毕业论文-双容水箱液位控制系统设计.docx

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1、温州职业技术学院毕业综合实践课题名称：双容水箱液位限制系统设计作者：学号：系别：电气电子工程系专业：电气自动化指导老师：专业技术职务2016年3月浙江温州课题摘要在工业生产中，液位限制通常具有滞后性、大惯性和时变性等特点，所以实现液位限制的快速性和稳定性，对于提高产品质量和生产效率有很重要的现实意义。本课题针对液位限制系统的特点与实现快速、稳定的液位限制在现实工业生产中的意义，设计了一个双容水箱液位限制系统。其中运用到传感器、采集卡检测液位，并采纳了PLC的AD/DA转换模块将数字量转换成模拟量输出。本系统PID参数在整定的设置和范围，使最终系统无稳态误差，无超量调整，各项指标均满足设计要求。

2、本系统实现简洁，硬件要求不高，且能对液位进行实时显示，具有限制过程的特殊性，本设计提出了一种基于PlD算法来实现双容水箱液位限制系统，主要是为了达到生产过程中对液位限制速度快，稳定性高等特点。关键词PlD限制传感器AD/DA转换1 绪论-4-1.1 课题的提出-4-1.2 国内外探讨现状-5-1.2.1 国外探讨现状-5-1.2.2 国内探讨现状-6-1.3 过程限制的发展过程-7-1.3.1 过程限制的发展-8-1.3.2过程限制策略与算法的进展-9-1.3.3传统过程限制存在的问题-10-1.4PID限制的发呈现状与意义-10-2水箱的数学建模-11-2.1 数学模型的介绍-11-2.2

3、数学模型的建立-12-2.2.1机理法-12-2.2.2试验法-13-2.3本文中水箱液位数学模型的建立-14-2. 3.1系统介绍-14-3. 3.2建立步骤-15-4. 3.3试验数据-16-3硬件设计-17-4.1 变频器-17-5. 1.1主回路-18-6. 1.2限制回路-20-7. 1.3变频器的选择-21-8. 1.4变频器的作用-22-3. 2压力传感器-22-3. 2.1工作原理-22-3.3电动调整阀-23-3. 3.1工作原理-23-4PID限制-23-4. 1比例（P）限制与调整过程-24-4.2 积分（I）限制与调整过程-24-4.3 微分（D）限制与调整过程-25-

4、5MCGS组态软件-27-5. 1MCGS简介-27-5. 2MCGS的构成-28-5. 2.1MCGS组态软件的系统构成-28-6. 2.2MCGS组态软件界面简介-29-5.3MCGS组态软件的功能和特点-30-5.4MCGS组态软件的工作方式-32-5.5画面的制作和编辑-33-5.5.1主页面-33-5.5.2模拟水流淌-34-5.5.3各个控件的制作-36-5.5.4水箱中液位变更的动画效果制作-37-结论-38-致谢-39-参考文献-39-1.1 课题的提出随着工业生产的飞速发展，人们对限制系统的限制精度、响应速度、系统稳定性与适应实力的要求越来越高。而实际工业生产过程中的被控对象

5、往往具有非线性、时线性、时延对象的先进限制策略，提高系统的限制水平，具有重要的实际意义。每一个先进、好用的限制算法的出现都对工业生产具有巨大的推动作用。然而，当前的学术探讨成果与实际生产应用技术水平并不是同步的，甚至相差几十年。在我国，越是高深的、先进的限制理论，其探讨越是局限于少数科研院所的狭小范围内，也越是远离了国民生产这个应用基地。最近几年，国内一些限制领域已接近甚或超越了国际水平，然而，就先进理论应用于工业生产等领域的状况来讲，与发达国家相比却存在较大差距。其缘由当然是多方面的。但是，一个很明显的缘由就是在于理论探讨尚缺乏实际背景的支持,理论的算法一旦应用于现场就会遇到各种各样的实际问

6、题，制约了其应用前景。在目前尚不具有在试验室中复现真实工业过程条件的今日，开发经济好用的具有典型对象特性的试验装置无疑是一条探究将理论成果转化为应用技术的捷径。本文所提与的水箱液位限制系统是我们在参考国内外试验装置并充分考虑性能价格比的基础上，自行设计的一种可以模拟多种对象特性的试验装置。该装置是进行限制理论与限制工程教学、试验和探讨的志向平台，可以便利的构成多阶系统。对象，用户既可通过经典的PlD限制器设计与调试，完成经典限制教学试验，也可通过模糊逻辑限制器的设计与调试，进行智能限制教学试验与探讨。水箱是较为典型的非线性、时延对象，工业上很多被控对象的整体或局部都可以抽象成水箱的数学模型，具

7、有很强的代表性，有较强的工业背景，对水箱数学模型的建立是特别有意义的。同时，水箱的数学建模以与限制策略的探讨对工业生产中液位限制系统的探讨有指导意义，例如工业锅炉、结晶器液位限制。而且，水箱的限制可以作为探讨更为困难的非线性系统的基础，又具有较强的理论性，属于应用基础探讨。同时，它具有较强的综合性,涉与限制原理、智能限制、流体力学等多个学科。1.2 国内外探讨现状随着人们生活质量的提高和环境的变更，“水”已经成为人们关注的对象！不管是生活用水，是工业用水，这都牵扯水的过程限制问题。将PID算法运用到水位限制系统中，不仅可以解决水塔的自动化给水问而且还可以合理、平安、节约的运用水资源，近而使居民

8、安家立业，使我国工业自动化不断的向前发展！1.2.1 国外探讨现状德国Amira自动化公司研制的水箱系统是闻名的智能试验设备之一，在国外很多高校和试验室都已得到了广泛的应用，国内也有包括清华高校、浙江高校、吉林高校等高校引进了Amira公司研制的水箱过程限制试验装置。但是，由于德国Amira自动化公司研制的水箱系统价格太高，给购置这个试验设备带来很多困难。也正是受其高价格的限制，目前，国内只是少数高校的部分试验室引进了这个设备,给基于水箱系统的算法探讨和仿真带来了困难。液位限制系统一般指工业生产过程中自动限制系统的被控变量为液位的系统。在生产过程中，对液位的相关参数进行限制，使其保持为肯定值或

9、按肯定规律变更，以保证质量和生产平安，使生产自动进行下去。液位过程参数的变更不但受到过程内部条件的影响，也受外界条件的影响，而且影响生产过程的参数一般不止一个，在过程中的作用也不同，这就增加了对过程参数进行限制的困难性，或者限制起来相当困难，因此形成了过程限制的下列特点：(1)对象存在滞后热工生产大多是在浩大的生产设备内进行，对象的储存实力大，惯性也较大，设备内介质的流淌或热量传递都存在肯定的阻力，并且往往具有自动转向平衡的趋势。因此，当流入(流出)对象的质量或能量发生变更时，由于存在容量、惯性、阻力，被控参数不行能马上产生响应，这种现象叫做滞后。(2)对象特性的非线性对象特性大多是随负荷变更

10、而变更，当负荷变更时，动态特性有明显的不同。大多数生产过程都具有非线性，弄清非线性产生的缘由与非线性的实质是极为重要的。(3)限制系统较困难从生产平安方面考虑，生产设备的设计制造都力求生产过程进行平稳,参数变更不超出极限范围，也不会产生振荡，作为被控对象就具有非振荡环节的特性。过程的稳定被破坏后，往往具有自动趋向平衡的实力，即被控量发生变更时,对象本身能使被控量渐渐稳定下来,这就具有惯性环节的特性。也有不能趋向平衡，被控量始终变更而不能稳定下来的，这就是具有积分的对象。任何生产过程被限制的参数都不是一个，这些参数又各具有不同的特性，因此要针对这些不同的特性设计相应不同的限制系统。1.2.2 国

11、内探讨现状国内也有一些厂家研制了水箱液位系统。GWT系列水箱液位限制试验装置由固高科技有限公司协同香港城市高校联合研制开发而成，并经过香港城市高校双年的实践检验，充分证明白其教学、试验和探讨价值。用户既可通过经典的PlD限制器设计与调试，完成经典限制教学试验，也可通过模糊逻辑限制器的设计与调试，进行智能限制教学试验与探讨。各种限制器的限制效果既通过水位的变更直观地反映出来，同时通过液位传感器对水位的精确检测，便利地获得瞬态响应指标，精确评估限制性能。开放的限制器平台，便于用户进行自己的限制器设计，满足创新探讨的须要。THJS-I型水箱对象系统试验装置由浙江天煌科技实业有限公司研制开发,它的出现

12、为各大专院校，科研院所从事自动限制理论学习、探讨与限制模型和算法探究的老师，科研人员与高年级本科生和探讨生供应了一个具体的限制对象。液位限制系统在国内各行各业的应用已经特别广泛,但从国内生产的液位限制器来讲，同国外的日本、美国、德国等先进国家相比，仍旧有差距。目前，我国液位限制主要以常规的PID限制器为主，它只能适应一般系统限制，难于限制滞后、困难、时变温度系统限制。而适应于较高限制场合的智能化、自适应限制仪表，国内技术还不特别成熟，形成商品化并广泛应用的限制仪表较少。由于工业过程限制的须要，特殊是在微电子技术和计算机技术的迅猛发展以与自动限制理论和设计方法发展的推动下，国外液位限制系统发展快

13、速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果，在这方面，以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的液位限制器与仪器仪表，并在各行业广泛应用。1.3 过程限制的发展过程过程限制是工业自动化的重要分支。几十年来，工业过程限制取得了惊人的发展，无论是在大规模的结构困难的工业生产过程中，还是在传统工业过程改造中，过程限制技术对于提高产品质量以与节约能源等均起着特别重要的作用。在现代工业限制中，过程限制技术是一历史较为久远的分支。在本世纪30年头就已有应用。过程限制技术发展至今日，在限制方式上经验了从人工限制到自动限制两个发展时期。在自动限制时期内，过程限制系统又经验了

14、三个发展阶段，它们是：分散限制阶段，集中限制阶段和集散限制阶段。从过程限制采纳的理论与技术手段来看，可以粗略地把它划为三个阶段：起先到70年头为第一阶段，70年头至90年头初为其次阶段，90年头初为第三阶段起先。其中70年头既是古典限制应用发展的鼎盛时期，又是现代限制应用发展的初期，90年头初既是现代限制应用发展的旺盛时期,又是高级限制发展的初期。第一阶段是初级阶段，包括人工限制，以古典限制理论为主要基础，采纳常规气动、液动和电动仪表，对生产过程中的温度、流量、压力和液位进行限制，在诸多限制系统中，以单回路结构、PID策略为主，同时针对不同的对象与要求，创建了一些特地的限制系统，如：使物料按比

15、例配制的比值限制，克服大滞后的Smith预估器，克服干扰的前馈限制和串级限制等等，这阶段的主要任务是稳定系统，实现定值限制。这与当时生产水平是相适应的。其次阶段是发展阶段，以现代限制理论为主要基础，以微型计算机和高档仪表为工具，对较困难的工业过程进行限制。这阶段的建模理论、在线辨识和实时限制已突破前期的形式,继而涌现了大量的先进限制系统和高级限制策略，如克服对象特性时变和环境干扰等不确定影响的自适应限制，消退因模型失配而产生不良影响的预料限制等。这阶段的主要任务是克服干扰和模型变更，满足困难的工艺要求，提高限制质量。1975年，世界上第一台分散限制系统在美国Honeywell公司问世，从而揭开了过程限制崭新的一页。分散限制系统也叫集散限制系统，它综合了计算机技术、限制技术、通信技术和显示技术，采纳多层分级的结构形式,按总体分散、管理集中的原则，完成对工业过程的操作、监视、限制。由于采纳了分散的结构和冗余等技术，使系统的牢靠性极高，再加上硬件方面的开放式框架和软件方面的模块化形式，使得它组态、扩展极为便利，还有众多的限制算法（几十至上百种）、较好的人一机界面和故障检测报告功能。经过20多年的发展，它已日臻完善，在众多的限制系统中，显示出出类拔萃的