阶跃响应分别如图5-1中的曲线①、②、③所示。
图5-1P、PI和PID调节的阶跃响应曲线
从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态精度等各方面来考虑，进一步得出PID控制器各校正环节的作用。
如下：
1、比例环节
用于加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。
比例度越大，系统的响应速度越快，系统的调节精度越高，但易产生超调，甚至会导致系统不稳定。
比例度取值过小，则会降低调节精度，使响应速度缓慢，从而延长调节时间，使系统静态、动态特性变坏。
2、积分环节
主要用来消除系统的稳态误差。
积分时间越小，系统的静态误差消除越快，但积分时间过小，在响应过程的初期会产生积分饱和现象，从而引起响应过程的较大超调。
若积分时间过大，将使系统静态误差难以消除，影响系统的调节精度。
3、微分环节
能改善系统的动态特性，其作用主要是在响应过程中抑制偏差向任何方向的变化，对偏差变化进行提前预报。
但微分时间过大，会使响应过程提前制动，从而延长调节时间，而且会降低系统的抗干扰性能。
总结
通过此次设计，我掌握了流量单回路控制系统的构成。
知道它最基本的部分有控制器、调节器、被控对象和测量变松组成。
并且学会了如何去设计一个过程控制系统，掌握了基本的设计步骤。
了解到，一般情况下，它都要经过一下几个步骤：
认知被控对象、设计控制方案、选择控制规律、选择过程仪表、选择过程模块、设计系统流程图和组态图、设计组态画面等，直到最后的动画链接成功，并达到控制要求。
经过以上步骤，我对整个过程控制系统的设计有了很深的体会，也学会了很多与设计相关的知识。
对组态软件也有了很大的了解，学会了初步的应用。
认识到了组态的一些应用情况，组态软件的组成与功能，其应用程序项目如何建立，趋势曲线如何建立等等一系列与组态王软件应用相关的知识等。
总的来说，这次设计是一次收获很大的设计，学到了很多教学中学不到的东西，对我的动手能力有了很大的帮助。
参考文献
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