双容水箱液位控制实验台设计说明书

中北大学 2017 届毕业设计说明书 I目 录1 引言 .111 课题研究背景 .112 发展历史、现状及发展趋势 .21.2.1 国内外水箱控制的发展 .21.2.2 控制系统的发展方向 .21.3 选题意义 .42 双容水箱液位控制实验台设计简介 .52.1 双容水箱液位控制试验台特性研究 .52.2.1 双容水箱液位控制实验台架的模型搭建 .52.2.2 双容水箱液位控制实验台架三维模型搭建 .62.3 双容水箱液位控制实验台搭建 .102.4 系统搭建总结及过程中存在的问题 .143 双容水箱液位控制方案验证 .153.1 自动控制基本原理与方式 .153.2 过程控制系统的 MATLAB 计算与仿真 .153.2.1 控制系统计算机仿真 .153.2.2 控制系统的 MATLAB 计算与仿真 .163.3 双容水箱液位控制系统数学模型建立 .173.4 双容水箱液位控制系统动静态仿真 .193.4.1 双容水箱液位控制试验台控制流程 .193.4.2 双容水箱液位控制试验台的 Simulink 仿真 .203.4.3 经典 PID 控制存在的问题及现阶段研究方向 .234 双容水箱液位控制实验台设备选型 .244.1 动力及控制设备 .244.1.1 水泵 .244.1.2 调节型电动阀 .254.2 传感器及信号采集装置 .264.2.1 液位变送器 .26中北大学 2017 届毕业设计说明书 II4.2.2 数据采集卡 .275 双容水箱液位控制实验台 LabVIEW 程序设计 .285.1 LabVIEW 的 VI 控制 .285.2 控制程序的设计 .285.2.1 液位控制总程序 .296 液位控制实验过程 .326.1 实验过程 .326.2 实验效果 .346.3 实验结论与收获 .367 总结与展望 .387.1 结论与收获 .387.2 展望与改进 .38参 考 文 献 .39致 谢 .41中北大学 2017 届毕业设计说明书 第 0 页 共 41 页1 引言在科学技术发展的过程当中，现代控制工业生产的工艺当中的各种问题也变得日趋复杂。在人们的生活中以及某些化工和能源的生产过程中，常常涉及一些液位或流量控制问题。为了解决这些问题，合适的被设计的控制器自主的调整容器的出口入口的流量，使得容器内的液位被保持在一个正常的水平。特别是在一些特殊的情况，比如在出入流量较大时，为了满足液位升降的变化，现实的生产过程中往往选用好多个互相串联的储液水箱。11 课题研究背景自动控制技术已被广泛的应用于制造业、交通、农业、航空等众多的产业部门，极大地提高了社会劳动的生产率，改善了人们的劳动生活的环境 1。而自动控制则是指在没有人直接参与的情况下，操纵外加的装备或装配，使装备、机械或生产过程当中的某个参数或工作当中的状态自动地依照预定的规则运行，其是相对于人工控制的观点而言的。而在工业生产过程自动化中，为了更为直观的了解容器当中的原料、半制品或制品的数量，改变输入输出物料使之均衡，保证生产过程中各个环节物料的合理搭配，经常需要对某些装备和容器的液位进行必要相关的测量以及控制。所以设计一个良好控制效果的液位控制系统，保证制作品的质量和数目，在工业生产中具有十分重要的有价值的意义。PID 的控制器具有结构构成简单、调节控制的效果好、易于实现、鲁棒性强等的特点，是到目前为止最为稳定而有效的控制方法。它所涉及的参数物理意义明确，理论分析体系完整，因而在工业过程控制中得到了广泛应用 2。PID 控制器（比例-积分-微分控制器）是一个在工业生产控制系统中常见的反馈回路的组成要素，由比例单位 P、积分单位 I 和微分单位 D 组成。PID 控制的根本是对于比例控制；积分控制可消弭稳态偏差，但是可能增大了超调；微分控制可加快大惯性系统响应速度以及减弱超调趋势 3。PID 控制器作为最先实用化的控制器已经有了将近百年的历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID 控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器 4。中北大学 2017 届毕业设计说明书 第 1 页 共 41 页12 发展历史、现状及发展趋势1.2.1 国内外水箱控制的发展水箱体系是最具有特点的过程装备，在控制实验设备之中占有重要地位，在国内诸多的实验室和大学都已经得很普遍的运用。如英国牛津大学、德国杜伊斯堡大学、中国清华大学、剑桥大学、哈尔滨工业大学、韩国首尔大学、浙江大学等高校都引进了水箱液位控制系统实验装置 5。它不但可以作为液位在过程的控制中的实验装置，还可以有限度的应用在典型故障的诊断和非线性的控制项目的研究当中。在德国杜伊斯堡大学的测量与控制系的研究者使用的 DTS200 模型成功的测量基于模型的故障诊断方法和非线性解耦方法 6。Noura Hassan 用三容水箱液位控制系统作为实验模型来对执行器容错控制的设计进行相关研究；又如 R.Sehab 以双容水箱液位控制系统为研究的对象提出来一种适用于非线性系统的模糊 PI 监控器的设计报告。又如德州学院机电工程系的金老师做了基于 MCGS 的液位监控系统的设计，它是一种基于AT89C51 单片机的远程液位数据采集监控系统，采用单片机作为控制核心，上位机采用MCGS 编写的监控软件，整个系统可以完成液位信号的采集与转换、数据传送和显示、控制等功能 7。在国内也有许多研究水箱的控制问题的研究者，如北方工业大学理学院的安艳伟做了基于单片机的分布式液位控制系统设计，设计了一种基于 51 单片机为核心多机分布式液位控制系统，由数据采集模块，处理模块和多种通讯平台组成，既满足了测量精度的要求，同时具有较高的可靠性，成本低，控制灵活 8。又如南京邮电大学的牛标和张代远所做的可监控智能液位控制器系统设计中列举了液位控制系统可以采取的硬件方案以及他们各自的优缺点，采用 FPGA 作为控制器可以实现各自复杂的逻辑功能，规模大，密度高，他将所有芯片集成在一块芯片上，减小了体积，提供稳定性，并且可应用 EDA 软件仿真、调试，易于进行功能扩展 9。1.2.2 控制系统的发展方向过程控制的实验装置对广大学生的学习、实验和科研人员的研究工作起着非常重大的作用，但是目前国内外对过程控制实验装置的研究和开发并不能很好的满足用户的需求 10。在我国目前的市场中，亚龙科技集团、天科教仪、清华大学科教仪器厂、许昌市中北大学 2017 届毕业设计说明书 第 2 页 共 41 页瑞新电气有限公司和广东三向教学仪器制造有限公司的关于过程的控制的相关实验装置均采用了必要的模拟放大电路来实现相关功能，用户在做有关控制实验的时候不但需要另外的搭线，还需要通过使用一些万用表和示波器等辅助工具进行相关信号和参数的测量，操控起来也对应的相对比较麻烦，用户的体验也不是十分的直观；天津市源峰科技发展有限责任公司的过程控制教学装置和浙江天煌科技实业有限公司的高级水箱控制系统实验平台运用工业化的设备，采用西门子的 PLC 控制系统进行控制，上位机中采用 MCGS 工控组态软件、组态王软件、STEP7 编程软件及 WINCC 组态软件进行配套，编程简单，易于操作，但是这些设备做工粗糙，仪器不够精密，体积比较庞大，控制软件和控制系统不是自主研发，没有良好的开放性，只能进行一些简单的教学实验演示，不能实现一些高级控制算法的研究和实验 11。在国外，加拿大 quanser 公司的 Coupled Water Tank Experiments 可处理多个部分之间的组合，充实了实验进行的多样性，可是只能进行液位控制的相关实验，并不能进行多个变量的控制实验，配套 quanser 的相关控制器和必须的控制软件，从某种意义上可以实现和 MatlabSimulink 的无缝接 El，编程比较简单，但是它需将控制器镶嵌到电脑主板上，每套设备需占用一台电脑资源，控制软件功能单一，没有融合多媒体技术，界面不够美观华丽 12。德国 FESTO 公司的 Process Automation 双容水箱系统，最大的特点就是可组装可拆卸，组合比较灵活，但是他们只提供对象，不提供控制器和控制软件，给研究带来很大的不便 13。英国的 Armfield 公司的ProcessControlTrainer 和 TQ 公司的 ProcessTrainerCEll7，做工比较精致，体积较小，但是软件不够开放，不支持 MatlabSimulink 的无缝接口，只能进行一些简单的手动、PI 和模糊控制，不能做一些复杂的控制算法的研究，上面提到的这些设备，均不能实现网络化控制，这就更增加了设备的局限性 14。新加坡国立大学的 CCKo教授等人研发了一套网络化双容水箱系统，可以实现网络化控制，并能够实现视频和音频的反馈，但是它的被控对象比较单一，并不能进行流量、压力和温度的控制实验，不能做多变量的解耦实验，控制软件功能比较简单，也不具有开放性，只能进行一些简单控制算法的研究 15。除此之外，几乎全部的实验系统控制器均采取计算机拓展板卡的形式，这种控制器不但不具备网络化钻研的硬件前提，并且约束了被实验对象和上位机之间必须遵照“一机一卡”的形式，这也就限定了用户利用的灵活性，增加了中北大学 2017 届毕业设计说明书 第 3 页 共 41 页用户的实验花费。综合目前国内外现有的科研成果，不难得出市面上已存在的双容水箱液位控制系统不是存在着软件系统过于复杂，非专业软件工程师难以有效的对程序进行简洁而明晰的编写这样的问题，就是专业软件工程师无法深刻理解整个控制过程及原理进而也无法设计出高效合理的控制系统这样的问题。LabVIEW 是一种用图标取代文本行建立应用程序的具有图形化编程的语言。 16传统文本编程的方式根据语句和指令的先后顺序导致不同程序的执行的顺序，而 LabVIEW 则采取数据流编程方式，程序的框图中节点之间的数据流向决定了 VI 及函数的执行顺序。同时 LabVIEW 提供很多可选择的外观与传统仪器（如示波器、万用表）近似的控件，可用来方便地建立用户界面。用户可以直观操作的界面在 LabVIEW 中被称为前面板，利用图标和连线，可以经由编程对前面板上的工具进行不同的控制，这便是图形化源代码。因此设计一种基于 LabVIEW 的双容水箱控制系统是十分有用且必要的。1.3 选题意义双容水箱的控制过程与工业控制系统的控制过程相似，尤其是双容水箱控制实验系统，现有的关于双容水箱控制实验系统的研究中多采用 Matlab 等软件进行控制，也有采用 VB、VC 编写应用软件对双容水箱进行控制的 17。然而用 VB、VC 编写控制软件工作量较大，LabVIEW 因其编程简单，图形化的程序语言的特点，又称为 “G” 语言。这种语言被使用在编程时，基本上不需要写程序代码，取而代之的是流程图或框图。它尽量多的利用了技术操作员、科学家、工程师所熟知的专业术语、图标和一些定义，通过这些措施， 它可以增强工程人员构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径 18。利用它进行原理进行研究、计划、测试并实现仪器体系时，可以大大提高任务的效力。故本课题选用此研究开发了一种基于 LabVIEW 的双容水箱控制系统。中北大学 2017 届毕业设计说明书 第 4 页 共 41 页2 双容水箱液位控制实验台设计简介双容水箱是在业生产过程当中一种最为常见的控制对象，该系统包含有两个具有自平衡能力的单容水箱通过上下毗连的方式简单的串联起来组合而成，一般是要做到对其下水箱的液位举行定值的控制效果，双容水箱中的下水箱液位即为这个体系中的被控量，一般情况下选取上水箱的进水流量为所要控制的变量 19。对其液位变化的控制通常采取计算机、模拟仪表、PLC 等单回路的控制。 双容水箱最为常见的表示形式一般显示为二阶特性。此模型在产业现实生活中也有着极其普遍的利用。2.1 双容水箱液位控制试验台特性研究本课题的目标在于控制双容水箱的液位，使其不变在设定值周围，液位控制规模要求在 0-50mm，控制的偏差小于 5%。在体系给定信号以及出现干扰的信号输入状态下，使水槽液位始终趋于稳定平衡，实现水箱液位变化的控制。2.2.1 双容水箱液位控制实验台架的模型搭建对实验台装置进行合理的设计并对其进行搭建，是本课题所要解决的第一个问题。为满足实验的使用以及对照不同条件下双容水箱达到稳定的时间长短；同时使用LabVIEW 编写相应的 PID 控制程序，设计相关实验对所设计的水箱以及控制效果进行验证。图 2.1 实验装置简图中北大学 2017 届毕业设计说明书 第 5 页 共 41 页如图 2.1 为实验装置简图，实验装置主要包括上下水箱、储水箱、水泵、电动调节阀、输水管道以及计算机、数据采集卡和液位变送器等。水箱分为进水口和出水口，为了方便调节，实验装置上水箱的出水口将通过手动阀在实验一开始调节并固定在一个合适的开度，且在入水口装有电动调节阀。当液位传感器检测到水箱中的压力与设定值不符时，液位传感器将压力信号转变为电信号输入计算机，计算机调节电动调节阀的开度将水箱中的水注入水槽中，直至液位测量值与设定值相符。2.2.2 双容水箱液位控制实验台架三维模型搭建为了更直观的体现双容水箱液位控制试验台的结构特征模型，验证设计的可行性，选用了 SolidWorks 2013 开始设计其三维模型的搭建，SolidWorks 公司是专门从事三维工程研发、机械结构建立和成品数据管理软件开发和营销的跨国公司，其软件开发自问世以来，以其良好的性能、易用性和创新立异性极