单回路双容水箱液位控制系统组态软件课程设计.docx
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1、课 程 设 计 报 告设计题目单回路双容水箱液位控制系统课程名称监控系统程序设计技术单回路双容水箱液位控制系统 摘 要 随着科技的进步,自动化逐步走进千家万户。本学期在修完监控系统程序设计技术课程后,运用工业监控系统组态软件(MCGS),结合一个自动控制系统,学生自选题目进行工程设计。本次设计的工程系统是“单回路双容水箱液位控制系统”。通过查阅相关资料,了解到单回路双容水箱的液位控制采用PID调节方法,设定水位与实际水位的偏差和水泵电压信号构成PID调节的输入与输出单回路双容水箱液位控制系统充分体现着自动化技术的优越性,通过简单操作来实现水箱液位的自动控制。其主要目的是:根据用户的需求,按照用
2、户所设定的水箱液位值,系统自动识别并给出相应的电压信号,控制进水流量,从而控制水箱液位达到设定液位。此外在操作方面,该系统紧密联系实际,可以进行手动控制和自动控制的自由切换。同时为了便于用户使用和实时监控,该系统设置了多项曲线和报表显示窗口,以及多个显示标签。在安全机制方面,在操作权限上根据实际情况进行人员分组管理设置,并设有密码,以便提高系统的安全性能。通过本次课设学生不仅对课程内容更加了解,通过也提高了学生的动手实践和设计能力。关键词:水位控制;PID;课程设计;自动化Singleloop and doubletank water level control systemAbstract
3、With the progress of science and technology,automationand graduallyinto thethousands of households.This semesterin completing theprogrammonitoring systemdesigntechnologycourse,the use ofindustrialmonitoring system configurationsoftware(MCGS),combined withan automatic control system,students chooseth
4、e subjectof Engineering design.Engineering systemof this design is asingleloop and doubletank water level control system.Through access to relevant information,understandingto thelevelof single loopcontrol of two tankusing PID regulationmethod,set thewater level and theactualwater leveldeviation and
5、 thepumpvoltagesignal to formthe PID input and outputregulationSingleloop and doubletank water level controlsystem,fully embodies theadvantagesof automation technology,through simple operationtorealize the automatic controlof tank level.Its main purpose is:according to the needs of users,according t
6、o thewater levelset by the uservalue,automatic identification systemand the correspondingvoltage signal,water flow control,so as to control thewater levelreaches a setlevel.In addition,in the operationof the system,close connection is actual,can be manuallycontrolledandfree switchautomatic control.A
7、t the same time in order tofacilitate the use of the userand the real-time monitoring,thesystem has set upa number ofcurves andreport display window,and a plurality of displaytag.In a safe mechanism,setin thepersonnelgrouping managementoperation authoritybased on the actual situation,and is provided
8、 with apassword,so as toimprove the safety performance of the system.Through thislesson studentnot onlylearn more about thecontent of the course,throughhands-on practice andalsoimprove thestudents ability to design.Key Words:Water level control ;PID; Curriculum design; Automation目 录摘 要IAbstractII第1章
9、选题及工艺流程分析说明11.1 系统概述11.1.1 选题想法11.1.2 设计思路11.2 组态设计的目标31.3 PID控制原理31.3.1PID概况31.3.2系统串级控制方案设计5第2章MCGS工程组态72.1 主控窗口设计72.2 设备窗口设计82.3 用户窗口设计92.4 实时数据库设计112.5运行策略设计122.6脚本程序设计12第3章仿 真153.1 运行结果分析153.2 组态设计和调试中遇到的问题、解决方法和结果153.2.1 遇到的问题153.2.2 解决方法和结果15第4章总 结16参 考 文 献17选题及工艺流程分析说明在工业实际生产中,液位是过程控制系统的重要被控
10、量,在石油化工环保水处理冶金等行业尤为重要。在工业生产过程自动化中,常常需要对某些设备和容器的液位进行测量和控制。通过液位的检测与控制,了解容器中的原料半成品或成品的数量,以便调节容器内的输入输出物料的平衡,保证生产过程中各环节的物料搭配得当。通过控制计算机可以不断监控生产的运行过程,即时地监视或控制容器液位,保证产品的质量和数量。如果控制系统设计欠妥,会造成生产中对液位控制的不合理,导致原料的浪费产品的不合格,甚至造成生产事故,所以设计一个良好的液位控制系统在工业生产中有着重要的实际意义。 在单回路双容水箱液位控制系统的设计中将以THJ-2高级过程控制实验系统为基础,展开设计控制系统及工程实
11、现的工作。虽然是采用传统的PID控制的方法,但是将利用智能调节仪表数据采集模块和计算机控制来实现控制系统的组建,努力使系统具有良好的静态性能,改善系统的动态性能。在设计系统中,主要利用MCGS组态软件对其进行设计,仿真。1.1 系统概述1.1.1 选题想法 在工业实际生产中,液位是过程控制系统的重要被控量,在石油化工环保水处理冶金等行业尤为重要。在工业生产过程自动化中,常常需要对某些设备和容器的液位进行测量和控制。通过液位的检测与控制,了解容器中的原料半成品或成品的数量,以便调节容器内的输入输出物料的平衡,保证生产过程中各环节的物料搭配得当。通过控制计算机可以不断监控生产的运行过程,即时地监视
12、或控制容器液位,保证产品的质量和数量。如果控制系统设计欠妥,会造成生产中对液位控制的不合理,导致原料的浪费产品的不合格,甚至造成生产事故,所以设计一个良好的液位控制系统在工业生产中有着重要的实际意义。1.1.2 设计思路(1)双容水箱对象液位定值控制系统如图 1所示。系统包括两个横截面积分别为 A1 和 A2 的水箱T1 和 T2,水箱 T1 和水箱 T2 之间通过连通阀 CV1 连接,CV1 截面积为 AF1, 其开度可调整。水箱系统由给水泵供水,负载阀 CV2 决定出水量,水箱 T2 有一干扰水源,用以施加供水干扰,用户的用水量改变的扰动可通过调整负载阀 CV2 开度进行模拟。图1 双容水
13、箱液位控制系统原理图(2)先是建立系统的对象模型,模型建立思路如下:系统由水泵供水,水泵的控制电压输入范围为 0-10V,水泵出水量与控制电压之间的传递函数为: 式中,Qi 是流入水箱的流量;Up 是水泵的控制电压,水泵的参数可近似为d=0.65s,Tp=5s,Kp=0.1升/伏秒,当输入控制电压为 0V 时,水泵的出水量为 0。水箱 T2 的出水量由阀门 CV2 控制,阀门的截面积为 AF2。以水泵作为系统输入,水箱 T2 的液位作为系统输出,即可实现单入单出二阶惯性对象。假设系统是线性或者可线性化的,因此可以推导系统的微分方程如下: 设阀门 CV1 和 CV2 的流量与阀门开度 为线性关系
14、,则水箱 T1 流到水箱 T2 的水流量 Q1 和水箱T2 的流出的水量 Qo 分别为: 1.2 组态设计的目标输入一个设定水位,系统通过算法,自动调节水泵电压和阀门开度,使水箱2的液位达到设定值1.3 PID控制原理1.3.1PID概况目前,随着控制理论的发展和计算机技术的广泛应用,PID控制技术日趋成熟。先进的PID控制方案和智能PID控制器(仪表)已经很多,并且在工程实际中得到了广泛的应用。现在有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器,能实现PID控制功能的可编程控制器(PLC),还有可实现PID控制的计算机系统等。在工程实际中,应用最为广泛的调节器控制规律为比例积分微分控制,
15、简称PID控制,又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史,它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。y(t)+r(t) 比例P积分I微分D被控对象图2 PID控制基本原理图PID控制器是一种线性负反馈控制器,根据给定值r(t)与实际值y(t)构成控制偏差:。PID控制规律为:或以传递函数形式表示:式中,KP:比例系数 TI:积分时间常数 TD:微分时间常数 PID控制器各控制规律的作用如下:(1)比例控制(P):比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系,能较快克服扰动,使系统稳定下来。但当仅有比例控制时系统输出存在稳态误
16、差(2)积分控制(I):在积分控制中,控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统,如果在进入稳态后存在稳态误差,则称此控制系统是有差系统。为了消除稳态误差,在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差的累积取决于时间的积分,随着时间的增加,积分项会越大。这样,即便误差很小,积分项也会随着时间的增加而加大,它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小,直到等于零。但是过大的积分速度会降低系统的稳定程度,出现发散的振荡过程。比例+积分(PI)控制器,可以使系统在进入稳态后无稳态误差。(3)微分控制(D):在微分控制中,控制器的输出与输入误差信号的微分(即误差的变化率)成正比关系。自
17、动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性环节或有滞后环节,具有抑制误差的作用,其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”,即在误差接近零时,抑制误差的作用就应该是零。所以在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的,比例项的作用仅是放大误差的幅值,而目前需要增加的是“微分项”,它能预测误差变化的趋势,这样具有比例+微分的控制器,就能够提前使抑制误差的控制作用等于零,甚至为负值,从而避免了被控量的严重超调。特别对于有较大惯性或滞后环节的被控对象,比例积分控制能改善系统在调节过程中的动态特性。PID控制器的参数整定是控制系统设计的重要
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