基于组态王的单容水箱液位控制系统.doc

内蒙古科技大学信息工程学院 测控专业毕业实习报告 题 目：基于组态王的单容水箱液位控制系统 学生姓名： 学 号： 专 业：测控技术与仪器 班 级：测控2009-1 指导教师：李文涛 教授 前 言 随着科学技术的发展，现代工业生产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。比如，在石油、化工、轻工等工业生产过程中，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序的贮液罐进行加工和处理，为保证生产过程能连续进行，必须对贮罐的液位进行控制。此外，居民生活用水的供应，通常需要使用蓄水池，蓄水池中的液位需要维持合适的高度。还有一些水处理的过程也需要对蓄水池中的液位实施控制。这些实际问题都可以抽象为某种水箱的液位控制。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。 本课题主要以单容水箱作为研究对象，运用研华PCI1710及1720板卡进行单容水箱对象特性的测试，从而求得其数学模型，并利用MATLAB软件进行了控制系统的仿真及分析，并确定出一组合适的PID参数对其进行控制。其次，采用组态王进行系统监控，通过对调节器PID参数的整定，实现了水箱液位的闭环控制，使水箱液位稳定在设定值，满足设计要求。 一、总体方案设计 该设计方案硬件部分由计算机，水泵，电磁阀，液位变送器，PCI-1710与1720板卡组成，软件部分以组态王来实现编程控制。组态王通过从 PCI-1710与1720板卡两个I/ O模块与外界硬件设备通讯,对采集的数据进行处理来实时监控。系统启动后，水泵由水源抽水，通过管道将水送到上水箱，液位变送器测得水箱液位通过板卡PCI-1710转换为数字信号输入计算机，组态监控中心对测得信号进行处理，通过PID运算，输出控制信号由板卡PCI-1720进行D/A转换，传送给电磁阀，进而控制水的流量实现对水箱液位控制。系统方框图如图1.1所示。 图1.1系统方框图 二、单容水箱对象特性测试及分析 2.1被控对象动态特性概述 被控对象的动态特性是指被控对象的输入发生变化时，其输出（被调量）随时间变化的规律。研究动态特性的原因是控制系统的设计方案都是依据被控对象的动态特性进行的，特别是调节器参数的整定也是依据对象的动态特性进行的。从控制观点看，被控对象本质上都有相同之处，分析被控对象的动态特性，可知被控对象控制的难易程度与调节过程的快慢。要评价一个系统的工作质量，只看稳态是不够的，还应看动态过程中被调量随时间的变化情况。因此，研究系统的动态特性就显得特别重要。 2.2被控对象数学模型的建立 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。 2.2.1机理法建立单容水箱的数学模型 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。单容水箱的模型如下图2.1所示： 图2.1单容水箱模型图 其中：被控参数--h；输入量--Qi；干扰量--Qo 分析水位在调节阀1开度扰动下的动态特性，即确定h～Qi之间的数学关系 根据动态物料平衡关系，在任何时刻水位的变化均满足 在起始的稳定平衡工况下有如下关系式： （式2-1） （式2-2） 两式相减得增量形式的平衡方程: (式2-3) 假设 （式2-4） 则单容液位过程的微分方程增量式 （式2-5） 传递函数为 （式2-6） T--被控过程的时间常数T=RC; K--被控过程的放大系数,K=R; C--被控过程的容量系数，C=A 有些被控过程存在纯滞后，则具有纯滞后的单容过程相应的传递函数为 （式2-7） 其阶跃响应曲线与无滞后的曲线形状相同，只是在时间上推迟了。 由此可见，用机理法建立数学模型的首要条件是被控过程的机理必须为人们充分掌握，并且可以比较确切的加以数学描写。考虑到参数测量的准确性与复杂性，排除机理法的使用。 2.2.2阶跃响应曲线法建立单容水箱的数学模型 阶跃响应曲线法是实验法的一种，即对被控对象施加一阶跃信号