二容水箱过程控制实验装置上位机设计 ①页数 54 ②字数 20630 ③ 摘要
二容水箱过程控制实验装置上位机设计
摘 要：随着工业的发展，液位控制在各种过程控制中的应用越来越广泛。本设计以二容水箱实验液位控制模型为研究对象，采用模糊控制，并用组态王进行上位机组态。组态界面包括：水箱实验界面（包括实时趋势曲线）、报警窗口、实时数据报表、历史数据报表、历史趋势曲线。所有画面的动态显示用命令语言连接。 在对二容水箱实验进行组态的基础上，将单容水箱液位控制进行上位机组态，并将模糊控制算法和PID控制算法分别内嵌于组态王后台命令语言中，进而比较两种控制算法的控制效果。
Process Control Experiments on Two Water Tanks System with Supervisory Computer
Abstract：Along with industrial development, level control is getting more and more extensive in various course controls. The design takes the level control model of the experiment installation of two water tanks as study object, adopts fuzzy control, and carries on the Supervisory Computer configuration with the configuration software such as KingView. The configuration interfaces include experimental water interface(including real-time trend curve)，Warning window，Real-time data reports，Historical data reports and Historical trend curves. All the dynamic displays of screens are connected by command language.
On the basis of the configuration of two water tanks experiment, the design completes PC configuration for the level control of single water tank. And then it compares control-effects of Fuzzy control and PID control algorithms through embedding them in the configuration-command language.
Keywords: Two water tanks experiment, KingView, Fuzzy Control, single water tank, PID Control ④目录 目 录
1绪论…………………………………………………………………………………1 1.1课题的提出及研究意义…………………………………………………………1 1.2国内外研究现状…………………………………………………………………1 1.3本文研究的主要内容……………………………………………………………2 2 二容水箱控制系统模型的建立……………………………………………………3 2.1 二容水箱结构的建立……………………………………………………………3 2.2 二容水箱实验建模………………………………………………………………3 3 二容水箱模糊控制器设计…………………………………………………………5 3.1 模糊控制理论介绍………………………………………………………………5 3.2 模糊控制基本思想………………………………………………………………5 3.3 模糊控制器的设计………………………………………………………………7 3.4 二容水箱液位控制模糊控制器设计……………………………………………8
4 组态软件在二容水箱实验中的应用…………………………………………13 4.1 软件介绍………………………………………………………………………13 4.2 二容水箱实验组态……………………………………………………………14 4.2.1 新建工程……………………………………………………………………14 4.2.2 创建组态画面………………………………………………………………16 4.2.3 用户窗口组态………………………………………………………………16 4.2.4 定义I/O设备………………………………………………………………17 4.2.5 构造数据库…………………………………………………………………21 4.2.5.1 变量类型…………………………………………………………………22 4.2.5.2 连接设备…………………………………………………………………23 4.2.6 报警系统设计………………………………………………………………25 4.2.6.1 定义事件类型和变量的报警属性………………………………………25 4.2.6.2报警的记录和显示………………………………………………………28 4.2.7 报表系统设置………………………………………………………………29 4.2.8 建立动画连接………………………………………………………………31 4.2.9 运行和调试…………………………………………………………………31 4.2.9.1 主画面运行系统…………………………………………………………32 4.2.9.2 报警窗口运行系统………………………………………………………33 5 基于单容水箱液位控制的不同算法的比较……………………………………34 5.1 单容水箱机理建模……………………………………………………………34 5.2 单容水箱PID控制……………………………………………………………35 5.3单容水箱实验组态……………………………………………………………39 6 总结………………………………………………………………………………40 附录 A………………………………………………………………………………43 附录 B………………………………………………………………………………46 附录 C………………………………………………………………………………47 附录 D………………………………………………………………………………48 参考文献……………………………………………………………………………49 致谢……………………………………………………………………………51 ⑤关键字
关键词：二容水箱实验，组态王，模糊控制，单容水箱，PID控制
Keywords: Two water tanks experiment, KingView, Fuzzy Control, single water tank, PID Control ⑥参考文献
[1]王志新,谷云东.随机出、入水双容水箱液位控制实验及被控对象的数学模型.化工自动化及仪表,2006,33(2):13～16.
[2]魏横华,吴汉生.双容水箱计算机控制实验系统的研制.实验室研究与探索,2005,24(1):31～32.
[3]Teodor Marcu,Letitia Mirea,Attila Klosz.A Neural Network Approch to Robust Model—Based Diagnosis of Faults in a Three—Tank system [J].IEEE Proceedings of the International Symposium on Computer—Aided Control System Design (ISBNO—7803—3032—3).1996:111—116.
[4]陈广庆,刘廷瑞,杨兴华.基于MCGS组态软件的液位串级控制系统.煤矿机械,2007,28(9):92～94.
[5]吴清亮.组态软件在生产过程控制中的应用及研究.硕士学位论文.河海大学，2003. [6]陈薇,吴刚.非线性双容水箱建模与预测控制.系统仿真学报,2006,18(8):2078～2081. [7]毕文彬.嵌入式图形组态软件的研究与开发.硕士学位论文.大连理工大学，2006.
[8]N K Poulsen, B Kouvaritakis,M Cannon.Nonlinear constrained predictive control applied to a couple—tank.Apparatus [J].IEE Proc.—Control Theroy Appl.(s1350—2379).2001,148(1):17—24. [9]孙红英，颜德文，李斌.基于参数自整定模糊PID的三容水箱液位控制. 电器应用，2006，25（8）：97～99.
[10]韩启纲，吴锡祺.模糊控制技术与仪表装置.北京：中国计量出版社，1997，7：75～140. [11]章卫国，杨向忠.模糊控制理论与应用.陕西：西北工业大学出版社，2001，2：48～63. [12]赵科.三容水箱的建模及基于T-S模型的模糊PID控制.硕士学位论文.内蒙古:内蒙古工业大学,2006.
[13]诸静等著.模糊控制原理与应用[M].北京：机械工业出版社，1995.
[14]王登贵.PLC模块化生产设备计算机监控系统设计与研究.硕士学位论文.陕西:西北农林科技大学,2007.
[15]林威汉,高春光,张海涛.国内组态软件的现状与未来.时代前沿,2002,6:9～12. [16]孙旭松.PLC与上位机的通信实现.科技资讯,2006,25:81～82.
[17]李训杰.MCGS组态软件在供水自动化监控系统中的应用[J].工业控制计算机,2005,18(2):51～68.
[18]李丹,吕瑞典,谢冲等.MCGS组态软件在控制实验室建设中的应用.实验科学与技术,2006,(3):107～108.
[19]武丽.基于MCGS的锅炉液位-流量串级监控系统的设计.工矿自动化,2004,(5):32～33. [20]温建军.基于组件对象模型的上位机---PLC串行通讯程序设计.电子工业专用设备,2007,152:70～73.
[21]魏金城,白申义.MCGS开发的液位控制上位机监控.工业控制计算机,2007，20（2）:47～48.
[22]洪伟.大高炉上位机系统MASBF的设计与实现.冶金自动化,1993,17(1):15～18. [23]陈丹丹,张秀宇,王建国.双容水箱虚拟实验装置的研制.仪器仪表用户，2007，2（2）：43～44.
[24]吕项羽.小型水电站监控系统的研制.硕士学位论文.北京:中国农业大学,2005. [25]贾鲲.监控组态软件平台的设计与实现.硕士学位论文.中南大学，2006. [26]吕凌欧.嵌入式人机界面组态软件研究.硕士学位论文.大连理工大学，2006.
[27]王晓鹏.三容水箱液位控制系统动态仿真与多变量过程的在线监测. 硕士学位论文.济南：山东大学，2005. [28]牛广玉，张雷，淮小利.基于LabVIEW的水箱平台设计及PID控制特性分析.仪表技术与传感器，2007，7：25～28.
[29]刘振宇.基于液位控制的不同算法的研究.农业与技术,2007,27(4):164～165.
[30]傅巍.引水式小型水电站闸门自动监控系统的研究. 硕士学位论文.沈阳：东北农业大学，2007.
[31]张玉华.组态软件中控制算法的应用及研究.硕士学位论文.河海大学，2004.
[32]杜志伟，陈辉，尹力.阶跃响应模型在三容水箱中的预测控制. 硕士学位论文.黑龙江：东北林业大学，2003，16（2）：30～31.
[33]侯涛，董海鹰.基于THJ-3型的二容水箱模糊控制器设计与实验研究.兰州交通大学学报，
2005，24（6）：107～109.
[34]赵建华，沈永良.一种自适应PID控制算法.自动化学报，2001，27（3）：417～420. 随着生产水平和科学技术的不断发展,现代控制系统的规模日趋大型化、复杂化,对设备和被控系统安全性、可靠性和有效性的要求也越来越高。为了确保工业生产过程高效、安全的进行,保证并提高产品的质量,对生产过程进行在线监测,及时准确地把握生产运行状况,已成为目前过程控制领域的一个研究热点。 三容水箱液位控制系统试验装置是模拟工业生产过程中对液位、流量参数进行测量、控制、观察其变化特性,研究过程控制规律的科研产品,具有过程控制中动态过程的一般特点—大惯性、大时延、非线性,难以对其进行精确控制,从而使其成为控制理论与控制工程、过程控制教学、试验和研究的理想实验平台。因此,三容水箱液位控制系统在耦合非线性系统的监控和故障诊断算法的研究中得到了广泛的关注。本文以三容水箱液位控制系统为对象,应用MATLAB对其动态运行过程进行了仿真,基于控制软件平台实现了多变量过程的在线监测。 本课题首先深入分析了三容水箱液位控制系统工艺流程及其运行过程的静、动态特性。应用MATLAB对三容水箱液位控制系统进行了建模仿真,研究了系统的运行特性,基于测量得到的液位值,实现了对比例阀开度的控制,分析了各水箱连接导管内液体流量的 ...本文关键词：三容水箱液位控制系统,动态仿真,多变量过程,运行过程,系统工艺流程,三容水箱系统,软件平台实现,在线监测,运行特性,用户界面,应用,液体流量,相关参数,建模仿真,基于测量,仿真技术,仿真环境,仿真过程,动态特性,变化规律,
本文以三容水箱液位控制系统为对象，应用MATLAB对其动态运行过程进行了仿真，基于控制软件平台实现了多变量过程的在线监测。文章首先深入分析了三容水箱液位控制系统工艺流程及其运行过程的静、动态特性。应用MATLAB对三容水箱液位控制系统进行了建模仿真，研究了系统的运行特性，基于测量得到的液位值，实现了对比例阀开度的控制，分析了各水箱连接导管内液体流量的变化规律。并通过编写基于MATLAB的S函数，运用动画仿真技术对三容水箱系统的运行过程进行了更为直观、逼真的模拟。在MATLAB仿真环境下设计M文件，实现了友好的用户界面，使得在系统仿真过程中能够方便、准确的对相关参数进行设置、显示和跟踪。作者:王晓鹏 学科专业:控制理论与控制工程 授予学位:硕士
学位授予单位:山东大学 导师姓名:钟麦英
学位年度:2005研究方向:语种:chi分类号:TP273TP274.2 关键词:水箱液位自动控制在线监目 录
前 言 1
第一章 串级控制系统及仿真概述 2 1.1 串级控制系统简介 2 1.1.1基本概念及组成结构 2 1.1.2串级控制系统的工作过程 2 1.1.3系统特点及分析 3 1.1.4工程应用场合 3 1.1.5系统设计 3
1.2 串级控制系统的设计 3 1.2.1主回路的设计 3 1.2.2副回路的设计 4
1.2.3主、副回路的匹配 4 1.3串级控制系统的工业应用 5
1.3.1用于克服被控过程较大的容量滞后 5 1.3.2用于克服被控过程的纯滞后 6 1.3.3用于抑制变化剧烈幅度较大的扰动 6 1.3.4用于克服被控过程的非线性 6 1.4 过程控制系统的MATLAB计算与仿真 6 1.4.1 控制系统计算机仿真 6
1.4.2 控制系统的MATLAB计算与仿真 7 第二章 PID控制简介及整定方法 10 2.1 PID控制简介 10 2.2 PID参数整定方法 13
第三章 多容液位控制系统的建模 18 3.1 过程建模的方法 18 3.1.1 机理法 18 3.1.2.测试法 19 3.1.3 阶跃响应法 19
3.2 有相互影响的双容建模 20 3.3 无相互影响的多容过程 22 第四章 多容液位控制系统的仿真 25 4.1 被控对象的仿真模型 25 4.2 单回路控制系统的仿真 25 4.3 串级控制系统的仿真 31 第五章 总结和展望 39 致谢 40 参考文献 41 附录 42 前 言
随着工业生产的飞速发展，液位过程控制的应用十分普遍，所以为了保证生产的正常进行，生产工艺要求储槽内的液位常常需要维持在某个设定值上，或只允许在某一小范围内变化。与此同时，为确保生产过程的安全，还要绝对保证液体不产生溢出。所以人们对控制系统的控制精度、响应速度、系统稳定性与适应能力的要求越来越高。而实际工业生产过程中的被控对象往往具有非线性、时延的特点，应用常规的控制手段难以达到理想的控制效果，研究对非线性、时延对象的先进控制策略，提高系统的控制水平，具有重要的实际意义。每一个先进、实用的控制算法的出现都对工业生产具有巨大的推动作用。
本文所提及的双容水箱液位控制系统是参考了国内外实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实验装置。双容水箱虽然结构简单，但却是最基本的过程空竹系统。即使在复杂、高水平的过程控制系统中，这类系统仍占大多数（约占工业控制系统的70%以上）。复杂过程控制系统也是在简单控制系统的基础上构成的，即便是一些高级过程控制系统，也往往是将这类系统作为最低层的控制系统。因此，学习和掌握简单控制系统的分析与设计方法既具有广泛的实用价值，又是学习和掌握其他各类复杂控制系统的基础。因此工业上许多被控对象的整体或局部都可以抽象成双容水箱的数学模型，具有很强的代表性，有较强的工业背景，对双容水箱数学模型的建立是非常有意义的。同时，双容水箱的数学建模以及控制策略的研究对工业生产中液位控制系统