双容水箱液位控制系统毕业设计

温州职业技术学院毕 业 综 合 实 践课题名称： 双容水箱液位控制系统设计 作 者： 学 号： 系 别： 电气电子工程系 专 业： 电气自动化 指导老师： 专业技术职务 2016 年 3 月 浙江温州- 2 -课 题 摘 要在工业生产中，液位控制通常具有滞后性、大惯性和时变性等特点，所以实现液位控制的快速性和稳定性，对于提高产品质量和生产效率有很重要的现实意义。本课题针对液位控制系统的特点及实现快速、稳定的液位控制在现实工业生产中的意义，设计了一个双容水箱液位控制系统。其中运用到传感器、采集卡检测液位，并采用了 PLC 的 AD/DA 转换模块将数字量转换成模拟量输出。本系统 PID 参数在整定的设置和范围，使最终系统无稳态误差，无超量调节，各项指标均满足设计要求。本系统实现简单，硬件要求不高，且能对液位进行实时显示，具有控制过程的特殊性，本设计提出了一种基于 PID 算法来实现双容水箱液位控制系统，主要是为了达到生产过程中对液位控制速度快，稳定性高等特点。关键词 PID 控制 传感器 AD/DA 转换- 3 -目 次1 绪 论 .- 5 -1.1 课题的提出 .- 5 -1.2 国内外研究现状 .- 6 -1.2.1 国外研究现状 .- 6 -1.2.2 国内研究现状 .- 7 -1.3 过程控制的发展过程 .- 8 -1.3.1 过程控制的发展 .- 8 -1.3.2 过程控制策略与算法的进展 .- 9 -1.3.3 传统过程控制存在的问题 .- 10 -1.4 PID 控制的发展现状及意义 .- 10 -2 水箱的数学建模 .- 11 -2.1 数学模型的介绍 .- 11 -2.2 数学模型的建立 .- 11 -2.2.1 机理法 .- 12 -2.2.2 实验法 .- 13 -2.3 本文中水箱液位数学模型的建立 .- 13 -2.3.1 系统介绍 .- 14 -2.3.2 建立步骤 .- 14 -2.3.3 实验数据 .- 15 -3 硬件设计 .- 16 -3.1 变频器 .- 16 -3.1.1 主回路 .- 17 -3.1.2 控制回路 .- 18 -3.1.3 变频器的选择 .- 20 -3.1.4 变频器的作用 .- 20 -3.2 压力传感器 .- 21 -3.2.1 工作原理 .- 21 -3.3 电动调节阀 .- 21 -3.3.1 工作原理 .- 21 -4 PID 控制 .- 21 -4.1 比例（P）控制及调节过程 .- 22 -4.2 积分（I）控制及调节过程 .- 22 -4.3 微分（D）控制及调节过程 .- 23 -5 MCGS 组态软件 .- 23 -5.1 MCGS 简介 .- 23 -5.2 MCGS 的构成 .- 24 -5.2.1 MCGS 组态软件的系统构成 .- 24 - 4 -5.2.2 MCGS 组态软件界面简介 .- 25 -5.3 MCGS 组态软件的功能和特点 .- 25 -5.4 MCGS 组态软件的工作方式 .- 26 -5.5 画面的制作和编辑 .- 27 -5.5.1 主页面 .- 27 -5.5.2 模拟水流动 .- 27 -5.5.3 各个控件的制作 .- 29 -5.5.4 水箱中液位变化的动画效果制作 .- 29 -结论 .- 30 -致谢 .- 31 -参考文献 .- 31 -1 绪 论1.1 课题的提出 随着工业生产的飞速发展，人们对控制系统的控制精度、响应速度、系统稳定性与适应能力的要求越来越高。而实际工业生产过程中的被控对象往往具有非线性、时线性、时延对象的先进控制策略，提高系统的控制水平，具有重要的实际意义。每一个先进、实用的控制算法的出现都对工业生产具有巨大的推动作用。然而，当前的学术研究成果与实际生产应用技术水平并不是同步的，甚至相差几十年。在我国，越是高深的、先进的控制理论，其研究越是局限于少数科研院所的狭小范围内，也越是远离了国民生产这个应用基地。最近几年，国内一些控制领域已接近甚或超越了国际水平，然而，就先进理论应用于工业生产等领域的状况来讲，与发达国家相比却存在较大差距。其原因固然是多方面的。 但是， 一个很明显的原因就是在于理论研究尚缺乏实际背景的支持，理论的算法一旦应用于现场就会遇到各种各样的实际问题，制约了其应用前景。在目前尚不具有在实验室中复现真实工业过程条件的今天， 开发经济实用的具有典型对象特性的实验装置无疑是一条探索将理论成果转化为应用技术的捷径。本文所提及的水箱液位控制系统是我们在参考国内外实验装置并充分考虑性能价格比的基础上，自行设计的一种可以模拟多种对象特性的实验装置。该装置是进行控制理论与控制工程教学、实验和研究的理想平台，可以方便的构成多- 5 -阶系统。对象，用户既可通过经典的 PID 控制器设计与调试，完成经典控制教学实验，也可通过模糊逻辑控制器的设计与调试，进行智能控制教学实验与研究。 水箱是较为典型的非线性、时延对象，工业上许多被控对象的整体或局部都可以抽象成水箱的数学模型，具有很强的代表性，有较强的工业背景，对水箱数学模型的建立是非常有意义的。同时，水箱的数学建模以及控制策略的研究对工业生产中液位控制系统的研究有指导意义，例如工业锅炉、结晶器液位控制。而且，水箱的控制可以作为研究更为复杂的非线性系统的基础，又具有较强的理论性，属于应用基础研究。同时，它具有较强的综合性，涉及控制原理、智能控制、流体力学等多个学科。1.2 国内外研究现状 随着人们生活质量的提高和环境的变化， “水”已经成为人们关注的对象！不管是生活用水，是工业用水，这都牵扯水的过程控制问题。将 PID 算法运用到水位控制系统中，不仅可以解决水塔的自动化给水问而且还可以合理、安全、节约的使用水资源，近而使居民安居乐业，使我国工业自动化不断的向前发展！1.2.1 国外研究现状德国 Amira 自动化公司研制的水箱系统是著名的智能实验设备之一， 在国外很多大学和实验室都已得到了广泛的应用，国内也有包括清华大学、浙江大学、吉林大学等高校引进了 Amira 公司研制的水箱过程控制实验装置。但是，由于德国 Amira 自动化公司研制的水箱系统价格太高，给购置这个实验设备带来很多困难。也正是受其高价格的限制，目前，国内只是少数高校的部分实验室引进了这个设备，给基于水箱系统的算法研究和仿真带来了困难。液位控制系统一般指工业生产过程中自动控制系统的被控变量为液位的系统。在生产过程中，对液位的相关参数进行控制，使其保持为一定值或按一定规律变化，以保证质量和生产安全，使生产自动进行下去。液位过程参数的变化不但受到过程内部条件的影响，也受外界条件的影响，而且影响生产过程的参数一般不止一个，在过程中的作用也不同，这就增加了对过程参数进行控制的复杂性，或者控制起来相当困难，因此形成了过程控制的下列特点：(1)对象存在滞后热工生产大多是在庞大的生产设备内进行，对象的储存能力大，惯性也较大，- 6 -设备内介质的流动或热量传递都存在一定的阻力，并且往往具有自动转向平衡的趋势。因此，当流入(流出)对象的质量或能量发生变化时，由于存在容量、惯性、阻力，被控参数不可能立即产生响应，这种现象叫做滞后。(2)对象特性的非线性对象特性大多是随负荷变化而变化，当负荷改变时，动态特性有明显的不同。大多数生产过程都具有非线性，弄清非线性产生的原因及非线性的实质是极为重要的。(3)控制系统较复杂从生产安全方面考虑，生产设备的设计制造都力求生产过程进行平稳，参数变化不超出极限范围，也不会产生振荡，作为被控对象就具有非振荡环节的特性。过程的稳定被破坏后，往往具有自动趋向平衡的能力，即被控量发生变化时，对象本身能使被控量逐渐稳定下来，这就具有惯性环节的特性。也有不能趋向平衡，被控量一直变化而不能稳定下来的，这就是具有积分的对象。任何生产过程被控制的参数都不是一个，这些参数又各具有不同的特性，因此要针对这些不同的特性设计相应不同的控制系统。1.2.2 国内研究现状国内也有一些厂家研制了水箱液位系统。GWT 系列水箱液位控制实验装置由固高科技有限公司协同香港城市大学联合研制开发而成， 并经过香港城市大学双年的实践检验，充分证明了其教学、实验和研究价值。用户既可通过经典的PID 控制器设计与调试，完成经典控制教学实验，也可通过模糊逻辑控制器的设计与调试，进行智能控制教学实验与研究。各种控制器的控制效果既通过水位的变化直观地反映出来，同时通过液位传感器对水位的精确检测，方便地获得瞬态响应指标，准确评估控制性能。 开放的控制器平台， 便于用户进行自己的控制器设计， 满足创新研究的需要。THJS-1 型水箱对象系统实验装置由浙江天煌科技实业有限公司研制开发，它的出现为各大专院校，科研院所从事自动控制理论学习、研究及控制模型和算法探索的教师，科研人员及高年级本科生和研究生提供了一个具体的控制对象。液位控制系统在国内各行各业的应用已经十分广泛，但从国内生产的液位控- 7 -制器来讲，同国外的日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有差距。目前，我国液位控制主要以常规的 PID 控制器为主，它只能适应一般系统控制，难于控制滞后、复杂、时变温度系统控制。而适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。由于工业过程控制的需要，特别是在微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外液位控制系统发展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果，在这方面，以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的液位控制器及仪器仪表，并在各行业广泛应用。1.3 过程控制的发展过程过程控制是工业自动化的重要分支。几十年来，工业过程控制取得了惊人的发展，无论是在大规模的结构复杂的工业生产过程中，还是在传统工业过程改造中，过程控制技术对于提高产品质量以及节省能源等均起着十分重要的作用。1.3.1 过程控制的发展在现代工业控制中, 过程控制技术是一历史较为久远的分支。在本世纪 30 年代就已有应用。过程控制技术发展至今天, 在控制方式上经历了从人工控制到自动控制两个发展时期。在自动控制时期内，过程控制系统又经历了三个发展阶段, 它们是：分散控制阶段, 集中控制阶段和集散控制阶段。从过程控制采用的理论与技术手段来看，可以粗略地把它划为三个阶段：开始到 70 年代为第一阶段，70 年代至 90 年代初为第二阶段，90 年代初为第三阶段开始。其中 70 年代既是古典控制应用发展的鼎盛时期，又是现代控制应用发展的初期，90 年代初既是现代控制应用发展的繁荣时期，又是高级控制发展的初期。第一阶段是初级阶段，包括人工控制，以古典控制理论为主要基础，采用常规气动、液动和电动仪表，对生产过程中的温度、流量、压力和液位进行控制，在诸多控制系统中，以单回路结构、PID 策略为主，同时针对不同的对象与要求，创造了一些专门的控制系统，如：使物料按比例配制的比值控制，克服大- 8 -滞后的 Smith 预估器，克服干扰的前馈控制和串级控制等等，这阶段的主要任务是稳定系统，实现定值控制。这与当时生产水平是相适应的。第二阶段是发展阶段，以现代控制理论为主要基础，以微型计算机和高档仪表为工具，对较复杂的工业过程进行控制。这阶段的建模理论、在线辨识和实时控制已突破前期的形式，继而涌现了大量的先进控制系统和高级控制策略，如克服对象特性时变和环境干扰等不确定影响的自适应控制，消除因模型失配而产生不良影响的预测控制等。这阶段的主要任务是克服干扰和模型变化，满足复杂的工艺要求，提高控制质量。1975 年，世界上第一台分散控制系统在美国Honeywell 公司问世，从而揭开了过程控制崭新的一页。分散控制系统也叫集散控制系统，它综合了计算机技术、控制技术、通信技术和显示技术，采用多层分级的结构形式,按总体分散、管理集中的原则，完成对工业过程的操作、监视、控制。由于采用了分散的结构和冗余等技术，使系统的可靠性极高，再加上硬件方面的开放式框架和软件方面的模块化形式，使得它组态、扩展极为方便，还有众多的控制算法(几十至上百种) 、较好的人机界面和故障检测报告功能。经过 20 多年的发展，它已日臻完善，在众多的控制系统中，显示出出类拔萃的风范，因此，可以毫不夸张地说，分散控制系统是过程控制发展史上的一个里程碑。第三阶段是高级阶段，目前正在来到。1.3.2 过程控制策略与算法的进展 几十年来，过程控制策略与算法出现了三种类型：简单控制、复杂控制与先进控制。通常将单回路 PID 控制称为简单控制。它一直是过程控制的主要手段。PID 控制以经典控制理论为基础，主要用频域方法对控制系统进行分析与综合。目前，PID 控制仍然得到广泛应用。在许多 DCS 和 PLC 系统中，均没有 PID 控制算法软件，或 PID 控制模块。从 20 世纪 50 年代开始，过程控制界逐渐发展了串级控制、比值控制、前馈控制、均匀控制和 Smith 预估控制等控制策略与算法，称之为复杂控制。它们在很大程度上，满足了复杂过程工业的一些特殊控制要求。它们仍然以经典控制理论为基础，但是在结构与应用上各有特色，而且在目前仍在继续改进与发展。- 9 -20 世纪 70 年代中后期，出现了以 DCS 和 PLC 为代表的新型计算机控制装置，为过程控制提供了强有力的硬件与软件平台。从 20 世纪 80 年代开始，在现代控制理论和人工智能发展的理论基础上，针对工业过程控制本身的非线性、时变性、耦合性和不确定性等特性，提出了许多行之有效的解决方法，如解耦控制、推断控制、预测控制、模糊控制、自适应控制、人工神经网络控制等，常统称为先进过程控制。近十年来，以专家系统、模糊逻辑、神经网络、遗传算法为主要方法的基于知识的智能处理方法已经成为过程控制的一种重要技术。先进过程控制方法可以有效地解决那些采用常规控制效果差，甚至无法控制的复杂工业过程的控制问题。实践证明，先进过程控制方法能取得更高的控制品质和更大的经济效益，具有广阔的发展前景。1.3.3 传统过程控制存在的问题(1) 随着人们物质生活水平的提高以及市场竞争的日益激烈，产品的质量和功能也向更高的档次发展，制造产品的工艺过程变得越来越复杂，为满足优质、高产、低消耗，以及安全生产、保护环境等要求，过程控制的任务也愈来愈繁重。这样的生产过程一般具有大惯性、大滞后、时变性、关联性、不确定性和非线性的特点。这里的关联性不仅包含过程对象中各物理参量之间的耦合交错，而且包括被控量、操作量和干扰量之间的联系；不确定性不单指结构上的不确定性，而且还指参数的不确定性；非线性既有非本质的非线性，也有本质非线性。由于工业过程的这种复杂性，决定了控制的艰难性。(2) 传统过程控制方式绝大多数是基于对象模型的，即按建模 2 控制 2 优化进行的，建模的精确程度决定着控制质量的高低。尽管目前建模的理论和方法有长足的进步，但仍有许多过程或对象的机理不清楚，动态特性难以掌握，如一些反应过程、冶炼过程、生化过程，甚至有些过程或对象难以用数学语言描述。这样，我们不得不对过程模型进行简化或近似，将一个理论上极为先进的控制策略应用在这样的模型上，控制效果大打折扣是很自然的。如自适应控制，对缓慢的变化过程比较有效，但对变化剧烈的过程(如幅度大,非线性强) 却力不从心了。因此，用传统的控制手段进一步提高过程控制的质量遇到了极大的困难，传统控制方法面临着严重的挑战。- 10 -1.4 PID 控制的发展现状及意义目前，工业自动化水平已经成为衡量各行业现代化水平的一个重要标准。同时控制理论的发