雙容水箱液位串級控制系統(tǒng)的設(shè)計

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1、目錄摘要1Abstract:21概述31.1過程控制介紹31.2液位串級控制系統(tǒng)介紹41.3MATLAB軟件介紹41.4MCGS組態(tài)軟件介紹52被控對象建模72.1水箱模型分析72.2階躍響應(yīng)曲線法建立模型73系統(tǒng)控制方案設(shè)計與仿真133.1PID控制原理133.2系統(tǒng)控制方案設(shè)計153.2控制系統(tǒng)仿真164建立儀表過程控制系統(tǒng)204.1過程儀表介紹204.2儀表過程控制系統(tǒng)的組建214.3儀表過程控制系統(tǒng)調(diào)試運行245建立計算機過程控制系統(tǒng)265.1計算機過程控制系統(tǒng)硬件設(shè)計265.2MCGS軟件工程組態(tài)285.3計算機過程控制系統(tǒng)調(diào)試運行386結(jié)論40137雙容水箱液位串級控制系

2、統(tǒng)的設(shè)計摘要：本論文的目的是設(shè)計雙容水箱液位串級控制系統(tǒng)。在設(shè)計中充分利用自動化儀表技術(shù)，計算機技術(shù)，通訊技術(shù)和自動控制技術(shù)，以實現(xiàn)對水箱液位的串級控制。首先對被控對象的模型進行分析，并采用實驗建模法求取模型的傳遞函數(shù)。其次，根據(jù)被控對象模型和被控過程特性設(shè)計串級控制系統(tǒng)，采用動態(tài)仿真技術(shù)對控制系統(tǒng)的性能進行分析。然后，設(shè)計并組建儀表過程控制系統(tǒng)，通過智能調(diào)節(jié)儀表實現(xiàn)對液位的串級PID控制。最后，借助數(shù)據(jù)采集模塊﹑MCGS組態(tài)軟件和數(shù)字控制器，設(shè)計并組建遠程計算機過程控制系統(tǒng)，完成控制系統(tǒng)實驗和結(jié)果分析。關(guān)鍵詞：液位模型PID控制儀表過程控制系統(tǒng)計算機過程控制系統(tǒng)1.2液位串級控制系

3、統(tǒng)介紹在工業(yè)實際生產(chǎn)中，液位是過程控制系統(tǒng)的重要被控量，在石油﹑化工﹑環(huán)保﹑水處理﹑冶金等行業(yè)尤為重要。在工業(yè)生產(chǎn)過程自動化中，常常需要對某些設(shè)備和容器的液位進行測量和控制。通過液位的檢測與控制，了解容器中的原料﹑半成品或成品的數(shù)量，以便調(diào)節(jié)容器內(nèi)的輸入輸出物料的平衡，保證生產(chǎn)過程中各環(huán)節(jié)的物料搭配得當。通過控制計算機可以不斷監(jiān)控生產(chǎn)的運行過程，即時地監(jiān)視或控制容器液位，保證產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。如果控制系統(tǒng)設(shè)計欠妥，會造成生產(chǎn)中對液位控制的不合理，導(dǎo)致原料的浪費﹑產(chǎn)品的不合格，甚至造成生產(chǎn)事故，所以設(shè)計一個良好的液位控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中有著重要的實際意義。在液位串級控制系統(tǒng)的設(shè)計中將以

4、THJ-2高級過程控制實驗系統(tǒng)為基礎(chǔ)，展開設(shè)計控制系統(tǒng)及工程實現(xiàn)的工作。雖然是采用傳統(tǒng)的串級PID控制的方法，但是將利用智能調(diào)節(jié)儀表﹑數(shù)據(jù)采集模塊和計算機控制來實現(xiàn)控制系統(tǒng)的組建，努力使系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)性能，改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。1372被控對象建模在控制系統(tǒng)設(shè)計工作中，需要針對被控過程中的合適對象建立數(shù)學(xué)模型。被控對象的數(shù)學(xué)模型是設(shè)計過程控制系統(tǒng)、確定控制方案、分析質(zhì)量指標、整定調(diào)節(jié)器參數(shù)等的重要依據(jù)。被控對象的數(shù)學(xué)模型（動態(tài)特性）是指過程在各輸入量（包括控制量和擾動量）作用下，其相應(yīng)輸出量（被控量）變化函數(shù)關(guān)系的數(shù)學(xué)表達式。在液位串級控制系統(tǒng)中，我們所關(guān)心的是如何控制好水箱的液位

5、。上水箱和下水箱是系統(tǒng)的被控對象，必須通過測定和計算他們模型，來分析系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能、動態(tài)特性，為其他的設(shè)計工作提供依據(jù)。上水箱和下水箱為THJ-2高級過程控制實驗裝置中上下兩個串接的有機玻璃圓筒形水箱，另有不銹鋼儲水箱負責供水與儲水。上水箱尺寸為：d=25cm,h=20cm;下水箱尺寸為：d=35cm,h=20cm，每個水箱分為三個槽：緩沖槽、工作槽、出水槽。2.1水箱模型分析Q112Q2Ah圖2.1液位被控過程簡明原理圖系統(tǒng)中上水箱和下水箱液位變化過程各是一個具有自衡能力的單容過程。如圖，水箱的流入量為Q1，流出量為Q2，通過改變閥1的開度改變Q1值，改變閥2的開度可以改變Q2值。

6、液位h越高，水箱內(nèi)的靜壓力增大,Q2也越大。液位h的變化反映了Q1和Q2不等而導(dǎo)致水箱蓄水或瀉水的過程。若Q1作為被控過程的輸入量，h為其輸出量，則該被控過程的數(shù)學(xué)模型就是h與Q1之間的數(shù)學(xué)表達式。根據(jù)動態(tài)物料平衡，Q1-Q2=A(dh/dt)；△Q1-△Q2=A(d△h/dt)在靜態(tài)時，Q1=Q2，dh/dt=0；當Q1發(fā)生變化后，液位h隨之變化，水箱出口處的靜壓也隨之變化，Q2也發(fā)生變化。由流體力學(xué)可知，液位h與流量之間為非線性關(guān)系。但為了簡便起見，做線性化處理得Q2=△h/R2，經(jīng)拉氏變換得單容液位過程的傳遞函數(shù)為W0(s)=H(s)/Q1(s)=R2/(R2Cs+1)=K/(

7、Ts+1)注：△Q1﹑△Q2﹑△h:分別為偏離某一個平衡狀態(tài)Q10﹑Q20﹑h0的增量。R2:閥2的阻力A:水箱截面積T:液位過程的時間常數(shù)(T=R2C)K:液位過程的放大系數(shù)(K=R2)C:液位過程容量系數(shù)137圖2.2水箱模型測定原理圖3．求取上水箱模型傳遞函數(shù)在MATLAB的命令窗口輸入曲線擬合指令：>>x=0:30:420；>>y=[06.8811.6315.0717.719.6921.1521.9422.5523.4423.6323.8424.1