1、湖南工程学院课 程 设 计课程名称 过程控制 课题名称 单容水箱液位PID控制系统设计 专 业 自动化 班 级 0904班 学 号 200901020435 姓 名 王 笛 指导教师 李亚老师 2012年12月26日湖南工程学院课 程 设 计 任 务 书课程名称 过程控制 课 题 单容水箱液位PID控制系统设计专业班级 自动化0904 学生姓名 王 笛 学 号 200901020435 指导老师 李亚老师 审 批 任务书下达日期 2012 年 12月 10日任务完成日期 2012 年 12月 26日设计内容与设计要求设计内容：利用DDC作为控制器核心设计一个单容水箱液位控制系统系统，使水箱液位
2、维持在某个给定值上，或在某一小范围内变化。实现水箱液位的自动调节和控制，并采用MCGS组态软件在上位机实现显示和控制。设计要求：1）确定系统设计方案； 2）选择相应的仪器设备；3）MCGS软件组态相应的监控画面；4）完成控制算法程序设计；5）在DDC控制装置中进行调试；主 要 设 计 条 件过程控制实验系统，AE2000B2型仪表及其模拟量模块，计算机，组态软件，通信线等。说 明 书 格 式1. 课程设计任务书2. 目录3. 系统总体方案选择与说明4. 系统结构框图与工作原理5. 各单元硬件设计说明及计算方法6. 软件设计与说明（包括流程图）7. 调试结果与必要的调试说明8. 使用说明9. 程
3、序清单10、总结11、参考文献附录附录A 系统原理图附录B 程序清单进 度 安 排设计时间为两周第一周星期一、上午：布置课题任务，讲课及课题介绍 下午：借阅有关资料，总体方案讨论星期二、确定总体设计方案星期三、选择相应的仪器设备，进行控制算法设计星期四、控制算法编程星期五、控制算法编程第二周星期一、MCGS组态监控画面星期二、MCGS组态监控画面，在DDC装置上进行调试星期三、在DDC装置上进行调试星期四、写说明书星期五、上午：写说明书，整理资料下午：交设计资料，答辩参 考 文 献1 过程控制，金以慧.北京：清华大学出版社，1993.4: 103-118 2 何衍庆.工业生产过程控制.北京：化
4、学工业出版社，2004.3：77-883 AE2000B2型系统实验平台实验指导书目 录第1章 系统总体方案选择与说明1第2章 系统结构框图与工作原理3第3章 各单元硬件设计说明及计算方法53.1 各单元硬件设计53.1.1 控制器53.1.2 执行器63.1.3检测变送73.2 系统计算方法7第4章 软件设计与说明94.1 数据库的设计94.2 用户窗口的设计104.3 设备窗口设计13第5章 调试结果与必要的调试说明14第6章 使用说明17第7章 程序清单18第8章 总结21参考文献22 单容水箱液位控制系统 第1章 系统总体方案选择与说明在此次设计中主要是以单容水箱的液位控制系统为研究对
5、象，设计的任务就是使水箱液位保持在给定值所要求的高度或在某一小范围内变化。实现水箱液位的自动调节和控制。整个系统可由测量元件及变送器、控制器、调节阀和被控对象组成一个简单控制系统，并且只对一个被控参数进行控制。由于单回路反馈控制系统结构简单、投资少、操作方便并且能满足一般的生产过程要求，在液位控制中得到了广泛地应用，所以单容水箱液位控制系统采用的就是单回路反馈控制。一般而言，用比例（P）调节器的系统是一个有差系统，比例度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。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，Ti调节合理，也能使系统具有良好的动态
6、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，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）。但是，并不是所有单回路控制系统在加入微分作用后都能改善系统品质，对于容量滞后不大，微分作用的效果并不明显，而对噪声敏感的流量系统，加入微分作用后，反而使流量品质变坏。因此本设计选择PID控制规律。系统采用的PID控制规律：图1-1 PID控制系统原理图液位控制中除了有模拟PID调节器外还可以采用计算机PID控制。计算机控制系统中除去检测、变送装置、执行机构等常用的模拟部件之外，其完成控制功能的核心是数字计算机，所以过程计算机控制系统是模拟和数字部件的混
7、合系统。液位传感器检测出水箱水位，水位的实际值是通过7017模块进行A/D转换，变成数字信号后输入计算机中；在计算机中，根据水位给定值与实际输出值之差，利用PID程序算法得到输出值，再将输出值传到7024模块中，由7024将数字信号转换成模拟信号；最后，实现水位的计算机自动控制。系统结构过程控制系统由四大部分组成，分别为控制器、调节器、被控对象、测量变送。本次设计为流量回路控制，即为闭环控制系统，如下图：图1-2 控制系统框图被控对象：水箱被控变量：水箱液位高度控制变量：水流量控制器：计算机执行器：水泵，调节阀，电机检测变送：液位传感器第2章 系统结构框图与工作原理单容水箱液位PID控制系统中
8、液位过程如下图所示：图2-1 单容液位过程图2-2 单容液位控制系统结构图单容水箱液位PID控制系统工作原理：单回路上水箱液位控制系统。单回路调节系统一般指在一个调节对象上用一个调节器来保持一个参数的恒定，而调节器只接受一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。本系统所要保持的参数是液位的给定高度，即控制的任务是控制上水箱液位等于给定值所要求的高度。根据控制框图，本系统属于是一个闭环反馈单回路液位控制，采用DDC控制。当调节方案确定之后，接下来就是整定调节器的参数，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
9、参数选择得不合适，则会使控制质量变坏，达不到预期效果。一个控制系统设计好以后，系统的投运和参数整定是十分重要的工作。图2-3 单容液位控制系统工艺流程图第3章 各单元硬件设计说明及计算方法3.1 各单元硬件设计3.1.1 控制器直接数字控制系统DDC（Direct Digital Control）系统，就是用一台工业计算机配以适当的输入、输出设备，从输入通道获取生产过程的信息，按照预先规定的控制算法计算出控制量，并通过输出通道直接作用于执行器，实现对整个生产过程的控制。由于计算机运算速度快，通过分时处理，一台计算机可以对多个回路进行控制。一个DDC系统可实现多个回路PID调节及其他辅助控制。D
10、DC系统能满足不同生产过程的控制要求。图3-1 DDC系统结构框图模块选择当需要构成计算机控制系统时，过程控制装置的数据采集和控制采用目前最新的牛顿7000系列远程数据采集模块和组态软件组成，完全模拟工业现场环境，先进性与实用性并举。有效的拉近了实验室与工业现场的距离。它体积小，安装方便，可靠性极高。1) D/A模块：采用7024模块。4路模拟输出，电流（4-20mA）电压（15V）信号均可。2) A/D 模块：采用7017模块。8路模拟电压（15V）输入。3)通讯模块： 485/232转换模块，转换速度极高（300115KHz），232口可长距离。当系统控制要求发生变化时，可通过重新编制程序
11、来适应控制要求的改变，而不必进行大量硬件结构的改动。DDC系统的另一个优点是易于实现各种比较复杂的控制规律及特殊的控制算法，如串级、前馈、选择、大滞后补偿等控制。3.1.2 执行器自动调节阀按其工作能源形式可分为气动、电动、液动三大类。气动调节阀用压缩空气作为工作能源，主要特点是能在易燃易爆环境中工作，广泛地应用于化工、炼油等生产过程中；液动调节阀用液压推动，推力很大，一般生产过程中很少用到；电动调节阀用电源工作，其特点是能源取用方便，信号传递迅速，但难以在易燃易爆环境中工作。单容水箱液位控制系统可采用电动调节阀为执行器。电动调节阀 电动调节阀对控制回路流量进行调节。采用德国PSL202型智能
12、电动调节阀，无需配伺服放大器，驱动电机采用高性能稀土磁性材料制造的同步电机，运行平稳，体积小，力矩大，控制精度高。控制单元与电动执行机构一体化，可靠性高，操作方便，并可与计算机配套使用，组成最佳调节回路。有输入控制信号4-20mA及单相电源即可控制与流量、温度、压力等参数的调节，具有体积小，重量轻，连线简单，泄漏量少的优点。采用PS电子式直行程执行机构，4-20mA阀门位置反馈信号输出双导向单座柱塞式阀芯，流量具有等百分比特性，直线特性和快开特性，阀门采用弹簧连接，可预置阀门关断力，保证阀门的可靠关断，防止泄露。性能稳定可靠，控制精度高，使用寿命长等优点。水泵采用丹麦兰富循环水泵。噪音低，寿命
13、长，功耗小，220V供电即可，在水泵出水口装有压力变送器，与变送器一起可构成恒压供水系统。3.1.3检测变送液位传感器 液位传感器用来对上水箱液位的压力进行检测，采用工业的DBYG扩散硅压力变送器，本变送器按标准的二线制传输，喜爱用高品质低耗精密器件，稳定性、可靠性大大提高。可方便的与其他DDZ3X型仪表互换配置，并能直接替换进口同类仪表。校验的方法是通电预热15分钟后，分别在零压力和满程压力下检查输出电流值。在零压力下调整量程电位器，使输出电流为4mA，在满量程压力下调整量程电位器，使输出电流为20mA。本传感器精度为0.5级，因为为二线制，故工作时需串24V直流电源。压力传感器用来对上水位
14、水箱和中水位水箱的压力进行检测，采用工业用的DBYG扩散硅压力变送器，0.5级精度，二线制4-20mA标志信号输出。3.2 系统计算方法设水箱的进水量为Q1，出水量为Q2，水箱的液面高度为h，出水阀V2固定于某一开度值。若Q1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Q1 之间的数学表达式。根据动态物料平衡关系 （3-1） 将式（3-1）表示为增量形式 （3-2）式中，、分别为偏离某一平衡状态、的增量； C水箱底面积。 在静态时，=；=0；当发生变化时，液位h随之变化，阀处的静压也随之变化，也必然发生变化。由流体力学可知，流体在紊流情况下，液位h与流量之间为非线性关
15、系。但为简化起见，经线性化处理，则可近似认为与成正比，而与阀的阻力成反比，即或 （3-3）式中，为阀的阻力，称为液阻。将式（3-3）代入式（3-2）可得 （3-4）在零初始条件下，对上面的式子求拉普拉氏变换，得： （3-5）式中，T=R2C为水箱的时间常数（注意：阀V2的开度大小会影响到水箱的时间常数），K=R2为过程的放大倍数。令输入流量=，为常量，则输出液位的高度为： （3-6）即 （3-7）当t时， 因而有 （3-8） 当t=T时，则有 （3-9）第4章 软件设计与说明MCGS(Monitor and Control Generated System，监视与控制通用系统)是一套基于Win
16、dows平台的用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，主要完成现场数据的采集与监测、前端数据的处理与控制，可运行于Microsoft Windows 95/98/Me/NT/2000/xp等操作系统。MCGS具有功能完善、操作简便、可视性好、可维护性强的突出特点。通过与其他相关的硬件设备结合，可以快速、方便的开发各种用于现场采集、数据处理和控制的设备。用户只需要通过简单的模块化组态就可构造自己的应用系统，如可以灵活组态各种智能仪表、数据采集模块，无纸记录仪、无人值守的现场采集站、人机界面等专用设备。适应于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性能有严格要求的专用计算机系统。通过
17、对现场数据的采集处理，以动画显示、报警处理、流程控制和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案，在自动化领域有着广泛的应用。此外MCGS嵌入版还带有一个模拟运行环境，用于对组态后的工程进行模拟测试，方便用户对组态过程的调试。4.1 数据库的设计在数据库中主要设计变量的类型，开关型的变量有7017通讯标志：mm1；7024通讯标志：mm2；自动手动标志：run。数据型的变量有7024的1通道输出电流：AOch0；A水箱液位测量值：A水箱PV；A水箱液位测量值：A水箱SV；偏差值：ei；比例系数：k；积分前项：mx；阀门开度：OPA；7017的1通道采样电压：PV1；前次测量值：pvx；
18、微分项：Qd；积分项：Qi；比例项：Qp；设定值：sv；微分时间：Td；积分时间：Ti。组对象有设定值，输出值：存盘数据组。图4-1 数据库设计4.2 用户窗口的设计对于用户窗口主要包括单容液位控制窗口、实时曲线窗口、历史曲线窗口、存盘数据窗口。单容液位控制窗口是整个系统的主要的界面，曲线窗口是系统运行中所产生的实时的和历史的运行曲线，存盘数据窗口主要是用来存放系统运行过程中所采集到的设备的数据。图4-2 用户窗口设计图4-3 实时曲线窗口图4-4 历史曲线窗口图4-5 存盘数据窗口单容水箱液位PID控制系统的组态窗口中主要包括水箱、电机、泵，储水池、阀、PID及设定值设定界面、曲线界面等。主
19、要功能是在系统运行的过程中起到模拟现场设备的作用，可以利用实时曲线和历史曲线窗口来观察系统运行过程中系统是否达到设计要求。图4-6 单容水箱液位控制系统组态界面图4.3 设备窗口设计在设备组态设备窗口中只要要设计的是串口通讯父设备，要添加7017和7024两个模块。7017主要是进行A/D转换，7024主要是进行D/A转换。图4-7 组态设备窗口设置第5章 调试结果与必要的调试说明系统进入运行界面后，首先设置设定值为20，调整比例系数K，待系统稳定后，通过改变设定值来对系统加扰动信号再加入积分作用，即在界面上设置积分时间Ti不为0，观察被控制量是否能回到设定值，再引入适量的微分作用，即把软件界
20、面上设置微分时间（Td）参数，观察系统运行是否得到合适的曲线。(P=35时，曲线为下图所示)图5-1 MCGS运行结果画面另一组运行结果：图5-2 运行结果第6章 使用说明系统使用简介：1. 关闭阀门00，往AE2000B2型过程控制对象的储水箱灌水，水位达到总高度的90以上时停止灌水。2.打开以西山泵为动力的支路至上水箱的所有阀门，关闭动力支路上通往其它对象的切换阀门。3. 打开上水箱出水阀，开至适当的开度。4.在电源关闭的情况下对系统进行连线将I/O信号接口板上的上水箱液位的钮子开关打到15V位置。将上水箱液位+（正极）接到ICP7017的AI0+端，上水箱液位（负极 ）接到ICP7017
21、的AI0端。将ICP7024的AO0+端接至电动调节阀的420mA输入端的+端（即正极），将ICP7024的AO0端接至电动调节阀的420mA输入端的端（即负极）。电源控制板上的电源空气开关、单相泵电源开关打在关的位置。5.启动装置将实验装置电源插头接到220V的单相交流电源。打开电源带漏电保护空气开关。打开电源总开关，电源指示灯点亮，即可开启电源。开启24VDC电源开关。打开7017、7024的电源开关。6. 启动计算机MCGS组态软件，打开电动调节阀和单相电源泵开关。再设定给定值，调整比例系数待系统稳定后加入积分作用，即在界面上设置积分时间（Ti）不为0，观察被控制量是否能回到设定值，最后
22、再引入适量的微分作用。第7章 程序清单单容水箱液位PID控制系统循环脚本：A水箱PV=(pv1-1000)*0.02ifA水箱PV38thenA水箱PV=38endifA水箱SV=svAOch0=(OPA+25)/6.25ifrun=0thenQp=0Qi=0Qd=0pvx=0endififrun=1thenei=sv-(pv1-1000)*0.02ifk=0andTi=0andTd=0thenQp=0Qi=0Qd=0endififk0andTi0thenQp=k*eimx=k*0.2*ei/TiQd=k*Td*(pvx-pv1)*0.02)/0.2endififk=0thenQp=0mx=0
23、.2*ei/TiQd=Td*(pvx-pv1)*0.02)/0.2endififTi=0thenQp=k*eiQi=0mx=0Qd=k*Td*(pvx-pv1)*0.02)/0.2endififmx5thenmx=5endififmx0andOPA=100thenQi=QielseQi=Qi+mxendififei0andOPA=0thenQi=QielseQi=Qi+mxendifpvx=pv1OPA=Qp+Qi+QdifOPA100thenOPA=100endifendif单容水箱液位PID控制系统启动脚本：!setdevice(7024,1,)!setdevice(7017,1,)Qp=
24、0Qi=0Qd=0OPA=0sv=0pvx=0run=0!SetWindow(D实时曲线,2)单容水箱液位PID控制系统退出脚本：!setdevice(7024,2,)!setdevice(7017,2,)Qp=0Qi=0Qd=0OPA=0sv=0pvx=0run=0!SetWindow(D实时曲线,3)第8章 总结在此次课程设计过程中我学习到了MCGS的基本运用，在对单容水箱液位PID控制系统的设计的过程中复习了以前所学的简单控制系统的设计过程。让我知道了设计一个系统的基本流程。在运用MCGS建立组态画面时，学会了如何去设计一个过程控制系统，掌握了基本的设计步骤。了解到，一般情况下，它都要经
25、过一下几个步骤：认知被控对象、设计控制方案、选择控制规律、选择过程仪表、选择过程模块、设计系统流程图和组态图、设计组态画面直到最后的动画链接成功，并达到控制要求。经过以上步骤，我对整个过程控制系统的设计有了很深的体会，也学会了很多与设计相关的知识。对MCGS软件也有了很大的了解，学会了初步的应用。认识到了MCGS的一些应用情况，MCGS软件的组成与功能，其应用程序项目如何建立，数据词典如何建立，动画如何进行链接，命令语言程序如何编写，趋势曲线如何建立，还有一系列与MCGS软件应用相关的知识。在这次课程设计中也遇到了不少麻烦，不过经过老师的辅导大部分问题都得到了解决，总的来说，这次设计是一次收获
26、很大的设计，学到了很多教学中学不到的东西，对我的动手能力有了很大的帮助。同时也要感谢老师对我们这次课程设计的指导，让我们获益匪浅！参考文献1 过程控制，金以慧.北京：清华大学出版社，1993.4: 103-118 2 何衍庆.工业生产过程控制.北京：化学工业出版社，2004.3：77-883 AE2000B2型系统实验平台实验指导书22电气信息学院课程设计评分表项 目评 价优良中及格差设计方案合理性与创造性（10%）硬件设计及调试*情况（20%）参数计算及设备选型情况*(10%)设计说明书质量(20%)答辩情况(10%)完成任务情况(10%)独立工作能力(10%)出勤情况(10%)综 合 评 分 指导教师签名：_ 日 期：_ 注：表中标*号项目是硬件制作或软件编程类课题必填内容； 此表装订在课程设计说明书的最后一页。课程设计说明书装订顺序：封面、任务书、目录、 正文、评分表、附件（非16K大小的图纸及程序清单）。
