基于Labview的单容水箱液位控制系统.doc
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1、控制理论模块项目驱动实践报告 基于Labview的单容水箱液位控制系统 学 院: 电气工程与自动化 专业班级: 自动化151班 学 号: 2420152857 学生姓名:廖梓 柔 指导老师: 任 金 霞 时 间: 2017.6.23 摘要本文是基于Labview的单容水箱液位控制系统的设计过程,涉及到Labview的应用、数据采集、水箱系统的建模、PID算法、液位的动态控制等一系列的知识。作为单容水箱液位的控制系统,其模型为一阶惯性函数,控制方式采用了PID算法。选用合适的器件设备、控制方案和算法,能够最大限度地达到系统对调节时间、超调量、稳态精度等控制性能的要求。Labview 程序称为虚拟
2、仪器 (VI) ,拥有的整套工具可用于采集、分析、显示和存储数据,以及解决用户在编写代码过程中可能出现的问题。本设计通过Labview输入控件和显示控件创建用户界面(前面板).输入控件指旋钮、按钮、转盘等输入装置.显示控件指图形、指示灯等输出显示装置。结合数据采集卡的应用建立水箱惯性系统的模型。在水箱建模的基础上利用matlab仿真获得最优PID控制参数。前面板创建完毕后,使用 VI 和结构控制前面板上水箱的输入电压,通过NI数据采集卡采集液面高度反馈的电压,从而实现对水箱液面高度的PID调节,从而达到对一阶水箱的液位控制.关键词:Labview;水箱建模;数据采集;PID控制目录第一章绪论1
3、1.1设计背景及意义11.2设计目的11.3 设计要求2第二章系统总体设计32。1系统设计原理32.1.1水箱液位变化的原理32。1。2水箱液位控制的原理32。2水箱液位系统的控制模型4第三章设计准备53。1硬件准备53。1.1水箱比例系数的调节53.1。2数据采集卡(DAQ)73。2软件安装83。2。1Labview的安装83。2。2DAQ的安装93。2。3PID控制器的安装10第四章设计过程114.1水箱系统建模114。1。1水箱建模原理114。1.2建模数据采集144。1.3数据处理174.1.4确定水箱参数194。2基于matlab的数据仿真204.3 PID参数的选取214。3.1比
4、例控制(K)214。3.2积分控制(I)234.3。3微分控制(D)234。3.4比例积分控制(PI)244。3.5比例积分微分控制(PID)244.3.6PID参数的确定25第五章最终控制及调试265.1最终控制的Labview设计265。1。1PID控制前面板的绘制265.1。2PID控制程序框图的绘制275.1.3各模块的功能275。2调试28致谢30参考文献31第一章绪论1。1设计背景及意义大型水箱是很多公司生产过程中必不可少的部件,它的性能和工作质量的优良不仅仅对生产有着巨大的影响,而且也关系着生产的安全。在过去,大量的对水箱操作是由相应的人员进行操作的,这样的人工方式带来了很大的弊
5、端,比如水位的控制,时刻监控水箱的环境,夜间的监控等等,操作员稍有疏忽,或者简易的监测器件损坏,将带来无法弥补的损失,更严重的会危机到生产人员的人身安全等.所以,对水箱控制,如果能够使用精密而且完全会严格按照生产规定运行的自动化系统,可以最大限度的避免事故的几率,同时也能节省资源并能有效提高生产的效率.从水资源节约方面考虑,以往的人工控制在很多情况下,造成资源不必要的浪费,大部分原因是水箱内部水位没有及时的反馈信息到操作员,从而使控制上有一定的延迟,从而造成了水量过多或者没能及时补水而导致资源的浪费或生产出现异常.而对水箱水位的监控以及自动化的引入可以很好的改善补水过多或及时补水的情况,可以很
6、好的节约资源,有效的降低成本.深入地研究液位控制系统,能给工业过程控制的理论研究和实践应用提供非常重要的指导资料,因此对水箱液位控制算法进行研究对实际的工程应用具有很重要的意义。1。2设计目的该实践旨在使学生在深入消化控制理论课堂教学内容的基础上,综合运用所学课程的基本原理与方法,解决实际设计与应用问题,提高学生分析问题与解决问题的能力,并在设计过程中,学会查阅资料、系统设计、调试与分析、撰写报告等,达到综合能力培养的目的。1. 根据自动控制系统的设计要求,学会方案比较和论证,初步掌握工程设计的基本方法;2。 了解水箱的工作原理及单容水箱控制系统的结构、组成与数学建模方法;3. 进一步了解和掌
7、握PID控制的方法和应用,合理的整定PID的控制参数,取得良好的控制效果;4。 在学习、运用现在所学知识的同时,回顾以前所学知识,运用到设计中来,加强知识的系统性学习及知识的衔接、融合。5. 提高总结归纳、撰写设计报告的能力,应当规范、有条理、充分、清楚地论述设计内容和调试成果.1。3 设计要求1。了解水箱的工作原理,画出单容水箱液位控制系统的方块图。2.用接好线路的单回路系统进行投运练习,对系统建模。3。设计控制器,整定P、PI和PID三种调节器的参数,写出三种调节器的稳态误差和超调量、调节时间。4. 控制器的实现,实现水箱液位的闭环控制。第二章 系统总体设计2。1系统设计原理2.1.1水箱
8、液位变化的原理本设计探讨的是单容水箱的液位控制问题。为了能更好的选取控制方法和参数,有必要知道被控对象-上水箱的结构和特性。由图1所示可以知道,单容水箱的流量特性:水箱的出水量与水压有关,而水压又与水位高度近乎成正比。这样,当水箱水位升高时,其出水量也在不断增大。所以,若阀开度适当,在不溢出的情况下,当水箱的进水量恒定不变时,水位的上升速度将逐渐变慢,最终达到平衡.由此可见,单容水箱系统是一个自衡系统。图2-1 单容水箱结构图2。1.2水箱液位控制的原理简单控制系统有着共同的特征,它们均有四个基本环节组成,即被控对象、测量变送装置、控制器和执行器。对于不同对象的简单控制系统,尽管其具体装置与变
9、量不相同,但都可以用相同的方框图表示.除模拟PID调节器外,可以采用计算机、ARM 实现PID算法控制.首先由差压传感器检测出水箱水位;水位实际值通过单片机进行A/D转换,变成数字信号后,被输入计算机中;最后,在计算机中,根据水位给定值与实际输出值之差,利用PID程序算法得到输出值,再将输出值传送到ARM中,由ARM将数字信号转换成模拟信号。最后,由ARM的输出模拟信号控制水泵,从而形成一个闭环系统,实现水位的计算机自动控制。图2-2 单容水箱液位设计控制框图2。2水箱液位系统的控制模型该系统主要是自衡的非振荡过程,即在外部阶跃输入信号作用下,过程原有的平衡状态被破坏,并在外部信号作用下自动的
10、非震荡地稳定到一个新的稳态,这一大类是在工业生产过程中最常见的过程。由这个简单控制系统通用的框图设计出水箱液位控制系统的原理框图如下图23 水箱控制系统原理框图第三章 设计准备3。1硬件准备3。1。1水箱比例系数的调节本次课程实践采用的单容水箱为杭州求是教仪公司生产的ACTYK1单容水箱,如图3-3所示。水泵由功率放大器电路控制。输入水量从顶部进入水箱,流出水量从流量控制阀门底部流出。压力传感器的输出电压作为控制面板的输出电压,输出电压范围010V。输入电压010V。通控制器、开关控制可实现闭环PID控制。图31 ACT-YK1单容水箱本课题采用的单容水箱型号为ACTYK1。220V交流电压供
11、电。输入输出电压均为010V。ACTYK1型实验对象的监测模块为一个压力传感器如图,型号为PT3304K14。量程04Kpa。螺纹:M201。5,输出电压010V,此模块内部电路有一个调节电路,如图 所示有两个可调电阻,左为调零电阻,右为比例调节电阻。执行装置为一个水泵,型号为FLO-2201。额定电压为12V。由于控制输入电压为010V,即控制电路为一个将小控制信号转化为大控制电压的放大电路。图3-2 PT3304K14压力传感器为方便计算,本次设计将水位为0刻度时调节调零旋钮至对应电压调为0V,满位30cm刻度时,对应电压调成5V,此时水箱满足:水位高度(h)电压值6调整结果如下:图33
12、水箱比例系数的调节3.1。2数据采集卡(DAQ)本次课题采用NI USB6009数据采集卡以及Labview2013的共同控制.NI myDAQ提供了八种常用的基于计算机和Labvie的即插即用型实验室仪器,包括万用表(DMM)、示波器和函数发生器。学生可使用所有可立即运行的软件仪器进行实验和练习,包括伯德图分析仪、任意波形发生器、动态信号分析仪(快速傅里叶变换)、数字输入和数字输出. 该平台包含一个数据采集引擎,可用于测量两个差分模拟输入和模拟输出通道(200 kS / s,16位,10 V)。还可通过8 条数字输入和数字输出线(兼容3。3 V TTL)连接低电压TTL(LVTTL)和5 V
13、 TTL数字电路. NI myDAQ通过+5 V、+15 V和-15 V电源输出(功率高达500 mW)为简单的电路和传感器提供充足的电量. 直流电压和电流以及电阻、二极管电压和连续性。图34 数据采集卡数据采集卡各个端口如下图所示:图3-5 数据采集卡各端口3。2软件安装本设计是基于Labview的单容水箱液位控制系统,在设计之应做好设计过程中相应的软件准备,对即将使用的软件进行必要的了解,掌握并熟悉基本的操作3.2。1Labview的安装因此次试验的数据采集卡(DAQ)是来自美国美国国家仪器(NI)有限公司的版本,基于此硬件环境,安装Labview2013,如图所示:图3-5Labview
14、的安装3。2.2DAQ的安装DAQ是英文Data Acquisition (数据采集)的缩写.广泛应用于电子、信息、科技、检测、试验领域。数据采集(DAQ)是指测量:电压、电流、温度、压力、声音、编码数据等电气或物理现象的过程。图3-6 DAQ的安装3。2。3PID控制器的安装因Labview中只提供单独的比例、微分、积分控制器未提供此次试验可直接使用的PID(比例-积分-微分控制器)控制模块,为提高实验效率和精度,在Labview2013以及DAQ安装完成之后,在Labview中添加PID控制模块的安装。第四章设计过程4。1水箱系统建模4。1。1水箱建模原理单容水箱的流量特性:水箱的出水量与
15、水压有关,而水压又与水位高度近乎成正比。这样,当水箱水位升高时,其出水量也在不断增大。所以,若阀开度适当,在不溢出的情况下,当水箱的进水量恒定不变时,水位的上升速度将逐渐变慢,最终达到平衡。由此可见,单容水箱系统是一个自衡系统.(1) 确定过程的输入变量和输出变量如下图所示,流入水箱的流量是由进料阀1来控制的;流出水箱的流量取决于水箱液位L和出料阀2的开度,而出料阀的开库是随用户的需要而改变的。这里,液位L是被控变量(即输出变量),进料阀1为控制系统中的控制阀,它所控制的进料流量是过程的控制输入(即操纵量),出料流量是外部扰动.本设计以进料流量作为输入变量.图4-1 水箱液位过程及其阶跃响应曲
16、线(2)根据过程内在机理,列写原始方程根据物料平衡关系,当过程处于原有稳定状态是,水箱液位保持不变,其静态方程为:=0(41),、分别为原稳定状态下水箱的进料流量和出料流量,当进料流量突然增大是,水箱原来的平衡状态被破坏,此时进料量大于出料量,多余的液体在水箱内储存起来,使其液位升高.设水箱液体的储存量为V,则单位时间内出料流量与进料流量之差等于水箱液体储存量的净增量。其动态方程为:=(42)=、,、分别为和的增量。设水箱截面积为A,则有V=AL,其增量形式为dV=AdL,即:(43).将=、和式(43)代入式(42),得(44).将式(14)减去式(41)可得用新增量形式表示的动态方程式,为
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