东北石油大学自动化双容水箱液位监控系统剖析Word文件下载.docx
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双容水箱液位控制系统是设计和开发先进液位控制策略的一个开放式平台，具有观察直观、测量容易、组态灵活，可实施各种相异的控制方案，国内外许多学者和工程技术人员基于该类装置做出了重要的研究报告，以验证重要的理论成果和指导生产实践。
然而，目前我国这类控制实验装置主要用于高校实验教学。
存在着实验采集数据误差较大、实验对象过于单一等不足。
因此，开发具有科研功能的试验装置具有重要的工程应用价值。
1.2双容水箱液位监控系统设计思路
这是一个单回路控制系统，有两个水箱相串联。
控制的目的是使下水箱的液位高度等于给定值所期望的高度。
具有减少或消除来自系统内部或外部扰动的影响功能。
显然，这种反馈控制系统的性能完全取决于调节器Gc（S）的结构和参数的合理选择。
由于双容水箱的数学模型是二阶的，故它的稳定性不如单容液位控制系统。
对于阶跃输入（包括阶跃扰动），这种系统用比例（P）调节器去控制，系统有余差，且与比例度成正比，若用比例积分（PI）调节器去控制，不仅可实现无余差，而且只要调节器的参数δ和Ti调节得合理，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的控制作用，从而使系统既无余差存在，又使其动态性能得到进一步改善。
因此，利用力控组态软件的控制策略里的传递函数模拟一个一阶惯性系统，然后通过用策略里的PID模块进行控制通过P、I、D进行整定。
图1-1双容水箱液位监控系统流程原理方框图
第2章双容水箱液位监控系统设计
主要由水箱、储水箱、、加热器、液位和压力传感器、压力罐、湿度传感器、电磁流量传感器、孔板流量传感器、涡轮流量传感器、电动调节阀、变频器、水泵、加温模块、接线端子、电源总开关、电流指示表、比例器、DC24V开关电源等组成。
2.1水箱的选择
水箱的结构特点是：
采用两槽结构，主要分溢流缓冲槽、工作槽、溢流水管。
溢流缓冲槽：
是为了解决水流直接注入水箱造成被测液面波动而设计的，当水流注入水箱后经过溢流缓冲槽缓冲，溢出水槽沿水槽壁流下达到减少被测液面波动。
工作槽：
是为了我们做实验而用的，工作槽中有个排水口，这排水口在做实验时由一个有孔有机玻璃管插上，随着工作槽水位的上升，工作槽的排水量也会增加，这样就可以满足一阶、二阶液位实验的要求。
溢流水管：
当设备无人职守时有时会出现水箱的水位已经到达最高水位，为了防止液位满出水箱，则多出的水可以通过溢流排水管排出。
水箱I（上位水箱）液位高度：
0～280mm。
水箱II（下位水箱）液位高度：
水箱III（不锈钢储水箱）液位高度：
0～500mm。
2.2传感器的选择
液位传感器
连接水箱的底部，检测水箱的液位，同时输出4～20mA的电流信号。
提供给计算机作为液位检测信号。
本套工业自动化仪表实验采用挂箱式，组装灵活，如果从新组装了液位传感器（例如改变了液位传感器在网孔板上的位置或改变了所检测的水箱），液位传感器都要从新校正零点和量程。
压力传感器
结构原理和液位传感器完全相同，其测量范围为0～100KP，具体调试方法与液位传感器调试方法相同。
其调节时可以通过变频器调节水泵压力，通过标准检测仪表监控压力；
压力传感器输出的电流通过智能仪表监测显示，使智能仪表显示数据与标准校准仪表显示数据相同。
如果有误差可通过调节压力传感器零点调节和量程调节电位器调准。
2.3其他硬件的选择
（1）电动调节阀
具有自反馈系统只需要在外部加4～20mA电流即可控制，4mA为全关状态，20mA为全开状态，在无输入信号的情况下电动调节阀处于全关状态。
使用时只需要将调节器输出的4～20mA电流信号输入到面板上的控制端口上即可。
（2）变频器
4～20mA控制信号输入，可对流量或压力进行控制。
（3）三项磁力水泵
噪音低、寿命长、功耗小、AC380V供电。
在水泵出口装有压力罐和压力变送器，与变频器一起构成供水系统。
（4）牛顿模块
本装置在计算机控制和通讯上采用牛顿7000系列模块，它是RS-232转485通讯模块，RS-232/RS-485双向协议转换。
速度为300-115.200Kbps，一个RS-485网上可挂256个模块，3000V隔离，支持多种速率多种数据格式。
通讯距离：
2.1公里/9600Kbps；
2.7公里/4800Kbps；
3.6公里/2400Kbps。
68024是D/A模块，4通道模拟输出模块。
电流输出：
4～20mA，0～20mA。
电压输出：
+/-10V，0～10V，+/-5V。
精度14Bit。
8017是A/D模块，8通道模拟输入模块。
模拟输入：
1～5V，4～20mA。
输入范围：
+/-150mV，+/-500mV，+/-1V，+/-5V，+/-10V，+/-20mA。
通道数量：
6路差动/2路单端或8差动（跳线选择）；
采样频率10Hz。
图2-1双容水箱液位监控系统结构图
2.4控制方案的分析
（1）双容水箱液位监控系统的控制目标
水箱的液位变化范围为h=0-300mm，要求通过设计合适的控制器，能使被控对象（下水箱）的液位值稳、准、快地稳定在所给定的液位值上，稳态液位误差不超过5mm。
当系统发生扰动（正扰动或负扰动）时，被控量能迅速恢复到系统原来所要求的液位值。
（2）双容水箱液位监控系统的模型分析
在此利用解析法对双容水箱进行建模。
解析法建模的一般步骤为：
1）明确过程的输出变量、输入变量和其他中间变量。
2）依据过程的内在机理和有关定理、定律以及公式列写静态方程或动态方程。
3）消去中间变量，求取输入、输出变量的关系方程。
4）将其简化成控制要求的某种形式，如高阶微分（差分）方程或传递函
（脉冲传递函数）等。
图2-2双容水箱液位监控系统模型图
从上面的模型可知，该系统是一个有时间延迟的二阶系统，自身不稳定。
若按单回路方法设计控制系统，则因作用于系统的扰动要经过一个滞后时间才能使被控量有所反应，而调节器的控制作用又不能及时反映出来，因此将导致控制过头，产生振荡。
理论分析表明，用单回路方法对上述过程进行控制是难以奏效的。
该分析结果，也得到实验证实，经现场反复调试得知，在有干扰作用或给定值变化的情形下，系统是无法稳定的。
而且由于该串联式双容液位过程两贮槽串联而存在容量滞后，这些因素致使单回路控制方案难以实施。
与单回路方案相比，串级控制系统具有明显优点，在克服容量滞后和纯滞后对控制质量的影响方面有其独到之处，据此设计了如图2-3所示的串级控制系统。
该控制系统在结构上形成了两个闭环。
一个闭环在里面，被称为副回路；
一个闭环在外面，被称为主回路，以最终保证被调量满足工艺要求。
这种由两个调节器串接在一起控制一个调节阀的系统就叫做串级控制系统。
主调节器具有自己独立的设定值，它的输出作为副调节器的设定值，而副调节器的输出信号则是送到调节阀去控制生产过程。
串级控制系统只比简单控制系统增加了一个测量变送元件和一个调节器，但是控制效果却有显著的提高，具有较好的控制性能，能够改善对象的动态特性，提高系统的工作频率，对负荷或操作条件的变化也有一定的自适应能力。
图2-3串级控制系统方框图
相比单回路控制系统的设计过程，串级控制系统的设计也较为简单，其主要包括以下几项：
1）主、副参数的选择及主、副回路设计。
2）比例、积分及微分控制规律的选择。
3）控制算法的确定。
主、副参数和主、副回路的选择
主回路是一个定值控制系统，对于主参数的选择和主回路的设计，基本上可以按照单回路控制系统的设计原则进行。
凡直接或间接与生产过程运行性能密切相关并可直接测量的工艺参数均可选择作主参数。
若条件许可，可以选用质量指标作为主参数，因为它最直接也最有效。
否则应选用一个与产品质量有单值函数关系的参数作为主参数。
另外，对于选用的主参数必须具有足够的灵敏度，并符合工艺过程的合理性。
所以在此选择下水箱液位高度为主参数，而由其所构成的回路也即为主回路，如图2-3中的外回路即为主回路。
串级控制系统副回路具有调节速度快、抑制扰动能力强的特点。
在副回路设计时，要充分发挥这一特点，把生产过程中的主要扰动（并可能多的把其它一些扰动）包括在副回路中，以尽量减少对主参数的影响，提高主参数的控制质量。
在选择副参数进行副回路设计时，必须注意主、副过程时间常数的匹配问题。
因为它是串级控制系统正常运行的主要条件，是保证安全生产、防止共振的根本措施。
所以在此选择上水箱液位高度为副参数，而由其所构成的回路也即为副回路，如图2-3中的内回路即为副回路。
控制规律的选择
调节器控制规律通常指比例（P）、积分（I）、微分（D）控制规律。
PID控制规律以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便成为工业控制的主要技术之一。
当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。
即当我们不完全了解一个系统和被控对象或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。
在串级控制系统中，主、副控制器所起的作用是不同的，主控制器起定值控制作用，副控制器对主控制器输出起随动控制作用，而对扰动作用起定值控制作用。
因此，主被控变量要求无余差，副被控变量却允许在一定范围内变动。
这是选择控制规律的基本出发点。
一般主控制器可采用比例、积分两作用或比例、积分、微分3作用控制规律，副控制器采用单比例作用或比例积分作用控制规律即可。
而在双容水箱液位控制系统中，又存在着一定的容量滞后，所以综上所述在此系统中，主回路选择比例、积分、微分控制规律，而副回路只需单纯的比例控制即可。
控制算法的确定
本系统采用位置型PID算法。
其具体算法如下：
样间隔时间（也常用Ts表示）。
注意到，u（k）不是控制器的输出的变化量，而是其实际的输出，经过数模（D/A）转换后的模拟信号与阀门的位置一一对应，故有位置式之称；
每次需计算阀的绝对位置；
控制器输出需与数字式控制阀连接，否则需经D/A转换成模拟量，并需保持电路将输出信号保持到下一采样时刻；
需采用必要措施来防止积分饱和及进行手动或自动切换。
在此，可以利用增量的概念对位置型算式作些改进，即可得位置型PID控制算式的递推算法。
具体算法如下：
此式即为最终所选定的PID控制算法。
第3章基于RealInfo的双容水箱液位监控系统程序设计
RealInfo（紫金桥组态软件）是由紫金桥软件公司自主研发的软件产品。
它广泛应用于石化、钢铁、水利、煤炭、制药、交通、机
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