单回路双容水箱液位控制系统组态软件课程设计.docx

课 程 设 计 报 告设计题目单回路双容水箱液位控制系统课程名称监控系统程序设计技术单回路双容水箱液位控制系统 摘 要 随着科技的进步，自动化逐步走进千家万户。本学期在修完监控系统程序设计技术课程后，运用工业监控系统组态软件（MCGS），结合一个自动控制系统，学生自选题目进行工程设计。本次设计的工程系统是“单回路双容水箱液位控制系统”。通过查阅相关资料，了解到单回路双容水箱的液位控制采用PID调节方法，设定水位与实际水位的偏差和水泵电压信号构成PID调节的输入与输出单回路双容水箱液位控制系统充分体现着自动化技术的优越性，通过简单操作来实现水箱液位的自动控制。其主要目的是：根据用户的需求，按照用户所设定的水箱液位值，系统自动识别并给出相应的电压信号，控制进水流量，从而控制水箱液位达到设定液位。此外在操作方面，该系统紧密联系实际，可以进行手动控制和自动控制的自由切换。同时为了便于用户使用和实时监控，该系统设置了多项曲线和报表显示窗口，以及多个显示标签。在安全机制方面，在操作权限上根据实际情况进行人员分组管理设置，并设有密码，以便提高系统的安全性能。通过本次课设学生不仅对课程内容更加了解，通过也提高了学生的动手实践和设计能力。关键词：水位控制；PID；课程设计；自动化Singleloop and doubletank water level control systemAbstract With the progress of science and technology,automationand graduallyinto thethousands of households.This semesterin completing theprogrammonitoring systemdesigntechnologycourse,the use ofindustrialmonitoring system configurationsoftware(MCGS),combined withan automatic control system,students choosethe subjectof Engineering design.Engineering systemof this design is asingleloop and doubletank water level control system.Through access to relevant information,understandingto thelevelof single loopcontrol of two tankusing PID regulationmethod,set thewater level and theactualwater leveldeviation and thepumpvoltagesignal to formthe PID input and outputregulationSingleloop and doubletank water level controlsystem,fully embodies theadvantagesof automation technology,through simple operationtorealize the automatic controlof tank level.Its main purpose is:according to the needs of users,according to thewater levelset by the uservalue,automatic identification systemand the correspondingvoltage signal,water flow control,so as to control thewater levelreaches a setlevel.In addition,in the operationof the system,close connection is actual,can be manuallycontrolledandfree switchautomatic control.At the same time in order tofacilitate the use of the userand the real-time monitoring,thesystem has set upa number ofcurves andreport display window,and a plurality of displaytag.In a safe mechanism,setin thepersonnelgrouping managementoperation authoritybased on the actual situation,and is provided with apassword,so as toimprove the safety performance of the system.Through thislesson studentnot onlylearn more about thecontent of the course,throughhands-on practice andalsoimprove thestudents ability to design.Key Words：Water level control ;PID; Curriculum design; Automation目 录摘 要IAbstractII第1章选题及工艺流程分析说明11.1 系统概述11.1.1 选题想法11.1.2 设计思路11.2 组态设计的目标31.3 PID控制原理31.3.1PID概况31.3.2系统串级控制方案设计5第2章MCGS工程组态72.1 主控窗口设计72.2 设备窗口设计82.3 用户窗口设计92.4 实时数据库设计112.5运行策略设计122.6脚本程序设计12第3章仿 真153.1 运行结果分析153.2 组态设计和调试中遇到的问题、解决方法和结果153.2.1 遇到的问题153.2.2 解决方法和结果15第4章总 结16参 考 文 献17选题及工艺流程分析说明在工业实际生产中，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。通过液位的检测与控制，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。 在单回路双容水箱液位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。在设计系统中，主要利用MCGS组态软件对其进行设计，仿真。1.1 系统概述1.1.1 选题想法 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。通过液位的检测与控制，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。1.1.2 设计思路（1）双容水箱对象液位定值控制系统如图 1所示。系统包括两个横截面积分别为 A1 和 A2 的水箱T1 和 T2,水箱 T1 和水箱 T2 之间通过连通阀 CV1 连接，CV1 截面积为 AF1, 其开度可调整。水箱系统由给水泵供水，负载阀 CV2 决定出水量，水箱 T2 有一干扰水源，用以施加供水干扰，用户的用水量改变的扰动可通过调整负载阀 CV2 开度进行模拟。图1 双容水箱液位控制系统原理图（2）先是建立系统的对象模型，模型建立思路如下：系统由水泵供水，水泵的控制电压输入范围为 0-10V，水泵出水量与控制电压之间的传递函数为： 式中，Qi 是流入水箱的流量；Up 是水泵的控制电压，水泵的参数可近似为d=0.65s，Tp=5s，Kp=0.1升/伏秒，当输入控制电压为 0V 时，水泵的出水量为 0。水箱 T2 的出水量由阀门 CV2 控制，阀门的截面积为 AF2。以水泵作为系统输入，水箱 T2 的液位作为系统输出，即可实现单入单出二阶惯性对象。假设系统是线性或者可线性化的，因此可以推导系统的微分方程如下： 设阀门 CV1 和 CV2 的流量与阀门开度 为线性关系，则水箱 T1 流到水箱 T2 的水流量 Q1 和水箱T2 的流出的水量 Qo 分别为： 1.2 组态设计的目标输入一个设定水位，系统通过算法，自动调节水泵电压和阀门开度，使水箱2的液位达到设定值1.3 PID控制原理1.3.1PID概况目前，随着控制理论的发展和计算机技术的广泛应用，PID控制技术日趋成熟。先进的PID控制方案和智能PID控制器（仪表）已经很多，并且在工程实际中得到了广泛的应用。现在有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器，能实现PID控制功能的可编程控制器(PLC)，还有可实现PID控制的计算机系统等。在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例积分微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。y(t)+r(t) 比例P积分I微分D被控对象图2 PID控制基本原理图PID控制器是一种线性负反馈控制器，根据给定值r(t)与实际值y(t)构成控制偏差：。PID控制规律为：或以传递函数形式表示：式中，KP:比例系数 TI:积分时间常数 TD:微分时间常数 PID控制器各控制规律的作用如下：（1）比例控制（P）：比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系，能较快克服扰动，使系统稳定下来。但当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（2）积分控制（I）：在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称此控制系统是有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差的累积取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会越大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。但是过大的积分速度会降低系统的稳定程度，出现发散的振荡过程。比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。（3）微分控制（D）：在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性环节或有滞后环节，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。所以在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。特别对于有较大惯性或滞后环节的被控对象，比例积分控制能改善系统在调节过程中的动态特性。PID控制器的参数整定是控制系统设计的重要内容，应根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法分为两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。由于实验测定的过程数学模型只能近似反映过程动态特，理论计算的参数整定值可靠性不高，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统试验中进行控制器参数整定，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减曲线法。三种方法都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。1. 临界比例法在闭合控制系统中，把调节器的积分时间TI置于最大，微分时间TD置零，比例度置于较大数值，把系统投入闭环运行，将调节器的比例度由大到小逐渐减小，得到临界振荡过程，记录下此时的临界比例度k和临界振荡周期Tk。根据以下经验公式计算调节器参数： 调节器参数控制规律TITDP2k PI2.2kTK/1.2 PID1.6k0.5Tk0.25Tk表1 临界振荡整定计算公式2.阻尼振荡法在闭合控制系统中，把调节器的积分时间TI置于最大，微分时间TD置零，比例度置于较大数值反复做给定值扰动实验，并逐渐减少比例度，直至记录曲线出现4：1的衰减为止。记录下此时的4：1衰减比例度k和衰减周期Tk。根据以下经验公式计算调节器参数： 调节器参数控制规律TITDPS PI1.2S0.5TS PID0.8S0.3TS0.1TS表2 阻尼振荡整定计算公式3.反应曲线法若被控对象为一阶惯性环节或具有很小的纯滞后，则可根据系统开环广义过程测量变送器阶跃响应特性进行近似计算。在调节阀的输入端加一阶跃信号，记录测量变送器的输出响应曲线，并根据该曲线求出代表广义过程的动态特性参数。1.3.2系统串级控制方案设计水箱液位控制采用单回路PID，被控量为水箱液位，控制量为水泵输入电压。单回路控制器的输出范围为0到10V(对应于水泵的控制输入电压)。由一个开关控制输入电压以实现水泵的启停。图3 串级控制系统框图(1) 被控参数的选择应选择被控过程中能直接反映生产过程能够中的产品产量和质量，又易于测量的参数。在双容水箱控制系统中选择下水箱的液位为系统被控参数，因为下水箱的液位是整个控制作用的关键，要求液位维持在某给定值上下。如果其调节欠妥当，会造成整个系统控制设计的失败,且现在对于液位的测量有成熟的技术和设备，包括直读式液位计、浮力式液位计、静压式液位计、电磁式液位计、超声波式液位计等。(2) 控制参数的选择从双容水箱系统来看，影响液位有两个量，一是通过水箱1流入系统的流量，二是经水箱2流出系统的流量。调节这两个流量都可以改变液位的高低。但当水泵突然断电关断时，后一种控制方式会造成长流水，导致水箱中水过多溢出，造成浪费或事故。所以选择流入系统的流量作为控制参数更合理一些。(4) 控制器的选择根据单回路双容水箱液位系统的过程特性和数学模型选择控制器的控制规律。为了实现液位控制，使用闭环结构，调节器选择比例积分微分控制规律(PID)，对水箱2液位进行调节，整个回路构成闭环负反馈系统。MCGS工程组态通过MCGS组态软件在控制计算机上构建一个人机交互界面，在人机交互界面中可以对水箱液位对象进行监控控制器设计改造数据浏览和存储记录实验曲线等。MCGS组态软件所建立的工程由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分构成，每一部分分别进行组态操作，完成不同的工作，具有不同的特性在MCGS组态环境下的工程组态流程如下2.1 主控窗口设计主控窗口是工程的主窗口或主框架,是所有设备窗口和用户窗口的父窗口。在主控窗口中可以放置一个设备窗口和多个用户窗口，负责调度和管理这些窗口的打开或关闭。并调度用户策略的运行。同时，主控窗口又是组态工程结构的主框架，可在主控窗口内建立菜单系统，创建各种菜单命令，展现工程的总体概貌和外观，设置系统运行流程及特征参数，方便用户的操作。在MCGS单机版中，一个应用系统只允许有一个主控窗口，主控窗口是作为一个独立的对象存在的，其强大的功能和复杂的操作都被封装在对象的内部，组态时只需对主控窗口的属性进行正确地设置即可。主要的组态操作包括：定义工程的名称，编制工程菜单，设计封面图形，确定自动启动的窗口，设定动画刷新周期，指定数据库存盘文件名称及存盘时间等。图4 主控窗口2.2 设备窗口设计设备窗口是MCGS系统的重要组成部分，在设备窗口中建立系统与外部硬件设备的连接关系，使系统能够从外部设备读取数据并控制外部设备的工作状态，实现对工业过程的实时监控。在MCGS中，实现设备驱动的基本方法是：在设备窗口内配置不同类型的设备构件，并根据外部设备的类型和特征，设置相关的属性，将设备的操作方法如硬件参数配置、数据转换、设备调试等都封装在构件之中，以对象的形式与外部设备建立数据的传输通道连接。系统运行过程中，设备构件由设备窗口统一调度管理，通过通道连接，向实时数据库提供从外部设备采集到的数据，从实时数据库查询控制参数，发送给系统其它部分，进行控制运算和流程调度，实现对设备工作状态的实时检测和过程的自动控制。MCGS的这种结构形式使其成为一个“与设备无关”的系统，对于不同的硬件设备，只需定制相应的设备构件，放置到设备窗口中，并设置相关的属性，系统就可对这一设备进行操作，而不需要对整个系统结构作任何改动。MCGS设备中一般都包含有一个或多个用来读取或者输出数据的物理通道，MCGS把这样的物理通道称为设备通道，如：模拟量输入装置的输入通道、模拟量输出装置的输出通道、开关量输入输出装置的输入输出通道等等，这些都是设备通道。设备通道只是数据交换用的通路，而数据输入到哪儿和从哪儿读取数据以供输出，即进行数据交换的对象，则必须由用户指定和配置。图5 设备窗口2.3 用户窗口设计用户窗口主要用于设置工程中人机交互的界面， 在用户窗口下通过MCGS组态的各种功能，可以实现以下子窗口的设计：单回路双容水箱液位控制窗口 通过动画组态和属性设置完成人机对话主界面，实现模拟工程界面数据显示参数设置报警显示通讯状态显示工程曲线显示控制按钮等功能。 图6 用户窗口图7 主面板图8 数据窗口图9 历史曲线图10 实时曲线图11 报警信息2.4 实时数据库设计 实时数据库是工程各个部分的数据交换与处理中心，它将MCGS工程的各个部分连接成有机的整体。在本窗口内定义不同类型和名称的变量，作为数据采集、处理、输出控制、动画连接及设备驱动的对象。实时数据库是MCGS的核心，各部分之间的数据交换均须通过实时数据库,所有的设备通道都必须与实时数据库连接。在MCGS中，数据不同于传统意义的数据或变量，以数据对象的形式来进行操作与处理。数据对象它不仅包含了数据变量的数值特征，还将与数据相关的其它属性（如数据的状态、报警限值等）以及对数据的操作方法（如存盘处理、报警处理等）封装在一起，作为一个整体，以对象的形式提供服务，这种把数值、属性和方法定义成一体的数据称为数据对象。在MCGS中，用数据对象来描述系统中的实时数据，用对象变量代替传统意义上的值变量，把数据库技术管理的所有数据对象的集合为实时数据库。开关型数据对象记录开关信号（0或非0），与外部设备的数字量输入输出通道连接，用来表示某一设备当前所处的状态。数值型数据对象存放数值及参与数值运算，提供报警信息，并能够与外部设备的模拟量输入输出通道相连接。数值型数据对象的数值范围是：负数是从 -3.402823E38 到 -1.401298E-45，正数是从 1.401298E-45 到 3.402823E38。数据组对象是MCGS引入的一种特殊类型的数据对象，类似于一般编程语言中的数组和结构体，用于把相关的多个数据对象集合在一起，作为一个整体来定义和处理。单回路双容水箱系统实时数据库：图12 实时数据库2.5运行策略设计图13 运行策略2.6脚本程序设计对象模型（1）首先是水泵的启动，同时将水泵电压信号转化成入睡流量（即PID调节器的输出值）IF 水泵启动信号=1 THEN入水流量0=入水流量入水流量=(采样周期*水泵电压信号*0.1*0.001+5*入水流量0)/(采样周期+5)ENDIFIF 水泵启动信号=0 THEN入水流量=0ENDIF（2）这是从水泵电压水箱1水位高度中间流量水箱2水位高度除水流量的数学模型水箱高度1=水箱高度1+(入水流量-中间流量)*60*采样周期中间流量=(!sqr(2*9.8*水箱高度1)*中间阀开度/10)/10000)-(!sqr(2*9.8*水箱高度2)*中间阀开度/10)/10000)干扰流量=0.004*干扰阀开度/100水箱高度2=水箱高度2+(中间流量+干扰流量-出水流量)*60*采样周期出水流量=(!sqr(2*9.8*水箱高度2)*出水阀开度/10)/10000)PID程序PID算法（循环策略，循环条件:自动状态下，循环时间:应设为采样周期）偏差2=偏差1 上上次偏差偏差1=偏差 上次偏差偏差=水位设定值-水箱高度2 本次偏差比例=比例系数*(偏差-偏差1) 计算比例作用积分=比例系数*采样周期*偏差/积分时间 计算积分作用微分=比例系数*微分时间*(偏差-2*偏差1+偏差2)/采样周期 计算微分作用增量=比例+积分+微分 计算增量输出调节器输出=前次调节器输出+增量 计算位置输出if 调节器输出=调节器输出上限值 then 调节器输出=调节器输出上限值 超出调节器输出上限，调节器输出调节器输出上限if 调节器输出=调节器输出下限值 then 调节器输出=调节器输出下限值 超出调节器输出下限，调节器输出调节器输出下限前次调节器输出=调节器输出 为下循环准备仿 真3.1 运行结果分析 图14 运行结果3.2 组态设计和调试中遇到的问题、解决方法和结果3.2.1 遇到的问题 在组态设计和调试过程中，多次发现入水流量始终为0。3.2.2 解决方法和结果 经过研究发现由于水泵电压没有变化一直为0导致没有入水流量。经过多日的检查，发现是由于对象模型有错误而且由于标度变化不正确，导致入水流量不能使水位变化总 结本学期我们在老师的教导下学习了组态软件技术及应用这门课程，通过这门课程的学习，我们不仅学会了mcgs软件的熟练应用，同时通过平时的练习、作业、实验及最后的课设，我们的实践能力，设计能力得到了相当的提高。本次课设，我所设计的系统是颜料配置系统，该系统最大的特点就在于其在自动配料系统的基础上进行了突破和创新，同时，我紧密联系实际，查阅了各种资料，使得系统更加人性化，个人感觉它在化工、生物等众多领域可以得到应用和拓展。在课设中我是这样安排的：（1） 首先查阅相关资料，为选题和设计思路做铺垫；（2） 确定选题后，着手设计工程；（3） 遇到问题首先自己独立解决，不断锻炼独自思考问题、解决问题的能力，通过这种方法，我不但解决了问题，同时也对所学知识理解的更加到位；（4） 不断调试，联系实际对系统进行修正；（5） 多次运行系统，保证系统运行正常；（6） 撰写课设报告，再次核查系统的各项功能等等。 在课设中我遇到的主要问题是：入水流量始终为0。经过研究发现由于水泵电压没有变化一直为0导致没有入水流量本次课设我将近做了一周，包括开始的查阅资料、确定选题，到开始制作、不断调试，以及最后的报告撰写。在这过程中我遇到问题，思考解决问题的办法，通过不懈的努力，我逐步突破所有的问题。虽然说整个过程很苦很累，但当我最后看到自己的成果时只感到很欣慰。在未来的学习中我还应该多加努力，感谢牛老师和研究生学长的细心教导!参 考 文 献1 马栋萍等编著组态软件设计及应用电子工业出版社.2012年8月2 本课程授课课件3 本课程课堂示范例程4 龚运新，方立友编著工业组态软件实用技术清华大学出版社.2010年6月5 北京昆仑通态自动化软件科技有限公司MCGS培训教程.2009年10月1 Ma Dongping, eds. Configuration Software Design and Application. Electronic Industry Press.2012.82 This course is taught courseware3 This course is classroom demonstration routines4 GONG Yun new Fangli You edited. Industrial configuration software utility technology. Tsinghua University Press.2010.6 5 Beijing Kunlun-state Automation Software Technology Limited. MCGS Training Course. 2009.10