双容水箱液位串级控制系统设计

双容水箱液位串级控制系统设计

目录

摘要1

Abstract:2

1 概述3

1.1 过程控制介绍 (3)

1.2 液位串级控制系统介绍 (4)

1.3 MATLAB软件介绍 (4)

1.4 MCGS组态软件介绍 (5)

2 被控对象建模7

2.1 水箱模型分析 (7)

2.2 阶跃响应曲线法建立模型 (7)

3 系统控制方案设计及仿真13

3.1 PID控制原理 (13)

3.2 系统控制方案设计 (15)

3.2 控制系统仿真 (16)

4 建立仪表过程控制系统20

4.1 过程仪表介绍 (20)

4.2 仪表过程控制系统的组建 (21)

4.3 仪表过程控制系统调试运行 (24)

5 建立计算机过程控制系统26

5.1 计算机过程控制系统硬件设计 (26)

5.2 MCGS软件工程组态 (28)

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1 / 61 5.3 计算机过程控制系统调试运行 .............................. 38 6 结论40

谢词41

参考文献42

双容水箱液位串级控制系统的设计及仿真

摘 要：本论文的目的是设计双容水箱液位串级控制系统。在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

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3 / 61 1 概述

1.1过程控制介绍

1．工业过程控制的发展概况

自本世纪30年代以来，伴随着自动控制理论的日趋成熟，自动化技术不断地发展并获得了惊人的成就，在工业生产和科学发展中起着关键性的作用。过程控制技术是自动化技术的重要组成部分，普遍运用于石油，化工，电力，冶金，轻工，纺织，建材等工业部门。 初期的过程控制系统采用基地式仪表和部分单元组合仪表，过程控制系统结构大多是单输入，单输出系统，过程控制理论是以频率法和根轨迹法为主体的经典控制理论，以保持被控参数温度，液位，压力，流量的稳定和消除主要扰动为控制目的过程。其后，串级控制，比值控制和前馈控制等复杂过程控制系统逐步应用于工业生产中，气动和电动单元组合仪表也开始大量采用，同时电子技术和计算机技术开始应用于过程控制领域，实现了直接数字控制（DDC ）和设定值控制（SPC ）。 之后，以最小二乘法为基础的系统辨识，以极大值和动态规划为主要方法的最优控制和以卡尔曼滤波理论为核心的最佳估计所组成的现代控制理论，开始应用于解决过程控制生产中的非线性，耦合性和时变性等问题，使得工业过程控制有了更好的理论基础。同时新型的分布式控制系统（DCS ）集计算机技术、控制技术、通讯技术、故障诊断技术和图形显示技术为一体，使工业自动化进入控制管理一体化的新模式。现今工业自动化己进入计算机集成过程系统（CIPS ）时代，并依托人工智能，控制理论和运筹学相结合的智能控制技术向工厂综合自动化的方向发展。

2．过程计算机控制系统

现代化过程工业向着大型化和连续化的方向发展，生产过程也随之日趋复杂，而对生产质量﹑经济效益的要求，对生产的安全、可靠性要求以及对生态环境保护的要求却越来越高。不仅如此，生产的安全性和可靠性，生产企业的经济效益都成为衡量当今自动控制水平的重要指标。因此继续采用常规的调节仪表（模拟式及数字式）已经不能满足对现代化过程工业的控制要求。由于计算机具有运算速度快﹑精度高﹑存储量大﹑编程灵活以及具有很强的通信能力等特点，目前以微处理器﹑单片微处理器为核心的工业控制几及数字调节器—过程计算机设备，正逐步取代

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4 / 61 模拟调节器，在过程控制中得到十分广泛的作用。 在控制系统中引入计算机，可以充分利用计算机的运算﹑逻辑判断和记忆等功能完成多种控制任务和实现复杂控制规律。在系统中，由于计算机只能处理数字信号，因而给定值和反馈量要先经过A/D 转换器将其转换为数字量，才能输入计算机。当计算机接受了给定值和反馈量后，依照偏差值，按某种控制规律（PID ）进行运算，计算结果再经D/A 转换器，将数字信号转换成模拟信号输出到执行机构，从而完成对系统的控制作用。 过程计算机控制系统的组成包括硬件和软件（除了被控对象﹑检测及执行装置外）。 1．过程计算机系统的硬件部分： （1）由中央处理器﹑时钟电路﹑内存储器构成的计算机主机是组成计算机控制系统的核心部分，进行数据采集﹑数据处理﹑逻辑判断﹑控制量计算﹑越限报警等，通过接口电路向系统发出各种控制命令，指挥系统安全可靠的协调工作。 （2）包括各种控制开关﹑数字键﹑功能键﹑指示灯﹑声讯器和数字显示器等的控制台是人机对话的联系纽带，操作人员可以通过操作台向计算机输入和修改控制参数，发出操作命令；计算机向操作人员显示系统运行状态，发出报警信号。 （3）通用外围设备包括打印机﹑记录仪﹑图形显示器﹑闪存等，它们用来显示﹑存储﹑打印﹑记录各种数据。 （4）I/O 接口和I/O 通道是计算机主机及外部连接的桥梁。I/O 通道有模拟量通道和数字量通道。模拟量I/O 通道将有传感变送器得到的工业对象的生产过程参数（标准电信号）变换成二进制代码传送给计算机；同时将计算机输出的数字控制量变换为控制操作执行机构的模拟信号，实现对生产过程的控制。 2．过程计算机系统的软件部分： （1）系统软件由计算机及过程控制系统的制造厂商提供，用来管理计算机本身资源，方便用户使用计算机。 （2）应用程序由用户根据要解决的控制问题而编写的各种程序（如各种数据采集﹑滤波程序﹑控制量计算程序﹑生产过程监控程序），应用软件的优劣将影响到控制系统的功能﹑精度和效率。

1.2液位串级控制系统介绍

在工业实际生产中，液位是过程控制系统的重要被控量，在石油﹑化工﹑环保﹑水处理 ﹑冶金等行业尤为重要。在工业生产过程自动化中，常常需要对某些设备和容器的液位进行测量和控制。通过液位的检测及控制，了解容器中的原料﹑半成品或成品的数量，以便调节容器内的输入输出物料的平衡，保证生产过程中各环节的物料搭配得当。通过控制计算机可以不断监控生产的运行过程，即时地监视

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5 / 61 或控制容器液位，保证产品的质量和数量。如果控制系统设计欠妥，会造成生产中对液位控制的不合理，导致原料的浪费﹑产品的不合格，甚至造成生产事故，所以设计一个良好的液位控制系统在工业生产中有着重要的实际意义。 在液位串级控制系统的设计中将以THJ-2高级过程控制实验系统为基础，展开设计控制系统及工程实现的工作。虽然是采用传统的串级PID 控制的方法，但是将利用智能调节仪表﹑数据采集模块和计算机控制来实现控制系统的组建，努力使系统具有良好的静态性能，改善系统的动态性能。

在设计控制系统的过程中，将利用到MATLAB 软件和MCGS 组态软件。以下将对它们的主要内容进行说明。

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