基于组态王的单容水箱液位控制系统

内蒙古科技大学信息工程学院测控专业毕业实习报告

题目：基于组态王的单容水箱液位控制系统

学生姓名：

学号：

专业：测控技术与仪器

班级：测控2009-1

指导教师：李文涛教授

前言

随着科学技术的发展，现代工业生产中的控制问题也日趋复杂。在人们的生活中以及某些化工和能源的生产过程中，常常涉及一些液位或流量控制的问题。比如，在石油、化工、轻工等工业生产过程中，有许多贮罐作为原料、半成品的贮液罐，前一道工序的成品或半成品不断地流入下一道工序的贮液罐进行加工和处理，为保证生产过程能连续进行，必须对贮罐的液位进行控制。此外，居民生活用水的供应，通常需要使用蓄水池，蓄水池中的液位需要维持合适的高度。还有一些水处理的过程也需要对蓄水池中的液位实施控制。这些实际问题都可以抽象为某种水箱的液位控制。因此，液位控制系统是过程控制的重要研究模型，对液位控制系统的研究具有显著的理论和实际意义。

本课题主要以单容水箱作为研究对象，运用研华PCI1710及1720板卡进行单容水箱对象特性的测试，从而求得其数学模型，并利用MATLAB软件进行了控制系统的仿真及分析，并确定出一组合适的PID参数对其进行控制。其次，采用组态王进行系统监控，通过对调节器PID参数的整定，实现了水箱液位的闭环控制，使水箱液位稳定在设定值，满足设计要求。

一、总体方案设计

该设计方案硬件部分由计算机，水泵，电磁阀，液位变送器，PCI-1710与1720板卡组成，软件部分以组态王来实现编程控制。组态王通过从 PCI-1710与1720板卡两个I/ O模块与外界硬件设备通讯,对采集的数据进行处理来实时监控。系统启动后，水泵由水源抽水，通过管道将水送到上水箱，液位变送器测得水箱液位通过板卡PCI-1710转换为数字信号输入计算机，组态监控中心对测得信号进行处理，通过PID运算，输出控制信号由板卡PCI-1720进行D/A转换，传送给电磁阀，进而控制水的流量实现对水箱液位控制。系统方框图如图1.1所示。

图1.1系统方框图

二、单容水箱对象特性测试及分析

2.1被控对象动态特性概述

被控对象的动态特性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。研究动态特性的原因是控制系统的设计方案都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。从控制观点看，被控对象本质上都有相同之处，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。要评价一个系统的工作质量，只看稳态是不够的，还应看动态过程中被调量随时间的变化情况。因此，研究系统的动态特性就显得特别重要。

2.2被控对象数学模型的建立

建立被控对象数学模型的方法主要有三种，分别是机理法、实验法、机理法与实验法相结合的混合法。机理法根据被控过程的内部机理，运用已知的静态或动态平衡关系，用数学解析的方法求取被控过程的数学模型。实验法是先给被控过程人为地施加一个输入作用，然后记录过程的输出变化量，得到一系列实验数据或曲线，最后再根据输入－输出实验数据确定其模型的结构（包括模型形式、阶次与纯滞后时间等）与模型的参数。混合法是机理演绎法与实验辩识法相互交替使用的一种方法。

2.2.1机理法建立单容水箱的数学模型

从机理出发，依据物料平衡和能量平衡的关系，用理论的方法推导被控对象的数学模型。单容水箱的模型如下图2.1所示：

图2.1单容水箱模型图

其中：被控参数--h ；输入量--Qi ；干扰量--Qo

分析水位在调节阀1开度扰动下的动态特性，即确定h ～Qi 之间的数学关系

根据动态物料平衡关系，在任何时刻水位的变化均满足

在起始的稳定平衡工况下有如下关系式：

（式2-1）

（式2-2） 两式相减得增量形式的平衡方程: (式2-3)

假设 （式2-4） 则单容液位过程的微分方程增量式

Q R h dt

h d RA ∆=∆+∆ （式2-5）

传递函数为

1

1)()()(+=+==Ts R RCs R s Q s H s G i （式2-6） T--被控过程的时间常数T=RC;

K--被控过程的放大系数,K=R;

C--被控过程的容量系数，C=A

有些被控过程存在纯滞后，则具有纯滞后的单容过程相应的传递函数为

s i e Ts K s Q s H s G 01

)()()(τ-+== （式2-7） 其阶跃响应曲线与无滞后的曲线形状相同，只是在时间上推迟了0τ。

由此可见，用机理法建立数学模型的首要条件是被控过程的机理必须为人们

充分掌握，并且可以比较确切的加以数学描写。考虑到参数测量的准确性与复杂

性，排除机理法的使用。

2.2.2阶跃响应曲线法建立单容水箱的数学模型

阶跃响应曲线法是实验法的一种，即对被控对象施加一阶跃信号,并且阶跃响

()o i Q Q A

dt dh -=1()0010o i Q Q A -=()o i Q Q A

dt h d ∆-∆=∆1R h Q o ∆=∆

应获取应注意以下的问题：（1）合理选择阶跃扰动的幅度(一般约为额定负荷的

10%～20%)（2）实际阀门只能以有限速度移动（3）一般认为阶跃信号是在t1 /2

时加入（4）试验前确保被控对象处于稳定工况（5）考虑过程的非线性特性，应

进行多次测试。（6）若过程不允许同一方向扰动加入，则采用矩形脉冲扰动，可

从脉冲响应曲线求出所需的阶跃响应。

根据以上原则，经过多次测量，得出在阶跃扰动为稳态值的10%时，时间与

液位高度的对应关系如下表2.1所示(t=10输出无变化)：

表2.1液位过程的阶跃响应数据

由于是单容水箱，则其数学模型可以用一阶惯性环节加纯延迟的传递函数即

()s e T K s G τ-+=1

s （式2-8） 来近似，确定参数k 、T 、τ有两种方法：作图法、参数两点法。

用作图法求参数时需注意：（1）t1/2处为扰动起点（2）在s 型响应曲线

找拐点，并作切线。T 、τ值如下且x y k ∆=

∞ t Y

图2.2（a ）阶跃信号 图2.2（b ）一阶惯性环节加纯延迟

显然，用这种方法求直线效果是很差的。首先，与式（2-8）所对应的阶跃响

应是一条向后平移了τ时刻的指数曲线，它不可能完美的拟合成S 型的曲线，再

次，在做图中，切线的画法也有很大的随意性，这将直接关系到τ和T 的取值，

因此，参数的确定排除用此方法，选用参数两点法，首先，将响应曲线标幺 )

()(*∞=y t y y （式2-9） （式2-10） ()⎧⎪⎨⎛⎫*0t <τy t =t -τ