單容水箱控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　目錄</b></p><p>　　1.單容水箱設(shè)備組成及其工藝1</p><p>　　1.1單容水箱設(shè)備的組成1</p><p>　　1.2單容水箱設(shè)備的工作原理1</p><p>　　1.3液位控制系統(tǒng)中的PID算法控制2</p><p>　　2.單容水箱控

2、制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)4</p><p>　　2.1 電氣原理圖的設(shè)計(jì)4</p><p>　　3.單容水箱控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)5</p><p>　　3.1 通信組態(tài)5</p><p>　　3.2 變量組態(tài)6</p><p>　　3.3 畫面組態(tài)6</p><p><b>　　4.

3、調(diào)試8</b></p><p>　　4.1 單容水箱控制系統(tǒng)調(diào)試8</p><p>　　4.2液位、流量串級(jí)控制系統(tǒng)調(diào)試8</p><p><b>　　5.技術(shù)小結(jié)10</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)11</b></p><p>　　1.單

4、容水箱設(shè)備組成及其工藝</p><p>　　1.1單容水箱設(shè)備的組成</p><p>　　單容水箱設(shè)備主要由以下幾部分組成：</p><p>　　液位變送器：液位傳感器是用來(lái)上位水箱和下位水箱的液位進(jìn)行檢測(cè)，采用工業(yè)用的DBYG擴(kuò)散硅壓力變送器，本變送器按標(biāo)準(zhǔn)的二線制傳輸，采用高品質(zhì)，低功耗精密器件，穩(wěn)定性和可靠性大大提高。本傳感器精度為0.5級(jí)，因?yàn)槎€制，故工作

5、時(shí)需串聯(lián)24V直流電源。</p><p>　　電動(dòng)調(diào)節(jié)閥：調(diào)節(jié)閥用于調(diào)節(jié)介質(zhì)的流量、壓力和液位。根據(jù)調(diào)節(jié)部位信號(hào)，自動(dòng)控制閥門的開度，從而達(dá)到介質(zhì)流量、壓力和液位的調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)閥分電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥和液動(dòng)調(diào)節(jié)閥等。調(diào)節(jié)閥由電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)或氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)閥兩部分組成。調(diào)節(jié)并通常分為直通單座式和直通雙座式兩種，后者具有流通能力大、不平衡辦小和操作穩(wěn)定的特點(diǎn)，所以通常特別適用于大流量、高壓降和泄漏少的場(chǎng)合。<

6、/p><p>　　變頻器：變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。變頻器實(shí)際上就是一個(gè)逆變器。它首先是將交流電變?yōu)橹绷麟?，然后用電子元件?duì)直流電進(jìn)行開關(guān)，變?yōu)榻涣麟?。一般功率較大的變頻器用可控硅，并設(shè)一個(gè)可調(diào)頻率的裝置，使頻率在一定范圍內(nèi)可調(diào)，用來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)，使轉(zhuǎn)數(shù)在一定的范圍內(nèi)可調(diào)。變頻器廣泛用于交流電機(jī)的調(diào)速中，變頻調(diào)速技術(shù)是現(xiàn)代電力傳動(dòng)技術(shù)重要發(fā)展的方向，隨著電力電子技術(shù)

7、的發(fā)展，交流變頻技術(shù)從理論到實(shí)際逐漸走向成熟。變頻器不僅調(diào)速平滑，范圍大，效率高，啟動(dòng)電流小，運(yùn)行平穩(wěn)，而且節(jié)能效果明顯，所以應(yīng)用越來(lái)越廣泛。</p><p>　　水泵：水泵是一種利用大氣壓強(qiáng)將低處的水汲往高處的機(jī)器,多半是以電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力。抽水的電動(dòng)機(jī)泵通常把提升液體、輸送液體或使液體增加壓力 , 即把原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能變?yōu)橐后w能量從而達(dá)到抽送液體目的的機(jī)器統(tǒng)稱為泵。在水泵出水口裝有壓力變送器，與變頻器一起可構(gòu)成恒

8、壓供水系統(tǒng)。</p><p>　　模擬量輸入模塊：模擬量輸入模塊可測(cè)量多通道交流電壓、電流輸入信號(hào)。</p><p><b>　　模擬量輸出模塊。</b></p><p>　　1.2單容水箱設(shè)備的工作原理</p><p>　　本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的被控量為上小水箱的液位高度，實(shí)驗(yàn)要求中水箱的液位穩(wěn)定在給定值。將壓力傳感器檢測(cè)到的上

9、小水箱液位信號(hào)作為反饋信號(hào)，在與給定量比較后的差值通過調(diào)節(jié)器控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度，以達(dá)到控制水箱液位的目的。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在階躍給定和階躍擾動(dòng)作用下的無(wú)靜差控制，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器應(yīng)為PI或PID控制。</p><p>　　首先由差壓傳感器檢測(cè)出水箱水位；水位實(shí)際值通過單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，變成數(shù)字信號(hào)后，被輸入計(jì)算機(jī)中；最后，在計(jì)算機(jī)中，根據(jù)水位給定值與實(shí)際輸出值之差，利用PID程序算法得到輸出值，再將輸出值傳送到單片

10、機(jī)中，由單片機(jī)將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)。最后，由單片機(jī)的輸出模擬信號(hào)控制交流變頻器，進(jìn)而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而形成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水位的計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制。</p><p>　　本設(shè)計(jì)探討的是單容水箱的液位控制問題。為了能更好的選取控制方法和參數(shù)，有必要知道被控對(duì)象—上水箱的結(jié)構(gòu)和特性。水箱的出水量與水壓有關(guān)，而水壓又與水位高度近乎成正比。這樣，當(dāng)水箱水位升高時(shí)，其出水量也在不斷增大。所以，若閥開度適當(dāng)，在不溢出的情況

11、下，當(dāng)水箱的進(jìn)水量恒定不變時(shí)，水位的上升速度將逐漸變慢，最終達(dá)到平衡。由此可見，單容水箱系統(tǒng)是一個(gè)自衡系統(tǒng)。</p><p>　　這里研究的被控對(duì)象只有一個(gè)，那就是單容水箱。要對(duì)該對(duì)象進(jìn)行較好的計(jì)算機(jī)控制，有必要建立被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。正如前面提到的，單容水箱是一個(gè)自衡系統(tǒng)。根據(jù)它的這一特性，我們可以用階躍響應(yīng)測(cè)試法進(jìn)行建模。</p><p>　　1.3液位控制系統(tǒng)中的PID算法控制<

12、;/p><p>　　本設(shè)計(jì)采用的是工業(yè)控制中最常用的PID控制規(guī)律，內(nèi)環(huán)與外環(huán)的控制算法采用PID算法，PID算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，控制效果好，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，外環(huán)PID的輸出作為內(nèi)環(huán)的輸入，內(nèi)環(huán)跟隨外環(huán)的輸出。在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，參數(shù)易于調(diào)整，在長(zhǎng)期的應(yīng)用中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。其常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖1-3所示。</p>

13、;<p>　　圖1-3 PID控制系統(tǒng)原理框圖 </p><p>　　PID控制器是一種線性控制器，它是根據(jù)給定值r(t)與實(shí)際輸出值c(t)構(gòu)成控制偏差。</p><p><b>　?。?-1)</b></p><p>　　將偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過線性組合可以構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，故稱PID控制

14、器。它的控制規(guī)律為</p><p><b>　　(1-2)</b></p><p><b>　　寫成傳遞函數(shù)形式為</b></p><p><b>　　(1-3)</b></p><p>　　式中為比例系數(shù)；為積分時(shí)間常數(shù)；為微分時(shí)間常數(shù)。</p><p&g

15、t;　　2.單容水箱控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　2.1 電氣原理圖的設(shè)計(jì)</p><p>　　根據(jù)選定的拖動(dòng)方案及控制方式設(shè)計(jì)系統(tǒng)的原理框圖，擬訂出各部分的主要技術(shù)要求和主要技術(shù)參數(shù)。根據(jù)各部分的要求，設(shè)計(jì)出原理框圖中各個(gè)部分的具體電路。對(duì)于每一部分的設(shè)計(jì)總是按主電路、控制電路、輔助電路、聯(lián)鎖與保護(hù)、總體檢查，反復(fù)修改與完善的步驟進(jìn)行。繪制總原理圖。按系統(tǒng)框圖結(jié)構(gòu)將各部分聯(lián)成一

16、個(gè)整體。正確選用原理線路中每一個(gè)電器元件，并制訂元器件目錄清單。</p><p>　　這次電氣原理圖的設(shè)計(jì)我主要負(fù)責(zé)變頻器的接線圖的設(shè)計(jì)。其原理圖如下圖2-1所示。</p><p>　　圖2-1 變頻器接線圖</p><p>　　3.單容水箱控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)</p><p><b>　　3.1 通信組態(tài)</b><

17、/p><p>　　通信組態(tài)軟件是隨SCADANT系統(tǒng)一起發(fā)行的重要組件，是項(xiàng)目開始的第一步。在這里將完成通信口、單元的創(chuàng)建及配置，模擬量、開關(guān)量、電度、保護(hù)定值、SOE事件、操作等成員的運(yùn)行參數(shù)設(shè)定。本軟件采用可視化設(shè)計(jì)方法，鼠標(biāo)拖拉操作風(fēng)格，使原本復(fù)雜難懂的系統(tǒng)管理任務(wù)變得十分輕松自如。</p><p>　　通信組態(tài)軟件的可執(zhí)行程序?yàn)椤癈:\SCADANT\DLLEXE\ComEdit.EX

18、E”，設(shè)定的結(jié)果保存在數(shù)據(jù)文件“C:\SCADANT\SYSTEM\CONFIG\通信管理器.DAT”中，用戶不能通過文本編輯軟件對(duì)數(shù)據(jù)文件進(jìn)行修改。</p><p>　　新建工程項(xiàng)目。然后選擇設(shè)備，COM1。然后再工作區(qū)選擇“新建”。雙擊，在設(shè)備配置向?qū)Аa(chǎn)廠家、設(shè)備名稱、通訊方式窗口中選擇串口。選擇下一步，然后設(shè)置邏輯名稱下水箱，如圖3-1-1所示。</p><p>　　圖3-1-1

19、 邏輯名稱的設(shè)定</p><p>　　選擇“下一步”。然后設(shè)置串口號(hào)，依據(jù)計(jì)算機(jī)的通訊端口來(lái)選擇。單擊“下一步”，然后設(shè)置地址，首先設(shè)置內(nèi)給定儀表，所以設(shè)定地址1，如圖3-1-2所示。</p><p>　　圖3-1-2 設(shè)備地址設(shè)置</p><p>　　單擊“下一步”，設(shè)置通訊參數(shù)，不需要改變?nèi)魏螀?shù)。單擊“完成”，就可以看到整個(gè)設(shè)置的參數(shù)。</p>

20、<p><b>　　3.2 變量組態(tài)</b></p><p>　　變量的類別分為：中間變量、數(shù)據(jù)庫(kù)變量、間接變量、系統(tǒng)變量。</p><p>　　選擇工程瀏覽器左側(cè)大綱項(xiàng)“數(shù)據(jù)庫(kù)\數(shù)據(jù)詞典”，在工程瀏覽器右側(cè)用鼠標(biāo)左鍵雙擊“新建”圖標(biāo)，彈出“變量屬性”對(duì)話框。此對(duì)話框可以對(duì)數(shù)據(jù)變量完成定義、修改等操作，以及數(shù)據(jù)庫(kù)的管理工作。在“變量名”處輸入變量名pv，如

21、圖3-2-1所示。</p><p>　　圖3-2-1 定義變量</p><p>　　對(duì)上述所做的步驟分別對(duì)SV，MV，p，i，d，等參數(shù)定義。如圖3-2-2所示。</p><p>　　圖3-2-2 參數(shù)定義</p><p>　　PV是測(cè)量值，SV是設(shè)定值，MV是輸出值。P是比例帶，i是比例積分，d是比例微分。</p><

22、p><b>　　3.3 畫面組態(tài)</b></p><p>　　針對(duì)單容水箱液位定值控制系統(tǒng)的畫面組態(tài)如圖3-3-1所示。</p><p>　　圖3-3-1單容水箱液位定值控制系統(tǒng)的畫面組態(tài)圖</p><p>　　創(chuàng)建組態(tài)畫面：使用工程管理器新建一個(gè)組態(tài)王工程后，進(jìn)入組態(tài)王工程瀏覽器， 單擊工程瀏覽器左邊“工程目錄顯示區(qū)”中“畫面”項(xiàng)，右面

23、“目錄內(nèi)容顯示區(qū)”中顯示“新建”圖標(biāo)，鼠標(biāo)雙擊該圖標(biāo)，彈出“新畫面”對(duì)話框，如圖3-3-2所示。</p><p>　　圖3-3-2 新畫面</p><p>　　在對(duì)話框中可定義畫面的名稱、大小、位置、風(fēng)格，及畫面在磁盤上對(duì)應(yīng)的文件名。該文件名可由“組態(tài)王”自動(dòng)生成，工程人員可以根據(jù)自己的需要進(jìn)行修改。輸入完成后單擊“確定”按鈕使當(dāng)前操作有效，或單擊“取消”按鈕放棄當(dāng)前操作。這樣就建立一個(gè)畫

24、面名稱為“單容水箱液位測(cè)試實(shí)驗(yàn)”的新畫面。</p><p><b>　　畫面編輯命令。</b></p><p>　　畫面制作：每次打開一個(gè)原有畫面或建立一個(gè)新畫面時(shí)，圖形編輯工具箱都會(huì)自動(dòng)出現(xiàn)。工具箱提供了許多常用的菜單命令，也提供了菜單中沒有的一些操作。當(dāng)鼠標(biāo)放在工具箱任一按鈕上時(shí)，立刻出現(xiàn)一個(gè)提示條標(biāo)明此工具按鈕的功能。</p><p>&

25、lt;b>　　4.調(diào)試</b></p><p>　　4.1 單容水箱控制系統(tǒng)調(diào)試</p><p>　　組態(tài)王工程已經(jīng)建立起來(lái)，進(jìn)入到運(yùn)行和調(diào)試階段。在組態(tài)王開發(fā)系統(tǒng)中選擇“文件\切換到 View”菜單命令，進(jìn)入組態(tài)王運(yùn)行系統(tǒng)。在運(yùn)行系統(tǒng)中選擇“畫面\打開”命令，從“打開畫面”窗口選擇“Test”畫面。顯示出組態(tài)王運(yùn)行系統(tǒng)畫面，如圖4-1所示。</p><

26、;p>　　圖4-1運(yùn)行系統(tǒng)畫面</p><p>　　通過對(duì)P、I、D的不斷調(diào)節(jié)改變，同時(shí)觀察測(cè)量值曲線的趨勢(shì)變化，以達(dá)到趨于穩(wěn)定的曲線，從而完成對(duì)系統(tǒng)的初步調(diào)試。</p><p>　　4.2液位、流量串級(jí)控制系統(tǒng)調(diào)試</p><p>　　此水箱液位的串級(jí)控制系統(tǒng)，是由主、副兩個(gè)回路組成。每一個(gè)回路中都有一個(gè)屬于自己的調(diào)節(jié)器和控制對(duì)象，即主回路中的調(diào)節(jié)器稱主調(diào)節(jié)

27、器，控制對(duì)象為下水箱，作為系統(tǒng)的被控對(duì)象，下水箱的液位為系統(tǒng)的主控制量。副回路中的調(diào)節(jié)器稱副調(diào)節(jié)器，控制對(duì)象為中水箱，又稱副對(duì)象，它的輸出是一個(gè)輔助的控制變量。</p><p>　　串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)：改善了過程的動(dòng)態(tài)特性、能及時(shí)克服進(jìn)入副回路的各種二次擾動(dòng)，提高了系統(tǒng)抗擾動(dòng)能力、提高了系統(tǒng)的魯棒性、具有一定的自適應(yīng)能力。</p><p>　　在串級(jí)控制系統(tǒng)中，主、副調(diào)節(jié)器所起的作用是不同

28、的。主調(diào)節(jié)器起定值控制作用，它的控制任務(wù)是使主參數(shù)等于給定值（無(wú)余差），故一般宜采用PI調(diào)節(jié)器。由于副回路是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，它的輸出要求能快速、準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)主調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)的變化規(guī)律，對(duì)副參數(shù)的動(dòng)態(tài)性能和余差無(wú)特殊的要求，因而副調(diào)節(jié)器可采用P或PI調(diào)節(jié)器。</p><p><b>　　調(diào)試：</b></p><p>　　按經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)先設(shè)置好副調(diào)節(jié)器的比例度，調(diào)節(jié)主調(diào)節(jié)器的

29、比例度，使系統(tǒng)的輸出響應(yīng)出現(xiàn)4：1的衰減度，記下此時(shí)的比例度和周期。據(jù)此，按經(jīng)驗(yàn)表查得PI的參數(shù)對(duì)主調(diào)節(jié)器進(jìn)行參數(shù)整定。</p><p>　　設(shè)定給定值，先手動(dòng)輸出，此時(shí)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥支路會(huì)給中水箱打水，等中、下水箱的液位相對(duì)穩(wěn)定，且下水箱的液位趨于給定值時(shí)，把主調(diào)節(jié)器切換為自動(dòng)。</p><p>　　當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后，突加階躍擾動(dòng)（將給定量增/減5%～15%），觀察并記錄系統(tǒng)的輸出響應(yīng)曲線。

30、</p><p>　　通過反復(fù)對(duì)主、副調(diào)節(jié)器參數(shù)的調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)具有較滿意的動(dòng)、靜態(tài)性能。用計(jì)算機(jī)記錄此時(shí)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線。</p><p>　　通過對(duì)此水箱液位的串級(jí)控制系統(tǒng)反復(fù)調(diào)試，最終得到趨于平穩(wěn)的曲線，如圖4- 2所示。</p><p>　　圖4-2液位、流量串級(jí)控制系統(tǒng)調(diào)試圖</p><p><b>　　5.技術(shù)小結(jié)<

31、;/b></p><p>　　在實(shí)驗(yàn)初期，我們合理的分配了各自的任務(wù)，各自繪制自己的原理圖，最后再一起互相參考，討論，學(xué)習(xí)。我們一步步按照老師的指導(dǎo)和要求，一步步調(diào)試、實(shí)驗(yàn)、摸索，最終完成了這次實(shí)驗(yàn)任務(wù)。這個(gè)過程中，我們不但學(xué)會(huì)了很多知識(shí)，也學(xué)會(huì)了怎樣去應(yīng)用知識(shí)，更加懂得了團(tuán)結(jié)協(xié)作。</p><p>　　通過這次實(shí)驗(yàn)，我了解了水箱液位控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其工作原理。通過這次實(shí)驗(yàn)的操作和調(diào)

32、試，更直觀的對(duì)PID控制中P、I、D在系統(tǒng)控制中起到的作用。</p><p>　　比例環(huán)節(jié)P用于加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。越大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高，但易產(chǎn)生超調(diào)，甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。取值過小，則會(huì)降低調(diào)節(jié)精度，使響應(yīng)速度緩慢，從而延長(zhǎng)調(diào)節(jié)時(shí)間，使系統(tǒng)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性變壞。積分環(huán)節(jié)主要用來(lái)消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。越小，系統(tǒng)的靜態(tài)誤差消除越快，但過小，在響應(yīng)過程的初期會(huì)產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，

33、從而引起響應(yīng)過程的較大超調(diào)。若過大，將使系統(tǒng)靜態(tài)誤差難以消除，影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。微分環(huán)節(jié)能改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，其作用主要是在響應(yīng)過程中抑制偏差向任何方向的變化，對(duì)偏差變化進(jìn)行提前預(yù)報(bào)。但過大，會(huì)使響應(yīng)過程提前制動(dòng)，從而延長(zhǎng)調(diào)節(jié)時(shí)間，而且會(huì)降低系統(tǒng)的抗干擾性能。</p><p>　　這次實(shí)驗(yàn)是我們小組每一個(gè)成員親自參加的一次組態(tài)王應(yīng)用練習(xí)實(shí)驗(yàn)，它幫助我們更加深刻的了解和掌握了一些關(guān)于組態(tài)王的應(yīng)用知識(shí)和方法。使我們

34、更加深刻地體會(huì)到對(duì)于這門課程還有多東西沒有完全掌握也認(rèn)識(shí)到這門課程的重要性，使我們受益匪淺。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]邵裕森,戴先中.過程控制工程(第2版).北京:機(jī)械工業(yè)出版社.2003。</p><p>　　[2]陶永華，尹怡欣，葛蘆生.新型PID控制及其應(yīng)用.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998。