基于組態(tài)王的雙儲液罐單水位PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)報告

1、青島理工大學(xué)自動化工程學(xué)院專業(yè)方向課程設(shè)計(jì)報告題目：基于組態(tài)王的雙儲液罐單水位PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)專 業(yè) 自動化 班 級 121 姓 名 潘旭 學(xué) 號 201228195 指導(dǎo)教師 王永秀 2016 年 1 月 15 日成績評語11 / 20文檔可自由編輯打印摘 要本文主要實(shí)現(xiàn)基于組態(tài)王的雙儲液罐單水位PID控制系統(tǒng)，對上、下水罐的水位、下水罐溫度進(jìn)行檢測，并將下水罐液位控制在給定值。通過對實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的研究，運(yùn)用所學(xué)的MATLAB知識建立了單容水箱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并對系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行了辨識，用工業(yè)控制軟件組態(tài)王6.5，使其具有報警畫面，歷史曲線，實(shí)時曲線，報表畫面。關(guān)鍵詞：雙儲液罐，PID控

2、制系統(tǒng)，單容水箱，組態(tài)王6.5 ABSTRACT This paper based on the configuration of the double tank water level single PID control system ,make water tank water level, water tank temperature detection, and water tank level control at a given value.Through the study on the structure of the experimental system, use lea

3、rned knowledge of MATLAB to establish a single volume tank experimental system mathematical model, and the parameters of the system are identified,use industrial control software kingview 6.5, enables it to have the alarm screen, historical curve, real-time curve, statements frame.KEY WORDS: Double

4、liquid storage tank,PID control system,single volume tank，Configuration king 6.5 目錄摘要ABSTRACT第1章 緒論1第2章 系統(tǒng)總體方案22.1控制系統(tǒng)構(gòu)成22.1控制系統(tǒng)過程2第3章 水箱建模及參數(shù)整定43.1 水箱的建模過程43.2 水箱液位的PID整定5第4章 組態(tài)王6.5簡介與操作界面的設(shè)計(jì)74.1組態(tài)軟件介紹74.2基于組態(tài)王6.5的液位控制系統(tǒng)上位機(jī)部分設(shè)計(jì)7 4.2.1上位機(jī)主控畫面7 4.2.2上位機(jī)功能畫面9第5章 結(jié)論與展望10致 謝11參 考 文 獻(xiàn)12第1章 緒論 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛

5、發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)的規(guī)模越來越大，結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜，從而使控制對象、控制器以及控制任務(wù)和目的日益復(fù)雜，而對系統(tǒng)的精度、響應(yīng)速度和穩(wěn)定性的要求卻越來越高。但是，當(dāng)前的學(xué)術(shù)理論研究缺乏實(shí)際背景的支持，先進(jìn)理論的算法一旦應(yīng)用到實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)就會出現(xiàn)各種各樣的問題，制約了其進(jìn)一步的發(fā)展與應(yīng)用1。在現(xiàn)階段尚不具備在實(shí)驗(yàn)室中真實(shí)復(fù)現(xiàn)實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過程的條件下，利用具有典型對象特性的實(shí)驗(yàn)裝置將是一件探索將理論成果轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用的有力武器。課題研究的雙儲液罐水位控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置是以水箱的液位為控制變量2，來模擬實(shí)際工業(yè)控制領(lǐng)域中的過程控制系統(tǒng)，該實(shí)驗(yàn)裝置在國內(nèi)外很多高校的實(shí)驗(yàn)室都有配備，其價值在于可為學(xué)生的自動控制理

6、論課程和畢業(yè)設(shè)計(jì)提供便捷的實(shí)驗(yàn)平臺。同時，該系統(tǒng)也可為相關(guān)科研人員在復(fù)雜的控制系統(tǒng)研究方面提供實(shí)際的模擬對象。在本論文中，工控軟件組態(tài)王6.5可有其他工控軟件替代，使該實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)現(xiàn)了多種控制策略的實(shí)驗(yàn)，從而達(dá)到了增加該實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的目的；同時本課題中所提出的硬件和軟件實(shí)現(xiàn)方法也具有較強(qiáng)的可移植性，可以應(yīng)用推廣到其他的教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容增加上，極具現(xiàn)實(shí)意義。第2章 系統(tǒng)總體方案2.1控制系統(tǒng)構(gòu)成本系統(tǒng)主要使用工控機(jī)和組態(tài)軟件，使用三菱公司的FX2-48MR，輸入設(shè)備為ND-6018型智能模塊。水位信號需要通過輸入設(shè)備才能送入IPC，IPC發(fā)出的控制信號必須通過輸出設(shè)備才能送到水泵。此外，

7、為了將IPC的RS232C串行通訊總線轉(zhuǎn)換為ND-6018智能模塊需要的RS485通信總線，需要加一塊ND-6520智能模塊。兩個ST-2001GP4BM1B2型擴(kuò)散硅壓力傳感器，循水泵，調(diào)節(jié)閥，出水閥等主要器件組成。水箱里面的水是靠水泵從水源抽水而來的，循水泵采用單相泵（帶電容），正常使用電壓為220V，假定水箱高3m，上限為2.6m，下限為0.5m。為了監(jiān)控水箱的水位，必須依靠一定的檢測設(shè)備對水箱水位這個重要參數(shù)進(jìn)行檢測。在這里選用ST-2001GP4BM1B2型擴(kuò)散硅壓力傳感器3，量程為29.4kPa，當(dāng)水位為3m時，輸出電流為20mA，當(dāng)水位為0m時，輸出電流為4mA。配電器的作用是為

8、水位傳感器提供24v電源，同時將水位傳感器與計(jì)算機(jī)接口進(jìn)行了電氣隔離，型號為DFP-2100。 穩(wěn)壓電源為配電器、水位傳感器、智能模塊、接觸器提供24V工作電源。穩(wěn)壓電源的型號為DFY-3110，最大輸出電流為10A。由于PLC的輸出觸點(diǎn)容量較?。娏餍∮?A），一般不能用于直接控制較大功率的電氣設(shè)備，故需要外加接觸器3，以便能夠?qū)λ?泵進(jìn)行控制。這里選用CZ18-40型直流接觸器，其觸頭額定電壓為440V，額定電流為40A，吸引線圈電壓為24V。2.1控制系統(tǒng)過程下儲液罐 執(zhí)行器 控制器給定值+ -壓力變送器圖2.1系統(tǒng)控制圖利用組態(tài)軟件控制整個系統(tǒng)，使它能夠通過兩個擴(kuò)散硅壓力變送器進(jìn)行即時

9、的水位檢測。以當(dāng)下罐水位較低時，上罐排水當(dāng)下罐水位正常，不排水，不進(jìn)水，下罐水位較高，單排水（下罐排水或上罐進(jìn)水），停上罐進(jìn)水的順序：先關(guān)閉循環(huán)泵，延時1秒再關(guān)閉上罐進(jìn)水閥，上罐進(jìn)水的順序：打開上罐進(jìn)水閥，延時1秒再打開循環(huán)泵為控制策略，利用循環(huán)泵和四個電磁閥控制雙罐水位，而且將下水罐的水位控制在給定值，當(dāng)水位超出設(shè)定值時能自動啟動關(guān)水閥。選取適當(dāng)?shù)腜ID調(diào)節(jié)參數(shù)4，實(shí)現(xiàn)液位的自動調(diào)節(jié)和控制。在這里利用組態(tài)軟件的采集數(shù)據(jù)的功能，對水罐的水位進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，通過實(shí)際的數(shù)字和圖表反映出現(xiàn)在的水位狀況，生成水位參數(shù)的實(shí)時報表和歷史報表。運(yùn)行中，能人工輸入水位給定值，并且具有手動控制和自動控制兩種功能，

10、可以在環(huán)境比較惡劣的條件下繼續(xù)工作。 第3章 水箱建模及參數(shù)整定3.1 水箱的建模過程 建立被控對象數(shù)學(xué)模型的方法主要有三種，分別是機(jī)理法、實(shí)驗(yàn)法、機(jī)理法與實(shí)驗(yàn)法相結(jié)合的混合法。機(jī)理法根據(jù)被控過程的內(nèi)部機(jī)理，運(yùn)用已知的靜態(tài)或動態(tài)平衡關(guān)系，用數(shù)學(xué)解析的方法求取被控過程的數(shù)學(xué)模型。實(shí)驗(yàn)法是先給被控過程人為地施加一個輸入作用，然后記錄過程的輸出變化量，得到一系列實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或曲線，最后再根據(jù)輸入輸出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定其模型的結(jié)構(gòu)（包括模型形式、階次與純滯后時間等）與模型的參數(shù)?；旌戏ㄊ菣C(jī)理演繹法與實(shí)驗(yàn)辯識法相互交替使用的一種方法，本設(shè)計(jì)采用機(jī)理法。 從機(jī)理出發(fā)，依據(jù)物料平衡和能量平衡的關(guān)系，用理論的方法推導(dǎo)被

11、控對象的數(shù)學(xué)模型。本次建模采用無延時模型，單容水箱的模型如下圖3.1所示： 圖3.1 單容水箱模型圖單容其流入量Qi，改變閥1的開度可以改變Qi的大小，其流出量為Qo，它取決于用戶的需要改變閥2開度可以改變Qo，液位h的變化反映了Qi和Qo不等而引起的儲罐中蓄水或泄水的過程，如果Qi作為被控過程的輸入變量，h為其輸出變量，則該被控過程的數(shù)學(xué)模型就是h與Qi之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式。 根據(jù)動態(tài)物料平衡關(guān)系，即在單位時間內(nèi)貯罐的液體流入量與單位時間內(nèi)貯罐的液體流出量之差，應(yīng)等于貯罐中貯存量的變化率，故有表示成增量形式則為 （3.1） （3.2） （3.3） （3.4） （3.5）式中 ： Qi ,Qo,h

12、分別為偏離某平衡狀態(tài)Qi0,Qo0,h0的增量；A貯罐的截面積，假設(shè)為常量。假設(shè)Qo與h近似成線性正比關(guān)系，與閥門2處的液阻成反比關(guān)系，則 （3.6） （3.7）拉式變換： R2ASH(s)+H(s)=R2Qi(s) （3.8） 寫成傳遞函數(shù)： （3.9）一般形式： （3.10）T過程的時間常數(shù)，T=R2C K過程的放大系數(shù)，K=R2C過程的容量系數(shù)，C=A3.2 水箱液位的PID整定本系統(tǒng)主要保持的恒定參數(shù)就是液位的給定高度，即控制的任務(wù)是控制下水箱液位等于給定值所需要的高度，這是一個閉環(huán)反饋單回路液位控制，采用工業(yè)智能儀表控制。當(dāng)控制方案確定后，接下來就是整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)，在一個單回路系統(tǒng)

13、設(shè)計(jì)安裝就緒后，控制質(zhì)量的好壞就取決于參數(shù)值的選擇了，合適的控制參數(shù)，可以帶來滿意的控制效果。反之，控制其參數(shù)選擇的不合適，就會使控制質(zhì)量變壞，達(dá)不到預(yù)期的效果。因此，當(dāng)一個單回路系統(tǒng)組成好以后，系統(tǒng)的投運(yùn)和參數(shù)整定就變成了一項(xiàng)非常重要的工作。取K為10，T為10，即 （3.11）下面就是利用matlab仿真模調(diào)試,反復(fù)調(diào)節(jié)PID參數(shù)，最終得比較理想曲線，其中，對應(yīng)階躍響應(yīng)曲線。比例 積分 微分圖3.2 理想PID參數(shù)下的階躍響應(yīng)曲線第4章 組態(tài)王6.5簡介與操作界面的設(shè)計(jì)4.1組態(tài)軟件介紹組態(tài)（configuration）意思就是模塊的任意組合，采用組態(tài)技術(shù)構(gòu)成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工控組態(tài)軟件的出現(xiàn)

14、，使得大型工業(yè)控制系統(tǒng)的組態(tài)編程變得十分得簡單、容易，工程設(shè)計(jì)人員不用再設(shè)計(jì)那些復(fù)雜的應(yīng)用程序（如I/O driver等）。工控組態(tài)軟件的功能包括數(shù)據(jù)庫生成、歷史庫生成、圖形生成、報表生成、順序控制功能、連續(xù)調(diào)節(jié)功能5。組態(tài)軟件是指一些數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件，它們是在自動控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級的軟件平臺和開發(fā)環(huán)境，使用靈活的組態(tài)方式，為用戶提供快速構(gòu)建工業(yè)自動控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的、通用層次的軟件工具。組態(tài)軟件應(yīng)該能支持各種工控設(shè)備和常見的通信協(xié)議，并且通常應(yīng)提供分布式數(shù)據(jù)管理和網(wǎng)絡(luò)功能。4.2基于組態(tài)王6.5的液位控制系統(tǒng)上位機(jī)部分設(shè)計(jì) 4.2.1上位機(jī)主控界面 本系統(tǒng)有手動/自動切換效果，手

15、動增加總的進(jìn)水量，主界面為監(jiān)控界面，點(diǎn)擊相應(yīng)的按鈕可以進(jìn)入相應(yīng)的界面。設(shè)計(jì)具有報警畫面，歷史及實(shí)時曲線，報表畫面，各畫面間能實(shí)現(xiàn)靈活切換，所有畫面都能實(shí)現(xiàn)動畫效果或數(shù)據(jù)或曲線顯示。系統(tǒng)的主要監(jiān)控界面如圖4.1所示： 圖4.1 監(jiān)控畫面4.2.2上位機(jī)功能界面（1）報警畫面當(dāng)上水箱水位或下水箱水位或者下水箱的溫度超過警戒值值，系統(tǒng)就會彈出報警畫面，并可以實(shí)時記錄本次報警實(shí)時值，記錄于報警畫面表格中，可以供使用者隨時查詢，并尋找報警原因，做出相應(yīng)的調(diào)整，從而可避免系統(tǒng)出現(xiàn)故障，并使可以使系統(tǒng)長期工作在穩(wěn)定狀態(tài)，這也是上位機(jī)的重要用處之一，對于實(shí)際工作具有重要意義。由于本上位機(jī)設(shè)計(jì)的報警功能采用彈出

16、式，當(dāng)被控變量超過警戒值即可彈出，在圖4.1中已有顯示。（2）相應(yīng)曲線在監(jiān)控界面可以設(shè)定相應(yīng)水位值，點(diǎn)擊自動控制按鈕后，系統(tǒng)進(jìn)入自動控制狀態(tài)，由于在使用過程中，使用者有時需要觀察此時被控變量實(shí)時變化或者歷史變化，在這里即上水箱水位，下水箱水位及下水箱溫度，本上位機(jī)設(shè)計(jì)了實(shí)時曲線畫面以及歷史曲線畫面，實(shí)時曲線畫面實(shí)時記錄當(dāng)前被控變量上水箱水位，下水箱水位及下水箱溫度的實(shí)時變化，歷史曲線則記錄上水箱水位，下水箱水位及下水箱溫度的歷史變化信息， 系統(tǒng)運(yùn)行后，下水箱水位值以及下水箱溫度值實(shí)時曲線，歷史曲線如圖4.2所示： 圖4.2實(shí)時曲線及歷史曲線（3） 報表查詢 在使用者使用過程中，報表對于提供被控

17、變量的當(dāng)前或歷史具體值提供了極大方便，在這里被控變量即上水箱水位，下水箱水位及下水箱溫度，實(shí)時曲線和歷史曲線只能觀察被控變量的變化情況，而實(shí)時報表和報表查詢則反映和記錄被控變量的當(dāng)前值和歷史值在本上位機(jī)設(shè)計(jì)中，可以通過點(diǎn)擊報表查詢按鈕，上位機(jī)即可以顯示記錄以來的報表實(shí)時數(shù)據(jù)，如圖4.3所示：圖4.3 報表數(shù)據(jù)第5章 結(jié)論與展望本文以雙儲液罐水箱液位控制系統(tǒng)中的下水箱為被控對象2，研究了該控制系統(tǒng)的單容與雙儲液罐對象模型，并針對兩種對象模型建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，在建立合適數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，研究了針對雙儲液罐水箱數(shù)學(xué)模型的控制算法，即PID控制算法，進(jìn)行了基于組態(tài)王6.5上位機(jī)遠(yuǎn)程控制的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)。

18、本文在提出總體設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，完成了系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)，應(yīng)用程序的編寫及調(diào)試，經(jīng)實(shí)際運(yùn)行驗(yàn)證，取得了滿意的效果。目前的測試結(jié)果而結(jié)合遠(yuǎn)程監(jiān)控的優(yōu)勢，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。本系統(tǒng)的任務(wù)是在掌握了水位控制系統(tǒng)的基本組成原理的同時，并能掌握結(jié)合工程實(shí)際，根據(jù)生產(chǎn)設(shè)備所提出的技術(shù)指標(biāo)組成，選擇控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的思路和方法；另一方面在掌握水位手動控制和水位自動控制的思想上，能合理正確地選擇和整定系統(tǒng)的硬件、軟件的方法和手段。在信號檢測電路和水位控制電路的實(shí)現(xiàn)上，既掌握目前的普及應(yīng)用技術(shù)和正在發(fā)展的新技術(shù)，也掌握了智能功率集成電路、模擬電路以及目前應(yīng)用廣泛的各類器件及由這些器件組成的系統(tǒng)。能從工程實(shí)用的角度提出問題、分析問題和解決問題，通過本課題的學(xué)習(xí)，能勝任對電氣傳動控制系統(tǒng)的使用、維護(hù)和管理的工作。致 謝 本論文設(shè)計(jì)在王永秀老師的悉心指導(dǎo)和嚴(yán)格要求下業(yè)已完成，從課題選擇到具體的寫作過程，無不凝聚著王永秀老師的心血和汗水，在我課程設(shè)計(jì)制作期間，王永秀老師為我提供