单容水箱控制系统课程设计

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1、目录1.单容水箱设备组成及其工艺11.1单容水箱设备的组成11.2单容水箱设备的工作原理11.3液位控制系统中的PID算法控制22.单容水箱控制系统的硬件设计42.1电气原理图的设计43.单容水箱控制系统的软件设计53.1通信组态53.2变量组态63.3画面组态64.调试84.1单容水箱控制系统调试84.2液位、流量串级控制系统调试85.技术小结10参考文献11一、1.单容水箱设备组成及其工艺1.1单容水箱设备的组成单容水箱设备主要由以下几部分组成：（1）液位变送器：液位传感器是用来上位水箱和下位水箱的液位进行检测，采用工业用的D

2、BYG扩散硅压力变送器，本变送器按标准的二线制传输，采用高品质，低功耗精密器件，稳定性和可靠性大大提高。本传感器精度为0.5级，因为二线制，故工作时需串联24V直流电源。（2）电动调节阀：调节阀用于调节介质的流量、压力和液位。根据调节部位信号，自动控制阀门的开度，从而达到介质流量、压力和液位的调节。调节阀分电动调节阀、气动调节阀和液动调节阀等。调节阀由电动执行机构或气动执行机构和调节阀两部分组成。调节并通常分为直通单座式和直通双座式两种，后者具有流通能力大、不平衡办小和操作稳定的特点，所以通常特别适用于大流量、高压降和泄漏少的场合

3、。（3）变频器：变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。变频器实际上就是一个逆变器。它首先是将交流电变为直流电，然后用电子元件对直流电进行开关，变为交流电。一般功率较大的变频器用可控硅，并设一个可调频率的装置，使频率在一定范围内可调，用来控制电机的转数，使转数在一定的范围内可调。变频器广泛用于交流电机的调速中，变频调速技术是现代电力传动技术重要发展的方向，随着电力电子技术的发展，交流变频技术从理论到实际逐渐走向成熟。变频器不仅调速平滑，范围大，效率高，启动电流小，运行平稳，而且节能效果明显，所以

4、应用越来越广泛。（4）水泵：水泵是一种利用大气压强将低处的水汲往高处的机器,多半是以电动机作为动力。抽水的电动机泵通常把提升液体、输送液体或使液体增加压力,即把原动机的机械能变为液体能量从而达到抽送液体目的的机器统称为泵。在水泵出水口装有压力变送器，与变频器一起可构成恒压供水系统。（5）模拟量输入模块：模拟量输入模块可测量多通道交流电压、电流输入信号。（6）模拟量输出模块。1.2单容水箱设备的工作原理本实验系统的被控量为上小水箱的液位高度，实验要求中水箱的液位稳定在给定值。将压力传感器检测到的上小水箱液位信号作为反馈信号，在与给定

5、量比较后的差值通过调节器控制电动调节阀的开度，以达到控制水箱液位的目的。为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制，系统的调节器应为PI或PID控制。11首先由差压传感器检测出水箱水位；水位实际值通过单片机进行A/D转换，变成数字信号后，被输入计算机中；最后，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，再将输出值传送到单片机中，由单片机将数字信号转换成模拟信号。最后，由单片机的输出模拟信号控制交流变频器，进而控制电机转速，从而形成一个闭环系统，实现水位的计算机自动控制。本设计探讨的是单容水箱的

6、液位控制问题。为了能更好的选取控制方法和参数，有必要知道被控对象—上水箱的结构和特性。水箱的出水量与水压有关，而水压又与水位高度近乎成正比。这样，当水箱水位升高时，其出水量也在不断增大。所以，若阀开度适当，在不溢出的情况下，当水箱的进水量恒定不变时，水位的上升速度将逐渐变慢，最终达到平衡。由此可见，单容水箱系统是一个自衡系统。这里研究的被控对象只有一个，那就是单容水箱。要对该对象进行较好的计算机控制，有必要建立被控对象的数学模型。正如前面提到的，单容水箱是一个自衡系统。根据它的这一特性，我们可以用阶跃响应测试法进行建模。1.3液位

7、控制系统中的PID算法控制本设计采用的是工业控制中最常用的PID控制规律，内环与外环的控制算法采用PID算法，PID算法实现简单，控制效果好，系统稳定性好，外环PID的输出作为内环的输入，内环跟随外环的输出。在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。它结构简单，参数易于调整，在长期的应用中积累了丰富的经验。其常规PID控制系统原理框图如图1-3所示。积分比例微分被控对象+++u(t)e(t)r(t)+-c(t)图1-3PID控制系统原理框图PID控制器是一种线性控制器，它是根

8、据给定值r(t)与实际输出值c(t)构成控制偏差。（1-1)将偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）通过线性组合可以构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID控制器。它的控制规律为11(1-2)写成传递函数形式为(1-3)式中为比例系数；为积分时