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1、温州职业技术学院毕业综合实践课题名称：双容水箱液位限制系统设计作者：学号：系别：电气电子工程系专业：电气自动化指导老师：专业技术职务2016年3月浙江温州课题摘要在工业生产中，液位限制通常具有滞后性、大惯性和时变性等特点，所以实现液位限制的快速性和稳定性，对于提高产品质量和生产效率有很重要的现实意义。本课题针对液位限制系统的特点与实现快速、稳定的液位限制在现实工业生产中的意义，设计了一个双容水箱液位限制系统。其中运用到传感器、采集卡检测液位，并采纳了PLC的AD/DA转换模块将数字量转换成模拟量输出。本系统PID参数在整定的设置和范围，使最终系统无稳态误差，无超量调整，各项指标均满足设计要求。
2、本系统实现简洁，硬件要求不高，且能对液位进行实时显示，具有限制过程的特殊性，本设计提出了一种基于PlD算法来实现双容水箱液位限制系统，主要是为了达到生产过程中对液位限制速度快，稳定性高等特点。关键词PlD限制传感器AD/DA转换1 绪论-4-1.1 课题的提出-4-1.2 国内外探讨现状-5-1.2.1 国外探讨现状-5-1.2.2 国内探讨现状-6-1.3 过程限制的发展过程-7-1.3.1 过程限制的发展-8-1.3.2过程限制策略与算法的进展-9-1.3.3传统过程限制存在的问题-10-1.4PID限制的发呈现状与意义-10-2水箱的数学建模-11-2.1 数学模型的介绍-11-2.2
3、数学模型的建立-12-2.2.1机理法-12-2.2.2试验法-13-2.3本文中水箱液位数学模型的建立-14-2. 3.1系统介绍-14-3. 3.2建立步骤-15-4. 3.3试验数据-16-3硬件设计-17-4.1 变频器-17-5. 1.1主回路-18-6. 1.2限制回路-20-7. 1.3变频器的选择-21-8. 1.4变频器的作用-22-3. 2压力传感器-22-3. 2.1工作原理-22-3.3电动调整阀-23-3. 3.1工作原理-23-4PID限制-23-4. 1比例（P）限制与调整过程-24-4.2 积分（I）限制与调整过程-24-4.3 微分（D）限制与调整过程-25-
4、5MCGS组态软件-27-5. 1MCGS简介-27-5. 2MCGS的构成-28-5. 2.1MCGS组态软件的系统构成-28-6. 2.2MCGS组态软件界面简介-29-5.3MCGS组态软件的功能和特点-30-5.4MCGS组态软件的工作方式-32-5.5画面的制作和编辑-33-5.5.1主页面-33-5.5.2模拟水流淌-34-5.5.3各个控件的制作-36-5.5.4水箱中液位变更的动画效果制作-37-结论-38-致谢-39-参考文献-39-1.1 课题的提出随着工业生产的飞速发展，人们对限制系统的限制精度、响应速度、系统稳定性与适应实力的要求越来越高。而实际工业生产过程中的被控对象
5、往往具有非线性、时线性、时延对象的先进限制策略，提高系统的限制水平，具有重要的实际意义。每一个先进、好用的限制算法的出现都对工业生产具有巨大的推动作用。然而，当前的学术探讨成果与实际生产应用技术水平并不是同步的，甚至相差几十年。在我国，越是高深的、先进的限制理论，其探讨越是局限于少数科研院所的狭小范围内，也越是远离了国民生产这个应用基地。最近几年，国内一些限制领域已接近甚或超越了国际水平，然而，就先进理论应用于工业生产等领域的状况来讲，与发达国家相比却存在较大差距。其缘由当然是多方面的。但是，一个很明显的缘由就是在于理论探讨尚缺乏实际背景的支持,理论的算法一旦应用于现场就会遇到各种各样的实际问
6、题，制约了其应用前景。在目前尚不具有在试验室中复现真实工业过程条件的今日，开发经济好用的具有典型对象特性的试验装置无疑是一条探究将理论成果转化为应用技术的捷径。本文所提与的水箱液位限制系统是我们在参考国内外试验装置并充分考虑性能价格比的基础上，自行设计的一种可以模拟多种对象特性的试验装置。该装置是进行限制理论与限制工程教学、试验和探讨的志向平台，可以便利的构成多阶系统。对象，用户既可通过经典的PlD限制器设计与调试，完成经典限制教学试验，也可通过模糊逻辑限制器的设计与调试，进行智能限制教学试验与探讨。水箱是较为典型的非线性、时延对象，工业上很多被控对象的整体或局部都可以抽象成水箱的数学模型，具
7、有很强的代表性，有较强的工业背景，对水箱数学模型的建立是特别有意义的。同时，水箱的数学建模以与限制策略的探讨对工业生产中液位限制系统的探讨有指导意义，例如工业锅炉、结晶器液位限制。而且，水箱的限制可以作为探讨更为困难的非线性系统的基础，又具有较强的理论性，属于应用基础探讨。同时，它具有较强的综合性,涉与限制原理、智能限制、流体力学等多个学科。1.2 国内外探讨现状随着人们生活质量的提高和环境的变更，“水”已经成为人们关注的对象！不管是生活用水，是工业用水，这都牵扯水的过程限制问题。将PID算法运用到水位限制系统中，不仅可以解决水塔的自动化给水问而且还可以合理、平安、节约的运用水资源，近而使居民
8、安家立业，使我国工业自动化不断的向前发展！1.2.1 国外探讨现状德国Amira自动化公司研制的水箱系统是闻名的智能试验设备之一，在国外很多高校和试验室都已得到了广泛的应用，国内也有包括清华高校、浙江高校、吉林高校等高校引进了Amira公司研制的水箱过程限制试验装置。但是，由于德国Amira自动化公司研制的水箱系统价格太高，给购置这个试验设备带来很多困难。也正是受其高价格的限制，目前，国内只是少数高校的部分试验室引进了这个设备,给基于水箱系统的算法探讨和仿真带来了困难。液位限制系统一般指工业生产过程中自动限制系统的被控变量为液位的系统。在生产过程中，对液位的相关参数进行限制，使其保持为肯定值或
9、按肯定规律变更，以保证质量和生产平安，使生产自动进行下去。液位过程参数的变更不但受到过程内部条件的影响，也受外界条件的影响，而且影响生产过程的参数一般不止一个，在过程中的作用也不同，这就增加了对过程参数进行限制的困难性，或者限制起来相当困难，因此形成了过程限制的下列特点：(1)对象存在滞后热工生产大多是在浩大的生产设备内进行，对象的储存实力大，惯性也较大，设备内介质的流淌或热量传递都存在肯定的阻力，并且往往具有自动转向平衡的趋势。因此，当流入(流出)对象的质量或能量发生变更时，由于存在容量、惯性、阻力，被控参数不行能马上产生响应，这种现象叫做滞后。(2)对象特性的非线性对象特性大多是随负荷变更
10、而变更，当负荷变更时，动态特性有明显的不同。大多数生产过程都具有非线性，弄清非线性产生的缘由与非线性的实质是极为重要的。(3)限制系统较困难从生产平安方面考虑，生产设备的设计制造都力求生产过程进行平稳,参数变更不超出极限范围，也不会产生振荡，作为被控对象就具有非振荡环节的特性。过程的稳定被破坏后，往往具有自动趋向平衡的实力，即被控量发生变更时,对象本身能使被控量渐渐稳定下来,这就具有惯性环节的特性。也有不能趋向平衡，被控量始终变更而不能稳定下来的，这就是具有积分的对象。任何生产过程被限制的参数都不是一个，这些参数又各具有不同的特性，因此要针对这些不同的特性设计相应不同的限制系统。1.2.2 国
11、内探讨现状国内也有一些厂家研制了水箱液位系统。GWT系列水箱液位限制试验装置由固高科技有限公司协同香港城市高校联合研制开发而成，并经过香港城市高校双年的实践检验，充分证明白其教学、试验和探讨价值。用户既可通过经典的PlD限制器设计与调试，完成经典限制教学试验，也可通过模糊逻辑限制器的设计与调试，进行智能限制教学试验与探讨。各种限制器的限制效果既通过水位的变更直观地反映出来，同时通过液位传感器对水位的精确检测，便利地获得瞬态响应指标，精确评估限制性能。开放的限制器平台，便于用户进行自己的限制器设计，满足创新探讨的须要。THJS-I型水箱对象系统试验装置由浙江天煌科技实业有限公司研制开发,它的出现
12、为各大专院校，科研院所从事自动限制理论学习、探讨与限制模型和算法探究的老师，科研人员与高年级本科生和探讨生供应了一个具体的限制对象。液位限制系统在国内各行各业的应用已经特别广泛,但从国内生产的液位限制器来讲，同国外的日本、美国、德国等先进国家相比，仍旧有差距。目前，我国液位限制主要以常规的PID限制器为主，它只能适应一般系统限制，难于限制滞后、困难、时变温度系统限制。而适应于较高限制场合的智能化、自适应限制仪表，国内技术还不特别成熟，形成商品化并广泛应用的限制仪表较少。由于工业过程限制的须要，特殊是在微电子技术和计算机技术的迅猛发展以与自动限制理论和设计方法发展的推动下，国外液位限制系统发展快
13、速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果，在这方面，以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的液位限制器与仪器仪表，并在各行业广泛应用。1.3 过程限制的发展过程过程限制是工业自动化的重要分支。几十年来，工业过程限制取得了惊人的发展，无论是在大规模的结构困难的工业生产过程中，还是在传统工业过程改造中，过程限制技术对于提高产品质量以与节约能源等均起着特别重要的作用。在现代工业限制中，过程限制技术是一历史较为久远的分支。在本世纪30年头就已有应用。过程限制技术发展至今日，在限制方式上经验了从人工限制到自动限制两个发展时期。在自动限制时期内，过程限制系统又经验了
14、三个发展阶段，它们是：分散限制阶段，集中限制阶段和集散限制阶段。从过程限制采纳的理论与技术手段来看，可以粗略地把它划为三个阶段：起先到70年头为第一阶段，70年头至90年头初为其次阶段，90年头初为第三阶段起先。其中70年头既是古典限制应用发展的鼎盛时期，又是现代限制应用发展的初期，90年头初既是现代限制应用发展的旺盛时期,又是高级限制发展的初期。第一阶段是初级阶段，包括人工限制，以古典限制理论为主要基础，采纳常规气动、液动和电动仪表，对生产过程中的温度、流量、压力和液位进行限制，在诸多限制系统中，以单回路结构、PID策略为主，同时针对不同的对象与要求，创建了一些特地的限制系统，如：使物料按比
15、例配制的比值限制，克服大滞后的Smith预估器，克服干扰的前馈限制和串级限制等等，这阶段的主要任务是稳定系统，实现定值限制。这与当时生产水平是相适应的。其次阶段是发展阶段，以现代限制理论为主要基础，以微型计算机和高档仪表为工具，对较困难的工业过程进行限制。这阶段的建模理论、在线辨识和实时限制已突破前期的形式,继而涌现了大量的先进限制系统和高级限制策略，如克服对象特性时变和环境干扰等不确定影响的自适应限制，消退因模型失配而产生不良影响的预料限制等。这阶段的主要任务是克服干扰和模型变更，满足困难的工艺要求，提高限制质量。1975年，世界上第一台分散限制系统在美国Honeywell公司问世，从而揭开
16、了过程限制崭新的一页。分散限制系统也叫集散限制系统，它综合了计算机技术、限制技术、通信技术和显示技术，采纳多层分级的结构形式,按总体分散、管理集中的原则，完成对工业过程的操作、监视、限制。由于采纳了分散的结构和冗余等技术，使系统的牢靠性极高，再加上硬件方面的开放式框架和软件方面的模块化形式，使得它组态、扩展极为便利，还有众多的限制算法（几十至上百种）、较好的人一机界面和故障检测报告功能。经过20多年的发展，它已日臻完善，在众多的限制系统中，显示出出类拔萃的风范，因此，可以毫不夸张地说，分散限制系统是过程限制发展史上的一个里程碑。第三阶段是高级阶段，目前正在来到。1.3.1 过程限制策略与算法的
17、进展几十年来，过程限制策略与算法出现了三种类型：简洁限制、困难限制与先进限制。通常将单回路PID限制称为简洁限制。它始终是过程限制的主要手段。PID限制以经典限制理论为基础，主要用频域方法对限制系统进行分析与综合。目前，PID限制仍旧得到广泛应用。在很多DCS和PLC系统中，均没有PID限制算法软件，或PlD限制模块。从20世纪50年头起先，过程限制界渐渐发展了串级限制、比值限制、前馈限制、匀称限制和Smith预估限制等限制策略与算法,称之为困难限制。它们在很大程度上，满足了困难过程工业的一些特殊限制要求。它们仍旧以经典限制理论为基础，但是在结构与应用上各有特色，而且在目前仍在接着改进与发展。
18、20世纪70年头中后期，出现了以DCS和PLC为代表的新型计算机限制装置，为过程限制供应了强有力的硬件与软件平台。从20世纪80年头起先,在现代限制理论和人工智能发展的理论基础上，针对工业过程限制本身的非线性、时变性、耦合性和不确定性等特性，提出了很多行之有效的解决方法，如解耦限制、推断限制、预料限制、模糊限制、自适应限制、人工神经网络限制等，常统称为先进过程限制。近十年来，以专家系统、模糊逻辑、神经网络、遗传算法为主要方法的基于学问的智能处理方法已经成为过程限制的一种重要技术。先进过程限制方法可以有效地解决那些采纳常规限制效果差，甚至无法限制的困难工业过程的限制问题。实践证明，先进过程限制方
19、法能取得更高的限制品质和更大的经济效益，具有广袤的发展前景。1.3.2 传统过程限制存在的问题(1)随着人们物质生活水平的提高以与市场竞争的日益激烈，产品的质量和功能也向更高的档次发展，制造产品的工艺过程变得越来越困难，为满足优质、高产、低消耗，以与平安生产、爱护环境等要求，过程限制的任务也愈来愈繁重。这样的生产过程一般具有大惯性、大滞后、时变性、关联性、不确定性和非线性的特点。这里的关联性不仅包含过程对象中各物理参量之间的耦合交织，而且包括被控量、操作量和干扰量之间的联系；不确定性不单指结构上的不确定性，而且还指参数的不确定性；非线性既有非本质的非线性，也有本质非线性。由于工业过程的这种困难
20、性，确定了限制的艰难性。(2)传统过程限制方式绝大多数是基于对象模型的，即按建模2限制2优化进行的，建模的精确程度确定着限制质量的凹凸。尽管目前建模的理论和方法有长足的进步，但仍有很多过程或对象的机理不清晰，动态特性难以驾驭，如一些反应过程、冶炼过程、生化过程，甚至有些过程或对象难以用数学语言描述。这样，我们不得不对过程模型进行简化或近似，将一个理论上极为先进的限制策略应用在这样的模型上，限制效果大打折扣是很自然的。如自适应限制，对缓慢的变更过程比较有效，但对变更猛烈的过程(如幅度大,非线性强)却力不从心了。因此，用传统的限制手段进一步提高过程限制的质量遇到了极大的困难，传统限制方法面临着严峻
21、的挑战。1.4 PlD限制的发呈现状与意义目前.，工业自动化水平已经成为衡量各行业现代化水平的一个重要标准。同时限制理论的发展也经验了经典限制理论、现代限制理论和智能限制理论三个阶段。生活中常见的智能限制的典型实例有全自动洗衣机和全自动电冰箱等。依据自动限制原理可知I：限制系统依据其回路组成可分为开环限制系统和闭环限制系统。考虑到工业生产中的稳定性与精确性要求，通常采纳闭环限制系统作为实际生产中的限制模型。一个闭环限制系统通常包括限制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口等组成部分。基本的工作原理是将限制器的输出通过输出接口、执行机构加在被控系统上，限制系统的被控量通过过传感器、变送器经由
22、输入接口反馈回限制器。作为不同的限制系统,其传感器、变送器和执行机构都不尽相同。例如压力限制系统要采纳压力传感器，而液位限制系统要采纳压力传感器等。传统的液位自动限制系统,通常都是采纳PlD限制技术调整水泵功率以达到限制液位的效果，限制效果不甚志向。虽然PlD限制是目前在工业限制中应用最为广泛的限制技术之一，且占有主导地位，但是PlD限制技术在解决一些困难的、非线性的、时变的、迟滞的被控对象方面限制效果不太志向。另外，PID参数的整定难度较大且较为专业化，当系统受外界干扰限制条件变更后，须要重新整定。因此限制效果不甚志向。针对上述限制不志向的问题对运用的影响比较大的状况,须要进一步改进该限制系
23、统，本课题提出用仿人智能PlD限制方法，对限制区间进行了划分，使限制算法更加精细;进一步提高了原限制系统的稳定性、快速性和稳定性。我国以最大的社会效益和经济效益为目标,探讨和开发综合自动化技术是国民经济快速发展的须要，是参与国际市场猛烈竞争的须要。在世纪交替之际，新技术的探讨和开发将大大推动工业过程制度化的发展，并带来巨大的社会效益和经济效益。2水箱的数学建模2.1 数学模型的介绍数学模型(MathematiCaIMOdeI)是一种模拟，是用数学符号、数学式子、程序、图形等对实际课题本质属性的抽象而又简洁的刻划，它或能说明某些客观现象，或能预料将来的发展规律，或能为限制某一现象的发展供应某种意
24、义下的最优策略或较好策略。数学模型一般并非现实问题的干脆翻版，它的建立经常既须要人们对现实问题深化微小的视察和分析，又须要人们敏捷奇妙地利用各种数学学问。这种应用学问从实际课题中抽象、提炼出数学模型的过程就称为数学建模(MathematicalModeling)。不论是用数学方法在科技和生产领域解决哪类实际问题，还是与其它学科相结合形成交叉学科，首要的和关键的一步是建立探讨对象的数学模型，并加以计算求解。数学建模和计算机技术在学问经济时代的作用可谓是如虎添翼。2.2 数学模型的建立水箱是液位限制系统中的被控对象，若流入量和流出量相同，水箱的液位不变，平衡后当流入侧阀门开大时，流入量大于流出量导
25、致液位上升。同时由于出水压力的增大使流出量渐渐增大,其趋势是重新建立起流入量与流出量之间的平衡关系，即液位上升到肯定高度使流出量增大到与流入量相等而重新建立起平衡关系，液位最终稳定在某一高度上；反之，液位会下降，并最终稳定在另一高度上。由于水箱的流入量可以调整，流出量随液位高度的变更而变更，所以只需建立流入量与液位高度之间的数学关系就可以建立该水箱对象的数学模型。2.2.1机理法依据对象的特征和建模的目的，对问题进行必要的、合理的简化，用精确的语言做出假设，可以说是建模的关键一步.一般地说，一个实际问题不经过简化假设就很难翻译成数学问题，即使可能，也很难求解.不同的简化假设会得到不同的模型.假
26、设作得不合理或过份简洁，会导致模型失败或部分失败，于是应当修改和补充假设；假设作得过分具体，试图把困难对象的各方面因素都考虑进去，可能使你很难甚至无法接着下一步的工作.通常，作假设的依据，一是出于对问题内在规律的相识，二是来自对数据或现象的分析，也可以是二者的综合.作假设时既要运用与问题相关的物理、化学、生物、经济等方面的学问，又要充分发挥想象力、洞察力和推断力，擅长辨别问题的主次，坚决地抓住主要因素，舍弃次要因素，尽量将问题线性化、匀称化.阅历在这里也常起重要作用.写出假设时，语言要精确，就象做习题时写出已知条件那样，依据所作的假设分析对象的因果关系，利用对象的内在规律和适当的数学工具，构造
27、各个量（常量和变量）之间的等式（或不等式）关系或其他数学结构.这里除须要一些相关学科的特地学问外，还经常须要较广袤的应用数学方面的学问，以开拓思路.当然不能要求对数学学科门门精通,而是要知道这些学科能解决哪一类问题以与大体上怎样解决.相像类比法，即依据不同对象的某些相像性，借用已知领域的数学模型，也是构造模型的一种方法.建模时还应遵循的一个原则是，尽量采纳简洁的数学工具，因为你建立的模型总是希望能有更多的人了解和运用，而不是只供少数专家观赏，可以采纳解方程、画图形、证明定理、逻辑运算、数值计算等各种传统的和近代的数学方法,特殊是计算机技术对模型解答进行数学上的分析，有时要依据问题的性质分析变量
28、间的依靠关系或稳定状况，有时是依据所得结果给出数学上的预报，有时则可能要给出数学上的最优决策或限制，不论哪种状况还经常须要进行误差分析、模型对数据的稳定性或灵敏性分析等。把数学上分析的结果翻译回到实际问题，并用实际的现象、数据与之比较,检验模型的合理性和适用性.这一步对于建模的成败是特别重要的，要以肃穆仔细的看法来对待.当然，有些模型如核斗争模型就不行能要求接受实际的检验了.模型检验的结果假如不符合或者部分不符合实际，问题通常出在模型假设上，应当修改、补充假设，重新建模.有些模型要经过几次反复，不断完善，直到检验结果获得某种程度上的满足。应用的方式自然取决于问题的性质和建模的目的，这方面的内容
29、不再详叙。应当指出，并不是全部建模过程都要经过这些步骤，有时各步骤之间的界限也不那么分明。建模时不应拘泥于形式上的按部就班。2. 2.2试验法试验建模原则上是把被探讨对象看作为一个黑箱,通过试驾不同的输入信号，探讨对象的输出响应信号与输入激励信号之间的关系，估计出系统的数学模型，这种方法也可称为系统辨识方法或者黑箱方法。明显，任何一个对象都可能有多个输入变量和输出变量，当我们要探讨的是Xl与yl之间的关系时，就应当将施加的输入信号家在Xl输入端上，并记录相应的yl的变更。这种方法对于困难对象更为有效，对于已知的一阶或者二阶系统，通过试验方法测取其特性参数也很便利，适用。在这里主要是用阶跃响应法
30、,阶跃响应是指一个阶跃输入加到系统上时系统的输出。稳态误差是指系统的响应进入稳态后，系统的期望输出与实际输出之差。限制系统的性能可以用稳、准、快三个字来描述。稳是指系统的稳定性，一个系统要能正常工作，首先必需是稳定的，从阶跃响应上看应当是收敛的；准时指限制系统的精确性、限制精度，通常用稳态误差来描述,它表示系统输出稳态值与期望值只差；快是指限制系统相应的快速性，通常用上升时间来定量描述。2.3 本文中水箱液位数学模型的建立水箱液位限制系统是一个单回路限制系统，它有两个水箱相串联，限制的目的是使下水箱的液位高度等于给定值所期望的高度，具有削减或消退来自系统内部或外部扰动的影响功能。明显，这种反馈
31、限制系统的性能完全取决于调整器GC（三）的结构和参数的合理选择。由于水箱的数学模型是二阶的，故它的稳定性不如单容液位限制系统。2.4 .1系统介绍对于阶跃输入（包括阶跃扰动），这种系统用比例（P）调整器去限制，系统有余差，且与比例度成正比，若用比例积分（PI）调整器去限制，不仅可实现无余差，而且只要调整器的参数6和Ti调整得合理，也能使系统具有良好的动态性能。比例积分微分（PID）调整器是在Pl调整器的基础上再引入微分D的限制作用，从而使系统既无余差存在，又使其动态性能得到进一步改善。因此,我利用力控组态软件的限制策略里的传递函数模拟一个一阶惯性系统，然后，通过用策略里的PlD模块进行限制，通
32、过PlD进行整定!由于水箱的非线性、大惯性、延迟特性，限制策略探讨主要有以下几个方面：(1)预料限制。目前对水箱液位限制大多限于预料限制。例如，应用一种工业上易于获得的阶跃响应模型，依据其预料限制算法对有约束的水箱进行模型预测限制；或者利用神经网络广义预料限制算法实现水箱的限制。(2)容错限制。由于水箱能够在试验过程中模拟各种实际应用故障，所以少数试验室也探讨关于故障诊断和容错限制在水箱上的应用。(3)解耦限制。国内外水箱试验系统大多通过阀门相互连通，水箱存在肯定耦合，通过系统解耦进行限制。2.3.2建立步骤本试验选择中水箱作为被测对象(也可选择下水箱)。试验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀
33、门FIT、Fl-2、Fl-6全开，将上水箱出水阀门F1-9和中水箱出水阀Fl-IO开至适当开度，其余阀门均关闭。鼠标左键点击试验项目“二阶水箱对象特性测试试验”，系统进入正常的测试状态，呈现的试验界面如图2-1所示。图2-1系统监控界面(1)按设计好的线路图接线，确定无误后方可合上电源。(2)打开监控计算机，运行MCGS组态软件，打开“液位串级过程限制系统”试验。(3)先设定电动阀开度却=40,系统达到稳态后记录液位高度九与此刻对应时间匕。(4)设定电动阀开度为=50,系统达到稳态后记录液位高度也(5)求=一2;(6)整理试验数据2.3.3试验数据1)原始数据记录当电动阀开度卬=40时。对应水
34、位高度用;当电动阀开度OP=50。对应水位高度必；=1-2表2T原始数据表t2C；%h111:13:3911:14:0911:16:191.01.40.4214:28:2414:30:2914:35:041.611.39.7314:58:3415:59:5916:03:091.26.55.3412:30:5412:31:2912:33:241.23.01.8509:45:1609:46:3109:49:361.36.04.7610:08:0610:09:1110:11:511.35.13.8710:33:3610:35:2610:39:411.49.98.5811:08:3111:09:411
35、1:12:311.46.34.9911:32:2111:33:3111:36:111.56.55.01011:50:4111:51:4611:54:211.45.33.92)G(故据处理s)=G1(三)G2(三)=-=75+175+1(IS+1)(ns+1)(2-1)K_力2(8)_输入稳态值X。阶跃输入量(2-2)T1+T2B上上2.16(2-3)TE,(1.74-0.55)(T+T2)2t2(2-4)0.32(t1t2(0.46(2-5)依据以上公式求的*4，%，K的平均值与传递函数G(S)=与7s +1 T?s +1 (75 +1)(75 +1)(2-6)T1287；87KaO.970.
36、97)=(28s + iX87s + l)(2-7)3硬件设计3.1变频器变频器（Variable-frequencyDrive,VFD）是应用变频技术与微电子技术，通过变更电机工作电源频率方式来限制沟通电动机的电力限制设备。如图所示。变频器主要由整流（沟通变直流）、滤波、逆变（直流变沟通）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率,依据电机的实际须要来供应其所须要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的爱护功能,如过流、过压、过载爱护等等。随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了特别广泛的应用。图3-1变频器3
37、.1.1主回路(1)主回路端子规格表端子记号端子名称端子功能说明RL1,SL2,T/L3沟通电源输入连接工频电源。当运用高功率因数变流器(FR-HC,MT-HO与共直流母线变流器(FR-CV)时不要连接任何东西。U,V,W变频器输出接三相鼠笼电机。R1/L11,S1/L21限制回路用电源与沟通电源端子LI,L2连接。在保持故障显示或故障输出时与运用高功率因数变流器(FR-HC,MT-HO和共直流母线变流器(FRYV)时把端子LI-LII,L2-L21间的短路片拆下,从外部接通此端子的电源。请不要在主回路电源(L1,L2,L3)接通的状态下把限制回路用电源(L11,L21)断开。否则有可能损坏变
38、频器。请使回路可以同时断开主回路用电源(LI,L2,L3)o18.5K以下：60VA,22KSIloK:80VAP/+,N/-连接制动单连接制动单元(FR-BU,BU,MT-BU5),共直流母元线变流器（FR-CV）与高功率因素变流器（FR-HC,MT-HOoP/+,Pl连接改善功率因数直流电抗器取下端子P/+-Pl之间的短路片，连接直流电抗器（FR-HEL）o（S75K以上为标准附属）PR,PX拆除端子PR、PX或是所连接的短路片后请不要运用。接地变频器外壳接地用。必需接大地。表3-1主回路端子规格表（2）主电路端子的端子排列与电源、电机的接线如图3-2、图3-3所示400VSt别FR-E7
39、40-0.4K-3. TK-CHT垣路片 /阳一色一色限M尺寸 (M4)FR-E740-5.5K, 7.5K-CH图3-2主电路端子的端子排列与电源、电机的接线图1）电源线必需连接至R/LLSL2,TL3o肯定不能接U、V、肌否则会损坏变频器。（没有必要考虑相序）2）电机连接到U、V.Wo接通正转开关（信号）时，电机的转动方向从负载轴方向看为逆时针方向。图3-3连接专用外置型制动电阻器图3.1.2限制回路(1)限制回路端子端子记号STFSTRSTOPRH.RM.RL.JOGRTRMSRESAU端子名称正转启动反转启动启动自保持选择段度择多速选点动模式选择第2加减速时间选择输出停止复位端子4输入
40、选择；PTC输入端子记号CSSDPCIOE102415端子名称瞬停再启动选择公共输入端子1漏酚外部晶体管输出公共端，DC24V电源接点输入公共端(源型)频率设定用电源率定电,频设1压率定电,频设流协助频率设定频率设定公共端表3-2限制回路端子表(2)简洁地说变频器是通过变更电机输入电压的频率来变更电机转速的。各位从电机的转速公式n=60f(l-S)/P就可以看出，调整电机输入电压的频率fl,即可变更电机的转速n。并且频率越大，转速越快，而目前几乎全部的低压变频器均采纳以下图3-4与图3-5电路结构。图3-5限制电路端子接线图3.1.3 变频器的选择在调速范围不大的状况下，可考虑选择较为简易的、
41、只有U/f限制方式的变频器，或采纳无反馈矢量限制方式，对于风机和泵类负载，由于低速时转矩比较小，对过载实力和转速精度要求较低，可选用简易型的变频器或风机、泵类专用变频器，这类专用变频器具有工频/变频切换功能、多泵切换功能和PlD功能，可以通过设定参数完成一些限制任务，易于实现。而我们须要的就是这种。3.1.4 变频器的作用变频器集成了高压大功率晶体管技术和电子限制技术，得到广泛应用。变频器的作用是变更沟通电机供电的频率和幅值，因而变更其运动磁场的周期，达到平滑限制电动机转速的目的。变频器的出现，使得困难的调速限制简洁化，用变频器+沟通鼠笼式感应电动机组合替代了大部分原先只能用直流电机完成的工作
42、，缩小了体积，降低了修理率，使传动技术发展到新阶段。变频器可以优化电机运行，所以也能够起到增效节能的作用。依据全球闻名变频器生产企业ABB的测算,单单该集团全球范围内已经生产并且安装的变频器每年就能够节约1150亿千瓦时电力，相应削减9,700万吨二氧化碳排放，这己经超过芬兰一年的二氧化碳排放量。3.2压力传感器液压压力传感器（如图3-6所示）是工业实践中最为常用的一种压力传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，管道送风、锅炉负压等众多行业。图3-6平膜压力传感器3 .2.1工作原理液压传感器的工作原理是压力干脆作用在传感器的膜片上，使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻发生变更，和
43、用电子线路检测这一变更，并转换输出一个对应于这个压力的标准信号。4 .3电动调整阀电动调整阀是工业自动化过程限制中的重要执行单元仪表。随着工业领域的自动化程度越来越高，正被越来越多的应用在各种工业生产领域中。与传统的气动调整阀相比具有明显的优点：电动调整阀节能（只在工作时才消耗电能），环保（无碳排放），安装快捷便利（无需困难的气动管路和气泵工作站）。阀门按其所配执行机构运用的动力，按其功能和特性分为线性特性,等百分比特性与抛物线特性三种（本次设计中采纳的是线性特性的ML74208088电动调整阀）。3. 3.1工作原理通过接收工业自动化限制系统的信号（如：20mA）来驱动阀门变更阀芯和阀座之间
44、的截面积大小限制管道介质的流量、温度、压力等工艺参数。实现自动化调整功能。新型电动调整阀执行器内含饲服功能，接受统一的4-20mA或1-5VDC的标准信号,将电流信号转变成相对应的直线位移，自动地限制调整阀开度，达到对管道内流体的压力、流量、温度、液位等工艺参数的连续调整。4PlD限制工程实际中，应用最为广泛的调整器限制规律为比例、积分、微分限制，简称PlD限制，又称PlD调整。PlD限制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简洁、稳定性好、工作牢靠、调整便利而成为工业限制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全驾驭,或得不到精确的数学模型时，限制理论的其它技术难以采纳时，系统限制器的结
45、构和参数必需依靠阅历和现场调试来确定，这时应用PID限制技术最为便利。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PlD限制技术。PID限制，实际中也有Pl和PD限制。Pn）限制器就是依据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出限制量进行限制的。3.1 比例（P）限制与调整过程比例限制是一种最简洁的限制方式。其限制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例限制时系统输出存在稳态误差（Steady-stateerror）o在人工调整的实践中，假如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
46、种阀门开度与被调参数的偏差成比例的调整规律，称为比例调整。比例调整规律与其特点比例调整作用，一般用字母P来表示。假如用一个数学式来表示比例调整作用，可写成：w=KPbe式中一一调整器的输出变更值；成一一调整器的输入，即偏差；一一比例调整器的放大倍数。放大倍数KP是可调的，所以比例调整器事实上是一个放大倍数可调的放大器。比例调整作用虽然与时、作用强，但是有余差存在，被调参数不能完全回复到给定值，调整精度不高，所以有时称比例调整为“粗调工纯比例调整只能用于干扰较小、滞后较小，而时间常数又不太小的对象。3.2 积分（I）限制与调整过程在积分限制中，限制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动限制系统，假如在进入稳态后存在稳态误差，则称这个限制系统是有稳态误差的或简称有差系统（SyStemwithSteady-stateError）o为了消退稳态误差，在限制器中必需引入“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，它推动限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）限制器，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状况下，比例作
