贮槽液位控制系统设计报告过程控制.doc

目目 录录 第一章 系统总体方案选择与说明1 第二章 系统结构框图与工作原理.3 第三章 各单元硬件设计说明及计算方法.5 第四章 软件设计与说明.16 第五章 调试结果与必要的调试说明22 第六章 使用说明24 第七章 总结25 第七章 总结25 第八章 参考文献27 附录 程序清单28 第一章第一章 系统总体方案选择与说明系统总体方案选择与说明 贮槽设备是一水箱，生产工艺要求水箱液位应保持在 200.5cm,设计控制系统满足该要求。 对系统要求进行分析，生产工艺简单并且要求不高，因此采 用单回路控制系统进行设计。 所谓单回路控制系统，通常是指一个测量变送器、一个控制 器、一个执行器和一个被控对象所构成的闭环系统，也称为简单 控制系统。 单回路控制系统的结构比较简单，所需的自动化装置数量少， 操作维护也比较方便，因此在化工自动化中使用很普遍，这类系 统占控制回路的绝大多数。 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。因此，学习和掌握 单回路控制系统的工程设计方法是非常重要的。 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惯性小、负荷和扰动变化比较平缓，或者对 被控质量要求不高的场合。 简单、可靠、经济与保证效果是方案设计的基本准则。 单回路控制系统是复杂控制系统的基础，学会了单回路控制 系统的工程分析、设计的处理方法，认识到系统中各个环节对控 制质量的影响，并了解系统设计的一般原则以后，就可以联系实 际，处理其他更复杂的系统设计问题。 从结构图我们可以看出：单回路控制系统是最简单、最基本、 最成熟的一种控制方式。单回路控制系统根据被控量的类型可分 为：温度单回路控制系统、压力单回路控制系统、流量单回路控 制系统等。单回路控制系统方框图的一般形式如下： )(SF )(SX)(SY )(SWC)(SW V )( 0 SW )(SWm )(SZ ( ) V WS 调节阀的传递函数 0( ) W S 被控过程的传递函数 ( ) C WS 调节器的传递函数 Wm(S)测量变送器的传 递 图 1-1 单回路控制系统方框图 第二章第二章 系统结构框图与工作原理系统结构框图与工作原理 2.1、系统结构框图 图 21 贮槽液位控制系统 2.2、工作原理 单回路控制系统又称简单控制系统，是指由一个被控对象、 一个检测元件及变送器、一个调节器和一个执行器所构成的闭合 系统。图 1-1 是一个单回路反馈控制系统，控制的任务是使水箱 液位等于给定值所要求的高度；减小或消除来自系统内部或外部 扰动的影响。当一个单回路系统设计安装就绪之后，控制质量的 好坏与控制器参数选择有着很大的关系。合适的控制参数，可以 带来满意的控制效果。反之，控制器参数选择得不合适，则会使 控制质量变坏，达不到预期效果。因此，当一个单回路系统组成 好以后，如何整定好控制器参数是一个很重要的实际问题。 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， 一般是指针对一个被控过程（调节对象） ，采用一个测量变送器 监测被控过程，采用一个控制(调节)器来保持一个被控参数恒定 （或在很小范围变化） ，其输出也只控制一个执行机构（调节阀） 。 从系统的框图（图 2-1）看，只有一个闭环回路。 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。因此，学习和掌握 单回路控制系统的工程设计方法是非常重要的。 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惯性小、负荷和扰动变化比较平缓，或者对 被控质量要求不高的场合。 第三章第三章 各单元硬件设计说明及计算方法各单元硬件设计说明及计算方法 3.1 数字 PID 控制算法 在模拟控制系统中，PID 控制算法的模拟表达式为： 式中为控制器的输出信号；为偏差信号，它等于给)(tu)(te 定量与反馈量之差；KP为比例系数；TI为积分时间常数；TD为微 分时间常数。 在实际应用中，数字 PID 控制的各种算式形式的选择视执行 器的形式、被控对象的特性而定。 若执行机构不带积分部件，其位置和计算机输出的数字量是 一一对应的话(如电液伺服阀)，就要采用位置式算式。 若执行机构带积分部件(如步进电动机或步进电动机带动阀门 或带动多圈电位器)，就可用增量式算法。若执行机构要求速度设 定就选用速度式算式。 3.2、 控制系统装置说明 3.2.1模拟控制对象系统 模拟控制对象系统由上、中、下三个水箱、热交换器及相应 管路（含管路上手动阀、转换阀）组成，上、中水箱由水泵供水。 上、中两个水箱装有液位传感器；上水箱是一个复合式水箱，其 中水箱内装有电加热器、电动搅拌器和 PT100 温度传感器。下水 t D I P dt tde Tdtte T teKtu 0 )( )( 1 )()( 箱内置潜水泵。热交换器冷热流体管路上均装有涡轮流量计、温 度传感器、阀门和水泵。水箱中的水位、水温以及供水的流量和 热交换器冷热流体管路上温度、流量、压力都可以用于构成控制 系统的被控参量。管路任一个手动阀都可作为干扰源，用以产生 干扰信号，整个被控对象组成了一个复杂控制系统。 单回路控制系统主要包括实验台的上水箱、中水箱、回水泵、 循环泵、电子比例阀以及相对应的管路和阀门。 3.2.2模块的功能介绍 ICP7024 模块：4 路电压型模拟量输出，4 路电流型模拟量输 出。 工作电源：直流 24V 电流输出范围：020mA,420mA 电压输出范围：-10v10v,010v,-55v,05v 通讯方式：485 通讯 ICP7024 模块外部接线图：任一通道接线方式： 图 3-1 ICP7024 接线图 ICP7017 模块：8 通道模拟量输入模块。 工作电源：直流 24V 输入类型：电压、电流。 输入范围：150150mv,-500500mv,-11v,-55v,-1010v,- 220mA 通讯方式：485 通讯 ICP7017 模块外部接线图： 图 3-2 ICP7017 某一通道接线图 图 3-3 ICP7017 接线图 图 3-4 ICP7024 接线图 任一通道接线 图： 3.2.3上位机及控制软件系统 TDGK-1 型过程控制综合实验台上位计算机可以根据用户的 要求配置不同的组件。模拟对象系统的控制软件系统是基于 MCGS（Monitor and Control Generated System）工控软件的实验 控制软件系统。MCGS 是一套基于 Windows 平台的，用于快速结 构和生成上位机监控系统的组态软件系统，可以运行于 Microsoft Windows 95/98/NT/2000 等操作系统。 MCGS5.1 为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发 平台，能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安 全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出以及企业监 控网络等功能。 3.3、设计内容与步骤 3.3.1、单回路过程控制系统的特性分析 在诸多影响被控变量的因素中，一旦选择了其中一个作为操 纵变量，那么其余的影响因素就都成为干扰变量。 操纵变量与干扰变量作用在控制系统对象上，都会引起被控 变量变化。 所谓控制通道，是控制作用对被控变量的影响通道； 干扰通道，则是干扰作用影响被控变量的通道。干扰作用通 过干扰通道施加在过程对象上，使被控变量偏离给定值； 控制作用由控制通道施加到对象上，使被控变量回复到给定 值，起着校正作用。 这对相互矛盾变量的影响与系统特性有密切的关系。 （1）对象静态特性的影响 在选择操纵变量时，通常希望控制通道的放大系数要大些， 这是因为的大小代表了操纵变量对被控变量的影响程度。大，表 示控制作用灵敏，克服干扰效果好，控制作用更为显著。 所以从控制的有效性来考虑，大，对控制有利。 当然，有时放大系数过大，会使系统过于灵敏，导致控制系 统不稳定，同样要引起注意。 另一方面，对象干扰通道的放大系数则越小越好。小，表示 干扰对被控变量的影响不大，过渡过程的超调量小，对系统稳定 有利。 （2）对象动态特性 1）和的影响。控制作用通过控制通道影响被控变量， 从快速性考虑，控制通道时问常数不能太大，否则会使校正作 用迟缓，超调量变大。在系统设计过程中，一方面减小控制通道 的。如通过减小对象的阻容参数、改进工艺等办法；另一方面 设法减小对控制质量的影响，如设计合理的控制方案，正确选 择控制器参数等。如果太小，调节作用过于灵敏，同样容易引 起振荡。很明显，对于干扰通道而言，越大，干扰对被控变量 的影响越平缓，越有利于控制。 2)和的影响。对于控制通道来说，用作为衡量纯 滞后影响的标准更为合适，它反映了纯滞后时间的相对影响。 即当较大时，稍大一点也不要紧，过渡过程比较容易稳定。 一般的系统对象比较好控制。在阶跃干扰作用下， 对系统的动态特性影响如图 7-13 所示。曲线 C 是被控变量在阶 跃干扰 D(t)作用下无控制作用的响应曲线，曲线 A 是 时系统被控变量的响应曲线；当时，被控变量 按曲线 B 运动。由于纯滞后的影响， 最大偏差、过渡时间将增大，控制 质量变差。因此必须尽可能减小,如 将调节阀的安装位置向被控参数靠 近，或改进工艺减小干扰通道的 纯滞后时间大小仅使过渡过程开 始时间有所不同，即的存在等于 使干扰间隔时间后再进入系统， 而干扰何时进入系统，本来就不能 预知，因此的大小并不影响控制 系统的质量。 3.3.2、比例(P)调节器控制 (1) 打开手动阀 2、手动阀 3、手动阀 4，关闭其它所有手动 阀和转换阀。其中被控对象是上水箱，被控制量是该水箱的液位 高度。 （2）开启计算机，运行“TDGK1 型过程控制综合实验台 图 3-5 纯滞后对控制质量的影响 实验.MCG”，进入“单容液位（上小水箱）PID 控制实验 （MCGS） ”演示界面，如图 84 所示。将实验装置工作方式选 择开关拨到计算机控制方式。按不同的控制方式设定相应的控制 参数 P、I、D，为记录过渡过程曲线作好准备。 （3） 把调节器的比例系数（）置为较小数，积分时间常 数设置最大（设置为零即可） ，微分时间常数设置为零，即此时 调节器为比例调节。 （4）点击按钮，迅速调节手动阀 3 的开度使流量 1 达到 0.28t/h 左右。观察计算机显示屏上的曲线，待被调参数基本稳定 于给定值后，系统即投入闭环运行。待系统稳定后，对系统加扰 动信号(在纯比例的基础上加扰动，可通过改变设定值实现，扰动 一般为设定值 5%20%)。记录曲线在经过几次波动稳定下来后， 系统有稳态误差，并记录余差大小。 （5）增大，重复步骤（4)，观察过渡过程曲线，并记录 余差大小。 （6）减小，重复步骤（4)，观察过渡过程曲线，并记录 余差大小。 （7）选择合适的，可以得到较满意的过渡过程曲线。改 变设定值，同样可以得到一条过渡过程曲线。注意：每当做完一 次试验后，必须待系统稳定后才能做另一次试验,以下相同。 3.3.3、用临界比例度法整定调节器的参数 在现实应用中，常用临界比例度法去整定 PID 调节器的参数， 该方法既方便又实用。具体做法如下： （1）先将调节器的积分时间置于无穷大，微分时间置 于零，比例度置于较大的数值，使系统投入闭环运行。 （2）系统稳定后，给系统设定值施加一个 5%15%的阶跃 扰动，并同时减小调节器的比例度，观察被调量变化的动态过 程，直至输出响应曲线呈现等幅振荡为止（如图 32） 。 （3）被调量作等幅振荡时，此时的比例度就是临界比例度， 用表示，相应的振荡周期就是临界周期，按表 31 即可确 定 PID 调节器的三个参数、和。 必须指出，表格中给出的参数值是对调节器参数的一个 粗略设计，因为它是根据大量实验而得出的结论。若要得到更满 意的动态过程(例如：在阶跃作用下，被调参量作 4：1 地衰减振 荡)，则要在表格给出参数的基础上，对、 (或)作适当调整。 图 3-6 具有周期的等幅振荡 3.4、PID 参数对控制系统质量的影响 一般言之，用比例(P)调节器的系统是一个有差系统，比例度 (比例系数的倒数，即 1/)的大小不仅会影响到余差的大小， 而且也与系统的动态性能密切相关。系统的余差与比例放大倍数 成反比，也就是与比例度成正比，即比例度越大，则余差也就 越大。比例放大倍数由小到大变化，系统将由稳定向振荡发展， 系统的稳定性在变差。因此比例放大倍数增大，控制精度提高 （余差减小） ，但系统的稳定性下降。比例积分(PI)调节器，由于 积分的作用，不仅能实现系统无余差，而且只要参数、调节 合理，也能使系统具有良好的动态性能。比例积分微分(PID)调节 器是在 PI 调节器的基础上再引入微分 D 的作用，微分时间常数 调整得当，可使过渡过程缩短，从而使系统既无余差存在，又能 改善系统的动态性能(快速性、稳定性等)。在单位阶跃作用下， P、PI、PID 调节系统的阶跃响应分别如图 33 中的曲线 、所示。 图 3-7 P、PI 和 PID 调节的阶跃响应曲线 3.5、PID 控制器参数的整定 对于单回路控制系统，控制器参数整定的要求，就是通过选 择合适的控制器参数（、） ，使过渡过程呈现 4：1 衰减 比，并且有合适的超调量。 控制器参数整定的方法很多，本实验采用临界比例度法整定 调节器的参数。 第四章第四章 软件设计与说明软件设计与说明 MCGS 嵌入式体系结构分为组态环境、模拟运行环境和运行 环境三部分。 组态环境和模拟运行环境相当于一套完整的工具软件，可以 在 PC 机上运行。用户可根据实际需要裁减其中内容。它帮助用 户设计和构造自己的组态工程并进行功能测试。 由 MCGS 嵌入版生成的用户应用系统，其结构由主控窗口、 设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五个部分构成。 1.监控画面和组态设计 窗口是屏幕中的一块空间，是一个“容器”，直接提供给用户 使用。在窗口内，用户可以放置不同的构件，创建图形对象并调 整画面的布局，组态配置不同的参数以完成不同的功能。在 MCGS 嵌入版中，每个应用系统只能有一个主控窗口和一个设备窗口， 但可以有多个用户窗口和多个运行策略，实时数据库中也可以有 多个数据对象。MCGS 嵌入版用主控窗口、设备窗口和用户窗口来 构成一个应用系统的人机交互图形界面，组态配置各种不同类型 和功能的对象或构件，同时可以对实时数据进行可视化处理。 监控界面应能对现场设备的运行情况进行监测和呈现。和对 各各参数的设定、液位变化的实时显示等等。 贮槽液位控制系统的监控界面如下： 2.定义数据对象 实时数据库是 MCGS 嵌入版系统的核心实时数据库相当于一 图 4-1 贮槽液位控制系统监控界面 个数据处理中心，同时也起到公用数据交换区的作用。MCGS 嵌 入版使用自建文件系统中的实时数据库来管理所有实时数据。从 外部设备采集来的实时数据送入实时数据库，系统其它部分操作 的数据也来自于实时数据库。实时数据库自动完成对实时数据的 报警处理和存盘处理，同时它还根据需要把有关信息以事件的方 式发送给系统的其它部分，以便触发相关事件，进行实时处理。 因此，实时数据库所存储的单元，不单单是变量的数值，还包括 变量的特征参数（属性）及对该变量的操作方法（报警属性、报 警处理和存盘处理等） 。这种将数值、属性、方法封装在一起的 数据我们称之为数据对象。实时数据库采用面向对象的技术，为 其它部分提供服务，提供了系统各个功能部件的数据共享。 图 4-2 实时数据库 3动画连接 由图行对象搭建而成的图形画面是静止不动的，需要对这些 图形对象进行动画设计，真实的描述外接对象的状态变化，达到 过程实时监控的目的。 MCGS 实现图形动画设计的主要方法是将用户窗口中的图形 对象与实时数据库中的数据对象建立相关性连接，并设置相应的 动画属性。在系统运行过程中，图形对象的外观和状态特征由数 据对象的实时采集值驱动，从而实现了图行的动画效果。本设计 需要制作动画效果的部分有水箱中水位的升降和水流效果。水箱 水位效果设置：单击水箱，右键点属性，选动画连接菜单，单击 矩形选大小变化菜单，表达式为水箱 PV，最大百分比的表达式 的值设置为 200。 4设备连接 MCGS 组态软件提供了大量的工控领域常用的设备驱动程序。 在实验室中用到的是 7017 和 7024，打开设备窗口，自动添加这 俩个驱动程序即可。 5报表输出 在实际工程应用中，大多数监控系统需要对数据采集设备采 集的数据进行存盘、统计分析，并根据实际情况打印出数据报表， 所谓数据报表就是根据实际需要以一定格式将统计分析后的数据 记录显示并打印出来，以便对生产过程中系统监控对象的状态进 行综合记录和规律总结。 本设计需要用到 3 个表格，分别为实时曲线，历史曲线，存 盘数据。界面如下： 图 4-3 实时曲线界面 图 4-4 历史曲线 图 4-5 存盘数据浏览 第五章第五章 调试结果与必要的调试说明调试结果与必要的调试说明 开始实验前，请检查搅拌器旋钮是否逆时针旋到头，仪表/计 算机是否拨到计算机位置，计算机/PLC 是否拨到计算机位置，手 动 PLC 计算机是否拨到手动位置，所有按钮是否处于弹开状态， 一切确定无误后。请先开启计算机，再将实验控制台红色按钮按 下。实验结束后，应先将实验控制台回到上述指定位置后，将实 验控制台红色按钮按下断电后，再关闭计算机。务必遵守，以免 出现意外。 1设备连接 运行 MCGS，打开设备窗口，添加通用串口父设备驱动程序 ICP7017 和 ICP7024。ICP7017 连接的是传感器到计算机，用于现 场采集数据到计算机，ICP7024 为输出设备，把计算机的控制信 息输出到阀门。 ICP7017 和 ICP7024 的基本属： ICP7017 通讯状态设置：在第一个通道输入 mm1，对应为通 讯状态标志，第二个通道和第三个通道分别输入 pv1 和 pv2。 ICP7024 通讯状态设置：在设备属性设置对话框初始状态设 置为 0-停止，最小采样周期为 200ms，设备地址为 1，第一个通 道输入 mm1，第二个通道输入 Aoch0。设备连接完成。 远程数据采集控制台的连线：将 LT1 上水箱（也可选中水箱 或下水箱）液位的+、-端相应接到 7017 模块第一通道 A/I0 的 +、-端，将 7024 模块第一输出通道 A/O0 的正端接到 24V 开关电 源的正端，将 7024 模块第一输出通道 A/O0 的负端接到电动调节 阀 420mA 输入正端，电动调节阀 420mA 输入负端接到 24V 开关电源的负端。用通讯电缆线连接到 7017、7024 的 485 通讯 接口，再通过 485/232 转换器连接到计算机 COM1 口上。将三相 电源的输出端 U、V、W 对应连接到三相磁力泵（380V）的 U、V、W，将电动调节阀的220V 输入端 L、N 接至单相电源 的 3L、3N 端。并将上水箱液位钮子开关拨到“ON”的位置。 2调试 打开实验设备和远程数据采集控制台的电源，水泵启动，在 MCGS 组态环境下，按 F5 进入运行环境。在组态工程界面，进 入自动状态。设定值调整为 20，比例系数设置为 30，观察运行 状态。 在运行环境下，通讯标志显示通讯成功。观察实验装置水箱 的液位情况。 经过一段时间后，液位能保持在设置 200.5cm。符合设计要 求。调试成功。 第六章第六章 使用说明使用说明 在系统运行时都必需首先手动打开阀 1、阀 2、阀 3。使管道 1.系统自动调节 进入监控界面后，设置液位高度“设定值（SV） ”后，点击 “进入自动状态”系统则进入自动调节电动阀开度和水泵的启停。 使液位始终保持在设置值（0.5cm） 。 2.动手运行 进入监控界面后，点击“手动调节” 。设置液位高度“设定 值（SV） ” 。 设置好电动调节阀的开度“输出值（OP） ”和“比例系统 （K） ” 、 “积分时间（Ti） ” 、 “微分时间（Td） ” 。则系统和始终按 用户的设置运行。系统不会自动调节使控制最优。 第七章第七章 总结总结 在过程控制课程设计中，从刚开始接受课题，查阅相关资料， 思考设计方案，从而确定设计方案，然后进行具体的监控界面设 计，实验调试等，看着自己的设计成果，心中好是高兴。 在设计开始时我根据课题贮槽液位控制系统设计把书上有关 这方面的内容过目了一遍，然后用了两天的时间把老师给我们 MCGS 多媒体教程系统的学习了一遍。对 MCGS 组态软件有了一 定的了解。 。回顾了相关知识后，我们通过找大量相关的资料以 及跟同学们和老师一起研究和讨论，清楚的认识了课题来源、目 的等背景，认识设计的内容的基本内容。明白了课题的含义，对 接下来的一个星期的设计也有了方向。虽然书本上给出了具体的 实例，但是按照书上的设计实例一步一步做，再加上网上找资料， 自己开动脑筋。再加上单回路系统的设计比较简单。所以监控界 面的设计、脚本的编辑、动画连接等等。这些渐渐的出来了个大 概。只有个别细节没有完成（如硬件连接，只有在实验室才能完 成） 。在实验室调试的时，老师很认真的给我指导。最后完成了 对整个系统的设计。 搞设计很大一部分是找资料自己去整合、吸收。在整个设计 过程中，遇到最大的问题是硬件连接部分。因为这个看多媒体教 程是学不来的，只有在实验室里有设备连接的情况下，在“设备 窗口”下才能找到与实验室相对应的硬件。所以在课后这部分是 没办法做的。对课本上的一些知识的不熟悉，对学过知识的掌握 不牢固以致有好多东西要返回认真了解。学习教材知识的时候太 局限于课本，没有拓展知识面，扩展认识面。