雙容水箱水位控制系統設計畢業設計論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 B具有豐富的可用于控制系統分析和設計的函數，MATLAB的控制系統工具箱(Control System Toolbox)提供對線性系統分析、設計和建模的各種算法；MATLAB的系統辨識工具箱（System Identification Toolbox）可以對控制對象的未知對象進行辨識和建模。MATLAB的仿真工具箱（Simulink）提供了交互式操作的動態系統建模、仿真、分析集成環境。它用結構框圖代替程序智能化地建立和運行仿真，適應線性、非線性系統；連續、離散及混合系統；單任務，多任務離散事件系統。通過MATLAB中的SIMULINK工具箱可以動態的模擬所的構造系統的響應曲線，以控制框圖代替了程序的編寫，只需要選擇合適仿真設備，添加傳遞函數，設置仿真參數便可完成系統的仿真。下面根據前文的水箱模型傳遞函數對串級控制系統進行仿真，以模擬實際中的階躍響應曲線，考察串級系統的設計方案是否合理。通過手動切換開關（Manual Switch）可以實現副回路的引入與切除，以了解副回路對控制性能的影響,比較串級控制和非串級控制對雙容水箱液位的控制能力仿真框圖如下。 SIMULINK仿真框圖在時間為0時對系統加入大小為30的階躍信號，設置主控制器PID參數KP=60 TI=50 TD=3 。副控制器P參數為KP=50，觀察階躍響應曲線如下。 雙閉環階躍響應仿真曲線通過手動切換開關將副回路切除成單閉環可得其仿真圖像。，引入副回路的雙閉環串級系統能夠更好的提高系統的響應速度，使系統更加的穩定，穩態誤差更小。維持初始階躍信號不變，并在副回路中加入擾動信號，觀察響應曲線. 在100s經過慣性環節向副回路加入階躍值為70的擾動信號。控制器參數不變。 加入擾動后的SIMULINK仿真框圖 加入擾動后的雙閉環階躍響應仿真曲線 加入擾動后的單閉環階躍響應仿真曲線，能夠滿足系統各項參數的需要，同時也解決了雙容水箱大滯后的缺點，使系統穩定快速的運行，同時也進一步驗證了選擇串級PID來控制雙容水箱能夠達到比較理想。河南城建學院本科畢業設計（論文） 建立儀表過程控制系統4 建立儀表過程控制系統﹑變送裝置采用工業用的BP800型擴散硅壓力變送器對水箱液位變化進行測量，含不銹鋼隔離模片，同時采用信號隔離技術，對傳感器溫度漂移跟隨補償。當水箱中注水導致液位變化時，BP800壓力變送器對被控過程中的流體壓力進行測量,過程壓力通過壓力傳感器將壓力信號轉換成電信號,經差分放大器、輸出放大器放大后,再經過V/A轉換器,轉換為與輸入壓力成線性對應關系的標準電流輸出信號。BP800型壓力變送器技術指標如下：被測介質:液體機械保護：IP65測量范圍：100KPa～100MPa防爆等級：IaⅡCT5輸出：4～20mA DC二線制關聯設備：EXZ231B安全柵準確度：溫度極限:10～80。C 40～120。C零點溫度系數：%/。C過載極限：～3倍滿程溫度系數:%/。C相對濕度:小于95%電源電壓：24DC二線制負載電阻：≤750歐姆（1）水泵采用16CQ－8P型磁力驅動泵,流量為32升/分,揚程為8米,。（2）調節閥采用QSVP－16K型電動調節閥實現對雙容水箱液位系統進水量的控制。其由QSL智能型電動執行機構與閥門組合構成。通過將壓力變送器檢測到的電壓/電流信號輸入到QSL電動執行機構的智能放大器，和來自位置信號發生器產生的開度信號相比較并放大后,向消除其偏差的方向驅動并控制電機轉動,以改變調節閥的開度,同時將閥門開度的隔離信號反饋給控制系統。當其偏差值達到零時,電機停閥開關形式：電開式動作速度：輸入控制信號：4～20mA DC/1～5V DC流量特性：直線輸出信號：4～20mA DC額定流量系數Kv：輸入阻抗：250Ω/500Ω介質溫度：4～200。C輸出最大負載：500Ω死區：≤177。%電源：220V/50Hz回差：≤177。%公稱直徑：20mm可調范圍：50:1公稱壓力：防護等級：IP65行程：10mm功耗：5VA．控制器在儀表過程控制系統中，使用智能調節儀表作為控制器。采用上海萬訊儀表有限公司的AI808型儀表，采用AI人工智能調節方式，內含PID調節算法。其可以在誤差較大時運用模糊算法進行調節，以消除PID積分飽和現象；當誤差趨小時，采用改進后的PID算法調節，調節優化效果。選用的AI808P型儀表技術指標如下： 智能儀表技術指標熱電偶輸入：K﹑S﹑R﹑E﹑J等響應時間：≤熱電阻輸入：Cu50﹑Pt100調節方式：位式調節方式/AI人工智能調節線性電壓輸入：0～5V輸出規格：4～20mA線性電流輸入：420mA報警功能：上限﹑下限﹑正負偏差測量范圍：1999～9999電源：100～240VAC/50Hz測量精度：環境溫度：0～50。C AI808P引腳說明引腳號引腳名稱引腳定義1Vin05V 15V輸入2Iexec+作為Vin的地3Sense+05V 15V輸入4Sense作為Sense+的地5Iout420mA輸出負端7Iout+420mA輸出正端9ACL電源火線10ACN電源地線11(13)AL1+(AL1)與AL1(AL2)構成報警14(16)AL2+(AL2)與AL1+(AL2+)構成報警18(17)Data+(Data)RS485接口數據線19(20)I/V變換內接電阻將電流變為電壓6(12)(15)無分別與5(13)(16)形成常閉觸點： 根據電路原理圖可以連接出實際的儀表串級PID負反饋控制。通過三相380V/10A交流電源向三相磁力泵和220/5A交流電源向調節儀表供電。壓力變送器測定的下水箱液位值（電壓反饋信號）送到主調節器(智能調節儀1)輸入端。調節器的給定值可由儀表控制面板或MCGS監控界面設定，與反饋信號相比較后輸出調節信號。由于其輸出的信號為4～20mA的電流信號，需要經I/V轉換電路轉化為1～5V電壓信號送到副調節儀的輸入端，與壓力變送器測定的上水箱液位值（電壓反饋信號）相比較后，輸出4～20mA的電流信號到電動調節閥控制信號輸入端，控制電動調節閥的開度，消除下水箱液位的測量值與給定值的偏差。 儀表系統電路原理圖(1)Sn: 輸入規格 調節儀1中Sn=33 表示1~5V電壓輸入；調節儀2中Sn=32 ~1V電壓輸入。(2)ADDR：通訊地址 用于定義儀表地址，有效范圍是0~100。調節儀1中ADDR=1；調節儀2中ADDR=2。(3)diH：輸入上限顯示值，用于定義線性輸入信號上限刻度值。調節儀1中diH=50 ；調節儀2中diL=0。(4)diL：輸入下限顯示值 用于定義線性輸入信號下限刻度值。調節儀1中diH=50； 調節儀2中diL=0。(5)CF：系統功能選擇CF=A*1+B*2+C*4+D*8+E*16+F*32+G*64調節儀1中CF=0，表示A=0,調節儀1為反作用調節方式，輸入增大時，輸出趨向減?。籅=0，儀表報警無上電；D=0，不允許外部給定，程序時間以分為單位；E=0，無分段頻率限制功能；F=0，儀表光柱指示輸出值；G=0，儀表為AI808P工作模式。調節儀2中CF=8，表示A=0,調節儀1為反作用調節方式，輸入增大時，輸出趨向減小；B=0，儀表報警無上電；D=1，允許外部給定，程序時間以秒為單位；E=0，無分段功率限制功能；F=0，儀表光柱指示輸出值；G=0，儀表為AI808P工作模式。(6)SV：下水箱液位給定值，根據需要設置。(7)P：調節器比例系數，根據需要設置。(8)I：調節器積分時間，根據需要設置。 (9)D：調節器微分時間，根據需要設置。 通過在AI808型儀表的內部安裝RS485通訊接口模塊，可利用計算機實現對儀表的監控和操作。采用AIBUS通訊協議，8個數據位，1/2個停止位，無校驗位。需要在計算機的MCGS軟件的用戶窗口添加腳本程序以實現計算機對儀表系統的監控，時在設備窗口中完成設備通道連接設置。(1) 啟動腳本程序!setdevice(調節儀1,1, )!setdevice(調節儀1,6,write(0,0) )!setdevice(調節儀1,6,write(24,0))!setdevice(調節儀2,1, )!setdevice(調節儀2,6,write(0,0) )!setdevice(調節儀2,6,write(24,0))(2) 循環腳本程序下水箱液位SV1=SV1下水箱液位PV1=PV1上水箱液位SV1=20*OP1/100上水箱液位PV1=PV2if 下水箱液位PV120 then下水箱液位PV1=20endifif 上水箱液位PV120 then上水箱液位PV1=20(3) 退出腳本程序!SetDevice(調節儀1,2, )!SetDevice(調節儀2,2, )endif程序注釋：SetDevice(DevName，DevOp，CmdStr)函數意義：按照設備名字對設備進行操作。返 回 值：數值型。返回值：=0：調用正常。0：調用不正常。參 數：DevName，設備名，字符型；DevOp，設備操作碼，數值型；CmdStr，設備命令字符串，只有當DevOp=6時CmdStr才有意義。DevOp取值范圍及相應含義：1：啟動設備開始工作。2：停止設備的工作使其處于停止狀態。3：測試設備的工作狀態。4：啟動設備工作一次。5：改變設備的工作周期，CmdStr中包含新的工作周期，單位為ms。6：執行指定的設備命令，CmdStr中包含指定命令的格式： AI808P智能儀表設置設備名稱：調節儀1調節儀2設備注釋：宇光AI808P儀表宇光AI808P儀表初始工作狀態：1啟動1啟動最小采集周期（ms）：500500模塊地址：12設置小數點位數：11位小數11位小數輸入范圍：101～5V101～5V連接通道通道類型數據對象1數據對象20通訊狀態mm1mm21PV值（液位測量值）pv1pv22SV值（液位給定值）sv1sv23MV值（調節器輸出值）op1op218CTRL控制方式ctrl1ctrl223Sn輸入規格sn1sn225dil下限顯示dil1dil226dih上限顯示dih1dih232CF系統功能cf1cf234通訊地址addr1addr2為了能夠使計算機與智能儀表順利通信，智能儀表的采樣周期必須與串行接口有相同的采樣周期，這里設定采樣周期為500ms. 儀表過程控制系統PID參數整定在組建儀表系統設備構件，實現計算機與儀表系統通訊后，完成儀表液位控制系統的調試運行,完成PID參數的整定，完成儀表控制系統的實驗。根據液位串級控制系統的設計原則和被控過程模型，：1左右。主副回路的工作頻率和操作周期相差較大，其動態聯系很小可忽略不計。所以副調節器按單回路系統方法整定后，可以將副回路作為主回路的一個環節，按單回路控制系統的整定方法，整定主調節器的參數，而不再考慮主調節器參數變化對副回路的影響。而且在液位控制系統的設計中，對于主參數下水箱液位的質量指標要求較高，對副參數上水箱液位沒有嚴格的要求。設置副參數的目的是為了進一步提高主參數的控制質量，只要通過主調節器參數整定保證主參數質量，副參數的控制質量可以犧牲一些。采用兩步整定法整定調節儀表PID參數：（1）在工況穩定﹑主回路閉合、主副調節器都在純比例作用的條件下，主調節器的比例度置于100%，用單回路控制系統的阻尼振蕩法整定，求取副調節器比例度和操作周期。（2）將副調節器的比例度置于（1）中所求得的數值上，把副回路作為主回路的一個環節，用同樣的方法整定主回路，求取主回路的比例度和操作周期。（3）根據以上求得的數據，按單回路系統阻尼振蕩法整定公式計算主副調節器的比例度﹑積分時間和微分時間的數值。（4）按先副后主﹑先比例后積分﹑適當加入微分的整定程序，設置主﹑副調節器的參數，再觀察過渡過程曲線，必要時進行適當調整，直到系統質量達到最佳為止。主副調節器參數整定結果如下：主調節器比例系數P=20，積分時間I=80，微分時間D=10；副調節器比例系數P=40。對儀表控制系統設置下水箱液位給定值為50mm，待系統穩定后，突加階躍擾動型號，設定下水箱液位值為70mm，得到下水箱液位輸出響應曲線。 下水箱液位階躍響應曲線河南城建學院本科畢業設計（論文） 模擬計算機過程控制系統5 模擬計算機過程控制系統以下將設計組建遠程數據采集過程控制系統實現對雙容水箱液位系統的控制。雖然仍然是基于“THJ2高級過程控制系統實驗裝置”組建，但