单容水箱特性测试

沈阳巩俐大学课程设计论文课程表和作业分公司(部门)信息科学与工程专业的自动化学生姓名耿爽学生身份证设计主题单罐特性试验设计内容和要求：内容：1.进行单罐阶跃响应试验，记录相应液位的响应曲线。2.根据实验得到的液位阶跃响应曲线，分别用图解法和两点法确定被测对象的特征参数，得到传递函数。要求：1.绘制单罐特性试验的结构框图。2.根据实验数据和曲线，分析计算了单罐液位对象的参数和传递函数。附表：1.检查信息2.设计3.排除故障4.写报告讲师(签名):一年中的月日分行行长(签字):一年中的月日摘要通过测试单水箱液位控制系统的特性，掌握单水箱阶跃响应测试方法，并记录相应液位的响应曲线。根据实验得到的液位阶跃响应曲线，用相关方法确定被测对象的特征参数T和传递函数。本文研究了实际单罐实验系统的模糊推理建模问题。首先，根据不同的实际背景，利用单罐模拟实际生产系统中的储液容器，设计了几个典型的实验。其次，采用模糊推理建模方法，对单罐液位控制实验系统的被控对象建立数学模型。最后，通过仿真实验得到了新模型的数据曲线，验证了模糊推理建模方法在实际系统中的可行性。关键词：单罐、液位控制、模糊控制、数字模型目录1.系统简介41.1现场总线控制系统简介41.1.1系统简介41.1.2系统组成6系统特征81.1.4系统软件81.2组态软件WINCC 9介绍2单罐特性测试92.1工作原理图102.2系统工作原理分析102.3控制系统流程图122.4实验内容和步骤132.5结果分析152.6实验曲线结果193.摘要204.参考文献211.系统介绍1.1现场总线控制系统介绍1.1.1系统介绍该现场总线控制系统是基于PROFIBUS和工业以太网通信协议的新一代过程控制系统，是对传统过程控制实验装置的升级。整个实验装置分为两部分：上层控制系统和控制对象。上层控制系统的流程如图1.1所示。图1.1上位控制系统流程图控制对象的总体外观如图1.2所示。图1.2控制对象的一般外观1.1.2系统组成该实验装置由被控对象和上位控制系统组成。系统的电源支路分为两路：一路由三相(380伏交流电)磁驱动泵、气动调节阀、DC电磁阀、功率放大器电磁流量计和手动调节阀组成。另一路由变频器、三相磁力驱动泵(220伏变频)、涡轮流量计和手动调节阀组成。1.受控对象受控对象由不锈钢储水箱、圆柱形有机玻璃水箱和塑料涂层不锈钢管道组成。水箱：包括上水箱和储水箱。上水箱采用浅蓝色圆柱形有机玻璃制成，不仅坚固耐用，而且透明度高，学生可以直接观察液位变化并记录结果。上水箱的尺寸为：d=25cm厘米，h=20cm厘米；水箱有三个水箱，即缓冲水箱、工作水箱和出水水箱。储水箱的尺寸为：长、宽、高=68厘米、52厘米和43厘米。储水箱内有两个椭圆形塑料过滤网盖，防止水进入两组电源支路时杂物进入泵内。管道：整个系统由涂塑不锈钢管制成，所有水阀均由优质球阀制成，完全避免了管道系统生锈的可能性。压力传感器和变送器：采用具有PROFIBUS-PA通信协议的西门子压力传感器和工业扩散硅压力变送器。扩散硅压力变送器包含不锈钢隔离膜片，采用信号隔离技术补偿传感器的温度漂移。压力传感器用于检测上水箱的液位，精度为0.5级。由于是双线系统，24V DC电源在运行时应串联。3.执行机构调节阀：西门子气动调节阀采用PROFIBUS-PA通信协议来调节控制回路的流量。它具有精度高、体积小、重量轻、驱动力大、耗油少、可靠性高、操作方便等优点。阀门的开启由中央处理器直接发送的数字信号控制。气动调节阀自动进行零点校正，使用和校正非常方便。变频器：本设备采用西门子变频器，带PROFIBUS-DP通信接口模块。输入电压为单相交流220伏，输出电压为三相交流220伏。水泵：该装置采用磁力驱动泵，型号为16CQ-8P，流量为32升/分钟，扬程为8米，功率为180瓦。泵体全部采用不锈钢制造，防止生锈，使用寿命长。一个是三相380伏恒压驱动，另一个是三相变频220伏输出驱动。移相可控硅调压装置：采用可控硅移相触发装置，输入控制信号为4-20mA标准电流信号。输出电压用于控制加热器的加热，从而控制锅炉的温度。电磁阀：在本装置中作为气动调节阀的旁路，起到阶跃干扰的作用。电磁阀型号：2W-160-25；工作压力：最小压力为0公斤/(-2)，最大压力为7公斤/(-2)；工作温度：-5 80。4.控制器控制器使用西门子S7300中央处理器，型号315-2DP。中央处理器不仅具有多点通信功能的MPI接口，还具有带PROFIBUS-DP通信功能的DP通信接口。5.空气压缩机用于为气动调节阀提供气源。电机的动力通过三角胶带驱动空气压缩机的曲轴转动。连杆带动活塞做往复运动，使气缸、活塞和阀组组成的封闭空间容积产生周期性变化，完成吸气、压缩和排气的空气压缩过程。压缩空气通过排气铜管和缠绕有散热片的单向阀进入储气罐。空气压缩机配有风量自动调节系统。当储气罐内的气压超过额定排气压力时，压力开关会自动切断电源，自动停止空气压缩机。当储气罐内的气压因使用外部设备而降至低于额定排气压力0.2-0.3兆帕时，气压开关将自动复位，空气压缩机将重新启动，以保持储气罐内的压缩空气压力在一定范围内。6.动力控制站(只有早期的控制系统需要依靠动力控制站，升级后的现场总线控制系统本身集成了动力控制部分)电源控制面板：充分考虑人身安全保护，带漏电保护空气开关、电压型漏电保护器和电流型漏电保护器。仪表综合控制台包含原始的常规控制系统。因为它保留了一个升级接口，所以它在总线控制系统中的功能是为上层控制系统提供信号。7.总线控制柜总线控制柜由以下部分组成：1.控制系统电源板：该板的主要功能是将工频交流220伏转换为直流24V，为主控单元和动力定位从站供电。2.控制站：控制站主要包括中央处理器、以太网通信模块、动力定位链路、分布式输入输出动力定位从站和变频器动力定位从站。3.温度变送器：功率放大器温度变送器将PT100的检测信号转换成数字量，然后传输到数字量接口。1.1.3系统特性1.受控参数全面，涵盖连续工业生产中的典型参数，如液位、压力、流量和温度。2.该装置由三部分组成：控制对象、集成的上位控制系统和上位监控计算机。3.作者5.被调节的参数可以在不同的电源、不同的执行器和不同的工艺管道下演化成不同的调节回路，以便于讨论和比较各种调节方案的优缺点。6.在设计系统时，这两个信号在此对象中相互耦合。两者都需要调整原独立调节系统的调节参数或进行解耦实验，以满足行业的实际性能要求。7、可以进行单变量到多变量控制系统和复杂过程控制系统的实验。8.各种控制算法和调节规则都可以在开放的实验软件平台上实现。1.1.4系统软件系统软件分为上位机软件和下位机软件。下位机软件采用西门子STEP7，上位机软件采用西门子WINCC。1.1.5设备的安全保护系统(只有早期控制系统有此电源控制部分，升级后的现场总线控制系统本身有集成电源控制部分)1.三相四线制总电源输入通过带漏电保护器的三相四线制断路器进入系统电源后，分为三相电源支路和不同的单相支路。每个分支为自己的负载供电。主电源配有通电指示器和三相指示器。2.控制面板的电源由接触器通过启动和停止按钮控制。屏幕上装有一套电压型漏电保护装置和一套电流型漏电保护装置。如果控制屏有漏电或输出强电(包括实验中的连接线)，报警并切断总电源以保证实验的安全。3.控制屏配有服务管理器(即计时器和报警记录器)，为教师评估学生的实验技能提供统一的标准。4.各种电源和仪表都有可靠的保护功能。5.实验高压连接插头采用封闭结构，防止触电事故。6、强弱电连接插头采用不同结构的插头，以防止强弱电插头混淆。这套控制系统的上位机监控软件采用西门子公司的上位机监控组态软件SIMATIC WINCC。1.2组态软件WINCC介绍WINCC是指Windows控制中心，它是一个监控系统，用于解决生产和过程自动化中的可视化和控制任务。它为工业图形显示、消息、存档和报表提供功能模板。高性能功能耦合、快速图像更新和可靠的数据交换使其非常实用。WINCC是基于Windows NT的32位操作系统。在Windows NT或Windows 2000标准环境下，WINCC具有强大的自动化过程控制功能。它基于个人电脑，具有极高性价比的运行监控系统。WINCC的显著特点是完全开放。结合用户的下位机程序，很容易建立人机界面，准确满足控制系统的要求。不仅如此，WINCC还建立了DDE、OLE等标准接口，实现了Windonws程序间的数据交换，可以轻松集成ActiveX控件、OPC服务器和客户端功能。WINCC软件是基于多种语言设计的，这意味着你可以选择多种语言，如中文、德语、英语等。2单罐特性测试通过测试单水箱液位控制系统的特性，掌握单水箱阶跃响应测试方法，并记录相应液位的响应曲线。根据实验得到的液位阶跃响应曲线，用相关方法确定被测对象的特征参数T和传递函数。2.1工作原理图图2-1单罐特性试验结构图2.2系统工作原理分析从图2-1可以看出，对象的控制量是水箱的液位h，控制量(输入量)是流入水箱的流量Q1，手动阀V1和V2的开度都是固定值，Q2是流出水箱的流量。根据物料平衡关系，处于平衡状态Q10-Q20=0 (1-1)动态时，有Q1-Q2=(1-2)其中v是存储Q1-Q2=A (1-4)基于Q2=，RS是阀门V2的液体阻力，那么上述公式可以改写为Q1-=A也就是说，索马里再次解放联盟h=KQ1或者写作=(1-5)其中，T=ARS，与水箱底部区域A和V2的RS相关；k=卢比.等式(1-5)是单个储罐的传递函数。如果Q1(S)=，R0=常数，则等式(2-5)可以改为H(S)=K-对上述公式进行拉普拉斯逆变换h(t)=KR0(1-e-t/T) (1-6)当t-，h()=KR0时，所以有K=h()/R0=输出稳态值/阶跃输入当t=T时，有h(T)=KR0(1-e-1)=0.632 KR0=0.632h()等式(1-6)表明一阶惯性环节的响应曲线是单调增加的指数函数，如图2-2所示。图2-2单罐单调上升指数曲线当通过实验获得图2-2所示的阶跃响应曲线时，对应于曲线稳态值的63%的时间是水箱的时间常数t。时间常数T也可以通过坐标原点与响应曲线相切，切线与稳定值的交点对应的时间为时间常数T。从响应曲线得到K和T后，可以得到单罐的传递函数，如公式(1-5)所示。图2-3单罐阶跃响应曲线如果对象的阶跃响应曲线如图2-3所示，则所有