青岛理工大学自动化工程学院
专业方向课程设计报告
题目：基于组态王的双储液罐单水位PID控制系统设计
专业自动化
班级121
姓名潘旭
学号201228195
指导教师王永秀
2016 年 1 月15 日
成绩
评语
摘要
本文主要实现基于组态王的双储液罐单水位PID控制系统，对上、下水罐的水位、下水罐温度进行检测，并将下水罐液位控制在给定值。通过对实验系统结构的研究，运用所学的MATLAB知识建立了单容水箱实验系统的数学模型，并对系统的参数进行了辨识，用工业控制软件组态王6.5，使其具有报警画面，历史曲线，实时曲线，报表画面。
关键词：双储液罐，PID控制系统，单容水箱，组态王6.5
Ⅰ
青岛理工大学课程设计
ABSTRACT
This paper based on the configuration of the double tank water level single PID control system ,make water tank water level, water tank temperature detection, and water tank level control at a given value.Through the study on the structure of the experimental system, use learned knowledge of MATLAB to establish a single volume tank experimental system mathematical model, and the parameters of the system are identified,use industrial control software kingview 6.5, enables it to have the alarm screen, historical curve, real-time curve, statements frame.
KEY WORDS: Double liquid storage tank,PID control system,single volume tank，Configuration king 6.5
Ⅱ
青岛理工大学课程设计
目录
摘要 (Ⅰ)
ABSTRACT (Ⅱ)
第1章绪论 (1)
第2章系统总体方案 (2)
2.1控制系统构成 (2)
2.1控制系统过程 (2)
第3章水箱建模及参数整定 (4)
3.1 水箱的建模过程 (4)
3.2 水箱液位的PID整定 (5)
第4章组态王6.5简介与操作界面的设计 (7)
4.1组态软件介绍 (7)
4.2基于组态王6.5的液位控制系统上位机部分设计 (7)
4.2.1上位机主控画面 (7)
4.2.2上位机功能画面 (9)
第5章结论与展望 (10)
致谢 (11)
参考文献 (12)
第1章绪论
随着现代科学技术的迅猛发展，工业生产的规模越来越大，结构也越来越复杂，从而使控制对象、控制器以及控制任务和目的日益复杂，而对系统的精度、响应速度和稳定性的要求却越来越高。但是，当前的学术理论研究缺乏实际背景的支持，先进理论的算法一旦应用到实际工业生产就会出现各种各样的问题，制约了其进一步的发展与应用[1]。在现阶段尚不具备在实验室中真实复现实际工业生产过程的条件下，利用具有典型对象特性的实验装置将是一件探索将理论成果转化为实际应用的有力武器。
课题研究的双储液罐水位控制系统实验装置是以水箱的液位为控制变量[2]，来模拟实际工业控制领域中的过程控制系统，该实验装置在国内外很多高校的实验室都有配备，其价值在于可为学生的自动控制理论课程和毕业设计提供便捷的实验平台。同时，该系统也可为相关科研人员在复杂的控制系统研究方面提供实际的模拟对象。
在本论文中，工控软件组态王6.5可有其他工控软件替代，使该实验装置实现了多种控制策略的实验，从而达到了增加该实验装置实验内容的目的；同时本课题中所提出的硬件和软件实现方法也具有较强的可移植性，可以应用推广到其他的教学实验装置的实验内容增加上，极具现实意义。
第2章 系统总体方案
2.1控制系统构成
本系统主要使用工控机和组态软件，使用三菱公司的FX2-48MR ，输入设备为ND-6018型智能模块。水位信号需要通过输入设备才能送入IPC ，IPC 发出的控制信号必须通过输出设备才能送到水泵。此外，为了将IPC 的RS232C 串行通讯总线转换为ND-6018智能模块需要的RS485通信总线，需要加一块ND-6520智能模块。两个ST-2001GP4BM1B2型扩散硅压力传感器，循水泵，调节阀，出水阀等主要器件组成。
水箱里面的水是靠水泵从水源抽水而来的，循水泵采用单相泵（带电容），正常使用电压为220V ，假定水箱高3m ，上限为2.6m ，下限为0.5m 。为了监控水箱的水位，必须依靠一定的检测设备对水箱水位这个重要参数进行检测。在这里选用ST-2001GP4BM1B2型扩散硅压力传感器[3]，量程为29.4kPa ，当水位为3m 时，输出电流为20mA ，当水位为0m 时，输出电流为4mA 。配电器的作用是为水位传感器提供24v 电源，同时将水位传感器与计算机接口进行了电气隔离，型号为DFP-2100。 稳压电源为配电器、水位传感器、智能模块、接触器提供24V 工作电源。稳压电源的型号为DFY-3110，最大输出电流为10A 。由于PLC 的输出触点容量较小（电流小于2A ），一般不能用于直接控制较大功率的电气设备，故需要外加接触器[3]，以便能够对水 泵进行控制。这里选用CZ18-40型直流接触器，其触头额定电压为440V ，额定电流为40A ，吸引线圈电压为24V 。
2.1控制系统过程 给定值+ -
图2.1系统控制图
控制器 执行器 下储液罐 压力变送器
利用组态软件控制整个系统，使它能够通过两个扩散硅压力变送器进行即时的水位检测。以当下罐水位较低时，上罐排水当下罐水位正常，不排水，不进水，下罐水位较高，单排水（下罐排水或上罐进水），停上罐进水的顺序：先关闭循环泵，延时1秒再关闭上罐进水阀，上罐进水的顺序：打开上罐进水阀，延时1秒再打开循环泵为控制策略，利用循环泵和四个电磁阀控制双罐水位，而且将下水罐的水位控制在给定值，当水位超出设定值时能自动启动关水阀。选取适当的PID调节参数[4]，实现液位的自动调节和控制。在这里利用组态软件的采集数据的功能，对水罐的水位进行实时监控，通过实际的数字和图表反映出现在的水位状况，生成水位参数的实时报表和历史报表。运行中，能人工输入水位给定值，并且具有手动控制和自动控制两种功能，可以在环境比较恶劣的条件下继续工作。
第3章 水箱建模及参数整定
3.1 水箱的建模过程
建立被控对象数学模型的方法主要有三种，分别是机理法、实验法、机理法与实验法相结合的混合法。机理法根据被控过程的内部机理，运用已知的静态或动态平衡关系，用数学解析的方法求取被控过程的数学模型。实验法是先给被控过程人为地施加一个输入作用，然后记录过程的输出变化量，得到一系列实验数据或曲线，最后再根据输入－输出实验数据确定其模型的结构（包括模型形式、阶次与纯滞后时间等）与模型的参数。混合法是机理演绎法与实验辩识法相互交替使用的一种方法，本设计采用机理法。
从机理出发，依据物料平衡和能量平衡的关系，用理论的方法推导被控对象的数学模型。本次建模采用无延时模型，单容水箱的模型如下图3.1所示：
H
Q i
Q o A
图3.1 单容水箱模型图
单容其流入量Qi ，改变阀1的开度可以改变Qi 的大小，其流出量为Qo ，它取决于用户的需要改变阀2开度可以改变Qo ，液位h 的变化反映了Qi 和Qo 不等而引起的储罐中蓄水或泄水的过程，如果Qi 作为被控过程的输入变量，h 为其输出变量，则该被控过程的数学模型就是h 与Qi 之间的数学表达式。
根据动态物料平衡关系，即在单位时间内贮罐的液体流入量与单位时间内贮罐的液体流出量之差，应等于贮罐中贮存量的变化率，故有
表示成增量形式则为
dt dh
A Q Q o =-i （3.1）
dt h d A Q Q o i ?=?-? （3.2）
i i Q Q ?+=0i Q （3.3）
o o o Q Q Q ?+=0 （3.4） h h h ?+=0 （3.5） 式中 ： ΔQi ,ΔQo,Δh ——分别为偏离某平衡状态Qi0,Qo0,h0的增量；A ——贮罐的截面积，假设为常量。假设Qo 与h 近似成线性正比关系，与阀门2处的液阻成反比关系，则
2R h Q o ?=
? （3.6） i 22Q R h dt
h d A R ?=?+? （3.7） 拉式变换： R2ASH(s)+H(s)=R2Qi(s) （3.8）
写成传递函数：
AS R R s Q s H s G 22i 1)()()(+== （3.9） 一般形式： 11)()()(22i +=+==
TS K CS R R s Q s H s G （3.10） T —过程的时间常数，T=R2C K —过程的放大系数，K=R2
C —过程的容量系数，C=A
3.2 水箱液位的PID 整定
本系统主要保持的恒定参数就是液位的给定高度，即控制的任务是控制下水箱液位等于给定值所需要的高度，这是一个闭环反馈单回路液位控制，采用工业智能仪表控制。当控制方案确定后，接下来就是整定调节器的参数，在一个单回路系统设计安装就绪后，控制质量的好坏就取决于参数值的选择了，合适的控制参数，可以带来满意的控制效果。反之，控制其参数选择的不合适，就会使控制质量变坏，达不到预期的效果。因此，当一个单回路系统组成好以后，系统的投运和参数整定就变成了一项非常重要的工作。取K 为10，T 为10，即
11010
)(+=s s G （3.11）
下面就是利用matlab 仿真模调试,反复调节PID 参数，最终得比较理想曲线，其中10=P K ，5.0=Ti ，1.0=Td 对应阶跃响应曲线。
P K —比例 Ti —积分 Td —微分
图3.2 理想PID 参数下的阶跃响应曲线
第4章组态王6.5简介与操作界面的设计
4.1组态软件介绍
组态（configuration）意思就是模块的任意组合，采用组态技术构成的计算机系统工控组态软件的出现，使得大型工业控制系统的组态编程变得十分得简单、容易，工程设计人员不用再设计那些复杂的应用程序（如I/O driver等）。工控组态软件的功能包括数据库生成、历史库生成、图形生成、报表生成、顺序控制功能、连续调节功能[5]。组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。组态软件应该能支持各种工控设备和常见的通信协议，并且通常应提供分布式数据管理和网络功能。
4.2基于组态王6.5的液位控制系统上位机部分设计
4.2.1上位机主控界面
本系统有手动/自动切换效果，手动增加总的进水量，主界面为监控界面，点击相应的按钮可以进入相应的界面。设计具有报警画面，历史及实时曲线，报表画面，各画面间能实现灵活切换，所有画面都能实现动画效果或数据或曲线显示。系统的主要监控界面如图4.1所示：
图4.1 监控画面
4.2.2上位机功能界面
（1）报警画面
当上水箱水位或下水箱水位或者下水箱的温度超过警戒值值，系统就会弹出报警画面，并可以实时记录本次报警实时值，记录于报警画面表格中，可以供使用者随时查询，并寻找报警原因，做出相应的调整，从而可避免系统出现故障，并使可以使系统长期工作在稳定状态，这也是上位机的重要用处之一，对于实际工作具有重要意义。
由于本上位机设计的报警功能采用弹出式，当被控变量超过警戒值即可弹出，在图4.1中已有显示。
（2）相应曲线
在监控界面可以设定相应水位值，点击自动控制按钮后，系统进入自动控制状态，由于在使用过程中，使用者有时需要观察此时被控变量实时变化或者历史变化，在这里即上水箱水位，下水箱水位及下水箱温度，本上位机设计了实时曲线画面以及历史曲线画面，实时曲线画面实时记录当前被控变量上水箱水位，下水箱水位及下水箱温度的实时变化，历史曲线则记录上水箱水位，下水箱水位及下水箱温度的历史变化信息，系统运行后，下水箱水位值以及下水箱温度值实时曲线，历史曲线如图4.2所示：
图4.2实时曲线及历史曲线
（3）报表查询
在使用者使用过程中，报表对于提供被控变量的当前或历史具体值提供了极大方便，在这里被控变量即上水箱水位，下水箱水位及下水箱温度，实时曲线和历史曲线只能观察被控变量的变化情况，而实时报表和报表查询则反映和记录被控变量的当前值和历史值在本上位机设计中，可以通过点击报表查询按钮，上位机即可以显示记录以来的报表实时数据，如图4.3所示：
图4.3 报表数据
第5章结论与展望
本文以双储液罐水箱液位控制系统中的下水箱为被控对象[2]，研究了该控制系统的单容与双储液罐对象模型，并针对两种对象模型建立了相应的数学模型，在建立合适数学模型的基础上，研究了针对双储液罐水箱数学模型的控制算法，即PID控制算法，进行了基于组态王6.5上位机远程控制的实验实现。
本文在提出总体设计方案的基础上，完成了系统的硬件和软件设计，应用程序的编写及调试，经实际运行验证，取得了满意的效果。目前的测试结果而结合远程监控的优势，具有较强的实用性。本系统的任务是在掌握了水位控制系统的基本组成原理的同时，并能掌握结合工程实际，根据生产设备所提出的技术指标组成，选择控制系统结构的思路和方法；另一方面在掌握水位手动控制和水位自动控制的思想上，能合理正确地选择和整定系统的硬件、软件的方法和手段。在信号检测电路和水位控制电路的实现上，既掌握目前的普及应用技术和正在发展的新技术，也掌握了智能功率集成电路、模拟电路以及目前应用广泛的各类器件及由这些器件组成的系统。能从工程实用的角度提出问题、分析问题和解决问题，通过本课题的学习，能胜任对电气传动控制系统的使用、维护和管理的工作。
致谢
本论文设计在王永秀老师的悉心指导和严格要求下业已完成，从课题选择到具体的写作过程，无不凝聚着王永秀老师的心血和汗水，在我课程设计制作期间，王永秀老师为我提供了种种专业知识上的指导和一些富于创造性的建议，没有这样的帮助和关怀，我不会这么顺利的完成课程设计，在此向王永秀老师和表示深深的感谢和崇高的敬意。同时，在论文写作过程中，我还参考了有关的书籍和论文，在这里一并向有关的作者表示谢意。我还要感谢同组的各位同学，在毕业设计的这段时间里，你们给了我很多的启发，提出了很多宝贵的意见，对于你们帮助和支持，在此我表示深深地感谢。
参考文献
[1]．邓秋连,彭辉. 先进理论在三容水箱液位控制系统建模中的应用计算机应用,2007
[2]．韩梅,李俊芬,赵科,张计科.基于T-S模型双容水箱的模糊PID控内蒙古工业大学学报,200
[3]．吴贺荣．过程控制系统及仪表实验指导书．青岛大学自动化工程学院
[4]．孙红英,颜德文,李斌.基于参数自整定模糊PID的三容水箱液位控制电气应用，2006
[5]．周兵林锦实．现场总线技术及组态软件的应用清华大学出版社2008
[6]．刘华波何文雪王雪组态软件及其应用机械工业出版社2010
[7]．Charles P. The Seismic Retrofit of the Golden Gate Bridge. PRC-US Workshop on Seismic Analysis and Design of Special Bridge, Houston: International Society for Experimental Hematology, 1974. 44～46