单容水箱液位系统仿真与监控系统设计单回路前馈

1、过程控制综合实践小组报告设计任务：单容水箱液位系统仿真与监控系统设计（基于OPC）小组成员：方永江（组长）沈鹏邓伟宏指导老师：聂建英许亚岚许锋目录第一章 系统分析第一节工艺流程分析第二节对象特性分析第三节控制需求分析第二章 系统仿真研究与实时监控平台设计第一节系统仿真研究第二节实时监控平台设计第三章 控制系统设计与实现第一节控制系统设计第二节控制系统实现第四章 控制系统投运、参数整定与性能分析第一节控制系统投运第二节控制系统参数整定第三节控制系统性能分析第五章 控制系统设备选型与电气控制图绘制第一节控制系统设备选型第二节电气控制图绘制第六章 总结第一章系统分析第一节 工艺流程分析单回路水箱的原

2、理，系统的输入变量为进水阀门的开度，输出变量为水箱液位。单回路PID控制的被控制量是水位，控制量是进水阀门开度。通过调节PID控制器的比例增益、积分时间、微分时间三个参数得到比较好的控制效果。工艺流程图1-1为单容前馈-反馈水箱液位系统。单容水箱液位控制系统主要有以下几个基本环节组成：被控对象、液位测量变送器、控制器（计算机）、执行机构、水泵、储水箱。所要控制的为上水箱液位，控制变量为水箱液位高度，控制手段是调整上水箱入水阀门开度，操作变量为水流流量。在本设计中将泵2的流量当作干扰变量，通过加法器补偿到阀门控制信号上消除干扰，构成前馈。系统框图如图1-2.第二节 对象特性分析被控对象的动态特性

3、是指被控对象的输入发生变化时，其输出（被调量）随时间变化的规律。由于控制系统的设计方案是依据被控对象的动态特性进行的，特别是调节器参数的整定也是依据对象的动态特性进行的。分析被控对象的动态特性，可知被控对象控制的难易程度与调节过程的快慢。一、水箱建模如图2-1，设水箱的进水量为Q1，出水量为Q2，水箱的液面高度为h，出水阀V2固定于某一开度值。若Q1作为被控对象的输入变量，h为其输出变量，则该被控对象的数学模型就是h与Q1 之间的数学表达式。根据动态物料平衡关系有 （1）出口流量与液位的关系有 （2）二、稳态模型在稳态时，=；当发生变化时，液位h随之变化，阀处的静压也随之变化，也必然发生变化。

4、因此，单容液位水箱的稳态模型为即 三、动态模型流体在紊流情况下，液位h与流量之间为非线性关系。简化起见，经线性化处理，则可近似认为与成正比，与阀的阻力成反比，即 或 （3）式中，为阀的阻力，称为液阻。将式（3）代入式（2）可得（4）在零初始条件下，对上式求拉氏变换，得动态模型：（5）式中，T=R2C为水箱的时间常数，K=R2为过程的放大倍数。假令输入流量=，为常量，则输出液位的高度为： (6)即 （7）当t时， 因而有（8） 当t=T时，则有 （9）式（7）表示一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数，如图2-2所示。由式（9）可知该曲线上升到稳态值的63.2%所对应的时间，就是水箱的时间

5、常数T。该时间常数T也可以通过坐标原点对响应曲线作切线，此切线与稳态值的交点所对应的时间就是时间常数T图2-2 阶跃响应曲线由上图得（输入信号为50%阶跃至55%）：K=1.54 T=380第三节 控制需求分析利用Simulink在模型编辑窗口建立系统方框图模块，如下图1-3所示： 调试PID参数为Kp=0.01,Ki=100,Kd=0时得到较为理想的系统稳定曲线，如图1-4所示：添加前馈加法器：根据流量与阀门信号的对应关系，等效为线性关系，近似k=125.如需系统投运可以择情修正。第二章系统仿真研究与监控界面设计第一节系统仿真研究用matlab建立系统模型的实时仿真一、由之前的系统动态仿真模

6、型：，K=1.54 T=380matlab进行仿真，得出仿真结果如图2-3。二、系统校正用matlab数据拟合曲线验证模型的准确性，数据拟合出的曲线（蓝）建立模型后的曲线（红）图，如图2-4所示。最终整定，K=0.764 T=192第二节实时监控平台设计系统监控设计第三章控制系统设计与实现第一节控制系统设计3.1.1被控变量、操纵变量、扰动变量的选择被控变量为水箱液位操纵变量为阀门开度扰动变量为水箱入口流量3.1.2控制回路、控制算法、安全联锁与报警设计一、控制回路如图3-1所示二、控制算法：PID控制算法 通过PID控制手段使系统水箱液位从稳态值40%到稳态值50%。第二节控制系统实现王实现

7、控制系统利用我们自己绘制的组态王工程进行控制因为本实验需要实时监控下水箱液位和泵二的流量这两个变量，所以利用百特仪表得输入输出是不够的，所以需要A3000和上位机利用ADAM4751模块进行配置，在模块配置需要的软件有如下：Port Mapping Utility、ADAM4000 Utility、组态王。首先需要在计算机中用Port Mapping Utility软件扫描到实验A3000配置的com口（本实验是com6口）如下图然后用ADAM4000 Utility软件扫描ADAM4571中的A4017、A4024、A4050三个模块，并分别对它们进行配置此时在组态王中就可以定义变量监控A3

8、000的信号并且对A3000施加控制信号其中液位信号-AI0、流量信号-AI1、阀门信号-AO0。举例（流量信号）：最后实现监控第四章控制系统投运、参数整定与性能分析第一节控制系统投运1.总体运行：启动A3000设备，给泵1泵2供电，其中泵2提供的干扰流量通过西门子变频器420来控制，打开AS3020 DDC控制系统，将AI0连接到下水箱液位，AI1连接到与泵2相连的流量计上，AO0连接到阀门控制端。同时将下水箱挡板调节至5cm，打开计算机，启动组态王软件，运行单回路反馈-前馈工程即可实现对A3000的监控，并可以修改参数。2. MICROMASTER 420 变频器的使用：变频器通电后，液晶

9、屏在状态下，按，进入参数设置状态。按或键，直到显示P0700(其值为1时才能启用BOP面板控制)，按键，显示其参数值，按或键，修改其参数值为1，再次按键设定参数。同以上操作，修改P0003和P0004参数值为2。修改P0010参数值为1，进入快速调试模式。设定P1000参数值为1，表示用BOP操作面板控制。设定P1080和P1082参数值，分别为设置电动机频率的最小(0 Hz)、最大值(50Hz)。以上几个参数设置顺序可颠倒，设置完后，应将P0010设为0，进入准备运行状态。按或键，直到显示，按启动键，显示数值从0变化到5，此时变频器已启动，按键，设定频率为3050之间，可听到继电器动作。若将

10、水泵插线头接上，可以启动水泵运转。调节频率可随时改变干扰流量的大小。第二节控制系统参数整定1.衰减曲线法求反馈回路的PID控制参数：首先采用P1控制使系统从稳态40到稳态50，调节比例增益的大小，使响应曲线得到4:1的衰减比。根据公式，再做细微的调整，得到以下曲线。得到PID的反馈回路参数为P=9，Ti=33s，Ts=0.2. 用前馈补偿的方法求加法器的K值根据流量与阀门控制信号的关系，等效为线性关系，可得到k近似为125。第三节控制系统性能分析本课设的控制系统，采用反馈回路控制液位，前馈消除干扰。基本上能实现对水箱液位的控制盒监控，然而因为我们把水箱控制系统当成了线性控制系统，二阀门控制信号

11、并不是严格的线性关系，给我们的对象模型带来了一定的误差。所以如果本课设的系统如果要进行实际投运的话还要进一步的调整。第五章控制系统设备选型与电气控制图绘制第一节 控制系统设备选型A3000高级过程控制试验系统（AS3020 DDC控制系统）泵1（20PLB(R)18-10(Z)同泵2）的流量控制-MICROMASTER 420 变频器支路1流量测量LWGB-15涡轮流量变送器下水箱液位测量-FB0803CE2R支路2电动阀-ML7420A3055-E第二节 电气控制图绘制第六章总结在本次过程控制的课程设计中，我们选择的课设题目是单回路水箱液位反馈-前馈的监控与仿真，在拿到题目的时候我们以为因为

12、这方面的理论知识我们已经学过，我们课设的过程应该会比较简单。但是在实际的过程中我们还是碰到种种困难。首先最大的问题就是我们课设的时候总是有无从头绪，我们觉得原因有两个，第一是因为我们对实验装置的不熟悉，以及缺乏必要的动手经历。第二是因为我们在进行开工之前没有制定一个计划。这就导致我们浪费了一定的时间。在进行模块配置的时候，耗费了整整一天的时间，模块配置都是失败的，最后才发现是因为AS3020 DDC控制系统的开关没有打开，这个事情给我组最大的启发就是要细心。在进行课设的同时我们发现光是拥有理论知识是远远不够的，并且发现我们的理论知识也是不牢靠的。同时通过做课设，培养了我们动手能力，和计划安排的

13、能力，对我们的理论知识也是经受了一次洗礼。本设计用组态软件实现了水箱液位的监控，并且能够通过PID参数的设计达到控制液位的目的。本次设计，增加了我们对专业知识的认识和了解，尤其是过程控制和智能仪器知识的运用。经过大量相关资料的查阅，包括控制系统工作原理以及如何利用过程控制及智能调节器实现各种功能，我们不仅学会了许多知识，而且培养了我们独立解决问题的能力，同时在对硬件设计的过程中，巩固了我们的专业课知识，使我们受益匪浅。总之，通过本次设计不仅进一步强化了专业知识，还掌握了设计系统的方法、步骤等，为今后的工作和学习打下了坚实的基础。再者，对Matlab的使用更加得心应手，首先经过对资料的整理、理解

14、和消化，我们对自己的设计内容思路清晰了，仿真达到预期效果时，我就开始整理自己的思路，最终明确了参数的影响。达到了课设的目的。这次毕业设计不但巩固我所学的基础知识，而且提高我们的动手能力和动脑能力。所以总的来说，这次设计我们学到很多！参考资料：1蒋慰孙，俞金寿 过程控制工程 北京 中国石化出版社 19992潘海基于组态王的水箱液位控制系统设计 科技资讯 2009(26)3黄忠霖，黄京 控制系统MATLAB计算及仿真 北京国防工业出版社 20094北京 化学工业出版社 2006附录附录1用欧拉法编制计算机仿真程序：y0=0;T=380;K=1.54;Q1=49.9;t0=0;tf=100;h=0.5;n=round(tf-t0)/h);y=y0;t=t0;fori=1:n y1=y0+1/T*2