雙容水箱串級液位控制系統設計 開題報告
雙容水箱串級液位控制系統設計 開題報告
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一、選題依據
人們生活以及工業生產經常涉及到液位和流量的控制問題，
例如飲料、食品加工，居民生活用水的供應，溶液過濾，汙水處理，化工生產等多種行業的生產加工過程，通常要使用蓄液池。蓄液池中的液位需要維持合適的高度，太滿容易溢位造成浪費，過少則無法滿足需求。因此，需要設計合適的控制器自動調整蓄液池的進出流量，使得蓄液池內液位保持正常水平，以保證產品的質量和生產效益。這些不同背景的實際問題都可以簡化為某種水箱的液位控制問題。因此液位是工業控制過程中一個重要的引數。特別是在動態的'狀態下，採用適合的方法對液位進行檢測、控制，能收到很好的生產效果。水箱液位控制系統的設計應用非常長廣泛，可以把一個複雜的液位控制系統簡化成一個水箱液位控制系統來實現。所以就選擇了該題目的設計。由於液位檢測應用領域的不同，效能指標和技術要求也有差異，但適用有效的測量成為共同的發展趨勢，隨著電子技術及計算機技術的發展，液位檢測的自動控制成為其今後的發展趨勢，控制過程的自動化處理以及監控軟體良好的人機介面，操作人員在監控計算機上能根據控制效果及時修執行引數，這樣能有效地減少工人的疲勞和失誤，提高生產過程的實時性、安全性。隨著計算機控制技術應用的普及、可靠性的提高及價格的下降，液位檢測的PID控制必將得到更加廣泛的應用。
二、PID控制的發展歷史與前景
在工程實際中，應用最為廣泛的調節器控制規律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調節。PID控制器問世至今已有近70年曆史，它以其結構簡單、穩定性好、工作可靠、調整方便而成為工業控制的主要技術之一。當被控物件的結構和引數不能完全掌握，或得不到精確的數學模型時，控制理論的其它技術難以採用時，系統控制器的結構和引數必須依靠經驗和現場除錯來確定，這時應用PID控制技術最為方便。即當我們不完全瞭解一個系統和被控物件﹐或不能透過有效的測量手段來獲得系統引數時，最適合用PID控制技術。PID控制，實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據系統的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。
儘管現代控制理論有了相當完善的發展，但在實際的工業應用中，PID控制仍然是最常用的經典控制方法，有資料表明工業過程控制中95%以上仍然是PID控制，究其原因，這主要得益於它在某種程度上不依賴於被控物件的精確數學模型的特點。
PID控制及其控制器或智慧PID控制器（儀表）在當今控制理論中首屈一指，產品已在工程實際中得到了廣泛的應用，有各種各樣的PID控制器產品，各大公司均開發了具有PID引數自整定功能的智慧調節器(intelligent regulator)，其中PID控制器引數的自動調整是透過智慧化調整或自校正、自適應演算法來實現。有利用PID控制實現的壓力、溫度、流量、液位控制器，能實現PID控制功能的可程式設計控制器(PLC)，還有可實現PID控制的PC系統等等。
三、設計所需硬、軟體
AE20xxB型過程控制實驗裝置，上位機軟體組態王，工控用計
算機，RS232/485轉換器一隻，串列埠線一根。
四、設計的主要原理和內容
串級PID控制的應用原理：
串級調節系統是一個雙迴路系統，實質上是把兩個調節器串接起來，透過它們的協調工作，使一個被調量準確保持為給定值。串級調節主要是用來克服落在副環內的擾動。這些擾動能在中間變數反應出來，很快就被副調節器抵消了。與單迴路系統相比，干擾對被調量的影響可以減小許多倍。對於中間變數並無特殊要求，它的選擇應該是，既能迅速反應擾動作用，又能使副環包括更多的、特別是幅度大而頻繁的擾動。
PID控制的控制規律和傳遞函式
比例積分微分控制規律(PID)：
比例積分微分控制器（PID）的結構圖:
設計內容：雙容水箱液位控制系統的控制物件圖
如上圖，二階雙容水箱液位串級控制是透過控制上水箱進水量來控制下水箱的液位。所以把上水箱的液位作為中間值，下水箱液位控制作為最終的控制物件。智慧調節器的串級控制透過兩個PID控制迴路來實現。把主迴路的輸出作為副迴路外給定的設定值即可。
二階雙容水箱液位串級控制方框圖
具體實現過程
水位測量器測量到下水箱液位訊號並經變送器變送，該液位訊號經智慧調節器與主迴路的設定值進行PID運算，主迴路進行運算後的輸出作為副迴路外給定的設定值，並將其與上水箱的水位測量、變送器,測量到的上水箱液位訊號再次進行運算，獲得4mA--20mA的電流控制輸出訊號，電動調節閥接受到該訊號後相應的改變閥門開度，從而調節上水箱的流入量最終達到控制下水箱液位的目的。REX--D900F過程控制器與上位機之間透過RS485轉換器實現串列埠通訊，透過組態王軟體實現過程監控。
五、參考資料及文獻
《自動控制原理》第五版胡壽松
《過程控制系統與儀表》王再英劉淮霞
《過程控制系統與儀表實驗指導書》吳賀榮
《感測器及其應用》鬱有文常建
《組態軟體Wincc及其應用》劉華波何文雪等