单容水箱液位系统仿真与监控系统设计(单回路+前馈)

过程限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：聂建英许亚岚许锋书目系统分析第一节工艺流程分析其次节对象特性分析第三节限制需求分析系统仿真探讨与实时监控平台设计第一节系统仿真探讨其次节实时监控平台设计限制系统设计与实现第一节限制系统设计其次节限制系统实现限制系统投运、参数整定与性能分析第一节限制系统投运其次节限制系统参数整定第三节限制系统性能分析限制系统设备选型与电气限制图绘制第一节限制系统设备选型其次节电气限制图绘制总结第一章系统分析工艺流程分析1.1.1限制原理单回路水箱的原理，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限制的被限制量是水位，限制量是进水阀门开度。通过调整PID限制器的比例增益、积分时间、微分时间三个参数得到比较好的限制效果。工艺流程图1-1为单容前馈-反馈水箱液位系统。单容水箱液位限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、限制器（计算机）、执行机构、水泵、储水箱。所要限制的为上水箱液位，限制变量为水箱液位高度，限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限制信号上消退干扰，构成前馈。系统框图如图1-2.对象特性分析被控对象的动态特性是指被控对象的输入发生变更时，其输出（被调量）随时间变更的规律。由于限制系统的设计方案是依据被控对象的动态特性进行的，特殊是调整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，可知被控对象限制的难易程度与调整过程的快慢。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。依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，=；当发生变更时，液位h随之变更，阀处的静压也随之变更，也必定发生变更。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状况下，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=1.54T=380限制需求分析利用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时得到较为志向的系统稳定曲线，如图1-4所示：添加前馈加法器：依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。其次章系统仿真探讨与监控界面设计第一节系统仿真探讨用matlab建立系统模型的实时仿真一、由之前的系统动态仿真模型：，K=1.54T=380用欧拉法编制计算机仿真程序如附录1.用matlab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精确性，程序如附录2.得数据拟合出的曲线（蓝）建立模型后的曲线（红）图，如图2-4所示。最终整定，K=0.764T=192其次节实时监控平台设计系统监控设计第三章限制系统设计与实现第一节限制系统设计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限制回路、限制算法、平安联锁与报警设计一、限制回路如图3-1所示二、限制算法：PID限制算法3.1.3测量点设计通过PID限制手段使系统水箱液位从稳态值40%到稳态值50%。其次节限制系统实现3.2.1利用组态王实现限制系统利用我们自己绘制的组态王工程进行限制因为本试验须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，所以须要A3000和上位机利用ADAM4751模块进行配置，在模块配置须要的软件有如下：PortMappingUtility、ADAM4000Utility、组态王。首先须要在计算机中用PortMappingUtility软件扫描到试验A3000配置的com口（本试验是com6口）如下图然后用ADAM4000Utility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A3000的信号并且对A3000施加限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）：最终实现监控第四章限制系统投运、参数整定与性能分析第一节限制系统投运1.总体运行：启动A3000设备，给泵1泵2供电，其中泵2供应的干扰流量通过西门子变频器420来限制，打开AS3020DDC限制系统，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连接到阀门限制端。同时将下水箱挡板调整至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.MICROMASTER420变频器的运用：变频器通电后，液晶屏在状态下，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面板限制)，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操作面板限制。设定P1080和P1082参数值，分别为设置电动机频率的最小(0Hz)、最大值(50Hz)。以上几个参数设置依次可颠倒，设置完后，应将P0010设为0，进入打算运行状态。按或键，直到显示，按启动键，显示数值从0变更到5，此时变频器已启动，按键，设定频率为30～50之间，可听到继电器动作。若将水泵插线头接上，可以启动水泵运转。调整频率可随时变更干扰流量的大小。其次节限制系统参数整定1.衰减曲线法求反馈回路的PID限制参数：首先采纳P1限制使系统从稳态40到稳态50，调整比例增益的大小，使响应曲线得到4:1的衰减比。依据公式P=1.2P1，TI=0.5Ts，再做微小的调整，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值依据流量与阀门限制信号的关系，等效为线性关系，可得到k近似为125。第三节限制系统性能分析本课设的限制系统，采纳反馈回路限制液位，前馈消退干扰。基本上能实现对水箱液位的限制盒监控，然而因为我们把水箱限制系统当成了线性限制系统，二阀门限制信号并不是严格的线性关系，给我们的对象模型带来了肯定的误差。所以假如本课设的系统假如要进行实际投运的话还要进一步的调整。第五章限制系统设备选型与电气限制图绘制限制系统设备选型A3000高级过程限制试验系统（AS3020DDC限制系统）泵1（20PLB(R)18-10(Z)同泵2）的流量限制-MICROMASTER420变频器支路1流量测量–LWGB-15涡轮番量变送器下水箱液位测量-FB0803CE2R支路2电动阀-ML7420A3055-E电气限制图绘制第六章总结在本次过程限制的课程设计中，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这方面的理论学问我们已经学过，我们课设的过程应当会比较简洁。但是在实际的过程中我们还是遇到种种困难。首先最大的问题就是我们课设的时候总是有无从头绪，我们觉得缘由有两个，第一是因为我们对试验装置的不熟识，以及缺乏必要的动手经验。其次是因为我们在进行开工之前没有制定一个支配。这就导致我们奢侈了肯定的时间。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，最终才发觉是因为AS3020DDC限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觉光是拥有理论学问是远远不够的，并且发觉我们的理论学问也是不牢靠的。同时通过做课设，培育了我们动手实力，和支配支配的实力，对我们的理论学问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参数的设计达到限制液位的目的。本次设计，增加了我们对专业学问的相识和了解，尤其是过程限制和智能仪器学问的运用。经过大量相关资料的查阅，包括限制系统工作原理以及如何利用过程限制及智能调整器实现各种功能，我们不仅学会了很多学问，而且培育了我们独立解决问题的实力，同时在对硬件设计的过程中，巩固了我们的专业课学问，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学问，还驾驭了设计系统的方法、步骤等，为今后的工作和学习打下了坚实的基础。再者，对Matlab的运用更加得心应手，首先经过对资料的整理、理解和消化，我们对自己的设计内容思路清楚了，仿真达到预期效果时，我就起先整理自己的思路，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学问，而且提高我们的动手实力和动脑实力。所以总的来说，这次设计我们学到很多！参考资料：[1]蒋慰孙，俞金寿过程限制工程北京中国石化出版社1999[2]潘海基于组态王的水箱液位限制系统设计科技资讯2009(26)[3]黄忠霖，黄京限制系统MATLAB计算及仿真北京国防工业出版社2009[4]吴祚武.液位限制系统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:ny1=y0+1/T*2