上水箱液位控制综合系统过控课设.docx

摘 要

在过程工业中被控制量通常有以下四种: 液位、压力、流量、温度。而液位 不仅是工业过程中常见参数，且便于直接观察， 也轻易测量。过程时间常数通常比较小。以液位过程组成试验系统,可灵活地进行组态，实施多种不一样控制方案。 液位控制装置也是过程控制最常见试验装置。国外很多试验室有这类装置， 如瑞典LUND大学等。 很多关键研究汇报、模拟仿真均出自这类装置!
此次设计也是基于这套水箱液位控制装置来实现。这套系统由多个水箱，液位检测变送器，电磁流量计，涡轮番量计，自动调整阀，控制面板等喝多器件组成。
液位控制发展从七十年代到九十年代经历了多个阶段，控制理论由经典控制理论到现代控制理论，再到多学科交叉；控制工具由模拟仪表到DCS，再到计算机网络控制；控制要求和控制水平也由原来简单、安全、平稳到优异、优质、低耗、高产甚至市场估计、柔性生产。而其中应用最广泛就是PID 控制器。
这次首先是用一天半时间让我们熟悉多种建模方法。学会建立了最初四种模型。接着后几天就是开始熟悉多种控制系统，和利用它们去控制水箱液位，从而愈加深刻了解控制概念。而且在过程中，要熟练学会调整PID参数，学会使用MATLAB等。

关键词：水箱液位；PID控制；串级控制；前馈控制；经验凑试法

目 录
1 引言 1
2 实验设备 2
2.1 THJ-FCS型或THJ-3型高级过程控制系统实验装置。 2
2.2计算机及相关软件。 6
2.2.1 SIMATIC WinCC简介 6
2.2.2 监控界面 7
3 设备工作原理及运行过程 8
3.1 设备工作原理 8
3.2 控制系统流程图 8
3.3系统投运及步骤 9
4 参数整定与结果分析 12
4.1 参数整定 12
4.1.1 比例（P）调节 12
4.1.2 比例积分（PI）调节 14
4.1.3 比例积分微分（PID）调节 17
4.2 结果分析 18
总 结 19
参考文献 20

1引言
在现代工业控制中,过程控制技术是一历史较为久远分支。在本世纪30 年代就已经有应用。过程控制技术发展至今天, 在控制方法上经历了从人工控制到自动控制两个发展时期。在自动控制时期内，过程控制系统又经历了三个发展阶段, 它们是：分散控制阶段, 集中控制阶段和集散控制阶段。
现在，过程控制正朝高级阶段发展，不管是从过程控制历史和现实状况看，还是从过程控制发展必需性、可能性来看，过程控制是朝综合化、智能化方向发展，即计算机集成制造系统(CIMS)：以智能控制理论为基础，以计算机及网络为关键手段，对企业经营、计划、调度、管理和控制全方面综合，实现从原料进库到产品出厂自动化、整个生产系统信息管理最优化。
伴随信息技术、自动化技术在过程工业广泛应用，过程控制系统在过程工业中愈显关键。过程控制从应用于工业生产至今经历了一个由简单到复杂、从低级到高级过程。在过程控制中，通常对液位、温度、压力、流量等参数进行控制。其中，液位控制技术在国民生活、生产中发挥了关键作用，如民用水塔供水，精馏塔液位控制，锅炉气泡液位控制等。液位控制正确度和精度全部直接或间接地影响着生产、生活质量和安全。为了确保安全、合理高效生产，急需开展优异液位控制方法和策略研究和开发。
水箱液位控制系统是设计和开发优异液位控制策略一个开放式平台，含有观察直观、测量轻易、组态灵活，可实施多种相异控制方案，中国外很多学者和工程技术人员基于该类装置做出了关键研究汇报，以验证关键理论结果和指导生产实践。然而，现在中国这类控制试验装置关键用于高校试验教学，存在着试验采集数据误差较大、试验对象过于单一等不足。所以，开发含有科研功效试验装置含相关键工程应用价值。
2 试验设备
2.1 THJ-FCS型或THJ-3型高级过程控制系统试验装置
“THJ-2型高级过程控制系统试验装置”是基于工业过程物理模拟对象，它集自动化仪表技术，计算机技术，通讯技术，自动控制技术为一体多功效试验装置，该装置是本企业依据自动化及其它相关专业教学特点，吸收了中国外同类试验装置特点和优点，经过精心设计，数次试验和反复论证，推出了一套全新试验装置，该系统包含流量、温度、液位、压力等热工参数，可实现系统参数辨识，单回路控制，串级控制，前馈—反馈控制，比值控制，解耦控制等多个控制形式。本装置还可依据用户需要设计组成DDC，DCS，PLC，FCS 等多个控制系统。该试验装置既可作为本科，专科，高职过程控制课程试验装置，也可为硕士及科研人员对复杂控制系统、优异控制系统研究提供物理模拟对象和试验手段。

图2-1 水箱液位控制系统

图2-2连线图
本试验装置由被控对象和智能仪表两部分组成。系统动力支路分两路：一路由三相磁力驱动泵（380V交流）、电动调整阀、直流电磁阀、涡轮番量计及手动调整阀组成；另一路由日本三菱变频器、三相磁力驱动泵（220V变频）、涡轮番量计及手动调整阀组成。
1、被控对象 
由不锈钢储水箱、上、中、下三个串接有机玻璃圆筒形水箱、4.5千瓦电加热锅炉(由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭式外循环不锈钢冷却锅炉夹套组成)、冷热水交换盘管和敷塑不锈钢管道组成。 
水箱：包含上水箱、中水箱、下水箱和储水箱。 上、中、下水箱采取优质淡蓝色圆筒型有机玻璃，不仅坚实耐用，而且透明度高，便于学生直接观察液位改变和统计结果。上、中水箱尺寸均为：d=25cm,h=20 cm； 下水箱尺寸为：d=35cm,h=20 cm。水箱结构很独特，有三个槽，分别是缓冲槽，工作槽，出水槽。上、中、下水箱能够组合成一阶、二阶、三阶液位单回路控制试验和双闭环、三闭环液位串级控制等试验。储水箱是采取不锈钢板制成，尺寸为：长×宽×高=68cm×52㎝×43㎝完全能满足上、中、下水箱试验需要。储水箱内部有两个椭圆形塑料过滤网罩，预防两套动力支路进水时有杂物进入泵中。 
模拟锅炉：本装置采取模拟锅炉进行温度试验，此锅炉采取不锈钢精制而成，设计巧妙，由二层组成：加热层（内胆）和冷却层（夹套）。做温度单回路试验时，冷却层循环水能够使加热层热量快速散发，使加热层温度快速下降。冷却层和加热层全部有温度传感器检测其温度，可完成温度串级控制，前馈-反馈控制，解耦控制等试验。 
盘管：长37米（43圈），可做温度纯滞后试验，在盘管上有三个不一样温度检测点，它们滞后时间常数不一样，在试验过程中依据不一样试验需要选择不一样滞后时间常数。盘管出来水既能够回流到锅炉内胆，也能够经过涡轮番量计完成流量滞后试验。 
管道：整个系统管道采取敷塑不锈钢管组成，全部水阀采取优质球阀，根本避免了管道系统生锈可能性。有效提升了试验装置使用年限。其中储水箱底有一个出水阀，当水箱需要更换水时，将球阀打开将水直接排出。 
2、检测装置 
压力传感器、智能变送器：采取工业用扩散硅压力变送器，含不锈钢隔离膜片，同时采取信号隔离技术，对智能传感器温度漂移跟随赔偿。压力传感器用来对上、中、下水箱液位进行检测，其精度为0.5级，因为为二线制，故工作时需串接24V直流电源。 
温度传感器：本装置采取六个Pt100传感器，分别用来检测上水箱出口、锅炉内胆、锅炉夹套和盘管水温。经过调整器温度变送器，可将温度信号转换成4～ 20mADC电流信号。 Pt100传感器精度高，热赔偿性很好。 
流量传感器、转换器：流量传感器分别用来对电动调整阀支路、变频支路及盘管出口支路流量进行测量。涡轮番量计型号：LWGY-10，流量范围：0～1.2m3/h，精度：1.0%。输出：4～20mA标准信号。本装置用了三套涡轮番量传感器、变送器。 
3．实施机构 
电动调整阀：采取智能型电动调整阀，用来进行控制回路流量调整。电动调整阀型号为：QSJP-16K。含有精度高、技术优异、体积小、重量轻、推进力大、功效强、控制单元和电动实施机构一体化、可靠性高、操作方便等优点，控制信号为4～20mA DC或1～5V DC，输出4～20mA DC阀位信号，使用和校正很方便。 
变频器：本装置采取西门子变频器。 
水泵：本装置采取磁力驱动泵，型号为16CQ-8P，流量为32升/分，扬程为8米，功率为180W。泵体完全采取不锈钢材料，以预防生锈，使用寿命长。本装置采取两只磁力驱动泵。一只为三相380V恒压驱动，另一只为三相变频220V输出驱动。 
可移相SCR调压装置：采取可控硅移相触发装置，输入控制信号为4～20mA标准电流信号。输出电压用来控制加热器加热，从而控制锅炉温度。 
电磁阀：在本装置中作为电动调整阀旁路，起到阶跃干扰作用。电磁阀型号为：2W-160-25 ；工作压力：最小压力为0Kg/㎝2，最大压力为7Kg/㎝2 ；工作温度：－5～80℃。 
4．控制器 
本试验装置基础配置控制器有调整仪表、比值器/前馈-反馈赔偿器、解耦装置。(还可依据需要扩展远程数据采集和PLC可编程控制系统) 
a.调整仪表 
本系统试验装置采取上海万迅仪表AI系列仪表，其关键特点有： 
●AI系列仪表操作方便、通俗易学，且不一样功效档次相互兼容。 
●含有国际上同类仪表几乎全部功效，通用性强、技术成熟可靠。 
●全球通用85～246VAC范围开关电源或24VDC电源供电，并含有多个外形尺寸。
●输入采取数字校正系统，内置常见热电偶和热电阻非线性校正表格，测量正确稳定。 
●采取优异AI人工智能调整算法，无超调，含有自整定（AT）功效。
●采取优异模块化结构，提供丰富输出规格，能满足多种应用场所需要。 
●经过ISO9002质量认证，品质可靠。含有符合要求抗干扰性能。
（5）AI人工智能调整，包含模糊逻辑PID调整及参数自整定功效优异控制算法。 
（6）输出规格（模块化） 
继电器触点开关输出（常开+常闭）：250VAC/1A或30VDC/1A 
可控硅无触点开关输出（常开或常闭）：100-240VAC/0.2A（连续），2A（20mS瞬时，反复周期大于5S） 
SSR电压输出：12VDC/30mA（用于驱动SSR固态继电器） 
可控硅触发输出：可触发5-500A双向可控硅、2个单向可控硅反并联连接或可控硅功率模块 
线性电流输出：0-10 mA可4-20 mA可定义（安装X模块时输出电压≥10.5V；X4模块输出电压≥7V） 
（7）报警功效 
上限、下限、正偏差、负偏差等4种方法，最多可输出3路，有上电免去报警选择功效。 
（8）手动功效 
自动/手动双向无扰动切换（仅A1-808/808P系列含有此功效） 
（9）电源：100-240VAC，-15%，+10%50-60HZ； 
电源消耗：≤5W 
（10）环境温度：0-50℃ 

2.2计算机及相关软件。
2.2.1 SIMATIC WinCC介绍
SIMATIC WinCC(Windows Control Center)--视窗控制中心， 它是西门子最经典过程监视系统，业已成为市场领导者，乃至业界遵照标准。WinCC能为工业领域提供完备监控和数据采集（SCADA）功效，涵盖单用户系统直到支持冗余服务器和远程 Web 服务器处理方案多用户系统。SIMATIC WinCC 是企业垂直集成交换信息基础，含有良好开放性和灵活性，它采取了工厂智能，助力用户实现更大程度生产过程透明化。

图2-3 Wincc组态软件
2.2.2 监控界面
本试验所用计算机软件为Wincc组态软件，监控界面以下：

图2-4 Wincc上水箱试验监控界面

3 设备工作原理及运行过程
3.1 设备工作原理
图3-1 上水箱单容液位定值控制系统
(a)结构图 (b)方框图

本试验系统结构图和方框图图3-1所表示。被控量为上水箱（也可采取中水箱或下水箱）液位高度，试验要求它液位稳定在给定值。将压力传感器LT1检测到上水箱液位信号作为反馈信号，在和给定量比较后差值经过调整器控制气动调整阀开度，以达成控水箱液位目标。为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下无静差控制，系统调整器应为PI或PID控制。
3.2 控制系统步骤图
本控制系统步骤图图3-2所表示。

图3-2 控制系统步骤图
上水箱液位检测信号LT1为标准模拟信号，直接传送到SIEMENS模拟量输入模块SM331，SM331和分布式I/O模块ET200M直接相连，ET200M挂接到PROFIBUS-DP总线上，PROFIBUS-DP总线上挂接有控制器CPU315-2 DP（CPU315-2 DP为PROFIBUS-DP总线上DP主站），这么就完成了现场测量信号到CPU传送。
本试验实施机构为带PROFIBUS-PA通讯接口阀门定位器，挂接在PROFIBUS-PA总线上，PROFIBUS-PA总线经过LINK和COUPLER组成DP链路和PROFIBUS-DP总线交换数据，PROFIBUS-DP总线上挂接有控制器CPU315-2 DP，这么控制器CPU315-2 DP发出控制信号就经由PROFIBUS-DP总线抵达PROFIBUS-PA总线来控制实施机构阀门定位器。
3.3系统投运及步骤
系统投运之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-2、F1-6全开，将上水箱出水阀门F1-9开至合适开度，其它阀门均关闭。
1、接通控制柜和控制台电源电源，并开启磁力驱动泵和空压机。
2、打开作上位控制PC机，点击“开始”菜单，选择弹出菜单中“SIMATIC”选项，再点击弹出菜单中“WINCC” ，再选择弹出菜单中“WINCC CONTROL CENTER 5.0”,进入WINCC资源管理器，打开组态好上位监控程序，点击管理器工具栏上“激活（运行）”按钮，进入试验主界面。
3、鼠标左键点击试验项目“上水箱液位PID整定试验”，系统进入正常测试状态，展现试验界面图2-2所表示。
在监控界面左边是系统步骤图，右边是参数整定，下面一排六个切换功效键
4、在上位机监控界面中点击“手动”，并将设定值和输出值设置为一个适宜值，此操作可经过设定值或输出值旁边对应滚动条或输出输入框来实现。
5、开启磁力驱动泵，磁力驱动泵上电打水，合适增加/降低输出量，使上水箱液位平衡于设定值。
6、按经验法或动态特征参数法整定PI调整器参数，并按整定后PI参数进行调整器参数设置。
7、待液位稳定于给定值后，将调整器切换到“自动”控制状态，待液位平衡后，经过以下多个方法加干扰：
（1） 突增（或突减）设定值大小，使其有一个正（或负）阶跃增量改变；（此法推荐，后面两种仅供参考）
（2） 将气动调整阀旁路阀F1-3或F1-4（同电磁阀）开至合适开度；
（3） 将下水箱进水阀F1-8开至合适开度；（改变负载）
以上多个干扰均要求扰动量为控制量5％～15％，干扰过大可能造成水箱中水溢出或系统不稳定。加入干扰后，水箱液位便离开原平衡状态，经过一段调整时间后，水箱液位稳定至新设定值（采取后面两种干扰方法仍稳定在原设定值），观察计算机统计此时设定值、输出值和参数，液位响应过程曲线将图3-3所表示。

图3-3 液位响应过程曲线
8、分别适量改变调整器P及I参数，反复步骤7，经过试验界面下边按钮切换观察计算机统计不一样控制规律下系统阶跃响应曲线。
9、分别用P、PI两种控制规律反复步骤4～8，经过试验界面下边按钮切换观察计算机统计不一样控制规律下系统阶跃响应曲线。

4 参数整定和结果分析
4.1 参数整定
本设计用试验方法确定调整器相关参数，观察试验过程，比较所得结果，进而确定最好参数。
4.1.1 百分比（P）调整
δ=2时图像以下：

图4-1 百分比调整

δ=4时图像以下：

图4-2 百分比调整
δ=50时图像以下：

图4-3 百分比调整
由以上三图比较得：百分比控制特点是有差控制。被控变量不可能和设定值正确相等，她们之间一定有残差，系统存在稳态误差。且能证实，残差伴随百分比带增加而增大。当百分比带增大到一定程度时系统猛烈震荡甚至不稳定。这时就需要经过其它路径处理。

4.1.2 百分比积分（PI）调整
δ=2，Ti=0ms时，结果以下：

图4-4 PI调整

δ=2，Ti=100000ms时，结果以下：

图4-5 PI调整
δ=2，Ti=00ms时，结果以下：

图4-6 PI调整
由图4-4、4-5、4-6得：PI调整是无差控制。PI控制中，在百分比带δ不变情况下，减小积分时间Ti，将使控制系统稳定性降低、震荡加剧，甚至最终出现发散震荡过程。

δ=0.5，Ti=00ms时，结果以下：

图4-7 PI调整
δ=2，Ti=40000ms时，结果以下：

图4-8 PI调整

由图4-6、4-7和图4-7、4-8得：积分越大（Ki增加或Ti减小），消除稳态误差越快，积分越小（Ki减小或Ti增加），消除稳态误差越慢。
4.1.3 百分比积分微分（PID）调整
δ=2，Ti=00ms，Td=500ms时，结果以下：

图4-9 PID调整
δ=2，Ti=00ms, Td=10000ms时，结果以下：

图4-10 PID调整
δ=2，Ti=00ms, Td=100000ms时，结果以下：

图4-11 PID调整
由图4-9、4-10、4-11得：PID调整是无差控制。伴随微分作用增强（Td增大），超调量减小，相对稳定性提升，上升时间减小，快速性提升，稳态误差不变。但当Td超出某一值后，系统相对稳定性伴随Td增大而下降。微分作用提升了系统快速性。
4.2 结果分析
百分比（P）控制是一个针对目前存在误差进行控制，是有差控制，系统稳态误差和控制器增益成反比。系统稳定性和控制器增益相关，伴随控制器增益提升，系统稳定性下降。
百分比积分（PI）控制特点是无差控制，但稳定作用比P控制差。PI控制综合百分比和积分两种控制优点，利用P快速消除干扰影响，同时利用积分消除残差。在百分比带不变情况下，增大积分作用（即减小积分时间）将使系统稳定性降低、震荡加剧、控制过程过快、震荡频率升高。
百分比积分微分(PID)是无差控制，不仅含有PI优点，相对于PI调整更是提升了系统快速性，但在上水箱试验中，微分作用稍有表现，不是尤其显著。

总 结
经过此次课程设计，将书本上学过知识自动控制原理、过程控制原理、微机控制技术等应用于实际控制系统组建之中，完成了仪表过程控制系统和计算机过程控制系统组建,实现了对上水箱液位控制。在实际工程实践中，我受益非浅，学习到了很多新知识，掌握了实际操作技能，尤其是能够将书中知识和实际设计联络起来，使对自动控制了解上升到一个新台阶。在实际控制系统组建中，控制方案设计是系统设计关键，一个好设计方案能够使系统设计事半功倍，应该依据被控过程特征和工程要求综合设计系统。对于设计两种控制系统，能够做深入改善。在设计方案方面，因为是经过控制电动调整阀开度以改变水箱液位，能够增加输入水流量作为控制对象，使得对调整阀控制愈加直接。在硬件设备方面，能够使用采集速度愈加快仪表，加强控制器调整能力，改善电动调整阀工作性能。在条件许可情况下，采取更高精度采集模块。在控制器方面，能够对控制方法进行改善，即使电动调整阀控制信号是位置信号，但调整阀动作仍是经过控制电机改变阀位，可考虑能否采取增量算法直接控制电机，克服位置算法中因需要累加偏差而造成实施机构动作过大缺点。
在实际工作岗位上，将要设计不一样控制系统，工业现场过程控制系统不一样于试验中控制系统设计，更不一样于书本中理论和公式，要依据工业生产实际情况进行设计，将面临远比试验室复杂多现场环境，设计系统未必是最优异、最现代化，但必需是有效、可行、可靠。

参考文件
[1] 邵裕森. 过程控制工程. 机械工业出版社， .1
[2] 于海生. 微型计算机控制技术. 清华大学出版社，.1
[3] 金以慧. 过程控制. 清华大学出版社，.6
[4] 刘金琨. 优异PID控制及MALAB仿真. 电子工业出版社，.9