基于mcgs的液位控制系統(tǒng)設(shè)計的開題報告

1、<p>　　畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告</p><p>　　題 目：基于MCGS液位控制系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　系 （部） </p><p>　　專 業(yè) 自動化 </p><p>　　學(xué) 生 </p&g

2、t;<p>　　學(xué) 號 </p><p>　　班 號 </p><p>　　指導(dǎo)教師 </p><p>　　開題報告日期 </p><p><b>

3、　　說 明</b></p><p>　　一、開題報告應(yīng)包括下列主要內(nèi)容：</p><p>　　1．通過學(xué)生對文獻論述和方案論證，判斷是否已充分理解畢業(yè)設(shè)計（論文）的內(nèi)容和要求</p><p>　　2．進度計劃是否切實可行；</p><p>　　3．是否具備畢業(yè)設(shè)計所要求的基礎(chǔ)條件。</p><p>

4、;　　4．預(yù)計研究過程中可能遇到的困難和問題，以及解決的措施；</p><p><b>　　5．主要參考文獻。</b></p><p>　　二、如學(xué)生首次開題報告未通過，需在一周內(nèi)再進行一次。</p><p>　　三、開題報告由指導(dǎo)教師填寫意見、簽字后，統(tǒng)一交所在系（部）保存，以備檢查。</p><p>　　指導(dǎo)教師評語

5、： </p><p>　　指導(dǎo)教師簽字： 檢查日期： </p><p>　　一、課題的開發(fā)背景與需求分析</p><p>　　人們生活以及工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)常涉及到液位和

6、流量的控制問題，例如飲料、食品加工，居民生活用水的供應(yīng)，溶液過濾，污水處理，化工生產(chǎn)等多種行業(yè)的生產(chǎn)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，太滿容易溢出造成浪費，過少則無法滿足需求。</p><p>　　因此，需要設(shè)計合適的控制器自動調(diào)整蓄液池的進出流量，使得蓄液池內(nèi)液位保持正常水平，以保證產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)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(yè)控制過

7、程中一個重要的參數(shù)。特別是在動態(tài)的狀態(tài)下，采用適合的方法對液位進行檢測、控制，能收到很好的生產(chǎn)效果。通過進行了多次的實驗得出了一些相關(guān)的數(shù)據(jù)，水箱液位控制系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)用非常廣泛，可以把一個復(fù)雜的液位控制系統(tǒng)簡化成一個水箱液位控制系統(tǒng)來實現(xiàn)。</p><p>　　由于液位檢測應(yīng)用領(lǐng)域的不同，性能指標和技術(shù)要求也有差異，但適用有效的測量成為共同的發(fā)展趨勢，隨著電子技術(shù)及計算機技術(shù)的發(fā)展，液位檢測的自動控制成為其今后的

8、發(fā)展趨勢，控制過程的自動化處理以及監(jiān)控軟件良好的人機界面，操作人員在監(jiān)控計算機上能根據(jù)控制效果及時修正運行參數(shù)，這樣能有效地減少工人的疲勞和失誤，提高生產(chǎn)過程的實時性、安全性。隨著計算機控制技術(shù)應(yīng)用的普及、可靠性的提高及價格的下降，液位檢測的微機控制必將得到更加廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　本文簡要介紹了全中文工控組態(tài)軟件MCGS，并以THJ-2型高級過程控制系統(tǒng)實驗裝置為例，闡述了該系統(tǒng)硬件組成，控制方法，

9、功能以及采用MCGS開發(fā)的人機接口可視化界面（HMI）。講述了該系統(tǒng)開發(fā)的基本過程以及工控機怎么通過RS-485通訊協(xié)議與裝置進行通訊。實踐證明，系統(tǒng)具有界面友好、易于操作、運行可靠、便于升級擴充等特點。</p><p><b>　　二、調(diào)研分析</b></p><p>　　液位控制在鋼鐵、石油化工、食品罐裝等行業(yè)中應(yīng)用極為普及，對此進行研究有很高的實用價值。目前生產(chǎn)

10、中應(yīng)用的液位控制系統(tǒng)，主要以傳統(tǒng)的PID控制算法為主。但對于復(fù)雜的大型系統(tǒng)，其數(shù)學(xué)模型往往難以獲得，傳統(tǒng)的PID控制算法顯得無能為力。為適應(yīng)復(fù)雜的液位控制系統(tǒng)的控制要求，人們研究了很多智能控制方法，模糊PID控制便是其中之一。</p><p>　　隨著工業(yè)生產(chǎn)的飛速發(fā)展，人們對生產(chǎn)過程的自動化控制水平和工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量的要求越來越高。每一個先進、實用的控制算法和監(jiān)控算法的出現(xiàn)都對工業(yè)生產(chǎn)具有積極有效地推動作用。然而，

11、當前的學(xué)術(shù)研究成果與實際生產(chǎn)應(yīng)用技術(shù)水平并不是同步的，通常情況下實際生產(chǎn)中大規(guī)模應(yīng)用的算法要比理論方面的研究之后幾年，甚至幾十年。這是目前控制界所面臨的最大問題，究其根源主要是由于理論研究上缺乏實際背景的支持，一旦應(yīng)用于現(xiàn)場就會遇到各種各樣的實際問題。因而，在目前尚不具有在實驗室中重現(xiàn)的真實工業(yè)過程條件的今天，應(yīng)用經(jīng)濟實用且具有典型對象特性的實驗裝置進行控制算法的研究無疑是一條探究將理論成果快速轉(zhuǎn)化為實際應(yīng)用技術(shù)的捷徑。</p&g

12、t;<p>　　正是在這種背景下，本文以天煌教儀THJ-2型高級過程控制對象雙容水箱液位控制系統(tǒng)為對象（雙容水箱試驗裝置模擬了工業(yè)現(xiàn)場中多種典型的非線性時變多耦合系統(tǒng)，用常規(guī)的控制手段難以實現(xiàn)理想的控制效果），研究復(fù)雜液位系統(tǒng)的智能控制算法。</p><p>　　液位控制就是對某一容器內(nèi)的液體的進入量或流出量進行控制，從而使液位的高度保持在所希望的數(shù)值上。液位控制應(yīng)用極為普遍，種類繁多，其中不泛一些

13、大型的復(fù)雜系統(tǒng)。它主要有以下幾個特點：</p><p>　?。?）時滯性（2）時變性（3）非線性</p><p>　　THJ-2型高級過程控制系統(tǒng)試驗平臺是有實驗控制對象、實驗控制臺及上位監(jiān)控PC機三部分組成。該裝置結(jié)合了當今工業(yè)現(xiàn)場過程控制的實際，是一套集自動化儀表技術(shù)、計算機技術(shù)、通訊技術(shù)、走動控制技術(shù)及現(xiàn)場總線技術(shù)為一體的多功能試驗設(shè)備。</p><p>　　

14、該系統(tǒng)包括流量、溫度、液位、壓力等熱工參數(shù)，可實現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)辨識，單回路控制，串級控制，前饋-反饋控制，季后控制，比值控制，解耦控制等多種控制形式。它即可作為本科、?？啤⒏呗氝^程控制課程的實驗裝置，也可作為教師、研究生及科研人員對復(fù)雜控制系統(tǒng)、先進控制系統(tǒng)的研究提供一個物理模擬對象和實驗平臺。</p><p>　　三、關(guān)鍵技術(shù)與解決方案</p><p>　　串聯(lián)雙容水箱在工業(yè)過程控制中應(yīng)用非

15、常廣泛。在串聯(lián)雙容水箱水位的控制中，進水首先進人第一個水箱，然后通過第二個水箱流出，與一個水箱相比，由于增加了一個水箱，使得被控量的響應(yīng)在時間上更落后一步，即存在容積延遲，從而導(dǎo)致該過程的難以控制。串級控制是改善調(diào)節(jié)過程動態(tài)性能的有效方法，由于其超前的控制作用，可以大大克服系統(tǒng)的容積延遲。采用兩步整定法，通過MCGS組態(tài)軟件對整定過程及曲線進行實時監(jiān)控，直至達到主、副回路的最佳整定參數(shù)。</p><p>　　設(shè)計

16、中通過實驗方法測定被控對象上水箱和下水箱在輸入階躍信號后的液位響應(yīng)曲線和相關(guān)參數(shù)。使用MATLAB軟件對實驗數(shù)據(jù)進行處理。</p><p>　?。?）系統(tǒng)控制方案設(shè)計</p><p>　　本系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖2所示，出水箱(下水箱)液位具有較大的延遲，進水箱(上水箱)液位具有明顯的導(dǎo)前作用，從而構(gòu)成了以上水箱為副參數(shù)，下水箱為主參數(shù)的串級控制系統(tǒng)。系統(tǒng)中的副回路可以很快的消除作用于內(nèi)回路中的

17、各種擾動，當有擾動作用于副對象(上水箱)時，副調(diào)節(jié)器能在擾動影響主控參數(shù)之前動作，及時克服進入副回路擾動；當擾動作用于主對象(下水箱)時，由于副回路的存在也使系統(tǒng)的響應(yīng)加快，消除擾動的影響，使主回路控制作用加強。</p><p>　　根據(jù)雙容水箱液位系統(tǒng)的過程特性和數(shù)學(xué)模型，選擇控制器的控制規(guī)律如下：主調(diào)節(jié)器選擇比例積分微分控制規(guī)律(PID)，對下水箱液位進行調(diào)節(jié)；副調(diào)節(jié)器選擇比例控制規(guī)律(P)，對上水箱液位進行

18、調(diào)節(jié)，并輔助主調(diào)節(jié)器對系統(tǒng)進行控制，整個回路構(gòu)成雙閉環(huán)負反饋系統(tǒng)(如圖2)。</p><p>　　在雙容水箱液位控制系統(tǒng)中，被控對象的液位變化是連續(xù)的，在遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中計算機利用的是離散的信號，所以要對模擬PID控制器進行離散化處理。</p><p><b>　　四、系統(tǒng)完成的功能</b></p><p>　　以THJ一2高級過程控制實驗裝

19、置為基礎(chǔ)，采用串級PID控制方法設(shè)計建立了雙容水箱的數(shù)學(xué)模型，構(gòu)成了以上水箱液位為副參數(shù)、下水箱液位為主參數(shù)的液位串級控制系統(tǒng)，在組態(tài)軟件MCGS中進行了實現(xiàn)，實驗測試結(jié)果表明，系統(tǒng)實現(xiàn)了對過程參數(shù)的無穩(wěn)態(tài)誤差控制，具有良好的穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)性能。</p><p><b>　　五、系統(tǒng)模塊設(shè)計</b></p><p>　　1、系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖與元器件選擇</p&g

20、t;<p><b>　　實驗設(shè)備包括：</b></p><p>　　1. THJ-2型高級過程控制系統(tǒng)實驗裝置</p><p>　　2. 計算機、MCGS工控組態(tài)軟件、RS232/485轉(zhuǎn)換器1只、串口線1根</p><p><b>　　3. 萬用表 1只</b></p><p>　　

21、液位控制系統(tǒng)主要是基于THJ－2 型遠程數(shù)據(jù)采集過程控制裝置。系統(tǒng)的主要目的是控制下水箱的液位。主要干擾源為隨機流入水箱中的水使水位上漲，超過警戒水位； 同時出于某種考慮，不能使水位低于某個值。整個液位控制系統(tǒng)由控制器、電動調(diào)節(jié)閥、上水箱、下水箱和液位變送器模塊等組成。電動調(diào)節(jié)閥用于調(diào)節(jié)上水箱的進水量的大小，液位變送器用于檢測上水箱和下水箱中的液位?？刂破鞯妮敵隽坑糜诳刂齐妱诱{(diào)節(jié)閥的開度。</p><p>　　液

22、位控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。上水箱和下水箱的液位信號分別由兩壓力傳感器檢測，檢測到的液位信號經(jīng)液位變送器轉(zhuǎn)換成4— 20 mA 的電流信號，再通過A／D將采集到的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，該數(shù)字信號經(jīng)RS485總線傳送給上位機，上位機采集到的數(shù)字信號在組態(tài)軟件中由PID控制器進行處理得出控制信號，控制信號經(jīng)RS485送給D／A 轉(zhuǎn)換器，最后轉(zhuǎn)換得到的模擬信號驅(qū)動調(diào)節(jié)閥工作。</p><p>　　用泵作為輸送源，把

23、液體從低位液池抽到高位液池，讓其產(chǎn)生壓力使液體流經(jīng)調(diào)節(jié)閥再通過智能儀表加以調(diào)節(jié)，使其液箱的液位達到控制的要求，液位箱的箱底連接一個排除法門（此閥門的開關(guān)量決定液位箱的循環(huán)速度）。排出閥門的管道同時也連接到低位液池，是整個系統(tǒng)處于循環(huán)狀態(tài)，從而節(jié)約用水。</p><p>　　2、系統(tǒng)軟件功能模塊設(shè)計圖</p><p>　　MCGS組態(tài)軟件：Monitor and control Genera

24、ted System(簡稱MCGS)是一套基于各種32位Windows平臺的全中文組態(tài)軟件，用于快速構(gòu)造和生成工業(yè)設(shè)備驅(qū)動。它能夠完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、實時和歷史數(shù)據(jù)處理、流程控制、動畫顯示、報警和安全機制、趨勢曲線、報表輸出等功能。利用其可視化的畫面制作技術(shù)?？蓪崿F(xiàn)各種滿足要求的仿真界面，能夠快捷地開發(fā)組建高效的控制系統(tǒng)。MCGS系統(tǒng)可以與廣泛的數(shù)據(jù)源交換數(shù)據(jù)；它提供多種高性能的I/O驅(qū)動；它全面支持OPC（OLE for Process

25、 Control）標準，可以和更多的自動化設(shè)備連接。目前MCGS組態(tài)軟件已經(jīng)在石油、化工、電力等多種工程領(lǐng)域獲得成功的應(yīng)用。</p><p>　　MCGS軟件系統(tǒng)包括組態(tài)環(huán)境和運行環(huán)境兩部分。組態(tài)環(huán)境相當于一套完整的工具軟件，幫助用戶設(shè)計和構(gòu)造自己的應(yīng)用系統(tǒng)。運行環(huán)境則按照組態(tài)環(huán)境中構(gòu)造的組態(tài)工程，以用戶指定的方式運行，并進行各種處理，完成用戶組態(tài)設(shè)計的目標和功能。運行環(huán)境本身沒有任何意義，必須與組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫一

26、起才能構(gòu)成用戶應(yīng)用系統(tǒng)。一旦組態(tài)工作完成，運行環(huán)境和組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫就可以離開組態(tài)環(huán)境而獨立運行在監(jiān)控計算機上。具體組態(tài)過程如下：</p><p>　　用戶窗口組態(tài)：主要用于設(shè)置工程中的人機交互界面，如系統(tǒng)的主控界面、曲線圖、動畫等。</p><p>　　主控窗口組態(tài)：是工程的主窗口或主框架?！坝脩舸翱凇苯M態(tài)完成之后，在“主控窗口”中，通過對系統(tǒng)菜單和參數(shù)的定義與設(shè)置來調(diào)度、管理這些用戶窗口

27、的打開或關(guān)閉。</p><p>　　實時數(shù)據(jù)庫組態(tài)：是工程各個部分數(shù)據(jù)交換與處理中心，它將MCGS工程的各個部分連成有機的整體。按照系統(tǒng)設(shè)計的實際需要，在MCGS的“實時數(shù)據(jù)庫窗口”中對系統(tǒng)所創(chuàng)建的數(shù)據(jù)對象的基本屬性、存盤屬性、報警屬性進行定義和設(shè)置。 </p><p>　　設(shè)備構(gòu)件組態(tài)：是連接和驅(qū)動外部設(shè)備的工作環(huán)境

28、。在通道連接窗口中，將A／D、D／A 通道和實時數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)對象對應(yīng)連接起來。</p><p>　　運行策略組態(tài)：完成工程運行流程的控制。該系統(tǒng)采用PID 控制算法，根據(jù)系統(tǒng)的控制算法及要完成的特定流程和操作處理，在MCGS的“運行策略”窗口中，對系</p><p>　　統(tǒng)的“啟動策略”、“循環(huán)策略”、“存盤策略”等分別進行組態(tài)和設(shè)置。完成組態(tài)后的液位控制系統(tǒng)的運行主控窗口。MCGS組態(tài)

29、運行環(huán)境見圖</p><p><b>　　六、進度安排</b></p><p>　　本課題的進度安排如表1所示。</p><p><b>　　表1 進度安排表</b></p><p>　　注：前5項共10周，根據(jù)課題不同自行安排</p><p><b>　　七、設(shè)備

30、保障</b></p><p>　　已經(jīng)具備下列設(shè)備保障畢業(yè)設(shè)計的順利開展：</p><p>　　軟件條件：MCGS組態(tài)軟件</p><p>　　硬件條件：計算機一臺；天煌教儀THJ-2型高級過程控制系統(tǒng)實驗裝置</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]

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