水箱液位控制系统.docx

1、水箱液位控制系统16 课题名称姓 名学 号班 级过程控制综合训练课程报告17 学年第二学期基于PLC和组态王的系统水箱液位控制系统 摘要 在工业生产过程中，液位贮槽如进料罐、成品罐、中间缓冲器、水箱等 设备应用十分普遍， 为了保证生产正常进行， 物料进出需均衡， 以保证过程的物 料平衡。因此， 工艺要求贮槽内的液位需维持在给定值上下， 或在某一小范围内 变化，并保证物料不产生溢出。例如，锅炉系统汽包的液位控制，自流水生产系 统过滤池、澄清池水位的控制等等。 根据课题要求， 设计一个单容水箱的液位过 程控制系统，该系统能对一个单容水箱液位的进行恒高度控制。关键词： 过程控制 液位控制 PID 控

2、制Abstract : In the process of industrial production, liquid storage tank such as product cans, buffer , tanks and other equipments are widely used. In order to ensure the normal production,material supply and demand must be balanced to guarantee the process of the production. So, the process require

3、s that the liquid level in the tank should be maintained at a given value, or change in a small range,and ensure that the material does not overflow,for instance,system of boiler drum level control, level control of filter pool and clarification pool of self-flowing water production system and so on

4、. According to the requirement of project, we need design a liquid level process control system for a single tank which make the liquid level on the constant height.Key words: Process Control Liquid Level Control PID Control一、系统建模如图所示，单容液位过程只有一个储液箱。流入量为 Q1,由进水阀的开度卩控制Q1的大小；流出量为Q2随下游工序的需要而变化，其大小由出水阀的

5、开度控制；在出水阀开度不变的情况下，液位 h越高，储液箱静压越大，流出量 Q2越大。下面分析进水阀的开度卩与液位 h之间的动态关系，建立该单容水箱 的数学模型。QI i水箱 一Q2图1-1单容水箱模型根据动态物质平衡关系可得：其中Q1 = KQ 2 k、h设稳态时变量为:Q10 , Q20 , h0 ,Q10 Q20 0 A-0 h 不变dt各变量相对稳态的增量为：h h h0, Q1 Q1 Q10Q 2 Q 2 Q 20 ,则有t dh dth K取拉氏变换得：sTH(s)H (s) K (s)H(s)K(s)Ts 1dt消 Q1 , Q 2中间变量1Rs由上述可知，单容水箱系统为一阶惯性系

6、统，其中时间常数T是表征液位过程响应快慢的重要参数。2.1系统总体设计恒液位水箱控制系统是一个闭环负反馈控制系统， 将给定输入和实际输出相比较，得到的误差经PID控制器计算后送给 D/A,经过D/A转换后得到010V 的电压来控制变频器的频率，以此来控制电动调节阀的开度达到控制液位的目 的。液位经过传感器转换成420mA的电流信号在经过A/D转换反馈至输入端， 这样就形成了一个闭环控制系统，当液位过高时，控制输出减小，当液位过低时， 控制输出增大，以此来达到恒液位控制。图2-1液位控制系统总体框图2.2D/A模块设计2.2.1端子接线本模块采用电压输出方式，故接线图如图 2-2所示电版输出咆抵

7、输出祐ttw列10V)1FXt?DAVOUTOn1OVT-八一一萨卧 / :IOUT 0 Vi+cofcTg1 ii 了 fft图2-2 D/A 模块端子接线图 图2-3 输入输出特性其输入输出特性如图2-3所示，当输入数字范围为04000时，输出模拟电 压为010V,且成线性关系。2.2.2编程设计图2-4 D/A转换程序如图2-4所示，首先将D10寄存器中的数值传到辅助继电器（M10AM115 中，然后写低8位数据并保持，接着写高4位数据并保持，最后执行D/A转换, 输出010V电压2.3变频器设置2.3.1接线因为本次设计只用到了正转功能，所以只连接了 STF端和COMS,电压输入 并联

8、在2和5端口来控制频率输出。接线图如图 2-5所示。0C24电源iim门11.-： - 召：；图2-5变频器接线图2.3.2变频器参数设置参数79可以用来设置变频器运行模式，其中 79-1为固定PU运行模式，即所有指令通过控制面板输入；79-2为固定外部运行模式，即所有指令通过外部 输入；79-3为组合运行模式1,启动指令通过外部控制，而频率通过面板上的旋 钮来控制；79-4为组合运行模式2,其启动指令通过控制面板上的 RUN来发出， 而频率则通过外部模拟量来控制，如图 2-6所示。本次设计采用79-2固定外部 运行模式。2.4 A/D模块设计 2.4.1端子接线液位变送器输出的是420mA电

9、流信号，所以接线采用电流输入方式，将V+和1+短接，如图2-7所示。2.4.2编程设计如图2-8所示，首先设置A/D转换的工作方式，因为连线接的是通道 3, 所以将通道3设置成模拟量输入范围为 4mA- 20mA数字量输出范围为04000 的模式3,其他通道禁用，设置成F;然后进行A/D转换，将通道3 BFM12的值 读出到D0中。2.5 PID控制器与组态王设计2.5.1定义变量114号26 牌XJ7 .KID1I20 ，炬rc图2-9变量定义如图2-9所示，其中Y0为PLC输出，连接到变频器的STR来控制电机转动； 输入为设定的液位；实际液位是由传感器的输出转换得到的； sp、pv、M为P

10、ID控制器的参数；D0为A/D转换的值；D10为D/A转换的值。2.5.2总体设计图2-11命令语言如图2-11所示，因为传感器经A/D转换的数字量和实际液位之间成一次函 数关系，所以可以测量几组数据来求得它们的关系以此获得实际液位值。SP 为PID控制器的设定值，PV为反馈跟踪值，M为输出。将液位高度除以 满量程40,这样便使得PID控制器的输出M在0% 100%内变化，这样便能很好 的表征电动调节阀的开度；又由于要使变频器在050Hz内变化，且变频器50Hz 时D/A的输入值为2000，因为M的值已经在01之间变化，所以只要将 M的值 直接乘以2000写入D/A即可。至此便通过组态王完成了

11、对整个系统的连接，实 现了对整个系统的控制。三、PID参数整定组态王中的PID控件可以实现对系统的控制，而为了获得较好的控制效果， 则需要整定PID参数，下面简单介绍一下PID控制及其整定方法。3.1 PID控制在工程实际中，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。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其 结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而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

12、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。P 是比例环节，引入比例环节可以提高稳态精度，加快系统的反应速度。但是 Kp 过大，超调增大稳定裕度降低，甚至可能不稳定；I 是积分环节，引入积分环节可以消除静差，改善系统稳态性能。但是积分 环节降低系统稳定裕度，有滞后，反应不灵敏， Ki 过大，是系统超调增大，甚 至有可能不稳定；D 微分环节， 引入微分环节可以提高系统的响应速度， 超调减小， 振荡减轻。 但是微分环节会放大高频噪声，抗干扰能力差。PID 控制综合了他们的优点，平和了缺点，可以获得很好的控制效果。3.2P

13、ID 参数整定方法3.2.1稳定边界法在生产工艺容许的情况下， 先让调节器按比例调节工作。 从大到小逐渐改变 调节器的比例度， 直至系统产生等幅振荡； 记录此时的比例度和周期， 再通过经 验公式计算，求出调节器的整定参数。稳定边界法适用于一般的流量、压力、液 位和温度控制系统，但不适用于比例度特别小的过程。3.2.2响应曲线法响应曲线法也称动态特性参数法， 是一种开环整定方法， 它利用系统广义对 象的动态特性， 即广义对象输入变量作单位阶跃变化时被控参数的响应曲线， 再 根据响应曲线确定该广义对象动态特性参数， 然后利用这些参数计算出最佳整定 参数。测试实验时，要求加入扰动幅度足够大，使被控参

14、数产生足够大的变化， 保证测试的准确性， 但这在一些生产过程中是不允许的。 因此，响应曲线法只适 用于允许被控参数变化范围较大的生产过程。3.2.3衰减曲线法衰减曲线法也是在调节器投入运行的情况下进行， 通过获得 4:1 的衰减比来 确定整定参数。 衰减曲线法不需要系统在稳定边界运行， 比较安全， 而且容易掌 握，能适用于各类控制系统。 从反应时间较长的温度控制系统到反应时间短到几秒的流量控制系统，都可以应用衰减曲线法。3.3系统参数整定因为单容水箱的数学模型为一阶惯性环节， 所以稳定边界法和衰减曲线法均 不适用。本次设计采用响应曲线法，经过不断地尝试，最终在 Kp=2, Ki=,Kd=8时，

15、获得了较好的控制效果，如图 3-1和3-2所示。图3-1给定输入图3-2 系统响应曲线四、总结在这次单容水箱液位控制系统设计过程中， 我深刻的理解了什么是一个完整 的控制系统以及怎样去搭建一个控制系统； 我也真正理解了什么是 PID 控制，以 前 PID 控制对我来说只是书本上生硬的知识， 而现在自己有了切身的体会， 比如 比例作用会加快响应， 水放的会更快； 而积分作用能够提高稳态精度， 稳定时液 位会更精确，但系统反应却变得不灵敏；而微分作用则可以提升系统的灵敏度， 这些现象让我更加了解了 PID 控制。本次实训中总结了以下几点： 第一，要善于 搜集资料。当你对一样东西不是太了解的时候首先

16、应该做的就是寻找它的有关资 料，然后去了解、学习。第二，要善于求助他人。请教一个有经验的人可以让你 少走弯路。相比自学，有一个经验丰富的人的指导会让你节省大量宝贵的时间， 做到事半功倍。第三，要有团队精神。任何一个大的项目都不可能一个人完成， 要有互助、合作的团队精神，有一个好的团队至关重要。本次实训基本完成了课题要求的任务， 为以后更加复杂的系统控制奠定了基 础。2015.参考文献1王再英，刘淮霞，陈毅静 . 过程控制系统与仪表 M. 机械工业出版社，2徐湘元. 过程控制技术及其应用 M. 清华大学出版社 ,2015.3胡寿松.自动控制原理 M. 科学出版社,2007.4杨帆，李方园.三菱PLC应用简明教程M.机械工业出版社，2013.5郑凤翼 . 轻松解读三菱变频器原理与应用 M. 机械工业出版社 ,2012.