溫州職業技術學院畢 業 綜 合 實 踐課題名稱： 雙容水箱液位控制系統設計 作 者： 學 號： 系 別： 電氣電子工程系 專 業： 電氣自動化 指導老師： 專業技術職務 2016 年 3 月 浙江溫州- 2 -課 題 摘 要在工業生產中，液位控制通常具有滯后性、大慣性和時變性等特點，所以實現液位控制的快速性和穩定性，對于提高產品質量和生產效率有很重要的現實意義。本課題針對液位控制系統的特點及實現快速、穩定的液位控制在現實工業生產中的意義，設計了一個雙容水箱液位控制系統。其中運用到傳感器、采集卡檢測液位，并采用了 PLC 的 AD/DA 轉換模塊將數字量轉換成模擬量輸出。本系統 PID 參數在整定的設置和范圍，使最終系統無穩態誤差，無超量調節，各項指標均滿足設計要求。本系統實現簡單，硬件要求不高，且能對液位進行實時顯示，具有控制過程的特殊性，本設計提出了一種基于 PID 算法來實現雙容水箱液位控制系統，主要是為了達到生產過程中對液位控制速度快，穩定性高等特點。關鍵詞 PID 控制 傳感器 AD/DA 轉換- 3 -目 次1 緒 論 .- 5 -1.1 課題的提出 .- 5 -1.2 國內外研究現狀 .- 6 -1.2.1 國外研究現狀 .- 6 -1.2.2 國內研究現狀 .- 7 -1.3 過程控制的發展過程 .- 8 -1.3.1 過程控制的發展 .- 8 -1.3.2 過程控制策略與算法的進展 .- 9 -1.3.3 傳統過程控制存在的問題 .- 10 -1.4 PID 控制的發展現狀及意義 .- 10 -2 水箱的數學建模 .- 11 -2.1 數學模型的介紹 .- 11 -2.2 數學模型的建立 .- 11 -2.2.1 機理法 .- 12 -2.2.2 實驗法 .- 13 -2.3 本文中水箱液位數學模型的建立 .- 13 -2.3.1 系統介紹 .- 14 -2.3.2 建立步驟 .- 14 -2.3.3 實驗數據 .- 15 -3 硬件設計 .- 16 -3.1 變頻器 .- 16 -3.1.1 主回路 .- 17 -3.1.2 控制回路 .- 18 -3.1.3 變頻器的選擇 .- 20 -3.1.4 變頻器的作用 .- 20 -3.2 壓力傳感器 .- 21 -3.2.1 工作原理 .- 21 -3.3 電動調節閥 .- 21 -3.3.1 工作原理 .- 21 -4 PID 控制 .- 21 -4.1 比例（P）控制及調節過程 .- 22 -4.2 積分（I）控制及調節過程 .- 22 -4.3 微分（D）控制及調節過程 .- 23 -5 MCGS 組態軟件 .- 23 -5.1 MCGS 簡介 .- 23 -5.2 MCGS 的構成 .- 24 -5.2.1 MCGS 組態軟件的系統構成 .- 24 - 4 -5.2.2 MCGS 組態軟件界面簡介 .- 25 -5.3 MCGS 組態軟件的功能和特點 .- 25 -5.4 MCGS 組態軟件的工作方式 .- 26 -5.5 畫面的制作和編輯 .- 27 -5.5.1 主頁面 .- 27 -5.5.2 模擬水流動 .- 27 -5.5.3 各個控件的制作 .- 29 -5.5.4 水箱中液位變化的動畫效果制作 .- 29 -結論 .- 30 -致謝 .- 31 -參考文獻 .- 31 -1 緒 論1.1 課題的提出 隨著工業生產的飛速發展，人們對控制系統的控制精度、響應速度、系統穩定性與適應能力的要求越來越高。而實際工業生產過程中的被控對象往往具有非線性、時線性、時延對象的先進控制策略，提高系統的控制水平，具有重要的實際意義。每一個先進、實用的控制算法的出現都對工業生產具有巨大的推動作用。然而，當前的學術研究成果與實際生產應用技術水平并不是同步的，甚至相差幾十年。在我國，越是高深的、先進的控制理論，其研究越是局限于少數科研院所的狹小范圍內，也越是遠離了國民生產這個應用基地。最近幾年，國內一些控制領域已接近甚或超越了國際水平，然而，就先進理論應用于工業生產等領域的狀況來講，與發達國家相比卻存在較大差距。其原因固然是多方面的。 但是， 一個很明顯的原因就是在于理論研究尚缺乏實際背景的支持，理論的算法一旦應用于現場就會遇到各種各樣的實際問題，制約了其應用前景。在目前尚不具有在實驗室中復現真實工業過程條件的今天， 開發經濟實用的具有典型對象特性的實驗裝置無疑是一條探索將理論成果轉化為應用技術的捷徑。本文所提及的水箱液位控制系統是我們在參考國內外實驗裝置并充分考慮性能價格比的基礎上，自行設計的一種可以模擬多種對象特性的實驗裝置。該裝置是進行控制理論與控制工程教學、實驗和研究的理想平臺，可以方便的構成多- 5 -階系統。對象，用戶既可通過經典的 PID 控制器設計與調試，完成經典控制教學實驗，也可通過模糊邏輯控制器的設計與調試，進行智能控制教學實驗與研究。 水箱是較為典型的非線性、時延對象，工業上許多被控對象的整體或局部都可以抽象成水箱的數學模型，具有很強的代表性，有較強的工業背景，對水箱數學模型的建立是非常有意義的。同時，水箱的數學建模以及控制策略的研究對工業生產中液位控制系統的研究有指導意義，例如工業鍋爐、結晶器液位控制。而且，水箱的控制可以作為研究更為復雜的非線性系統的基礎，又具有較強的理論性，屬于應用基礎研究。同時，它具有較強的綜合性，涉及控制原理、智能控制、流體力學等多個學科。1.2 國內外研究現狀 隨著人們生活質量的提高和環境的變化， “水”已經成為人們關注的對象！不管是生活用水，是工業用水，這都牽扯水的過程控制問題。將 PID 算法運用到水位控制系統中，不僅可以解決水塔的自動化給水問而且還可以合理、安全、節約的使用水資源，近而使居民安居樂業，使我國工業自動化不斷的向前發展！1.2.1 國外研究現狀德國 Amira 自動化公司研制的水箱系統是著名的智能實驗設備之一， 在國外很多大學和實驗室都已得到了廣泛的應用，國內也有包括清華大學、浙江大學、吉林大學等高校引進了 Amira 公司研制的水箱過程控制實驗裝置。但是，由于德國 Amira 自動化公司研制的水箱系統價格太高，給購置這個實驗設備帶來很多困難。也正是受其高價格的限制，目前，國內只是少數高校的部分實驗室引進了這個設備，給基于水箱系統的算法研究和仿真帶來了困難。液位控制系統一般指工業生產過程中自動控制系統的被控變量為液位的系統。在生產過程中，對液位的相關參數進行控制，使其保持為一定值或按一定規律變化，以保證質量和生產安全，使生產自動進行下去。液位過程參數的變化不但受到過程內部條件的影響，也受外界條件的影響，而且影響生產過程的參數一般不止一個，在過程中的作用也不同，這就增加了對過程參數進行控制的復雜性，或者控制起來相當困難，因此形成了過程控制的下列特點：(1)對象存在滯后熱工生產大多是在龐大的生產設備內進行，對象的儲存能力大，慣性也較大，- 6 -設備內介質的流動或熱量傳遞都存在一定的阻力，并且往往具有自動轉向平衡的趨勢。因此，當流入(流出)對象的質量或能量發生變化時，由于存在容量、慣性、阻力，被控參數不可能立即產生響應，這種現象叫做滯后。(2)對象特性的非線性對象特性大多是隨負荷變化而變化，當負荷改變時，動態特性有明顯的不同。大多數生產過程都具有非線性，弄清非線性產生的原因及非線性的實質是極為重要的。(3)控制系統較復雜從生產安全方面考慮，生產設備的設計制造都力求生產過程進行平穩，參數變化不超出極限范圍，也不會產生振蕩，作為被控對象就具有非振蕩環節的特性。過程的穩定被破壞后，往往具有自動趨向平衡的能力，即被控量發生變化時，對象本身能使被控量逐漸穩定下來，這就具有慣性環節的特性。也有不能趨向平衡，被控量一直變化而不能穩定下來的，這就是具有積分的對象。任何生產過程被控制的參數都不是一個，這些參數又各具有不同的特性，因此要針對這些不同的特性設計相應不同的控制系統。1.2.2 國內研究現狀國內也有一些廠家研制了水箱液位系統。GWT 系列水箱液位控制實驗裝置由固高科技有限公司協同香港城市大學聯合研制開發而成， 并經過香港城市大學雙年的實踐檢驗，充分證明了其教學、實驗和研究價值。用戶既可通過經典的PID 控制器設計與調試，完成經典控制教學實驗，也可通過模糊邏輯控制器的設計與調試，進行智能控制教學實驗與研究。各種控制器的控制效果既通過水位的變化直觀地反映出來，同時通過液位傳感器對水位的精確檢測，方便地獲得瞬態響應指標，準確評估控制性能。 開放的控制器平臺， 便于用戶進行自己的控制器設計， 滿足創新研究的需要。THJS-1 型水箱對象系統實驗裝置由浙江天煌科技實業有限公司研制開發，它的出現為各大專院校，科研院所從事自動控制理論學習、研究及控制模型和算法探索的教師，科研人員及高年級本科生和研究生提供了一個具體的控制對象。液位控制系統在國內各行各業的應用已經十分廣泛，但從國內生產的液位控- 7 -制器來講，同國外的日本、美國、德國等先進國家相比，仍然有差距。目前，我國液位控制主要以常規的 PID 控制器為主，它只能適應一般系統控制，難于控制滯后、復雜、時變溫度系統控制。而適應于較高控制場合的智能化、自適應控制儀表，國內技術還不十分成熟，形成商品化并廣泛應用的控制儀表較少。由于工業過程控制的需要，特別是在微電子技術和計算機技術的迅猛發展以及自動控制理論和設計方法發展的推動下，國外液位控制系統發展迅速，并在智能化、自適應、參數自整定等方面取得成果，在這方面，以日本、美國、德國、瑞典等國技術領先，都生產出了一批商品化的、性能優異的液位控制器及儀器儀表，并在各行業廣泛應用。1.3 過程控制的發展過程過程控制是工業自動化的重要分支。幾十年來，工業過程控制取得了驚人的發展，無論是在大規模的結構復雜的工業生產過程中，還是在傳統工業過程改造中，過程控制技術對于提高產品質量以及節省能源等均起著十分重要的作用。1.3.1 過程控制的發展在現代工業控制中, 過程控制技術是一歷史較為久遠的分支。在本世紀 30 年代就已有應用。過程控制技術發展至今天, 在控制方式上經歷了從人工控制到自動控制兩個發展時期。在自動控制時期內，過程控制系統又經歷了三個發展階段, 它們是：分散控制階段, 集中控制階段和集散控制階段。從過程控制采用的理論與技術手段來看，可以粗略地把它劃為三個階段：開始到 70 年代為第一階段，70 年代至 90 年代初為第二階段，90 年代初為第三階段開始。其中 70 年代既是古典控制應用發展的鼎盛時期，又是現代控制應用發展的初期，90 年代初既是現代控制應用發展的繁榮時期，又是高級控制發展的初期。第一階段是初級階段，包括人工控制，以古典控制理論為主要基礎，采用常規氣動、液動和電動儀表，對生產過程中的溫度、流量、壓力和液位進行控制，在諸多控制系統中，以單回路結構、PID 策略為主，同時針對不同的對象與要求，創造了一些專門的控制系統，如：使物料按比例配制的比值控制，克服大- 8 -滯后的 Smith 預估器，克服干擾的前饋控制和串級控制等等，這階段的主要任務是穩定系統，實現定值控制。這與當時生產水平是相適應的。第二階段是發展階段，以現代控制理論為主要基礎，以微型計算機和高檔儀表為工具，對較復雜的工業過程進行控制。這階段的建模理論、在線辨識和實時控制已突破前期的形式，繼而涌現了大量的先進控制系統和高級控制策略，如克服對象特性時變和環境干擾等不確定影響的自適應控制，消除因模型失配而產生不良影響的預測控制等。這階段的主要任務是克服干擾和模型變化，滿足復雜的工藝要求，提高控制質量。1975 年，世界上第一臺分散控制系統在美國Honeywell 公司問世，從而揭開了過程控制嶄新的一頁。分散控制系統也叫集散控制系統，它綜合了計算機技術、控制技術、通信技術和顯示技術，采用多層分級的結構形式,按總體分散、管理集中的原則，完成對工業過程的操作、監視、控制。由于采用了分散的結構和冗余等技術，使系統的可靠性極高，再加上硬件方面的開放式框架和軟件方面的模塊化形式，使得它組態、擴展極為方便，還有眾多的控制算法(幾十至上百種) 、較好的人機界面和故障檢測報告功能。經過 20 多年的發展，它已日臻完善，在眾多的控制系統中，顯示出出類拔萃的風范，因此，可以毫不夸張地說，分散控制系統是過程控制發展史上的一個里程碑。第三階段是高級階段，目前正在來到。1.3.2 過程控制策略與算法的進展 幾十年來，過程控制策略與算法出現了三種類型：簡單控制、復雜控制與先進控制。通常將單回路 PID 控制稱為簡單控制。它一直是過程控制的主要手段。PID 控制以經典控制理論為基礎，主要用頻域方法對控制系統進行分析與綜合。目前，PID 控制仍然得到廣泛應用。在許多 DCS 和 PLC 系統中，均沒有 PID 控制算法軟件，或 PID 控制模塊。從 20 世紀 50 年代開始，過程控制界逐漸發展了串級控制、比值控制、前饋控制、均勻控制和 Smith 預估控制等控制策略與算法，稱之為復雜控制。它們在很大程度上，滿足了復雜過程工業的一些特殊控制要求。它們仍然以經典控制理論為基礎，但是在結構與應用上各有特色，而且在目前仍在繼續改進與發展。- 9 -20 世紀 70 年代中后期，出現了以 DCS 和 PLC 為代表的新型計算機控制裝置，為過程控制提供了強有力的硬件與軟件平臺。從 20 世紀 80 年代開始，在現代控制理論和人工智能發展的理論基礎上，針對工業過程控制本身的非線性、時變性、耦合性和不確定性等特性，提出了許多行之有效的解決方法，如解耦控制、推斷控制、預測控制、模糊控制、自適應控制、人工神經網絡控制等，常統稱為先進過程控制。近十年來，以專家系統、模糊邏輯、神經網絡、遺傳算法為主要方法的基于知識的智能處理方法已經成為過程控制的一種重要技術。先進過程控制方法可以有效地解決那些采用常規控制效果差，甚至無法控制的復雜工業過程的控制問題。實踐證明，先進過程控制方法能取得更高的控制品質和更大的經濟效益，具有廣闊的發展前景。1.3.3 傳統過程控制存在的問題(1) 隨著人們物質生活水平的提高以及市場競爭的日益激烈，產品的質量和功能也向更高的檔次發展，制造產品的工藝過程變得越來越復雜，為滿足優質、高產、低消耗，以及安全生產、保護環境等要求，過程控制的任務也愈來愈繁重。這樣的生產過程一般具有大慣性、大滯后、時變性、關聯性、不確定性和非線性的特點。這里的關聯性不僅包含過程對象中各物理參量之間的耦合交錯，而且包括被控量、操作量和干擾量之間的聯系；不確定性不單指結構上的不確定性，而且還指參數的不確定性；非線性既有非本質的非線性，也有本質非線性。由于工業過程的這種復雜性，決定了控制的艱難性。(2) 傳統過程控制方式絕大多數是基于對象模型的，即按建模 2 控制 2 優化進行的，建模的精確程度決定著控制質量的高低。盡管目前建模的理論和方法有長足的進步，但仍有許多過程或對象的機理不清楚，動態特性難以掌握，如一些反應過程、冶煉過程、生化過程，甚至有些過程或對象難以用數學語言描述。這樣，我們不得不對過程模型進行簡化或近似，將一個理論上極為先進的控制策略應用在這樣的模型上，控制效果大打折扣是很自然的。如自適應控制，對緩慢的變化過程比較有效，但對變化劇烈的過程(如幅度大,非線性強) 卻力不從心了。因此，用傳統的控制手段進一步提高過程控制的質量遇到了極大的困難，傳統控制方法面臨著嚴重的挑戰。- 10 -1.4 PID 控制的發展現狀及意義目前，工業自動化水平已經成為衡量各行業現代化水平的一個重要標準。同時控制理論的發