蓄水池液位控制系统课程设计

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南华大学蓄水池液位控制系统课程设计（完整版）实用资料(可以直接使用，可编辑完整版实用资料，欢迎下载）过程控制仪表课程设计设计题目PLC控制的蓄水池液位系统学生姓名吴港南专业班级自动化1002班学号20214460212指导老师刘冲目录1.设计的目的和意义······································21.1设计目的·············································31.2设计意义·············································32.控制系统工艺流程及控制要求···························42.1基本任务············································42.2基求控制要求··········································42.3给定条件··············································42.4主要性能指标··········································42.5工艺流程图············································53.总体设计方案········································63.1控制方法选择········································73.1.1控制方法选择········································73.1.2系统组成············································73.2系统组成············································84.软硬件设计··········································84.1建模过程············································84.2硬件开发及系统配置··································104.2.1PLC系统—CPU、模/数转换模块、数/模转换模块··········104.2.1回路表·············································104.2.2PID指令············································114.2.3程序流程图·········································124.2.4程序···············································145.课程设计实验·······································186.遇到的问题及解决方法·······························187.收获和体会·········································19参考文献·············································19·第1章设计的目的及意义1.1设计目的对蓄水池液位/压力控制系统。这是一个单回路反馈控制系统,控制的任务是使水箱的液位/压力等于给定值,减小或消除来自系统内部或外部扰动的影响。用液位/压力参数为被控对象。交流电动机带动齿轮泵通过阀1向上水箱供水,调节阀2使之同时向外排水,令入水的速度大于出水的速度,达到被控参数(液位/压力的动态调整。1.2设计意义在人们生活以及工业生产等诸多领域经常涉及到液位和流量的控制问题,例如居民生活用水的供应,饮料、食品加工,溶液过滤,化工生产等多种行业的生产加工过程,通常需要使用蓄液池,蓄液池中的液位需要维持合适的高度,既不能太满溢出造成浪费,也不能过少而无法满足需求。因此液面高度是工业控制过程中一个重要的参数，特别是在动态的状态下，采用适合的方法对液位进行检测、控制，能收到很好的效果。可编程控制器（PLC）是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的，主要用来代替继电器实现逻辑控制。PID控制（比例、积分和微分控制）是目前采用最多的控制方法。本文主要是对一水箱液位控制系统的设计过程，涉及到液位的动态控制、控制系统的建模、PLC控制、PID算法、传感器和调节阀等一系列的知识。作为单容水箱液位的控制系统，其模型为一阶惯性函数，控制方式采用了PID算法，控制核心为S7-200系列的CPU222以及A/D、D/A转换模块，传感器为扩散硅式压力传感器，调节阀为电动调节阀。选用以上的器件设备、控制方案和算法等，是为了能最大限度地满足系统对诸如控制精度、调节时间和超调量等控制品质的要求。液面高度是工业控制过程中一个重要的参数，特别是在动态的状态下，采用适合的方法对液位进行检测、控制，能收到很好的效果。液位控制是工业生产中典型的过程控制问题，对液位准确的测量和有效的控制是一些设备优质、高产、低耗和安全生产的重要指标。由于它便于直接观察、容易测量、获取方便、过程时间常数一般比较小、价格低廉等特点，所以被广泛应用于工业测量。在工业过程控制系统中，目前采用最多的控制方式依然是PID控制。即使在美国、日本等工业发达国家，PID控制的使用率仍达90%，可见PID控制在工业过程控制中占有异常重要的地位。PID控制技术经历了数十年的发展，从模拟PID控制发展到数字PID控制，技术不断完善与成熟。尤其近十多年来，随着微处理技术的发展，国内外对智能控制的理论研究和应用研究十分活跃，智能控制技术发展迅速，如专家控制、自适应控制、模糊控制等，现己成为工业过程控制的重要组成部分。由于液体本身的属性及控制机构的摩擦、噪声等的影响，控制对具有一定的纯滞后和容量滞后的特点，液位上升的过程缓慢，呈非线性。因此液位控制装置的可靠性与控制方案的准确性是影响整个系统性能的关键。本课题针对液位控制设计了一个由压力传感器、PLC、电动调节阀等组成的系统，并采用了增量式PID算法对其控制。第2章蓄水池系统工艺流程及控制要求2.1基本任务对蓄水池箱液位/压力控制系统。这是一个单回路反馈控制系统,控制的任务是使蓄水池的液位/压力等于给定值,减小或消除来自系统内部或外部扰动的影响。用液位/压力参数为被控对象。交流电动机带动齿轮泵通过阀1向上水箱供水,调节阀2使之同时向外排水,令入水的速度大于出水的速度,达到被控参数(液位/压力的动态调整。2.2基本控制要求对蓄水池，用西门子S7-200为控制核心，辅助以单片机系统配套的A/D、D/A转换单元及电路,通过执行数字PID程序实现参数的自动调整(设定值在单片机键盘上完成,使水箱的实际液位/压力值与设定值接近,最终稳定于设定值。组成单闭环水位调节系统，,要求水位可以在一定范围内由人工设定，且各种测量、控制参数可在人机界面上显示、设定。2.3给定条件控制对象：蓄水池为核心的水循环系统✧检测元件：压力式液位传感器✧执行元件：电动调节阀2.4主要性能指标✧液位控制范围：0-3m✧最小区分度：1cm✧控制精度：液位控制的静态误差≤1cm2.5工艺流程图图2-1单容液位蓄水池示意图上图是对蓄水池液位/压力控制系统。这是一个单回路反馈控制系统,控制的任务是使水箱的液位/压力等于给定值,减小或消除来自系统内部或外部扰动的影响。用液位/压力参数为被控对象。交流电动机带动齿轮泵通过阀Q1向上水箱供水,调节阀Q2使之同时向外排水,令入水的速度大于出水的速度,达到被控参数(液位/压力的动态调整。其具体的建模过程为：被控过程的数学模型就是液位高度h与流入量Q1之间的数学表达式。根据动态物料平衡关系，有：12dhQQAdt-=（1）写成增量形式：12dhQQAdt∆∆-∆=（2）式中，1Q∆、2Q∆和h∆分别为偏离某平衡状态10Q、20Q和0h的增量，A为水箱6的横截面积。静态时应有12QQ=，0dhdt=。1Q发生变化，液位h也随之变化，使水箱出口处静压力发生变化，因此2Q也发生变化，与h的近似线性关系为：22hQR∆∆=（3）式中，R2为阀门2的阻力系数，称为液阻。将（2）（3）两式整理得：221dhRAhRQdt∆+∆=∆（5）经拉氏变换，得单容液位过程传递函数为：120(((11KRHsWsQsRCsTs===++（6）式中，0K为过程放大系数，02KR=；0T为过程的时间常数，02TRC=；C为过程容量，CA=。式（6）为一阶传递函数，可知单容水箱液位控制系统为一阶惯性系统。确定其放大系数和过程的时间常数便可以完整的把模型建好，以下便讨论模型参数的确定过程。第3章总体设计方案3.1总体方案的选择7蓄水池的液位控制系统是一阶惯性系统，原因是此系统的数学模型为：000(((1KHSWSQSTS==+，此模型为一阶传递函数。3.1.1控制方法选择蓄水池液位控制系统可归属于一阶惯性环节，一般来说，对一阶惯性环节的过渡过程控制，可采用以下几种控制方案：（1）输出开关量控制;（2）比例控制（P控制）;（3）比例积分控制（PI控制）;（4）比例积分加微分控制（PID控制）。PID控制适用与负荷变化大、容量滞后较大、控制品质要求又较高的控制系统。另外，PID算法有两种常见的实现形式：位置型PID算法和增量型PID算法，结合本系统设计任务与要求，以及以上对几种控制方法的分析来看，增量式PID控制方法最适合本系统采用。3.1.2系统组成以现代控制理论和PLC为基础，采用数字控制、显示、A/D与D/A转换，配合执行器与控制阀构成的PLC控制系统，在过程控制中得到越来越广泛的应用。由于本例是一个典型的检测、控制型应用系统，因此，应以PLC为核心组成一个专用PLC应用系统，以满足检测、控制应用类型的功能要求。3.2确定系统功能、性能指标本例以实现设计任务基本要求为重点，力求在满足主要性能指标的基础上实现系统的最佳性能/价格比，对于系统要求的扩展功能将在最后讨论。根据设计任务基本要求，本系统应具有以下几种基本功能：✧可以进行水位设定，并自动调节水位到给定水位值；✧可以调整PID控制参数，以满足不同控制对象与控制品质的要求；✧可以实时显示给定值与水位实测值。系统主要性能指标如下：✧液位控制范围：0-3m✧最小区分度：1cm✧控制精度：液位控制的静态误差≤1cm8第四章软硬件设计4.1建模过程系统示意图如图2-1所示：经拉氏变换，得单容液位过程传递函数为：120(((11KRHsWsQsRCsTs===++（6）式中，0K为过程放大系数，02KR=；0T为过程的时间常数，02TRC=；C为过程容量，CA=。式（6）为一阶传递函数，可知单容水箱液位控制系统为一阶惯性系统。确定其放大系数和过程的时间常数便可以完整的把模型建好，以下便讨论模型参数的确定过程。在此实验中，由于出水阀开度保持不变，出水速度只与液位高度有关。因出水管的流量为=Svqv，根据实验所测得的多组数据，可以计算出出水管的液阻，见表4-1。多次求平均可得液阻值为6370.207。另外，水箱底部截面积的实验测量值为0.06605m2，由此可求得过程放大系数K0=6370.207，过程的时间常数T0=420.7648。所以系统无时延模型为：0006370(14201KWsTss==++（7）4.1.1系统功能划分、指标分配和框图构成根据系统总体方案，系统由四个主要功能模块组成，其总体框图如图4-1所示：9图4-1水位控制系统总体流程图4.2硬件开发——系统配置4.2.1PLC系统——CPU、模/数转换模块、数/模转换模块PLC系统以西门子S7-200系列CPU222为系统的核心，外扩EM231作为A/D转换模块和EM232作为D/A转换模块，如图4-2所示。图4-2PLC原理示意图10图4-3电动调节阀的组成框图4.2.2回路表PID指令根据表（TBL）内的输入输出配置信息对引用回路（LOOP）执行PID运算。PID指令有两个操作数，表示循环表起始地址及回路号LOOP，回路号是0-7的常量。程序内可使用8条PID指令。如果两个或多个PID指令使用相同的回路号（即使它们的表地址不同），PID运算将相互干扰，结果难以预料。循环表存储9个参数，用于控制及监控循环操作，包括过程变量、设定值、输出值、增益、采样时间、积分时间、微分时间、积分前项以及过程变量前项值。在PID指令块内输入的表（TBL）起始位置开始为回路表分配36个字节的空间，见表1。表1PID的回路表114.2.3PID指令PID指令的表示：其梯形图和语句表示如图5-3所示。✧PID指令的操作：PID指令必须用在定时发生的中断程序中，当PID指令被允许时，PID指令根据回路表中的数据进行PID（比例、积分、微分）运算，并得到输出控制量。图5-3PID指令✧数值范围回路表TBL：VB回路号LOOP：常数（0～7）PID调节器的个参数为：比例度δ=0.102积分时间TI=6min微分时间TD=1.5min采样时间TS=1s再由1100%PKδ=⋅得增益1PKδ==0.98表4-2ϕ=0.75时有自衡能力过程的整定公式124.2.4程序流程图有了前面所讲述的S7-200CPU提供的PID操作指令、PID编程步骤、电动调节阀参数的整定过程，再结合水箱液位控制系统本身的特点，可以从整体上来构思和规划出本系统的程序流程图，它应包括主程序、初始化子程序、定时中断程序三部分：✧主程序OB1主程序的功能是PLC首次运行时利用SM0.1调用初始化程序SBR0。✧子程序SBR0子程序SBR0的功能是形成PID的回路表，建立100ms的定时中断，并开中断。其流程图如下：图4-4子程序SBR013✧定时中断程序INT0定时中断程序INT0的功能是输入水箱的水面高度AIW0的值，并送入回路表。其流程图如下：图4-5定时中断程序INT04.2.5程序✧主程序OB1：✧初始化子程序SBRO：14定时中断程序INTO：（a）模拟量输入15（b）PID指令（c）模拟量输出系统运行时，调节阀控制方式有两种，一是手动控制，一是自动控制，两种运行方式之间的切换由一个输入的开关量控制，具体描述如下：I0.0位控制手动到自动方式的切换，0代表手动，1代表自动。本系统的程序仅有自动控制方式的设计，I0.0=1时进行PID“自动”控制，把PID运算的输出值送到AQW0中，从而控制调节阀的开度，以使水箱的液位达到设定的水位高度。4.2.6仿真按照上述原则，在Simulink中搭建如图4-4所示的双闭环常规PID液位控制系统的仿真图形，双闭环的被控对象就是上面所建立的模型。在内环加一个饱和特性，因为内环是由调节阀输出到上水箱的，由于调节阀的最大开度是100，在实验时当阀门达到100以后，即使前面在有大的输入，阀门的开度仍然限制在100，因此在做仿真实验时也要对其进行限制，以做到尽可能的做到符合实际情况。所以加了一个饱和特性，上限是100，下限是O。图4-6matlab仿真通过不断的对参数的调试，选择得到如下的合理参数：KP=0.45，KI=0.0029，KD=3；内环比例系数K=5。运行后，得到响应曲线如图4-5所示。由图可知，超调约为5.42%，在2%误差带的调节时间约为455s，稳态误差约为0.21cm。图4-7PID调整稳定图第五章.课程设计实验连机调试就是在样机中全速运行系统软件，观察系统运行情况，并根据运行结果修改控制参数，或对软、硬件方案件进行必要的修改，重复调试过程，直到系统能满足各项性能指标要求为止。控制系统设计完成后，最主要的任务就是调试，调试工作分为两大阶段，一是实验室调试阶段，二是现场调试阶段：一、实验室调试：应分为硬件调试和软件调试两部分，首先是硬件调试，根据设计逻辑图搭建好系统后，便进入硬件调试阶段。其次是软件调试，即为调节器的参数整定。经过硬件、软件的单独调试后，即可进入硬件、软件联合调试阶段，找出硬件、软件之间不相匹配的地方，反复修改和调试。二、现场调试：实验室调试工作完成以后，即可组装成系统，在现场投运行和进一步调试，并根据运行及调试中的问题反复进行修改。值得说明的是，软件、硬件的调试是一个综合性的系统工程，必须反复进行才能完成。本例中最主要的连机调试过程是进行PID参数整定。不同的控制对象和控制环境需要不同的PID参数，即使是同一个控制对象和控制环境，对控制品质的不同要求也需要对PID参数重新进行整定。根据生产过程的实际情况，首先将检测传感器投入运行，观察其测量显示的参数是否正确；其次利用调节阀手动遥控，待被控参数在给定值附近稳定下来后，再从手动切换到自动控制。在调节器从手动切换到自动运行前必须做好细致的检查工作，检查调节器的PID参数是否配置好等。检查完毕后，当测量值与给定值的偏差为零时，将调节器由手动切换到自动，于是实现了系统的投运。系统投入自动运行后，观察系统的控制质量指标是否达到设计要求，否则，在对调节器的PID参数适当的微调，以期达到较好的控制质量的设计。第6章调试或仿真过程中遇到具体问题和解决的办法在调试仿真中，我们发现，当工业对象存在时变性、非线性和不确定性时，PID控制往往不能保证良好的控制品质，对于大惯性、大时滞的对象，其效果也不能令人满意，原因在于常规PID控制器的参数是经离线整定后相对固定，不能根据对象特性变化和动态过程修改控制参数。在实际工业控制过程中，由于对象的特性变化或者具有动态特性，需要采取更加灵活有效的控制方式，因此我们决定采用增量式PID。第7章收获和体会。通过这段时间不懈的努力，我们终于完成了课程设计---蓄水池的液位控制系统设计。在这段时间中，我们不仅对之前学到的专业知识加强了巩固，更重要的是我学到了更多新的知识，掌握了设计一个系统的步骤、方法、设计思想。在这次设计初，我们进入了资料搜寻阶段，不仅经常到图书馆查找资料，而且在网上也搜到很多有用的资料，了解了蓄水池的液位控制系统发展的状况以及研究现状，从中得到了许多对设计有用的东西，并最终确定一套设计方案。在设计中我们尽量做到完善，但始终还存在很多不能令人满意的地方，这些地方也暴露了我们以前学习过程中的不足之处。我们一定在以后的学习中逐渐改善！参考文献[1]何小艇著.电子系统设计.浙江：浙江大学出版社，2000[2]殷洪义主编.可编程序控制器选择、设计与维护.北京：机械工业出版社，2002[3]钟肇新范建东编著.可编程控制器原理及应用.广州：华南理工大学出版社，2004[4]胡学林主编.可编程控制器教程.北京：电子工业出版社，2003[5]SIEMENSSIMATICS7-200可编程序控制器系统手册，订号E2001-K028-V3-5DOO.2001[6]刘笃仁韩保君编著.传感器原理及应用技术.西安：西安电子科技大学出版社，2003[7]李进军石成英主编.扩散硅压力传感器应力计算建模.北京：传感器世2004[8]曲波吕建平编著.工业常用传感器选型指南.北京：清华大学出版社，2001[9]王云章编著.电阻应变十传感器应用技术.北京：中国计量出版社，1994[10]秦永烈编.物位测量仪表.北京：机械工业出版社，1978[11]孙以材刘玉玲孟庆浩编著.压力传感器的设计.北京：冶金工业出版社，2000S-200实物图21扩散硅压力传感器1151DP电动单座调节阀-ZRSP22课内实践题目蒸汽发生器液位控制系统学院自动化学院专业班级姓名指导教师李向舜年月日课内实践任务书学生姓名:专业班级:指导教师:李向舜工作单位:自动化学院题目:蒸汽发生器液位控制系统初始条件:1.先修课程:“调节仪表与过程控制系统”、“计算机控制技术”、“传感与检测技术”、“自动控制理论”等。2.熟练使用MATLAB软件、Protel软件等。3.主要涉及的知识点:控制系统分析与设计、过程对象建模、仿真等。4.课程设计参考资料:“过程控制系统及仪表”、“计算机过程控制系统”、“PID控制原理及应用”、“MATLAB应用宝典”。要求完成的主要任务:(包括课内实践工作量及其技术要求,以及说明书撰写等具体要求1.课内实践时间:8学时。2.课内实践内容:根据指导老师给定的题目,按规定选择其中一套完成;至少应包括:1过程数学模型(2学时能够对生产某一过程进行特性分析和建模。2执行器、检测仪表(2学时根据生产需要对用到的调节阀和检测仪表进行选型。3控制系统设计(2学时根据工艺需求,完成整个控制系统结构设计,原理分析。4控制器参数整定(2学时根据和工艺需求和控制方案设计控制器,并对控制器参数整定,应用MATLAB完成仿真验证,完成实践报告。3.本课内实践统一技术要求:研读辅导资料对应章节,对选定的设计题目进行理论分析,针对具体设计部分的原理分析、建模、必要的推导和可行性分析,画出系统设计框图,具体设计控制系统软硬件组成,记录实验结果(仿真结果,并对实验结果进行分析和总结。具体设计要求包括:①复习过程控制系统设计的相关技术与方法;②针对被控对象的工艺特点,设计工业流程框图。③根据工艺特点,分析并设计控制系统原理。④分析并设计系统各个组成部分的结构原理以及组成,并对结果进行验证或仿真。2.课内实践说明书按学校“课内实践工作规范”中的“统一书写格式”撰写,具体包括:①目录;②该过程对象的工艺特点与需求分析;③结合该过程对象特点及系统功能要求完成系统控制方案的选择。④设计整个控制系统原理框图,并对各个组成部分进行选型、设计、分析;⑤重点设计出系统的控制器,并对系统的控制参数进行整定;⑥给出系统示意框图、工艺流程图、仿真运行结果和图表、以及对结果分析和总结;⑦课程设计的心得体会(至少500字;⑧参考文献;⑨其它必要内容等。指导教师签名:年月日蒸汽发生器俗称锅炉,是发电炼油与化工等工业部门利用燃料或其他能源的热能把水加热成为热水或蒸汽的重要能源与热源机械动力设备。蒸汽发生器按照燃料分类可分为电蒸汽发生器、燃油蒸汽发生器、燃气蒸汽发生器等;按照出口压力可分为低压蒸汽发生器、中压蒸汽发生器、高压蒸汽发生器、超高压蒸汽发生器、亚临界压力蒸汽发生器、超临界压力蒸汽发生器等。不同的蒸汽发生器蒸气发生系统和处理系统工作原理基本相同。蒸汽发生器是一个较为复杂的控制过程,为保证提供合格的蒸气适应负荷需要以及安全运行,工艺参数必须严格控制。被控参数有水位,蒸气压力,蒸气温度,炉膛负压和燃-空配比等;被控变量有给水量,燃料量和送风量等。这些被控参数与控制变量间相互影响。工业上将蒸汽发生器控制主要分为液位控制系统,过热蒸气温度控制系统和燃烧控制系统。本次课内实践对蒸汽发生器液位控制系统进行研究,并利用matlab对液位控制系统进行仿真验证。关键词:蒸汽发生器;液位控制系统;仿真1.需求分析..................................................................12.被控参数和控制变量的选择..................................................33.被控过程的数学模型........................................................43.1蒸气流量对水位的影响.................................................43.2给水流量对水位的影响.................................................54.方案设计与选择............................................................64.1单冲量水位控制系统...................................................64.2双冲量水位控制系统...................................................64.3方案选择.............................................................75.变送器的选择..............................................................85.1蒸气流量变送器的选择.................................................85.2液位变送器的选择.....................................................86.调节器的选择..............................................................97.执行器的选择.............................................................108.控制系统示意图...........................................................119.仿真程序设计与仿真结果...................................................129.1仿真程序设计........................................................129.2仿真结果............................................................1510.调节器参数整定..........................................................17结论.......................................................................21心得体会...................................................................22参考文献...................................................................23附录.......................................................................24附录A包含前馈控制器的仿真程序图.......................................24附录B不含前馈控制器的仿真程序图.......................................25附录C仿真程序代码.....................................................26本科生课内实践成绩评定表...................................................27蒸汽发生器液位控制系统1.需求分析液位控制的任务是使给水量与蒸汽发生器蒸发量相适应,维持液位在工艺规定的范围内。蒸汽发生器液位体现了蒸气流量与给水量的平衡关系,是一个重要监控参数。液位过高,会使蒸气带液,过热器结垢,影响过热器效率;同时带液蒸气进入汽轮机,会损害汽轮机叶片。水位过低,会破坏水循环而损坏蒸汽发生器。对于大型蒸汽发生器,若停止给水,令存水短时间内完全气化会引起重大事故,甚至爆炸。因此,必须将蒸汽发生器液位控制在工艺允许范围内。蒸汽发生器工艺流程图如图1.1所示。图1.1蒸汽发生器工艺流程图2.被控参数和控制变量的选择蒸汽发生器液位控制系统可直接选择液位作为被控参数。影响液位变化的因素有给水量变化,蒸气流量变化,燃料量变化,蒸汽发生器压力变化等。蒸汽发生器压力变化并不直接影响水位,而是通过压力升高时的“自凝结”和压力下降是的“自蒸发”过程影响水位。压力变化通常是由蒸气流量变化引起的,因此可将压力变化归入蒸气流量变化因素。蒸气流量是应用户需要改变的不可控因素,因此蒸气流量不能作为液位的控制变量。燃料量变化要经过燃烧系统变成热量后,才被水吸收,然后影响汽化量以改变液位。该过程传输滞后和容量滞后都很大,燃烧过程又有专门的调节系统,因此燃料量不能作为液位控制系统的控制变量。综上所述,可作为蒸汽发生器液位控制变量的因素只有给水量。3.被控过程的数学模型3.1蒸气流量对水位的影响在其他条件不变的情况下,蒸气流量突然增加,会使蒸汽发生器物料平衡发生变化,瞬间流出量大于流入量,存水量减少。存水量瞬时减少必然使液位下降。图3.1蒸气流量阶跃干扰下蒸汽发生器水位响应曲线图3.1中的ΔH1(t表示将蒸汽发生器当作非自衡单容对象看待时,汽包水位对蒸气流量的阶跃响应曲线。但当蒸气流量突然增加,将导致压力瞬间下降,在蒸发管内的水沸腾突然加剧,水中气泡数量迅速增加,气泡体积增大,使液位升高。上述现象称为“虚假水位”现象。该现象对应曲线如图3.1ΔH2(t所示。蒸气流量增加ΔD时,水位变化实际阶跃曲线如图3.1中ΔH(t所示。由曲线分析得,实际水位变化ΔH(t为ΔH1(t与ΔH2(t的叠加。即ΔH(t=ΔH1(t+ΔH2(t。用传递函数表示为式中,fε为蒸气流量作用下,阶跃响应曲线稳定时的斜率;K2,T2分别为只考虑水面下气泡体积变化所引起的液位变化ΔH2(t的放大倍数与时间常数。(((1HHH2221++-=+=sTKssDssDssDsfε3.2给水流量对水位的影响图3.2给水流量阶跃干扰下蒸汽发生器水位响应曲线在给水流量增大时,水位阶跃响应曲线如图3.2中ΔH(t所示。若将液位对给水的响应看作无自衡单容过程,水位的阶跃响应曲线如图3.2中ΔH1(t所示。由于给水温度比发生器内饱和水的温度低,给水会从饱和水中吸收一部分热量,故当给水量增大后,水中气泡总体积减小,导致水位下降。以上过程的阶跃响应曲线如图3.2中ΔH2(t所示。实际水位变化ΔH(t是ΔH1(t与ΔH2(t的叠加,即ΔH(t=ΔH1(t+ΔH2(t。用传递函数可表示为式中,0ε为给水流量作用下,阶跃响应曲线稳定时的斜率;K1,T1分别为只考虑水面下气泡体积变化所引起的液位变化ΔH2(t的放大倍数与时间常数。(((1HHGH11021++=+=sTKssGssGsssε4.方案设计与选择4.1单冲量水位控制系统以液位为被控参数,给水量作为控制变量构成的单回路液位控制系统,工程上也称单冲量控制系统,系统框图如图4.1所示。图4.1单冲量液位控制系统框图4.2双冲量水位控制系统液位的主要干扰是蒸气流量变化。利用蒸气流量变化信号对给水量进行补偿控制,就可以消除或减小“虚假水位”对液位的影响。该双冲量液位控制系统的框图如图4.2所示。图4.2双冲量液位控制系统框图4.3方案选择单冲量液位控制系统的优点是所用设备少,结构简单,参数整定和使用维护方便。但缺点明显,当蒸气流量突然增加时,由于虚假水位现象,调节器不但不及时开大给水阀来增加给水量,反而去关小调节阀的开度,减小给水量。因此,这样当蒸气量增加,给水量减小使存水量减小。等到虚假水位消失后,水位会严重下降,甚至可能会下降到危险程度,引起事故。双冲量液位控制系统相对单冲量控制系统增加了针对蒸气流量扰动的补偿通道,使调节阀及时按照蒸气流量扰动进行给水量补偿,而其他干扰对水位的影响有反馈控制回路克服。这是一个前馈-反馈复合控制系统。可以消除或减小“虚假水位”现象对液位的影响。经由上述比较,这里选择双冲量液位控制系统作为使用方案。5.1蒸气流量变送器的选择流量一般指单位时间内流过管道某一截面的流体数量,即瞬时流量。把某一段时间内流过管道的流体数量的总和,即瞬时流量在某一段时间内的累计值,称为总量。可利用流量计获得一段时间内通过的物料总体积或总质量。常用的流量检测仪表有差压式流量计,转子流量计,靶式流量计,椭圆齿轮流量计,涡轮流量计,电磁流量计,旋涡式流量计和超声波流量计等。差压流量计使用时有诸多因素制约,因此要查阅相关手册;转子流量计主要适合于小管径,小流量的测量;靶式流量计能测量有悬浮物,沉淀物的流体流量;椭圆齿轮流量计可能因热胀冷缩发生齿轮卡死;涡轮流量计只能在清洁流体中使用;电磁流量计特别适合测量测量含有纤维和固体颗粒的流体;旋涡式流量计要求流体的流速分布均匀;超声波流量计要求流体清洁且测量管前后有足够长的直管段。经由上述比较,最终选择涡轮流量计作为蒸气流量变送器。5.2液位变送器的选择通过物位测量可以获知容器内物质的体积或质量,还可以监视或控制容器内介质物位,使它保持在工艺要求的高度上,使过程正常进行。蒸汽发生器可通过液位变送器检测液位以保证安全。常用物位检测仪表有差压式液位变送器,电容式物位变送器和超声波液位计等。由于蒸汽发生器使用的水含有杂质,可能会损坏直接接触液体的变送器,又因为蒸汽发生器内液体温度变化较大,使用超声波液位计会产生较大误差。综上所述,最后选择法兰式差压变送器作为蒸汽发生器的液位变送器。调节器常用比例积分微分调节装置。比例控制P的优点是控制及时,反应灵敏,偏差越大控制力度越大;缺点是控制结果存在余差。积分控制I的优点是控制结果可以无余差;缺点是控制作用是随着时间积累逐渐增强的,控制动作缓慢,控制不及时。微分控制D的特点是能起到超前控制的作用,即按照偏差变化的速度控制,能在偏差很小时,提前增大控制作用,改善控制品质。比例积分微分控制可以组合使用。比例积分控制PI可以减小P或I单独使用的缺点,提高系统的控制精度。比例微分控制PD可提高系统的控制速度,对惯性大的对象用PD,可以改善控制质量,减小最大偏差,缩短控制时间。比例积分微分控制PID既能快速控制,又能消除余差,具有较好的控制性能。比例积分微分控制PID的传递函数可以表示为微分控制D通常不用于液位控制系统,由于进入水箱的液体的飞溅和湍流,液位测量往往是嘈杂的。故蒸汽发生器液位控制系统的调节器可以选择P或PI。这里选择PI控制,即令上述PID传递函数中的0T=D。(⎪⎪⎭⎫⎝⎛++=sTsTKsUDIC11Es蒸汽发生器液位控制系统的执行器是给水调节阀,因此蒸汽发生器液位控制系统执行器的选择是调节阀的选型。过程控制中使用最多执行器的是自动调节阀。自动调节阀是能够按照输入信号自动改变开度的阀门,它可以分为气动,电动,液动三大类。气动调节阀用压缩空气作为工作能源,能在易燃易爆的环境中工作,广泛应用于化工,炼油等生产过程中;电动调节阀用电源工作,能源取用方便,信号传递迅速,但难以在易燃易爆环境中工作;液动调节阀用液压推动,推力很大,一般生产过程中很少使用。蒸汽发生器由于使用了燃气,故其液位控制系统给水调节应避免使用使用电动调节阀;且给水调节不需要很大的推力,故不必使用液动调节阀。调节阀固有流量特性有直线流量特性,等百分比(对数流量特性和快开特性。由于蒸汽发生器内液位变化应尽量平缓,需要选用具有等百分比(对数流量特性的调节阀。调节阀有气关式与气开式。从工艺生产安全考虑,一旦控制系统发生故障,信号中断时,调节阀开关状态应能保证设备与人员安全。若控制信号中断,阀处于打开位置危害性小,则选择气关式调节阀;反之,若阀处于关闭位置危害性小,则应选择气开式调节阀。蒸汽发生器给水管道当控制信号中断时应开大进水阀,以避免蒸汽发生器烧干,因此选择气关式调节阀。作用于给水调节阀的信号是电压信号,故需要调节阀安装有电/气转换器,电/气阀门定位器。综上所述,蒸汽发生器液位控制系统执行器应选择安装有电/气转换器与电/气阀门定位器的,具有等百分比(对数流量特性的,气关式的气动调节阀。8.控制系统示意图蒸汽发生器双冲量液位控制系统示意图如图8.1所示。图8.1蒸汽发生器双冲量液位控制系统示意图图8.1中加法器的具体运算功能为:式中,u为调节器的输出值;u1为蒸气流量变送器输出的蒸气流量值;c0为初始偏置,c1为加法器的系数;U为加法器的输出值。c1取正号或负号取决于气关式或气开式而定,确定原则是蒸气流量增加,给水量加大,气关式调节阀取负号,气开式取正号。由于执行器选择的是气关式调节阀,故c1取负号。c1值的确定还要考虑到静态补偿,将c1调整到只有蒸气流量扰动时,蒸汽发生器液位基本不变即可。设置c0的目的是为了在正常蒸气流量下,使调节器和加法器的输出比较适中。11Ucucu++=9.仿真程序设计与仿真结果9.1仿真程序设计simulink仿真程序图如图9.1.1所示。图9.1.1simulink仿真程序图图9.1.1中各部分表示:setpoint:系统输入(水位设定值;disturbance:扰动(蒸气流量;Gc(s:调节器(PI的传递函数;Gv(s:执行器(调节阀的传递函数;Go(s:被控过程(给水流量对液位的影响的传递函数;Gb(s:前馈控制器的传递函数;Gd(s:干扰通道(蒸气流量对液位的影响的传递函数;Gm1(s:变送器1(液位变送器的传递函数;Gm2(s:变送器2(蒸气流量变送器的传递函数;c1:加法器的系数;c0:初始偏置;scope:示波器。simulink不含前馈控制器的仿真程序图如图9.1.2所示。图9.1.2simulink不含前馈控制器的仿真程序图调节器Gc(s的仿真程序图如图9.1.3所示。图9.1.3调节器Gc(s的仿真程序图被控过程Go(s的仿真程序图如图9.1.4所示。图9.1.4被控过程Go(s的仿真程序图前馈控制器Gb(s的仿真程序图如图9.1.5所示。图9.1.5前馈控制器Gb(s的仿真程序图其中num1与num2的值如下所示:干扰通道Gd(s的仿真程序图如图9.1.6所示。图9.1.6干扰通道Gd(s的仿真程序图matlab仿真程序代码如下所示:Ef=1.5K2=3T2=1E0=61102221**KTnumKTnumf-=-=εεK1=5T1=1Kc=0.8Ti=1000num1=Ef*T2-K2num2=E0*T1-K1sim('liquid_level_control_system.mdl',809.2仿真结果取c0=0;t=0s时,设定水位(setpoint为15,蒸气流量(disturbance为5;t=20s时,设定水位(setpoint阶跃为25,蒸气流量(disturbance不变;t=40s时,设定水位(setpoint不变,蒸气流量(disturbance阶跃为10。仿真结果分别如图9.2.1与图9.2.2所示:不含前馈控制器的液位控制系统的仿真结果如图9.2.1所示。图9.2.1不含前馈控制器的液位控制系统的仿真结果含有前馈控制器的液位控制系统的仿真结果如图9.2.2所示。图9.2.2包含前馈控制器的液位控制系统的仿真结果10.调节器参数整定调节器参数整定常用的方法有稳定边界法,衰减曲线法,响应曲线法,经验法等。本次课内实践蒸汽发生器液位控制系统调节器为比例积分控制(PI的参数整定选择经验法。对于PI调节器,先置Ti=∞,将比例系数Kc放在较大经验数值上,然后逐步增大Kc,观察被控参数的过渡过程曲线,使过渡过程达到4:1衰减比;然后,将Kc减小10%~20%,将积分时间由大到小逐步增加,直至获得衰减比为4:1过渡过程。PI调节器参数整定过程如下所示:(1保持Ti=1000不变,改变Kc的值:Kc=0.4图10.1Ti=1000,Kc=0.4时的液位变化曲线Kc=0.6图10.2Ti=1000,Kc=0.6时的液位变化曲线Kc=0.8图10.3Ti=1000,Kc=0.8时的液位变化曲线Kc=1图10.4Ti=1000,Kc=1时的液位变化曲线由图10.3得,当Kc=1时,衰减比为4:1。然后将Kc适当减小,选择Kc=0.8。(2保持Kc=0.8不变,改变Ti的值:Ti=1000图10.5Kc=0.8,Ti=1000时的液位变化曲线Ti=100图10.6Kc=0.8,Ti=100时的液位变化曲线Ti=10图10.7Kc=0.8,Ti=10时的液位变化曲线Ti=1图10.8Kc=0.8,Ti=1时的液位变化曲线通过观察图10.5至图10.8可以得出,当Kc=0.8时,选择Ti=1000会使液位变化曲线的衰减比最接近4:1。综上所述,蒸汽发生器液位控制系统的PI调节器参数整定结果取Kc=0.8,Ti=1000。结论相对于单冲量液位控制,双冲量液位控制控制品质有很大提高。双冲量液位控制系统在单冲量液位控制系统基础上,利用蒸气流量变化信号对给水量进行补偿控制,减小甚至消除了“虚假水位”现象对于液位的影响,是一个前馈-反馈复合控制系统。但双冲量液位控制系统存在以下问题:调节阀的工作特性不一定为线性特性,要做到完全静态补偿比较困难;给水压力扰动对于液位的影响不能及时消除。因此,可在双冲量液位控制系统的基础上,将给水流量信号作为副参数,构成三冲量液位控制系统。三冲量液位控制系统的主冲量是液位,副参数是给水流量,前馈补偿的主要扰动是蒸气流量。它是一个前馈-串级复合控制系统。副调节器通过副回路快速消除给水环节的扰动对液位的影响,主调节器通过副调节器对水位进行校正,使水位保持在设定值。心得体会自动化技术在工业,农业,科技以及人们的日常生活中发挥着重要的作用。作为信息科学的重要分支,自动化技术本身及其应用领域得到了迅速的提高和发展。过程控制通常是指连续生产过程的自动控制,是自动化技术最重要的组成部分之一。过程控制的主要任务是对生产过程中的有关参数进行控制,使其保持恒定或按一定规律变化,在保证产品质量和生产安全的前提下,使连续型生产过程自动地进行下去。大型的连续生产过程是一个十分复杂的大系统,存在不确定性,时变性以及非线性因素,控制相当困难。实际的生产过程千变万化,要解决生产过程中各种控制问题必须采用有针对性的特殊方法与途径。例如本次课内实践的内容蒸汽发生器的生产过程控制影响因素有很多,该系统主要分为液位控制系统,过热蒸气温度控制系统和燃烧控制系统。由于控制对象的特殊性,过程控制系统相对于其他控制系统有以下特点:控制对象复杂,控制要求多样;控制方案丰富;控制过程多属于慢过程参数控制;定值控制是过程控制的一种主要控制形式;过程控制系统由规范化的过程检测控制仪表组成。蒸汽发生器液位控制系统被控对象是液位,生产要求液位变化过程应快速且稳定;该液位控制方案可以有单冲量,双冲量,三冲量等;实际生产过程中,蒸汽发生器液位变化可能需要几百秒;液位控制的目的是使液位保持在设定值;该液位控制系统的调节器,执行器与变送器等仪表选型都需要精确分析。经过本次课内实践,学生进一步学习并实际运用了过程控制系统的设计与优化等专业知识,也进一步接触使用了精密的检测仪表,控制仪表与调节阀等装置,达到了理论结合实践的目的。参考文献[1]王再英,刘淮霞,陈毅静.过程控制系统与仪表[M].北京:机械工业出版社,2006:44-329.[2]王孝武,方敏,葛锁良.自动控制理论[M].北京:机械工业出版社,2021:18-227.[3]刘红丽.传感与检测技术[M].北京:国防工业出版社,2021:52-123.[4]于海生.计算机控制技术[M].北京:机械工业出版社,2007:101-143.[5]刘文定,王东林.过程控制系统的MATLAB仿真.[M]北京:机械工业出版社,2021:169-230.[6]黄忠霖.控制系统MATLAB计算机仿真[M].北京.国防工业出版社,2003:85-120.附录附录A包含前馈控制器的仿真程序图附录B不含前馈控制器的仿真程序图武汉理工大学《仪表与过程控制系统》课内实践说明书附录C仿真程序代码matlab仿真程序代码如下所示：Ef=1.5K2=3T2=1E0=6K1=5T1=1Kc=0.8Ti=1000num1=Ef*T2-K2num2=E0*T1-K1sim('liquid_level_control_system.mdl',8026本科生课内实践成绩评定表姓名性别专业、班级课程实践题目：课程实践答辩或质疑记录：成绩评定依据：序号123456评定项目选题合理、目的明确（10分）设计方案正确，具有可行性、创新性（20分）设计结果可信（例如：系统建模、求解，仿真结果）（25分）态度认真、学习刻苦、遵守纪律（15分）设计报告的规范化、参考文献充分（不少于5篇）（10分）答辩（20分）总分最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）评分成绩指导教师签字：年月日27双水泵液位控制系统的设计系统工艺流程图如下：双水汞液位控制系统I\O点数分配：输入输出传感器Y1X1 当传感器检测到水位时，为‘‘1电动机M1继电器Y1传感器Y2X2当传感器检测到水位时，为‘‘1电动机M2继电器Y2传感器Y3X3当传感器检测到水位时，为‘‘1电磁阀F2Y3传感器Y0X0当传感器检测到水位时，为‘‘0蜂鸣器Y4启动开关X4运行热继电器Y5停止开关X5停止外部接线图：电动机电动机M2继电器电动机M1继电器传感器Y3传感器Y2传感器Y1传感器Y0电磁阀F2热继电器蜂鸣器启动开关停止开关X0X1X2X3COMY4Y3Y2Y1Y5220VPLCX4X5 梯形图：说明：（1）当上水箱液位低于Y3时，即X1~X2~X3=ON，[Y1、Ｙ2、Y3]=ON[Y4、Y5]=OFF（2）当上水箱液位升至Y2时，即X2、X3=OFF，X1=ON，Y2、Y3=OFF，Y1=ON，[Y4、Y5]=OFF（3）当上水箱液位升至Y1时，即Y1、Y2、Y3=OFF，Y4、Y5=OFF（4）当下水箱液位降至Y0时，即X0=OFF，Y4、Y5=ON指令表：双容水箱液位串级控制系统设计1.设计题目双容水箱液位串级控制系统设计2.设计任务图1所示双容水箱液位系统，由水泵1、2分别通过支路1、2向上水箱注水，在支路一中设置调节阀，为保持下水箱液位恒定，支路二则通过变频器对下水箱液位施加干扰。试设计串级控制系统以维持下水箱液位的恒定。1图1双容水箱液位控制系统示意图3.设计要求1）已知上下水箱的传递函数分别为：Gp1(s=∆H1(s∆H2(s∆H2(s21，Gp2(s=。===∆U1(s5s+1∆Q2(s∆H1(s20s+1要求画出双容水箱液位系统方框图，并分别对系统在有、无干扰作用下的动态过程进行仿真（假设干扰为在系统单位阶跃给定下投运10s后施加的均值为0、方差为0.01的白噪声）；2）针对双容水箱液位系统设计单回路控制，要求画出控制系统方框图，并分别对控制系统在有、无干扰作用下的动态过程进行仿真，其中PID参数的整定要求写出整定的依据（选择何种整定方法，P、I、D各参数整定的依据如何），对仿真结果进行评述；3）针对该受扰的液位系统设计串级控制方案，要求画出控制系统方框图及实施方案图，对控制系统的动态过程进行仿真，并对仿真结果进行评述。4.设计任务分析系统建模基本方法有机理法建模和测试法建模两种，机理法建模主要用于生产过程的机理已经被人们充分掌握，并且可以比较确切的加以数学描述的情况；测试法建模是根据工业过程的实际情况对其输入输出进行某些数学处理得到，测试法建模一般较机理法建模简单，特别是在一些高阶的工业生产对象。对于本设计而言，由于双容水箱的数学模型已知，故采用机理建模法。在该液位控制系统中，建模参数如下：控制量：水流量Q；被控量：下水箱液位；控制对象特性：Gp1(s=∆H1(s2（上水箱传递函数）；=∆U1(s5s+1∆H2(s∆H2(s1（下水箱传递函数）。==∆Q2(s∆H1(s20s+1Gp2(s=控制器：PID；执行器：控制阀；干扰信号：在系统单位阶跃给定下运行10s后，施加均值为0、方差为0.01的白噪声为保持下水箱液位的稳定，设计中采用闭环系统，将下水箱液位信号经水位检测器送至控制器（PID），控制器将实际水位与设定值相比较，产生输出信号作用于执行器（控制阀），从而改变流量调节水位。当对象是单水箱时，通过不断调整PID参数，单闭环控制系统理论上可以达到比较好的效果，系统也将有较好的抗干扰能力。该设计对象属于双水箱系统，整个对象控制通道相对较长，如果采用单闭环控制系统，当上水箱有干扰时，此干扰经过控制通路传递到下水箱，会有很大的延迟，进而使控制器响应滞后，影响控制效果，在实际生产中，如果干扰频繁出现，无论如何调整PID参数，都将无法得到满意的效果。考虑到串级控制可以使某些主要干扰提前被发现，及早控制，在内环引入负反馈，检测上水箱液位，将液位信号送至副控制器，然后直接作用于控制阀，以此得到较好的控制效果。设计中，首先进行单回路闭环系统的建模，系统框图如下：在无干扰情况下，整定主控制器的PID参数，整定好参数后，分别改变P、I、D参数，观察各参数的变化对系统性能的影响；然后加入干扰（白噪声），比较有无干扰两种情况下系统稳定性的变化。然后，加入前馈控制，在有干扰的情况下，比较单回路控制、前馈-反馈控制系统性能的变化，前馈-反馈控制系统框图如下：系统实施方案图如下：5.设计内容1）单回路PID控制的设计MATLAB仿真框图如下（无干扰）：01先对控制对象进行PID参数整定，这里采用衰减曲线法，衰减比为10：1。A.将积分时间Ti调为最大值，即MATLAB中I参数为0，微分时间常数TD调为零，比例带δ为较大值，即MATLAB中K为较小值。B.待系统稳定后，做阶跃响应，系统衰减比为10：1时，阶跃响应如下图：参数：K1=9.8，Ti=无穷大，TD=0经观测，此时衰减比近似10：1，周期Ts=14s，K=9.8C．根据衰减曲线法整定计算公式，得到PID参数：K1=9.8*5/4=12.25，取12；Ti=1.2Ts=16.8s（注：MATLAB中I=1/Ti=0.06）；TD=0.4Ts=5.6s.使用以上PID整定参数得到阶跃响应曲线如下：参数：K1=12，Ti=16.8，TD=5.6观察以上曲线可以初步看出，经参数整定后，系统的性能有了很大的改善。现用控制变量法，分别改变P、I、D参数，观察系统性能的变化，研究各调节器的作用。A．保持I、D参数为定值，改变P参数，阶跃响应曲线如下：参数：K1=16，Ti=16.8，TD=5.6参数：K1=20，Ti=16.8，TD=5.6比较不同P参数值下系统阶跃响应曲线可知，随着K的增大，最大动态偏差增大，余差减小，衰减率减小，振荡频率增大。B．保持P、D参数为定值，改变I参数，阶跃响应曲线如下：参数：K1=12，Ti=10，TD=5.6参数：K1=12，Ti=1，TD=5.6比较不同I参数值下系统阶跃响应曲线可知，有I调节则无余差，而且随着Ti的减小，最大动态偏差增大，衰减率减小，振荡频率增大。C．保持P、I参数为定值，改变D参数，阶跃响应曲线如下：参数：K1=12，Ti=16.8，TD=8.6参数：K1=12，Ti=16.8，TD=11.6比较不同D参数值下系统阶跃响应曲线可知，而且随着D参数的增大，最大动态偏差减小，衰减率增大，振荡频率增大。现向控制系统中加入干扰，以检测系统的抗干扰能力，系统的仿真框图如下：阶跃响应曲线如下：参数：K1=12，Ti=16.8，TD=5.6观察以上曲线，并与无干扰时的系统框图比较可知，系统稳定性下降较大，在干扰作用时，很难稳定下来，出现了长时间的小幅震荡，由此可见，单回路控制系统，在有干扰的情况下，很难保持系统的稳定性能，考虑串级控制。2）串级控制系统的设计系统的MATLAB仿真框图如下（有噪声）：当无噪声时，系统的阶跃响应如下图所示：参数：K1=12，Ti=16.8，TD=5.6，K2=0.3比较单回路控制系统无干扰阶跃响应可知，串级控制降低了最大偏差，减小了振荡频率，大大缩短了调节时间。现向系统中加入噪声，观察不同P条件下的系统阶跃响应曲线：参数：K1=12，Ti=16.8，TD=5.6，K2=0.5参数：K1=12，Ti=16.8，TD=5.6，K2=1.0参数：K1=12，Ti=16.8，TD=5.6，K2=1.5观察以上曲线可知，当副回路控制器，调节时间都有所缩短，系统快速性增强了，在干扰作用下，当增益相同时，系统稳定性更高，提高了系统的抗干扰能力，最大偏差更小。可以取得令人满意的控制效果。6.设计总结设计总结1）通过本次设计，学会了系统建模的一般步骤，掌握了分析简单系统特性的一般方法，并对系统中的控制器、执行器、控制对象等各个部分有了更加直观的认识。2）基本掌握了简单系统模型的PID参数整定方法，对PID调节器中的P、I、D各个参数的功能、特性有了更加深刻的认识，通过实验验证的方式，很多内容印象非常深刻。3通过仿真验证了串级控制对干扰的强烈抑制能力，仿真过程中也熟悉了控制系统中MATLAB仿真的基本方法，相信对以后的学习会有所帮助。4）从设计内容来讲，或许学习的是仅仅过程控制，学习的仅仅是MATLAB的操作，但设计过程中，从设计思想，到研究方法，再到结论总结都培养了自己的学习研究能力，这也许更重要。内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书（毕业论文）题目：水箱液位控制系统设计学生姓名：吴云鹏学号：专业：测控技术与仪器班级：测控指导教师：李20216711223108-2班刚助教水箱液位控制系统设计摘要液位是工业工程中的常见变量，在各种过程控制中的应用越来越广泛。例如在食品加工、溶液过滤、化工生产等多种行业的生产加工过程中，通常需要使用蓄液池，而蓄液池中的液位需要维持一定的高度，既不能太满溢出造成危险，也不能过少而无法满足生产需求。因此液位高度是工业控制过程中一个重要的参数，特别是在动态的状态下，采用合适的方法对液位进行检测、控制，能收到很好的效果。本文以实验室自制的双容水箱作为液位控制研究对象，通过上位机、研华的PCI-1710L板卡、电动调节阀、压力液位变送器组成的控制系统和压力液位变送器、变频器、水泵组成的控制系统分别实现了单容水箱的远程控制和就地控制，并在文章最后理论性的阐述了双容水箱的控制方法。设计中以组态软件--组态王为开发工具，开发了系统的监视与控制界面，并且自己编程实现PID控制程序，使系统具备了对现场过程数据的动态监视功能、历史数据的归档功能、异常信号的报警功能以及现场操作的指导功能。关键词：水箱液位；PID控制；组态王；变频器；ThedesignofthetanklevelcontrolsystemAbstractTheliquidlevelisoneofthecommonvariablesinIndustrialEngineering,theprocesscontrolismoreandmorewidelyused.Forexample,intheproductionprocessoffoodprocessing,filteringsolution,chemicalproductionandotherindustries,liquidstoragetankisusuallyused,andmakingtheliquidlevelofliquidstoragetankatacertainheightisveryimportant,neithertoooverflowtorisknortooshortnottomeettheproductiondemand.Therefore,theheightofliquidlevelintheindustrialcontrolprocessisoneoftheimportantparameters,especiallyinthedynamiccondition.Ifadopttheappropriatemethodforthecontroloftheliquidleveldetection,wecangetgoodeffect.Theresearchobjectisbasedontheself-madedoubletanklevelcontrolsystem,throughthehostcomputer,theAdvantechPCI-1710Lcard,theelectriccontrolvalve,thepressureliquidleveltransmitter,thefrequencyconverterandthewaterpumpwegettwodifferentkindsofthecascadecontrolsystemforthesinglewatertankoftheliquidlevelcontrol,respectivelyrealizedtheeffectoftheremotecontrolandlocalcontrol.Andatlast,thisarticleexpoundsthetheoryofdoublewatertankcontrolmethod.Choosethedesignofconfigurationsoftware–Kingviewfordevelopmenttools,wehavehadthedevelopmentofthesystemtomonitorandcontrolinterface,andalsohaveprogrammedPIDcontrolproceduresthatmadethesystemhasafieldprocessdata,dynamicmonitoringhistoricaldataarchivingfunction,abnormalsignalofthealarmfunctionandtheguidancefunctionoftheon-siteoperation.Keywords:Tanklevel;PIDcontrol;Kingview;Frequencyconverter;目录摘要.................................................................................................................................IAbstract..........................................................................................................................II第一章绪论..................................................................................................................11.1选题背景及意义..............................................................................................11.2液位控制系统的发展现状.............................................................................21.3本文的主要工作.............................................................................................3第二章控制对象及算法简介......................................................................................52.1被控制变量的选择..........................................................................................52.2执行器的选择.................................................................................................52.3压力液位变送器的选择.................................................................................52.4研华板卡PCI-1710L简介...............................................................................62.4.1模拟量输入连接......................................