上水箱液位控制系统过控课设.docx
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上水箱液位控制系统过控课设
上水箱液位控制系统-过控课设
摘要
在过程工业中被控制量通常有以下四种:
液位、压力、流量、温度。
而液位不仅是工业过程中常见的参数，且便于直接观察，也容易测量。
过程时间常数一般比较小。
以液位过程构成实验系统,可灵活地进行组态，实施各种不同的控制方案。
液位控制装置也是过程控制最常用的实验装置。
国外很多实验室有此类装置，如瑞典LUND大学等。
很多重要的研究报告、模拟仿真均出自此类装置!
本次设计也是基于这套水箱液位控制装置来实现的。
这套系统由多个水箱，液位检测变送器，电磁流量计，涡轮流量计，自动调节阀，控制面板等喝多器件构成。
液位控制的发展从七十年代到九十年代经历了几个阶段，控制理论由经典控制理论到现代控制理论，再到多学科交叉；控制工具由模拟仪表到DCS，再到计算机网络控制；控制要求与控制水平也由原来的简单、安全、平稳到先进、优质、低耗、高产甚至市场预测、柔性生产。
而其中应用最广泛的就是PID控制器。
这次首先是用一天半的时间让我们熟悉各种建模的方法。
学会建立了最初的四种模型。
接着后几天就是开始熟悉各种控制系统，以及运用它们去控制水箱的液位，从而更加深刻的理解控制的概念。
并且在过程中，要熟练学会调整PID的参数，学会使用MATLAB等。
关键词：
水箱液位；PID控制；串级控制；前馈控制；经验凑试法
1引言
在现代工业控制中,过程控制技术是一历史较为久远的分支。
在本世纪30年代就已有应用。
过程控制技术发展至今天,在控制方式上经历了从人工控制到自动控制两个发展时期。
在自动控制时期内，过程控制系统又经历了三个发展阶段,它们是：
分散控制阶段,集中控制阶段和集散控制阶段。
目前，过程控制正朝高级阶段发展，不论是从过程控制的历史和现状看，还是从过程控制发展的必要性、可能性来看，过程控制是朝综合化、智能化方向发展，即计算机集成制造系统（CIMS）：
以智能控制理论为基础，以计算机及网络为主要手段，对企业的经营、计划、调度、管理和控制全面综合，实现从原料进库到产品出厂的自动化、整个生产系统信息管理的最优化。
随着信息技术、自动化技术在过程工业的广泛应用，过程控制系统在过程工业中愈显重要。
过程控制从应用于工业生产至今经历了一个由简单到复杂、从低级到高级的过程。
在过程控制中，通常对液位、温度、压力、流量等参数进行控制。
其中，液位控制技术在国民生活、生产中发挥了重要作用，如民用水塔供水，精馏塔液位控制，锅炉气泡液位控制等。
液位控制的准确度与精度都直接或间接地影响着生产、生活的质量与安全。
为了保证安全、合理高效生产，急需开展先进的液位控制方法和策略的研究和开发。
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。
2实验设备
2.1THJ-FCS型或THJ-3型高级过程控制系统实验装置
“THJ-2型高级过程控制系统实验装置”是基于工业过程的物理模拟对象，它集自动化仪表技术，计算机技术，通讯技术，自动控制技术为一体的多功能实验装置，该装置是本企业根据自动化及其它相关专业教学的特点，吸收了国内外同类实验装置的特点和长处，经过精心设计，多次实验和反复论证，推出了一套全新的实验装置，该系统包括流量、温度、液位、压力等热工参数，可实现系统参数辨识，单回路控制，串级控制，前馈—反馈控制，比值控制，解耦控制等多种控制形式。
本装置还可根据用户的需要设计构成DDC，DCS，PLC，FCS等多种控制系统。
该实验装置既可作为本科，专科，高职过程控制课程的实验装置，也可为研究生及科研人员对复杂控制系统、先进控制系统的研究提供物理模拟对象和实验手段。
图2-1水箱液位控制系统
图2-2连线图
本实验装置由被控对象和智能仪表两部分组成。
系统动力支路分两路：
一路由三相磁力驱动泵（380V交流）、电动调节阀、直流电磁阀、涡轮流量计及手动调节阀组成；另一路由日本三菱变频器、三相磁力驱动泵（220V变频）、涡轮流量计及手动调节阀组成。
1、被控对象
由不锈钢储水箱、上、中、下三个串接有机玻璃圆筒形水箱、4.5千瓦电加热锅炉（由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭式外循环不锈钢冷却锅炉夹套构成）、冷热水交换盘管和敷塑不锈钢管道组成。
水箱：
包括上水箱、中水箱、下水箱和储水箱。
上、中、下水箱采用优质淡蓝色圆筒型有机玻璃，不但坚实耐用，而且透明度高，便于学生直接观察液位的变化和记录结果。
上、中水箱尺寸均为：
d=25cm,h=20cm；下水箱尺寸为：
d=35cm,h=20cm。
水箱结构非常独特，有三个槽，分别是缓冲槽，工作槽，出水槽。
上、中、下水箱可以组合成一阶、二阶、三阶液位单回路控制实验和双闭环、三闭环液位串级控制等实验。
储水箱是采用不锈钢板制成，尺寸为：
长×宽×高=68cm×52㎝×43㎝完全能满足上、中、下水箱的实验需要。
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。
模拟锅炉：
本装置采用模拟锅炉进行温度实验，此锅炉采用不锈钢精制而成，设计巧妙，由二层组成：
加热层（内胆）和冷却层（夹套）。
做温度单回路实验时，冷却层的循环水可以使加热层的热量快速散发，使加热层的温度快速下降。
冷却层和加热层都有温度传感器检测其温度，可完成温度的串级控制，前馈-反馈控制，解耦控制等实验。
盘管：
长37米（43圈），可做温度纯滞后实验，在盘管上有三个不同的温度检测点，它们的滞后时间常数不同，在实验过程中根据不同的实验需要选择不同的滞后时间常数。
盘管出来的水既可以回流到锅炉内胆，也可以经过涡轮流量计完成流量滞后实验。
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，将球阀打开将水直接排出。
2、检测装置
压力传感器、智能变送器：
采用工业用的扩散硅压力变送器，含不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对智能传感器温度漂移跟随补偿。
压力传感器用来对上、中、下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。
温度传感器：
本装置采用六个Pt100传感器，分别用来检测上水箱出口、锅炉内胆、锅炉夹套以及盘管的水温。
经过调节器的温度变送器，可将温度信号转换成4～20mADC电流信号。
Pt100传感器精度高，热补偿性较好。
流量传感器、转换器：
流量传感器分别用来对电动调节阀支路、变频支路及盘管出口支路的流量进行测量。
涡轮流量计型号：
LWGY-10，流量范围：
0～1.2m3/h，精度：
1.0%。
输出：
4～20mA标准信号。
本装置用了三套涡轮流量传感器、变送器。
3．执行机构
电动调节阀：
采用智能型电动调节阀，用来进行控制回路流量的调节。
电动调节阀型号为：
QSJP-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，控制信号为4～20mADC或1～5VDC，输出4～20mADC的阀位信号，使用和校正非常方便。
变频器：
本装置采用西门子变频器。
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。
本装置采用两只磁力驱动泵。
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：
在本装置中作为电动调节阀的旁路，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
本实验装置基本配置的控制器有调节仪表、比值器/前馈-反馈补偿器、解耦装置。
（还可根据需要扩展远程数据采集和PLC可编程控制系统）
a.调节仪表
本系统实验装置采用上海万迅仪表有限公司的AI系列仪表，其主要特点有：
●AI系列仪表操作方便、通俗易学，且不同功能档次相互兼容。
●具有国际上同类仪表的几乎所有功能，通用性强、技术成熟可靠。
●全球通用的85～246VAC范围开关电源或者24VDC电源供电，并具备多种外形尺寸。
●输入采用数字校正系统，内置常用热电偶和热电阻非线性校正表格，测量精确稳定。
●采用先进的AI人工智能调节算法，无超调，具备自整定（AT）功能。
●采用先进的模块化结构，提供丰富的输出规格，能满足各种应用场合的需要。
●通过ISO9002质量认证，品质可靠。
具备符合要求的抗干扰性能。
（5）AI人工智能调节，包含模糊逻辑PID调节及参数自整定功能的先进控制算法。
（6）输出规格（模块化）
继电器触点开关输出（常开+常闭）：
250VAC/1A或30VDC/1A
可控硅无触点开关输出（常开或常闭）：
100-240VAC/0.2A（持续），2A（20mS瞬时，重复周期大于5S）
SSR电压输出：
12VDC/30mA（用于驱动SSR固态继电器）
可控硅触发输出：
可触发5-500A的双向可控硅、2个单向可控硅反并联连接或可控硅功率模块
线性电流输出：
0-10mA可4-20mA可定义（安装X模块时输出电压≥10.5V；X4模块输出电压≥7V）
（7）报警功能
上限、下限、正偏差、负偏差等4种方式，最多可输出3路，有上电免除报警选择功能。
（8）手动功能
自动/手动双向无扰动切换（仅A1-808/808P系列具备此功能）
（9）电源：
100-240VAC，-15%，+10%50-60HZ；
电源消耗：
≤5W
（10）环境温度：
0-50℃
2.2计算机及相关软件。
2.2.1SIMATICWinCC简介
SIMATICWinCC（WindowsControlCenter）--视窗控制中心，它是西门子最经典的过程监视系统，业已成为市场的领导者，乃至业界遵循的标准。
WinCC能为工业领域提供完备的监控与数据采集（SCADA）功能，涵盖单用户系统直到支持冗余服务器和远程Web服务器解决方案的多用户系统。
SIMATICWinCC是公司垂直集成交换信息的基础，具有良好的开放性和灵活性，它采用了工厂智能，助力用户实现更大程度的生产过程透明化。
图2-3Wincc组态软件
2.2.2监控界面
本实验所用计算机软件为Wincc组态软件，监控界面如下：
图2-4Wincc上水箱实验监控界面
3设备工作原理及运行过程
3.1设备工作原理
图3-1上水箱单容液位定值控制系统
（a）结构图（b）方框图
本实验系统结构图和方框图如图3-1所示。
被控量为上水箱（也可采用中水箱或下水箱）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检测到的上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。
3.2控制系统流程图
本控制系统的流程图如图3-2所示。
图3-2控制系统的流程图
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。
3.3系统投运及步骤
系统投运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电源电源，并启动磁力驱动泵和空压机。
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，进入的实验主界面。
3、鼠标左键点击实验项目“上水箱液位PID整定实验”，系统进入正常的测试状态，呈现的实验界面如图2-2所示。
在监控界面的左边是系统流程图，右边是参数整定，下面一排六个切换功能键
4、在上位机监控界面中点击“手动”，并将设定值和输出值设置为一个合适的值，此操作可通过设定值或输出值旁边相应的滚动条或输出输入框来实现。
5、启动磁力驱动泵，磁力驱动泵上电打水，适当增加/减少输出量，使上水箱的液位平衡于设定值。
6、按经验法或动态特性参数法整定PI调节器的参数，并按整定后的PI参数进行调节器参数设置。
7、待液位稳定于给定值后，将调节器切换到“自动”控制状态，待液位平衡后，通过以下几种方式加干扰：
（1）突增（或突减）设定值的大小，使其有一个正（或负）阶跃增量的变化；（此法推荐，后面两种仅供参考）
（2）将气动调节阀的旁路阀F1-3或F1-4（同电磁阀）开至适当开度；
（3）将下水箱进水阀F1-8开至适当开度；（改变负载）
以上几种干扰均要求扰动量为控制量的5％～15％，干扰过大可能造成水箱中水溢出或系统不稳定。
加入干扰后，水箱的液位便离开原平衡状态，经过一段调节时间后，水箱液位稳定至新的设定值（采用后面两种干扰方法仍稳定在原设定值），观察计算机记录此时的设定值、输出值和参数，液位的响应过程曲线将如图3-3所示。
图3-3液位的响应过程曲线
8、分别适量改变调节器的P及I参数，重复步骤7，通过实验界面下边的按钮切换观察计算机记录不同控制规律下系统的阶跃响应曲线。
9、分别用P、PI两种控制规律重复步骤4～8，通过实验界面下边的按钮切换观察计算机记录不同控制规律下系统的阶跃响应曲线。
4参数整定与结果分析
4.1参数整定
本设计用实验方法确定调节器的相关参数，观察实验过程，比较所得结果，进而确定最佳参数。
4.1.1比例（P）调节
δ=2时图像如下：
图4-1比例调节
δ=4时图像如下：
图4-2比例调节
δ=50时图像如下：
图4-3比例调节
由以上三图比较得：
比例控制的特点是有差控制。
被控变量不可能与设定值准确相等，他们之间一定有残差，系统存在稳态误差。
且能证明，残差随着比例带的增加而增大。
当比例带增大到一定程度时系统激烈震荡甚至不稳定。
这时就需要通过其他的途径解决。
4.1.2比例积分（PI）调节
δ=2，
=20000ms时，结果如下：
图4-4PI调节
δ=2，
=100000ms时，结果如下：
图4-5PI调节
δ=2，
=200000ms时，结果如下：
图4-6PI调节
由图4-4、4-5、4-6得：
PI调节是无差控制。
PI控制中，在比例带δ不变的情况下，减小积分时间
，将使控制系统稳定性降低、震荡加剧，甚至最后出现发散的震荡过程。
δ=0.5，
=200000ms时，结果如下：
图4-7PI调节
δ=2，
=40000ms时，结果如下：
图4-8PI调节
由图4-6、4-7和图4-7、4-8得：
积分越大（
增加或
减小），消除稳态误差越快，积分越小（
减小或
增加），消除稳态误差越慢。
4.1.3比例积分微分（PID）调节
δ=2，
=200000ms，
=500ms时，结果如下：
图4-9PID调节
δ=2，
=200000ms,
=10000ms时，结果如下：
图4-10PID调节
δ=2，
=200000ms,
=100000ms时，结果如下：
图4-11PID调节
由图4-9、4-10、4-11得：
PID调节是无差控制。
随着微分作用的增强（
增大），超调量减小，相对稳定性提高，上升时间减小，快速性提高，稳态误差不变。
但当
超出某一值后，系统相对稳定性随着
的增大而下降。
微分作用提高了系统的快速性。
4.2结果分析
比例（P）控制是一种针对当前存在的误差进行的控制，是有差控制，系统的稳态误差与控制器的增益成反比。
系统稳定性与控制器的增益有关，随着控制器增益的提高，系统稳定性下降。
比例积分（PI）控制的特点是无差控制，但稳定作用比P控制差。
PI控制综合比例和积分两种控制的优点，利用P快速消除干扰的影响，同时利用积分消除残差。
在比例带不变情况下，增大积分作用（即减小积分时间）将使系统稳定性降低、震荡加剧、控制过程过快、震荡频率升高。
比例积分微分（PID）是无差控制，不仅具有PI的优点，相对于PI调节更是提高了系统的快速性，但在上水箱实验中，微分作用稍有体现，不是特别明显。
总结
通过本次课程设计，将书本上学过的知识自动控制原理、过程控制原理、微机控制技术等应用于实际控制系统的组建之中，完成了仪表过程控制系统和计算机过程控制系统的组建,实现了对上水箱液位的控制。
在实际的工程实践中，我受益非浅，学习到了许多新的知识，掌握了实际操作的技能，特别是能够将书中的知识与实际设计联系起来，使对自动控制的理解上升到一个新的台阶。
在实际控制系统的组建中，控制方案的设计是系统设计的核心，一个好的设计方案能够使系统的设计事半功倍，应当根据被控过程的特性和工程要求综合设计系统。
对于设计的两种控制系统，可以做进一步的改进。
在设计方案方面，由于是通过控制电动调节阀的开度以改变水箱液位，可以增加输入的水流量作为控制对象，使得对调节阀的控制更加直接。
在硬件设备方面，可以使用采集速度更快的仪表，加强控制器的调节能力，改善电动调节阀的工作性能。
在条件允许的情况下，采用更高精度的采集模块。
在控制器方面，可以对控制方法进行改善，虽然电动调节阀的控制信号是位置信号，但调节阀动作仍是通过控制电机改变阀位，可考虑能否采用增量算法直接控制电机，克服位置算法中因需要累加偏差而造成执行机构动作过大的缺点。
在实际的工作岗位上，将要设计不同的控制系统，工业现场的过程控制系统不同于实验中的控制系统的设计，更不同于书本中的理论和公式，要根据工业生产的实际情况进行设计，将面临远比实验室复杂的多的现场环境，设计系统未必是最先进的、最现代化，但必须是有效、可行、可靠。
参考文献
[1]邵裕森.过程控制工程.机械工业出版社，2004.1
[2]于海生.微型计算机控制技术.清华大学出版社，2004.1
[3]金以慧.过程控制.清华大学出版社，2003.6
[4]刘金琨.先进PID控制及MALAB仿真.电子工业出版社，2004.9
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