液位定值PID資料

1、湖南工程學院課程設計課程名稱課題名稱貯槽液位控制系統(tǒng)設計專 業(yè)班 級 學號姓名指導教師2013年09月15日湖南工程學院課程設計任務書課程名稱過程控制課 題貯槽液位控制系統(tǒng)設計專業(yè)班級學生姓名學號指導老師審批任務書下達日期2013年09月02日任務完成日期 2013年09月15日設計內容與設計要求設計內容:在工業(yè)生產過程中，液體貯槽設備如進料罐、成品罐、 中間緩沖容器、水箱等應用十分普遍，為保證生產正常進行， 物料進出需均衡，以保證過程的物料平衡，因此工藝要求貯 槽內的液位需維持在某個給定值上下，或在某一小范圍內變 化，并保證物料不產生溢出，要求設計一個液位控制系統(tǒng)。設計要求：1）確定系統(tǒng)設計

2、方案；2）選擇相應的儀器設備；3）MCGS軟件組態(tài)相應的監(jiān)控畫面；4）完成控制算法程序設計；5）在DDC控制裝置中進行調試；主要設計條件假設貯槽設備是一水箱，生產工藝要求水箱液位應保持在20 0.5cm，設計控制系統(tǒng)滿足該要求。說明書格式課程設計任務書目錄系統(tǒng)總體方案選擇與說明系統(tǒng)結構框圖與工作原理各單元硬件設計說明及計算方法軟件設計與說明（包括流程圖）調試結果與必要的調試說明使用說明程序清單總結參考文獻附錄附錄A系統(tǒng)原理圖附錄B程序清單進度安排設計時間為兩周第一周星期一、上午：布置課題任務，講課及課題介紹下午：借閱有關資料，總體方案討論星期二、確定總體設計方案星期三、選擇相應的儀器設備，進行

3、控制算法設計星期四、控制算法編程星期五、控制算法編程第二周星期一、MCGS組態(tài)監(jiān)控畫面星期二、MCGS組態(tài)監(jiān)控畫面，在DDC裝置上進行調試星期三、在DDC裝置上進行調試星期四、寫說明書星期五、上午：寫說明書，整理資料下午：交設計資料，答辯目錄 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 第1章系統(tǒng)總體方案選擇與說明1 HYPERLINK l bookmark44 o Current Document 第2章系統(tǒng)結構框圖與工作原理2 HYPERLINK l bookmark47 o Current Document 2.1系統(tǒng)框

4、圖22.2工作原理3 HYPERLINK l bookmark50 o Current Document 第3章各單元硬件設計說明及計算方法4 HYPERLINK l bookmark53 o Current Document 3.1各單元硬件設計43.1.1控制器4 HYPERLINK l bookmark56 o Current Document 3.1.2執(zhí)行器5 HYPERLINK l bookmark59 o Current Document 3.1.3檢測變送器53.2系統(tǒng)計算方法6 HYPERLINK l bookmark65 o Current Document 第4章軟件設計

5、與說明74.1實時數(shù)據庫84.2用戶窗口9 HYPERLINK l bookmark68 o Current Document 4.3設備窗口10 HYPERLINK l bookmark71 o Current Document 4.4策略窗口10 HYPERLINK l bookmark74 o Current Document 第5章 調試結果和必要的說明11 HYPERLINK l bookmark86 o Current Document 第6章使用說明15 HYPERLINK l bookmark95 o Current Document 第7章程序清單16 HYPERLINK l

6、 bookmark98 o Current Document 第8章總結19 HYPERLINK l bookmark101 o Current Document 參考文獻20電氣信息學院課程設計評分表21第1章系統(tǒng)總體方案選擇與說明在比例控制中加入積分控制（I）,可以消除比例控制所 再加入微分控制可以起到超前控制的作用。通過PID控 又能消除余差，具有較好的控制性能。比例積分微分控1 y =- p本次設計是以一單容水箱為研究對象，要求通過一定的控制手段使 水箱液位保持在20土0.5cm。從系統(tǒng)的可靠性出發(fā)，應采用PID控制方法。 比例控制（P），控制及時、反應靈敏、偏差越大控制力度越大，可以

7、增加 系統(tǒng)的響應速度。 不能消除的余差 制既能快速控制 制規(guī)律如下：e + 1 j edt + T 屁TDd）對于該課題，可以采用兩套方案實現(xiàn)控制要求：以可編程邏輯控制器（PLC）為下位機，通過PLC的PID控制面板實 現(xiàn)液位的定值控制圖1-1 PID框圖直接計算機控制。計算機采集經過A/D轉換的液位信號，通過在MCGS 組態(tài)軟件中編寫PID控制腳本程序計算出輸出信號，經D/A轉換控制閥的 開度。本課題采用第二套方案，盡量通過軟件設計實現(xiàn)硬件功能，節(jié)約成本， 簡化手續(xù)。第2章系統(tǒng)結構框圖與工作原理2.1系統(tǒng)框圖過程控制系統(tǒng)一般有調節(jié)器、執(zhí)行器、被控對象、檢測變送器四個環(huán)節(jié)， 其中調節(jié)器、執(zhí)行器

8、、和測量變送器都屬于檢測控制儀表，其液位過程圖和 系統(tǒng)框圖分別如下圖2-1液位過程圖圖2-2控制系統(tǒng)框圖2.2工作原理本系統(tǒng)中的對應關系如下：被控對象：水箱被控變量：水箱液位控制變量：水流量控制器：計算機執(zhí)行器：調節(jié)閥檢測變送：液位傳感器單回路上水箱液位控制系統(tǒng)。單回路調節(jié)系統(tǒng)一般指在一個調節(jié)對象 上用一個調節(jié)器來保持一個參數(shù)的恒定，而調節(jié)器只接受一個測量信號， 其輸出也只控制一個執(zhí)行機構。本系統(tǒng)所要保持的參數(shù)是液位的給定高度， 即控制的任務是控制上水箱液位等于給定值所要求的高度。根據控制框圖， 本系統(tǒng)屬于是一個閉環(huán)反饋單回路液位控制，采用DDC控制。當調節(jié)方案 確定之后，接下來就是整定調節(jié)器

9、的參數(shù)，一個單回路系統(tǒng)設計安裝就緒 之后，控制質量的好壞與控制器參數(shù)選擇有著很大的關系。合適的控制參 數(shù)，可以帶來滿意的控制效果。反之，控制器參數(shù)選擇得不合適，則會使 控制質量變壞，達不到預期效果。一個控制系統(tǒng)設計好以后，系統(tǒng)的投運 和參數(shù)整定是十分重要的工作。液位傳感器檢測出水箱水位，水位的實際值通過7017模塊進行A/D轉 換，變成數(shù)字信號后輸入計算機中；在計算機中，根據水位給定值與實際 輸出值之差，利用PID程序算法得到輸出值，再將輸出值傳到7024模塊中， 由7024將數(shù)字信號轉換成模擬信號；最后，實現(xiàn)水位的計算機自動控制。第3章各單元硬件設計說明及計算方法3.1各單元硬件設計3.1.

10、1控制器直接數(shù)字控制系統(tǒng)DDC(Direct Digital Control)系統(tǒng)，就是用一臺 工業(yè)計算機配以適當?shù)妮斎?、輸出設備，從輸入通道獲取生產過程的信息， 按照預先規(guī)定的控制算法計算出控制量，并通過輸出通道直接作用于執(zhí)行 器，實現(xiàn)對整個生產過程的控制。由于計算機運算速度快，通過分時處理， 一臺計算機可以對多個回路進行控制。一個DDC系統(tǒng)可實現(xiàn)多個回路PID 調節(jié)及其他輔助控制。DDC系統(tǒng)能滿足不同生產過程的控制要求。當系統(tǒng)控 制要求發(fā)生變化時，可以通過重新編制程序來適應控制要求的改變，而不必 進行大量硬件結構改動。通過在計算機上安裝MCGS組態(tài)軟件，構成了本設計的控制器。系統(tǒng)采集 外部

11、設備的輸入信號，通過一定的算法得到一個輸出信號，經過一定的轉 換來控制執(zhí)行器。3.1.2執(zhí)行器自動調節(jié)閥按其工作能源形式可分為氣動、電動、液動三大類。氣動 調節(jié)閥用壓縮空氣作為工作能源，主要特點是能在易燃易爆環(huán)境中工作， 廣泛地應用于化工、煉油等生產過程中；液動調節(jié)閥用液壓推動，推力很 大，一般生產過程中很少用到；電動調節(jié)閥用電源工作，其特點是能源取 用方便，信號傳遞迅速，但難以在易燃易爆環(huán)境中工作。單容水箱液位控 制系統(tǒng)可采用電動調節(jié)閥為執(zhí)行器。從安全方面出發(fā)，當系統(tǒng)故障時，控 制器的輸出信號為零，應該停止儲水箱的供水。為防止儲水箱的液體溢出， 應采用氣開式調節(jié)閥。電動調節(jié)閥對控制回路流量進

12、行調節(jié)。采用德國PSL202型智能電動調 節(jié)閥，無需配伺服放大器，驅動電機采用高性能稀土磁性材料制造的同步 電機，運行平穩(wěn)，體積小，力矩大，控制精度高?？刂茊卧c電動執(zhí)行機 構一體化，可靠性高，操作方便，并可與計算機配套使用，組成最佳調節(jié) 回路。有輸入控制信號4-20mA及單相電源即可控制與流量、溫度、壓力等 參數(shù)的調節(jié)，具有體積小，重量輕，連線簡單，泄漏量少的優(yōu)點。采用PS 電子式直行程執(zhí)行機構，4-20mA閥門位置反饋信號輸出雙導向單座柱塞式 閥芯，流量具有等百分比特性，直線特性和快開特性，閥門采用彈簧連接， 可預置閥門關斷力，保證閥門的可靠關斷，防止泄露。性能穩(wěn)定可靠，控 制精度高，使用

13、壽命長等優(yōu)點。3.1.3檢測變送器液位傳感器用來對上水箱液位的壓力進行檢測，采用工業(yè)的DBYG擴散 硅壓力變送器，本變送器按標準的二線制傳輸，喜愛用高品質低耗精密器 件，穩(wěn)定性、可靠性大大提高?？煞奖愕呐c其他DDZ-3X型儀表互換配置， 并能直接替換進口同類儀表。校驗的方法是通電預熱15分鐘后，分別在零 壓力和滿程壓力下檢查輸出電流值。在零壓力下調整量程電位器，使輸出 電流為4mA，在滿量程壓力下調整量程電位器，使輸出電流為20mA。本傳 感器精度為0.5級，因為為二線制，故工作時需串24V直流電源。壓力傳 感器用來對上水位水箱和中水位水箱的壓力進行檢測，采用工業(yè)用的DBYG 擴散硅壓力變送器

14、，0.5級精度，二線制4-20mA標志信號輸出。3.2系統(tǒng)計算方法設水箱的進水量為Q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Q作為被控對象的輸入變量，h為其輸出變量，則該 1（3-1）被控對象的數(shù)學模型就是h與Q1之間的數(shù)學表達式。根據動態(tài)物料平衡關系Q _ Q = C虬1勺 dt將式（3-1）表示為增量形式（3-2）式中，AQ、AQ、險分別為偏離某一平衡狀態(tài)Q、Q、h的1210200增量；C水箱底面積。在靜態(tài)時，Q1 = Q2 ； dhdt =0；當Q1發(fā)生變化時，液位h隨之變化，閥匕處的靜壓也隨之變化，Q2也必然發(fā)生變化。由流體力學可知，流體在 紊流情況下，液位h

15、與流量之間為非線性關系。但為簡化起見，經線性化 處理，則可近似認為AQ1與Ah成正比，而與閥匕的阻力R2成反比，即 TOC o 1-5 h z A Q廣*或R廣巖（3-3）式中，R2為閥匕的阻力，稱為液阻。將式（3-3）代入式（3-2）可得r c dL + ah = R AQ（3-4）2 dt21(3-5)在零初始條件下，對上面的式子求拉普拉氏變換，得:g 3)= y=-=4 0Q (s) R Cs + 1 Ts + 1式中，t=R2C為水箱的時間常數(shù)(注意：閥V2的開度大小會影響到水箱的時 TOC o 1-5 h z 間常數(shù))，K=R為過程的放大倍數(shù)。令輸入流量Q (s) = R /s，R為

16、常量，則 2100(3-6)輸出液位的高度為：KR _ KR KR s(Ts +1) s s + 1/0T艮口h(t) = KR0(1 - e)(3-7)當t T8時，h(8) = KR0因而有丫 h (8) 輸出穩(wěn)態(tài)值(3-8)K =R 0階躍輸入(3-9)當t=T時，則有h(T) = KR0(1-e-1) = 0.632 KR0 = 0.632h(8)第4章軟件設計與說明MCGS(Monitor and Control Generated System ，監(jiān)視與控制通用 系統(tǒng))是一套基于Windows平臺的用于快速構造和生成上位機監(jiān)控系統(tǒng) 的組態(tài)軟件系統(tǒng)，主要完成現(xiàn)場數(shù)據的采集與監(jiān)測、前端

17、數(shù)據的處理 與控制，可運行于 Microsoft Windows 95/98/Me/NT/2000/xp 等操作 系統(tǒng)。mcgs具有功能完善、操作簡便、可視性好、可維護性強的突出 特點。通過與其他相關的硬件設備結合，可以快速、方便的開發(fā)各種 用于現(xiàn)場采集、數(shù)據處理和控制的設備。用戶只需要通過簡單的模塊化組態(tài)就可構造自己的應用系統(tǒng)，如可以靈活組態(tài)各種智能儀表、數(shù) 據采集模塊，無紙記錄儀、無人值守的現(xiàn)場采集站、人機界面等專用 設備。適應于應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗等綜合性 能有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。通過對現(xiàn)場數(shù)據的采集處理，以動 畫顯示、報警處理、流程控制和報表輸出等多種方式向用

18、戶提供解決 實際工程問題的方案，在自動化領域有著廣泛的應用。此外MCGS嵌入版還帶有一個模擬運行環(huán)境，用于對組態(tài)后的工程進行模擬測試，方 便用戶對組態(tài)過程的調試。4.1實時數(shù)據庫通訊標志：mml；儀表啟動標志：set;數(shù)值量7024的4通道輸出電流：op2；上水箱液位測量值：上水箱pv；上水箱液位設定值：上水箱sv；偏差值：ei；比例系數(shù)：k；積分前項：mx；7017的1通道采樣電壓：pvl;前次測量值：pvx；微分項：q0；積分項：ql；比例項：q2；設定值：svl；微分時間：td；積分時間：ti；組對象為液位組（包含液位設定值和測量值）4.2用戶窗口圖 4-2-1用戶窗口如上圖所示，含兩個

19、子窗口：貯槽液位和歷史曲線，其中歷史曲 線顯示的為液位組的歷史曲線。4.3設備窗口圖 4-3-1在設備組態(tài)設備窗口中需設計的是串口通訊父設備，要添加7017和7024兩個模塊。7017主要是進行A/D轉換，7024主要是進行D/A轉換4.4策略窗口遺MCGS組態(tài)環(huán)境-If乍臺：J:新建文件圭新渲工程0 MCG、】亳文件舊端輯舊查看M插入0）工具CD商口曲幫助（0工舀y閹些1 口IW %|邛疽圄陟|副|而國主控窗口 | 設備窗口 | E用戶窗口 |航實時數(shù)據庫勤壇行策略1類型 T注釋甜啟動策略啟動.當系統(tǒng)啟動時逐行勤退出策略退出當系統(tǒng)退出前壇行勤循環(huán)策略循環(huán)按照設定的時間循環(huán)氓行更數(shù)據瀏覽】用戶

20、供其他策略、按鈕和菜單.圖 4-4-1圖 4-4-2策略窗口組態(tài)了一用戶策略：歷史數(shù)據瀏覽，用以產生液位組的歷史報表。第5章調試結果和必要的說明將系統(tǒng)連線接好，直至沒有錯誤。進入MCGS系統(tǒng)運行界面設定參數(shù)sv=70， k=180，等待，直到系統(tǒng)達到平衡狀態(tài)Hl組態(tài)工程教育專用版系統(tǒng)管理刃 總貌圖 主菜單 退出運行系統(tǒng)I I I I ISMm磁力驅動泵1點擊查君歷史曲線1通訊成珈1點擊瀏覽歷史數(shù)據1圖5-1圖5-2從圖5-3可以看出，只引入比例控制時達到平衡狀態(tài)，會存在余差引入積分控制后，系統(tǒng)達到新的平衡狀態(tài)，消除余差。圖5-5液位歷史曲線圖如圖5-6所示:圖5-6液位組歷史報表如下圖所示:圖

21、5-7第6章使用說明系統(tǒng)使用簡介：關閉閥門00,往AE2000B2型過程控制對象的儲水箱灌水，水位達 到總高度的90%以上時停止灌水。打開以西山泵為動力的支路至上水箱的所有閥門，關閉動力支路上 通往其它對象的切換閥門。打開上水箱出水閥，開至適當?shù)拈_度。在電源關閉的情況下對系統(tǒng)進行連線將I/O信號接口板上的上水箱液位的鈕子開關打到15V位置。將上水箱液位+（正極）接到ICP7017的AI0+端，上水箱液位一（負極）接到ICP7017的AI0 一端。將ICP7024的AO0+端接至電動調節(jié)閥的420mA輸入端的+端（即 正極），將ICP7024的AO0-端接至電動調節(jié)閥的420mA輸入端的一端 （

22、即負極）。電源控制板上的電源空氣開關、單相泵電源開關打在關的位置。啟動裝置將實驗裝置電源插頭接到220V的單相交流電源。打開電源帶漏電保護空氣開關。打開電源總開關，電源指示燈點亮，即可開啟電源。開啟24VDC電源開關。打開7017、7024的電源開關。啟動計算機MCGS組態(tài)軟件，打開電動調節(jié)閥和單相電源泵開關。 再設定給定值，調整比例系數(shù)待系統(tǒng)穩(wěn)定后加入積分作用，即在界面上設 置積分時間（Ti）不為0，觀察被控制量是否能回到設定值，最后再引入適 量的微分作用。第7章程序清單啟動腳本：!setdevice(7024,1,)!setdevice(7017,1,)set=0q0=0q1=0q2=0o

23、p2=4上水箱pv=0上水箱sv=0循環(huán)腳本：if set=1 thenif k=0 and ti=0 and td=0 thenq0=0q1=0q2=0endifei=(sv1/125+1)-pv1if k0 and ti0 thenq0=k*eimx=k*0.5*ei/tiq2=k*td*(pvx-pv1)/0.5endifif ti=0 thenq0=K*eiq1=0mx=0q2=k*td*(pvx-pv1)/0.5 endifIF MX5 THENMX=5ENDIFIF MX=pv1 then if op1=100 thenq1=q1 elseq1=q1+mxendifelseif op1=0 then q1=q1else q1=q1+mxendifendifpvx=pv1op1=Q0+Q1+Q2 OP2=(OP1+25)/6.25 IF OP220 then op2=20ENDIF上水箱 pv = (pv1-1)*125 if 上水箱 pv200 then上水箱pv=200 endifif 上水箱 pv0