水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計

1、過程控制實驗設(shè)計報告東南大學(xué)自動化學(xué)院過程控制實驗設(shè)計報告姓 名： 學(xué) 號： 專 業(yè)： 實 驗 室： 組 員： 評定成績： 審閱教師： 一 過程控制系統(tǒng)概論1. 系統(tǒng)設(shè)備組成1. 系統(tǒng)水路圖系統(tǒng)水路圖包括兩個部分，一部分液位控制水路，一部分是溫度控制水路圖。液位控制水路主要包括以下部分：變頻器水泵水箱電動閥兩個電動調(diào)節(jié)閥流量變送器液位變送器手動閥門若干管道若干具體圖如下：溫度控制水路，主要包括以下部分：加熱器加熱水箱儲水水箱加壓泵溫度變送器管道若干手動閥門若干具體溫度控制水路圖如下：2. 實驗平臺面板圖實驗平臺包括了P909智能控制器、接線插頭以及計算機(jī)等設(shè)備。P909面板圖如下：3. 系統(tǒng)電

2、氣連接圖2. 系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)1. 整體參數(shù)-加熱器控制器功率：1500W 電源：220V（單相輸入）2. 交流變頻器功率：1500W電源：220V（單相輸入） 380V（三相輸入）3. 水泵STAINLESS STELL CENTRIFUGAL PUMPQ：40-180 L/minH：25-7mH max：25mQ max：180 L/min3-Mot：380V 50Hzrpm： 2850Kw：1.1HP：1.5，In 2.8A，VL 450V，ICL B，IP 44.4. 智能電動調(diào)節(jié)閥型號：ZDYP-16P，口徑：2.5mm壓力：1.6Mpa，電源：220V輸入信號：4-20mA，反饋信號：

3、4-20,mA閥門控制精度：0.1%-3%可調(diào)日期：2006年4月 T:58447575上海大禹泵閥制造有限公司5. 電磁閥220V AC，ED 100%，IP 00/656. 流量計C型渦輪流量計直徑：10mm，滿度流量：1.2壓力：16Mpa，輸出精度：1.0編號：06022，防護(hù)等級：IP5天津儀表集團(tuán)有限公司7. 全自動微型家用增壓泵型號：15WZ-10單相電容運(yùn)轉(zhuǎn)馬達(dá)最高揚(yáng)程：10m，最大流量：20L/min極數(shù)：2，轉(zhuǎn)速：2800rPm電壓：220V，電流：0.36A頻率：50Hz，電容：3.5uF功率：80W，絕緣等級：F上海大磊泵業(yè)有限公司二 對系統(tǒng)對象的認(rèn)識1. 獲取對象的數(shù)

4、學(xué)模型為了能夠?qū)ο蠛芎玫乜刂疲覀儽仨毐M大可能獲得系統(tǒng)的準(zhǔn)確模型。對于液位控制系統(tǒng)，主要的控制對象是液位，執(zhí)行機(jī)構(gòu)是電動調(diào)節(jié)閥，所以，我們需要獲取電動調(diào)節(jié)閥作為輸入，與系統(tǒng)的輸出液位之間的系統(tǒng)模型。獲取模型的方式有多種多樣，主要是：1. 頻率特性法。通過輸入輸出信號之間的頻率響應(yīng)關(guān)系，得到系統(tǒng)的頻率特性函數(shù)函數(shù)。這種方式主要適合時間常數(shù)比較小的系統(tǒng)。2. 飛升曲線。通過階躍輸入觀察系統(tǒng)的階躍輸出響應(yīng)，通過階躍響應(yīng)曲線，可以假設(shè)系統(tǒng)的模型類別，然后根據(jù)系統(tǒng)的飛升曲線，得到模型中的各項參數(shù)，獲得系統(tǒng)模型。我們在實際實驗中，就是通過飛升曲線方法，來獲得系統(tǒng)的模型。飛升曲線的制作方法飛升曲線的制作方

5、法比較簡單。飛升曲線實際上就是兩個穩(wěn)態(tài)以及它們的過渡過程。首先，我們給定一個電動調(diào)節(jié)閥的開度，控制系統(tǒng)各個手動閥到合適的位置，等待液位穩(wěn)定。液位穩(wěn)定之后，我們給定電動調(diào)節(jié)閥另外一個開度，液位開始變化。在一段時間之后，液位會達(dá)到新的平衡狀態(tài)。這之間的過渡過程，將液位隨著時間的變化曲線，就是飛升曲線。我們獲得到飛升曲線如下：飛升曲線分析根據(jù)飛升曲線，開度是由10%-20%變化，液位變化為175mm到520mm，從第一個穩(wěn)態(tài)過渡到第二個穩(wěn)態(tài)需要的時間大致為14分鐘。我們假定系統(tǒng)是一個一階慣性環(huán)節(jié)，那么，飛升曲線就相當(dāng)于系統(tǒng)的階躍響應(yīng)，通過飛升曲線，我們可以獲得系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)增益、時間常數(shù)等參數(shù)，通過這些

6、參數(shù)，我們就可以對系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型，通過分析和計算，就能夠設(shè)計出最佳的PID控制器來控制液位系統(tǒng)。2. 力控教學(xué)實驗平臺的使用1. 力控教學(xué)實驗平臺的安裝6.1版本1. 硬件要求CPU:奔騰 500 以上 內(nèi)存：最少 64M 顯示器：VGA、SVGA 以及支持桌面操作系統(tǒng)的圖形適配器，顯示256 色以上。 鼠標(biāo)：PC 兼容鼠標(biāo) 通訊：RS-232 并行口：力控的加密鎖說明：目前市面上流行的機(jī)型完全滿足力控的運(yùn)行要求。2. 軟件要求運(yùn)行的操作系統(tǒng)：WINDOWS2000/WINNT4.0(補(bǔ)丁6)/WINXP3. 硬件加密鎖力控組態(tài)軟件在長時間運(yùn)行時，需要一個硬件加密鎖，加密鎖包括：并口硬件加密

7、鎖和USB口硬件加密鎖。并口硬件加密力控支持Windows 操作系統(tǒng)上的并口硬件加密鎖的安裝，安裝并口硬件加密鎖步驟：在安裝加密鎖前應(yīng)關(guān)閉計算機(jī)電源和外圍設(shè)備拔掉計算機(jī)并口上的所有聯(lián)接。加密鎖安全地插入并口并擰緊螺絲。如果有其它設(shè)備與并口連接，請將其接到加密鎖的背后。USB 硬件口加密鎖力控支持Windows 操作系統(tǒng)下USB 口硬件加密鎖，注：Windows98 需要首先安裝USB 口的驅(qū)動。說明：當(dāng)沒有加密鎖時，力控組態(tài)軟件也可以開發(fā)和運(yùn)行，但有如下限制：數(shù)據(jù)庫支持32 點內(nèi)置編程語言運(yùn)行系統(tǒng)在線運(yùn)行時間是2 小時支持選擇的通訊驅(qū)動程序3. P909的使用方法1. 手動設(shè)置輸出值2. 手動

8、模式和自動模式的切換按下A/M鍵，即可實現(xiàn)手自動切換，手自動切換的圖標(biāo)將會變換，如圖：手動情況：自動情況：3. 報警值設(shè)置通過在第一層切換SET，就可以切換到報警值設(shè)置，如圖：4. PID參數(shù)值設(shè)置PID參數(shù)的設(shè)置，都在第二層上。進(jìn)入第二層的方法：按住“SET”鍵5秒即可進(jìn)入第二層。在第二層，通過按“SET”鍵切換選項，PID參數(shù)分別對應(yīng)P1、I1、D1，如圖： 以上就是P909的一些基本的設(shè)置方法。三 對執(zhí)行結(jié)構(gòu)的了解1. 對電動調(diào)節(jié)閥的認(rèn)識電動調(diào)節(jié)閥的參數(shù)：型號：ZDYP-16P，口徑：2.5mm壓力：1.6Mpa，電源：220V輸入信號：4-20mA，反饋信號：4-20,mA閥門控制精度

9、：0.1%-3%可調(diào)通過電動調(diào)節(jié)閥的參數(shù)，我們可以了解到，電動調(diào)節(jié)閥是220V交流供電的設(shè)備，而它的閥門開度控制信號是標(biāo)準(zhǔn)的4-20mA電流信號；除此，電動調(diào)節(jié)閥還能夠?qū)⑵溟y門開度采樣，通過變送器轉(zhuǎn)換成4-20mA信號，這樣，我們就能夠獲得閥門實際的開度，并通過一定的控制手段，精確地控制閥門的開度，以滿足流量等的控制要求。2. 電動調(diào)節(jié)閥對設(shè)定的響應(yīng)簡述電動調(diào)節(jié)閥作為一個電氣裝置，能夠?qū)υO(shè)定信號進(jìn)行響應(yīng)。但作為電氣裝置，它有系統(tǒng)的一些不可避免的缺陷，比如，電動調(diào)節(jié)閥對階躍信號的響應(yīng)不可能完全跟蹤，需要一個慣性響應(yīng)的過程。電動調(diào)節(jié)閥的時間常數(shù)相對于液位系統(tǒng)的時間常數(shù)，可以認(rèn)為是非常小的，它的時間

10、常數(shù)在秒級以上但不超過分鐘級別，而液位系統(tǒng)的時間常數(shù)一般都超過分鐘級別。所以，在一定的場合下，對液位控制要求不是非常高的情況，我們可以忽略電動調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)時間，將電動調(diào)節(jié)閥當(dāng)做傳遞函數(shù)是比例k的設(shè)備即可。在對液位控制要求精度比較高時，我們就需要將電動調(diào)節(jié)閥的傳遞函數(shù)考慮在內(nèi)，做成串級控制系統(tǒng)等等控制系統(tǒng)，來達(dá)到更高的要求。電動調(diào)節(jié)閥的控制器P909的PV校正我們需要獲得電動調(diào)節(jié)閥的模型，仿照液位系統(tǒng)，我們對電動調(diào)節(jié)閥施加階躍信號，觀察其階躍響應(yīng)曲線，來得到其一些參數(shù)。首先，我們選擇一個P909作為電動調(diào)節(jié)閥的控制儀表，因此，我們需要對P909的采樣數(shù)據(jù)的范圍設(shè)置進(jìn)行調(diào)整，即對PV值進(jìn)行高點、低

11、點校正。具體步驟如下：進(jìn)入P909的第三層：按住“SET”鍵5秒內(nèi)同時按一下“”鍵找到ANL1：進(jìn)入ANL1的設(shè)定，此時將電動調(diào)節(jié)閥給4mA信號關(guān)閉，將其開度信號送入該P(yáng)909的PV端，調(diào)節(jié)SV處的值，使得ANL1的值顯示為0，按下“SET”鍵完成設(shè)置。 找到ANH1：進(jìn)入ANH1的設(shè)定，此時將電動調(diào)節(jié)閥給20mA信號完全打開，將其開度信號送入該P(yáng)909的PV端，調(diào)節(jié)SV處的值，使得ANH1的值顯示為100，按下“SET”鍵完成設(shè)置。 通過以上的設(shè)置，我們就完成了P909的PV校正，閥門開度信號被校正為0-100的數(shù)值范圍。我們使用力控軟件進(jìn)行實時曲線采集，用于分析電動調(diào)節(jié)閥的特性，方法與采集

12、系統(tǒng)的飛升曲線相同。電動調(diào)節(jié)閥的階躍響應(yīng)圖中我們使用了原來液位對應(yīng)的P909，所以，低點對應(yīng)0，高點對應(yīng)600，我們將其縮小6倍即可。該階躍響應(yīng)是電動調(diào)節(jié)閥從90%開度調(diào)整到10%開度，大致用了1.25min，75秒左右。我們使用的是百分比控制電動調(diào)節(jié)閥，而電動調(diào)節(jié)閥開度也是百分比范圍，所以增益為1。由于電動調(diào)節(jié)閥是電信號驅(qū)動，并不可以認(rèn)為是單純的慣性環(huán)節(jié)。電動調(diào)節(jié)閥的響應(yīng)時間不僅和其本身有關(guān)，也和開度變化之差有關(guān)。四 過程控制實驗教學(xué)平臺開發(fā)（1） 建立新工程N(yùn)ew App1（2） 定義I/O設(shè)備IO設(shè)備的通訊一般包括：DDE、OPC、PLC、UPS、變頻器、智能儀表、智能模塊、板卡等，這些

13、設(shè)備一般通過串口和以太網(wǎng)等方式與上位機(jī)交換數(shù)據(jù)，只有在定義了IO設(shè)備后，力控才能通過數(shù)據(jù)庫變量和這些IO設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。（3） 創(chuàng)建實時數(shù)據(jù)庫（4） 創(chuàng)建組態(tài)界面A 示例窗口B 趨勢曲線窗口C 歷史窗口D 儀表窗口E 數(shù)據(jù)報表窗口（5） 腳本動作（6） 運(yùn)行利用USB轉(zhuǎn)485轉(zhuǎn)換器與HGK-1型過程控制實驗?zāi)K（P909高精度微電腦控制器）相連，HGK-1型過程控制實驗?zāi)K（P909高精度微電腦控制器）與液位系統(tǒng)相連。進(jìn)行液位控制。五 實驗結(jié)果實驗結(jié)果響應(yīng)曲線如下：由圖可知調(diào)節(jié)時間較為合理，超調(diào)也在可以接受的范圍內(nèi)，PID參數(shù)較為理想。六 心得體會作為與過程控制課程配套進(jìn)行，此次實驗的課題是

14、水箱液位、鍋爐溫度控制綜合系統(tǒng)。我們小組主要以控制器與計算機(jī)串口通信，PID參數(shù)整定，水箱液位控制（包括力控組態(tài)軟件設(shè)計模擬仿真實驗以及實物操作控制實驗）作為實驗重點，而由于時間等各種因素及個人原因，對鍋爐溫度控制并沒有投入太多精力。這可以作為我們有興趣在后期有時間繼續(xù)研究的項目。盡管如此，在不長的實驗時間和僅對單項目控制，在本次實驗中，我們依然以一絲不茍、嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真、積極探索的態(tài)度，不僅了解了水箱液位控制（作為過程控制一個典型，其余還有鍋爐溫度控制、管道流量控制、容器壓力控制等）的基本原理，掌握了基本設(shè)計控制方法，而且對PID控制有了進(jìn)一步深入的認(rèn)識，P909控制器作了前所未有的理解，p909是一個多功能、多用途的控制器，可以同時控制液位，