单容水箱液位控制系统与仪表设计任务书

专业方向课程设计课程设计任务书学生姓名：专业班级：指导教师：工作单位：信息工程系题目：单容水箱液位控制系统与仪表设计初始条件：1.给定用于设计单容水箱控制系统的各种仪表。

2.给出仪表的详细资料。

3.给出单容水箱液位定值控制系统的设计思路与整定方法。

要求完成的主要任务：一．设计任务1．给出单容水箱液位控制的原理图，并阐述原理。

2．对涉及的液位检测与控制仪表进行选型，并用图文方式阐述其工作原理。

3．对控制器的正反作用进行选择，并详细阐述其选择依据。

4．对控制器的控制规律机械选择，并说明其原理与选择依据。

5．设计其计算机监控界面，要求设计内容包括：项目建立过程、静态界面设计、数据词典建立、设备连接、动画连接。

6．对设计内容进行总结，完成设计报告，答辩。

二．说明书撰写要求1. 纸张格式：要求统一用A4纸打印，页面设置上空2.5cm，下空2.0cm，左空2.5cm，右空2.0cm）：2. 正文层次：正文内容层次序号为：1、1.1、1.1.1……，其中⑴．正文标题；一级标题1.（黑体小2号加粗），二级标题1.1（黑体小三号），三极标题1.1.1（黑体小四号）。

⑵．正文内容格式：宋体五号，1.25倍行距。

3. 正文内容一般包括：⑴．选题背景：说明本课题应解决的主要问题及应达到的技术要求；简述本设计的指导思想。

（设计目的中已有阐述）⑵．方案论证：说明设计原理并进行方案选择，阐明为什么要选择这个设计方案以及所采用方案的特点。

⑶．设计内容：对设计工作的详细表述。

要求层次分明、表达确切。

⑷．结果分析：对研究过程总所获得的主要的数据、现象进行定性或定量分析，得出结论和推论。

⑸．结论或总结：对整个研究工作进行归纳和综合。

⑹．参考文献：不少于5个，并应按文献号、作者、文献题名、出版地：出版社和出版年等顺序书写。

如：[1] 陈夕松,汪木兰. 过程控制系统(第二版). 北京:科学出版社,2001.1.4. 图纸（或其它）要求⑴．图纸要求：图面整洁，布局合理，线条粗细均匀，圆弧连接光滑，尺寸标注规范，要求使用计算机绘图。

⑵．曲线图表要求：①．所有曲线、图表、线路图、流程图、程序框图、示意图等不准徒手画，必须按国家规定标准或工程要求绘制（采用计算机辅助绘图）。

②．课程设计说明书（报告）中图表、公式一律采用采用阿拉伯数字连续编号。

图序及图名置于图的下方；表序及表名置于表的上方；说明书（报告）中的公式编号，用括号括起来写在右边行末，其间不加虚线。

三. 时间安排：2016年12月2日1 设计任务与目的1.1选题背景微电子技术和计算机技术的不断发展，引起了仪表结构的根本性变革，以微型计算机（单片机）为主体，将计算机技术和检测技术有机结合，组成新一代“智能化仪表”，在测量过程自动化、测量数据处理及功能多样化方面与传统仪表的常规测量电路相比较，取得了巨大进展。

智能仪表不仅能解决传统仪表不易或不能解决的问题，还能简化仪表电路，提高仪表的可靠性，更容易实现高精度、高性能、多功能的目的。

可编程控制器(Programmable Logic Controller---PLC)是一种应用广泛非常的自动控制装置，它将传统的继电器控制技术、计算机技术和通讯技术融为一体，具有控制能力强、操作灵活方便、可靠性高、适宜长期连续工作的特点，非常适合液位控制的要求。

这次课程设计基于智能仪表、可编程控制器（PLC）、组态软件的液位控制系统的设计方案。

系统采用PID算法，实现液位的自动控制。

1.2设计目的通过组态软件，结合实验室已有的设备，按照定值系统的控制要求，根据较快较稳的性能要求，采用单闭环控制结构和PID调节规律，设计一个具有美观组态画面和较完善组态控制程序的液位单回路过程控制系统。

1.3设计任务1. 给出单容水箱液位控制的原理图，并阐述原理。

2. 对涉及的液位检测与控制仪表进行选型，并用图文方式阐述其工作原理。

3. 对控制器的正反作用进行选择，并详细阐述其选择依据。

4. 对控制器的控制规律机械选择，并说明其原理与选择依据。

5. 设计其计算机监控界面，要求设计内容包括：项目建立过程、静态界面设计、数据词典建立、设备连接、动画连接。

2 系统结构设计及原理2.1控制仪表的选型智能仪表的工作过程如下：输入信号要经过开关量输入电路或模拟量输入电路进行变换、放大、整形、补偿等处理。

对于模拟量信号，需经A/D 转换器转换成数字信号，再通过接口送入微控制器。

由CPU 对输入数据进行加工处理、计算分析等一系列工作，通过接口送至显示器或打印机，也可输出开关量信号或经模拟量输出电路的D/A 转换器转换成模拟量输出信号。

还可通过串行接口实现数据通信，完成更复杂的测量和控制任务。

所以这次课程设计我们选择了智能仪表。

智能仪表由硬件和软件两大部分组成。

硬件部分包括微控制器及其接口电路、模拟量输入输出电路、开关量输入输出电路、数据通信接口电路、人机交互通道，以及其他外围设备。

智能仪表的软件，包括监控程序、中断服务程序以及实现各种算法的功能模块。

仪表的模块接线图如：图1 仪表的模块接线图本次设计是采用智能调节仪的PID 控制原理进行液位PID 闭环控制，采用痛过液位变送器采集实验水箱液位值，送入智能调节仪与设定值进行比较，控制智能仪表的模拟量输出，来控制水泵电压，达到控制液位的目的。

图2 控制系统框图液位信号 负载 水泵模块电压输入如图2所示，根据因为控制阀、被控对象和测量元件变送器均为正作用，所以控制器必须为反作用。

这样才能达到单闭环负反馈系统的控制效果。

2.2可编程控制器PLC即可编程逻辑控制器，英文全称是Programmable Logic Controller，是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。

它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

PLC以其可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、功能强大、性价比高、体积小、能耗低等显著特点广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。

PLC专为工业现场应用而设计，采用了典型的计算机结构，主要由中央处理器（CPU）、存储器（RAM、ROM）、输入输出单元（I/O接口）、电源及编程器等几大部分组成。

2.3控制器的选择及原理PID控制技术是在反馈思想被实际应用以后在工业应中发展起来的。

PID控制器早在一百年前就已经出现，经过长时间发展，已经有许许多多改进形式的PID控制器出现，但到目前为止没有一个PID控制器能够适用于所有控制场合。

PID控制器具有结构简单，鲁棒性强等特点，因此，今天它己经成为应用最广泛的控制技术，在石化，化工，造纸等工业领域，甚至有97%的常规控制器都是PID控制器。

工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。

PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而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。

即当我们不完全了解一个系统和被控对象﹐或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。

PID控制，实际中也有PI和PD控制。

PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。

实验时，可痛过设置P、I、D三个参数来选择不同的控制过程，（如：P调节、PI调节、PID调节）寻找最佳的控制方案及参数。

PID控制原理基于下面的公式，输出式比例项、积分项和微分项的函数M(t)=kc*e+kci∫edt+mintal+kc*del/dt输出=比例项+积分项+微分项M(t) PID回路的输出是时间函数K(c) PID回路的增益e PID回路的偏差Mintial PID回路输出的初始值2.3.1比例（P）控制及调节过程比例控制是一种最简单的控制方式。

其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。

当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。

在人工调节的实践中，如果能使阀门的开度与被调参数偏差成比例的话，就有可能使输出量等于输入量，从而使被调参数趋于稳定，达到平衡状态。

这种阀门开度与被调参数的偏差成比例的调节规律，称为比例调节。

比例调节规律及其特点：比例调节作用，一般用字母P来表示。

放大倍数是可调的，所以比例调节器实际上是一个放大倍数可调的放大器。

比例调节作用虽然及时、作用强，但是有余差存在，被调参数不能完全回复到给定值，调节精度不高，所以有时称比例调节为“粗调”。

纯比例调节只能用于干扰较小、滞后较小，而时间常数又不太小的对象。

2.3.2积分（I）控制及调节过程在控制器中必须引入“积分项”。

积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。

这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。

因此，比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。

对于工艺条件要求较高余差不允许存在的情况下，比例作用调节器不能满足要求了，克服余差的办法是引入积分调节。

因为单纯的积分作用使过程缓慢，并带来一定程度的振荡，所以积分调节很少单独使用，一般都和比例作用组合在一起，构成比例积分调节器，简称PI调节器，而且比例度不仅影响比例部分，也影响积分部分，使总的输出既具有调节及时、克服偏差有力的特点，又具有克服余差的性能。

积分调节规律及其特点：由于它是在比例调节（粗调）的基础上，有加上一个积分调（细调），所以又称再调调节或重定调节。

但是，积分时间太小，积分作用就太强，过程振荡剧烈，稳定程度低；积分时间太大，积分作用不明显，余差消除就很慢。

如果把积分时间放到最大，PI调节器就丧失了积分作用，成了一个纯比例调节器。

2.3.3微分（D）控制及调节过程在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。

自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。

其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后（delay）组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。

解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。

这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。