双容水箱要点解析.doc

 目 录 摘 要 Ⅰ 2 被控对象建模 2 2.1 水箱模型分析 2 2.2 阶跃响应曲线法建立模型 3 3 系统控制方案设计与仿真 7 3.1 液位串级控制系统介绍 7 3.2 PID控制原理 7 3.3 系统控制方案设计 10 3.4 控制系统仿真 12 4.2 仪表过程控制系统的组建 19 4.3 仪表过程控制系统PID参数整定 23 5 模拟计算机过程控制系统 25 5.1 计算机过程控制系统硬件设计 25 5.2 MCGS软件工程组态 28 6 结论 40   2被控对象建模 在控制系统设计工作中，需要针对被控过程中的合适对象建立数学模型。被控对象的数学模型是设计过程控制系统、确定控制方案、分析质量指标、整定调节器参数等的重要依据。被控对象的数学模型（动态特性）是指过程在各输入量（包括控制量和扰动量）作用下，其相应输出量（被控量）变化函数关系的数学表达式。在液位串级控制系统中，我们所关心的是如何控制好水箱的液位。上水箱和下水箱是系统的被控对象，必须通过测定和计算他们模型，来分析系统的稳态性能、动态特性，为其他的设计工作提供依据。上水箱和下水箱为THJ-2高级过程控制实验装置中上下两个串接的有机玻璃圆筒形水箱，另有不锈钢储水箱负责供水与储水。上水箱尺寸为：d=25cm,h=240mm;下水箱尺寸为：d=35cm,h=240mm，每个水箱分为三个槽：缓冲槽、工作槽、出水槽。 2.1水箱模型分析 图2.1液位被控过程简明原理图 系统中上水箱和下水箱液位变化过程各是一个具有自衡能力的单容过程。如图，水箱的流入量为Q1，流出量为Q2，通过改变阀1的开度改变Q1值，改变阀2的开度可以改变Q2值。液位h越高，水箱内的静压力增大,Q2也越大。液位h的变化反映了Q1和Q2不等而导致水箱蓄水或泻水的过程。若Q1作为被控过程的输入量，h为其输出量，则该被控过程的数学模型就是h与Q1之间的数学表达式。 根据动态物料平衡， Q1-Q2=A(dh/dt) ；△Q1-△Q2=A(d△h/dt) 在静态时，Q1=Q2，dh/dt=0；当Q1发生变化后，液位h随之变化，水箱出口处的静压也随之变化，Q2也发生变化。由流体力学可知，液位h与流量之间为非线性关系。但为了简便起见，做线性化处理得 Q2=△h/R2，经拉氏变换得单容液位过程的传递函数为W0(s)=H(s)/Q1(s)=R2/(R2Cs+1)=K/(Ts+1) 注：△Q1 ﹑△Q2﹑△h:分别为偏离某一个平衡状态Q10﹑Q20﹑h0的增量。R2:阀2的阻力 A:水箱截面积 T:液位过程的时间常数(T=R2C) K:液位过程的放大系数(K=R2) C:液位过程容量系数 2.2阶跃响应曲线法建立模型 在本设计中将通过实验建模的方法，分别测定被控对象上水箱和下水箱在输入阶跃信号后的液位响应曲线和相关参数。通过磁力驱动泵供水，手动控制电动调节阀的开度大小,改变上水箱/下水箱液位的给定量，从而对被控对象施加阶跃输入信号，记录阶跃响应曲线。在测定模型参数中可以通过以下两种方法控制调节阀，对被控对象施加阶跃信号： (1) 通过智能调节仪表改变调节阀开度，增减水箱的流入水量大小，从而改变水箱液位实现对被控对象的阶跃信号输入。 (2)改变调节阀开度,控制水箱进水量的大小，从而改变水箱液位，实现对被控对象的阶跃信号输入。 图2.1 水箱模型测定原理图 2.2.1上水箱阶跃响应参数： 记录阶跃响应参数(间隔30s采集数据): 表2.1上水箱阶跃响应数据 1 23.62 7 44.77 13 47.76 19 47.64 2 30.50 8 45.56 14 47.87 20 47.09 3 35.25 9 46.17 15 47.89 21 46.52 4 38.69 10 47.06 16 47.28 22 46.41 5 41.32 11 47.25 17 47.01 23 46.28 6 43.31 12 47.46 18 47.15 24 45.90 2.2.2下水箱阶跃响应参数： 记录阶跃响应参数(间隔30s采集数据): 表2.2下水箱阶跃响应数据 1 54.02 13 84.61 25 98.45 37 103.93 49 107.20 2 57.19 14 86.34 26 99.19 38 104.39 50 107.28 3 60.28 15 87.71 27 9