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 (1)

第2章系统总体设计方案 (2)

液位控制的实现 (2)

被控对象 (2)

水箱建模 (2)

第3章仪器设备 (5)

控制器 (5)

执行器 (5)

检测变送 (5)

第4章系统结构框图与工作原理 (7)

课设原理说明 (7)

PID控制原理 (7)

第5章 MCGS组态软件设计 (9)

第6章调试 (12)

第7章课程总结 (13)

第8章参考文献 (14)

课程设计评分表 (15)

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 12dh

Q Q C dt -= （2-1）

将式（2-1）表示为增量形式 12d h

Q Q C dt ∆∆-∆= （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 h R C h 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 1

0()(1)t T

h 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