单容水箱液位控制

湖南工程学院

课 程 设 计

课程名称 专业综合课程设计 课题名称 单容水箱液位控制

,

专 业

班 级

学 号

姓 名

指导教师

2014年6月23

日

湖南工程学院

课程设计任务书

/

课程名称专业综合课程设计

课题单容水箱液位控制

专业班级

学生姓名

学号

指导老师

审批

&

任务书下达日期2014年6月23日

任务完成日期2014年7月4日

目录

第1章设计目的 0

第2章系统总体设计方案 (1)

~

液位控制的实现 (1)

被控对象 (1)

水箱建模 (1)

第3章仪器设备 (4)

控制器 (4)

执行器 (4)

检测变送 (4)

第4章系统结构框图与工作原理 (6)

课设原理说明 (6)

PID控制原理 (6)

*

第5章MCGS组态软件设计 (8)

第6章调试 (11)

第7章课程总结 (12)

第8章参考文献 (13)

课程设计评分表 (14)

"

第1章设计目的

课程设计旨在使学生在深入消化课堂教学内容的基础上，综合应用所学课程的基本原理与方法，解决实际设计与应用问题，提高学生分析问题与解决问题的能力，并在设计工作中，学会查阅资料、系统设计、调试与分析、撰写报告等，达到综合能力培养的目的。

1.根据自动控制系统的设计要求，学会方案比较和论证，初步掌握工程设计的基本方法；

2.掌握各种变送器以及自动化仪表的工作原理和调校；

3.掌握自动控制系统集成技术；

4.掌握控制系统的通信技术，学会PCI数据采集卡或远程数据采集模块的应用；

5.应用MCGS软件，学会控制算法的设计和调试；

6.熟悉MCGS组态软件，学会监控界面、通信驱动程序等的设计；

7.提高总结归纳、撰写设计报告的能力，应当规范、有条理、充分、清楚地论述设计内容和调试成果。

第2章系统总体设计方案

液位控制的实现

本设计中以液位控制系统的水箱作为研究对象，水箱的液位为被控制量，选择了出水阀门作为控制系统的执行机构。本设计首先由差压传感器检测出水箱水位；水位实际值通过A/D转换器进行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，再将输出值传送通过D/A转换器转换成模拟信号,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。

被控对象

本设计探讨的是单容水箱的液位控制问题。单容水箱的流量特性：

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2V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。

水箱建模

这里研究的被控对象只有一个，那就是单容水箱（图2-3）。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。

设水箱的进水量为Q1，出水量为Q2，水箱的液面高度为h，出水阀V2固定于某一开度值。若Q1作为被控对象的输入变量，h为其输出变量，

则该被控对象的数学模型就是h 与Q1 之间的数学表达式。

根据动态物料平衡关系有 12dh

Q Q C

dt -= （2-1）

将式（2-1）表示为增量形式

12d h

Q Q C

dt ∆∆-∆= （2-2）

式中，1Q ∆、2Q ∆、h ∆——分别为偏离某一平衡状态10Q 、20Q 、0h 的增量；C ——水箱底面积。

在静态时，1Q =2Q ；dh dt =0；当1Q 发生变化时，液位h 随之变化，阀2V 处的静压也随之变化，2Q 也必然发生变化。由流体力学可知，流体在紊流情况下，液位h 与流量之间为非线性关系。但为简化起见，经线性化处理，则可近似认为1Q ∆与h ∆成正比，而与阀2V 的阻力2R 成反比，即

22

h Q R ∆∆=

或

22

h R Q ∆=

∆ （2-3）

式中，2R 为阀2V 的阻力，称为液阻。 将式（2-3）代入式（2-2）可得

221d h

R C

h R Q dt ∆+∆=∆ （2-4）

在零初始条件下，对上式求拉氏变换，得：

2012()()()11R H s K G s Q s R Cs Ts =

==

++ （2-5）

式中，T=R2C 为水箱的时间常数（注意：阀V2的开度大小会影响到水箱的时间常数），K=R2为过程的放大倍数。令输入流量1()Q s =0/R s ，0R 为常量，则输出液位的高度为：

000

()(1)1/KR KR KR H s s Ts s s T =

=-

++ (2-6)

即 1

0()(1)t T

h t KR e -=- （2-7） 当t →∞时，0()h KR ∞= 因而有

0()h K R ∞=

=输出稳态值

阶跃输入

（2-8）

当t=T 时，则有

100()(1)0.6320.632()

h T KR e KR h -=-==∞ （2-9）

式（2-7）表示一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数，如图2-2所示。由式（2-9）可知该曲线上升到稳态值的%所对应的时间，就是水箱的时间常数T 。该时间常数T 也可以通过坐标原点对响应曲线作切线，此切线与稳态值的交点所对应的时间就是时间常数T 。

0.63h h h 图2-3 阶跃响应曲