双容水箱监控系统设计82417.doc

河南机电高等专科学校河南机电高等专科学校 力控组态课程设计力控组态课程设计 项目名称 项目名称 双容水箱监控系统设计双容水箱监控系统设计 系部名称 系部名称 自动控制系自动控制系 专业班级 专业班级 计算机控制技术计算机控制技术 102102 姓姓 名 名 刘刘 宾宾 学学 号 号 101413231101413231 2012 09 24 目录目录 1 引言 引言 1 2 总体设计方法 总体设计方法 1 2 1 双容水箱液位控制系统的方框图双容水箱液位控制系统的方框图 1 2 2 双容水箱液位控制系统设计思路双容水箱液位控制系统设计思路 2 3 硬件设计和实现 硬件设计和实现 2 3 1 主要硬件设施主要硬件设施 2 3 2 双容水箱系统硬件结构双容水箱系统硬件结构 3 3 3 硬件实现硬件实现 4 4 软件设计 软件设计 5 4 1 编制监控界面 编制监控界面 5 4 2 组态硬件设备和实时数据库 组态硬件设备和实时数据库 7 4 3 设计报警设计报警 8 4 4 动画连接和数据库连接动画连接和数据库连接 9 4 5 进行进行 PID 参数整定 参数整定 10 5 总结 总结 11 参考文献参考文献 12 组态软件课程设计 1 1 引言 引言 串联双容水箱在工业过程控制中应用非常广泛 在串联双 容水箱水位的控制中 进水首先进人第一个水箱 然后通过第 二个水箱流出 与一个水箱相比 由于增加了一个水箱 使得 被控量的响应在时间上更落后一步 即存在容积延迟 从而导 致该过程的难以控制 串级控制是改善调节过程动态性能的有 效方法 由于其超前的控制作用 可以大大克服系统的容积延 迟 随着工业的发展 液位控制在各种过程控制中的应用越来越 广泛 本设计以二容水箱实验液位控制模型为研究对象 采用 PID 控制 并用力控组态进行上位机组态 组态界面包括 水 箱实验界面 包括实时趋势曲线 报警窗口 历史趋势曲线 所有画面的动态显示用增强按钮连接 2 总体设计方法总体设计方法 2 1 双容水箱液位控制系统的方框图双容水箱液位控制系统的方框图 智能调节仪 电动阀下水箱 液位变送器 给定 液位 上水箱 扰动扰动 组态软件课程设计 2 2 2 双容水箱液位控制系统设计思路双容水箱液位控制系统设计思路 这也是一个单回路控制系统 它与实验四不同的是有两个水 箱相串联 控制的目的是使下水箱的液位高度等于给定值所期 望的高度 具有减少或消除来自系统内部或外部扰动的影响功 能 显然 这种反馈控制系统的性能完全取决于调节器 Gc S 的结构和参数的合理选择 由于双容水箱的数学模型是 二阶的 故它的稳定性不如单容液位控制系统 对于阶跃输入 包括阶跃扰动 这种系统用比例 P 调节 器去控制 系统有余差 且与比例度成正比 若用比例积分 PI 调节器去控制 不仅可实现无余差 而且只要调节器的 参数 和 Ti 调节得合理 也能使系统具有良好的动态性能 比例积分微分 PID 调节器是在 PI 调节器的基础上再引入微 分 D 的控制作用 从而使系统既无余差存在 又使其动态性能 得到进一步改善 因此 我利用力控组态软件的控制策略里的传递函数模拟 一个一阶惯性系统 然后 通过用策略里的 PID 模块进行控制 通过 P I D 进行整定 组态软件课程设计 3 3 硬件设计硬件设计和实现和实现 3 1 主要硬件设施主要硬件设施 实验台主要由水箱 储水箱 加热器 液位和压力传感器 压力罐 湿度传感器 电磁流量传感器 孔板流量传感器 涡 轮流量传感器 电动调节阀 变频器 水泵 加温模块 接线 端子 电源总开关 电流指示表 比例器 DC24V 开关电源等 组成 3 2 双容水箱系统硬件结构双容水箱系统硬件结构 组态软件课程设计 4 计算机 组态界面 RS232 485转换器 D A模块 差压变送器A 下水箱上水箱 差压变送器B 执行器 A D模块 RS485网络 上水箱和下水箱的液位信号分别由两压力传感器检测 检 测到的液位信号经液位变送器转换成 4 20 mA 的电流信号 串联 250 欧姆标准电阻转换为 1 5V 电压信号 再通过 A D 模 块 Nudam7017 将采集到的模拟信号转换成数字信号 该数字信 号经 RS485 总线 再由 RS232 485 转换器传送给计算机 计算 机采集到的数字信号在组态软件中由 PID 控制器进行处理得出 控制信号 控制信号再经 RS232 485 转换器及 RS485 总线送给 D A 模块 Nudam7024 最后转换得到的模拟信号驱动执行机 构工作 3 3 硬件实现硬件实现 1 将双容水箱液位串级控制系统实验所用的设备 按 组态软件课程设计 5 系统框图接好实验线路 实验接线原则是 先断电 后接线 先检查 后通电 2 接通总电源 各仪表电源 使水泵工作在恒压供水的 状态下 3 采用两部整定法整定调节器参数 4 采用一部整定法整定调节器参数 5 待系统稳定后 给定值 SP 加个阶跃信号 其液位 的变化曲线如 4 软件设计软件设计 4 1 编制监控界面 编制监控界面 第一步 控制策略连接 组态软件课程设计 6 第二步 首先 创建一个双容水箱控制图 其次在设计一个历史曲线 组态软件课程设计 7 4 2 组态硬件设备和实时数据库 组态硬件设备和实时数据库 1 1 硬件连接 硬件连接 首先将通讯模块 ADAM4520 接到计算机的串口上 然后将研华 A D 传换模块 ADAM4017 和研华 D A 转换模块 ADAM4024 接到串 口通讯模块 ADAM4520 的 DATA 和 DATA 上 正接正 负接负 然后 ADAM4017 接到压力变送器的输出上 ADAM4024 接驱动模块的输 入 驱动模块的输出接水泵的输入 然后接好电源就行了 2 2 模块配置模块配置 用模块自带软件将模块 ADAM4017 的地址设为 1 将模块 ADAM4024 的地址设为 2 然后再测试一下各通道工作是否正常 3 3 力控力控 I OI O 驱动配置驱动配置 在力控里找到 ADAM4017 和 ADAM4024 两个模块 一步步配置下去 就可以了 组态软件课程设计 8 4 3 设计报警设计报警 创建二个模拟点 AI1 和 AO1 进行 I O 设备驱动 组态软件课程设计 9 4 4 动画连接和数据库连接动画连接和数据库连接 组态软件课程设计 10 4 5 进行进行 PID 参数整定 参数整定 整定步骤 实验凑试法的整定步骤为 先比例 再积分 最后微分 1 整定比例控制 将比例控制作用由小变到大 观察各次响应 直至得到反 应快 超调小的响应曲线 2 整定积分环节 若在比例控制下稳态误差不能满足要求 需加入积分控制 先将步骤 1 中选择的比例系数减小为原来的 50 80 再将积分时间置一个较大值 观测响应曲线 然后 组态软件课程设计 11 减小积分时间 加大积分作用 并相应调整比例系数 反复试 凑至得到较满意的响应 确定比例和积分的参数 3 整定微分环节 若经过步骤 2 PI 控制只能消除稳态误差 而动态过程 不能令人满意 则应加入微分控制 构成 PID 控制 先置微分时间 TD 0 逐渐加大 TD 同时相应地改变比例系 数和积分时间 反复试凑至获得满意的控制效果和 PID 控制参 数 5 总结总结 本设计是在实验室以过程控制实验装置为基础进行的 通 过对双容水箱建模 构成以上水箱为副参数 下水箱为主参数 的液位串级控制系统 利用组态软件来实现计算机监控 为工 业现场中的液位控制提供了理论依据和实用的控制方法 在设计中使用了 MATLAB 软件 利用这个软件可以对控 制系统进行分析和建模 特别是利用 SIMULINK 工具箱可以便捷 地对不同的控制系统进行仿真 通过对 PID 控制的仿真 可以 清楚的比较不同控制方案的优劣 对在设计控制系统可能出现 的问题在计算机中进行模拟 使对系统的设计方案更加明确 在组建计算机控制系统中使用了 MCGS 组态软件 利用这个软件 可以轻松的建立起计算机控制界面 完成控制系统的计算机控 制 数据交换 曲线输出 实时监测 报警设置 动画显示等 组态软件课程设计 12 功能 同时提供广泛的扩展工具 便利实现系统设计和组建 在实际控制系统的组建中 控制方案的设计是系统设计的 核心 一个好的设计方案能够使系统的设计事半功倍 应当根 据被控过程的特性和工程要求综合设计系统 对于设计的两种 控制系统 可以做进一步的改进 在设计方案方面 由于是通 过控制电动调节阀的开度以改变水箱液位 可以增加输入的水 流量作为控制对象 使得对调节阀的控制更加直接 同时上下 水箱间的输水阀和下水箱与总出水箱输水阀的开度大小也会对 液位的控制造成影响 应当考虑如何对他们进行控制 在硬件 设备方面 可以使用采集速度更快的仪表 加强控制器的调节 能力 改善电动调节阀的工作性能 在条件允许的情况下 采 用更高精度的采集模块 在控制器方面 可以对控制方法进行 改善 虽然电动调节阀的控制信号是位置信号 但调节阀动作 仍是通过控制电机改变阀位 可考虑能否采用增量算法直接控 制电机 克服位置算法中因需要累加偏差而造成执行机构动作 过大的缺点 在实际的工作岗位上 将要设计不同的控制系统 工业现 场的过程控制系统不同于实验中的控制系统的设计 更不同于 书本中的理论和公式 要根据工业生产的实际情况进行设计 将面临远比实验室复杂的多的现场环境 设计系统未必是最先 进的 最现代化 但必须是有效 可行 可靠 参考文献参考文献 1 胡寿松 自动控制原理 M 北京 科学出版社 2001 18 99 2 姜秀英 张翠宣 过程控制系统实训 M 北京 化学工业出 版社 2007 20 45 3 劳深 付凯波 高国章 双容水箱液位控制系统的设计 J 交通科技 2011 3 160 162 4