基于组态软件的双容水箱液位控制系统设计_毕业设计报告(编辑修改稿)

基于组态软件的双容水箱液位控制系统设计_毕业设计报告(编辑修改稿)内容摘要：

制系统硬件部分 控制系统的组成 双容水箱控制系统 由双容水箱、传感器、变送器、调节器、执行器、计算机等组成 ]10[ ，主要构件包括： （ 1） PLC：运用 PLC 中的 PID 模块作为系统中的主、副控制器，并通过 PLC的通信接口实现与上位机的通信，实现实时监控。 （ 2） 计算机 （ 3） 双容水箱：被控对象。 （ 4）电动调节阀：接受来自 PLC 的控制信号，调节上水箱的进水量。 （ 5）压力传感器、液位变送器：压力传感器位于水箱中的底部，把水的压力转换为电流或电压信号；电流、压信号经液位变送器标准化处理之后送入 PLC。 （ 6）通信电缆：使用 PC/PPI 电缆连接 PLC 与上位机。 （ 7） 水泵：为水箱供水。 图 21 控制系统硬件结构图 工作原理：上、下水箱压力传感 器测量到水箱液位信号送入 EM235 模块经过 A/D转换后供 PLC 读取， PLC 读取下水箱液位后与主回路的设定值比较得出偏差， 然后进行 PID 运算 ； 主 调节器的 输出 值 作为副 调节器 的给定，并将其与上水箱的水位数据比较的到偏差后再 进行运算 ， 获得 420 mA 的电流输出信号 ， 电动调节阀接收到该信号后改变阀门开度，从而调节上水箱的流入量最终达到控制下水箱液位的目的。 西南科技大学本科生毕业论文 8 PLC 与上位机之间通过 RS485— RS232 串口实现通信，通过 MCGS 监控软件实现过程监控。 器件型号 （ 1） 控制器 该系统的控制装置选用的的是西门 子的 S7200PLC，因为系统只需要两个控制器， S7— 200PLC（ 8 个 PID 模块）在内存、扫描通信等方面都能满足控制的要求。 S7200PLC 硬件系统采用整体式加积木式，由于 主机 CPU224 部分没有模拟量输入、输出接口，故使用了模拟量输入输出模块 EM235 与 水箱进行数据交换，该模块有 4个模拟量输入接口与 1 个模拟量输出接口 ]11[。 （ 2）执行机构 该系统的执行器使用的是 QS 智能型电动调节阀，其型号为： QSTP16K，所需的控制信号为 4～ 20mA 的电信号。 （ 3） 检测装置 压力变送器将水箱之中的压力信号转换为 4～ 20mA 的电流信号，电流信号再经过 接入阻值 50 的电阻值后转换成 1～ 5V的电压信号送入 PLC 的 EM235 模块。 该系统中的变送器的型号为： KYB18G01MIPXC2，该变送器测量的范围为 0～ 10KPa， 电源为 24V DC（由 PLC 主机提供）。 西南科技大学本科生毕业论文 9 第 3 章 被控对象建模 单容过程建模 单容水箱建模是指只有一个储蓄容量 过程的建模。 单容过程分为自衡过程和非自衡过程，自衡过程是指在系统达到平衡之后，其输入量发生变化，原平衡状态被打破，在无任何外界因素的干预下，系统能通过 自 身的调整达到新的平衡状态；非自衡过程则不能通过自身的调整达到新的平衡状态 ]12[。 图 31 所示的是一个有自衡能力的单容过程，该过程的输入量为 1q ，输出量为 2q ，改变阀门 1 的开度便能改变 1q。 2q 的大小 则是取决于阀门 2 的开度以及水箱液位 h ，液位 h 越高，水箱底部的压力越大， 2q 就越大。 当阀门 2 的开度固定时，水箱液位 h的变化反映了 由于 1q 和 2q 不等而引起水箱蓄水或排水的过程。 图 31 单容过程 假设 h 为被控过程的输 出量，则该过程的数学模型就是 h 与 1q 之间的数学表达式。 根据动态物料平衡关系，其微分方程： dtdhAqq 21 （ 311） 其增量式为： dt hdCdt hdAqq 21 （ 312） 式中 1q 、 2q 、 h 分别表示偏移原平衡状态的 1q 、 2q 、 h 的增量； A=C 表示水箱截面积。 西南科技大学本科生毕业论文 10 2q 与 h 的关系经过线性化处理之后，在工作区域内， 2q 与 h 成比列关系，而与阀门 2 的阻力 2R 成反比，即： 22 Rhq  （ 313） 将式（ 212）、式（ 213）经过拉氏变换后得： 2221)()()()()(RsHsQSsHAsQsQ （ 314） 由式（ 214）可得单容过程的传递函数为： 11)( )()( 2 210  Ts KCsR RsQ sHsW （ 315） 式中 T 为单容水箱的时间常数， CRT 2 ； K 为放大系数， 2RK ； C为水箱的容量系数。 当水箱受到阶跃扰动时，设扰动为 sx0 ，代入式（ 215）得： )111(1)( 00 TssKxsxTs KsH  （ 316） 上式经过拉氏反变换得： )1()( /0 TteKxth  （ 317） 式中阶跃量 0x 为常数，一般为 10%。 当 t 时， 0)( Kxh 。 所以 K 的值便可以由下公式求得： 0)(xhK  （ 318） 当 Tt 时，则有 )(6 3 )1()( 10   keKxTh （ 319） 所以在曲线上找到一个值为稳态值的 T，其具体做法见图 32。 单容水箱的阶跃响应曲线在原点的斜率最大，在 该 点做切线，切线与稳态值的交点所对应的时间就是时间常数 T，由此便能求出单容水箱的传递函数。 西南科技大学本科生毕业论文 11 图 32 阶跃响应曲线 双容过程建模 双容过程的示意图见图 11。 设该过程的被控量为下水箱的液位 2h ，输入量为 1q ，当阀门 3 的开度一定时，可求得该过程的数学模型 ]12[。 根据物料平衡关系可得： 32322322121121RhqdthdCqqRhqdthdCqq （ 221） 上式经过拉氏变换再整理之后可得双容水箱的数学模型： )1)(1()( )()( 21120  sTsT KsQ sHsW （ 222） 式中 K 为过程放大系数； 1T 、 2T 分别为上、下水箱的时间常数。 式（ 222）中的特性参数 K 、 1T 、 2T 可通过两点法求得，首先放大系数 K 可以通过式（ 218）求出 ， 其次 1T 、 2T 可以通过阶跃响应曲线上 的两个点的位置求出 ，如图 34 所示。 西南科技大学本科生毕业论文 12 图 34 双容过程的阶跃响应曲线 按图中的方法求取曲线上 A、 B 两点对应的时间 1t 、 2t ，运用下面公式计算 1T 、 2T ，便可求得双容水箱的传递函数。 )(21221212121ttTTTTttTT （ 223） 西南科技大学本科生毕业论文 13 第 4 章 实验法求取水箱参数 由上一章可知双容水箱的传递函数是在其阶跃响应曲线的基础上计算出来的。 通过实验的方法可以得到双容水箱的阶跃响应数据，从而得到阶跃响应曲线。 修正实验装置误差 由于各种原因实验装置中的传感器、电动调节阀等都会存在一定的误差。 在实验之前应该测得误差值，并在程序中做适当的处理以消除误差。 电动调节阀的特性 电动调节阀的实际开度 与 设定的开度 不相等 ，采用手动控制的方法设定调节阀的开度，同时记录调节阀的实际开度。 记录数据见表 41。 表 41 调节阀开度特性 设定开度（ %） 实际开度 （ %） 设定开度 （ %） 实际开度 （ %） 设定开度 （ %） 实际开度 （ %） 0 0 35 70 5 40 75 10 45 80 15 50 85 20 55 90 25 60 95 30 65 100 调节阀开度特性曲线见图 41。 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000102030405060708090设定开度（ % ）实际开度（%） 图 41 调节阀开度特性曲线 西南科技大学本科生毕业论文 14 由图可知，调节阀开度特性共有两个转折点，在第一个转折点 “ 30%” 之前调节阀的误差很小可以忽略；在第一个转折点 “ 30%” 于第二个转折点 “ 80%” 之间则有存在一个较大的静态误差；第二个转折点之后存在很大的误差。 在实验室之中对调节阀做出以下修正： ① 开度在 “ 0～ 30%” 之间：不修正。 ② 开度在 “ 30%～ 80%” 之间：调节阀的设定开度与实际开度之间成线性 关系，所以只需要对设定开度加上一个适当的值 “ 2%” ，便能够减小误差。 ③ 开度在 “ 80%～ 100%” 之间：由于误差受到调节阀自身的限制，此处不予修正。 上水箱水位特性 由于传感器存在误差，水箱的实际水位置与测量值之间存在误差。 上水箱的特性参数见表 42。 表 42 上水箱水位特性参数 实际值（ cm） 显示值（ cm） 实际值 显示值 实际值 显示值 0 10 20 2 12 22 4 14 24 6 16 26 8 18 28 上水箱水位特性曲线见图 42。 0 5 10 15 20 25 30051015202530实际水位（ cm ）显示水位（cm） 图 42 上水箱水位特性曲线 西南科技大学本科生毕业论文 15 由图可知，在总体上来说上水箱水位的实际值与显示值成线性关系，显示值比实际值大 左右，所以在在程序之中应对采样得到的水位值减去 作为实际值。 下水箱水位特性 下水箱水位特性参数见表 43。 表 43 下水箱水位特性参数 实际值（ cm） 显示值（ cm） 实际值 显示值 实际值 显示值 0 10 20 2 12 22 4 14 24 6 16 26 8 18 28 下水箱水位特性曲线见图 43。 0 5 10 15 20 25 305051015202530实际水位（ cm ）显示水位（cm） 图 43 下水箱水位特性曲线 由图可知，在总体上来说上水箱水位的实际值与显示值成线性关系，显示值 比实际值小 左右，所以在在程序之中应对采样得到的水位值加上 作为实际值。 测定水箱阶跃数据 实验原理图见图 44。 西南科技大学本科生毕业论文 16 图 44 水箱模型测定原理图 在实验中通过调节电动调节阀的开度（ 4050）改变上水箱的进水量，从而对被控对象施加阶跃输入信号。 实验时各手动阀门的开度不能改变。 试验台的压力变送器的输出值为 4～ 20mA，在经过接入阻 值 50 的电阻值后转换成 1～ 5V的电压信号，具有 20%的偏移量。 因此在编写 PLC 程序之时要把通过EM235 模块采集来的数据减去 6400（消除偏移）之后再除以 256 便得到水箱的水位数据。 同样电动调节阀的控制也要考虑到偏移的问题。 利用 MCGS 软件的 “ 存盘数据策略 ” 记录双容水箱的阶跃响应数据，采集数据的时间间隔为 20 秒。 (1)上水箱阶跃响应参数： 表 44 上水箱阶跃响应参数 水位 /cm 水位 /cm 水位 /cm 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15。