单容水箱液位控制

湖南工程学院课 程 设 计课程名称 专业综合课程设计 课题名称 单容水箱液位控制,专 业班 级学 号姓 名指导教师2014年6月23日湖南工程学院课程设计任务书/课程名称专业综合课程设计课题单容水箱液位控制专业班级学生姓名学号指导老师审批&任务书下达日期2014年6月23日任务完成日期2014年7月4日目录第1章设计目的 0第2章系统总体设计方案 (1)~液位控制的实现 (1)被控对象 (1)水箱建模 (1)第3章仪器设备 (4)控制器 (4)执行器 (4)检测变送 (4)第4章系统结构框图与工作原理 (6)课设原理说明 (6)PID控制原理 (6)*第5章MCGS组态软件设计 (8)第6章调试 (11)第7章课程总结 (12)第8章参考文献 (13)课程设计评分表 (14)"第1章设计目的课程设计旨在使学生在深入消化课堂教学内容的基础上，综合应用所学课程的基本原理与方法，解决实际设计与应用问题，提高学生分析问题与解决问题的能力，并在设计工作中，学会查阅资料、系统设计、调试与分析、撰写报告等，达到综合能力培养的目的。

1.根据自动控制系统的设计要求，学会方案比较和论证，初步掌握工程设计的基本方法；2.掌握各种变送器以及自动化仪表的工作原理和调校；3.掌握自动控制系统集成技术；4.掌握控制系统的通信技术，学会PCI数据采集卡或远程数据采集模块的应用；5.应用MCGS软件，学会控制算法的设计和调试；6.熟悉MCGS组态软件，学会监控界面、通信驱动程序等的设计；7.提高总结归纳、撰写设计报告的能力，应当规范、有条理、充分、清楚地论述设计内容和调试成果。

第2章系统总体设计方案液位控制的实现本设计中以液位控制系统的水箱作为研究对象，水箱的液位为被控制量，选择了出水阀门作为控制系统的执行机构。

本设计首先由差压传感器检测出水箱水位；水位实际值通过A/D转换器进行A/D转换，变成数字信号后，被输入计算机中；最后，在计算机中，根据水位给定值与实际输出值之差，利用PID程序算法得到输出值，再将输出值传送通过D/A转换器转换成模拟信号,控制交流变频器，进而控制电机转速，从而形成一个闭环系统，实现水位的计算机自动控制。

被控对象本设计探讨的是单容水箱的液位控制问题。

单容水箱的流量特性：水箱的出水量与水压有关，而水压又与水位高度近乎成正比。

这样，当水箱水位升高时，其出水量也在不断增大。

所以，若阀2V开度适当，在不溢出的情况下，当水箱的进水量恒定不变时，水位的上升速度将逐渐变慢，最终达到平衡。

由此可见，单容水箱系统是一个自衡系统。

水箱建模这里研究的被控对象只有一个，那就是单容水箱（图2-3）。

要对该对象进行较好的计算机控制，有必要建立被控对象的数学模型。

正如前面提到的，单容水箱是一个自衡系统。

根据它的这一特性，我们可以用阶跃响应测试法进行建模。

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 12dhQ Q Cdt -= （2-1）将式（2-1）表示为增量形式12d hQ Q Cdt ∆∆-∆= （2-2）式中，1Q ∆、2Q ∆、h ∆——分别为偏离某一平衡状态10Q 、20Q 、0h 的增量；C ——水箱底面积。

在静态时，1Q =2Q ；dh dt =0；当1Q 发生变化时，液位h 随之变化，阀2V 处的静压也随之变化，2Q 也必然发生变化。

由流体力学可知，流体在紊流情况下，液位h 与流量之间为非线性关系。

但为简化起见，经线性化处理，则可近似认为1Q ∆与h ∆成正比，而与阀2V 的阻力2R 成反比，即22h Q R ∆∆=或22h R Q ∆=∆ （2-3）式中，2R 为阀2V 的阻力，称为液阻。

将式（2-3）代入式（2-2）可得221d hR Ch R Q dt ∆+∆=∆ （2-4）在零初始条件下，对上式求拉氏变换，得：2012()()()11R H s K G s Q s R Cs Ts ===++ （2-5）式中，T=R2C 为水箱的时间常数（注意：阀V2的开度大小会影响到水箱的时间常数），K=R2为过程的放大倍数。

令输入流量1()Q s =0/R s ，0R 为常量，则输出液位的高度为：000()(1)1/KR KR KR H s s Ts s s T ==-++ (2-6)即 10()(1)t Th t KR e -=- （2-7） 当t →∞时，0()h KR ∞= 因而有0()h K R ∞==输出稳态值阶跃输入（2-8）当t=T 时，则有100()(1)0.6320.632()h T KR e KR h -=-==∞ （2-9）式（2-7）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（2-9）可知该曲线上升到稳态值的%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 。

0.63h h h 图2-3 阶跃响应曲第3章仪器设备控制器直接数字控制(Direct Digit Control)，简称为DDC系统，是用一台计算机对被控参数进行检测，再根据设定值和控制算法进行运算，然后输出到执行机构对生产进行控制，使被控参数稳定在给定值上。

利用计算机的分时处理功能直接对多个控制回路实现多种形式控制的多功能数字控制系统。

主要模块：1：D/A模块：采用7024模块。

四路模拟输出，电流0～20mA，电压1~5V。

2：A/D模块：采用7017模块，八路模拟电压1~5V的输入3：通讯模块：采用485/232转换模块，转速极高，可长距离。

执行器电动调节阀案工作方式可以分为气动，电动，液动三种，本系统将采用电动调节阀为执行器。

电动调节阀电动调节阀的流量特性，是在阀两端压差保持恒定的条件下，介质流经电动调节阀的相对流量与它的开度之间关系。

接受驱动器信号（0-10V或4-20MA）来控制阀门进行调节，也可根据控制需要，组成智能化网络控制系统，优化控制实现远程监控。

水泵在水泵的出口装压力变送器，与变送器一起构成恒压供水系统。

检测变送液位传感器用静压测量原理：当液位变送器投入到被测液体中某一深度时，传感器迎液面受到的压强公式为：Ρ = ρ . + Po式中：P ：变送器迎液面所受压强ρ：被测液体密度g ：当地重力加速度Po ：液面上大气压H ：变送器投入液体的深度同时，通过导气不锈钢将液体的压力引入到传感器的正压腔，再将液面上的大气压Po 与传感器的负压腔相连，以抵消传感器背面的Po ，使传感器测得压力为：ρ . ，显然, 通过测取压强P ，可以得到液位深度。

功能特点：1稳定性好，满度、零位长期稳定性可达%FS/ 年。

在补偿温度0 ～70 ℃范围内，温度飘移低于%FS ，在整个允许工作温度范围内低于%FS 。

2具有反向保护、限流保护电路，在安装时正负极接反不会损坏变送器，异常时送器会自动限流在35MA 以内。

3固态结构，无可动部件，高可靠性，使用寿命长。

第4章系统结构框图与工作原理课设原理说明单容水箱液位定值控制系统如下：a) 系统结构图b)方框图图4-1 上水箱单容液位定值控制系统本实验系统结构图和方框图如图所示。

被控量为上水箱的液位高度，实验要求它的液位稳定在给定值。

将压力传感器检测到的上水箱液位信号作为反馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节器控制气动调节阀的开度，以达到控水箱液位的目的。

为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制，系统的调节器应为PI或PID控制。

PID控制原理一般，在控制系统中，控制器最常用的控制规律是PID控制。

常规PID 控制系统原理框图如图3-1所示。

系统由模拟PID控制器和被控对象组成。

PID 控制器是一种线性控制器，它是根据给定值r(t)与实际输出值c(t)构成控制偏差()()()e t r t c t =- (3-1) 将偏差的比例（P ）、积分（I ）和微分（D ）通过线性组合可以构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID 控制器。

它的控制规律为()1()()()tD P I T de t u t K e t e t dt T dt ⎡⎤=++⎢⎥⎣⎦⎰(3-2)写成传递函数形式为()1()(1)()P D I U s G s K T s E s T s ==++ (3-3)式中 P K ——比例系数； I T ——积分时间常数； D T ——微分时间常数；图3-1 模拟PID 制系统原理框图第5章MCGS组态软件设计应用MCGS组态软件建立单容水箱液位定值控制系统，以下是部分组建过程：进入MCGS组态环境。

在菜单文件中选择新建工程菜单项，生成新建工程。

主要内容包括：定义工程名称、封面窗口名称和启动窗口（封面窗口退出后接着显示的窗口）名称，指定存盘数据库文件的名称以及存盘数据库，设定动画刷新的周期。

经过此步操作，即在MCGS 组态环境中，建立了由五部分组成的工程结构框架。

封面窗口和启动窗口也可等到建立了用户窗口后，再行建立。

新建立工程，工程需存放在MCGS子目录WORK的目录下，否则工程无法运行。

添加对象元件：添加百分比填充构建，并修改其属性：添加按钮构建：工程组态好后，最终效果图如下：第6章调试1）给定设定值，利用调节器的手动操作开关把被控制量“手动”调到等于给定值，观察计算机显示屏上的曲线，待被调参数基本达到给定值后，即可将调节器切换到纯比例自动工作状态（积分时间常数设置于最大，积分、微分作用的开关都处于“关”的位置）；2）固定比例度δ值，改变PI调节器的积分时间常数值Ti，然后观察加阶跃扰动后被调量的输出波形，使静差减小。

3）在PI调节器控制实验的基础上，调节微分，使系统的输出响应为一条较满意的过渡过程曲线得到如下曲线适当改变上小水箱出水阀开度（改变负载）结果分析：稳定后的系统对于突发的扰动具有良好的跟随抵消作用，使系统在较快的时间内恢复液位的给定值，已达到较满意的控制目的。

第7章课程总结本次课程设计给我带来了不一样的收获。

短短两周的时间里，锻炼了我主动动手解决问题和设计性思维的能力，将理论应用于实践中确实并非易事，刚接触单容水箱液位控制这个课题的时候，感觉很简单，但在具体操作中还是遇到了不少问题，首先是MCGS组态软件的应用，由于不熟悉操作，进程缓慢，还有，就是对于过程控制的基础知识不扎实，在设计时出现各种各样的本可以避免的小错误。

接着，是拥有一定的编写报告的能力，感觉报告也是一个让人头疼的问题。

在这次基于MCGS组态软件的开发应用的课设中，单容水箱液位控制我们结合之前“过程控制”的课堂教学内容及实验经验，又进一步地设计工作、调试与分析，并一一解决了实际设计与应用问题。