基于MCGS的双容水箱液位监控系统设计 开题报告

毕业设计开题报告题目：基于MCGS的双容水箱液位监控系统设计学生姓名：学号：专业：测控技术与仪器指导教师：2014年04月23日1．文献综述1.1 液位控制系统的研究与应用背景及现状人们生活以及工业生产经常会涉及到水箱液位控制的问题，例如锅炉，食品加工，居民生活用水，污水处理等，在这个过程中仅仅靠人工来调节是远远不够的。

为了解决人工控制的控制准度低、控制速度慢、灵敏度低等一系列问题。

从而现在就引入了工业生产的自动化控制。

在自动化控制的工业生产过程中，一个很重要的控制参数就是液位。

一个系统的液位是否稳定，直接影响到了工业生产的安全与否、生产效率的高低、能源是否能够得到合理的利用等一系列重要的问题。

随着现在工业控制的要求越来越高，一般的自动化控制已经也不能够满足工业生产控制的需求，所以就又引入了可编程逻辑控制既PLC。

引入PLC使控制方式更加的集中、有效、更加的及时。

多容水箱液位控制系统是集计算机技术、自动化仪表技术、通信技术、自动控制技术为一体的多功能实验装置。

它的特点包括：结构简单、观察直观、组态灵活等。

基于以上的特点在该系统平台可以实施和开发各种相异的控制方案。

国内外许多学者和工程技术人员基于该类装置做出了重要的研究报告，验证了重要的理论成果和指导生产实践[7]。

1.3 双容水箱液位控制系统的工作原理控制系统如图１所示，采用单回路控制系统，实现对水箱液位（下水箱的液位H）的恒定控制。

当通过一旁通管道往上水箱注水或下水箱注水时，即给系统加入了干扰1或干扰2。

此时，下水箱的水位就会增加，从而偏离给定值（设定为15cm)。

液位检测变送器将信号转变为电信号（4-20mA）送入PLC中。

控制器PLC通过内部A/D模块将模拟信号转换为数字信号,再经过内部PID运算,输出模拟控制信号给电动执行器。

电动执行器在PLC的输出信号控制下，改变阀门的开度，从而调节流进上水箱的水流量，实现对水位的恒定调节，双容水箱液位控制的方块原理图如图2所示[1]。

设定值输出图2 双容水箱液位控制的方块原理图1.4常用的控制方案1.4.1 单回路控制系统单回路系统是指在一个调节对象上用一个PID调节来保持参数的衡定，而调节器只接受一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。

1.4.2 串级控制系统串级控制系统方框图，如图3所示。

该控制系统在结构上形成了两个闭环。

一个闭环在里面，被称为副回路；一个闭环在外面，被称为主回路，以最终保证被调量满足工艺要求。

这种由两个调节器串接在一起控制一个调节阀的系统就叫做串级控制系统。

主调节器具有自己独立的设定值，它的输出作为副调节器的设定值，而副调节器的输出信号则是送到调节阀去控制生产过程。

串级控制系统只比简单控制系统增加了一个测量变送元件和一个调节器，但是控制效果却有显著的提高，具有较好的控制性能，能够改善对象的动态特性，提高系统的工作频率，对负荷或操作条件的变化也有一定的自适应能力[2]。

如图3 串级控制系统方框图1.5 常用控制算法1.4.1 PID控制PID控制规律以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便成为工业控制的主要技术之一。

当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID 控制技术最为方便[3]。

(1)增量型PID 算法增量型PID 算法中调节器输出的是一个变化量，是当前计算值和上一次计算值得差，当控制回路稳定即偏差为零时控制器的输出也为零，它一般被用于控制步进电机。

其具体表达式如下：)]2()1(2)([)()]1()([)1()()(-+--++--=--=∆k e k e k e K k e K k e k e K k u k u k u d i p式中，△u(k)对应于两次采样时间间隔内控制阀开度的变化量，可通过步进电动机等累积机构，将其转换成模拟量。

采用增量式PID 控制算法时，可以从手动时的u(k-1)出发，直接计算出投入自动运行时控制器应有的输出变化量△u(k)，从而方便了手动自动切换。

另外，由于这种算法对偏差不加以累积，从而不会引起积分饱和现象。

因此，在实际中较多使用该算法。

(2)位置型PID 算法在过程控制中通常选用位置型PID 算法，其具体算法如下；∑∑==--++=∆--+∆+=ki D I c d k i c icc k e k e K i e K k e K t k e k e T K t i e T K k e K k u 00)]1()([)()()1()()()()( 式中，I K 为积分系数，t T K K ic I ∆=；D K 为微分系数，t T K K d c D ∆=；t ∆为采样间隔时间(也常用Ts 表示)。

注意到，u(k)不是控制器的输出的变化量，而是其实际的输出，经过数模(D/A)转换后的模拟信号与阀门的位置一一对应，故有位置式之称；每次需计算阀的绝对位置；控制器输出需与数字式控制阀连接，否则需经D/A 转换成模拟量，并需保持电路将输出信号保持到下一采样时刻；需采用必要措施来防止积分饱和及进行手动或自动切换。

在此，可以利用增量的概念对位置型算式作些改进，即可得位置型PID 控制算式的递推算法。

具体算法如下：)]2()1(2)([)()]1()([)1()()1()(-+--++--+-=∆+-=k e k e k e K k e K k e k e K k u k u k u k u d i p 1.4.2 模糊PID 控制将模糊控制器和传统的PID 控制器相结合实现对于双容水箱液位系统的控制，控制系统框图如图4所示。

图4 双容水箱液位模糊PID 控制系统图图中e 是液位给定值和测量值之间的误差，误差变化率ec=de/dt ，通过A/D 转换器得到数字信号，送给模糊PID 控制器进行处理，处理完后的预调整结果送给D/A 进行数字量和模拟量的转换，交给执行机构去推动上下水箱进行泄水或进水操作，最终实现使下水箱的液位等于给定值[4]。

1.4.3 神经PID 控制PID 控制要取得较好的控制效果, 就必须通过调整好比例、 积分和微分三种控制作用. 形成控制量中既相互配合又相互制约的关系, 这种关系不一定是简单的 线性组合 , 从变化无穷的非线性组合中可以找出最佳的. 神经网络所具有的任意非线性表达能力, 可以通过对系统性能的学习来实现具有最佳组合的PID 控制。

现阶段一般采用一种基于BP 神经网络PID 控制系统，充分利用神经网络具有非线性函数逼近能力，对PID 参数进行训练和整定。

通过仿真表明可以提高PID 控制质量及其鲁棒性，取得较好控制效果。

BP 神经网络的控制PID 器由2部分组成,:一部分是经典的PID 控制器，直接对被控制对象进行闭环控制，另一部分是神经网NN ；根据系统的运行状况在线自整定和优化PID 的3个参数。

BP 神经网络PID 控制系统结构如图5所示[5]。

图4 水箱液位BP神经PID控制器1.5控制系统的硬件液位控制问题是工业生产和日常生活中的一类常见问题，例如在饮料食品加工化工生产等多种行业的生产加工过程中都需要对液位进行适当的控制，并且在不同的系统中，稳定性相应快速性和鲁棒性的要求也不一样。

对液位的控制由最初的模拟仪表到今天广泛应用的PLC与DCS，控制要求与控制水平不断的提高[6]。

1.5.1 PLC控制PLC（可编程序控制器）由于其抗干扰能力强，可靠性高、通用性强、编程简单、功能强大、维护方便等特点，因此在许多行业的工业控制中得到广泛的应用。

现代PLC 的应用范围不局限于开关量的顺序控制，由于其功能指令越来越强大，可以实现很多复杂的控制算法，结合其硬件模块如模拟量输入、输出模块，在复杂的过程控制、运动控制中应用越来越广泛。

控制器PLC通过内部AD模块将模拟信号转换为数字信号再经过内容PID运算输出模拟控制信号给电动执行器电动执行器在PLC的输出信号控制下改变阀门的开度从而调节流进上水箱的水流量实现对水位的恒定调节,液位控制系统框图如图5所示[1]。

给定值输出图5 液位控制系统框图1.5.2 DCS控制集散控制系统是一种以微处理器为基础的分散型综合控制系统。

DCS综合了计算机技术、网络通讯技术、自动控制技术、冗余及自诊断技术等先进技术,采用多层分级的结构形式,适应现代化生产的控制与管理需求,目前已成为工业过程控制的主流系统。

但多数企业开发的DCS控制算法仍停留在常规控制阶段,因此进一步开发及挖掘其潜力具有重大的意义,其中先进控制的研究就是很重要的一部分。

DCS( 集散控制系统) 具有通用性强系统组态灵活控制功能完善数据处理方便显示操作集中人机界面友好安装简单规范调试方便运行安全可靠等特点，在过程控制的研究中有着极其重要的意义。

1.7 MCGS组态软件介绍计算机技术和网络技术的飞速发展，为工业自动化开辟了广阔的发展空间，用户可以方便快捷地组建优质高效的监控系统，并且通过采用远程监控及诊断等先进技术，使系统更加安全可靠，在这方面MCGS工控组态软件发挥着重要的作用。

MCGS (Monitor and Control Generated System) 软件是一套几基于Windows平台的32位工控组态软件，集动画显示、流程控制、数据采集、设备控制与输出、网络数据传输、工程报表、数据与曲线等诸多强大功能于一身，并支持国内外众多数据采集与输出设备,广泛应用于石油、电力、化工、钢铁、冶金、纺织、航天、建筑、材料、制冷、通讯、水处理、环保、智能楼宇、实验室等多种行业。

MCGS组态软件由“MCGS组态环境”和“MCGS运行环境”两个部分组成。

MCGS组态环境是生成用户应用系统的工作环境，由可执行程序McgsSet.exe支持，用户在MCGS 组态环境中完成动画设计、设备连接、编写控制流程、编制工程打印报表等全部组态工作后，生成扩展名为.mcg的工程文件，又称为组态结果数据库，其与MCGS 运行环境一起，构成了用户应用系统，统称为“工程”。

MCGS运行环境是用户应用系统的运行环境，由可执行程序McgsRun.exe支持,以用户指定的方式运行,并进行各种处理,完成用户组态设计的目标和功能。

1.6课题研究意义人们生活以及工业生产经常涉及到液位和流量的控制问题，例如饮料、食品加工，居民生活用水的供应，溶液过滤，污水处理，化工生产等多种行业的生产加工过程，通常要使用蓄液池。

蓄液池中的液位需要维持合适的高度，太满容易溢出造成浪费，过少则无法满足需求。

因此，需要设计合适的控制器自动调整蓄液池的进出流量，使得蓄液池内液位保持正常水平，以保证产品的质量和生产效益。

这些不同背景的实际问题都可以简化为某种水箱的液位控制问题。