液位定值PID

课 程 设 计

课程名称 过程控制 课题名称 贮槽液位控制系统设计

专 业 自动化 班 级 3 学 号

姓 名 指导教师

2013年09月15日

湖南工程学院 课 程 设 计 任 务 书

课程名称 过程控制 课 题 贮槽液位控制系统设计

专业班级 学生姓名 学 号 指导老师

审 批

任务书下达日期 2013年09月02日 任务完成日期 2013年09月15日

1

设计内容与设计要求 设计内容： 在工业生产过程中，液体贮槽设备如进料罐、成品罐、中间缓冲容器、水箱等应用十分普遍，为保证生产正常进行，物料进出需均衡，以保证过程的物料平衡，因此工艺要求贮槽内的液位需维持在某个给定值上下，或在某一小范围内变化，并保证物料不产生溢出，要求设计一个液位控制系统。 设计要求： 1）确定系统设计方案； 2）选择相应的仪器设备； 3）MCGS软件组态相应的监控画面； 4）完成控制算法程序设计； 5）在DDC控制装置中进行调试； 2

主 要 设 计 条 件 假设贮槽设备是一水箱，生产工艺要求水箱液位应保持在200.5cm，设计控制系统满足该要求。 说 明 书 格 式 1. 课程设计任务书 2. 目录 3. 系统总体方案选择与说明 4. 系统结构框图与工作原理 5. 各单元硬件设计说明及计算方法 6. 软件设计与说明（包括流程图） 7. 调试结果与必要的调试说明 8. 使用说明 9. 程序清单 10、总结 11、参考文献 附录 附录A 系统原理图 附录B 程序清单 3

进 度 安 排 设计时间为两周 第一周 星期一、上午：布置课题任务，讲课及课题介绍 下午：借阅有关资料，总体方案讨论 星期二、确定总体设计方案 星期三、选择相应的仪器设备，进行控制算法设计 星期四、控制算法编程 星期五、控制算法编程 第二周 星期一、MCGS组态监控画面 星期二、MCGS组态监控画面，在DDC装置上进行调试 星期三、在DDC装置上进行调试 星期四、写说明书 星期五、上午：写说明书，整理资料 下午：交设计资料，答辩

4

目录

第1章 系统总体方案选择与说明 ....................................................................................... 1 第2章 系统结构框图与工作原理 ....................................................................................... 2

2.1 系统框图 .................................................................................................................. 2 2.2 工作原理 .................................................................................................................. 3 第3章 各单元硬件设计说明及计算方法 ........................................................................... 4

3.1 各单元硬件设计 ...................................................................................................... 4

3.1.1控制器 .......................................................................................................... 4 3.1.2 执行器 ........................................................................................................... 5 3.1.3 检测变送器 ................................................................................................... 5 3.2 系统计算方法 .......................................................................................................... 6 第4章 软件设计与说明 ....................................................................................................... 7

4.1 实时数据库 .............................................................................................................. 8 4.2 用户窗口 .................................................................................................................. 9 4.3 设备窗口 ................................................................................................................ 10 4.4 策略窗口 ................................................................................................................ 10 第5章 调试结果和必要的说明 ......................................................................................... 11 第6章 使用说明 ................................................................................................................. 15 第7章 程序清单 ................................................................................................................. 16 第8章 总结 ......................................................................................................................... 19 参考文献............................................................................................................................... 20 电气信息学院课程设计评分表 ........................................................................................... 21

第1章 系统总体方案选择与说明

本次设计是以一单容水箱为研究对象,要求通过一定的控制手段使水箱液位保持在200.5cm。从系统的可靠性出发，应采用PID控制方法。比例控制（P），控制及时、反应灵敏、偏差越大控制力度越大，可以增加系统的响应速度。在比例控制中加入积分控制（I），可以消除比例控制所不能消除的余差，再加入微分控制可以起到超前控制的作用。通过PID控制既能快速控制，又能消除余差，具有较好的控制性能。比例积分微分控制规律如下：

11deyeedtTD

pTIdt①以可编程逻辑控制器（PLC）为下位机，通过PLC的PID控制面板实

对于该课题，可以采用两套方案实现控制要求：

现液位的定值控制

图1-1 PID框图

②直接计算机控制。计算机采集经过A/D转换的液位信号，通过在MCGS组态软件中编写PID控制脚本程序计算出输出信号，经D/A转换控制阀的开度。

1

本课题采用第二套方案，尽量通过软件设计实现硬件功能，节约成本，简化手续。

第2章 系统结构框图与工作原理

2.1 系统框图

过程控制系统一般有调节器、执行器、被控对象、检测变送器四个环节，其中调节器、执行器、和测量变送器都属于检测控制仪表,其液位过程图和系统框图分别如下

图2-1 液位过程图

进水阀Q1水箱出水阀Q2

2

图2-2 控制系统框图

2.2 工作原理

本系统中的对应关系如下: 被控对象：水箱 被控变量：水箱液位 控制变量：水流量 控制器：计算机 执行器：调节阀 检测变送：液位传感器

单回路上水箱液位控制系统。单回路调节系统一般指在一个调节对象上用一个调节器来保持一个参数的恒定，而调节器只接受一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。本系统所要保持的参数是液位的给定高度，即控制的任务是控制上水箱液位等于给定值所要求的高度。根据控制框图，本系统属于是一个闭环反馈单回路液位控制，采用DDC控制。当调节方案确定之后，接下来就是整定调节器的参数，一个单回路系统设计安装就绪之后，控制质量的好坏与控制器参数选择有着很大的关系。合适的控制参数，可以带来满意的控制效果。反之，控制器参数选择得不合适，则会使控制质量变坏，达不到预期效果。一个控制系统设计好以后，系统的投运

3

和参数整定是十分重要的工作。

液位传感器检测出水箱水位，水位的实际值通过7017模块进行A/D转换，变成数字信号后输入计算机中；在计算机中，根据水位给定值与实际输出值之差，利用PID程序算法得到输出值，再将输出值传到7024模块中，由7024将数字信号转换成模拟信号；最后，实现水位的计算机自动控制。

第3章 各单元硬件设计说明及计算方法

3.1 各单元硬件设计

3.1.1控制器

直接数字控制系统DDC（Direct Digital Control）系统，就是用一台工业计算机配以适当的输入、输出设备，从输入通道获取生产过程的信息，按照预先规定的控制算法计算出控制量，并通过输出通道直接作用于执行器，实现对整个生产过程的控制。由于计算机运算速度快，通过分时处理，一台计算机可以对多个回路进行控制。一个DDC系统可实现多个回路PID调节及其他辅助控制。DDC系统能满足不同生产过程的控制要求。当系统控制要求发生变化时,可以通过重新编制程序来适应控制要求的改变,而不必进行大量硬件结构改动。

通过在计算机上安装MCGS组态软件,构成了本设计的控制器。系统采集外部设备的输入信号，通过一定的算法得到一个输出信号，经过一定的转换来控制执行器。

4

3.1.2 执行器

自动调节阀按其工作能源形式可分为气动、电动、液动三大类。气动调节阀用压缩空气作为工作能源，主要特点是能在易燃易爆环境中工作，广泛地应用于化工、炼油等生产过程中；液动调节阀用液压推动，推力很大，一般生产过程中很少用到；电动调节阀用电源工作，其特点是能源取用方便，信号传递迅速，但难以在易燃易爆环境中工作。单容水箱液位控制系统可采用电动调节阀为执行器。从安全方面出发，当系统故障时，控制器的输出信号为零，应该停止储水箱的供水。为防止储水箱的液体溢出，应采用气开式调节阀。

电动调节阀对控制回路流量进行调节。采用德国PSL202型智能电动调节阀，无需配伺服放大器，驱动电机采用高性能稀土磁性材料制造的同步电机，运行平稳，体积小，力矩大，控制精度高。控制单元与电动执行机构一体化，可靠性高，操作方便，并可与计算机配套使用，组成最佳调节回路。有输入控制信号4-20mA及单相电源即可控制与流量、温度、压力等参数的调节，具有体积小，重量轻，连线简单，泄漏量少的优点。采用PS电子式直行程执行机构，4-20mA阀门位置反馈信号输出双导向单座柱塞式阀芯，流量具有等百分比特性，直线特性和快开特性，阀门采用弹簧连接，可预置阀门关断力，保证阀门的可靠关断，防止泄露。性能稳定可靠，控制精度高，使用寿命长等优点。

3.1.3 检测变送器

液位传感器用来对上水箱液位的压力进行检测，采用工业的DBYG扩散硅压力变送器，本变送器按标准的二线制传输，喜爱用高品质低耗精密器件，稳定性、可靠性大大提高。可方便的与其他DDZ—3X型仪表互换配置，并能直接替换进口同类仪表。校验的方法是通电预热15分钟后，分别在零

5

压力和满程压力下检查输出电流值。在零压力下调整量程电位器，使输出电流为4mA，在满量程压力下调整量程电位器，使输出电流为20mA。本传感器精度为0.5级，因为为二线制，故工作时需串24V直流电源。压力传感器用来对上水位水箱和中水位水箱的压力进行检测，采用工业用的DBYG扩散硅压力变送器，0.5级精度，二线制4-20mA标志信号输出。

3.2 系统计算方法

设水箱的进水量为Q1，出水量为Q2，水箱的液面高度为h，出水阀V2

固定于某一开度值。若Q1作为被控对象的输入变量，h为其输出变量，则该被控对象的数学模型就是h与Q1 之间的数学表达式。

根据动态物料平衡关系Q1Q2将式（3-1）表示为增量形式 Q1Q2Cdh （3-2） dtCdh （3-1） dt式中，Q1、Q2、h——分别为偏离某一平衡状态Q10、Q20、h0的增量； C——水箱底面积。

在静态时，Q1=Q2；dhdt=0；当Q1发生变化时，液位h随之变化，阀V2处的静压也随之变化，Q2也必然发生变化。由流体力学可知，流体在紊流情况下，液位h与流量之间为非线性关系。但为简化起见，经线性化处理，则可近似认为Q1与h成正比，而与阀V2的阻力R2成反比，即

Q2h或hR2R2Q2 （3-3）

式中，R2为阀V2的阻力，称为液阻。 将式（3-3）代入式（3-2）可得

R2CdhhR2Q1 （3-4）

dt

6

在零初始条件下，对上面的式子求拉普拉氏变换，得： G0(s)R2H(s)K （3-5） Q1(s)R2Cs1Ts1式中，T=R2C为水箱的时间常数（注意：阀V2的开度大小会影响到水箱的时间常数），K=R2为过程的放大倍数。令输入流量Q1(s)=R0/s，R0为常量，则输出液位的高度为：

H(s)KR0KR0KR0s(Ts1)ss1/T1tT （3-6）

即 h(t)KR0(1e) （3-7）

当t时，h()KR0 因而有 K 当t=T时，则有

h(T)KR0(1e1)0.632KR00.632h() （3-9）

h()输出稳态值R0阶跃输入 （3-8）

第4章 软件设计与说明

MCGS(Monitor and Control Generated System，监视与控制通用系统)是一套基于Windows平台的用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，主要完成现场数据的采集与监测、前端数据的处理与控制，可运行于Microsoft Windows 95/98/Me/NT/2000/xp等操作系统。MCGS具有功能完善、操作简便、可视性好、可维护性强的突出特点。通过与其他相关的硬件设备结合，可以快速、方便的开发各种用于现场采集、数据处理和控制的设备。用户只需要通过简单的模块

7

化组态就可构造自己的应用系统，如可以灵活组态各种智能仪表、数据采集模块，无纸记录仪、无人值守的现场采集站、人机界面等专用设备。适应于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性能有严格要求的专用计算机系统。通过对现场数据的采集处理，以动画显示、报警处理、流程控制和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案，在自动化领域有着广泛的应用。此外MCGS嵌入版还带有一个模拟运行环境，用于对组态后的工程进行模拟测试，方便用户对组态过程的调试。

4.1 实时数据库

图4-1-1

变量说明如下： 开关量

通讯标志：mm1； 仪表启动标志：set;

8

数值量

7024的4通道输出电流：op2； 上水箱液位测量值：上水箱pv； 上水箱液位设定值：上水箱sv； 偏差值：ei； 比例系数：k； 积分前项：mx；

7017的1通道采样电压：pv1; 前次测量值：pvx； 微分项：q0; 积分项：q1； 比例项：q2； 设定值：sv1； 微分时间：td； 积分时间：ti;

组对象为液位组（包含液位设定值和测量值）

4.2 用户窗口

9

图4-2-1

用户窗口如上图所示，含两个子窗口：贮槽液位和历史曲线，其中历史曲线显示的为液位组的历史曲线。

4.3 设备窗口

图4-3-1

在设备组态设备窗口中需设计的是串口通讯父设备，要添加7017和7024两个模块。7017主要是进行A/D转换，7024主要是进行D/A转换

4.4 策略窗口

图4-4-1

10

图4-4-2

策略窗口组态了一用户策略：历史数据浏览，用以产生液位组的历史报表。

第5章 调试结果和必要的说明

将系统连线接好，直至没有错误。进入MCGS系统运行界面设定参数sv=70，k=180，等待，直到系统达到平衡状态

图5-1

11

图5-2

从图5-3可以看出，只引入比例控制时达到平衡状态，会存在余差

引入积分控制，k=180，ti=200，如图5-4所示

图5-4

12

引入积分控制后，系统达到新的平衡状态，消除余差。

图5-5

液位历史曲线图如图5-6所示：

图5-6

13

液位组历史报表如下图所示：

图5-7

14

第6章 使用说明

系统使用简介：

1. 关闭阀门00，往AE2000B2型过程控制对象的储水箱灌水，水位达到总高度的90％以上时停止灌水。

2.打开以西山泵为动力的支路至上水箱的所有阀门，关闭动力支路上通往其它对象的切换阀门。

3. 打开上水箱出水阀，开至适当的开度。 4.在电源关闭的情况下对系统进行连线

将I/O信号接口板上的上水箱液位的钮子开关打到1～5V位置。 将上水箱液位+（正极）接到ICP7017的AI0+端，上水箱液位－（负极 ）接到ICP7017的AI0－端。

将ICP7024的AO0+端接至电动调节阀的4~20mA输入端的+端（即正极），将ICP7024的AO0－端接至电动调节阀的4~20mA输入端的－端（即负极）。

电源控制板上的电源空气开关、单相泵电源开关打在关的位置。 5.启动装置

将实验装置电源插头接到220V的单相交流电源。 打开电源带漏电保护空气开关。

打开电源总开关，电源指示灯点亮，即可开启电源。 开启24VDC电源开关。打开7017、7024的电源开关。

6. 启动计算机MCGS组态软件，打开电动调节阀和单相电源泵开关。再设定给定值，调整比例系数待系统稳定后加入积分作用，即在界面上设置积分时间（Ti）不为0，观察被控制量是否能回到设定值，最后再引入适量的微分作用。

15

第7章 程序清单

启动脚本:

!setdevice(7024,1,\" \") !setdevice(7017,1,\" \")

set=0 q0=0 q1=0 q2=0 op2=4

上水箱pv=0 上水箱sv=0

循环脚本:

if set=1 then

if k=0 and ti=0 and td=0 then q0=0 q1=0 q2=0 endif

ei=(sv1/125+1)-pv1 if k<>0 and ti<>0 then q0=k*ei

mx=k*0.5*ei/ti

q2=k*td*(pvx-pv1)/0.5 endif

if ti=0 then q0=K*ei

16

q1=0 mx=0

q2=k*td*(pvx-pv1)/0.5 endif

IF MX>5 THEN MX=5 ENDIF

IF MX<-5 THEN MX=-5 ENDIF

if (sv1/125+1)>=pv1 then if op1>=100 then q1=q1 else

q1=q1+mx endif else

if op1<=0 then q1=q1 else

q1=q1+mx endif endif

pvx=pv1

op1=Q0+Q1+Q2 OP2=(OP1+25)/6.25 IF OP2<4 THEN OP2=4 endif

if op2>20 then op2=20 ENDIF

上水箱pv = (pv1-1)*125 if 上水箱pv>200 then

17

上水箱pv=200 endif

if 上水箱pv<0 then 上水箱pv=0 endif

上水箱sv = sv1 else q0=0 q1=0 q2=0 op2=4 endif

退出脚本:

!setdevice(7024,2,\" \") !setdevice(7017,2,\" \") op2=4

上水箱pv=0 上水箱sv=0

18

第8章 总结

经过多次调试和改进，实现了工艺要求，基本完成任务。在这次课程设计中，最大的收获是学会了MCGS组态软件的使用。通过组态软件可以组态出形象的界面，并可以显示数据、控制输出，为工业控制带来了极大的方便。

由于第一次接触组态工程，也遇到了不少问题，其中一个是通讯连接。由于通讯连接不能有半点差错，必须每一个地方都准确无误。这其中包括设备组态中模块的地址、串口的波特率等等。但通讯成功后遇到了另一个问题，入水量总是很小，有时泵还会中途停下来，不管PID参数怎么调。折腾了好久都没有进展，最后发现居然是水槽水位偏低，对于这个结果，自己也只能无语一把了。

总而言之，这次课程设计的收获还是蛮大的，从发现问题到解决问题这

其中有无奈，也有乐趣。

最后，感谢老师的指导 ！

19

参考文献

[1] 过程控制，金以慧.北京：清华大学出版社，1993.4: 103-118 [2] 何衍庆.工业生产过程控制.北京：化学工业出版社，2004.3：77-88 [3] AE2000B2型系统实验平台实验指导书

20

电气信息学院课程设计评分表

评 价 项 目 优 设计方案合理性与创造性（10%） 硬件设计及调试*情况（20%） 参数计算及设备选型情况(10%) 设计说明书质量(20%) 答辩情况(10%) 完成任务情况(10%) 独立工作能力(10%) 出勤情况(10%) *良 中 及格 差 综 合 评 分

指导教师签名：________________

日 期：________________

注：①表中标*号项目是硬件制作或软件编程类课题必填内容；

②此表装订在课程设计说明书的最后一页。课程设计说明书装订顺序：封面、任务书、目录、 正文、评分表、附件（非16K大小的图纸及程序清单）。

21