单容水箱控制系统课程设计教材.docx

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单容水箱控制系统课程设计教材

1.单容水箱设备组成及其工艺

1.1单容水箱设备的组成

单容水箱设备主要由以下几部分组成：

（1）液位变送器：

液位传感器是用来上位水箱和下位水箱的液位进行检测，采用工业用的DBYG扩散硅压力变送器，本变送器按标准的二线制传输，采用高品质，低功耗精密器件，稳定性和可靠性大大提高。

本传感器精度为0.5级，因为二线制，故工作时需串联24V直流电源。

（2）电动调节阀：

调节阀用于调节介质的流量、压力和液位。

根据调节部位信号，自动控制阀门的开度，从而达到介质流量、压力和液位的调节。

调节阀分电动调节阀、气动调节阀和液动调节阀等。

调节阀由电动执行机构或气动执行机构和调节阀两部分组成。

调节并通常分为直通单座式和直通双座式两种，后者具有流通能力大、不平衡办小和操作稳定的特点，所以通常特别适用于大流量、高压降和泄漏少的场合。

（3）变频器：

变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。

变频器实际上就是一个逆变器。

它首先是将交流电变为直流电，然后用电子元件对直流电进行开关，变为交流电。

一般功率较大的变频器用可控硅，并设一个可调频率的装置，使频率在一定范围内可调，用来控制电机的转数，使转数在一定的范围内可调。

变频器广泛用于交流电机的调速中，变频调速技术是现代电力传动技术重要发展的方向，随着电力电子技术的发展，交流变频技术从理论到实际逐渐走向成熟。

变频器不仅调速平滑，范围大，效率高，启动电流小，运行平稳，而且节能效果明显，所以应用越来越广泛。

（4）水泵：

水泵是一种利用大气压强将低处的水汲往高处的机器,多半是以电动机作为动力。

抽水的电动机泵通常把提升液体、输送液体或使液体增加压力,即把原动机的机械能变为液体能量从而达到抽送液体目的的机器统称为泵。

在水泵出水口装有压力变送器，与变频器一起可构成恒压供水系统。

（5）模拟量输入模块：

模拟量输入模块可测量多通道交流电压、电流输入信号。

（6）模拟量输出模块。

1.2单容水箱设备的工作原理

本实验系统的被控量为上小水箱的液位高度，实验要求中水箱的液位稳定在给定值。

将压力传感器检测到的上小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电动调节阀的开度，以达到控制水箱液位的目的。

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。

首先由差压传感器检测出水箱水位；水位实际值通过单片机进行A/D转换，变成数字信号后，被输入计算机中；最后，在计算机中，根据水位给定值与实际输出值之差，利用PID程序算法得到输出值，再将输出值传送到单片机中，由单片机将数字信号转换成模拟信号。

最后，由单片机的输出模拟信号控制交流变频器，进而控制电机转速，从而形成一个闭环系统，实现水位的计算机自动控制。

本设计探讨的是单容水箱的液位控制问题。

为了能更好的选取控制方法和参数，有必要知道被控对象—上水箱的结构和特性。

水箱的出水量与水压有关，而水压又与水位高度近乎成正比。

这样，当水箱水位升高时，其出水量也在不断增大。

所以，若阀开度适当，在不溢出的情况下，当水箱的进水量恒定不变时，水位的上升速度将逐渐变慢，最终达到平衡。

由此可见，单容水箱系统是一个自衡系统。

这里研究的被控对象只有一个，那就是单容水箱。

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。

正如前面提到的，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。

1.3液位控制系统中的PID算法控制

本设计采用的是工业控制中最常用的PID控制规律，内环与外环的控制算法采用PID算法，PID算法实现简单，控制效果好，系统稳定性好，外环PID的输出作为内环的输入，内环跟随外环的输出。

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。

它结构简单，参数易于调整，在长期的应用中积累了丰富的经验。

其常规PID控制系统原理框图如图1-3所示。

图1-3PID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。

（1-1）

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

（1-2）

写成传递函数形式为

（1-3）

式中

为比例系数；

为积分时间常数；

为微分时间常数。

2.单容水箱控制系统的硬件设计

2.1电气原理图的设计

根据选定的拖动方案及控制方式设计系统的原理框图，拟订出各部分的主要技术要求和主要技术参数。

根据各部分的要求，设计出原理框图中各个部分的具体电路。

对于每一部分的设计总是按主电路、控制电路、辅助电路、联锁与保护、总体检查，反复修改与完善的步骤进行。

绘制总原理图。

按系统框图结构将各部分联成一个整体。

正确选用原理线路中每一个电器元件，并制订元器件目录清单。

这次电气原理图的设计我主要负责变频器的接线图的设计。

其原理图如下图2-1所示。

图2-1变频器接线图

3.单容水箱控制系统的软件设计

3.1通信组态

通信组态软件是随SCADANT系统一起发行的重要组件，是项目开始的第一步。

在这里将完成通信口、单元的创建及配置，模拟量、开关量、电度、保护定值、SOE事件、操作等成员的运行参数设定。

本软件采用可视化设计方法，鼠标拖拉操作风格，使原本复杂难懂的系统管理任务变得十分轻松自如。

通信组态软件的可执行程序为“C:

\SCADANT\DLLEXE\ComEdit.EXE”，设定的结果保存在数据文件“C:

\SCADANT\SYSTEM\CONFIG\通信管理器.DAT”中，用户不能通过文本编辑软件对数据文件进行修改。

新建工程项目。

然后选择设备，COM1。

然后再工作区选择“新建”。

双击，在设备配置向导—生产厂家、设备名称、通讯方式窗口中选择串口。

选择下一步，然后设置逻辑名称下水箱，如图3-1-1所示。

图3-1-1逻辑名称的设定

选择“下一步”。

然后设置串口号，依据计算机的通讯端口来选择。

单击“下一步”，然后设置地址，首先设置内给定仪表，所以设定地址1，如图3-1-2所示。

图3-1-2设备地址设置

单击“下一步”，设置通讯参数，不需要改变任何参数。

单击“完成”，就可以看到整个设置的参数。

3.2变量组态

变量的类别分为：

中间变量、数据库变量、间接变量、系统变量。

选择工程浏览器左侧大纲项“数据库\数据词典”，在工程浏览器右侧用鼠标左键双击“新建”图标，弹出“变量属性”对话框。

此对话框可以对数据变量完成定义、修改等操作，以及数据库的管理工作。

在“变量名”处输入变量名pv，如图3-2-1所示。

图3-2-1定义变量

对上述所做的步骤分别对SV，MV，p，i，d，等参数定义。

如图3-2-2所示。

图3-2-2参数定义

PV是测量值，SV是设定值，MV是输出值。

P是比例带，i是比例积分，d是比例微分。

3.3画面组态

针对单容水箱液位定值控制系统的画面组态如图3-3-1所示。

图3-3-1单容水箱液位定值控制系统的画面组态图

（1）创建组态画面：

使用工程管理器新建一个组态王工程后，进入组态王工程浏览器，单击工程浏览器左边“工程目录显示区”中“画面”项，右面“目录内容显示区”中显示“新建”图标，鼠标双击该图标，弹出“新画面”对话框，如图3-3-2所示。

图3-3-2新画面

在对话框中可定义画面的名称、大小、位置、风格，及画面在磁盘上对应的文件名。

该文件名可由“组态王”自动生成，工程人员可以根据自己的需要进行修改。

输入完成后单击“确定”按钮使当前操作有效，或单击“取消”按钮放弃当前操作。

这样就建立一个画面名称为“单容水箱液位测试实验”的新画面。

（2）画面编辑命令。

（3）画面制作：

每次打开一个原有画面或建立一个新画面时，图形编辑工具箱都会自动出现。

工具箱提供了许多常用的菜单命令，也提供了菜单中没有的一些操作。

当鼠标放在工具箱任一按钮上时，立刻出现一个提示条标明此工具按钮的功能。

4.调试

4.1单容水箱控制系统调试

组态王工程已经建立起来，进入到运行和调试阶段。

在组态王开发系统中选择“文件\切换到View”菜单命令，进入组态王运行系统。

在运行系统中选择“画面\打开”命令，从“打开画面”窗口选择“Test”画面。

显示出组态王运行系统画面，如图4-1所示。

图4-1运行系统画面

通过对P、I、D的不断调节改变，同时观察测量值曲线的趋势变化，以达到趋于稳定的曲线，从而完成对系统的初步调试。

4.2液位、流量串级控制系统调试

此水箱液位的串级控制系统，是由主、副两个回路组成。

每一个回路中都有一个属于自己的调节器和控制对象，即主回路中的调节器称主调节器，控制对象为下水箱，作为系统的被控对象，下水箱的液位为系统的主控制量。

副回路中的调节器称副调节器，控制对象为中水箱，又称副对象，它的输出是一个辅助的控制变量。

串级控制系统的特点：

改善了过程的动态特性、能及时克服进入副回路的各种二次扰动，提高了系统抗扰动能力、提高了系统的鲁棒性、具有一定的自适应能力。

在串级控制系统中，主、副调节器所起的作用是不同的。

主调节器起定值控制作用，它的控制任务是使主参数等于给定值（无余差），故一般宜采用PI调节器。

由于副回路是一个随动系统，它的输出要求能快速、准确地复现主调节器输出信号的变化规律，对副参数的动态性能和余差无特殊的要求，因而副调节器可采用P或PI调节器。

调试：

（1）按经验数据预先设置好副调节器的比例度，调节主调节器的比例度，使系统的输出响应出现4：

1的衰减度，记下此时的比例度和周期。

据此，按经验表查得PI的参数对主调节器进行参数整定。

（2）设定给定值，先手动输出，此时电动调节阀支路会给中水箱打水，等中、下水箱的液位相对稳定，且下水箱的液位趋于给定值时，把主调节器切换为自动。

（3）当系统稳定运行后，突加阶跃扰动（将给定量增/减5%～15%），观察并记录系统的输出响应曲线。

（4）通过反复对主、副调节器参数的调节，使系统具有较满意的动、静态性能。

用计算机记录此时系统的动态响应曲线。

通过对此水箱液位的串级控制系统反复调试，最终得到趋于平稳的曲线，如图4-2所示。

图4-2液位、流量串级控制系统调试图

5.技术小结

在实验初期，我们合理的分配了各自的任务，各自绘制自己的原理图，最后再一起互相参考，讨论，学习。

我们一步步按照老师的指导和要求，一步步调试、实验、摸索，最终完成了这次实验任务。

这个过程中，我们不但学会了很多知识，也学会了怎样去应用知识，更加懂得了团结协作。

通过这次实验，我了解了水箱液位控制系统的结构及其工作原理。

通过这次实验的操作和调试，更直观的对PID控制中P、I、D在系统控制中起到的作用。

比例环节P用于加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。

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。

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。

积分环节主要用来消除系统的稳态误差。

越小，系统的静态误差消除越快，但

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

过大，将使系统静态误差难以消除，影响系统的调节精度。

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

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。

这次实验是我们小组每一个成员亲自参加的一次组态王应用练习实验，它帮助我们更加深刻的了解和掌握了一些关于组态王的应用知识和方法。

使我们更加深刻地体会到对于这门课程还有多东西没有完全掌握也认识到这门课程的重要性，使我们受益匪浅。

参考文献

[1]邵裕森,戴先中.过程控制工程（第2版）.北京:

机械工业出版社.2003。

[2]陶永华，尹怡欣，葛芦生.新型PID控制及其应用.北京：

机械工业出版社，1998。

[3]朱学峰.过程控制技术的发展、现状与展望.测控技术，1999。

[4]宋乐鹏，自动控制原理。

清华大学出版社。