液位控制设计.doc

1、自动控制系统课程设计设计题目：单回路控制系统前馈反馈系统的设计班 级： 学 号： 姓 名： 指导教师： 设计时间：2013 年 7 月 1 号2013 年 7 月 19 号 摘要本文阐述了水位单回路控制系统与前馈反馈控制系统的工作原理与设计方法，并详细介绍了两种控制方案各自的优缺点与适用场合。针对两种水位控制系统的设计，从软硬件两方面介绍其实现方法，最终在西门子 S7300 上利用 step7 编程设计完成了水位控制。本文首先介绍了国内外控制技术的发展现状，向读者展现了过程控制技术对于国民生产的重要性，接着介绍了过程控制领域尚未解决的难题。而后针对要解决的问题设计了两种方案并得到了其可行性结论

2、，在此基础上进行系统设计、原理分析、设备选型、设备接线等工作，在此期间，本文既采用文字描述又通过绘制原理图与方框图进行描述。最后，在西门子 PLC 上编程进行实际操作。经验证后，证明所设计的控制系统可以达到预期目的。关键词：水位控制、西门子 PLC、控制系统1.1 设计目的1.进一步熟悉西门子 PLC 的工作原理及使用方法。2.掌握水位控制系统的设计与调试方法。1.2 设计内容本课程设计是以自动化专业过程控制系统课程为背景，充分利用过程控制实验室的现有实验条件，针对水位这一过程控制中非常普遍的控制对象（被控参数）进行控制系统设计。1.3 设计要求1.控制系统可行性分析。通过进行背景调查最终得出

3、控制系统可行的结论，给以下设计提供肯定的支持。2.控制原理分析与设计。得到可行结论后，开始对控制系统原理方案进行详细的分析与设计，根据所设计系统的特点，参考实例、对水位控制系统进行设计。3.控制系统设备选型。根据系统需要确定设备数量和功能等要求，在多种设备中选择性能最适合设计需要的仪表设备型号，最后根据设备型号与设备说明书、端子说明进行接线图的绘制。4.控制系统检测控制原理图。包括：控制系统检测控制原理图与控制系统方框图。5.控制系统接线图。目录摘要 .21.1 设计目的 .31.2 设计内容 .31.3 设计要求 .32.1 控制系统可行性分析 .52.1.1 国内外控制水平发展及现状 .5

4、2.1.2 过程控制难点及目前解决程度 .62.1.3 拟采用控制方案的特点及概述 .72.1.4 所设计系统的可行性结论 .82.2 控制原理分析与设计 .92.2.1 水位单回路控制系统 .92.2.2 水位单回路控制过程描述 .102.2.3 水位前馈反馈控制系统 .112.2.4 水位前馈反馈控制过程描述 .122.2.5 检测参数选择和控制参数选择 .132.3 控制系统设备选型 .132.3.1 实验装置 .132.3.2 CPU.152.3.3 模拟量输入模块 .182.3.4 模拟输出模块 .192.3.5 QS 智能型电动调节阀 .212.3.6 电磁流量计 .222.3.7

5、 设备清单 .222.3.8 软件选型 .232.4 控制系统接线图 .24心得体会 .25参考文献 .272.1 控制系统可行性分析2.1.1 国内外控制水平发展及现状20 世纪 40 年代以后，工业生产过程自动化技术发展很快，尤其是近些年来，在 IT 技术的带动下，过程控制技术发展十分迅猛。过程控制装置与系统的发展大致分为以下几个阶段：（1）局部自动化阶段（20 世纪 50-60 年代）这个阶段的过程控制系统大多数是单输入-单输出系统；被控参数主要有温度、压力、流量和物位；控制的目的是保持这些工艺参数的稳定，确保安全生产。生产的规模比较小，多用气动仪表实现就地的简单控制。到 20 世纪 5

6、0 年代后期至 60 年代，先后出现了气动和电动单元组合仪表，采用了集中监控与集中操作的控制系统，实现了工厂仪表化和局部自动化。（2）集中控制阶段（20 世纪 60-70 年代）这时的过程控制系统大量采用单元组合仪表和组装式仪表，生产过程实现了车间范围和大型系统的集中监控。为了提高控制质量和满足特殊工艺的控制要求，开发使用了多种复杂控制系统方案。特别是前馈控制、选择控制的实现，使过程控制品质、安全性大为提高。（3）集散控制阶段（20 世纪 70 年代中期至今）此时的大型生产过程一般都是分散系统，这样可以使生产过程控制分散进行，将发生故障和危险的风险分散。基于“集中管理，分散控制”理念，在数字仪

7、表和计算机与网络技术基础上开发的集散型控制系统在大型生产过程控制中得到广泛应用。过程控制系统的结构也由单变量控制系统发展到多变量系统，由生产过程的定值控制发展到最优控制、自适应控制等。到了 20 世纪 90 年代以后，过程控制系统的开放性、兼容性和现场仪表与装置的智能化水平发生了质的飞跃。工厂自动化、计算机集成过程控制、计算机集成制造系统、和企业资源综合规划、等方案的规章和实施，正在成为提高工业生产过程经济效益的关键手段。2.1.2 过程控制难点及目前解决程度过程参数的未知性、时变性、随机性、分散性；过程时滞未知性和时变性；系统严重的非线性； 各变量间的关联性；环境干扰的未知性、多样性和随机性

8、。上述特性，因其属于不确定性过程控制，其控制难度是非常大的。 目前，针对在模型不确定情况下达到满意品质指标的方法主要有如下 3 种：1. 鲁棒控制策略：由于鲁棒控制方法给出的是一个确定性的控制律, 加上设计可以离线进行, 对计算量的要求也不高, 因此易于实现。只是因为所得到的控制律要求对所有允许的不确定性都适用, 这样所得到的结果往往比较保守。2. 模糊控制策略：其突出的特点在于, 一方面控制系统的设计不要求知道被控对象的精确数学模型, 只需要提供现场操作人员的经验知识及操作数据; 另一方面由于控制系统的鲁棒性强, 适应于解决常规控制难以解决的非线性、时变及滞后系统等。3. 神经网络控制策略：

9、计算机的大量使用不仅可以实现如自适应、鲁棒控制等策略中的控制算法, 而且通过离线的CAD 方法还可以实现基于经验的搜索而得到具鲁棒的控制结构, 从而使不确定性控制系统的控制策略更具实际意义。综上所述，针对模型不确定情况下达到满意品质指标的方法各有各自的优缺点，至今还未找到一种方法可以完全解决该问题。2.1.3 拟采用控制方案的特点及概述本小组拟采用单回路控制及前馈反馈控制两种控制方案，调节器均为 PI 调节器。单回路控制系统：针对一个过程参数，采用一个控制器和与之配套的检测元件及变送器和执行器都只有一个的简单控制系统，它只有一个输入信号和一个输出信号，与过程中的其他参数没有或极少有关联，是生产

10、过程中应用十分广泛的基本控制系统。一般来说，只有单回路控制系统不能满足生产过程控制要求时，才有必要采用其他复杂的控制系统。前馈反馈：将那些反馈控制不易克服的主要干扰进行前馈控制，而对其它的干扰进行反馈控制。这样，既发挥了前馈校正作用及时的优点，又保持了反馈控制能同时克服多个干扰并对被控量始终给予检验的长处。前馈反馈控制系统有如下优点：1)由于反馈回路的存在，不仅可以降低对前馈补偿器精度的要求，为前馈补偿器的工程实现提供有利的理论依据；同时，对于工况变动时所引起对象非线性特性参数的变化也具有一定的自适应能力。 2)前馈控制器的特性，不但取决于过程扰动通道及控制通道特性，还与反馈控制器的控制规律有

11、关。 3)而前馈-反馈系统因它兼有前馈及反馈控制的优点，所以在一定程度上克服了控制精度与稳定性的矛盾，故能显著地改善控制系统的品质。2.1.4 所设计系统的可行性结论根据实验室水箱液位控制过程较为简单，异于工厂中的复杂设备的特点，考虑所设计系统的实用性、可靠性、灵活性等要求，选用了单回路控制系统与前馈、反馈控制系统两种方案，完成后可实现控制水箱液位的预期目标。鉴于液位控制工程对自动化水平要求较高，系统设计首先应考虑稳定可靠；其次，由于实验室水箱设备复杂程度不及工业实际设备，因此选择系统构成灵活、易于扩展、编程简单、使用方便的西门子 PLC 最为合适；此外，本小组在对所设计系统中的设备进行选型时

12、多采用实验室已有的设备，无需或很少选用其他设备，从经济角度来看，我们节约了一定的设计成本。其中，西门子 PLC 完成工艺流程的回路控制和检测并实现对整个流程的编程、监控、操作等功能。2.2 控制原理分析与设计2.2.1 水位单回路控制系统系统为由被控对象、执行器、调节器和测量变送器组成的单闭环控制系统。系统的给定量为某一定值（此次试验给定量为 15cm） ，要求系统的被控制量稳定于给定量。如图 3-1 所示为水位单回路控制系统工艺图。水槽MF T1 0 2L T1 0 1图 2-1 水位单回路控制系统工艺图过程控制系统由四大部分组成，分别为控制器、调节器、被控对象、测量变送。本次设计为单回路控

13、制，即为闭环控制系统，如图 3-2 所示。P I 控制 器电动调节阀水箱水位检测变送_水位给定水位图 2-2 水位单回路控制系统框图2.2.2 水位单回路控制过程描述当西门子 PLC 与电脑、水箱连接后，首先在 PLC 中设定给定量为10cm，然后启动 PLC 与其他相关设备，水泵将水注入到水箱中，此时由于水箱中水量较少（水位较低）所以给定量与反馈量的差值较大即系统输入值较大，使进水阀门开度较大，从而使进水很快。一段时间后，当给定值接近反馈值时，系统的输入值变小，进水阀门开度减小（接近出水阀开度） ，使得实际水位逐渐逼近预期水位。当反馈值大于给定值时，系统输入为负，使得进水阀门开度减小到小于出

14、水阀门即进水量小于出水量，在此作用下，水箱的实际水位将重新趋近于预期水位。如此重复若干回合后，水箱中的水位便被稳定控制在 10cm 处。当水箱受到扰动时例如水箱底部损坏出现漏水，此时水箱内水位会低于给定值。水位降低通过反馈回路反馈给 PLC，PLC 通过增加系统的输入量使得进水阀门开度增大，水位将接近给定值，与前述情况类似，水位经过在给定值附近若干次振荡后，最终重新稳定在给定值。2.2.3 水位前馈反馈控制系统在前馈反馈控制系统中，将那些反馈控制不易克服的主要干扰进行前馈控制，而对其它的干扰进行反馈控制。这样，既发挥了前馈校正作用及时的优点，又保持了反馈控制能同时克服多个干扰并对被控量始终给予检验的长处。系统为由被控对象、执行器、调节器、前馈补偿器和测量变送器组成的前馈反馈控制系统。系统的给定量为某一定值（此次试验给定量为10cm） ，要求系统的被控制量稳定于给定量。如图 2-1 所示为水位前馈