雙容水箱液位控制系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計

溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢 業(yè) 綜 合 實 踐課題名稱： 雙容水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計 作 者： 學(xué) 號： 系 別： 電氣電子工程系 專 業(yè)： 電氣自動化 指導(dǎo)老師： 專業(yè)技術(shù)職務(wù) 2016 年 3 月 浙江溫州- 2 -課 題 摘 要在工業(yè)生產(chǎn)中，液位控制通常具有滯后性、大慣性和時變性等特點，所以實現(xiàn)液位控制的快速性和穩(wěn)定性，對于提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率有很重要的現(xiàn)實意義。本課題針對液位控制系統(tǒng)的特點及實現(xiàn)快速、穩(wěn)定的液位控制在現(xiàn)實工業(yè)生產(chǎn)中的意義，設(shè)計了一個雙容水箱液位控制系統(tǒng)。其中運(yùn)用到傳感器、采集卡檢測液位，并采用了 PLC 的 AD/DA 轉(zhuǎn)換模塊將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量輸出。本系統(tǒng) PID 參數(shù)在整定的設(shè)置和范圍，使最終系統(tǒng)無穩(wěn)態(tài)誤差，無超量調(diào)節(jié)，各項指標(biāo)均滿足設(shè)計要求。本系統(tǒng)實現(xiàn)簡單，硬件要求不高，且能對液位進(jìn)行實時顯示，具有控制過程的特殊性，本設(shè)計提出了一種基于 PID 算法來實現(xiàn)雙容水箱液位控制系統(tǒng)，主要是為了達(dá)到生產(chǎn)過程中對液位控制速度快，穩(wěn)定性高等特點。關(guān)鍵詞 PID 控制 傳感器 AD/DA 轉(zhuǎn)換- 3 -目 次1 緒 論 .- 5 -1.1 課題的提出 .- 5 -1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 .- 6 -1.2.1 國外研究現(xiàn)狀 .- 6 -1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 .- 7 -1.3 過程控制的發(fā)展過程 .- 8 -1.3.1 過程控制的發(fā)展 .- 8 -1.3.2 過程控制策略與算法的進(jìn)展 .- 9 -1.3.3 傳統(tǒng)過程控制存在的問題 .- 10 -1.4 PID 控制的發(fā)展現(xiàn)狀及意義 .- 10 -2 水箱的數(shù)學(xué)建模 .- 11 -2.1 數(shù)學(xué)模型的介紹 .- 11 -2.2 數(shù)學(xué)模型的建立 .- 11 -2.2.1 機(jī)理法 .- 12 -2.2.2 實驗法 .- 13 -2.3 本文中水箱液位數(shù)學(xué)模型的建立 .- 13 -2.3.1 系統(tǒng)介紹 .- 14 -2.3.2 建立步驟 .- 14 -2.3.3 實驗數(shù)據(jù) .- 15 -3 硬件設(shè)計 .- 16 -3.1 變頻器 .- 16 -3.1.1 主回路 .- 17 -3.1.2 控制回路 .- 18 -3.1.3 變頻器的選擇 .- 20 -3.1.4 變頻器的作用 .- 20 -3.2 壓力傳感器 .- 21 -3.2.1 工作原理 .- 21 -3.3 電動調(diào)節(jié)閥 .- 21 -3.3.1 工作原理 .- 21 -4 PID 控制 .- 21 -4.1 比例（P）控制及調(diào)節(jié)過程 .- 22 -4.2 積分（I）控制及調(diào)節(jié)過程 .- 22 -4.3 微分（D）控制及調(diào)節(jié)過程 .- 23 -5 MCGS 組態(tài)軟件 .- 23 -5.1 MCGS 簡介 .- 23 -5.2 MCGS 的構(gòu)成 .- 24 -5.2.1 MCGS 組態(tài)軟件的系統(tǒng)構(gòu)成 .- 24 - 4 -5.2.2 MCGS 組態(tài)軟件界面簡介 .- 25 -5.3 MCGS 組態(tài)軟件的功能和特點 .- 25 -5.4 MCGS 組態(tài)軟件的工作方式 .- 26 -5.5 畫面的制作和編輯 .- 27 -5.5.1 主頁面 .- 27 -5.5.2 模擬水流動 .- 27 -5.5.3 各個控件的制作 .- 29 -5.5.4 水箱中液位變化的動畫效果制作 .- 29 -結(jié)論 .- 30 -致謝 .- 31 -參考文獻(xiàn) .- 31 -1 緒 論1.1 課題的提出 隨著工業(yè)生產(chǎn)的飛速發(fā)展，人們對控制系統(tǒng)的控制精度、響應(yīng)速度、系統(tǒng)穩(wěn)定性與適應(yīng)能力的要求越來越高。而實際工業(yè)生產(chǎn)過程中的被控對象往往具有非線性、時線性、時延對象的先進(jìn)控制策略，提高系統(tǒng)的控制水平，具有重要的實際意義。每一個先進(jìn)、實用的控制算法的出現(xiàn)都對工業(yè)生產(chǎn)具有巨大的推動作用。然而，當(dāng)前的學(xué)術(shù)研究成果與實際生產(chǎn)應(yīng)用技術(shù)水平并不是同步的，甚至相差幾十年。在我國，越是高深的、先進(jìn)的控制理論，其研究越是局限于少數(shù)科研院所的狹小范圍內(nèi)，也越是遠(yuǎn)離了國民生產(chǎn)這個應(yīng)用基地。最近幾年，國內(nèi)一些控制領(lǐng)域已接近甚或超越了國際水平，然而，就先進(jìn)理論應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域的狀況來講，與發(fā)達(dá)國家相比卻存在較大差距。其原因固然是多方面的。 但是， 一個很明顯的原因就是在于理論研究尚缺乏實際背景的支持，理論的算法一旦應(yīng)用于現(xiàn)場就會遇到各種各樣的實際問題，制約了其應(yīng)用前景。在目前尚不具有在實驗室中復(fù)現(xiàn)真實工業(yè)過程條件的今天， 開發(fā)經(jīng)濟(jì)實用的具有典型對象特性的實驗裝置無疑是一條探索將理論成果轉(zhuǎn)化為應(yīng)用技術(shù)的捷徑。本文所提及的水箱液位控制系統(tǒng)是我們在參考國內(nèi)外實驗裝置并充分考慮性能價格比的基礎(chǔ)上，自行設(shè)計的一種可以模擬多種對象特性的實驗裝置。該裝置是進(jìn)行控制理論與控制工程教學(xué)、實驗和研究的理想平臺，可以方便的構(gòu)成多- 5 -階系統(tǒng)。對象，用戶既可通過經(jīng)典的 PID 控制器設(shè)計與調(diào)試，完成經(jīng)典控制教學(xué)實驗，也可通過模糊邏輯控制器的設(shè)計與調(diào)試，進(jìn)行智能控制教學(xué)實驗與研究。 水箱是較為典型的非線性、時延對象，工業(yè)上許多被控對象的整體或局部都可以抽象成水箱的數(shù)學(xué)模型，具有很強(qiáng)的代表性，有較強(qiáng)的工業(yè)背景，對水箱數(shù)學(xué)模型的建立是非常有意義的。同時，水箱的數(shù)學(xué)建模以及控制策略的研究對工業(yè)生產(chǎn)中液位控制系統(tǒng)的研究有指導(dǎo)意義，例如工業(yè)鍋爐、結(jié)晶器液位控制。而且，水箱的控制可以作為研究更為復(fù)雜的非線性系統(tǒng)的基礎(chǔ)，又具有較強(qiáng)的理論性，屬于應(yīng)用基礎(chǔ)研究。同時，它具有較強(qiáng)的綜合性，涉及控制原理、智能控制、流體力學(xué)等多個學(xué)科。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 隨著人們生活質(zhì)量的提高和環(huán)境的變化， “水”已經(jīng)成為人們關(guān)注的對象！不管是生活用水，是工業(yè)用水，這都牽扯水的過程控制問題。將 PID 算法運(yùn)用到水位控制系統(tǒng)中，不僅可以解決水塔的自動化給水問而且還可以合理、安全、節(jié)約的使用水資源，近而使居民安居樂業(yè)，使我國工業(yè)自動化不斷的向前發(fā)展！1.2.1 國外研究現(xiàn)狀德國 Amira 自動化公司研制的水箱系統(tǒng)是著名的智能實驗設(shè)備之一， 在國外很多大學(xué)和實驗室都已得到了廣泛的應(yīng)用，國內(nèi)也有包括清華大學(xué)、浙江大學(xué)、吉林大學(xué)等高校引進(jìn)了 Amira 公司研制的水箱過程控制實驗裝置。但是，由于德國 Amira 自動化公司研制的水箱系統(tǒng)價格太高，給購置這個實驗設(shè)備帶來很多困難。也正是受其高價格的限制，目前，國內(nèi)只是少數(shù)高校的部分實驗室引進(jìn)了這個設(shè)備，給基于水箱系統(tǒng)的算法研究和仿真帶來了困難。液位控制系統(tǒng)一般指工業(yè)生產(chǎn)過程中自動控制系統(tǒng)的被控變量為液位的系統(tǒng)。在生產(chǎn)過程中，對液位的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行控制，使其保持為一定值或按一定規(guī)律變化，以保證質(zhì)量和生產(chǎn)安全，使生產(chǎn)自動進(jìn)行下去。液位過程參數(shù)的變化不但受到過程內(nèi)部條件的影響，也受外界條件的影響，而且影響生產(chǎn)過程的參數(shù)一般不止一個，在過程中的作用也不同，這就增加了對過程參數(shù)進(jìn)行控制的復(fù)雜性，或者控制起來相當(dāng)困難，因此形成了過程控制的下列特點：(1)對象存在滯后熱工生產(chǎn)大多是在龐大的生產(chǎn)設(shè)備內(nèi)進(jìn)行，對象的儲存能力大，慣性也較大，- 6 -設(shè)備內(nèi)介質(zhì)的流動或熱量傳遞都存在一定的阻力，并且往往具有自動轉(zhuǎn)向平衡的趨勢。因此，當(dāng)流入(流出)對象的質(zhì)量或能量發(fā)生變化時，由于存在容量、慣性、阻力，被控參數(shù)不可能立即產(chǎn)生響應(yīng)，這種現(xiàn)象叫做滯后。(2)對象特性的非線性對象特性大多是隨負(fù)荷變化而變化，當(dāng)負(fù)荷改變時，動態(tài)特性有明顯的不同。大多數(shù)生產(chǎn)過程都具有非線性，弄清非線性產(chǎn)生的原因及非線性的實質(zhì)是極為重要的。(3)控制系統(tǒng)較復(fù)雜從生產(chǎn)安全方面考慮，生產(chǎn)設(shè)備的設(shè)計制造都力求生產(chǎn)過程進(jìn)行平穩(wěn)，參數(shù)變化不超出極限范圍，也不會產(chǎn)生振蕩，作為被控對象就具有非振蕩環(huán)節(jié)的特性。過程的穩(wěn)定被破壞后，往往具有自動趨向平衡的能力，即被控量發(fā)生變化時，對象本身能使被控量逐漸穩(wěn)定下來，這就具有慣性環(huán)節(jié)的特性。也有不能趨向平衡，被控量一直變化而不能穩(wěn)定下來的，這就是具有積分的對象。任何生產(chǎn)過程被控制的參數(shù)都不是一個，這些參數(shù)又各具有不同的特性，因此要針對這些不同的特性設(shè)計相應(yīng)不同的控制系統(tǒng)。1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀國內(nèi)也有一些廠家研制了水箱液位系統(tǒng)。GWT 系列水箱液位控制實驗裝置由固高科技有限公司協(xié)同香港城市大學(xué)聯(lián)合研制開發(fā)而成， 并經(jīng)過香港城市大學(xué)雙年的實踐檢驗，充分證明了其教學(xué)、實驗和研究價值。用戶既可通過經(jīng)典的PID 控制器設(shè)計與調(diào)試，完成經(jīng)典控制教學(xué)實驗，也可通過模糊邏輯控制器的設(shè)計與調(diào)試，進(jìn)行智能控制教學(xué)實驗與研究。各種控制器的控制效果既通過水位的變化直觀地反映出來，同時通過液位傳感器對水位的精確檢測，方便地獲得瞬態(tài)響應(yīng)指標(biāo)，準(zhǔn)確評估控制性能。 開放的控制器平臺， 便于用戶進(jìn)行自己的控制器設(shè)計， 滿足創(chuàng)新研究的需要。THJS-1 型水箱對象系統(tǒng)實驗裝置由浙江天煌科技實業(yè)有限公司研制開發(fā)，它的出現(xiàn)為各大專院校，科研院所從事自動控制理論學(xué)習(xí)、研究及控制模型和算法探索的教師，科研人員及高年級本科生和研究生提供了一個具體的控制對象。液位控制系統(tǒng)在國內(nèi)各行各業(yè)的應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛，但從國內(nèi)生產(chǎn)的液位控- 7 -制器來講，同國外的日本、美國、德國等先進(jìn)國家相比，仍然有差距。目前，我國液位控制主要以常規(guī)的 PID 控制器為主，它只能適應(yīng)一般系統(tǒng)控制，難于控制滯后、復(fù)雜、時變溫度系統(tǒng)控制。而適應(yīng)于較高控制場合的智能化、自適應(yīng)控制儀表，國內(nèi)技術(shù)還不十分成熟，形成商品化并廣泛應(yīng)用的控制儀表較少。由于工業(yè)過程控制的需要，特別是在微電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展以及自動控制理論和設(shè)計方法發(fā)展的推動下，國外液位控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，并在智能化、自適應(yīng)、參數(shù)自整定等方面取得成果，在這方面，以日本、美國、德國、瑞典等國技術(shù)領(lǐng)先，都生產(chǎn)出了一批商品化的、性能優(yōu)異的液位控制器及儀器儀表，并在各行業(yè)廣泛應(yīng)用。1.3 過程控制的發(fā)展過程過程控制是工業(yè)自動化的重要分支。幾十年來，工業(yè)過程控制取得了驚人的發(fā)展，無論是在大規(guī)模的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)過程中，還是在傳統(tǒng)工業(yè)過程改造中，過程控制技術(shù)對于提高產(chǎn)品質(zhì)量以及節(jié)省能源等均起著十分重要的作用。1.3.1 過程控制的發(fā)展在現(xiàn)代工業(yè)控制中, 過程控制技術(shù)是一歷史較為久遠(yuǎn)的分支。在本世紀(jì) 30 年代就已有應(yīng)用。過程控制技術(shù)發(fā)展至今天, 在控制方式上經(jīng)歷了從人工控制到自動控制兩個發(fā)展時期。在自動控制時期內(nèi)，過程控制系統(tǒng)又經(jīng)歷了三個發(fā)展階段, 它們是：分散控制階段, 集中控制階段和集散控制階段。從過程控制采用的理論與技術(shù)手段來看，可以粗略地把它劃為三個階段：開始到 70 年代為第一階段，70 年代至 90 年代初為第二階段，90 年代初為第三階段開始。其中 70 年代既是古典控制應(yīng)用發(fā)展的鼎盛時期，又是現(xiàn)代控制應(yīng)用發(fā)展的初期，90 年代初既是現(xiàn)代控制應(yīng)用發(fā)展的繁榮時期，又是高級控制發(fā)展的初期。第一階段是初級階段，包括人工控制，以古典控制理論為主要基礎(chǔ)，采用常規(guī)氣動、液動和電動儀表，對生產(chǎn)過程中的溫度、流量、壓力和液位進(jìn)行控制，在諸多控制系統(tǒng)中，以單回路結(jié)構(gòu)、PID 策略為主，同時針對不同的對象與要求，創(chuàng)造了一些專門的控制系統(tǒng)，如：使物料按比例配制的比值控制，克服大- 8 -滯后的 Smith 預(yù)估器，克服干擾的前饋控制和串級控制等等，這階段的主要任務(wù)是穩(wěn)定系統(tǒng)，實現(xiàn)定值控制。這與當(dāng)時生產(chǎn)水平是相適應(yīng)的。第二階段是發(fā)展階段，以現(xiàn)代控制理論為主要基礎(chǔ)，以微型計算機(jī)和高檔儀表為工具，對較復(fù)雜的工業(yè)過程進(jìn)行控制。這階段的建模理論、在線辨識和實時控制已突破前期的形式，繼而涌現(xiàn)了大量的先進(jìn)控制系統(tǒng)和高級控制策略，如克服對象特性時變和環(huán)境干擾等不確定影響的自適應(yīng)控制，消除因模型失配而產(chǎn)生不良影響的預(yù)測控制等。這階段的主要任務(wù)是克服干擾和模型變化，滿足復(fù)雜的工藝要求，提高控制質(zhì)量。1975 年，世界上第一臺分散控制系統(tǒng)在美國Honeywell 公司問世，從而揭開了過程控制嶄新的一頁。分散控制系統(tǒng)也叫集散控制系統(tǒng)，它綜合了計算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)和顯示技術(shù)，采用多層分級的結(jié)構(gòu)形式,按總體分散、管理集中的原則，完成對工業(yè)過程的操作、監(jiān)視、控制。由于采用了分散的結(jié)構(gòu)和冗余等技術(shù)，使系統(tǒng)的可靠性極高，再加上硬件方面的開放式框架和軟件方面的模塊化形式，使得它組態(tài)、擴(kuò)展極為方便，還有眾多的控制算法(幾十至上百種) 、較好的人機(jī)界面和故障檢測報告功能。經(jīng)過 20 多年的發(fā)展，它已日臻完善，在眾多的控制系統(tǒng)中，顯示出出類拔萃的風(fēng)范，因此，可以毫不夸張地說，分散控制系統(tǒng)是過程控制發(fā)展史上的一個里程碑。第三階段是高級階段，目前正在來到。1.3.2 過程控制策略與算法的進(jìn)展 幾十年來，過程控制策略與算法出現(xiàn)了三種類型：簡單控制、復(fù)雜控制與先進(jìn)控制。通常將單回路 PID 控制稱為簡單控制。它一直是過程控制的主要手段。PID 控制以經(jīng)典控制理論為基礎(chǔ)，主要用頻域方法對控制系統(tǒng)進(jìn)行分析與綜合。目前，PID 控制仍然得到廣泛應(yīng)用。在許多 DCS 和 PLC 系統(tǒng)中，均沒有 PID 控制算法軟件，或 PID 控制模塊。從 20 世紀(jì) 50 年代開始，過程控制界逐漸發(fā)展了串級控制、比值控制、前饋控制、均勻控制和 Smith 預(yù)估控制等控制策略與算法，稱之為復(fù)雜控制。它們在很大程度上，滿足了復(fù)雜過程工業(yè)的一些特殊控制要求。它們?nèi)匀灰越?jīng)典控制理論為基礎(chǔ)，但是在結(jié)構(gòu)與應(yīng)用上各有特色，而且在目前仍在繼續(xù)改進(jìn)與發(fā)展。- 9 -20 世紀(jì) 70 年代中后期，出現(xiàn)了以 DCS 和 PLC 為代表的新型計算機(jī)控制裝置，為過程控制提供了強(qiáng)有力的硬件與軟件平臺。從 20 世紀(jì) 80 年代開始，在現(xiàn)代控制理論和人工智能發(fā)展的理論基礎(chǔ)上，針對工業(yè)過程控制本身的非線性、時變性、耦合性和不確定性等特性，提出了許多行之有效的解決方法，如解耦控制、推斷控制、預(yù)測控制、模糊控制、自適應(yīng)控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等，常統(tǒng)稱為先進(jìn)過程控制。近十年來，以專家系統(tǒng)、模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法為主要方法的基于知識的智能處理方法已經(jīng)成為過程控制的一種重要技術(shù)。先進(jìn)過程控制方法可以有效地解決那些采用常規(guī)控制效果差，甚至無法控制的復(fù)雜工業(yè)過程的控制問題。實踐證明，先進(jìn)過程控制方法能取得更高的控制品質(zhì)和更大的經(jīng)濟(jì)效益，具有廣闊的發(fā)展前景。1.3.3 傳統(tǒng)過程控制存在的問題(1) 隨著人們物質(zhì)生活水平的提高以及市場競爭的日益激烈，產(chǎn)品的質(zhì)量和功能也向更高的檔次發(fā)展，制造產(chǎn)品的工藝過程變得越來越復(fù)雜，為滿足優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低消耗，以及安全生產(chǎn)、保護(hù)環(huán)境等要求，過程控制的任務(wù)也愈來愈繁重。這樣的生產(chǎn)過程一般具有大慣性、大滯后、時變性、關(guān)聯(lián)性、不確定性和非線性的特點。這里的關(guān)聯(lián)性不僅包含過程對象中各物理參量之間的耦合交錯，而且包括被控量、操作量和干擾量之間的聯(lián)系；不確定性不單指結(jié)構(gòu)上的不確定性，而且還指參數(shù)的不確定性；非線性既有非本質(zhì)的非線性，也有本質(zhì)非線性。由于工業(yè)過程的這種復(fù)雜性，決定了控制的艱難性。(2) 傳統(tǒng)過程控制方式絕大多數(shù)是基于對象模型的，即按建模 2 控制 2 優(yōu)化進(jìn)行的，建模的精確程度決定著控制質(zhì)量的高低。盡管目前建模的理論和方法有長足的進(jìn)步，但仍有許多過程或?qū)ο蟮臋C(jī)理不清楚，動態(tài)特性難以掌握，如一些反應(yīng)過程、冶煉過程、生化過程，甚至有些過程或?qū)ο箅y以用數(shù)學(xué)語言描述。這樣，我們不得不對過程模型進(jìn)行簡化或近似，將一個理論上極為先進(jìn)的控制策略應(yīng)用在這樣的模型上，控制效果大打折扣是很自然的。如自適應(yīng)控制，對緩慢的變化過程比較有效，但對變化劇烈的過程(如幅度大,非線性強(qiáng)) 卻力不從心了。因此，用傳統(tǒng)的控制手段進(jìn)一步提高過程控制的質(zhì)量遇到了極大的困難，傳統(tǒng)控制方法面臨著嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。- 10 -1.4 PID 控制的發(fā)展現(xiàn)狀及意義目前，工業(yè)自動化水平已經(jīng)成為衡量各行業(yè)現(xiàn)代化水平的一個重要標(biāo)準(zhǔn)。同時控制理論的發(fā)