串级控制与远程控制在液位控制的应用毕业设计说明书 - 图文

浙江机电职业技术学院电气电子工程学院毕业设计说明书

毕业设计说明书

课题名称: 串级控制与远程监控在液位控制中的应用

系 别 电气电子工程学院 专 业 机电一体化 班 级 机电0832 姓 名 王维 学 号 0802013235 指导教师 金文兵 汤皎平 黄永忠

起讫时间：2011 年 2 月 21 日～2011 年 4 月 15日（共 8 周）

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目 录

第1章 前言 ........................................... 3

1．1课题背景介绍 ......................................................................................................................... 3

1.2 设计目的 ................................................................................................................................ 3

第2章 系统方案设计 ................................... 4

2.1 控制方案 ................................................................................................................................ 4 2.2 控制原理 ................................................................................................................................ 5 2.3控制系统的结构及实现 ........................................................................................................... 5

第3章 系统组态设计 ................................. 7

3.1 组态王简介 ............................................................................................................................ 7 3.2 组态软件设计 ........................................................................................................................ 7 3.3 组态图 .................................................................................................................................... 7 3.4 组态画面 ................................................................................................................................ 8 3.5 组态控制程序 ........................................................................................................................ 9

第4章 水位控制系统的组成 ........................... 11

4.1水位控制系统的组成 ............................................................................................................. 11 4.2 水箱 ...................................................................................................................................... 12 4.3 调节阀 .................................................................................................................................. 12 4.4 水泵 ...................................................................................................................................... 12 4.5 流量传感器、变送器、变频器 .......................................................................................... 12 4.6 模拟量采集和输出模块 ...................................................................... 错误！未定义书签。

第5章 系统调试 ..................................... 14

5．1 属性设置 .............................................................................................................................. 14 5．2 设备命令及实现方法 .......................................................................................................... 14 5．4设备调试 ............................................................................................................................... 16 5.5控制器的整定 ......................................................................................................................... 17 5.6 系统运行结果及曲线分析 .................................................................................................... 17

总 结 ................................................ 21 参 考 文献 ........................................... 22

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第1章 前言

1．1课题背景介绍

工业自动化水平的迅速提高，计算机在工业领域的广泛应用，人们对工业自动化的要求越来越高，种类繁多的控制设备和过程监控装置在工业领域的应用，使得传统的工业控制软件已无法满足用户的各种需求。在开发传统的工业控制软件时，当工业被控对象一旦有变动，就必须修改其控制系统的源程序，导致其开发周期长；已开发成功的工控软件又由于每个控制项目的不同而使其重复使用率很低，导致它的价格非常昂贵；在修改工控软件的源程序时，倘若原来的编程人员因工作变动而离去时，则必须同其他人员或新手进行源程序的修改，因而更是相当困难。通用工业自动化组态软件的出现为解决上述实际工程问题提供了一种崭新的方法，因为它能够很好地解决传统工业控制软件存在的种种问题，使用户能根据自己的控制对象和控制目的的任意组态，完成最终的自动化控制工程。

串级控制系统从整体上看仍然是一个定制控制系统，主变量在扰动作用下的过渡过程和单回路定值控制系统的过渡过程具有相同的品质指标。串级控制系统中，如果主控制器有积分控制作用，并且偏差长期存在，则可能出现积分饱和现象。同样，如果副控制器有积分控制作用，并且偏差长期存在，则也会出现积分饱和现象。为防止串级控制系统的积分饱和，可采用积分外反馈的方法。将副控制器的测量制作为主控制器的积分外反馈。

串级控制系统减小被控对象的等效时间常数，提高系统工作频率，对负载变化具有一定的自适应能力。

1.2 设计目的

该课程设计采用组态王软件设计具有PID 控制规律和串级控制算法的虚拟控制器的过程， 以PLC 过程控制实验系统双容液位为受控对象构建一个串级控制系统，并可通过计算机网络实现远程测控主要学习串级调节规律，了解串级控制规律在液位双回路水箱中的控制。

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第2章 系统方案设计

2.1 控制方案

简单控制系统在生产中解决了大量的参数定值调节问题，它是控制系统中最基本而应用最

广泛的一种形式。但当对象的容量滞后较大，负荷或干扰变化比较剧烈、比较频繁，或是工艺品对产品质量提出的要求很高时，采用单回路控制的方法就不在有效了，于是就出现了串级控制系统。

所谓串级控制系统，就是采用两个控制器串联工作，主控制器的输出作为副控制器的设定值，由副控制器的输出去操纵调节阀，从而对主控变量具有更好的控制效果。串级控制系统的主回路仍是一个定值控制系统。副回路具有调节速度快、抑制扰动能力强等特点。主副控制器在串级控制系统中所起的作用是不同的。主控制器起定值控制作用，副控制器对主控制器的输出起随动控制作用，而对扰动作用起定值控制作用，因此，主被控变量要求无余差，副被控变量却允许在一定范围内变动。

为保证所设计的串级控制系统的正常运行，必须正确选择主、副控制器的正、反作用。在具体选择时，首先依据控制阀的气开、气关形式和副对象的放大倍数决定副控制器正、反作用的方式。本控制系统中，被控参量有两个，中水箱的液位和下水箱的液位，这两个参量具有相关关系。中水箱的液位可以影响下水箱的液位，根据上下水箱的液位相关关系，故系统采用串级控制。其中，内环控制中水箱的液位，外环控制下水箱的液位，系统进行是下水箱的液位跟随给定值。

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图1 串级控制系统原理图

2.2 控制原理

在串级控制系统中,当有扰动出现于副回路时,由于主对象的时间常数大于副对象的时间常数,因而当主变量（下水箱的液位）未作出反应时,副回路已作出快速响应,及时地消除了扰动对被控量的影响。此外，如果扰动作用于主对象，由于副回路的存在，使副对象的时间常数大大减小，从而加快了系统的响应速度，改善了动态性能。本系统控制的目的不仅使系统的输出响应具有良好的动态性能，而且在稳态时系统的主变量等于设定值，实现无差调节。

二次干扰 一次干扰 设定值 H（液位）-×主调节器-×副调节器电动调节阀中水箱下水箱液位变送器液位变送器

图2 串级控制系统框图

2.3控制系统的结构及实现

根据工艺要求，考虑到系统中处理的主要是液位、流量等模拟量信号，所以采用智能仪表

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AI808实现对信号的处理和整个系统的控制；采用组态软件MCGS对系统进行显示和监控。如下图2所示：

计算机（MCGS组态软件）

RS232/485转换器 RS485总线

主调节器AI808（1） 副调节器AI808（2）

液位 液位 电动 变送器 变送器 执行器

压力 压力 变送器 变送器 图3 液位串级控制结构图

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第3章 系统组态设计

3.1 组态王简介

组态王开发监控系统软件是新型的工业自动控制系统正以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统，它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。尤其考虑三方面问题：画面、数据、动画。通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。而且，它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。它以Windows XP/Windows Vista中文操作系统为操作平台，采用了多线程、COM组态等新技术，实现了实时多任务。它具有丰富的图库及图库开发工具，支持各种主流PLC、智能仪表、板卡和现场总线等工控产品；有一种类似C语言的编程环境，便于处理各种算法和操作，还内嵌了许多函数供用户调用，实现各种功能。

3.2 组态软件设计

在Vista环境下，控制系统软件以组态王6.53作为开发平台。整个监控系统实现数据采集，总体监视，相关参数实时在线调整，显示实时曲线，液位等功能。

3.3 组态图

系统主界面主要绘制的双容水箱串级控制系统的工艺组成图。包括中水箱，下水箱，管道，电动调节阀，储水箱和阀门等设备以及相关的操作提示按钮等。基于动画连接，主界面可实现自动，手动切换，以及显示PID参数整定框、液位显示和实时曲线框以方便操作员在线调节PID参数观察控制效果。系统组态图如下图3所示：

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LSB1PV1PID2手动自动OUTLSB2PV2PID2自动手动OUT

U(k)

图4 系统组态图

3.4 组态画面

图5 系统组态静态画面

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图6 系统组态动态画面

图7 系统组态动态画面

3.5 组态控制程序

If(液位1>40) {f3=(液位1-40)*Ti; 液位1=液位1-10*f3/100; 液位2=液位2+10*f3/100;}

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If(液位2>SP) {f4=(液位2-SP)*Ti;

液位2=液位2-20*f4/100-20*f3*(Td+1)/100; 液位3=液位3+20*f4/100+20*f3*(Td+1)/100;} If(液位1==100)

b1=0;

if(液位2==100) b1=0; if(b1==1)

c=1; else c=0; if(c==0)

f1=0; f2=0; if(c==1) {

{f2=Kp+20; f1=100-f2;} 液位3=液位3-10; 液位2=液位2+10*f2/100; 液位1=液位1+10*f1/100; } b=10*f3;

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总 结

首先感谢汤皎平、金文兵、黄永忠老师和同学们在这次课程设计中给于我的指导与帮助。通过这次课程设计学会了如何去设计一个过程控制系统，掌握了基本的设计思路和步骤：认知被控对象；设计控制方案；选择控制规律；选择过程仪表；选择过程模块；设计系统流程图和组态图；设计组态画面；设计数据词典等，直到最后的动画连接成功。一开始做的时候感觉只要一步一步做应该不是很难。随着整个课程设计的深入，我发现在经验方面还是有点很大的缺乏，理论知识更是不足，有些东西与实际脱节。以前很少遇到，即使遇到了也是课本上的，还有不会考虑经济因素等。还有有些图在网上没有直接查到，是从书上找的，由于缺少实践选择的不一定是最经济的，但总体能实现预期目标。我觉得这次课程设计对我的帮助很大，它将我学过的相关理论知识系统地联系起来，从中暴露出自身的不足，以待改进。对以后毕业论文的设计也是一个基础。

通过这次的课程设计，使我深刻的认识到了个人理论知识的匮乏和动手能力很差，在今后的学习过程中我会加倍努力。由于本人水平很是有先限，因此这个控制系统还有很多不足之处有待改进。

再次感谢汤皎平、金文兵、黄永忠老师与同学们。

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参 考 文献

1) 过程控制系统，陈夕松 汪木兰，科学出版社，2005

2) 组态软件控制技术，覃贵礼 吴尚庆，北京理工大学出版社，2007 3) 控制系统数字仿真与监控组态软件应用，童启明，科学出版社，2006 4) 计算机过程控制系统，刘宝坤，机械工业出版社，2001 5) 组态控制技术，袁秀英，电子工业出版社，2003 6) 过程可视化组态软件应用技术，马正午，机械工业出版社，2006

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/tr92.html