双容水箱水位控制系统设计(1103010437孟源)

目录1概要2二容水箱液位控制系统原理与设备选择32.1设备的工作原理32.2设备选择42.2.1 THJ-3型高级过程控制系统实验装置42.2.2 WINCC配置软件52.2.3模块选择S7-30052.3控制流程52.4储罐液位实验控制系统的用途6三双容储罐液位控制系统分析设计73.1双容水箱液位控制系统分析73.2液位控制系统的控制目标83.3液位控制系统的模型分析84 PID控制的概要及其整定方法114.1 PID控制概要114.1.1 PID控制原理114.1.2 PID控制算法124.2 PID调节的各个环节及其调节过程134.2.1比例控制及其调节过程134.2.2比例积分调整144.2.3比例积分微分调整154.3 PID控制的特征154.4 PID参数调整方法165实验分析175.1实验过程175.2实验结果19总结25参考文献261概要在工业实际生产中，液位是过程控制系统的重要控制量，在石油、化工、环境保护、水处理、冶金等行业尤为重要。 工业生产流程的自动化往往需要测量和控制某些设备和容器的液位。 通过液位的检测和控制，了解容器中原料、半成品或成品的数量，调整容器内输入输出材料的平衡，适当保证生产中各环节的材料组合。 通过控制计算机不断监控生产的运行过程，及时监控和控制容器的液位，能够保证产品的质量和数量。双容水箱系统是比较常见的工业现场液位系统，在实际生产中，经过比较和筛选，串行控制系统的PID控制在操作性、经济性、系统控制效果方面具有较突出的特性，因此采用串行控制系统的PID控制实现双荣水箱液位控制本文以基于THJ-3先进过程控制实验系统的实验数据为出发点，采用MATLAB曲线拟合方法，分别模拟了系统中水箱、污水箱的输出响应曲线。 处理曲线求出各容器的参数，用求出的参数列导出容器的传递函数。 用复杂控制系统中的串行控制系列写入系统框图，采用串行控制系统的PID参数调整方法调整主控制器和副控制器的p、I、d数值，满足控制系统诸多性能要求。 关于控制器的选择，从经济和控制效果出发，使用智能仪表实现控制，使用设定软件监控系统。 通过对软件进行编程，设定软件模拟双容器液位控制系统的手动和自动两种动作状态。双容水箱液位控制系统原理及设备选择2.1设备的工作原理以上的水箱和中间水箱串联作为被控制对象，中间水箱的液面水平的高度是系统的被控制量。 要求中容器液位稳定到规定量，将压力传感器LT2检测出的中容器液位信号作为反馈信号，用调节器以与规定量进行比较的差分控制调节阀的开度，实现控制中容器液位的目的。 为了在给定步骤和在步骤的干扰下实现无静态差异的控制，系统调节器必须是PI或PID控制。 调压阀的参数整定可以采用本章第1节所述的任意一种整定方法。 本实验系统的结构图和框图如图2.1所示。图2.1双容量液位控制系统(a )结构图(b )框图2.2设备选择2.2.1 THJ-3型高级过程控制系统的实验装置实验对象系统包括不锈钢贮水箱和上、中、下三个连接有机玻璃圆筒型贮水箱； 由三相4.5kW电加热锅炉(由不锈钢锅炉内胆加温筒和密闭型外循环不锈钢冷却锅炉套组成)和铝线圈组成。系统动力系统有两组：由三相(380V交流)不锈钢磁力驱动泵、电动调节阀、交流电磁阀、涡轮流量计等构成的另一组由三菱变频器、三相不锈钢磁力驱动泵(220V变频器)、涡轮流量计等构成。 目标系统完全由不锈钢材料制成，小到目标框架、管道、底板以及各个紧固螺钉。系统的主要特点：1 .被调整参数包括流量、压力、液位、温度四个热工参数2 .执行机构有电动调节阀仪表类执行机构和变频器等电力拖动类执行机构3 .系统除了变更调节器的设定值作为步进干扰外，还可在对象中通过电磁阀和手动操作阀产生各种干扰4 .一个被调整参数可以在不同动力源、不同驱动器和不同工艺线上发展成多种调整电路，有利于研究和比较各种调整方案的优劣图2.2.1 THJ-3型高级过程控制系统的实验装置2.2.2 WINCC配置软件WINCC是一个监控系统，可以在生产和流程自动化中解决可视化和控制任务，为工业提供适当的图形显示、消息、存档和报告功能模板。 高性能的功能结合、快速的画面更新、可靠的数据交换，具有很高的实用性。WINCC基于Windows NT 32位操作系统，在Windows NT和Windows 2000标准环境中，WINCC具有控制自动化过程的强大功能WINCC的显着特性是全面开放的，易于与用户的下级计算机程序联合构建人机界面，正确满足控制系统的要求。 此外，WINCC还建立了标准接口，用于在DDE、OLE等Windonws程序之间交换数据，从而使ActiveX控件与OPC服务器和客户端功能完全集成。WINCC软件是基于多种语言设计的，可以从中文、德文和英文等多种语言中进行选择。2.2.3模块选择S7-300表2.2.3模块选择电源模块307-1EA00-0AA0CPU单元315-2AG10-0AB0以太网通信模块343-1ex21-0xee0LINK模块153-2BA81-0XB0DP/PA链路157-0AC82-0XA02.3控制系统的流程控制系统的流程图如图2.3所示图2.3控制系统的流程图上水箱液面水平检测信号LT1是标准的模拟信号，SIEMENS的模拟输入模块SM331、SM331与分散I/O模块ET200M直接连接，ET200M与PROFIBUS-DP总线连接，控制器CPP与PROFIBUS-DP总线连接本系统的驱动器是带有PROFIBUS-PA通信接口的阀定位器，与PROFIBUS-PA总线连接，PROFIBUS-PA总线通过由LINK和COUPLER构成的DP链路与PROFIBUS-DP总线交换数据， 来自PROFIBUS-DP总线与控制器CPU315-2 DP连接的控制器CPU315-2 DP的控制信号经由PROFIBUS-DP总线到达PROFIBUS-PA总线，控制执行元件的阀定位器。2.4储罐液位实验控制系统的应用油罐液位控制实验系统是PCT实验装置的重要组成部分，可以单独进行各种实验的分析和研究，是非线性、强耦合、多变量和大滞后的复杂系统，是进行控制理论和控制工程教学、实验和研究的理想平台，具有强大的实验功能。 这不仅能够实现初级对象、次级对象以及更高级对象的分析、研究，还能够作为多功能型实验设备验证各种新算法。 可以模拟实验过程中易于操作、直观性强、适合教育实验的各种实用障碍。 我们还可以通过传统PID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直观地反映在水位的变化上，同时通过液位传感器对水位的正确检测，容易获得瞬态响应指标，正确评估控制性能。 开放的控制器实验装置，便于我们进行独特的控制器设计，满足创新研究的需要。液位控制实验装置是过程控制中最常用的实验装置，通过该装置研究、研制、开发各种新型控制算法，学习各种控制方案，调整不同控制方案下的实验系统，可以更清楚地理解工业过程控制下系统的发货和调整方法。三双容储罐液位控制系统的分析设计3.1双容水箱液位控制系统分析受控系统的分析是设计过程控制系统的基础资料或基本依据。 研究分析现代越来越复杂、巨大的受控过程，实施控制，特别是在进行最佳设计时，必须了解其工作过程及其数学模型等。 因此，数学模型对于实现过程控制系统的分析设计、生产过程的最佳校准制度具有极其重要的意义。受控对象的数学模型是反映受控过程中的输入和输出之间的关系的数学描述。 或者是记述被控制过程因运输者的作用而运输量(控制变量)发生变化的数学式。 受控进程可能受受控输家角色和干扰量的影响。 控制输入总是试图按照一定的规则改变受控进程，但扰动量总是影响受控进程偏离期望的运行状态。 但是，从系统的观点来看，无论是控制输入者还是控制干扰，都属于输入量。 这是因为影响输出的变化。工业过程动态数学模型的表现方式很多，其复杂性有差异。 对于数学模型，应根据实际应用情况提出适当的要求。 一般而言，控制的数学模型不必是十分准确的。 闭环控制本身具有一定的鲁棒性，模型本身的误差可以认为是干扰，而闭环控制具有某种程度的自动去除干扰的能力。实际生产过程的动态特性非常复杂，需要很多近似处理。 某些近似处理需要线性化处理、降级处理等，但可满足控制的要求。 建立数学模型有机理法和测试法两种基本方法。 测试法通常仅用于创建I/o模型。 将所研究的工业过程视为黑匣子，从外部特性完全测试和描述其动态性质，因此无需深入了解其内部机制。3.2液位控制系统的控制目标罐的液面水平的变化范围为h=0-300mm，要求通过设计适当的控制器，使被控制对象(下罐)的液面水平值稳定为一定的液面水平值，稳定的液面水平误差不超过5mm。 如果系统发生干扰(正干扰或负干扰)，控制容量可以快速恢复到系统请求的级别值。3.3液位控制系统的模型分析在这里，使用解析法对二容水箱进行了模型化。 解析法建模的一般步骤如下：明确过程的输出变量、输入变量、其他中间变量根据过程的内在机制和关系定理、规律及公式列编写静态方程或动态方程删除中间变量，求出输入输出变量的关系方程式将其简化为高次微分(差分)方程式或传递函数(脉冲传递函数)等有控制要求的形式。双容水箱模型如图3.1.2所示。图3.1双容水箱模型图动态物料平衡关系，即单位时间内的液体向罐的流入量与单位时间内的液体向罐的流出量之差，必须与液体向罐的贮存量的变化率相等，因此能够表示以下的增量方程式式(3-1)式(3-2)式(3-3)式(3-4)从式(3-1)和式(2-3)中删除：式(3-5)要将其转换为传递函数的格式，请执行以下操作式(3-6)其中。从式(2-2)和式(2-4)中删除：式(3-7)要将其转换为传递函数的格式，请执行以下操作式(3-8)由式(2-6)和式(2-8)得到：式(3-9)由于被控制对象包含延迟特性，所以双层容器的模型最终可以用二次惯性和纯延迟来记述式(3-10 )4 PID控制综述及其整定方法4.1 PID控制的概要4.1.1 PID控制原理当今的自动控制技术大部分基于反馈概念。 反馈理论包括三个基本要素：测量、比较和执行。 感兴趣的是测量变量，与期望值进行比较，以此误差纠正和调节控制系统的响应。 反馈理论及其在自动控制中的应用关键在于精确测量与比较后如何应用于系统的纠正与调节。过去十多年来，PID控制，即比例积分微分控制广泛应用于工业控制。 在控制理论和技术飞速发展的今天，超过95%的工业过程控制的控制电路具有PID结构，而且许多高级控制基于PID控制。传统的PID控制原理如图3.1所示。 这是典型的单位负反馈控制系统，由PID控制器和被控制对象构成。图4.1 PID控制系统的电路图PID控制器是由给定的值r(t )和实际的输出值e(t )构成的线性控制器偏差e(t)=r(t)-c(t )4.1.2 PID控制算法典型的PID模拟控制如图3.2所示。 图中，sp(t )为给定值，pv(t )为反馈量，c(t )为系统输出量，PID控制器的输入输出关系式如下所示(4.1 )即输出=比例项积分项微分项输出初始值，Kc是PID电路的增益，TI和TD是积分时间和微分时间常数。式中号右边的前3项分别是比例、积分、微分部分，他们分别与误差、误差的积分和微分成比例。 可以通过选择其中一个或两个来配置p、PD或PI控制器。 需要良好的动态品质和高稳态精度时，PI控制方式控制对象的惯性滞后较大时，请选择PID控制方式。 图3.2表示当设