贮槽液位控制系统设计.docx

目录第1章 系统设计目的与说明。1 1.1设计目的.1 1.2控制系统说明.1第2章 系统结构框图与工作原理.5 2.1系统结构框图.5 2.2工作原理.5第3章 系统硬件设计说明及计算方法63.1实验装置及流程.63.2 模拟控制对象系统.63.3 设计内容与步骤.10第4章 软件设计与说明134.1 PID参数对控制系统质量的影响.134.2 PID控制器参数的整定. 13 4.3其它设计说明14第5章 调试结果与调试说明.175.1设备连接185.2调试18第6章 总结.19第7章 参考文献.20附录 程序清单21第1章 系统设计目的与说明1.1设计目的液位的自动控制在工业生产领域应用的非常普遍，机电类或控制类的毕业生在将来的技术岗位上很可能会遇到类似的控制问题。就控制系统本身而言，其含有压力传感器、计算机与采集板组成的控制器、执行器（水泵）、控制对象（水箱）等，都是目前工业控制系统中最为常见的。如何将这些部件组合在一起，并达到一个良好的控制效果，是对学生综合能力的一项考验。1.2控制系统说明1、 控制与控制系统控制是指为达到预先给定的目的，作用于系统有目的的动作。控制系统是指由被控对象和控制装置所构成的，能够对被控对象的工作状态进行调节、使之具有一定的状态和性能的系统。组成：(1) 传感器它将贮槽液位高低的信息转换为一种特定的信号(如电压、电流等)，并传送到控制器，相当于人工控制时的眼睛。 (2) 控制器它接受变送器送来的信号，与生产工艺要求所预先设定的液位高度信号相比较得出偏差，并按某种运算规则算出结果，然后将此结果用特定信号发送到执行器，相当于人工控制时的大脑。 (3) 执行器在这里就是控制阀，它可以根据控制器送来的信号以及信号值的大小自动调节阀门的开启度，相当于人工控制时手和阀的组合。 系统的控制过程实际上是一个动态过程，即当系统的输入（包括干扰）量发生变化时，由于系统的能量只能作连续变化，从而使系统的输出呈现出从一个平衡状态向另一个新的平衡状态过渡的过程这一过程称为系统的过度过程。一般情况下，系统的过渡过程有以下几种基本形式：. 非周期衰减过程. 衰减振荡过程. 等幅振荡过程. 发散振荡过程 2、 性能指标 控制系统在输入作用下所产生的输出称之为响应。系统由初始状态随时间到最终状态的响应过程称为动态过程，也称为瞬态响应，它是系统短时间响应特性的度量；当时间趋于无穷大时系统的输出状态称为稳态过程，也称为稳态响应，它表征系统输出量最终复现输入量的程度。任何一个控制系统的时间响应都由动态过程和稳态过程两部分组成。 由此可见，控制系统在典型输入信号作用下的性能指标，通常由稳态性能和动态性能两部分组成。3、开环、闭环简介开环控制系统是没有反馈环节的控制系统,其主要优点是简单、经济、容易维修以及价格便宜。它的主要缺点是精度低，对环境变化和干扰十分敏感。 闭环控制系统亦称为反馈控制系统。闭环控制系统与开环控制系统相比，具有精度高，动态性能好，抗干扰能力强等优点，它的缺点是结构复杂，维修困难，价格昂贵等。4、单回路控制简介1）所谓单回路控制系统，通常是指一个测量变送器、一个控制器、一个执行器和一个被控对象所构成的闭环系统，也称为简单控制系统。2）单回路控制系统的结构比较简单，所需的自动化装置数量少，操作维护也比较方便，因此在化工自动化中使用很普遍，这类系统占控制回路的绝大多数。3）简单、可靠、经济与保证效果是方案设计的基本准则。4）单回路控制系统是复杂控制系统的基础，学会了单回路控制系统的工程分析、设计的处理方法，认识到系统中各个环节对控制质量的影响，并了解系统设计的一般原则以后，就可以联系实际，处理其他更复杂的系统设计问题。图1-1是一个单回路反馈控制系统，控制的任务是使水箱液位等于给定值所要安装就绪之后，控制质量的好坏与控制器参数选择有着很大的关系。合适的控制参数，可以带来满意的控制效果。反之，控制器参数选择得不合适，则会使控制质量变坏，达不到预期效果。因此，当一个单回路系统组成好以后，如何整定好控制器参数是一个很重要的实际问题。从结构图我们可以看出：单回路控制系统是最简单、最基本、最成熟的一种控制方式。单回路控制系统根据被控量的类型可分为：温度单回路控制系统、压力单回路控制系统、流量单回路控制系统等。单回路控制系统方框图的一般形式如下：图11是一个单回路反馈控制系统5、设计分析贮槽设备是一水箱，生产工艺要求水箱液位应保持在200.5cm,设计控制系统满足该要求。分析设计要求，生产工艺简单并且要求不高，采用单回路控制系统进行设计。第2章 系统规划和系统设计2.1系统结构框图图21 贮槽液位控制系统将模拟过程控制系统中的控制器的功能用计算机来实现，就组成了一个典型的过程计算机控制系统,从控制系统引入计算机，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实现复杂控制规律。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/转换器将其转换为数字量，才能输入计算机。当计算机接收了给定量和反馈量后，依照偏差值，按某种控制规律进行运算（如运算），计算结果（数字信号）再经过D/A转换器，将数字信号转换成模拟信号输出到执行机构，从而完成对系统的控制作用。2.2工作原理图21是一个单回路反馈控制系统，从系统的框图看，只有一个闭环回路控制的任务是使水箱液位等于给定值所要求的高度；减小或消除来自系统内部或外部扰动的影响。当一个单回路系统设计安装就绪之后，控制质量的好坏与控制器参数选择有着很大的关系。合适的控制参数，可以带来满意的控制效果。反之，控制器参数选择得不合适，则会使控制质量变坏，达不到预期效果。因此，当一个单回路系统组成好以后，如何整定好控制器参数是一个很重要的实际问题。单回路过程控制系统亦称单回路调节系统简称单回路系统，一般是指针对一个被控过程（调节对象），采用一个测量变送器监测被控过程，采用一个控制(调节)器来保持一个被控参数恒定（或在很小范围变化），其输出也只控制一个执行机构（调节阀）。第3章 系统硬件设计说明及计算方法3.1实验装置及流程TDGK-1型过程控制综合实验台主要由模拟控制对象系统、控制台和上位机及控制软件系统三部分组成。3.2 模拟控制对象系统模拟控制对象系统由上、中、下三个水箱、热交换器及相应管路（含管路上手动阀、转换阀）组成，上、中水箱由水泵供水。上、中两个水箱装有液位传感器；上水箱是一个复合式水箱，其中水箱内装有电加热器、电动搅拌器和PT100温度传感器。下水箱内置潜水泵。热交换器冷热流体管路上均装有涡轮流量计、温度传感器、阀门和水泵。水箱中的水位、水温以及供水的流量和热交换器冷热流体管路上温度、流量、压力都可以用于构成控制系统的被控参量。管路任一个手动阀都可作为干扰源，用以产生干扰信号，整个被控对象组成了一个复杂控制系统。单回路控制系统主要包括实验台的上水箱、中水箱、回水泵、循环泵、电子比例阀以及相对应的管路和阀门。1、上位机及控制软件系统TDGK-1型过程控制综合实验台上位计算机可以根据用户的要求配置不同的组件。模拟对象系统的控制软件系统是基于MCGS（Monitor and Control Generated System）工控软件的实验控制软件系统。MCGS是一套基于Windows平台的，用于快速结构和生成上位机监控系统的组态软件系统，可以运行于Microsoft Windows 95/98/NT/2000等操作系统。1)MCGS嵌入版的主要特性和功能 MCGS嵌入版是在MCGS通用版的基础上开发的，专门应用于嵌入式计算机监控系统的组态软件，MCGS嵌入版包括组态环境和运行环境两部分，它的组态环境能够在基于Microsoft的各种32位Windows平台上运行，运行环境则是在实时多任务嵌入式操作系统WindowsCE中运行。适应于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性能有严格要求的专用计算机系统。通过对现场数据的采集处理，以动画显示、报警处理、流程控制和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案，在自动化领域有着广泛的应用。此外MCGS嵌入版还带有一个模拟运行环境，用于对组态后的工程进行模拟测试，方便用户对组态过程的调试。 MCGS嵌入版组态软件具有强大的功能，并且操作简单，易学易用，普通工程人员经过短时间的培训就能迅速掌握多数工程项目的设计和运行操作。同时使用MCGS嵌入版组态软件能够避开复杂的嵌入版计算机软、硬件问题，而将精力集中于解决工程问题本身，根据工程作业的需要和特点，组态配置出高性能、高可靠性和高度专业化的工业控制监控系统。2)嵌入版组态软件的主要特点l 容量小：整个系统最低配置只需要极小的存贮空间，可以方便的使用DOC等存贮设备；l 速度快：系统的时间控制精度高，可以方便地完成各种高速采集系统，满足实时控制系统要求；l 成本低：使用嵌入式计算机，大大降低设备成本；l 真正嵌入：运行于嵌入式实时多任务操作系统；l 稳定性高：无风扇，内置看门狗，上电重启时间短，可在各种恶劣环境下稳定长时间运行；l 功能强大：提供中断处理，定时扫描精度可达到毫秒级，提供对计算机串口，内存，端口的访问。并可以根据需要灵活组态；2、控制台控制台由手动控制按钮、智能仪表和PLC控制组成。3、ICP-7017ICP7017模块：8通道模拟量输入模块。工作电源：直流24V输入类型：电压、电流。输入范围：150150mv,-500500mv,-11v,-55v,-1010v,-220mA通讯方式：485通讯ICP7017模块外部接线图：23图1-2 ICP7017某一通道接线图图1-3 ICP7017接线图4、ICP7024模块4路电压型模拟量输出，4路电流型模拟量输出。工作电源：直流24V电流输出范围：020mA,420mA电压输出范围：-10v10v,010v,-55v,05v通讯方式：485通讯ICP7024模块外部接线图：任一通道接线方式：图1-4 ICP7024接线图图1-5 ICP7024接线图5、执行机构电动调节阀在此设计中用的是QSTP-16K智能电动单座调节阀主要技术参数：执行机构型号:QSL智能型直行程执行机构输入信号:4-20mADC 输出信号:4-20mADC, 电源:220V10%/50Hz, 基本误差:1.0%, 死区:0.5+5%, 输出力矩:150牛顿米,精度:0.5级 2,阀体;公称通径:40mm公称压力:PN4.0Mpa;连接形式:法兰连接 3,阀内组件阀内结构:上导向柱塞型单阀芯,金属密封,软密型(使用温度低于200)材料:1Cr18Ni9,1Cr13,316+N0.6;流量特性:线性6、测量变送器压力传感器本实验对象的检测装置为扩散硅压力液位传感器。分别用来检测上水箱、中水箱和下水箱液位；3.3设计内容与步骤1、比例(P)调节器控制（1）打开手动阀2、手动阀3、手动阀4，关闭其它所有手动阀和转换阀。其中被控对象是上水箱，被控制量是该水箱的液位高度。（2）开启计算机，运行“TDGK1型过程控制综合实验台实验.MCG”，进入“单容液位（上小水箱）PID控制实验（MCGS）”演示界面，如图84 所示。将实验装置工作方式选择开关拨到计算机控制方式。按不同的控制方式设定相应的控制参数P、I、D，为记录过渡过程曲线作好准备。（3） 把调节器的比例系数（）置为较小数，积分时间常数设置最大（设置为零即可），微分时间常数设置为零，即此时调节器为比例调节。（4）点击按钮，迅速调节手动阀3的开度使流量1达到0.28t/h左右。观察计算机显示屏上的曲线，待被调参数基本稳定于给定值后，系统即投入闭环运行。待系统稳定后，对系统加扰动信号(在纯比例的基础上加扰动，可通过改变设定值实现，扰动一般为设定值5%20%)。记录曲线在经过几次波动稳定下来后，系统有稳态误差，并记录余差大小。（5）增大，重复步骤（4)，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。（6）减小，重复步骤（4)，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。（7）选择合适的，可以得到较满意的过渡过程曲线。改变设定值，同样可以得到一条过渡过程曲线。注意：每当做完一次试验后，必须待系统稳定后才能做另一次试验,以下相同。2、比例积分调节器(PI)控制（1）在比例调节实验的基础上，加入积分作用，即积分时间常数设置为一数值，观察被控制量是否能回到设定值，以验证PI控制下，系统对阶跃扰动无余差存在。（2）固定比例度值，改变PI调节器的积分时间常数值,然后观察加阶跃扰动后被调量的输出波形，并记录不同值时的超调量。（3）选择适合的和值，使系统对阶跃输入扰动的输出响应为一条较满意的过渡过程曲线。此曲线可通过改变设定值(如设定值由50%变为60%)来获得。3、比例积分微分调节(PID)控制（1）在PI调节器控制实验的基础上，再引入适量的微分作用，即把D打开然后加上与前面实验幅值完全相等的扰动，记录系统被控制量响应的动态曲线，并与PI控制下的曲线相比较，由此可看到微分D对系统性能的影响。（2）选择适合的、和，使系统的输出响应为一条较满意的过渡过程曲线(阶跃输入可由给定值从50%突变至60%来实现)。4、用临界比例度法整定调节器的参数这是目前使用较多的种方法。它是大通过试验得到临界比例度k和临界周期Tk，然后根据经验总结出来的关系求出控制器各参数值。 在闭环的控制系统中，将控制器变为纯比例作用，即将TI放到“”位置上，TD放在“0”位置上，在干扰作用下，从大到小地逐渐改变控制器的比例度，直至系统产生等幅振荡（即临界振荡在现实应用中，常用临界比例度法去整定PID调节器的参数，该方法既方便又实用。具体做法如下：（1）先将调节器的积分时间置于无穷大，微分时间置于零，比例度置于较大的数值，使系统投入闭环运行。（2）系统稳定后，给系统设定值施加一个5%15%的阶跃扰动，并同时减小调节器的比例度，观察被调量变化的动态过程，直至输出响应曲线呈现等幅振荡为止（如图32）。（3）被调量作等幅振荡时，此时的比例度就是临界比例度，用表示，相应的振荡周期就是临界周期，按表31即可确定PID调节器的三个参数、和。图32 具有周期的等幅振荡临界比例度法比较简单方便，容易掌握和判断，适用于一般的控制系统。但是对于临界比例度很小的系统不适用。因为临界比例度很小，则控制器输出的变化一定很大，被调参数容易超出允许范围，影响生产的正常进行。 临界比例度法是要使系统达到等幅振荡后，才能找出k与Tk，对于工艺上不允许产生等幅振荡的系统本方法亦不适用。必须指出，表格中给出的参数值是对调节器参数的一个粗略设计，因为它是根据大量实验而得出的结论。若要得到更满意的动态过程(例如：在阶跃作用下，被调参量作4：1地衰减振荡)，则要在表格给出参数的基础上，对、 (或)作适当调整。表31 用临界比例度法整定PID调节器的参数 调节器参数调节器名称P2PI2.20.85PID1.70.50.13第4章 软件设计与说明4.1 PID参数对控制系统质量的影响一般言之，用比例(P)调节器的系统是一个有差系统，比例度(比例系数的倒数，即1/)的大小不仅会影响到余差的大小，而且也与系统的动态性能密切相关。系统的余差与比例放大倍数成反比，也就是与比例度成正比，即比例度越大，则余差也就越大。比例放大倍数由小到大变化，系统将由稳定向振荡发展，系统的稳定性在变差。因此比例放大倍数增大，控制精度提高（余差减小），但系统的稳定性下降。比例积分(PI)调节器，由于积分的作用，不仅能实现系统无余差，而且只要参数、调节合理，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的作用，微分时间常数调整得当，可使过渡过程缩短，从而使系统既无余差存在，又能改善系统的动态性能(快速性、稳定性等)。在单位阶跃作用下，P、PI、PID调节系统的阶跃响应分别如图41中的曲线、所示。图41 P、PI和PID调节的阶跃响应曲线4.3其它设计说明1、PID控制器参数的整定对于单回路控制系统，控制器参数整定的要求，就是通过选择合适的控制器参数（、），使过渡过程呈现4：1衰减比，并且有合适的超调量。控制器参数整定的方法很多，本实验采用临界比例度法整定调节器的参数。MCGS嵌入式体系结构分为组态环境、模拟运行环境和运行环境三部分。组态环境和模拟运行环境相当于一套完整的工具软件，可以在PC机上运行。用户可根据实际需要裁减其中内容。它帮助用户设计和构造自己的组态工程并进行功能测试。由MCGS嵌入版生成的用户应用系统，其结构由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五个部分构成。2、监控画面和组态设计窗口是屏幕中的一块空间，是一个“容器”，直接提供给用户使用。在窗口内，用户可以放置不同的构件，创建图形对象并调整画面的布局，组态配置不同的参数以完成不同的功能。在MCGS嵌入版中，每个应用系统只能有一个主控窗口和一个设备窗口，但可以有多个用户窗口和多个运行策略，实时数据库中也可以有多个数据对象。MCGS嵌入版用主控窗口、设备窗口和用户窗口来构成一个应用系统的人机交互图形界面，组态配置各种不同类型和功能的对象或构件，同时可以对实时数据进行可视化处理。监控界面应能对现场设备的运行情况进行监测和呈现。和对各各参数的设定、液位变化的实时显示等等。贮槽液位控制系统的监控界面如下：3、设备连接MCGS组态软件提供了大量的工控领域常用的设备驱动程序。在实验室中用到的是7017和7024，打开设备窗口，自动添加这俩个驱动程序即可。4、报表输出在实际工程应用中，大多数监控系统需要对数据采集设备采集的数据进行存盘、统计分析，并根据实际情况打印出数据报表，所谓数据报表就是根据实际需要以一定格式将统计分析后的数据记录显示并打印出来，以便对生产过程中系统监控对象的状态进行综合记录和规律总结。数据报表在工控系统中是必不可少的一部分，是整个工控系统的最终结果输出。本设计需要用到3个表格，分别为实时曲线，历史曲线，存盘数据。图4-3 实时曲线界面5、动画连接由图行对象搭建而成的图形画面是静止不动的，需要对这些图形对象进行动画设计，真实的描述外接对象的状态变化，达到过程实时监控的目的。MCGS实现图形动画设计的主要方法是将用户窗口中的图形对象与实时数据库中的数据对象建立相关性连接，并设置相应的动画属性。在系统运行过程中，图形对象的外观和状态特征由数据对象的实时采集值驱动，从而实现了图行的动画效果。本设计需要制作动画效果的部分有水箱中水位的升降和水流效果。水箱水位效果设置：单击水箱，右键点属性，选动画连接菜单，单击矩形选大小变化菜单，表达式为水箱PV，最大百分比的表达式的值设置为200。第5章 系统调试及注意事项本实验台在每次重新开机进行计算机控制实验时，应先打开MCGS组态环境设备调试的设备窗口，激活中泰PC6313设备属性设置窗口，使系统对设备自动进行初始化，然后将控制方式放置在计算机控制处。开始实验前，先检查搅拌器旋钮是否逆时针旋到头，仪表/计算机是否拨到计算机位置，计算机/PLC是否拨到计算机位置，手动PLC计算机是否拨到手动位置，所有按钮是否处于弹开状态，一切确定无误后。请先开启计算机，再将实验控制台红色按钮按下。实验结束后，应先将实验控制台回到上述指定位置后，将实验控制台红色按钮按下断电后，再关闭计算机。务必遵守，以免出现意外。在实验暂停期间，应将阀门关闭，防止水箱内的水回流。5.1设备连接运行MCGS，打开设备窗口，添加通用串口父设备驱动程序ICP7017和ICP7024。ICP7017连接的是传感器到计算机，用于现场采集数据到计算机，ICP7024为输出设备，把计算机的控制信息输出到阀门。7017基本属性设置：在设备窗口中双击7017-ICP-7017，弹出7017设备属性设置对话框，初始状态设置为0-停止，最小采样周期为200ms，设备地址为3，输入范围取1-5V。通讯状态设置：在第一个通道输入mm1，对应为通讯状态标志，第二个通道和第三个通道分别输入pv1和pv2。5.2调试打开实验设备和远程数据采集控制台的电源，水泵启动，在MCGS组态环境下，按F5进入运行环境。在组态工程界面，进入自动状态。设定值调整为20，比例系数设置为30，观察运行状态。在运行环境下，通讯标志显示通讯成功。观察实验装置水箱的液位情况。经过一段时间后，液位能保持在设置200.5cm。符合设计要求。调试成功。第6章 总结在此次过程控制设计以分组的方式进行，每组有一个课题。我们做的是贮槽液位控制系统。由于平时学的都是书本上的理论知识，没有过实际开发设计的经验，拿到课题的时候都不知道如何下手。后来通过查阅相关的资料，有了眉目。 通过本次设计，让我很好的锻炼了理论联系实际，与具体项目、课题相结合开发、设计产品的能力。我懂得了怎样把理论应用于实际和怎样用理论去解决在实践中遇到的问题。分组工作的方式给了我与同学合作的机会，提高了与人合作的意识和能力在本次设计中，我学到了很多以前没有学到过的知识，图书馆成了我们很好的助手。在查阅资料的过程中，知识逐渐积累，不知不觉中查阅资料的能力也得到了很好的锻炼。我们学习的知识是有限的，在以