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1、毕毕 业业 设设 计计课题课题名称名称： 基于PLC双容水箱液位控制系统设计 系系 部部： 电子信息工程系 班班 级级： * 姓姓 名名： * 指指导导老老师师： * 摘 要双容水箱液位控制系统是采用先进的控制算法完成对过程液位的控制的控制系统，它在饮料、食品加工、溶液过滤、化工生产等多种行业的生产加工过程中均有广泛应用。在本设计中充分利用自动化仪表技术，计算机技术，通讯技术和自动控制技术，以实现对水箱液位的串级控制。首先对被控对象的模型进行分析，并采用实验建模法求取模型的传递函数。其次，根据被控对象模型和被控过程特性设计串级控制系统，采用动态仿真技术对控制系统的性能进行分析。然后，设计并组建
2、仪表过程控制系统，通过智能调节仪表实现对液位的串级 PID 控制。最后，借助数据采集模块MCGS 组态软件和数字控制器，设计并组建远程计算机过程控制系统，完成控制系统实验和结果分析。关键词： 液位,模型,PID 控制,仪表过程控制系统,计算机过程控制系统AbstractDouble tank water level control system is the use of advanced control algorithm of process liquid level control system, it is in the beverage, food processing, filte
3、ring solution, chemical production and other industries in the production process has been widely used. In the design of the full use of automation technology, computer technology, communication technology and automatic control technology, in order to achieve the water tank liquid level cascade cont
4、rol. Firstly, the object model is analyzed, and the experimental modeling method for model transfer function. Secondly, according to the controlled object model and the controlled process characteristic design of cascade control system, using dynamic simulation technology to the control system perfo
5、rmance analysis. Then, design and construction process control instrumentation system, through the intelligent controller for liquid level cascade PID control. Finally, with the help of a data acquisition module, MCGS configuration software and digital controller, design and establishment of a remot
6、e computer process control system, complete control system experiment and result analysisKeywords: liquid level，model PID control，indicator process control system，computer process control system目 录摘 要.Abstract.1 绪论.1 2 被控对象建模.22.1 水箱模型分析 .22.2 阶跃响应曲线法建立模型 .33 系统控制方案设计与仿真.73.1 液位串级控制系统介绍 .73.2 PID控制原
7、理 .73.3 系统控制方案设计 .103.4 控制系统仿真 .124 建立仪表过程控制系统.174.1 过程仪表介绍 .174.2 仪表过程控制系统的组建 .194.3 仪表过程控制系统PID参数整定 .235 模拟计算机过程控制系统.255.1 计算机过程控制系统硬件设计 .255.2 MCGS软件工程组态 .285.3 组态软件调试 .386 结论.40参考文献.41致谢.42附录.431 1 绪论绪论双容水箱系统是一种比较常见的工业现场液位系统 ，在实际生产中 ，双容水箱控制系统在石油、化工环保水处理冶金等行业尤为常见。通过液位的检测与控制从而调节容器内的输入输出物料的平衡，以便保证生
8、产过程中各环节的物料搭配得当。经过比较和筛选，串级控制系统 PID 控制无论是从操作性、经济性还是从系统的控制效果均有比较突出的特性，因此采用串级控制系统 PID 控制对双荣水箱液位控制系统实现控制。论文以 THJ-2 高级过程控制实验系统为基础的实验数据作为出发点，利用MATLAB 的曲线拟合的方法分别仿真出系统中上水箱、下水箱的输出响应曲线。对曲线进行处理求出各水箱的参数，用所求出的参数列写出水箱的传递函数。采用复杂控制系统中的串级控制系统列写出系统框图，根据串级控制系统 PID参数整定的方法整定出主控制器和副控制器的 P、I、D 的数值，从而满足控制系统对各项性能的要求。对于控制器的选择
9、，从经济以及控制效果考虑采用智能仪表实现控制，并应用组态软件对系统实施监控。为了能够使双容水箱系统能实现远程的检测和控制，本文又进一步的设计出计算机过程控制系统，利用 ICP-7017 数据采集模块实现模拟量输入通道的功能利用 ICP-7024 数据采集模块实现模拟量输入通道的功能（自带 485 通讯接口） ，通过 RS232/485 完成通讯转换实现与计算机的通讯和控制。ICP-7000 系列采集模块的作用是将传感器检测到的被控参数标准信号通过 A/D 转换送入计算机，计算机是将控制运算发出的控制信号通过 D/A 转换发给执行机构（调节阀、变频器） 。整个控制系统的控制算法及监控功能都在控制
10、计算机中实现。对于计算机控制，采用的是组态软件 MCGS 来实现的，通过对软件进行编程使组态软件模拟出双容水箱液位控制系统的手动和自动两种工作状态。2 被控对象建模在控制系统设计工作中，需要针对被控过程中的合适对象建立数学模型。被控对象的数学模型是设计过程控制系统、确定控制方案、分析质量指标、整定调节器参数等的重要依据。被控对象的数学模型（动态特性）是指过程在各输入量（包括控制量和扰动量）作用下，其相应输出量（被控量）变化函数关系的数学表达式。在液位串级控制系统中，我们所关心的是如何控制好水箱的液位。上水箱和下水箱是系统的被控对象，必须通过测定和计算他们模型，来分析系统的稳态性能、动态特性，为
11、其他的设计工作提供依据。上水箱和下水箱为 THJ-2 高级过程控制实验装置中上下两个串接的有机玻璃圆筒形水箱，另有不锈钢储水箱负责供水与储水。上水箱尺寸为：d=25cm,h=240mm;下水箱尺寸为：d=35cm,h=240mm，每个水箱分为三个槽：缓冲槽、工作槽、出水槽。 2.1 水箱模型分析 Q1Q1 12 Q2Ah图 2.1 液位被控过程简明原理图系统中上水箱和下水箱液位变化过程各是一个具有自衡能力的单容过程。如图，水箱的流入量为 Q1，流出量为 Q2，通过改变阀 1 的开度改变 Q1值，改变阀2 的开度可以改变 Q2值。液位 h 越高，水箱内的静压力增大,Q2也越大。液位 h的变化反映了 Q1和 Q2不等而导致水箱蓄水或泻水的过程。若 Q1作为被控过程的输入量，h 为其输出量，则该被控过程的数学模型就是 h 与 Q1之间的数学表达式。 根据动态物料平衡， Q1-Q2=A(dh/dt) ；Q1-Q2=A(dh/dt) 在静态时，Q1=Q2，dh/dt=0；当 Q1发生变化后，液位 h 随之变化，水箱出口处的静压也随之变化，Q2也发生变化。由流体力学可知，液位 h 与流量之间为非线性关系。但为了简便起见，做线性化处理得 Q2=h/R2，经拉氏变换得单容液位过程的传递函数为 W0(s)=H(s)/Q1(s)=R2
