单容水箱特性测试.docx

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单容水箱特性测试

课程设计任务书

分院（系）

信息科学与工程

专业

自动化

学生姓名

耿爽

学号

0703010605

设计题目

单容水箱特性测试

设计内容和要求：

内容：

1．进行单容水箱阶跃响应测试，并记录相应液位的响应曲线。

2．根据实验得到的液位阶跃响应曲线，分别用作图法和两点法确定被测对象的特征参数，得到传递函数。

要求:

1．画出单容水箱特性测试实验的结构框图。

2．根据实验测得的数据和曲线，分析并计算出单容水箱液位对象时的参数和传递函数。

进度安排:

1.查资料

2.设计

3.调试

4.写报告

指导教师（签字）：

年月日

分院院长（签字）：

年月日

摘要

通过对单容水箱液位控制系统特性的测试掌握单容水箱阶跃响应测试方法，并记录相应液位的响应曲线。

根据实验得到的液位阶跃响应曲线，用相关的方法确定被测对象的特征参数T和传递函数。

研究实际的单水箱实验系统的模糊推理建模问题,首先依据不同的实际背景,利用单容水箱模拟实际生产系统中的蓄液容器设计了几种典型实验,然后利用模糊推理建模方法,对于单水箱液位控制实验系统的被控对象建立了数学模型,最后通过仿真实验得到新模型的数据曲线,验证了模糊推理建模方法在实际系统中的可行性。

关键字：

单容水箱、液位控制、模糊控制、数字模型

1.系统介绍

1.1现场总线控制系统（FCS）介绍

1.1.1系统简介

本现场总线控制系统是基于PROFIBUS和工业以太网通讯协议、在传统过程控制实验装置的基础上升级而成的新一代过程控制系统。

整个实验装置分为上位控制系统和控制对象两部分，上位控制系统流程图如图1.1所示：

图1.1上位控制系统流程图

控制对象总貌图如图1.2所示：

图1.2控制对象总貌图

1.1.2系统组成

本实验装置由被控对象和上位控制系统两部分组成。

系统动力支路分两路：

一路由三相（380V交流）磁力驱动泵、气动调节阀、直流电磁阀、PA电磁流量计和手动调节阀组成；另一路由变频器、三相磁力驱动泵（220V变频）、涡轮流量计和手动调节阀组成。

1、被控对象

被控对象由不锈钢储水箱、圆筒形有机玻璃水箱和敷塑不锈钢管路组成。

水箱：

包括上水箱和储水箱。

上水箱采用淡蓝色圆筒型有机玻璃，不但坚实耐用，而且透明度高，便于学生直能接观察到液位的变化和记录结果。

上水箱尺寸为：

d=25cm,h=20cm； 水箱有三个槽，分别是缓冲槽，工作槽，出水槽。

储水箱尺寸为：

长×宽×高=68cm×52㎝×43㎝。

储水箱内部有两个椭圆形塑料过滤网罩，防止两套动力支路进水时有杂物进入泵中。

管道：

整个系统管道采用敷塑不锈钢管组成，所有的水阀采用优质球阀，彻底避免了管道系统生锈的可能性。

有效提高了实验装置的使用年限。

其中储水箱底有一个出水阀，当水箱需要更换水时，将球阀打开让水直接排出。

2、检测装置

压力传感器、变送器：

采用SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯协议的压力传感器和工业用的扩散硅压力变送器，扩散硅压力变送器含不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。

压力传感器用来对上水箱的液位进行检测，其精度为0.5级，因为为二线制，故工作时需串接24V直流电源。

3．执行机构

调节阀：

采用SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯协议的气动调节阀，用来进行控制回路流量的调节。

它具有精度高、体积小、重量轻、推动力大、耗气量少、可靠性高、操作方便等优点。

由CPU直接发送的数字信号控制阀门的开度，本气动调节阀自动进行零点校正，使用和校正都非常方便。

变频器：

本装置采用SIEMENS带PROFIBUS-DP通讯接口模块的变频器，其输入电压为单相AC220V，输出为三相AC220V。

水泵：

本装置采用磁力驱动泵，型号为16CQ-8P，流量为32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。

其中一只为三相380V恒压驱动，另一只为三相变频220V输出驱动。

可移相SCR调压装置：

采用可控硅移相触发装置，输入控制信号为4～20mA标准电流信号。

输出电压用来控制加热器加热，从而控制锅炉的温度。

电磁阀：

在本装置中作为气动调节阀的旁路，起到阶跃干扰的作用。

电磁阀型号为：

2W-160-25；工作压力：

最小压力为0Kg/㎝2，最大压力为7Kg/㎝2；工作温度：

－5～80℃。

4．控制器

控制器采用SIEMENS公司的S7300CPU，型号为315-2DP，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。

5、空气压缩机

用于给气动调节阀提供气源，电动机的动力通过三角胶带传带动空压机曲轴旋转，经连杆带动活塞做往复运动，使汽缸、活塞、阀组所组成的密闭空间容积产生周期变化，完成吸气、压缩、排气的空气压缩过程，压缩空气经绕有冷却翅片的排气铜管、单向阀进入储气罐。

空压机设有气量自动调节系统，当储气罐内的气压超过额定排气压力时，压力开关会自动切断电源使空压机自动停止工作，当储气罐内的气体压力因外部设备的使用而下降到额定排压以下0.2-0.3Mpa时，气压开关自动复位，空压机又重新工作，使储气罐内压缩空气压力保持在一定范围内。

6.电源控制台（仅早期控制系统需依赖电源控制台，升级后的现场总线控制系统本身已集成电源控制部分）

电源控制屏面板：

充分考虑人身安全保护，带有漏电保护空气开关、电压型漏电保护器、电流型漏电保护器。

仪表综合控制台包含了原有的常规控制系统，由于它预留了升级接口，因此它在总线控制系统中的作用就是为上位控制系统提供信号。

7.总线控制柜

总线控制柜有以下几部分构成：

1、控制系统供电板：

该板的主要作用是把工频AC220V转换为DC24V，给主控单元和DP从站供电。

2、控制站：

控制站主要包含CPU、以太网通讯模块、DP链路、分布式I/ODP从站和变频器DP从站构成。

3、温度变送器：

PA温度变送器把PT100的检测信号转化为数字量后传送给DP链路。

1.1.3系统特点

1、被控参数全面,涵盖了连续性工业生产过程中的液位、压力、流量和温度等典型参数。

2、本装置由控制对象、综合上位控制系统、上位监控计算机三部分组成。

3、真实性、直观性、综合性强，控制对象组件全部来源于工业现场。

4、执行器中既有气动调节阀，又有变频器、可控硅移相调压装置，调节系统除了有设定值阶跃扰动外，还可以通过对象中电磁阀和手动操作阀制造各种扰动。

5、一个被调参数可在不同动力源、不同执行器、不同的工艺管路下演变成多种调节回路，以利于讨论、比较各种调节方案的优劣。

6、系统设计时使2个信号在本对象中存在着相互耦合，二者同时需要对原独立调节系统的被调参数进行整定，或进行解耦实验，以符合工业实际的性能要求。

7、能进行单变量到多变量控制系统和复杂过程控制系统实验。

8、各种控制算法和调节规律在开放的实验软件平台上都可以实现。

1.1.4系统软件

系统软件分为上位机软件和下位机软件两部分，下位机软件采用SIEMENS的STEP7，上位机软件采用SIEMENS的WINCC。

1.1.5装置的安全保护体系（仅早期控制系统有此电源控制部分，升级后的现场总线控制系统本身已集成电源控制部分）

1、三相四线制总电源输入经带漏电保护器装置的三相四线制断路器进入系统电源后又分为三相电源支路和不同的单相支路，每一支路给各自的负载供电。

总电源设有通电指示灯和三相指示表。

2、控制屏电源由接触器通过起、停按钮进行控制。

屏上装有一套电压型漏电保护装置和一套电流型漏电保护装置。

控制屏内或强电的输出（包括实验中的连线）若有漏电现象，即告警并切断总电源，以确保实验安全。

3、控制屏设有服务管理器（即定时器兼报警记录仪），为指导老师对学生实验技能的考核提供一个统一的标准。

4、各种电源和各种仪表均有可靠的保护功能。

5、实验强电接线插头采用封闭式结构，防止触电事故的发生。

6、强、弱电连线插头采用不同的结构插头，以防止强弱电用电插头的混淆。

本套控制系统上位机监控软件采用SIEMENS公司的上位监控组态软件SIMATICWINCC。

1.2组态软件WINCC介绍

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、归档以和报表的功能模板。

高性能的功能耦合、快速的画面更新以和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单容水箱特性测试

通过对单容水箱液位控制系统特性的测试掌握单容水箱阶跃响应测试方法，并记录相应液位的响应曲线。

根据实验得到的液位阶跃响应曲线，用相关的方法确定被测对象的特征参数T和传递函数。

2.1工作原理图

图2-1单容水箱特性测试结构图

2.2系统工作原理分析

由图2-1可知，对象的被控制量为水箱的液位h，控制量（输入量）是流入水箱中的流量Q1，手动阀V1和V2的开度都为定值，Q2为水箱中流出的流量。

根据物料平衡关系，在平衡状态时

Q10-Q20=0（1-1）

动态时，则有

Q1-Q2=

（1-2）

式中V为水箱的贮水容积，

为水贮存量的变化率，它与h的关系为

，

即

=A

（1-3）

A为水箱的底面积。

把式（2-3）代入式（2-2）得

Q1-Q2=A

（1-4）

基于Q2=

，RS为阀V2的液阻，则上式可改写为

Q1-

=A

即

ARS

+h=KQ1

或写作

=

（1-5）

式中T=ARS，它与水箱的底面积A和V2的RS有关；K=RS。

式（1-5）就是单容水箱的传递函数。

若令Q1（S）=

，R0=常数，则式（2-5）可改为

H（S）=

×

=K

-

对上式取拉氏反变换得

h（t）=KR0（1-e-t/T）（1-6）

当t—>∞时，h（∞）=KR0，因而有

K=h（∞）/R0=输出稳态值/阶跃输入

当t=T时，则有

h（T）=KR0（1-e-1）=0.632KR0=0.632h（∞）

式（1-6）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2-2所示。

图2-2单容水箱的单调上升指数曲线

当由实验求得图2-2所示的阶跃响应曲线后，该曲线上升到稳态值的63%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，切线与稳态值交点所对应的时间就是时间常数T，由响应曲线求得K和T后，就能求得单容水箱的传递函数如式（1-5）所示。

图2-3单容水箱的阶跃响应曲线

如果对象的阶跃响应曲线为图2-3，则在此曲线的拐点D处作一切线，它与时间轴交于B点，与响应稳态值的渐近线交于A点。

图中OB即为对象的滞后时间τ，BC为对象的时间常数T，所得的传递函数为：

H（S）=

（1-7）

2.3控制系统流程图

本实验控制系统的流程图如图2-4所示。

图2-4实验控制系统流程图

上水箱液位检测信号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挂接到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，挂接在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。

2.4实验内容与步骤

本实验选择上水箱作为被测对象（也可选择中水箱或下水箱）。

实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-2、F1-6全开，将上水箱出水阀门F1-9开至适当开度，其余阀门均关闭。

1、接通控制柜和控制台的相关电源，并启动磁力驱动泵，接通空压机电源。

控制柜无需接线。

2、打开作上位控制的PC机，点击“开始”菜单，选择弹出菜单中的“SIMATIC”选项，再点击弹出菜单中的“WINCC”，再选择弹出菜单中的“WINCCCONTROLCENTER5.0”,进入WINCC资源管理器，打开组态好的上位监控程序，点击管理器工具栏上的“激活（运行）”按钮，进入实验主界面如图2-5所示。

图2-5监控主界面

3、鼠标左键点击实验项目“一阶单容水箱对象特性测试实验”，系统进入正常的测试状态，呈现的监控界面如图2-6所示。

图2-6系统监控界面

在实验界面的左边是实验流程图，右边是参数整定，下面一排六个切换键的功能如下：

“实验流程”键：

系统进入正常测试状态时，实验界面左边就会显示实验流程图，当点击“历史曲线”键时，实验流程图将会被历史曲线所覆盖，如需转到实验流程图，应点击“实验流程”键就可在实验界面左边再现实验流程图。

“参数整定”键：

系统进入正常测试状态时，实验界面右边就会显示参数整定画面，当你点击“实时曲线”或“数据报表”键时，参数整定画面的下半部分将会被实时曲线或数据报表所覆盖，如需转到参数整定，点击“参数整定”键即可在实验界面右边再现参数整定画面。

“实时曲线”键：

系统进入正常测试状态时，实时曲线是不显示的，如果需要观察实时曲线，点击“实时曲线”键，即可在实验界面右下方显示实时曲线。

“历史曲线”键：

系统进入正常测试状态时，历史曲线是不显示的，如果需要观察历史曲线，点击“历史曲线”键，即可在实验界面左边显示历史曲线。

“数据报表”键：

系统进入正常测试状态时，数据报表是不显示的，如果需要数据报表，点击“数据报表”键，即可在实验界面右下方显示历史曲线。

“返回主菜单”键：

实验结束，需退出实验时，点击“返回主菜单”键，即关闭当前实验界面返回实验主界面。

4．在上位机实验界面窗口给定阀门开度值（既可拉动输出值旁边的滚动条，也可直接在输出值显示框中输入阀门开度值），使水箱的液位处于某一平衡位置。

5、点击实验界面下边的“实时曲线”键，在界面的右下方将显示液位的变化曲线。

6．在上位机实验界面窗口改变给定的阀门开度值，使其输出有一个正（或负）阶跃增量的变化（此增量不宜过大，以免水箱中水溢出），使水箱液位上升或下降，经过一定时间的调节后，水箱的液位进入新的平衡状态，其响应曲线如图2-7所示。

图2-7单容箱特性响应曲线

7．观察上位机监控界面上水箱液位的历史曲线和阶跃响应曲线。

2.5结果分析

实验所得的特性曲线和其特性分析如下:

图2.7

如图2.7所示实验数据和系统分析中所得公式可知：

传递函数为

=

=

在图2.7的基础上保持其他参数不变，减小输出值得到的响应曲线如图2.8所示：

图2.8

如图2.8所示实验数据可知：

传递函数为

=

=

在图2.8的基础上。

保持其他参数不变，增大输出值得到的响应曲线如图2.9所示：

图2.9

如图2.9所示实验数据可知：

传递函数为

=

=

由以上结果分析可知：

当比例度为0.8、积分时间为20000.0、微分时间为2000.0时，当参数整定的输出值为80%，50%，70%，其测量值依次为131mm、38mm、105mm，因而系统放大倍数和时间常数也随之改变，其传递函数也相应的改变。

图2.10

如图2.10所示实验数据可知

传递函数为

=

=

将图2.10与图2.9比较可知：

当参数设定的输出值不变时，比例度由原来的0.8变为0.9、积分时间由20000.0变为30000.0、微分时间由2000.0变为10000.0时，其测量值由105mm变为111mm.

图2.11

如2.11图所示实验数据可知：

传递函数为

=

=

将图2.11与图2.7相比较，其参数设定输出值同为80%，比例度由0.8变为0.5，积分时间由20000.0到100000.0，微分时间由2000.0到1000.0时，其测量值由131mm到128mm.

由以上可得改变PID的参数（比例度Kp、积分时间TI、微分时间TD）对系统的稳态特性有影响，具体每个参数对系统性能有什么影响，本课设不做研究。

2.6实验曲线所得的结果

参数值

测量值

放大系数K

周期T

时间常数τ

液位h

正阶跃输入

35

5.5

2.4

128

负阶跃输入

30

5.4

2.2

125.4

平均值

32.5

5.45

2.3

126.7

3.总结

本课程设计通过对单容水箱液位控制系统原理的了解和实际的系统特性的测试，我学会了系统特性测试的方法和传递函数的推导计算方法，并且对PID控制有了初步的了解。

通过实验的验证得到很多有用的实验数据，是我进一步体会到过程控制这门学科知识的重要性，和其在工程上的应用和重要性。

这次的课程设计让我知道掌握理论知识的重要性，更重要的是将课堂上学到的知识运用到实际中，进行研究性的学习，将理论与实践相结合，才会更加深刻的理解理论，从而更好地应用理论为实际工程服务。

学习是一个互助合作的过程，在本次课程设计的过程中，我深刻体会到了合作的重要性。

通过与同学的合作讨论，许多自己解决不了的问题都迎刃而解。

当然，这些收获都离不开老师的帮助和指导。

本次课设得到了刘凤先老师和纪振平老师的热心帮助和指导，在此表示衷心的感谢！

4.参考文献

[1]金以慧,万崇智.过程控制.北京:

清华大学出版社1993

[2]俞金寿.过程控制系统和应用.北京:

机械工业出版社

[3]高金源，夏洁.计算机控制系统.北京：

清华大学出版社2007