基于组态软件的双容水箱液位控制系统.开题报告-3.doc

基于组态软件的双容水箱液位控制系统开题报告学 院专业班级姓 名学 号题 目基于组态软件的双容水箱液位控制系统设计题目类型应用研究一、选题背景及依据（简述国内外研究现状、生产需求状况，说明选题目的、意义，列出主要参考文献）液位控制问题是人民生活以及工业生产过程中的一类常见的问题，例如饮料、食品加工，居民生活用水的供应，溶液过滤，污水处理，化工生产等多种行业在生产加工过程中通常要对蓄液池中的液位进行适当的控制。在工业生产中通过液位的检测与控制，可以了解容器中的原料、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，提高生产效率以及产品的质量。因此液位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，能收到很好的生产效果。蓄液池中的液位需要维持合适的高度，就需要要设计合适的控制器自动调整蓄液池的进出流量。目前国内外的液位控制的方法有很多，控制要求不高的情况下常用的有：1、液压式水位控制阀，其原理：当液位下降时，阀内的弹簧受力减小，进水阀芯打开，自动加水，水箱内的水位逐渐上升，阀门内所受的压力逐渐增大，当水位上升到预设的液位时弹簧所受的力与阀内所承受的压力达到平衡，阀门自动停止加水。该控制方法适用于工矿企业、民用建筑中的各种水箱、太阳能水箱的自动供水系统。并可用作常压锅炉循环供水水箱的进水控制阀。2、浮球水位控制器，是利用浮球在液体中的上升或下降，接通球体内部的重力开关，再由浮球内部的触点开关去控制相关电器设备。浮球水位控制器分为管式浮球与缆浮球，管式浮球适合清水及粘度不大的液体，缆浮球适合污水。3、超声波液位控制器，适用于腐蚀性的液体、污水等液位的控制。但是液位控制系统是一个非线性系统，采用上述控制方式存在溶积延迟时间长、抗干扰能力差、控制精度低等问题，不能满足高精度的控制要求。采用组态软件编制上位机控制界面和算法程序，组建接近于实际的控制系统。通过在线运行，具有控制自适应能力强，动态、静态品质优良等优点，有效地解决了类似系统难于控制的问题。对液位控制系统，一般是在工作点附近线性化后再加以控制的，控制方法有PID控制、基于线性模型的模糊控制、人工神经网络等。这些不同背景的液位控制都可以简化为某种水箱的液位控制问题。水箱液位控制系统的设计应用非常广泛，可以把一个复杂的液位控制系统简化成水箱液位控制系统来实现。通过对双容水箱液位控制系统的设计，我们能对实际生产中的液位控制问题有进一步的了解，提高自己的动手动脑能力，学会如何把自己所学的知识用于实际生产之中。主要参考文献： 1Haizhou Pan, Hong Wong, Vikram Kapila, etal. Exp erimental Validation of a Nonlinear Back Step ping Liquid Controller for a State Coupled Two Tank System J. Control Enginerring Practice, 2005: 13- 27 2崔昌福. 液压式水位控制阀J. 建筑技术通讯，1979. 05. 01：4445 3江西、杨利明. 浮球液位控制器的应用J. 机电技术， 2007.09.02 4 穆清论. 基于组态软件的液位控制系统的设计J. 自动化博览，2010. 11：8284 5段宏伟. 基于模糊算法的双容水箱液位控制控制系统设计J. 建材技术与应用，2011.08：2829 6THOMAS HECKENTHLAER，SEBSATIAN ENGELL.Approximately Time Opitmal Fuzzy Control of a TWO-Tank SystemJ.IEEE Conference On Control Applications(ISSNO272-1708),1994,3(14): 2430 7金以慧. 过程控制M. 北京：清华大学出版社，2003：103122 8朱广，吴君晓基于智能仪表的串联双容水箱液位控制系统的设计J河南机电高等专科学校学报，2007，15(4)：920 9邵裕森、戴中先. 过程控制工程M. 第二版，北京：机械工业出版社，2012.01：178181 10吴兴纯 ，杨秀莲 ，赵金燕 ，杨燕云. 基才FX2N系列PLC的双容水箱液位控制系统的设计J. 电子设计工程， 2011.07：6063 11TEODOR MRA C U, LETITIA MIREA, ATITLA KLOSZ. A Neural Network ADDroach to Robust Model Based Diagnosis of Faults in Three-Tank systemc.IEEE Proceedings of the Intem aitonal Symposium on Cron-puter-Aided Control System Design(ISBNO 7803-3032-3).1996：111116 12郑华、吕伟珍. 基于组态王和Matlab的双容水箱液位控制J. 中国农机化， 2012，(2)：155157二、主要研究（设计）内容、研究（设计）思想及工作方法或工作流程如图1所示，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。 本次设计以低位水箱为主控对象，通过控制进水流量达到控制水箱液位的目的。图1 双容水箱示意图 工作任务：以组态软件为用户界面，设计串联双容水箱控制系统，并进行实时监控。1、系统硬件设计。该系统有以下及部分组成。其硬件结构图如图2。PLC：运用PLC中的PID模块作为系统中的主、副控制器，并通过PLC的通信接口实现与上位机的通信，实现实时监控。该系统只有两个控制器，S7200PLC（8个PID模块）在内存、扫描通信等方面都能满足控制的要求。 上位机：对系统的运行状态进行实时监控。 双容水箱：被控对象。电动调节阀：接受来自PLC的控制信号，调节上水箱的进水量。压力传感器、液位变送器：压力传感器位于水箱中的底部，把水的压力转换为电流或电压信号；电流、压信号经液位变送器标准化处理之后送入PLC的EM235模块。通信电缆：连接PLC与上位机。水泵：为水箱供水。工作原理：上、下水箱压力传感器测量到水箱液位信号送入EM235模块经过A/D转换后供PLC读取，PLC读取下水箱液位后经过处理与主回路的设定值比较得出偏差，进行PID运算，主回路PID运算之后的输出作为副回路的给定值，并将其与上水箱的水位数据在进行运算。获得4-20 mA的电流输出信号，电动调节阀接收到该信号后改变阀门开度，从而调节上水箱的流入量最终达到控制下水箱液位的目的。PLC与上位机之间通过RS485RS232串口实现通信，通过MCGS监控软件实现过程监控。图2 控制系统硬件结构图2、建立双容水箱的数学模型。 双容水箱的传递函数为： （1） 式中为上水箱的时间常数，为下水箱的时间常数，和分别为上下两个水箱的放大系数。双容水箱的传递函数可以看做上、下两个水箱独立时的传递函数的乘积，由此只要求得了上、下两个水箱独立时传递函数便能得出双容水箱的数学模型。 通过实验方法测定被控对象上水箱和下水箱在输入阶跃信号后的液位响应曲线和相关参数。使用MA TLAB 软件对实验数据进行处理，再用切线法得出上、下水箱的开环传递函数，最后得到双容水箱的数学模型。3、 系统控制方案。 比例、积分、微分（PID）控制是迄今为止最通用也是最为基本的控制方法，很多控制方法都是由PID控制发展而来。本次设计采用PID控制方法。由于双容水箱本身存在着容积延迟，系统惯性比较大，下水箱对于扰动的响应在时间上存在滞后。如果采用PID单回路控制，当系统中出现扰动时，控制器通过控制进水阀门的开度来消除扰动对系统的干扰，但是由于上下水箱之间存在液阻，要经过一段时间之后才能控制下水箱的液位，这样的系统稳定性较差。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，可以大大克服双容水箱普遍存在容积延迟问题。基于串级技术和PLC控制器的双容液位控制系统则能够克服双容水箱普遍存在容积延迟以及PID单回路控制难于达到控制要求的问题。该系统根据双容水箱的数学模型，采用串级控制技术、PLC控制器、MCGS软件组态实现双容液位的高精度控制实时显示。控制系统框图见下页图3。该系统的主控制器采用PID控制方法，副控制器则可以采用PI控制方法或者比例控制。图3 串级系统控制框图4、 组态界面与PLC软件的设计。 根据本次设计的先相关要求，组态软件要完成控制过程的动态显示、数据监控、出错报警等功能，并且可以在界面对主、副调节器的PID参数进行修改。 组态的界面主要包括系统框架、数据的输入与PID参数显示、水箱液位的曲线显示等。系统框架包括：水位串级控制、数据显示、系统提示、通信状态窗口。数据对象包括：上、下水箱液位高度，上、下水箱液位输出值，主、副调节器的PID参数。串级控制窗口完成控制过程的动态显示包括：水泵、电动调节阀、上水箱、下水箱、储水槽等由对象元件库引入；管道通过流动块构件实现；温度显示通过仪表、标签构件实现。曲线显示包括实时曲线和历史曲线的显示。组态软件的实时监控功能主要是通过对PLC存储器中的相关数据的监控完成的。 PLC程序由主程序及子程序组成，主程序用于程序的总体控制及初始化子程序分为液位读取程序、PID调节程序、报警程序、通信控制程序等。PLC主程序流程图见图4。当在组态界面按下启动按钮时，PLC进入运行状态，系统初始化，当检测到到用户程序无误后，PLC对用户程序进行循环扫描，根据水位的设定值等数据开始对水箱的水位进行控制。在系统运行的时候可以通过组态界面对水箱的设定水位、PID参数进行在线修改，确认后PLC便会读取修改后的数据对水箱进行控制。当按下停止按钮后，PLC进入停止状态，结束对水位的控制。图4 PLC主程序流程图 5、 实验测试。根据实验数据对相应的参数进行整定，直到能够达到控制要求。三、毕业设计（论文）工作进度安排2013年2月25日2013年3月15日 查阅文献，英文文献翻译，完成开题