單容水箱控制系統(tǒng)課程設計

1、<p><b>　　目錄</b></p><p>　　1.單容水箱設備組成及其工藝1</p><p>　　1.1單容水箱設備的組成1</p><p>　　1.2單容水箱設備的工作原理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)的硬件設計4</p><p>　　2.1 電氣原理圖的設計4</p><p>　　3.單容水箱控制系統(tǒng)的軟件設計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、調試8</b></p><p>　　4.1 單容水箱控制系統(tǒng)調試8</p><p>　　4.2液位、流量串級控制系統(tǒng)調試8</p><p><b>　　5.技術小結10</b></p><p><b>　　參考文獻11</b></p><p>　　1.單

4、容水箱設備組成及其工藝</p><p>　　1.1單容水箱設備的組成</p><p>　　單容水箱設備主要由以下幾部分組成：</p><p>　　液位變送器：液位傳感器是用來上位水箱和下位水箱的液位進行檢測，采用工業(yè)用的DBYG擴散硅壓力變送器，本變送器按標準的二線制傳輸，采用高品質，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，因為二線制，故工作

5、時需串聯(lián)24V直流電源。</p><p>　　電動調節(jié)閥：調節(jié)閥用于調節(jié)介質的流量、壓力和液位。根據(jù)調節(jié)部位信號，自動控制閥門的開度，從而達到介質流量、壓力和液位的調節(jié)。調節(jié)閥分電動調節(jié)閥、氣動調節(jié)閥和液動調節(jié)閥等。調節(jié)閥由電動執(zhí)行機構或氣動執(zhí)行機構和調節(jié)閥兩部分組成。調節(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，所以通常特別適用于大流量、高壓降和泄漏少的場合。<

6、/p><p>　　變頻器：變頻器是利用電力半導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。變頻器實際上就是一個逆變器。它首先是將交流電變?yōu)橹绷麟姡缓笥秒娮釉χ绷麟娺M行開關，變?yōu)榻涣麟姟Ｒ话愎β瘦^大的變頻器用可控硅，并設一個可調頻率的裝置，使頻率在一定范圍內(nèi)可調，用來控制電機的轉數(shù)，使轉數(shù)在一定的范圍內(nèi)可調。變頻器廣泛用于交流電機的調速中，變頻調速技術是現(xiàn)代電力傳動技術重要發(fā)展的方向，隨著電力電子技術

7、的發(fā)展，交流變頻技術從理論到實際逐漸走向成熟。變頻器不僅調速平滑，范圍大，效率高，啟動電流小，運行平穩(wěn)，而且節(jié)能效果明顯，所以應用越來越廣泛。</p><p>　　水泵：水泵是一種利用大氣壓強將低處的水汲往高處的機器,多半是以電動機作為動力。抽水的電動機泵通常把提升液體、輸送液體或使液體增加壓力 , 即把原動機的機械能變?yōu)橐后w能量從而達到抽送液體目的的機器統(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量多通道交流電壓、電流輸入信號。</p><p><b>　　模擬量輸出模塊。</b></p><p>　　1.2單容水箱設備的工作原理</p><p>　　本實驗系統(tǒng)的被控量為上小水箱的液位高度，實驗要求中水箱的液位穩(wěn)定在給定值。將壓力傳感器檢測到的上

9、小水箱液位信號作為反饋信號，在與給定量比較后的差值通過調節(jié)器控制電動調節(jié)閥的開度，以達到控制水箱液位的目的。為了實現(xiàn)系統(tǒng)在階躍給定和階躍擾動作用下的無靜差控制，系統(tǒng)的調節(jié)器應為PI或PID控制。</p><p>　　首先由差壓傳感器檢測出水箱水位；水位實際值通過單片機進行A/D轉換，變成數(shù)字信號后，被輸入計算機中；最后，在計算機中，根據(jù)水位給定值與實際輸出值之差，利用PID程序算法得到輸出值，再將輸出值傳送到單片

10、機中，由單片機將數(shù)字信號轉換成模擬信號。最后，由單片機的輸出模擬信號控制交流變頻器，進而控制電機轉速，從而形成一個閉環(huán)系統(tǒng)，實現(xiàn)水位的計算機自動控制。</p><p>　　本設計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)，有必要知道被控對象—上水箱的結構和特性。水箱的出水量與水壓有關，而水壓又與水位高度近乎成正比。這樣，當水箱水位升高時，其出水量也在不斷增大。所以，若閥開度適當，在不溢出的情況

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

12、;/p><p>　　本設計采用的是工業(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算法實現(xiàn)簡單，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。在工程實際中，應用最為廣泛的調節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調節(jié)。它結構簡單，參數(shù)易于調整，在長期的應用中積累了豐富的經(jīng)驗。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)與實際輸出值c(t)構成控制偏差。</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成控制量，對被控對象進行控制，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)；為積分時間常數(shù)；為微分時間常數(shù)。</p><p&g

15、t;　　2.單容水箱控制系統(tǒng)的硬件設計</p><p>　　2.1 電氣原理圖的設計</p><p>　　根據(jù)選定的拖動方案及控制方式設計系統(tǒng)的原理框圖，擬訂出各部分的主要技術要求和主要技術參數(shù)。根據(jù)各部分的要求，設計出原理框圖中各個部分的具體電路。對于每一部分的設計總是按主電路、控制電路、輔助電路、聯(lián)鎖與保護、總體檢查，反復修改與完善的步驟進行。繪制總原理圖。按系統(tǒng)框圖結構將各部分聯(lián)成一

16、個整體。正確選用原理線路中每一個電器元件，并制訂元器件目錄清單。</p><p>　　這次電氣原理圖的設計我主要負責變頻器的接線圖的設計。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)的軟件設計</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、開關量、電度、保護定值、SOE事件、操作等成員的運行參數(shù)設定。本軟件采用可視化設計方法，鼠標拖拉操作風格，使原本復雜難懂的系統(tǒng)管理任務變得十分輕松自如。</p><p>　　通信組態(tài)軟件的可執(zhí)行程序為“C:\SCADANT\DLLEXE\ComEdit.EX

18、E”，設定的結果保存在數(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數(shù)據(jù)文件進行修改。</p><p>　　新建工程項目。然后選擇設備，COM1。然后再工作區(qū)選擇“新建”。雙擊，在設備配置向導—生產(chǎn)廠家、設備名稱、通訊方式窗口中選擇串口。選擇下一步，然后設置邏輯名稱下水箱，如圖3-1-1所示。</p><p>　　圖3-1-1

19、 邏輯名稱的設定</p><p>　　選擇“下一步”。然后設置串口號，依據(jù)計算機的通訊端口來選擇。單擊“下一步”，然后設置地址，首先設置內(nèi)給定儀表，所以設定地址1，如圖3-1-2所示。</p><p>　　圖3-1-2 設備地址設置</p><p>　　單擊“下一步”，設置通訊參數(shù)，不需要改變?nèi)魏螀?shù)。單擊“完成”，就可以看到整個設置的參數(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)庫變量、間接變量、系統(tǒng)變量。</p><p>　　選擇工程瀏覽器左側大綱項“數(shù)據(jù)庫\數(shù)據(jù)詞典”，在工程瀏覽器右側用鼠標左鍵雙擊“新建”圖標，彈出“變量屬性”對話框。此對話框可以對數(shù)據(jù)變量完成定義、修改等操作，以及數(shù)據(jù)庫的管理工作。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>　　對上述所做的步驟分別對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是測量值，SV是設定值，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組態(tài)王工程后，進入組態(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，右面

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

24、面名稱為“單容水箱液位測試實驗”的新畫面。</p><p><b>　　畫面編輯命令。</b></p><p>　　畫面制作：每次打開一個原有畫面或建立一個新畫面時，圖形編輯工具箱都會自動出現(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。當鼠標放在工具箱任一按鈕上時，立刻出現(xiàn)一個提示條標明此工具按鈕的功能。</p><p>&

25、lt;b>　　4.調試</b></p><p>　　4.1 單容水箱控制系統(tǒng)調試</p><p>　　組態(tài)王工程已經(jīng)建立起來，進入到運行和調試階段。在組態(tài)王開發(fā)系統(tǒng)中選擇“文件\切換到 View”菜單命令，進入組態(tài)王運行系統(tǒng)。在運行系統(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)王運行系統(tǒng)畫面，如圖4-1所示。</p><

26、;p>　　圖4-1運行系統(tǒng)畫面</p><p>　　通過對P、I、D的不斷調節(jié)改變，同時觀察測量值曲線的趨勢變化，以達到趨于穩(wěn)定的曲線，從而完成對系統(tǒng)的初步調試。</p><p>　　4.2液位、流量串級控制系統(tǒng)調試</p><p>　　此水箱液位的串級控制系統(tǒng)，是由主、副兩個回路組成。每一個回路中都有一個屬于自己的調節(jié)器和控制對象，即主回路中的調節(jié)器稱主調節(jié)

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

28、的。主調節(jié)器起定值控制作用，它的控制任務是使主參數(shù)等于給定值（無余差），故一般宜采用PI調節(jié)器。由于副回路是一個隨動系統(tǒng)，它的輸出要求能快速、準確地復現(xiàn)主調節(jié)器輸出信號的變化規(guī)律，對副參數(shù)的動態(tài)性能和余差無特殊的要求，因而副調節(jié)器可采用P或PI調節(jié)器。</p><p><b>　　調試：</b></p><p>　　按經(jīng)驗數(shù)據(jù)預先設置好副調節(jié)器的比例度，調節(jié)主調節(jié)器的

29、比例度，使系統(tǒng)的輸出響應出現(xiàn)4：1的衰減度，記下此時的比例度和周期。據(jù)此，按經(jīng)驗表查得PI的參數(shù)對主調節(jié)器進行參數(shù)整定。</p><p>　　設定給定值，先手動輸出，此時電動調節(jié)閥支路會給中水箱打水，等中、下水箱的液位相對穩(wěn)定，且下水箱的液位趨于給定值時，把主調節(jié)器切換為自動。</p><p>　　當系統(tǒng)穩(wěn)定運行后，突加階躍擾動（將給定量增/減5%～15%），觀察并記錄系統(tǒng)的輸出響應曲線。

30、</p><p>　　通過反復對主、副調節(jié)器參數(shù)的調節(jié)，使系統(tǒng)具有較滿意的動、靜態(tài)性能。用計算機記錄此時系統(tǒng)的動態(tài)響應曲線。</p><p>　　通過對此水箱液位的串級控制系統(tǒng)反復調試，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、流量串級控制系統(tǒng)調試圖</p><p><b>　　5.技術小結<

31、;/b></p><p>　　在實驗初期，我們合理的分配了各自的任務，各自繪制自己的原理圖，最后再一起互相參考，討論，學習。我們一步步按照老師的指導和要求，一步步調試、實驗、摸索，最終完成了這次實驗任務。這個過程中，我們不但學會了很多知識，也學會了怎樣去應用知識，更加懂得了團結協(xié)作。</p><p>　　通過這次實驗，我了解了水箱液位控制系統(tǒng)的結構及其工作原理。通過這次實驗的操作和調

32、試，更直觀的對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)的響應速度，提高系統(tǒng)的調節(jié)精度。越大，系統(tǒng)的響應速度越快，系統(tǒng)的調節(jié)精度越高，但易產(chǎn)生超調，甚至會導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。取值過小，則會降低調節(jié)精度，使響應速度緩慢，從而延長調節(jié)時間，使系統(tǒng)靜態(tài)、動態(tài)特性變壞。積分環(huán)節(jié)主要用來消除系統(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，在響應過程的初期會產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，

33、從而引起響應過程的較大超調。若過大，將使系統(tǒng)靜態(tài)誤差難以消除，影響系統(tǒng)的調節(jié)精度。微分環(huán)節(jié)能改善系統(tǒng)的動態(tài)特性，其作用主要是在響應過程中抑制偏差向任何方向的變化，對偏差變化進行提前預報。但過大，會使響應過程提前制動，從而延長調節(jié)時間，而且會降低系統(tǒng)的抗干擾性能。</p><p>　　這次實驗是我們小組每一個成員親自參加的一次組態(tài)王應用練習實驗，它幫助我們更加深刻的了解和掌握了一些關于組態(tài)王的應用知識和方法。使我們

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