水箱液位控制系统毕业设计

昌吉学院毕业设计题目 水箱液位控制系统的设计 系 别 物理系 专 业 能源工程及自动化 班 级 物理系 B1105班 学 生 陈希嘉 学 号 1125862019 指 导 教 师 李斌 目 录摘 要 .31 绪 论 .41.1 过程控制的发展 .41.2 液位控制系统实际应用中的意义 .41.3 液位串级控制系统的介绍 .51.4 PLC 的发展现状 .51.4.1 PLC 的定义 .51.4.2 PLC 的发展现状 .52 水箱液位控制系统总体方案的设计 .72.1 液位控制系统组成 .72.2 流量液位串级控制系统的工作原理 .82.3 PID 控制算法 .102.3.1 PLC 中的 PID 算法 .102.3.2PID 控制的各种常见的控制规律如下： .112.4 串级控制系统的 PID 整定方法 .142.5 选择适合本系统的控制规律 .143 PLC 系统的硬件配置 .163.1 S7-200 的工作原理 .163.2PLC 硬件配置 .173.2.1CPU 的选择 .173.2.2 检测装置 .173.2.3 执行机构 .183.2.4 执行单元 .194 监控系统 MCGS .214.1 实验过程 .224.2 实验结果分析 .234.2.1 整定过程分析 .234.3 实验结果 .23总结 .25摘 要随着生产水平和科学技术的不断发展，现代控制系统的规模日趋大型化、复杂化，控制对象变得越来越复杂，应用常规 PID 控制，系统的精度和鲁棒性较差。为适应复杂系统的控制要求，人们研制了种类繁多的先进的智能控制器，PID 控制器便是其中之一。这篇论文的目的是设计一个水箱液位串级控制系统，为了实现对水箱液位的串级控制，采用了计算机技术，通讯技术，自动化仪表技术和自动控制技术。首先我们要对被控对象进行分析，根据被控对象和被控过程特性设计一个串级控制系统。通过毕业设计，加深对所学传感器技术、转换技术、电子技术、自动控制原理以及过程控制的基本原理、基本知识的理解和应用，掌握串级控制系统的设计步骤和方法，掌握工程整定参数方法，培养创新意识，增强动手能力，为今后工作打下一定的理论和实践基础1 绪 论 1.1 过程控制的发展自本世纪 30 年代以来，伴随着自动控制理论的日趋成熟，自动化技术不断地发展并获得了惊人的成就，在工业生产和科学发展中起着关键性的作用。过程控制技术是自动化技术的重要组成部分，普遍运用于石油，化工，电力，冶金，轻工，纺织，建材等工业部门。初期的过程控制系统采用基地式仪表和部分单元组合仪表，过程控制系统结构大多是单输入，单输出系统，过程控制理论是以频率法和根轨迹法为主体的经典控制理论，以保持被控参数液位，温度，压力，流量的稳定和消除主要扰动为控制目的过程。其后，串级控制，比值控制和前馈控制等复杂过程控制系统逐步应用于工业生产中，气动和电动单元组合仪表也开始大量采用，同时电子技术和计算机技术开始应用于过程控制领域，实现了直接数字控制（DDC）和设定值控制（SPC） 。随着工业技术的进步，工业自动化技术在各领域已百花齐放，过程控制是自动化技术的重要组成部分。在现代工业生产自动化中，过程控制技术正在为实现各种最优的技术经济指标、提高经济效益和劳动生产率、节约能源、改善劳动条件、保护环境卫生等方面起着越来越大的作用。1.2 液位控制系统实际应用中的意义为了解决人工控制的控制准度低、控制速度慢、灵敏度低等一系列问题。从而我们现在就引入了工业生产的自动化控制。在自动化控制的工业生产过程中，尤其是在石油化工环保水处理冶金等行业，液位是过程控制系统的重要被控量，在实际工业生产过程中，常常需要对某些设备和容器的液位进行测量和控制。通过液位的检测与控制，了解容器中的原料半成品或成品的数量，以便调节容器内的输入输出物料的平衡，保证生产过程中各环节的物料搭配得当。通过控制计算机可以不断监控生产的运行过程，即时地监视或控制容器液位，保证产品的质量和数量。如果控制系统设计欠妥，系统的液位是否稳定，会造成生产中对液位控制的不合理，导致原料的浪费产品的不合格，影响工业生产的安全与否、生产效率的高低、能源是否能够得到合理的利用等一系列重要的问题。随着现在工业控制的要求越来越高，甚至造成生产事故，所以设计一个良好的液位控制系统在工业生产中有着重要的实际意义。 水箱液位控制实验系统是一个研究和开发先进的控制方法、策略的平台，它具有体积小、功耗小、灵活安全等诸多优点，它不仅能够完成控制系统的设计，还可以通过大量的实验来对系统进行优化。它是专门针对于过程控制中液位控制研究的实验研究系统，它包含有温度、压力、液位等多种被控变量，通过 PLC 上位机软件设计控制器，可实现多种控制方式。同时也可以对液位控制系统的控制策略进行设计、验证与研究。水箱液位控制系统的研究与设计为解决实际工程应用提供了良好的研发平台。1.3 液位串级控制系统的介绍在单回路控制系统是过程控制中结构最简单的一种形式，它只用一个调节器，调节器也只有一个输入信号，从系统方框图看，只有一个闭环。在大多数情况下，这种简单系统已经能够满足工艺生产的要求，因此，它是一种最基本的、使用最广泛的控制系统。但是也有另外一些情况，譬如调节对象的动态特性决定了它很难控制，而工艺对调节质量的要求又很高；或者调节对象的动态特性虽然并不复杂，但控制的任务却比较特殊，则单回路控制系统就无能为力了，而串级控制系统可以改善和提高控制品质。单回路控制系统是过程控制中结构最简单的一种形式，它只用一个调节器，调节器也只有一个输入信号，从系统方框图看，只有一个闭环。在大多数情况下，这种简单系统已经能够满足工艺生产的要求。但在复杂的控制系统中，则需在单回路的基础上，采取其它措施，组成复杂控制系统，而串级控制系统就是其中一种改善和提高控制品质的极为有效的控制系统。液位和流量是工业生产过程中最常用的两个参数，对液位和流量进行控制的装置在工业生产中应用的十分普遍。液位的时间常数 T 一般很大，因此有很大的容积迟延，如果用单回路控制系统来控制，可能无法达到较好的控制质量。而串级控制系统则可以起到十分明显的提高控制质量的效果，因此往往采用串级控制系统对液位进行控制。1.4 PLC 的发展现状1.4.1 PLC 的定义国际工委员会（IEC）曾于 1982 年 11 月颁布了可编程控制器标准草案第一稿，1985年 1 月又发表了第二稿，1987 年 2 月颁布了第三稿。该草案中对可编程控制器的定义是“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术计算等面向用户的指令，并通过数字量和模拟量的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，都按易于与工业系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。1.4.2 PLC 的发展现状20 世纪 70 年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID 功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20世纪 80 年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。 上世纪 80 年代至 90 年代中期，是 PLC 发展最快的时期，年增长率一直保持为 3040%。在这时期，PLC 在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC 逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS 系统。 20 世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。 我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了 PLC 的应用。目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。上海东屋电气有限公司生产的 CF 系列、杭州机床电器厂生产的 DKK 及 D 系列、大连组合机床研究所生产的 S系列、苏州电子计算机厂生产的 YZ 系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。此外，无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的PLC 生产厂家。可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC 在我国将有更广阔的应用天地。2 水箱液位控制系统总体方案的设计液位控制系统实际是通过控制流量对液位进行控制的，液位的时间常数 T 一般很大，因此有很大的容积迟延，如果用液位做为反馈信号进行单一回路控制，控制质量难以达到要求。而串级控制系统可以将流量纳入副回路进行控制，不仅有效地克服了流量对液位造成的干扰，能够对液位实行较快的控制。本系统的设计将在 SUPCON 高级过程控制实验装置的基础上，通过 PLC 及各传感、执行单元、上位机，以流量液位串级控制策略和的 PID 控制算法，努力使系统具有良好的静态性能，改善系统的动态性能。当然，还有一些其它的克服大容积迟延的控制方案，例如前馈控制、大迟延滞后补偿控制。但它们较难用一般常规仪表来实现，在经济性和简便性上不如串级控制。2.1 液位控制系统组成液位控制系统的构成如下图 2.1 中所示，开度调节阀流量调节器流量测量变送器液位对象U储水箱液位调节器液位测量变送器水泵上位机 PLC图 2.1 液位控制系统的组成结构该水箱流量和液位串级控制系统主要由水箱、管道、水泵、电动调节阀、液位传感器、涡轮流量计、可编程控制器及其输入（检测）输出（控制）通道电路构成。系统包括 3 路信号，测量信号有 2 个分别是上水箱液位和管道流量，变送过来以后是标准的模拟信号控制信号，有 1 个用来控制电动阀门的开度。PLC 的模拟量输入模块 SM235 相连，SM235 和 CPU 直接相连。系统接通电源后，水泵开始工作，将储水箱里的水泵送至管道，水流经管道后进入水箱。管道里连接流量变送器检测管道水的流量，水箱底部连接液位传感器检测液位，并转换成模拟信号后传送给的模拟量输入接口。通过上位机组态界面设置液位给定值，PLC 采用 PID 算法得出电动调节阀开度调节电动调节阀控制流量，实现流量的控制，最终能够控制水箱内水的液位。2.2 流量液位串级控制系统的工作原理该系统有主调节器、副调节器两个控制回路串接工作，液位控制是外回路（主调节器）负责液位的定值控制，流量控制是随动控制的内回路（副调节器） 。 ，串级控制系统的目的是为了更好地稳定主变量，使之等于给定值，图 2.2 是串级控制系统的方框图。副调节器 电动阀 流量 水箱液位流量变送器液位变送器h（液位）一次干扰二次干扰给定值+ - +-Q1主调节器调节器图 2.2 串级控制系统方框图主变量就是主回路的输出，所以说主回路是定值控制系统。副回路的输出是副变量，副回路的给定值是主控制器的输出，所以在串级控制系统中，副变量不是要求不变的，而是要求随主控制器的输出变化而变化，因此是一个随动控制系统。主控制器的输出作为副控制器的给定值，副控制器的输出去操纵控制阀，以实现对变量的定值控制其中主调节器有自己独立的给定值 R，它的输出 m1作为副调节器的给定值，副调节器的输出 m2控制执行器，以改变主参数 C1。在串级控制系统中，主、副调节器所起的作用是不同的。主调节器起定值控制作用，它的控制任务是使主参数等于给定值（无余差） ，故一般宜采用 PI 或 PID 调节器。由于副回路是一个随动系统，它的输出要求能快速、准确地复现主调节器输出信号的变化规律，对副参数的动态性能和余差无特殊的要求，因而副调节器可采用 P 或 PI 调节器。本系统的主控量为上水箱的液位高度 H，副控量为气动调节阀支路流量 Q，它是一个辅助的控制变量。系统由主、副两个回路所组成。主回路是一个定值控制系统，要求系统的主控制量 H 等于给定值，因而系统的主调节器应为 PI 或 PID 控制。副回路是一个随动系统，要求副回路的输出能正确、快速地复现主调节器输出的变化规律，以达到对主控制量 H 的控制目的，因而副调节器可采用 P 控制。但选择流量作副控参数时，为了保持系统稳定，比例度必须选得较大，这样比例控制作用偏弱，为此需引入积分作用，即采用 PI 控制规律。引入积分作用的目的不是消除静差，而是增强控制作用。显然，由于副对象管道的时间常数小于主对象上水箱的时间常数，因而当主扰动（二次扰动）作用于副回路时，通过副回路快速的调节作用消除了扰动的影响。1 克服被控过程较大的容量滞后 在过程控制系统中，被控过程的容量滞后较大，特别是一些被控量是温度等参数时，控制要求较高，如果采用单回路控制系统往往不能满足生产工艺的要求。利用串级控制系统存在二次回路而改善过程动态特性，提高系统工作频率，合理构造二次回路，减小容量滞后对过程的影响，加快响应速度。在构造二次回路时，应该选择一个滞后较小的副回路，保证快速动作的副回路。 2 克服被控过程的纯滞后 被控过程中存在纯滞后会严重影响控制系统的动态特性，使控制系统不能满足生产工艺的要求。使用串级控制系统，在距离调节阀较近、纯滞后较小的位置构成副回路，把主要扰动包含在副回路中，提高副回路对系统的控制能力，可以减小纯滞后对主被控量的影响。改善控制系统的控制质量。 3 抑制变化剧烈幅度较大的扰动 串级控制系统的副回路对于回路内的扰动具有很强的抑制能力。只要在设计时把变化剧烈幅度大的扰动包含在副回路中，即可以大大削弱其对主被控量的影响。 4. 克服被控过程的非线性 在过程控制