基于MCGS双容水箱的液位控制系统的设计文档格式.doc

1、47目 录 目 录摘 要5ABSTRACT6第1章 前言71.1 课题研究意义71.2过程控制介绍71.3液位串级控制系统介绍101.4主要研究内容10第2章 被控对象的数学模型132.1建立单回路控制系统数学模型132.2阶跃响应曲线法建立双容水箱15第3章 系统控制方案的设计与仿真仿真193.1 系统控制方案设计193.1.1 PID控制系统193.1.2 系统控制方案设计233.2 控制系统仿真283.2.1 软件介绍283.2.2 软件仿真29第4章 组态软件的系统设计与结果分析334.1 MCGS组态软件介绍334.2 MCGS软件工程组态344.3 计算机过程控制系统调试运行42第

2、5章 结 论45致 谢46参考文献47摘 要 摘 要 本论文的目的是设计双容水箱液位串级控制系统。在设计中充分利用自动化仪表技术，计算机技术，通讯技术和自动控制技术，以实现对水箱液位的串级控制。首先对被控对象的模型进行分析，并采用实验建模法求取模型的传递函数。其次，根据被控对象模型和被控过程特性设计串级控制系统，采用动态仿真技术对控制系统的性能进行分析。然后，设计并组建仪表过程控制系统，通过智能调节仪表实现对液位的串级PID控制。最后，借助数据采集模块MCGS组态软件和数字控制器，设计并组建远程计算机过程控制系统，完成控制系统实验和结果分析。关键词： 液位 模型 PID控制 串级控制系统 仪表

3、过程控制系统 计算机过程控制系统AbstractThe purpose of this thesis is to design the liquid levels concatenation control system of the double capacity water tank. This design makes full use of the automatic indicator technique the computer techniquethe communication technique and the automatic control technique in o

4、rder to realize concatenation control of water tanks liquid. First, I carry out the analysis of the controlled objects model, and use the experimental method to calculate the transfer function of the model .Next, I Design the concatenation control system and use the dynamic simulation technique to a

5、nalyze the capability of control system. Afterwards, I design and set up the indicator process control system, realize PID control of the liquid level with intelligence indicator. Finally, I design and set up the long distance computer control system in virtue of the data collection module MCGS soft

6、 and digital PID controller，accomplish control system experiment and analyze the outcome.Keywords:Liquid level ，Model PID control ，Cascade control system ，Indicator process control system ，Computer process control system 第1章 前言 第1章 前言1.1 课题研究意义人们生活以及工业生产经常涉及到液位和流量的控制问题，例如饮料、食品加工，居民生活用水的供应，溶液过滤，污水处理，

7、化工生产等多种行业的生产加工过程， 通常要使用蓄液池。蓄液池中的液位需要维持合适的高度，太满容易溢出造成浪费，过少则无法满足需求。 因此，需要设计合适的控制器自动调整蓄液池的进出流量，使得蓄液池内液位保持正常水平，以保证产品的质量和生产效益。这些不同背景的实际问题都可以简化为某种水箱的液位控制问题。因此液位是工业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，能收到很好的生产效果。通过进行了多次的实验得出了一些相关的数据，水箱液位控制系统的设计应用非常广泛，可以把一个复杂的液位控制系统简化成一个水箱液位控制系统来实现。 由于液位检测应用领域的不同，性能指标和

8、技术要求也有差异，但适用有效的测量成为共同的发展趋势，随着电子技术及计算机技术的发展，液位检测的自动控制成为其今后的发展趋势，控制过程的自动化处理以及监控软件良好的人机界面，操作人员在监控计算机上能根据控制效果及时修正运行参数，这样能有效地减少工人的疲劳和失误，提高生产过程的实时性、安全性。随着计算机控制技术应用的普及、可靠性的提高及价格的下降，液位检测的微机控制必将得到更加广泛的应用。 本文简要介绍了全中文工控组态软件 MCGS，并以 THSA-2 型高级过程控制系统实验装置为例，阐述了该系统硬件组成，控制方法，功能以及采用 MCGS 开发的人机接口可视化界面（HMI）。讲述了该系统开发的基

9、本过程以及工控机怎么通过 RS-485通讯协议与装置进行通讯。实践证明，系统具有界面友好、易于操作、运行可靠、便于升级扩充等特点。1.2过程控制介绍以表征生产过程的参量为被控制量使之接近给定值或保持在给定范围内的自动控制系统。这里“过程”是指在生产装置或设备中进行的物质和能量的相互作用和转换过程。表征过程的主要参量有温度、压力、流量、液位、成分、浓度等。通过对过程参量的控制，可使生产过程中产品的产量增加、质量提高和能耗减少。一般的过程控制系统通常采用反馈控制的形式，这是过程控制的主要方式。1工业过程控制的发展概况20 世纪 40 年代开始形成的控制理论被成为“20世纪上半叶三大伟绩之一” ，在

10、人类社会的各个反面有着 8 深远的影响。 与其他任何学科一样， 控制理论源于社会 实践和科学实践。 自动化技术的前驱可以追溯到我国 古代，如指南车的出现。 至于工业上的应用， 一般以瓦特的蒸汽机调速器作为起点。 有人把直到 20 世纪 30 年代末这段时期的控制理论 成为第一代控制理论， 第一代控制理论分析的主要问题 是稳定性， 主要的数学方法是微分方程解析方法。 这时 候的系统（包括过程控制系统）是简单控制系统，仪表 是基地式、大尺寸的、满足当时的需要。到第二次时间 大战前后，控制理论有了很大发展，Nyquist（1932）和 Bode（1945）频率法分析技术及稳定判据、Evens 根轨

11、迹分析方法的建立， 使经典控制理论发展到了成熟的阶 段，这是第二代控制理论。从 20 世纪 50 年代开始，随着工业的发展、 控制需求的提高， 除了简单控制系统以 外， 各种复杂控制系统也发展起来了， 而且取得了显著 的功效。20 世纪 60 年代，现代控制理论迅猛发展，它 以状态空间方法为基础、 以极小值原理和动态规划等最 优控制理论为特征的而以在随机干扰下采用Kalman 滤波器的线性二次型系统（LOG）设计宣告了时域方法的 完成，这是第三代控制理论。从 20 世纪 70 年代开始， 为了解决大规模复杂系统的优化与控制问题， 现代控制 理论和优化与控制相结合，逐步发发展成了大系统理论。 过

12、程控制是随着控制理论的发展而发展的，从系统机构来看，过程控制已经经历了四个阶段： 基地式控制 阶段（初级阶段） 、单元组合仪表自动化阶段、计算机 控制的初级阶段、综合自动化阶段。当前自动控制系统发展的一些主要特点是：生产装置实施先进控制成为发展主流，过程优化受到普遍关注，传统的 DCS 正在走向国际统一标准的开放式系统， 综合自动化系统（CPIS）发展方向。 综合自动化系统，就是包括生产计划和调度、操作 优化、 先进控制和基层等内容的递阶控制系统， 亦称管理控制一体化系统（简称管控一体化系统） 。这类自动 化是靠计算机的组成特征， 过程系统指明了它的工作对象，正好与计算机集成制造系统（CIMS

13、）相应，有人也 称之为过程工业的 CIMS。可以说，综合自动化是当代 工业自动化的主要潮流。 它以整体优化为目标，以计算 机为主要技术工具， 以生产过程的管理和控制的自动化 为主要内容，将各个自动化“孤岛”综合集成为一个整 体的系统。2过程计算机控制系统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。由于计算机具有运算速度快精度高存储量大编程灵活以及具有很强的通信能力等特点，目前以微处理器单片微处理器为核心的工业控制几与数字调节器过程计算机设备，正逐步取代模拟调节器，在过程控制中得到十分广泛的作用。在控制系统中引入计算机，可以充分利用计算机的运算逻辑判断和记忆等功能完成多种控制任务和实现复杂控制规律。在系统中，由于计算机只能处理数字信号，因而给定值和反馈量要先经过A/D转换器将其转换为数字量，才能输入计算机。当计算机接受了给定值和反馈量后，依照偏差值，按某种控制规律（PID）