下载文档原格式
基于组态软件的液位单回路控制系统研究摘要: 通过组态软件，结合实验设备，按照定值系统的控制要求，依据较快较稳的性能要求，采用单闭环控制结构和PID控制规律，可以设计一个包含组态画面、并且应用组态控制程序的液位单回路模拟过程控制系统。
该文就是以工控组态软件MCGS为载体，为用户构建工业自动控制、系统监控功能的平台。
应用组态软件来检测、控制液位，设计简单，控制灵活，应用性很高。
关键词:液位单回路控制组态PID 调试工业控制深入各个领域，比如电力、冶金、石化、环保、交通、建筑等行业。
在各种控制领域中最基本的控制就是过程控制系统，即便是复杂、高水平的过程控制系统，基本的过程控制系统也要占70%以上。
基于组态软件的过程控制系统直观、简单、特别适用于教学。
1 液位控制系统硬件设计(图1）这是一个单回路反馈控制系统，它的控制任务是使水箱液位等于给定值所要求的高值；并设法减小或消除干扰，这种影响主要来自系统内部或外部（电机运行参数、仪表指示误差等等）。
当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的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，则会导致控制质量变坏，甚至会使系统不能正常工作。
因此，当一个单回路系统组成以后，如何整定好控制器的参数是一个很重要的实际问题。
一个控制系统设计好以后，系统的投运和参数整定是十分重要的工作。
2 组态软件应用设计2.1 数据库的创建新建MCGS工程文件，命名为“液位控制系统”。
在实时数据库窗口页创建数据对象，实时数据的定义一句工作需要可分为以下几部分：通信、控制变量和参数、控制方式、控制算法、存盘数据、报警等。
2.2 画面设计与动画连接2.2.1 液位控制系统流程根据工艺和功能要求设计，由水箱、传感器\变送器、控制器和执行器构成一个闭环控制系统。
2.2.2 系统流程制作与控件的动画连接应用绘图工具绘制水箱和储水箱：从对象元件库中选出显示仪表、调节阀、水泵、传感器和手动阀，插入到用户窗口；插入位图：PC机和RS-232转换器；从对象元件库插入水路管道，并在其上面覆盖有流动块；各电器元器件之间进行电气连接。
过程控制仪表一、课程说明课程编号：090011Z10课程名称：过程控制仪表/Instruments for Process Control课程类别：专业课学时/学分：32/2 (其中实验学时：4)先修课程：电路理论、模拟电子技术、数字电子技术、自动控制理论等适用专业：测控技术与仪器,电气工程及自动化教材、教学参考书：1.潘永湘、杨延西、赵跃编著.过程控制与自动化仪表.北京：机械工业出版社.2007年；2.林德杰主编.过程控制仪表及控制系统.北京：机械工业出版社.2009年；3.王再英,刘淮霞,陈毅静编著.过程控制系统与仪表.北京：机械工业出版社.2006年；4.潘永湘、杨延西、赵跃编著.过程控制与自动化仪表.北京：机械工业出版社.2007年二、课程设置的目的意义本课程是为测控技术与仪器等电气信息类本科专业的专业选修课程。
通过了解过程控制仪表的发展概况和分类方法，重点掌握包括变送器、调节器和执行器在内的模拟及数字式的调节仪表和装置，培养学生具有使用过程控制仪表和装置构成过程控制系统的能力，为学生后续课程和毕业设计以及今后的工作打下良好的基础。
三、课程的基本要求知识：了解过程控制仪表、系统的概念、组成、分类和发展概况；掌握变送器、执行器、单元控制器的基本工作原理和典型电路分析；掌握差压变送器、温度变送器的工作原理及智能变送器原理与使用方法；掌握防爆安全常识与防爆安全栅原理；掌握P、PI、PD、PID调节器的调节原理及特性；掌握基型PID调节器的工作原理及特性；掌握数字调节器设计方法与参数整定；掌握气动执行器和电动执行器的工作原理及使用方法。
能力：将过程控制仪表与装置及相关先修课程知识综合应用于一般工程问题，正确表达符合需求的工艺过程中参量测量问题及其转化测量问题的能力；依据功能与性能要求和应用环境提出可满足需求的系统解决方案，在学习、讨论和解决工业生产应用实际问题的过程中，积累经验知识并培养创新意识，提高发现、分析、解决问题的能力。
第一章绪论2.（1）解：图为液位控制系统，由储水箱（被控过程）、液位检测器（测量变送器）、液位控制器、调节阀组成的反馈控制系统，为了达到对水箱液位进行控制的目的，对液位进行检测，经过液位控制器来控制调节阀，从而调节1q （流量）来实现液位控制的作用。
系统框图如下：控制器输入输出分别为：设定值与反馈值之差()t e 、控制量()t u ；执行器输入输出分别为：控制量()t u 、操作变量()t q 1；被控对象的输入输出为：操作变量()t q 1、扰动量()t q 2，被控量h ；所用仪表为：控制器（例如PID 控制器）、调节阀、液位测量变送器。
2.（4）解：控制系统框图：被控参数：汽包水位控制参数：上水流量干扰参数：蒸汽流量变化第二章过程参数的检测与变送1.（1）答：在过程控制中，过程控制仪表：调节器、电/气转换器、执行器、安全栅等。
调节器选电动的因为电源的问题容易解决，作用距离长，一般情况下不受限制；调节精度高，还可以实现微机化。
执行器多数是气动的，因为执行器直接与控制介质接触，常常在高温、高压、深冷、高粘度、易结晶、闪蒸、汽蚀、易爆等恶劣条件下工作，选气动的执行器就没有电压电流信号，不会产生火花，这样可以保证安全生产和避免严重事故的发生。
气动仪表的输入输出模拟信号统一使用0.02~0.1MPa 的模拟气压信号。
电动仪表的输入输出模拟信号有直流电流、直流电压、交流电流和交流电压四种。
各国都以直流电流和直流电压作为统一标准信号。
过程控制系统的模拟直流电流信号为4~20mA DC，负载250Ω；模拟直流电压信号为1~5V DC。
1.（2）解：课后答案k h da w .c o m由式%1001×=CK δ可得:1=C K 比例积分作用下u ∆可由下式计算得出：()()mAdt dt t e T t e K u I c 3211140=+=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+=∆∫∫mAmA mA u u u 963)0(=+=+∆=经过4min 后调节器的输出9mA.2.（5）解：调节器选气开型。
当出现故障导致控制信号中断时，执行器处于关闭状态，停止加热，使设备不致因温度过高而发生事故或危险。
2.（6）解：（1）直线流量特性：10%：22.713.0100%74.62%13.0−×=50%：61.351.7100%18.57%51.7−×=80%：90.380.6100%12.03%80.6−×=线性调节阀在小开度时流量的相对变化量大，灵敏度高，控制作用强，容易产生振荡；而在大开度时流量的相对变化量小，灵敏度低，控制作用较弱。
由此可知，当线性调节阀工作在小开度或大开度时，它的控制性能较差，因而不宜用于负荷变化大的过程。
（2）对数流量特性10%：6.58 4.67100%40.90%4.67−×=50%：25.618.3100%39.89%18.3−×=80%：71.250.8100%40.18%50.8−×=对数流量特性调节阀在小开度时其放大系数v K 较小，因而控制比较平稳；在大开度工作时放大系数v K 较大，控制灵敏有效，所以它适用于负荷变化较大的过程。
（3）快开流量特性10%：38.121.7100%75.58%21.7−×=课后答案网 ww w.kh d50%：84.575.8100%11.48%75.8−×=80%：99.0396.13100% 3.02%96.13−×=快开流量特性是指在小开度时候就有较大的流量，随着开度的增大，流量很快达到最大，快开流量特性的调节阀主要用于位式控制。
第四章被控过程的数学模型1.(4)解:(1)由题可以列写微分方程组:1232233d h q q q Cdt h q R h q R ⎧∆∆−∆−∆=⎪⎪⎪∆∆=⎨⎪⎪∆∆=⎪⎩(2)过程控制框图(3)传递函数01()()/()G S H S Q S =0123()()/()1/(1/1/)G S H S Q S CS R R ==++2.(1)解:首先由题列写微分方程⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧∆−∆=∆∆=∆∆=∆∆=∆−∆∆=∆−∆2132322232121hh h R h q R h q dt h d Cq q dth d C q q 消去2q ∆、3q ∆，得：dth d CR h q 121∆=∆−∆课后答da w .c o mdth d C R h R h 2322∆=∆−∆可得：dth d CR h R h q ∆=∆+∆−∆32212则有：32122R R h q dt h d C h ⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛∆+∆−∆=∆消去中间变量2h ∆可得：dt q d CR q h R dt h d R R C dt h d R C 1312232232112∆+∆=∆+∆⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛++∆可得：()()()2232323101121R S R R C S R C S CR s Q s H s G +⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+++==第五章简单控制系统的设计1.(13)解:(1)只讨论系统干扰响应时，设定值0r T =。
由01 5.4K =,021K =, 1.48d K =,015min T ＝,02 2.5min T ＝，则被控对象传递函数：5.4(51)(2.51)T s s =−+扰动传递函数:5.41.48()7.992(51)(2.51)5.4()1(51)(2.51) 5.41(51)(2.51)d c cck T Y s s s F s k T s s k k s s ⋅⋅−+===+⋅−++⋅+⋅−+当10F ∆=， 2.4c K =时，则有：2()7.992()()12.5 2.511.96Y s G s F s s s ==++1122121223()()()()()()7.9921079.92()()()12.5 2.511.9612.5 2.511.96F Y s G s F s Y s G s F s T Y Y Y G s F F G s F s s s s s s⎧⎪=⋅⎪=⋅⎨⎪⎪=∆=−=−=⋅∆=⋅=++++⎩经过反拉氏变换之后可得出：系统干扰响应0.10.1() 6.682cos(0.9730)0.6867sin(0.9730) 6.682t t F T t e t e t −−=−⋅⋅−⋅⋅+a)同理可得出当10F ∆=，0.48c K =时，则：2()7.992()()12.5 2.5 1.5920Y s G s F s s s ==++12122327.9921079.92()()()12.5 2.5 1.592012.5 2.5 1.5920F T Y Y Y G s F F G s F s s s s s s=∆=−=−=⋅∆=⋅=++++经过反拉氏变换之后可得出：系统干扰响应0.10.1()50.2050.20cos(0.3426)14.65sin(0.3426)t t F T t e t e t −−=−⋅⋅−⋅⋅(2)只讨论系统设定值阶跃响应时，干扰输入0F =课后答案网 ww w.k h da w.c o m5.4()()()1(51)(2.51) 5.4c cr c ck T k Y s G s T s k T s s k ⋅===+⋅−++已知2r T ∆=a）当 2.4c K =时，325.42.4225.92()(51)(2.51) 5.42.412.5 2.511.96R r T G s T s s s s s s⋅=⋅∆=⋅=−++⋅++反拉氏变换：系统设定值阶跃响应：0.10.1() 2.167cos(0.9730)0.2227sin(0.9730) 2.167t t R T t e t e t −−=−⋅⋅−⋅⋅+b)当0.48c K =时,325.40.482 5.1840()(51)(2.51) 5.40.4812.5 2.5 1.5920R r T G s T s s s s s s⋅=⋅∆=⋅=−++⋅++系统设定值阶跃响应：0.10.1() 3.256 3.256cos(0.3426)0.9505sin(0.3426)t t R T t e t e t −⋅−⋅=−⋅⋅−⋅⋅⋅3）c K 对设定值响应的影响：增大c K 可以减小系统的稳态误差，加速系统的响应速度。
c K 对干扰的影响：增大c K 可以对干扰的抑制作用增强。
2.(6)解:由图可以得到，40τ=，023040190T =−=，()()039/1000 1.560.02/0.10.02K −==−⋯对象增益对应0111.56K ρ==，再查表得PI 控制器参数结果。
01.1401.1 1.560.361190T τδρ==××=；1 3.3 3.340132T τ==×=s1）液位变送器量程减小，由公式minmax minmax 0u u uy y yK −∆−∆=，此时Ymax 减小，y ∆不变，对象增益0K 放大1倍，相应ρ缩小1倍。
此时查表得到的δ应加大。
课后答案网 ww w.kh da w .c o m3.(1)解:1、被控参数：热水温度2、控制参数：蒸汽流量3、测温元件及其变送器选择：选取热电阻，并配上相应温度变送器。
4、调节阀的选择：根据实际生产需要与安全角度的考虑，选择气开阀；调节器选PID或PD 类型的调节器；由于调节阀为气开式（无信号时关闭），故v K 为正，当被控过程输入的蒸汽增加时，水温升高，故0K 为正，测量变送m K 为正，为使整个系统中各环节静态放大系数乘积为正，调节器c K 应为正，所以选用反作用调节器。
第6章常用高性能过程控制系统1.(12)解:1）画出控制系统的框图2）调节阀：气开形式；这是因为当控制系统一旦出现故障，调节阀必须关闭，以便切断蒸汽的供应，确保设备的安全。
3）主调节器：反作用方式；副调节器：反作用方式。
对于副回路，v k 气开为正，02k 为正，2m k 为正，所以有2c k 为正，即副调节器为反作用方式；对于主回路，v k 为正，01k 为正，1m k 为正，所以有1c k 为正，即主调节器为反作用方式。
1.(13)解:按4:1衰减曲线法测得数据，由表5-3（P162页）得：副调节器采用P 调节规律，查表得：2244%s δδ==主调节器采用PID 调节规律，查表得：%648.011==s δδ，min 33.01==s I T T ，min11.01==s D T T 2.(4)课后答案网 w.c o m解：1）前馈－串级复合控制系统:取进料流量)(s F 作为前馈信号，经前馈控制器输出控制作用到调节阀。
