下水箱液位控制系统设计.docx

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1、下水箱液位控制系统设计 摘要 在人们生活以及工业生产等诸多领域经常涉及到液位和流量的控制问题, 例如居民生活用水的供应, 饮料、食品加工等多种行业的生产加工过程, 通常需要使用蓄液池, 蓄液池中的液位需要维持合适的高度, 既不能太满溢出造成浪费, 也不能过少而无法满足需求。因此液面高度是工业过程控制过程中一个重要的参数，特别是在动态的状态下，采用适合的方法对液位进行检测、控制，能收到很好的效果就更为重要了。 在这次课程设计中，我们主要是设计一个下水箱液位控制系统，涉及到液位的动态控制、控制系统的建模、PID 参数整定、传感器和调节阀等一系列的知识。通过将电磁流量计和涡轮流量计分别作为主管道和副

2、管道控制系统的调节阀控制水箱液位高度。然后，通过参数试凑法对PID参数的调试，使上述的模型能快速的达到稳定并且超调量和余差等满足设计要求。这次课设加深了对工业控制工程中对控制系统设计过程的认识。在PID参数整定过程中，我对比例控制，积分控制，微分控制的作用、效果以及调试方法有了一定了解。 关键词：过程控制下水箱液位控制PID参数整定 目录 第一章绪论 (1) 第二章下水箱液位控制系统设计简述 (2) 2.1设计目的 (2) 2.2设计要求 (2) 2.3设计方案 (2) 第三章下水箱液位系统的组成 (5) 3.1单回路控制系统 (5) 3.1.1控制器 (6) 3.1.2执行器 (6) 3.1

3、.3被控对象 (6) 3.1.4检测装置 (6) 3.2下位机部分 (7) 3.3 上位机部分 (7) 第四章系统调试部分 (9) 4.1系统建模 (9) 4.2 PID算法 (10) 4.3 调试过程 (11) 第五章结论分析 (17) 第六章总结 (19) 参考文献 (19) 第一章绪论 自本世纪30年代以来，伴随着自动控制理论的日趋成熟，自动化技术不断地发展并获得了惊人的成就，在工业生产和科学发展中起着关键性的作用。过程控制技术是自动化技术的重要组成部分，普遍运用于石油，化工，电力，冶金，轻工，纺织，建材等工业部门。 初期的过程控制系统采用基地式仪表和部分单元组合仪表，过程控制系统结构大

4、多是单输入，单输出系统，过程控制理论是以频率法和根轨迹法为主体的经典控制理论，以保持被控参数温度，液位，压力，流量的稳定和消除主要扰动为控制目的过程。 现今的过程控制己进入计算机集成过程系统（CIPS）时代，并依托人工智能，控制理论和运筹学相结合的智能控制技术向工厂综合自动化的方向发展。现代化过程工业向着大型化和连续化的方向发展，生产过程也随之日趋复杂，而对生产质量经济效益的要求，对生产的安全、可靠性要求以及对生态环境保护的要求却越来越高。不仅如此，生产的安全性和可靠性，生产企业的经济效益都成为衡量当今自动控制水平的重要指标。因此继续采用常规的调节仪表（模拟式与数字式）已经不能满足对现代化过程

5、工业的控制要求。 第二章下水箱液位控制系统设计简述 2.1设计目的 通过某种组态软件，结合实验已有设备，按照定值系统的控制要求，根据较快较稳的性能要求，采用但闭环控制结构和PID控制规律，设计一个具有美观组态画面和较完善组态控制程序的流量单回路过程控制系统。 2.2设计要求 1 进行单容液位控制系统设计，画出系统的结构图。 2 进行单容液位定值控制系统调节器参数的整定。 3 基于WinCC的监控界面设计. 4 系统投运，进行P、PI和PID三种调节器参数整定。 5 比较三种调节器的控制效果。 2.3设计方案 整个过程控制系统由控制器、调节器、测量变送、被控对象组成。在本次控制系统中控制器为计算

6、机，采用算法为PID控制规律，调节器为电磁阀，测量变送为HB、FT两个组成，被控对象为流量PV。结构组成见下图2-1所示。 图2-1流量单回路控制系统框图 当系统启动后，水泵开始抽水，通过管道分别将水送到上水箱和下水箱，由HB返回信号，是否还需要放水到下水箱。若还需要（即水位过低），则通过电磁阀控制流量的大小，加大流量，从而使下水箱水位达到合适位置；若不需要（即水位过高或刚好合适），则通过电磁阀使流量保持或减小。其整个流程图如图2-2所示。 图2-2流量单回路控制系统流程图 被控量为下水箱的液位高度，实验要求它的液位稳定在给定值。将压力传感器LT1检测到的下水箱液位信号作为反馈信号，在与给定量

7、比较后的差值通过调节器控制气动调节阀的开度，以达到控水箱液位的目的。为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制，系统的调节器应为PI或PID控制。本控制系统的流程图如图2-3所示。 图2-3 控制系统的流程图 下水箱液位检测信号LT1为标准的模拟信号，直接传送到SIEMENS的模拟量输入模块SM331，SM331和分布式I/O模块ET200M直接相连，ET200M挂接PROFIBUS-DP总线上，PROFIBUS-DP总线上挂接有控制器CPU315-2 DP（CPU315-2 DP为PROFIBUS-DP总线上的DP主站），这样就完成了现场测量信号到CPU的传送。 本实验的执行机构为带

8、PROFIBUS-PA通讯接口的阀门定位器PROFIBUS-PA 总线上，PROFIBUS-PA总线通过LINK和COUPLER组成的DP链路与PROFIBUS-DP 总线交换数据，PROFIBUS-DP总线上挂接有控制器CPU315-2 DP，这样控制器CPU315-2 DP发出的控制信号就经由PROFIBUS-DP总线到达PROFIBUS-PA总线来控制执行机构阀门定位器。 第三章 下水箱液位系统的组成 3.1单回路控制系统 单回路过程控制系统亦称单回路调节系统简称单回路系统，一般指针对一个被控过程,采用一个测量变送器监测被控过程，采用一个控制器来保持一个被控参数恒定，其输出也只控制一个执

9、行机构。从系统的框图3-1看，只是一个闭环回路。 图3-1 单回路控制系统方框图 图中，()s G O 、()s G m 、()s G v 和()s G c 分别表示被控对象、检测变送仪表、执行器和控制器的传递函数。系统工作时，被控过程的输出信号（被控变量）()t y 通过检测变送仪表后将其变换为测量值()t y m ，并将测量值()t y m 反馈到控制器()s G c 的输入端；控制器()s G c 根据系统被控变量的设定值()t r 与测量值()t y m 的偏差()t e ，按照一定的控制算法输出控制量()t u ；执行器()s G v 根据控制器()s G c 送来的控制信号()t

10、u ，通过改变操作变量()t 的大小，对被控对象()s G O 进行调节，克服扰动()t d 对系统的影响，从而使被控变量()t y 趋于设定值()t r ，达到预期的控制目标。单回路系统结构简单，投资少，易于调整和投运，又能满足不少工业生产过程的控制要求，因此应用十分广泛，尤其适用于被控过程的纯滞后和小惯性、负荷和扰动变化比较平缓，或者对被控制量要求不高的场合，约占目前工业控制系统80%以上。 单回路过程控制系统虽然简单，但它的分析、设计方法是其它各种复杂过程控制系统分析、设计的基础。 () s G m ()s G O ()t y m ()t () t d () t y ()s G c ()

11、s G v ()+t r () t e ()t u 3.1.1控制器 控制器只接受一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。本系统所要保持的恒定参数是液位的给定高度，即控制的任务是控制水箱液位等于给定值所要求的高度。所以本设计控制器采用SIEMENS 公司的S7300 CPU ，本CPU 既具有能进行多点通讯功能的MPI 接口，又具有PROFIBUS-DP 通讯功能的DP 通讯接口，并通过WINCC 组态软件完成对下水箱液位的控制。 3.1.2执行器 本设计采用智能直行程电动调节阀，对控制回路的流量进行调节。电动调节阀型号为：QSTP-16K 。具有精度高、技术先进、体积小、重量轻、推动力大、

12、功能强、控制单元与电动执行机构一体化、可靠性高、操作方便等优点，电源为单相220V ，控制信号为420mADC 或15VDC ，输出为420mADC 的阀位信号，使用和校正非常方便。采用磁力驱动泵，型号为16CQ-8P ，流量为30升/分，扬程为8米，功率为180W 。泵体完全采用不锈钢材料，以防止生锈，使用寿命长。 在本设计中还选用电磁阀作为电动调节阀的旁路，起到阶跃干扰的作用。电磁阀工作压力：最小压力为0Kg/2cm ，最大压力为1Mp/2cm ；工作温度：580；工作电压：220VAC 。 3.1.3被控对象 本设计被控对象选择下水箱，下水箱尺寸为：D=35cm ，H=20cm 。水箱结

13、构独特，由三个槽组成，分别为缓冲槽、工作槽和出水槽，进水时水管的水先流入缓冲槽，出水时工作槽的水经过带燕尾槽的隔板流入出水槽，这样经过缓冲和线性化的处理，工作槽的液位较为稳定，便于观察。水箱底部均接有扩散硅压力传感器与变送器，可对水箱的压力和液位进行检测和变送。 3.1.4检测装置 本设计采用压力传感器对下水箱的液位进行检测，其量程为05KP ，精度为0.5级。采用工业用的扩散硅压力变送器，带不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。采用涡轮流量计对由电动调节阀控制的 动力支路、由变频器控制的动力支路及盘管出口处的流量进行检测。其优点是测量精度高，反应快。流量范围：01.

14、2m3/h；精度：1.0%；输出：420mADC。 3.2下位机部分 1 PLC的简介 可编程控制器（简称PLC）是专为在工业环境下应用的一种数字运算操作的电子系统。目前国内外PLC品种繁多，生产PLC的厂商也很多，其中德国西门子公司在S5系列PLC的基础上推出了S7系列PLC，性能价格比越来越高。S7系列PLC有很强的模拟量处理能力和数字运算功能，具有许多过去大型PLC才有的功能，其扫描速度甚至超过了许多大型的PLC，S7系列 PLC功能强、速度快、扩展灵活，并具有紧凑的、无槽位限制的模块化结构，因而在国内工控现场得到了广泛的应用。根据学校要求，在本装置中采用了S7-300PLC控制系统。

15、2 Step 7编程软件的简介 本装置中S7-300PLC，采用的是Step 7编程软件，利用这个软件可以对PLC 进行编程、调试、下装、诊断。 STEP 7是用于SIMATIC S7-300/400站创建可编程逻辑控制程序的标准软件，可使用梯形逻辑图、功能块图和语句表。它是SIEMENS SIMATIC工业软件的组成部分。STEP 7以其强大的功能和灵活的编程方式广泛应用于工业控制系统，总体说来，它有如下功能特性： 1 可通过选择SIMATIC工业软件中的软件产品进行扩展 2 为功能摸板和通讯处理器赋参数值 3 强制和多处理器模式 4 全局数据通讯 5 使用通讯功能块的事件驱动数据传送 6

16、组态连接 3.3 上位机部分 1 WINCC 概述 WINCC指的是Windows Control Center，它是在生产和过程自动化中解决可视化和控制任务的监控系统，它提供了适用于工业的图形显示、消息、归档以及报表的功能模板。高性能的功能耦合、快速的画面更新以及可靠的数据交换使其 具有高度的实用性。 WINCC 是基于Windows NT 32位操作系统的，在Windows NT或Windows 2000标准环境中，WINCC具有控制自动化过程的强大功能，它是基于个人计算机，同时具有极高性价比的操作监视系统。WINCC的显著特性就是全面开放，它很容易结合用户的下位机程序建立人机界面，精确的

17、满足控制系统的要求。不仅如此，WINCC还建立了像DDE、OLE等在Windonws程序间交换数据的标准接口，因此能毫无困难的集成ActiveX控制和OPC服务器、客户端功能。 WINCC软件是基于多语言设计的，这意味着可以在中文、德语、英语等众多语言之间进行选择。 2 WINCC组态界面 2-4-1wincc组态好的界面 第四章 系统调试部分 4.1系统建模 本实验研究的被控对象只有一个，那就是下水箱如图4-1。要对该对象进行较好的计算机控制，有必要建立被控对象的数学模型。单容水箱是一个自衡系统。根据它的这一特性，我们可以用阶跃响应测试法进行建模。 如图4-1，设水箱的进水量为Q 1，出水量

18、为Q 2，水箱的液面高度为h ，出水 阀V 2固定于某一开度值。若Q 1作为被控对象的输入变量，h 为其输出变量，则该 被控对象的数学模型就是h 与Q 1 之间的数学表达式。 根据动态物料平衡关系有 12dh Q Q C dt -= （4-1） 将式（4-1）表示为增量形式 12d h Q Q C dt ?-?= （4-2） 式中，1Q ?、2Q ?、h ?分别为偏离某一平衡状态10Q 、20Q 、0h 的增量； C 水箱底面积。 在静态时，1Q =2Q ；dh dt =0；当1Q 发生变化时，液位h 随之变化，阀2V 处的静压也随之变化，2Q 也必然发生变化。由流体力学可知，流体在紊流情况下

19、，液位h 与流量之间为非线性关系。但为简化起见，经线性化处理，则可近似认为1Q ?与h ?成正比，而与阀2V 的阻力2R 成反比，即 22h Q R ?= 或 22 h R Q ?=? （4-3） 式中，2R 为阀2V 的阻力，称为液阻。 将式（4-3）代入式（4-2）可得 221d h R C h R Q dt ?+?=? （4-4） 在零初始条件下，对上式求拉氏变换，得：2022()()()11 R H s K G s Q s R Cs Ts =+ （4-5） 式中，T=R 2C 为水箱的时间常数（注意：阀V 2的开度大小会影响到水箱的时间常 数），K=R 2为过程的放大倍数。令输入流量1()Q s =0/R s ，0R 为常量，则输出液