水箱液位控制课程设计

引言

根据课程设计要求，本组成员在2012年5月14日至20日期间，在冶金馆四楼的工业流程自动化实验室进行了为期一周的课程设计实验。

本次课程设计，我们组选择的基本题目是单容水箱液位控制系统的设计，提高部分为单容水箱的串级控制系统的设计及双容水箱解耦控制系统的设计。经过整整一周的实验后，我们组在完成了本次课程设计的基本题目，即单容水箱液位控制系统的设计后，继续完成了串级控制系统，并取得了不错的控制效果。

本文详细记录了一周内的实验内容、结论。同时，由于设计经验及知识储备的不足，我们在实验中遇到了很多意料之外的问题，最后通过认真分析、查阅资料及咨询老师学长，也都有了相应的解决方案。对此，本文也做了相应的总结。

全文一共分为介绍部分的序章及实验部分的四章总结部分一章。其中，序章主要介绍了此次课程设计实验系统，第一章介绍了检测仪表的标定与调试及执行器的特性测试；第二章介绍了二号水箱被控对象模型的建立；第三章主要介绍了单容水箱单回路控制系统的设计；第四章主要介绍了单容水箱串级控制系统的设计。其中，第三章是基本的实验要求内容，第四章的串级控制是提高部分内容。最后，本文总结了本次课程设计的体会与收获。

本次课程设计过程，得到了王良勇、潘全科老师及吕阁学长的耐心指导和帮助，在此一并深表感谢！

本组所有成员2012年5月16日

目录

一、序章

1.1 系统描述

本实验使用多功能过程控制科研教学装置，它主要包括上位机监控软件平台和实验系统硬件平台两部分，液位的给定由上位机监控软件给出，通过以太网络传输到硬件平台的实验控制器中，实际液位信号经过液位传感器进行测量反馈，控制器根据给定高度和实际高度的误差产生控制信号，对水泵进行控制。

1.2 硬件平台

单容水箱液位系统硬件平台即多功能过程控制实验平台，如图所示：

多功能过程控制平台具有嵌入式专用控制器，手控盒，四个温度传感器，三个流量传感器，两个液位传感器，一个压力传感器，两个过程水箱，两个水泵，一个比例阀门，一个加热水箱，一个蓄水箱和加热器以及散热器和搅拌器等。多功能过程控制平台可以进行从简单到复杂的多种实验，包括多种温度控制、压力控制、液位控制和流量控制的实验，并且有很强的易用性。它具有以太网接口，可实现实时计算机网络化远程控制。而且，内部的嵌入式专用控制器和MATLAB 软件具有无缝接口，可以在Simulink中搭建算法模型，编译链接形成控制器可读的文件（.dlm）并下载到控制器中实时运行，不需要底层代码的编写，从而大大提高了工作效率。

这里对单容水箱液位系统中的执行机构和检测机构的特性予以简单的介绍。

（1）检测机构：Honeywell的26PC型压差传感器

压差型传感器通过一定的设计结构或按规定安装，把压力前后相

差的变转换传感器内置压敏原件的变化，再把由压敏元件形变产生的微弱输出信号进行处理调制或通过数模转换和芯片运算处理，输出模拟信号或数字信号。

本实验使用Honeywell的26PC型压差传感器作为液位传感器，根据水箱内水的上下表面压力差进行折算得到相应的液位从而进行反馈。26PC差压传感器的压力范围是1psi，量程14.7mV错误！未找到引用源。18.7mV，灵敏度为16.7mV/psi，最大过压为20psi。

（2）执行机构：TOTTON PUMPS的DC15/5型磁耦合离心泵

离心泵之所以能把水送出去是由于离心力的作用。在工作前，水泵和进水管必须灌满水形成真空状态，当叶轮快速转动，叶片促使水快速旋转，旋转着的水在离心力的作用下从叶轮中飞出，泵内的水被抛出后，叶轮中心部分形成真空区域。水在大气压力或水压的作用下，通过水管压到了进水管内，这样循环就可以实现连续抽水。需要注意的是，离心泵启动前一定要向泵壳内充满水后，方可启动，否则水泵产生“空转”，产生震动、造成泵体发热，无水流出，对水泵造成损坏。

本实验使用TOTTON PUMPS的DC15/5型水泵，其采用磁耦合设计，能够防止漏液，输入电压为12V DC，最大体压1.4bar，最大容积

15L/min，最大水泵扬程为6m，电机输出功率25W，工作温度-20度~+85度。

1.3 上位机监控软件平台

上位机监控软件主要包括两部分：用于编写控制程序的MATLAB

中的simulink软件包和用于监控作用的EasyControl系列实验软件。（1）Simulink软件包

Simulink软件包是Math Works公司开发的系统仿真软件。Simlink提供了强大的可视化建模功能，可以拖拉软件包提供的模块的方式，快速的建立系统的模型，病对搭建的系统模型进行仿真。Simulink可以与MATLAB无缝连接，所有仿真数据可以在MATLAB工作空间中显示并调用，突出了MATLAB分析运算的功能，可使得系统仿真数据的分析更加直观，更加准确。而且，Simlink中的模块不仅具有仿真能力的模块，还能够进行系统仿真操作，并生成代码进行系统实现的多功能模块。这样就直接解决了传统的系统开发方法带来的系统设计仿真和系统显示互相分离的问题，提高了系统开发的效率，方便了开发人员的操作。

（2）EasyControl实验软件介绍

EasyControl系列实验软件由东大智能公司自主研发的。该软件的特点是可以通过MATLAB软件的Simulink工具包完成控制器的搭建，并快速实现实时代码的自动产生，使设计和改变参数更加方便、快速，便于反复实验。此外，EasyControl软件不但可以实时的观察系统运行曲线，并可以对参数进行保存和读取，极大地方便了调试工作，提高了效率。

EasyControl软件具有如下的特点：

（1）用于开放式结构的快速控制原型开发、硬件样机在线测试，可以有效地缩短开发周期，保证系统柔性；

（2）由于可以采用实时在线测试，应用于难以精确数学模型的系统，可以降低建模和控制器的设计难度；

（3）与MATLAB系统的无缝集成，便于开发者使用MATLAB中的各种先进算法；

（4）该软件通过与TCP/IP网络的集成性，可应用于网络控制，远程设置控制方案，便于调试和升级。