水箱液位控制系统设计

1、过程控制实验设计报告东南大学自动化学院过程控制实验设计报告姓 名： 学 号： 专 业： 实 验 室： 组 员： 评定成绩： 审阅教师： 一 过程控制系统概论1. 系统设备组成1. 系统水路图系统水路图包括两个部分，一部分液位控制水路，一部分是温度控制水路图。液位控制水路主要包括以下部分：变频器水泵水箱电动阀两个电动调节阀流量变送器液位变送器手动阀门若干管道若干具体图如下：温度控制水路，主要包括以下部分：加热器加热水箱储水水箱加压泵温度变送器管道若干手动阀门若干具体温度控制水路图如下：2. 实验平台面板图实验平台包括了P909智能控制器、接线插头以及计算机等设备。P909面板图如下：3. 系统电

2、气连接图2. 系统设备参数1. 整体参数-加热器控制器功率：1500W 电源：220V（单相输入）2. 交流变频器功率：1500W电源：220V（单相输入） 380V（三相输入）3. 水泵STAINLESS STELL CENTRIFUGAL PUMPQ：40-180 L/minH：25-7mH max：25mQ max：180 L/min3-Mot：380V 50Hzrpm： 2850Kw：1.1HP：1.5，In 2.8A，VL 450V，ICL B，IP 44.4. 智能电动调节阀型号：ZDYP-16P，口径：2.5mm压力：1.6Mpa，电源：220V输入信号：4-20mA，反馈信号：

3、4-20,mA阀门控制精度：0.1%-3%可调日期：2006年4月 T:58447575上海大禹泵阀制造有限公司5. 电磁阀220V AC，ED 100%，IP 00/656. 流量计C型涡轮流量计直径：10mm，满度流量：1.2压力：16Mpa，输出精度：1.0编号：06022，防护等级：IP5天津仪表集团有限公司7. 全自动微型家用增压泵型号：15WZ-10单相电容运转马达最高扬程：10m，最大流量：20L/min极数：2，转速：2800rPm电压：220V，电流：0.36A频率：50Hz，电容：3.5uF功率：80W，绝缘等级：F上海大磊泵业有限公司二 对系统对象的认识1. 获取对象的数

4、学模型为了能够对对象很好地控制，我们必须尽大可能获得系统的准确模型。对于液位控制系统，主要的控制对象是液位，执行机构是电动调节阀，所以，我们需要获取电动调节阀作为输入，与系统的输出液位之间的系统模型。获取模型的方式有多种多样，主要是：1. 频率特性法。通过输入输出信号之间的频率响应关系，得到系统的频率特性函数函数。这种方式主要适合时间常数比较小的系统。2. 飞升曲线。通过阶跃输入观察系统的阶跃输出响应，通过阶跃响应曲线，可以假设系统的模型类别，然后根据系统的飞升曲线，得到模型中的各项参数，获得系统模型。我们在实际实验中，就是通过飞升曲线方法，来获得系统的模型。飞升曲线的制作方法飞升曲线的制作方

5、法比较简单。飞升曲线实际上就是两个稳态以及它们的过渡过程。首先，我们给定一个电动调节阀的开度，控制系统各个手动阀到合适的位置，等待液位稳定。液位稳定之后，我们给定电动调节阀另外一个开度，液位开始变化。在一段时间之后，液位会达到新的平衡状态。这之间的过渡过程，将液位随着时间的变化曲线，就是飞升曲线。我们获得到飞升曲线如下：飞升曲线分析根据飞升曲线，开度是由10%-20%变化，液位变化为175mm到520mm，从第一个稳态过渡到第二个稳态需要的时间大致为14分钟。我们假定系统是一个一阶惯性环节，那么，飞升曲线就相当于系统的阶跃响应，通过飞升曲线，我们可以获得系统的稳态增益、时间常数等参数，通过这些

6、参数，我们就可以对系统建立数学模型，通过分析和计算，就能够设计出最佳的PID控制器来控制液位系统。2. 力控教学实验平台的使用1. 力控教学实验平台的安装6.1版本1. 硬件要求CPU:奔腾 500 以上 内存：最少 64M 显示器：VGA、SVGA 以及支持桌面操作系统的图形适配器，显示256 色以上。 鼠标：PC 兼容鼠标 通讯：RS-232 并行口：力控的加密锁说明：目前市面上流行的机型完全满足力控的运行要求。2. 软件要求运行的操作系统：WINDOWS2000/WINNT4.0(补丁6)/WINXP3. 硬件加密锁力控组态软件在长时间运行时，需要一个硬件加密锁，加密锁包括：并口硬件加密

7、锁和USB口硬件加密锁。并口硬件加密力控支持Windows 操作系统上的并口硬件加密锁的安装，安装并口硬件加密锁步骤：在安装加密锁前应关闭计算机电源和外围设备拔掉计算机并口上的所有联接。加密锁安全地插入并口并拧紧螺丝。如果有其它设备与并口连接，请将其接到加密锁的背后。USB 硬件口加密锁力控支持Windows 操作系统下USB 口硬件加密锁，注：Windows98 需要首先安装USB 口的驱动。说明：当没有加密锁时，力控组态软件也可以开发和运行，但有如下限制：数据库支持32 点内置编程语言运行系统在线运行时间是2 小时支持选择的通讯驱动程序3. P909的使用方法1. 手动设置输出值2. 手动

8、模式和自动模式的切换按下A/M键，即可实现手自动切换，手自动切换的图标将会变换，如图：手动情况：自动情况：3. 报警值设置通过在第一层切换SET，就可以切换到报警值设置，如图：4. PID参数值设置PID参数的设置，都在第二层上。进入第二层的方法：按住“SET”键5秒即可进入第二层。在第二层，通过按“SET”键切换选项，PID参数分别对应P1、I1、D1，如图： 以上就是P909的一些基本的设置方法。三 对执行结构的了解1. 对电动调节阀的认识电动调节阀的参数：型号：ZDYP-16P，口径：2.5mm压力：1.6Mpa，电源：220V输入信号：4-20mA，反馈信号：4-20,mA阀门控制精度

9、：0.1%-3%可调通过电动调节阀的参数，我们可以了解到，电动调节阀是220V交流供电的设备，而它的阀门开度控制信号是标准的4-20mA电流信号；除此，电动调节阀还能够将其阀门开度采样，通过变送器转换成4-20mA信号，这样，我们就能够获得阀门实际的开度，并通过一定的控制手段，精确地控制阀门的开度，以满足流量等的控制要求。2. 电动调节阀对设定的响应简述电动调节阀作为一个电气装置，能够对设定信号进行响应。但作为电气装置，它有系统的一些不可避免的缺陷，比如，电动调节阀对阶跃信号的响应不可能完全跟踪，需要一个惯性响应的过程。电动调节阀的时间常数相对于液位系统的时间常数，可以认为是非常小的，它的时间

10、常数在秒级以上但不超过分钟级别，而液位系统的时间常数一般都超过分钟级别。所以，在一定的场合下，对液位控制要求不是非常高的情况，我们可以忽略电动调节阀的调节时间，将电动调节阀当做传递函数是比例k的设备即可。在对液位控制要求精度比较高时，我们就需要将电动调节阀的传递函数考虑在内，做成串级控制系统等等控制系统，来达到更高的要求。电动调节阀的控制器P909的PV校正我们需要获得电动调节阀的模型，仿照液位系统，我们对电动调节阀施加阶跃信号，观察其阶跃响应曲线，来得到其一些参数。首先，我们选择一个P909作为电动调节阀的控制仪表，因此，我们需要对P909的采样数据的范围设置进行调整，即对PV值进行高点、低

11、点校正。具体步骤如下：进入P909的第三层：按住“SET”键5秒内同时按一下“”键找到ANL1：进入ANL1的设定，此时将电动调节阀给4mA信号关闭，将其开度信号送入该P909的PV端，调节SV处的值，使得ANL1的值显示为0，按下“SET”键完成设置。 找到ANH1：进入ANH1的设定，此时将电动调节阀给20mA信号完全打开，将其开度信号送入该P909的PV端，调节SV处的值，使得ANH1的值显示为100，按下“SET”键完成设置。 通过以上的设置，我们就完成了P909的PV校正，阀门开度信号被校正为0-100的数值范围。我们使用力控软件进行实时曲线采集，用于分析电动调节阀的特性，方法与采集

12、系统的飞升曲线相同。电动调节阀的阶跃响应图中我们使用了原来液位对应的P909，所以，低点对应0，高点对应600，我们将其缩小6倍即可。该阶跃响应是电动调节阀从90%开度调整到10%开度，大致用了1.25min，75秒左右。我们使用的是百分比控制电动调节阀，而电动调节阀开度也是百分比范围，所以增益为1。由于电动调节阀是电信号驱动，并不可以认为是单纯的惯性环节。电动调节阀的响应时间不仅和其本身有关，也和开度变化之差有关。四 过程控制实验教学平台开发（1） 建立新工程New App1（2） 定义I/O设备IO设备的通讯一般包括：DDE、OPC、PLC、UPS、变频器、智能仪表、智能模块、板卡等，这些

13、设备一般通过串口和以太网等方式与上位机交换数据，只有在定义了IO设备后，力控才能通过数据库变量和这些IO设备进行数据交换。（3） 创建实时数据库（4） 创建组态界面A 示例窗口B 趋势曲线窗口C 历史窗口D 仪表窗口E 数据报表窗口（5） 脚本动作（6） 运行利用USB转485转换器与HGK-1型过程控制实验模块（P909高精度微电脑控制器）相连，HGK-1型过程控制实验模块（P909高精度微电脑控制器）与液位系统相连。进行液位控制。五 实验结果实验结果响应曲线如下：由图可知调节时间较为合理，超调也在可以接受的范围内，PID参数较为理想。六 心得体会作为与过程控制课程配套进行，此次实验的课题是

14、水箱液位、锅炉温度控制综合系统。我们小组主要以控制器与计算机串口通信，PID参数整定，水箱液位控制（包括力控组态软件设计模拟仿真实验以及实物操作控制实验）作为实验重点，而由于时间等各种因素及个人原因，对锅炉温度控制并没有投入太多精力。这可以作为我们有兴趣在后期有时间继续研究的项目。尽管如此，在不长的实验时间和仅对单项目控制，在本次实验中，我们依然以一丝不苟、严谨认真、积极探索的态度，不仅了解了水箱液位控制（作为过程控制一个典型，其余还有锅炉温度控制、管道流量控制、容器压力控制等）的基本原理，掌握了基本设计控制方法，而且对PID控制有了进一步深入的认识，P909控制器作了前所未有的理解，p909是一个多功能、多用途的控制器，可以同时控制液位，