基于組態(tài)王的單容水箱液位控制系統(tǒng).doc

內(nèi)蒙古科技大學(xué)信息工程學(xué)院測控專業(yè)畢業(yè)實習(xí)報告題 目：基于組態(tài)王的單容水箱液位控制系統(tǒng)學(xué)生姓名：學(xué) 號：專 業(yè)：測控技術(shù)與儀器班 級：測控2009-1指導(dǎo)教師：李文濤 教授前 言隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的控制問題也日趨復(fù)雜。在人們的生活中以及某些化工和能源的生產(chǎn)過程中，常常涉及一些液位或流量控制的問題。比如，在石油、化工、輕工等工業(yè)生產(chǎn)過程中，有許多貯罐作為原料、半成品的貯液罐，前一道工序的成品或半成品不斷地流入下一道工序的貯液罐進行加工和處理，為保證生產(chǎn)過程能連續(xù)進行，必須對貯罐的液位進行控制。此外，居民生活用水的供應(yīng)，通常需要使用蓄水池，蓄水池中的液位需要維持合適的高度。還有一些水處理的過程也需要對蓄水池中的液位實施控制。這些實際問題都可以抽象為某種水箱的液位控制。因此，液位控制系統(tǒng)是過程控制的重要研究模型，對液位控制系統(tǒng)的研究具有顯著的理論和實際意義。本課題主要以單容水箱作為研究對象，運用研華PCI1710及1720板卡進行單容水箱對象特性的測試，從而求得其數(shù)學(xué)模型，并利用MATLAB軟件進行了控制系統(tǒng)的仿真及分析，并確定出一組合適的PID參數(shù)對其進行控制。其次，采用組態(tài)王進行系統(tǒng)監(jiān)控，通過對調(diào)節(jié)器PID參數(shù)的整定，實現(xiàn)了水箱液位的閉環(huán)控制，使水箱液位穩(wěn)定在設(shè)定值，滿足設(shè)計要求。一、總體方案設(shè)計 該設(shè)計方案硬件部分由計算機，水泵，電磁閥，液位變送器，PCI-1710與1720板卡組成，軟件部分以組態(tài)王來實現(xiàn)編程控制。組態(tài)王通過從 PCI-1710與1720板卡兩個I/ O模塊與外界硬件設(shè)備通訊,對采集的數(shù)據(jù)進行處理來實時監(jiān)控。系統(tǒng)啟動后，水泵由水源抽水，通過管道將水送到上水箱，液位變送器測得水箱液位通過板卡PCI-1710轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸入計算機，組態(tài)監(jiān)控中心對測得信號進行處理，通過PID運算，輸出控制信號由板卡PCI-1720進行D/A轉(zhuǎn)換，傳送給電磁閥，進而控制水的流量實現(xiàn)對水箱液位控制。系統(tǒng)方框圖如圖1.1所示。圖1.1系統(tǒng)方框圖二、單容水箱對象特性測試及分析2.1被控對象動態(tài)特性概述被控對象的動態(tài)特性是指被控對象的輸入發(fā)生變化時，其輸出（被調(diào)量）隨時間變化的規(guī)律。研究動態(tài)特性的原因是控制系統(tǒng)的設(shè)計方案都是依據(jù)被控對象的動態(tài)特性進行的，特別是調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定也是依據(jù)對象的動態(tài)特性進行的。從控制觀點看，被控對象本質(zhì)上都有相同之處，分析被控對象的動態(tài)特性，可知被控對象控制的難易程度與調(diào)節(jié)過程的快慢。要評價一個系統(tǒng)的工作質(zhì)量，只看穩(wěn)態(tài)是不夠的，還應(yīng)看動態(tài)過程中被調(diào)量隨時間的變化情況。因此，研究系統(tǒng)的動態(tài)特性就顯得特別重要。2.2被控對象數(shù)學(xué)模型的建立建立被控對象數(shù)學(xué)模型的方法主要有三種，分別是機理法、實驗法、機理法與實驗法相結(jié)合的混合法。機理法根據(jù)被控過程的內(nèi)部機理，運用已知的靜態(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。實驗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，得到一系列實驗數(shù)據(jù)或曲線，最后再根據(jù)輸入輸出實驗數(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理演繹法與實驗辯識法相互交替使用的一種方法。2.2.1機理法建立單容水箱的數(shù)學(xué)模型從機理出發(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)被控對象的數(shù)學(xué)模型。單容水箱的模型如下圖2.1所示：圖2.1單容水箱模型圖其中：被控參數(shù)-h；輸入量-Qi；干擾量-Qo 分析水位在調(diào)節(jié)閥1開度擾動下的動態(tài)特性，即確定hQi之間的數(shù)學(xué)關(guān)系根據(jù)動態(tài)物料平衡關(guān)系，在任何時刻水位的變化均滿足在起始的穩(wěn)定平衡工況下有如下關(guān)系式：（式2-1）（式2-2）兩式相減得增量形式的平衡方程:(式2-3)假設(shè)（式2-4）則單容液位過程的微分方程增量式 （式2-5）傳遞函數(shù)為 （式2-6）T-被控過程的時間常數(shù)T=RC; K-被控過程的放大系數(shù),K=R;C-被控過程的容量系數(shù)，C=A有些被控過程存在純滯后，則具有純滯后的單容過程相應(yīng)的傳遞函數(shù)為 （式2-7）其階躍響應(yīng)曲線與無滯后的曲線形狀相同，只是在時間上推遲了。由此可見，用機理法建立數(shù)學(xué)模型的首要條件是被控過程的機理必須為人們充分掌握，并且可以比較確切的加以數(shù)學(xué)描寫?？紤]到參數(shù)測量的準(zhǔn)確性與復(fù)雜性，排除機理法的使用。2.2.2階躍響應(yīng)曲線法建立單容水箱的數(shù)學(xué)模型階躍響應(yīng)曲線法是實驗法的一種，即對被控對象施加一階躍信號,并且階躍響應(yīng)獲取應(yīng)注意以下的問題：（1）合理選擇階躍擾動的幅度(一般約為額定負荷的10%20%)（2）實際閥門只能以有限速度移動（3）一般認為階躍信號是在t1 /2時加入（4）試驗前確保被控對象處于穩(wěn)定工況（5）考慮過程的非線性特性，應(yīng)進行多次測試。（6）若過程不允許同一方向擾動加入，則采用矩形脈沖擾動，可從脈沖響應(yīng)曲線求出所需的階躍響應(yīng)。 根據(jù)以上原則，經(jīng)過多次測量，得出在階躍擾動為穩(wěn)態(tài)值的10%時，時間與液位高度的對應(yīng)關(guān)系如下表2.1所示(t=10輸出無變化)：表2.1液位過程的階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)t/s1020406080100140180250300400500600h/mm02820365488118144166184192196由于是單容水箱，則其數(shù)學(xué)模型可以用一階慣性環(huán)節(jié)加純延遲的傳遞函數(shù)即 （式2-8）來近似，確定參數(shù)k、T、有兩種方法：作圖法、參數(shù)兩點法。 用作圖法求參數(shù)時需注意：（1）t1/2處為擾動起點（2）在s型響應(yīng)曲線找拐點，并作切線。T、值如下且 圖2.2（a）階躍信號 圖2.2（b）一階慣性環(huán)節(jié)加純延遲顯然，用這種方法求直線效果是很差的。首先，與式（2-8）所對應(yīng)的階躍響應(yīng)是一條向后平移了時刻的指數(shù)曲線，它不可能完美的擬合成S型的曲線，再次，在做圖中，切線的畫法也有很大的隨意性，這將直接關(guān)系到和T的取值，因此，參數(shù)的確定排除用此方法，選用參數(shù)兩點法，首先，將響應(yīng)曲線標(biāo)幺 （式2-9） （式2-10）取y*(t1)=0.39，取y*(t2)=0.63，記t1和t2則 (式2-11) （式2-12）取 驗證 基于以上原理，用Matlab編程,程序見附錄A,并且在誤差的范圍之內(nèi)，可以接受。則數(shù)學(xué)模型為： （式2-13）2.2.3利用simulink工具箱驗證模型的準(zhǔn)確性在matlab中打開simulink，編寫以下程序并在命令窗口對曲線進行處理，程序見附錄A：圖2.3 廣義對象階躍響應(yīng)框圖則用數(shù)據(jù)擬合出的曲線（原系統(tǒng)）與建立模型后的曲線（近似曲線）如下圖2.4所示：圖2.4 單容水箱階躍響應(yīng)曲線對比2.2.4 PID控制器校正單容水箱系統(tǒng)利用Simulink仿真模塊集在模型編輯窗口建立PID控制器，如下圖2.5所示：圖2.5 PID控制子模塊之后，點擊EditMask Subsystem，對其進行封裝。其封裝圖如圖2.6所示。圖2.6 PID控制器的封裝加入PID調(diào)節(jié)器后，系統(tǒng)方框圖如下圖2.7所示：圖2.7系統(tǒng)方框圖 此后，反復(fù)調(diào)試PID參數(shù)，得到如下較為理想的曲線。因為微分對純延遲環(huán)節(jié)不起作用，則純延遲部分始終無法消除，其參數(shù)設(shè)計如圖2.8所示.圖2.8 PID參數(shù)對應(yīng)的階躍響應(yīng)曲線如下圖2.9所示。圖2.9 理想PID參數(shù)下的階躍響應(yīng)曲線三、單容水箱監(jiān)控畫面的設(shè)計 3.1組態(tài)王設(shè)計步驟建立新工程項目：在運行組態(tài)王程序時，彈出組態(tài)王工程管理器畫面，此時建立一個新工程，執(zhí)行以下的操作步驟： （1）在工程管理器中選擇菜單“文件/新建工程”，彈出“新建工程向?qū)б粴g迎使用本向?qū)А睂υ捒?。?）點擊“下一步”，彈出“新建工程向?qū)Фx擇工程所在路徑”對話框。從對話框中選擇或指定工程所在路徑，倘若用戶需要更改工程路徑，請單擊“瀏覽”按鈕；如果路徑或文件夾不存在，請選擇創(chuàng)建。（3）點擊“下一步”，彈出 “新建工程向?qū)こ堂Q和描述”對話框。往對話框中輸入工程名稱：水箱液位控制界面。（4）點擊“完成”，再點擊“是”，將新建的工程設(shè)為組態(tài)王當(dāng)前工程，此時組態(tài)王工程管理器中出現(xiàn)新建的工程。制作動態(tài)畫面：按照實際工程的要求繪制監(jiān)控畫面，并使靜態(tài)畫面隨著過程控制對象產(chǎn)生動態(tài)效果。（1）新建畫面命名：單容水箱液位控制，選擇畫面風(fēng)格“大小可變”和“覆蓋式”。單擊確定后進入開發(fā)系統(tǒng)新畫面進行設(shè)計。點擊工具欄中的“打開圖庫”，選擇需要的圖素。水箱液位監(jiān)控畫面如圖3.1所示。 圖3.1 水箱液位監(jiān)控畫面3.2動態(tài)畫面的連接畫面設(shè)置完之后，要定義板卡及變量的信息，接下來就要實現(xiàn)動畫的連接。其中這部分連接包括儀表對象、當(dāng)前液位值顯示文本對象、實時趨勢曲線、數(shù)據(jù)報表、報警窗口、退出界面等。連接之后，接下來就是編寫命令語言。3.3 水箱液位PID參數(shù)控制界面用上述同樣的方法可以對KP、KI、Kd、SV、UK、Pv后的”#”,進行動畫連接。水箱液位PID參數(shù)控制界面運行畫面如下圖所示。圖3.2 水箱液位PID參數(shù)設(shè)置畫面 總 結(jié)本設(shè)計用組態(tài)軟件實現(xiàn)了水箱液位的監(jiān)控，并且能夠通過PID參數(shù)的設(shè)計達到控制液位的目的。本次畢業(yè)設(shè)計，增加了我對專業(yè)知識的認識和了解，尤其是過程控制和智能儀器知識的運用。經(jīng)過大量相關(guān)資料的查閱，包括控制系統(tǒng)工作原理以及如何利用過程控制及智能調(diào)節(jié)器實現(xiàn)各種功能，我不僅學(xué)會了許多知識，而且培養(yǎng)了我獨立解決問題的能力，同時在對硬件設(shè)計的過程中，鞏固了我的專業(yè)課知識，使我受益匪淺?？傊ㄟ^本次設(shè)計不僅進一步強化了專業(yè)知識，還掌握了設(shè)計系統(tǒng)的方法、步驟等，為今后的工作和學(xué)習(xí)打下了堅實的基礎(chǔ)。再者，我對Matlab比較感興趣，并且經(jīng)過上學(xué)期的學(xué)習(xí)有了一定的基礎(chǔ)，上手比較容易，首先經(jīng)過對資料的整理、理解和消化，我對自己的設(shè)計內(nèi)容思路清晰了，仿真達到預(yù)期效果時，我就開始整理自己的思路，最終明確了參數(shù)的影響。達到了課設(shè)的目的。這次畢業(yè)設(shè)計不但鞏固我所學(xué)的基礎(chǔ)知識，而且提高我的動手能力和動腦能力。所以總的來說，這次畢業(yè)設(shè)計我學(xué)到很多！參考文獻李文濤.過程控制M.北京：科學(xué)出版社，2012.2雄偉.工控組態(tài)軟件及應(yīng)M.北京：中國電力出版社，2011.3PCI-1710/1710HG快速安裝手冊.4潘海.基于組態(tài)王的水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計J.科技資訊，2009(26).5張玲霞,李學(xué)軍,李杰.基于組態(tài)王的液位控制系統(tǒng)仿真實驗J. 長春大學(xué)學(xué)報,2010(04).6袁榮華,黃世釗,馮釧山,潘樹林.基于組態(tài)王的水箱液位監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計及測試J.廣西大學(xué)學(xué)報,2008(01).7陳曦,丁躍澆,肖翀.基于PLC和組態(tài)王的單容水箱液位定值控制實驗J.湖南理工學(xué)院學(xué)報,2011(01).8崔成梅,陳金艷,馬永青.工業(yè)過程控制的模塊化設(shè)計方法J. 黑龍江科技信息, 2008(17).9石浩旭.基于組態(tài)王的遠程過程控制系統(tǒng)的設(shè)計J.科技致富向?qū)? 2011(15).10王樹青.工業(yè)過程控制工程M.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003.11吳祚武.液位控制系統(tǒng)M.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.12何玉樵.化工過程控制及儀表M.成都:成都科技大學(xué)出版社 ,1991.13邵世煌.計算機控制技術(shù)M.北京: 紡織工業(yè)出版社，1991.14關(guān)業(yè)偉,魯凱生.組態(tài)王和MATLAB的DDE應(yīng)用研究J. 船海工程, 2005(06).15房向榮,施仁.組態(tài)王與智能儀器的動態(tài)數(shù)據(jù)交換J.工業(yè)儀表與自動化裝置,2005(03).附錄A/ 求取參數(shù)k、T、tw=10;%輸出無變化的時間t=10,20,40,60,80,100,140,180,250,300,400,500,600-tw;h=0,2,8,20,36,54,88,118,144,166,184,192,196;h=h/h(length(h);h1=0.39;t1=interp1(h,t,h1)+tw;%利用一維線性插值計算h=0.39時的時間t1h2=0.63;t2=interp1(h,t,h2)+tw;%利用一維線性插值計算h=0.63時的時間t2T=2*(t2-t1),tao=2*t1-t2得出：T =136.7077 tao =58.0462t3=0.8T+tao=167.41236 t4=2T+tao=331.4616時h3= interp1(t,h,167.41236)時得 0.5921而理論值為0.55h4= interp1(t,h,331.4616)時得0.8850而理論值為0.87