基于组态王的双储液罐单水位PID控制系统设计

青岛理工大学自动化工程学院专业方向课程设计报告题目：基于组态王的双储液罐单水位PID控制系统设计专业自动化班级121姓名潘旭学号201228195指导教师王永秀2016年1月15日成绩评语Ⅰ摘要本文主要实现基于组态王的双储液罐单水位PID控制系统，对上、下水罐的水位、下水罐温度进行检测，并将下水罐液位控制在给定值。通过对实验系统结构的研究，运用所学的MATLAB知识建立了单容水箱实验系统的数学模型，并对系统的参数进行了辨识，用工业控制软件组态王6.5，使其具有报警画面，历史曲线，实时曲线，报表画面。关键词：双储液罐，PID控制系统，单容水箱，组态王6.5青岛理工大学课程设计ⅡABSTRACTThispaperbasedontheconfigurationofthedoubletankwaterlevelsinglePIDcontrolsystem,makewatertankwaterlevel,watertanktemperaturedetection,andwatertanklevelcontrolatagivenvalue.Throughthestudyonthestructureoftheexperimentalsystem,uselearnedknowledgeofMATLABtoestablishasinglevolumetankexperimentalsystemmathematicalmodel,andtheparametersofthesystemareidentified,useindustrialcontrolsoftwarekingview6.5,enablesittohavethealarmscreen,historicalcurve,real-timecurve,statementsframe.KEYWORDS:Doubleliquidstoragetank,PIDcontrolsystem,singlevolumetank，Configurationking6.5青岛理工大学课程设计目录摘要...........................................................................................................ⅠABSTRACT..............................................................................................Ⅱ第1章绪论...............................................................................................1第2章系统总体方案..............................................................................22.1控制系统构成...............................................................................22.1控制系统过程...............................................................................2第3章水箱建模及参数整定..................................................................43.1水箱的建模过程..........................................................................43.2水箱液位的PID整定..................................................................5第4章组态王6.5简介与操作界面的设计........................................74.1组态软件介绍...............................................................................74.2基于组态王6.5的液位控制系统上位机部分设计...................74.2.1上位机主控画面...................................................................74.2.2上位机功能画面...................................................................9第5章结论与展望..............................................................................10致谢.........................................................................................................11参考文献.............................................................................................12青岛理工大学课程设计1第1章绪论随着现代科学技术的迅猛发展，工业生产的规模越来越大，结构也越来越复杂，从而使控制对象、控制器以及控制任务和目的日益复杂，而对系统的精度、响应速度和稳定性的要求却越来越高。但是，当前的学术理论研究缺乏实际背景的支持，先进理论的算法一旦应用到实际工业生产就会出现各种各样的问题，制约了其进一步的发展与应用[1]。在现阶段尚不具备在实验室中真实复现实际工业生产过程的条件下，利用具有典型对象特性的实验装置将是一件探索将理论成果转化为实际应用的有力武器。课题研究的双储液罐水位控制系统实验装置是以水箱的液位为控制变量[2]，来模拟实际工业控制领域中的过程控制系统，该实验装置在国内外很多高校的实验室都有配备，其价值在于可为学生的自动控制理论课程和毕业设计提供便捷的实验平台。同时，该系统也可为相关科研人员在复杂的控制系统研究方面提供实际的模拟对象。在本论文中，工控软件组态王6.5可有其他工控软件替代，使该实验装置实现了多种控制策略的实验，从而达到了增加该实验装置实验内容的目的；同时本课题中所提出的硬件和软件实现方法也具有较强的可移植性，可以应用推广到其他的教学实验装置的实验内容增加上，极具现实意义。青岛理工大学课程设计2第2章系统总体方案2.1控制系统构成本系统主要使用工控机和组态软件，使用三菱公司的FX2-48MR，输入设备为ND-6018型智能模块。水位信号需要通过输入设备才能送入IPC，IPC发出的控制信号必须通过输出设备才能送到水泵。此外，为了将IPC的RS232C串行通讯总线转换为ND-6018智能模块需要的RS485通信总线，需要加一块ND-6520智能模块。两个ST-2001GP4BM1B2型扩散硅压力传感器，循水泵，调节阀，出水阀等主要器件组成。水箱里面的水是靠水泵从水源抽水而来的，循水泵采用单相泵（带电容），正常使用电压为220V，假定水箱高3m，上限为2.6m，下限为0.5m。为了监控水箱的水位，必须依靠一定的检测设备对水箱水位这个重要参数进行检测。在这里选用ST-2001GP4BM1B2型扩散硅压力传感器[3]，量程为29.4kPa，当水位为3m时，输出电流为20mA，当水位为0m时，输出电流为4mA。配电器的作用是为水位传感器提供24v电源，同时将水位传感器与计算机接口进行了电气隔离，型号为DFP-2100。稳压电源为配电器、水位传感器、智能模块、接触器提供24V工作电源。稳压电源的型号为DFY-3110，最大输出电流为10A。由于PLC的输出触点容量较小（电流小于2A），一般不能用于直接控制较大功率的电气设备，故需要外加接触器[3]，以便能够对水泵进行控制。这里选用CZ18-40型直流接触器，其触头额定电压为440V，额定电流为40A，吸引线圈电压为24V。2.1控制系统过程给定值+-图2.1系统控制图控制器执行器下储液罐压力变送器青岛理工大学课程设计3利用组态软件控制整个系统，使它能够通过两个扩散硅压力变送器进行即时的水位检测。以当下罐水位较低时，上罐排水当下罐水位正常，不排水，不进水，下罐水位较高，单排水（下罐排水或上罐进水），停上罐进水的顺序：先关闭循环泵，延时1秒再关闭上罐进水阀，上罐进水的顺序：打开上罐进水阀，延时1秒再打开循环泵为控制策略，利用循环泵和四个电磁阀控制双罐水位，而且将下水罐的水位控制在给定值，当水位超出设定值时能自动启动关水阀。选取适当的PID调节参数[4]，实现液位的自动调节和控制。在这里利用组态软件的采集数据的功能，对水罐的水位进行实时监控，通过实际的数字和图表反映出现在的水位状况，生成水位参数的实时报表和历史报表。运行中，能人工输入水位给定值，并且具有手动控制和自动控制两种功能，可以在环境比较恶劣的条件下继续工作。青岛理工大学课程设计4第3章水箱建模及参数整定3.1水箱的建模过程建立被控对象数学模型的方法主要有三种，分别是机理法、实验法、机理法与实验法相结合的混合法。机理法根据被控过程的内部机理，运用已知的静态或动态平衡关系，用数学解析的方法求取被控过程的数学模型。实验法是先给被控过程人为地施加一个输入作用，然后记录过程的输出变化量，得到一系列实验数据或曲线，最后再根据输入－输出实验数据确定其模型的结构（包括模型形式、阶次与纯滞后时间等）与模型的参数。混合法是机理演绎法与实验辩识法相互交替使用的一种方法，本设计采用机理法。从机理出发，依据物料平衡和能量平衡的关系，用理论的方法推导被控对象的数学模型。本次建模采用无延时模型，单容水箱的模型如下图3.1所示：HQiQoA图3.1单容水箱模型图单容其流入量Qi，改变阀1的开度可以改变Qi的大小，其流出量为Qo，它取决于用户的需要改变阀2开度可以改变Qo，液位h的变化反映了Qi和Qo不等而引起的储罐中蓄水或泄水的过程，如果Qi作为被控过程的输入变量，h为其输出变量，则该被控过程的数学模型就是h与Qi之间的数学表达式。根据动态物料平衡关系，即在单位时间内贮罐的液体流入量与单位时间内贮罐的液体流出量之差，应等于贮罐中贮存量的变化率，故有表示成增量形式则为dtdhAQQoi（3.1）青岛理工大学课程设计5dthdAQQoi（3.2）iiQQ0iQ（3.3）oooQQQ0（3.4）hhh0（3.5）式中：ΔQi,ΔQo,Δh——分别为偏离某平衡状态Qi0,Qo0,h0的增量；A——贮罐的截面积，假设为常量。假设Qo与h近似成线性正比关系，与阀门2处的液阻成反比关系，则2RhQo（3.6）i22QRhdthdAR（3.7）拉式变换：R2ASH(s)+H(s)=R2Qi(s)（3.8）写成传递函数：ASRRsQsHsG22i1)()()(（3.9）一般形式：11)()()(22iTSKCSRRsQsHsG（3.10）T—过程的时间常数，T=R2CK—过程的放大系数，K=R2C—过程的容量系数，C=A3.2水箱液位的PID整定本系统主要保持的恒定参数就是液位的给定高度，即控制的任务是控制下水箱液位等于给定值所需要的高度，这是一个闭环反馈单回路液位控制，采用工业智能仪表控制。当控制方案确定后，接下来就是整定调节器的参数，在一个单回路系统设计安装就绪后，控制质量的好坏就取决于参数值的选择了，合适的控制参数，可以带来满意的控制效果。反之，控制其参数选择的