單容水箱液位系統(tǒng)仿真與監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)單回路前饋

1、過程控制綜合實(shí)踐小組報(bào)告設(shè)計(jì)任務(wù)：?jiǎn)稳菟湟何幌到y(tǒng)仿真與監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)（基于OPC）小組成員：方永江（組長(zhǎng)）沈鵬鄧偉宏指導(dǎo)老師：聶建英許亞嵐許鋒目錄第一章 系統(tǒng)分析第一節(jié)工藝流程分析第二節(jié)對(duì)象特性分析第三節(jié)控制需求分析第二章 系統(tǒng)仿真研究與實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺(tái)設(shè)計(jì)第一節(jié)系統(tǒng)仿真研究第二節(jié)實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺(tái)設(shè)計(jì)第三章 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)第一節(jié)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)第二節(jié)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)第四章 控制系統(tǒng)投運(yùn)、參數(shù)整定與性能分析第一節(jié)控制系統(tǒng)投運(yùn)第二節(jié)控制系統(tǒng)參數(shù)整定第三節(jié)控制系統(tǒng)性能分析第五章 控制系統(tǒng)設(shè)備選型與電氣控制圖繪制第一節(jié)控制系統(tǒng)設(shè)備選型第二節(jié)電氣控制圖繪制第六章 總結(jié)第一章系統(tǒng)分析第一節(jié) 工藝流程分析單回路水箱的原

2、理，系統(tǒng)的輸入變量為進(jìn)水閥門的開度，輸出變量為水箱液位。單回路PID控制的被控制量是水位，控制量是進(jìn)水閥門開度。通過調(diào)節(jié)PID控制器的比例增益、積分時(shí)間、微分時(shí)間三個(gè)參數(shù)得到比較好的控制效果。工藝流程圖1-1為單容前饋-反饋水箱液位系統(tǒng)。單容水箱液位控制系統(tǒng)主要有以下幾個(gè)基本環(huán)節(jié)組成：被控對(duì)象、液位測(cè)量變送器、控制器（計(jì)算機(jī)）、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、水泵、儲(chǔ)水箱。所要控制的為上水箱液位，控制變量為水箱液位高度，控制手段是調(diào)整上水箱入水閥門開度，操作變量為水流流量。在本設(shè)計(jì)中將泵2的流量當(dāng)作干擾變量，通過加法器補(bǔ)償?shù)介y門控制信號(hào)上消除干擾，構(gòu)成前饋。系統(tǒng)框圖如圖1-2.第二節(jié) 對(duì)象特性分析被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性

3、是指被控對(duì)象的輸入發(fā)生變化時(shí)，其輸出（被調(diào)量）隨時(shí)間變化的規(guī)律。由于控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案是依據(jù)被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行的，特別是調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定也是依據(jù)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行的。分析被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，可知被控對(duì)象控制的難易程度與調(diào)節(jié)過程的快慢。一、水箱建模如圖2-1，設(shè)水箱的進(jìn)水量為Q1，出水量為Q2，水箱的液面高度為h，出水閥V2固定于某一開度值。若Q1作為被控對(duì)象的輸入變量，h為其輸出變量，則該被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型就是h與Q1 之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式。根據(jù)動(dòng)態(tài)物料平衡關(guān)系有 （1）出口流量與液位的關(guān)系有 （2）二、穩(wěn)態(tài)模型在穩(wěn)態(tài)時(shí)，=；當(dāng)發(fā)生變化時(shí)，液位h隨之變化，閥處的靜壓也隨之變化，也必然發(fā)生變化。

4、因此，單容液位水箱的穩(wěn)態(tài)模型為即 三、動(dòng)態(tài)模型流體在紊流情況下，液位h與流量之間為非線性關(guān)系。簡(jiǎn)化起見，經(jīng)線性化處理，則可近似認(rèn)為與成正比，與閥的阻力成反比，即 或 （3）式中，為閥的阻力，稱為液阻。將式（3）代入式（2）可得（4）在零初始條件下，對(duì)上式求拉氏變換，得動(dòng)態(tài)模型：（5）式中，T=R2C為水箱的時(shí)間常數(shù)，K=R2為過程的放大倍數(shù)。假令輸入流量=，為常量，則輸出液位的高度為： (6)即 （7）當(dāng)t時(shí)， 因而有（8） 當(dāng)t=T時(shí)，則有 （9）式（7）表示一階慣性環(huán)節(jié)的響應(yīng)曲線是一單調(diào)上升的指數(shù)函數(shù)，如圖2-2所示。由式（9）可知該曲線上升到穩(wěn)態(tài)值的63.2%所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，就是水箱的時(shí)間

5、常數(shù)T。該時(shí)間常數(shù)T也可以通過坐標(biāo)原點(diǎn)對(duì)響應(yīng)曲線作切線，此切線與穩(wěn)態(tài)值的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間就是時(shí)間常數(shù)T圖2-2 階躍響應(yīng)曲線由上圖得（輸入信號(hào)為50%階躍至55%）：K=1.54 T=380第三節(jié) 控制需求分析利用Simulink在模型編輯窗口建立系統(tǒng)方框圖模塊，如下圖1-3所示： 調(diào)試PID參數(shù)為Kp=0.01,Ki=100,Kd=0時(shí)得到較為理想的系統(tǒng)穩(wěn)定曲線，如圖1-4所示：添加前饋加法器：根據(jù)流量與閥門信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，等效為線性關(guān)系，近似k=125.如需系統(tǒng)投運(yùn)可以擇情修正。第二章系統(tǒng)仿真研究與監(jiān)控界面設(shè)計(jì)第一節(jié)系統(tǒng)仿真研究用matlab建立系統(tǒng)模型的實(shí)時(shí)仿真一、由之前的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真模

6、型：，K=1.54 T=380matlab進(jìn)行仿真，得出仿真結(jié)果如圖2-3。二、系統(tǒng)校正用matlab數(shù)據(jù)擬合曲線驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，數(shù)據(jù)擬合出的曲線（藍(lán)）建立模型后的曲線（紅）圖，如圖2-4所示。最終整定，K=0.764 T=192第二節(jié)實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺(tái)設(shè)計(jì)系統(tǒng)監(jiān)控設(shè)計(jì)第三章控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)第一節(jié)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1.1被控變量、操縱變量、擾動(dòng)變量的選擇被控變量為水箱液位操縱變量為閥門開度擾動(dòng)變量為水箱入口流量3.1.2控制回路、控制算法、安全聯(lián)鎖與報(bào)警設(shè)計(jì)一、控制回路如圖3-1所示二、控制算法：PID控制算法 通過PID控制手段使系統(tǒng)水箱液位從穩(wěn)態(tài)值40%到穩(wěn)態(tài)值50%。第二節(jié)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)王實(shí)現(xiàn)

7、控制系統(tǒng)利用我們自己繪制的組態(tài)王工程進(jìn)行控制因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)需要實(shí)時(shí)監(jiān)控下水箱液位和泵二的流量這兩個(gè)變量，所以利用百特儀表得輸入輸出是不夠的，所以需要A3000和上位機(jī)利用ADAM4751模塊進(jìn)行配置，在模塊配置需要的軟件有如下：Port Mapping Utility、ADAM4000 Utility、組態(tài)王。首先需要在計(jì)算機(jī)中用Port Mapping Utility軟件掃描到實(shí)驗(yàn)A3000配置的com口（本實(shí)驗(yàn)是com6口）如下圖然后用ADAM4000 Utility軟件掃描ADAM4571中的A4017、A4024、A4050三個(gè)模塊，并分別對(duì)它們進(jìn)行配置此時(shí)在組態(tài)王中就可以定義變量監(jiān)控A3

8、000的信號(hào)并且對(duì)A3000施加控制信號(hào)其中液位信號(hào)-AI0、流量信號(hào)-AI1、閥門信號(hào)-AO0。舉例（流量信號(hào)）：最后實(shí)現(xiàn)監(jiān)控第四章控制系統(tǒng)投運(yùn)、參數(shù)整定與性能分析第一節(jié)控制系統(tǒng)投運(yùn)1.總體運(yùn)行：?jiǎn)?dòng)A3000設(shè)備，給泵1泵2供電，其中泵2提供的干擾流量通過西門子變頻器420來控制，打開AS3020 DDC控制系統(tǒng)，將AI0連接到下水箱液位，AI1連接到與泵2相連的流量計(jì)上，AO0連接到閥門控制端。同時(shí)將下水箱擋板調(diào)節(jié)至5cm，打開計(jì)算機(jī)，啟動(dòng)組態(tài)王軟件，運(yùn)行單回路反饋-前饋工程即可實(shí)現(xiàn)對(duì)A3000的監(jiān)控，并可以修改參數(shù)。2. MICROMASTER 420 變頻器的使用：變頻器通電后，液晶

9、屏在狀態(tài)下，按，進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置狀態(tài)。按或鍵，直到顯示P0700(其值為1時(shí)才能啟用BOP面板控制)，按鍵，顯示其參數(shù)值，按或鍵，修改其參數(shù)值為1，再次按鍵設(shè)定參數(shù)。同以上操作，修改P0003和P0004參數(shù)值為2。修改P0010參數(shù)值為1，進(jìn)入快速調(diào)試模式。設(shè)定P1000參數(shù)值為1，表示用BOP操作面板控制。設(shè)定P1080和P1082參數(shù)值，分別為設(shè)置電動(dòng)機(jī)頻率的最小(0 Hz)、最大值(50Hz)。以上幾個(gè)參數(shù)設(shè)置順序可顛倒，設(shè)置完后，應(yīng)將P0010設(shè)為0，進(jìn)入準(zhǔn)備運(yùn)行狀態(tài)。按或鍵，直到顯示，按啟動(dòng)鍵，顯示數(shù)值從0變化到5，此時(shí)變頻器已啟動(dòng)，按鍵，設(shè)定頻率為3050之間，可聽到繼電器動(dòng)作。若將

10、水泵插線頭接上，可以啟動(dòng)水泵運(yùn)轉(zhuǎn)。調(diào)節(jié)頻率可隨時(shí)改變干擾流量的大小。第二節(jié)控制系統(tǒng)參數(shù)整定1.衰減曲線法求反饋回路的PID控制參數(shù)：首先采用P1控制使系統(tǒng)從穩(wěn)態(tài)40到穩(wěn)態(tài)50，調(diào)節(jié)比例增益的大小，使響應(yīng)曲線得到4:1的衰減比。根據(jù)公式，再做細(xì)微的調(diào)整，得到以下曲線。得到PID的反饋回路參數(shù)為P=9，Ti=33s，Ts=0.2. 用前饋補(bǔ)償?shù)姆椒ㄇ蠹臃ㄆ鞯腒值根據(jù)流量與閥門控制信號(hào)的關(guān)系，等效為線性關(guān)系，可得到k近似為125。第三節(jié)控制系統(tǒng)性能分析本課設(shè)的控制系統(tǒng)，采用反饋回路控制液位，前饋消除干擾。基本上能實(shí)現(xiàn)對(duì)水箱液位的控制盒監(jiān)控，然而因?yàn)槲覀儼阉淇刂葡到y(tǒng)當(dāng)成了線性控制系統(tǒng)，二閥門控制信號(hào)

11、并不是嚴(yán)格的線性關(guān)系，給我們的對(duì)象模型帶來了一定的誤差。所以如果本課設(shè)的系統(tǒng)如果要進(jìn)行實(shí)際投運(yùn)的話還要進(jìn)一步的調(diào)整。第五章控制系統(tǒng)設(shè)備選型與電氣控制圖繪制第一節(jié) 控制系統(tǒng)設(shè)備選型A3000高級(jí)過程控制試驗(yàn)系統(tǒng)（AS3020 DDC控制系統(tǒng)）泵1（20PLB(R)18-10(Z)同泵2）的流量控制-MICROMASTER 420 變頻器支路1流量測(cè)量LWGB-15渦輪流量變送器下水箱液位測(cè)量-FB0803CE2R支路2電動(dòng)閥-ML7420A3055-E第二節(jié) 電氣控制圖繪制第六章總結(jié)在本次過程控制的課程設(shè)計(jì)中，我們選擇的課設(shè)題目是單回路水箱液位反饋-前饋的監(jiān)控與仿真，在拿到題目的時(shí)候我們以為因?yàn)?/p>

12、這方面的理論知識(shí)我們已經(jīng)學(xué)過，我們課設(shè)的過程應(yīng)該會(huì)比較簡(jiǎn)單。但是在實(shí)際的過程中我們還是碰到種種困難。首先最大的問題就是我們課設(shè)的時(shí)候總是有無從頭緒，我們覺得原因有兩個(gè)，第一是因?yàn)槲覀儗?duì)實(shí)驗(yàn)裝置的不熟悉，以及缺乏必要的動(dòng)手經(jīng)歷。第二是因?yàn)槲覀冊(cè)谶M(jìn)行開工之前沒有制定一個(gè)計(jì)劃。這就導(dǎo)致我們浪費(fèi)了一定的時(shí)間。在進(jìn)行模塊配置的時(shí)候，耗費(fèi)了整整一天的時(shí)間，模塊配置都是失敗的，最后才發(fā)現(xiàn)是因?yàn)锳S3020 DDC控制系統(tǒng)的開關(guān)沒有打開，這個(gè)事情給我組最大的啟發(fā)就是要細(xì)心。在進(jìn)行課設(shè)的同時(shí)我們發(fā)現(xiàn)光是擁有理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，并且發(fā)現(xiàn)我們的理論知識(shí)也是不牢靠的。同時(shí)通過做課設(shè)，培養(yǎng)了我們動(dòng)手能力，和計(jì)劃安排的

13、能力，對(duì)我們的理論知識(shí)也是經(jīng)受了一次洗禮。本設(shè)計(jì)用組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)了水箱液位的監(jiān)控，并且能夠通過PID參數(shù)的設(shè)計(jì)達(dá)到控制液位的目的。本次設(shè)計(jì)，增加了我們對(duì)專業(yè)知識(shí)的認(rèn)識(shí)和了解，尤其是過程控制和智能儀器知識(shí)的運(yùn)用。經(jīng)過大量相關(guān)資料的查閱，包括控制系統(tǒng)工作原理以及如何利用過程控制及智能調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)各種功能，我們不僅學(xué)會(huì)了許多知識(shí)，而且培養(yǎng)了我們獨(dú)立解決問題的能力，同時(shí)在對(duì)硬件設(shè)計(jì)的過程中，鞏固了我們的專業(yè)課知識(shí)，使我們受益匪淺?？傊?，通過本次設(shè)計(jì)不僅進(jìn)一步強(qiáng)化了專業(yè)知識(shí)，還掌握了設(shè)計(jì)系統(tǒng)的方法、步驟等，為今后的工作和學(xué)習(xí)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。再者，對(duì)Matlab的使用更加得心應(yīng)手，首先經(jīng)過對(duì)資料的整理、理解

14、和消化，我們對(duì)自己的設(shè)計(jì)內(nèi)容思路清晰了，仿真達(dá)到預(yù)期效果時(shí)，我就開始整理自己的思路，最終明確了參數(shù)的影響。達(dá)到了課設(shè)的目的。這次畢業(yè)設(shè)計(jì)不但鞏固我所學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)，而且提高我們的動(dòng)手能力和動(dòng)腦能力。所以總的來說，這次設(shè)計(jì)我們學(xué)到很多！參考資料：1蔣慰孫，俞金壽 過程控制工程 北京 中國(guó)石化出版社 19992潘?；诮M態(tài)王的水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 科技資訊 2009(26)3黃忠霖，黃京 控制系統(tǒng)MATLAB計(jì)算及仿真 北京國(guó)防工業(yè)出版社 20094北京 化學(xué)工業(yè)出版社 2006附錄附錄1用歐拉法編制計(jì)算機(jī)仿真程序：y0=0;T=380;K=1.54;Q1=49.9;t0=0;tf=100;h=0.5;n=round(tf-t0)/h);y=y0;t=t0;fori=1:n y1=y0+1/T*2