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1、摘要本设计以JBS-GK04型过程控制实验装置为基础，对双容水箱进行对象特性测试及液位控制。通过对双容水箱液位控制系统的分析建模，针对其对象特性，采用PID控制方式，构成了以上水箱液位为副调节参数、下水箱液位为主调节参数的液位控制系统，有效地克服了二次干扰以及双容水箱的容量滞后等问题，从而缩短了调节时间。利用北京亚控公司生产的组态王软件实施上位机界面组态，对系统进行实时地操作、监控。在控制过程中不需要下位机，通过在组太王软件工程浏览器中的命令语言编辑对话框里面输入PID控制源程序，实现计算机直接控制的方式，实现计算机与现场设备之间的数据交换。利用变频器使抽水泵工作在恒压供水的状态下，通过电动调
2、节阀来实现控制目标。在对双容水箱液位控制系统进行参数整定时，以使调节过程稳、准、快为原则，从而得到适合的调节器参数。实验结果表明，系统实现了对过程参数的无稳态误差控制，具有良好的稳态性能和动态性能。关键词: 液位；PID 控制；组态软件；参数整定AbstractThe design is based on the JBS-GK04 type of process control device for the testing object properties and level control on the two-tank. Through analysis and modeling for
3、 the two-tank water level control system, use of cascade PID control for its object properties and constitute a water level control system ,its deputy adjustable parameter is previous water level and the main adjustable parameters is under the tanks liquid level cascade control system. It overcomes
4、the problems effectively about the second two-tank and capacity lagged behind and reduces the adjustment time. Use Configuration software which is generated by Beijing Asias PC to implement the interface configuration, operate water level real-time and monitor the system. In the control process does
5、 not require the next crew, edit dialog box to enter the PID control inside source through the software engineering group in the browser command language to achieve direct control of the computer, And use the drive to work in the constant pressure water supply pumps in the state, through the electri
6、c control valve to achieve the control objectives. In two-tank water level control system parameters adjustment, follow the principle of steady, accurate, fast in adjustment process to get appropriate parameters. The experimental results show that the system of process parameters to achieve steady-s
7、tate error-free control, with good steady state performance and dynamic performance.Keywords: LevelPID control; configuration software; parameter tuning目录摘要0Abstract1目录2第一章 绪论31.1课题研究背景及意义31.2本文主要研究的内容3第二章 JBS-GK04型过程控制实验装置52.1系统组成52.2系统特点52.3.工艺流程62.4技术规格72.5、JBS-GK04过程控制实验装置上位机操作说明9第三章 双容水箱液位控制系统方
8、案设计133.1双容水箱液位控制系统分析133.2 双容水箱液位控制系统方案设计133.2.1控制方案的选定133.2.2串级控制系统的特点143.2.3串级控制系统的设计143.2.4计算机串级控制算法实施173.2.5液位串级控制系统工作过程183.3液位控制系统参数整定193.3.1Kp、Ti、Td对控制质量的影响203.3.2几种工程整定方法介绍203.3.3串级控制系统的参数整定22第四章 组态软件设计244.1“组态王”简介244.2组态画面的建立244.2.1建立工程244.2.2设备配置254.2.3变量定义264.2.4画面设计与动画连接284.2.5实时曲线和历史曲线的建立
9、30总结32第一章 绪论1.1课题研究背景及意义随着科学技术的发展，现代工业生产工艺中的控制问题也日趋复杂。在人们的生活中以及某些化工和能源的生产过程中，常常涉及一些液位或流量控制的问题。在石油、化工、轻工和食品等工业生产过程中，有许多贮罐作为原料、半成品的贮液罐，前一道工序的成品或半成品不断地流入下一道工例如在核动力蒸汽发生器工作过程中以及乙烯工程污水处理厂的自动排水处理场等，因此，需要设计合适的控制器自动调整容器的出入液流量，使得容器内液位保持正常水平。特别地，在出入液流量较大的情况下，为了平抑液位的变化，实际生产中往往选用多个互相连通的蓄液容器。上述不同背景的实际问题都可以抽象为某种水箱
10、的液位控制问题。由于工业生产的飞速发展，人们对生产过程的自动化控制水平的要求也越来越高。每一个先进、实现的控制算法的出现都对工业生产具有巨大的推动作用。最近几年，国内一些控制领域已接近甚至超越了国际水平，然而，就先进理论应用于工业生产等领域的状况来讲，与发达国家相比却存在较大差距。其原因固然是多方面的，但是，一个很明显的原因就是在于理论研究尚缺乏实际背景的支持，理论的算法一旦应用于现场就会遇到各种各样的实际问题，制约了其应用前景。在目前尚不具有在实验室中复现真实工业过程条件的今天，开发经济实用的具有典型对象特性的使用装置无疑是一条探索将理论成果转化为应用技术的捷径。在过程工业中，被控量通常有以
11、下四种：液位、压力、流量、温度，而液位不仅是工业过程中的常见参数，且便于直接观察，也容易测量。以液位过程构成的实验系统，可灵活地进行过程组态，实施各种不同的控制方案，它不仅能够满足实际现场的应用要求，而且可以对新理论的研究论证提供强有力的平台。因此，液位控制系统是过程控制的重要研究模型，对液位控制系统的研究具有显著的理论和实际意义。1.2本文主要研究的内容本课题主要以双容水箱液位过程控制实验系统作为研究对象，介绍了其硬件构成、系统建模并进行相关控制方案及控制算法的分析、研究。利用JBS-GK04过程控制实验装置系统结合计算机控制技术，在组态软件下编程并且通过调整和改进控制算法，从而实现双容水箱
12、液位控制系统的设计要求。通过利用调节器的工程整定方法，最后得到一组能稳定、准确、快速的达到控制要求的PID参数。通过本设计掌握控制系统的基本概念最后对实验结果进行分析总结，针对实验过程中的存在的一些问题进行下一步的改进。第二章 JBS-GK04型过程控制实验装置2.1系统组成 JBS-GK04型过程控制实验装置包括被控对象和控制桌两部分。被控对象由执行器、变送器、上下水槽、水箱、管路有机地组成；控制桌装有控制器、数显表、液晶显示器等，控制器通过通讯电缆与上位机通讯。被控对象的变送器信号和执行器的供电分别通过屏蔽电缆线与控制桌连接的。示意图如下：被控对象 变送器信号 控制桌 屏蔽电缆上位机 通讯
13、电缆 屏蔽电缆 以上为系统的示意图。变送器信号包括2个液位变送器、2个流量变送器、1个温度变送器和1个压力变送器，这6个变送器均输出4-20mA标准信号；数显表一共6块，分别对6个变送器来的电流信号进行数值的实时显示；控制器包括PLC主机和3个扩展模块，实现对被控对象中变送器信号的采集和输出控制信号；执行器包括2台变频器、2台水泵、1个电动调节阀和1个加热器。具体见下面说明：被控对象：两水槽液位、水槽2的温度、电机2出水压力、水泵1和水泵2出水流量。检测装置：两个液位变送器，一个压力变送器和一个温度变送器，两个电远传玻璃转子流量计。执行机构：一个电动调节阀，两个变频器及两台水泵, 一个固态继电
14、器（控制加热器用）。 控制系统：西门子小型PLC（S7-200 CPU224主机、模拟量输入模块EM231、模拟两输入输出模块EM235和模拟量输出模块EM232，一条编程通讯电缆），四个典型控制参数（液位、流量、压力、温度），可组成多种控制实验。2.2系统特点为了更好的模拟工业现场，本实验装置采用两台水泵, 在单输入单输出控制回路中一台水泵供水，另一台水泵可通过变频器调节转速而产生有规律或无规律波动的干扰量。3、实验操作简单、直观 人机界面良好，计算机用立体画面显示被控对象的流程、实时趋势曲线和数据1、设计巧妙，充分应用现有装置，实现多种实验2、充分模拟工业控制现场，实验效果很好报表等。控制桌上装有变频器BOP面板，六个智能显示仪表，PLC控制单元和液晶显示器。实验者可以在面板上直接看到各参数变化情况，实验操作也更直观。4、可组成非线性系统 本实验装置有四个水槽，分上下两组，上面一组水槽有三个，互相通过手调阀连接，其中的两个水槽横截面积随高度而变化（其中的一个上粗下细，另一个下粗上细）。这样可组成两组
