单容水箱液位控制系统设计.doc

1、一、单容水箱液位控制系统设计（一）实验目的及意义 （1）熟练设计和操作单回路控制系统 （2）掌握和了解单容水箱液位控制系统所采用仪表的使用及连线 （3）掌握UT550的使用和参数设定，使水箱液位稳定在设定数值上 （4）理解PI、PID的各参数对水箱液位的作用及原理意义：通过本次实验提高我们的动手能力及现场操作能力，提高我们遇到问题怎样思考处理问题的能力，同时也提高我们的实践能力为以后在工作中的应用。（二）实验原理（应画系统方框原理图，配以文字说明） 单回路控制系统是控制系统的基础，而单容水箱液位控制系统是单回路控制系统中的一个典型控制系统。单容水箱控制系统的设计就采用简单负反馈控制回路。在设计

2、控制系统中，选择水箱为被控对象，变送器采用压力变送器，调节阀采用电动直行程调节阀，调节器采用UT550程序调节器，我们把水管流量设为调节参数，水箱液位为被调参数，压力变送器将水箱的液位转换为4-20mA电流信号，由于变送器输出的是电流信号，我们需要接一个250（500）的电阻把电流信号1-5 V（2-10V）的电压信号与给定值相比较得出偏差值,输入到UT550程序调节器，调节器UT550通过PID运算处理后输出控制信号控制电动直行程调节阀的开度大小, 从而改变进水流量, 以此来实现对水箱液位高低的控制。下图为单容水箱液位控制系统工作原理框图： 单容水箱液位控制系统工作原理框（三）实验仪器设备及

3、接线图（应有所用仪器仪表列表，接线图，配以文字说明）（1）实验仪器： 序号 设备名称设备规格型号每组数量 1 PID调节器 UT550程序调节器 1台 2 压力变送器 扩散硅压力传感器 1台 3 直行程电动调节阀 ml7420a6033e执行器 1台 4 水泵 1台 5 变频器 三菱FR-D720变频器 1台 6 导线 普通铜线 若干 7 电阻 250（500） 一个 （2） 实验仪器接线图：说明：按上图接线，由于水箱液位的测量是采用压力变送器，故控制系统采用的是二线制接法，需要外接电源，压力变送器输出的是电流信号（420mA） ，而调节器UT550接收的是电压信号（15v），所以需要通过电阻

4、来将电流信号转换成电压信号传输，将压力变送器、24V电源、和250的电阻串联在一起，调节器输入的信号从250欧姆的电阻两端取得，调节器1、2为输入口，5、6为输出口，调节器的输出接到调节阀的输入端。通过上述接线，拍照如下实物接线图：（四）实验调试结果（包括仪表初始设定过程，控制策略选择（PI），参数整定，控制效果）等等（1） 仪表初始设定过程按照UT550程序调节器指导要求的步骤仪表初始设定首先要设定程序执行时的时间单位、PV输入类型及单位的设定、控制输出类型及周期等。程序时间单位的设定a.按设定键超过三秒，显示“PROG”,b.按下键一次，显示“STUP”,c.按设定键一次，显示“PARA”

5、，d按设定键一次，显示“SP”,e.按设定键进入“SP”,设定TMU=mm：ss（分：秒）,f.返回接通电源后的显示画面。PV输入类型及单位的设定a.按设定键超过三秒，显示“PROG”,b.按下键一次，显示“STUP”,c.按设定键一次，显示“PARA”，d.按下键一次，显示“UPMD”，e.按设定键一次，显示“MD”，f.按上键一次，显示“IN”，g.按设定键进入“IN”h.设定PV,IN1=1-5V，i.按SET/ENT键一次，登录设定值；j.按SET/ENT键一次，显示“INI1”k.按SET/ENT键一次，显示“RH1” 5.00；l.按SET/ENT键一次，登录设定值；m.按SET/

6、ENT键一次，显示“RL1” 1.00；n.按SET/ENT键一次，登录设定值；o.按SET/ENT键一次，显示“SDP1” ，p.按加减键，显示设定值=2。在本设计中，q.按SET/ENT键一次，登录该设定值；r.按SET/ENT键一次，显示“SH1”s.按加减键，显示设定值=45；t.按SET/ENT键一次，登录设定值；u.按SET/ENT键一次，显示“SL1” v.按加减键，显示设定值=0；w.按下SET/ENT键3秒，返回主页面。控制输出类型及周期的设定a.按设定键超过三秒，显示“PROG”,b.按下键一次，显示“STUP”,c.按设定键一次，显示“PARA”，d.按下键一次，显示“U

7、PMD”，e.按设定键一次，显示“MD”，f.按上键两次，显示“OUT”，g.按设定键进入“OUT”,OT1=2,h.按设定键登陆，i.按设定键一次,设定CT1=10 sec，k.按设定键登陆，l.按设定键超过3s返回主页面。 （2）仪表超调抑制功能设定过程：a. 按设定键超过三秒，显示“PROG”，b.按上键两次，显示“LP1”，c.按设定键一次，显示“PAR”d.按设定键进入“PAR”进行设定SC=1，e.按设定键登陆设定值，再按DISP键返回上一级，屏幕显示“PAR”。 (3)控制策略选择 由于水箱液位变化较快，所以控制策略中不需要微分的超前作用,又因为比例作用具有迅速克服干扰的能力，但

8、缺点是有静差，而积分又有消除静差的作用，所以控制策略应该选择PI调节规律。 （4）PID参数设定过程： a.按设定键超过三秒，显示程序进入“PROG”，b.按上键两次，显示“LP1”，c.按上键一次显示“1.PID”，d.按设定键一次，进入第一组1.P的参数设定，e.按上键或下键将1.P设定为12.5%，f.按设定键登陆，g.再按一次设定键,进入第一组1.I的参数设定，h.按上键或下键将1.I设定为50s，i.按设定键登陆，j.再按一次设定键,进入第一组1.D的参数设定，k.按上键或下键将1.D设定为12s，l.按设定键登陆，长按设定键超过3s返回主页面。（5） 运行参数设定a.按设定键超过三

9、秒，显示程序进入“PROG”，b.按下键一次，显示本机设定值“LOC”，c.按上键一次，显示“PRG”，d.按设定键一次,进入“PRG”设定，e.再按设定键两次，显示起点目标设定值SSP1，f.按上键或下键设定SSP1=15.00，g.按设定键登陆，h.再按设定键两次,显示终点目标设定值TSP1，i.按上键或下键设定TSP1=15.00，j.按设定键登陆，k.按设定键一次，显示程序段1运行时间的TIME，设定TIME=5mm:00ss（5分钟），l.按设定键登陆， m.按设定键一次，显示程序段1的即设定PID=1，n.按设定键登陆，然后长按设定键超过3s返回接通电源后的显示画面。 （6）控制效

10、果 由于UT550程序调节器在实验调试的过程中，出现了问题，以至于最后的控制效果没有实现。如果在调节器没有问题的情况下，按照上述步骤调试参数，将会达到本次试验的控制效果。（五）总结 通过做单容水箱液位控制系统设计这次实验，让我收获很多，无论干什么事，首先要保持一个端正的态度，这是我能不能做好这件的关键，其次，做事要认真，不能马虎，同时也锻炼我遇到问题和解决的能力。 二、电阻炉温度控制系统设计(一)实验目的及意义（1） 掌握电阻炉温度控制系统中调节器、固态继电器的作用和工作原理（2）掌握单点温度控制系统调节器的PID参数设定（3）掌握多点温度控制系统调节器的PID参数设定（4）掌握UP550程序

11、调节器的使用和参数设定，使水箱液位稳定在设定数值上（5）掌握PID各参数对电阻炉温度的影响和原理意义：通过电阻炉温度控制的学习，查资料学习UP550程序调节器的原理和调节方法，加强对控制系统的认识，同时提高自己的动手能力和实践能力，并且能想出其他方案的设计，如PLC等其他代替UP550调节器。同时能明白就地控制和远程控制的不同，需要克服的外界因素干扰。（二）实验原理（应画系统方框原理图，配以文字说明） 电阻炉温度控制系统由UP550程序调节器，固态继电器，被控对象电阻炉，热电偶温度变送温度的器组成单负反馈回路 ，在系统中，选择电阻炉为被控对象，温度作为被控变量，通过热电偶检测温度变化，将非电量

12、转换成电压信号，并与给定值进行比较，产生偏差信号传输到UP550调节器,UP550程序调节器进行PID运算后，通过PID运算产生控制信号传给固态继电器，通过改变PWM（占空比）来改变固态继电器的触点断开、闭合时间来控制电阻炉内部的加热线圈的加热时间，以此来控制电阻炉的温度的上升与下降。下图为电阻炉温度控制系统工作原理方框图： 电阻炉温度控制系统工作原理方框图（三）实验仪器设备及接线图（应有所用仪器仪表列表，接线图，配以文字说明）（1）实验仪器：序号 设备名称 设备规格型号每组数量1 PID调节器 UP550程序调节器 1台2 热电偶 K型热电偶 1只3 固态继电器 S240ZK 1台4 电阻炉

13、 1台5 导线 普通铜线 若干6 开关 公牛多功能开关 一个 (2) 实验仪器接线图： 说明：如上图所示，热电偶有正负极性之分，固态继电器也有正负极性之分，将程序调节器UP-550的12、13号引脚与热电偶的正极和负极相连，热电偶极插到电阻炉里面，17、18号引脚与固态继电器的输入端子的“+”、“”极相连，程序调节器插头插到220V电源上，电阻炉输出的一端接至固态继电器的负载LOAD 3端、继电器的4号端子与零线N相连，电阻炉输出的另一端与火线L相连。通过上述接线，拍照如下实物接线图：（四）实验调试结果（包括仪表初始设定过程，控制策略选择（PI），参数整定，控制效果）等等接通电源后的显示画面如

14、图所示： UP550程序调节器的设定过程，先设定仪表的初始参数，其次设定超调抑制功能，之后设定PID参数，最后设定程序参数 ,在程序设定的初期我们首先要设定程序执行时的时间单位、PV输入类型及单位的设定、控制输出类型及周期等。实验项目一、定值（单点）温度控制系统调节器设定(1) 仪表初始设定过程.程序时间单位的设定a.按设定键超过三秒，显示程序进入“PROG”，b.按下键一次，显示“STUP”，c.按设定键一次，显示“PARA”，d.按设定键一次，显示“SP”，e.按设定键进入“SP”进行参数设定，f.设定程序时间单位TMU=mm：ss（分：秒），g.完成后长按设定键超过3s返回接通电源后的显

15、示画面。PV输入类型及单位的设定a.按设定键超过三秒，显示程序进入“PROG”，b.按下键一次，显示“STUP”，c.按设定键一次，显示“PARA”，d.按下键一次，显示“UPMD”，e.按设定键一次，显示“MD”，f.按上键一次，显示“IN”，g.按设定键进入“IN”进行参数设定，h.设定PV输入类型IN1=type K(-2701300)，按一次SET/ENT键登录设定值；i.按一次SET/ENT键，显示“INI1”将其设定为；j.按一次SET/ENT键，登录设定值。k.完成后按下SET/ENT键3秒以上，将回到接通电源时的显示画面。 控制输出类型及周期的设定a.按设定键超过三秒，显示程序

16、进入“PROG”，b.按下键一次，显示“STUP”，c.按设定键一次，显示“PARA”，d.按下键一次，显示“UPMD”，f.按设定键一次，显示“MD”，g.按上键两次，显示“OUT”，h.按设定键进入“OUT”进行参数设定，设定控制输出类型OT1=1（时间比例PID电压脉冲输出），i.按设定键登陆该值，j.按设定键一次设定控制输出周期CT1=10 sec，k.按设定键登陆该值l.完成后长按设定键超过3s返回接通电源后的显示画面。(2) 有关控制动作的参数菜单“CTL”a.长按设定键超过三秒，显示“PROG”，b.按下键一次，显示“STUP”，c.按设定键进入“STUP”, e.按上键或下键可

17、找到“CLT”f.按设定键进入，g.按设定键可找到“ZON”h.按上键或下键设定ZON=0，i.按设定键登陆设定值，j.长按设定键超过3s返回接通电源后的显示画面。 (3)单点保持程序的运行参数设定a.按设定键超过三秒，显示程序进入“PROG”b.按下键一次显示本机设定值“LOC”，c.按上健一次显示“PRG”,d.按设定键一次进入“PRG”进行参数设定，e.再按设定键两次，显示起始目标设定值参数SSP1，f.按上键或下键设定SSP1=400.0,g.按设定键登录设定值 h.再按设定键两次显示程序段1的终点目标设定值参数TSP1，i.按上键或下键设定TSP1=400.0,j.按设定键登录设定值

18、。k.再按设定键一次，显示程序段1运行时间的设定参数TIME。l.设定TIME=25min，m.按设定键登录设定值。n.按设定键一次，显示程序段1的程序段PID编号选择参数“PID”，选择程序段1用第一组PID参数，即设PID=1，按设定键登录设定值。o.长按设定键超过3s返回接通电源后的显示画面。(4)控制效果在接通电源后的显示画面下按“PT.NO”键使其为1，完成设定后按“RUN”键超过2秒，程序开始运行，此时UP550程序调节器的程序监控灯保持段和“PRG”指示灯长亮，PV显示测量温度，SP显示设定温度（400），PTNO=1，SEGNO=1/1，TM（剩余时间显示）=25分钟（递减），

19、炉温从室温升到设定温度（400）后保持恒定，控制精度在，25分钟后，TM=0，程序运行结束“RST”指示灯点亮,电阻炉开始自然降温，控制效果如下图。实验项目二、多点温度控制系统调节器设定(1)仪表初始化参数设定过程不变。（2）仪表超调抑制功能设定过程：a.按设定键超过三秒，显示程序进入“PROG”，b.按上键两次，显示程序“LP1”，c.按设定键一次，显示“PAR”d.按设定键进入“PAR”进行参数设定，设定超调抑制功能参数SC=1，e.按设定键登陆设定值，f.再按DISP键返回上一级，屏幕显示“PAR”。(3)PID参数的设定：a.按设定键超过三秒，显示程序进入“PROG”b.按上键两次显示

20、“LP1”，c.按上键一次显示“1.PID”，d.按设定键一次进入第一组PID参数设定菜单中的“1.P”的参数设定，e.按上键或下键将1.P设定为3.4%，f.按设定键登录该值，g.按一次设定键进入第一组PID参数设定菜单中的“1.I”的参数设定， h.按上键或下键将1.I设定为366s， i.按设定键登录该值，j.再按一次设定键进入第一组PID参数设定菜单中的“1.D”的参数设定，k.按上键或下键将1.D设定为91s，l.按设定键登录该值，m.再按DISP键退回到“1.PID” 菜单，n.按上键显示子菜单“2.PID”,o.同理设定第二，三，四，五，六组的PID参数，序号参数PID1.PID

21、3.4%366s91s2.PID2.7%332s48s3.PID2.6%250s51s4.PID3.0%255s52s5.PID2.8%199s50s6.PID3.6%239s43s(4)程序参数设定过程：在设定程序运行参数之前，同样要先将区域PID选择参数设定为程序段PID即ZON=0。(5)多点温度控制系统的设定过程为：长按设定键超过三秒，显示程序进入主菜单“PROG”，按下键一次，显示本机设定值参数菜单“LOC”，按上键一次，显示子菜单“PRG”，按设定键一次进入“PRG”菜单进行参数设定，显示程序段1a.再按设定键两次，显示起点目标设定值参数SSP1，b.按上键或下键设定SSP1=25

22、.0，c.按设定键登陆设定值，e.再按设定键两次显示程序段1的终点目标设定值参数TSP1，f.按上键或下键设定TSP1=200.0，g.按设定键登陆设定值，h.按设定键一次，显示程序段1运行时间的设定参数TIME，设定TIME=00h06（6分钟），i.按设定键登陆设定值，j.按设定键一次，显示程序段1的程序段PID组号选择参数“PID”，k.选择程序段1用第一组PID参数，即设定PID=1，l.按设定键登陆设定值。显示程序段2a.按设定键两次显示程序段2的终点目标设定值参数TSP1，b.按上键或下键设定TSP1=200.0，c.按设定键登陆设定值，e.按设定键一次，显示程序段2运行时间的设定

23、参数TIME，设定TIME=00h10（10分钟），f.按设定键登陆设定值，g.按设定键一次，显示程序段2的程序段PID组号选择参数“PID”，h.选择程序段2用第二组PID参数，即设定PID=2，i.按设定键登陆设定值。显示程序段3a.按设定键两次显示程序段3的终点目标设定值参数TSP1，b.按上键或下键设定TSP1=400.0，c.按设定键登陆设定值，d.按设定键一次，显示程序段3运行时间的设定参数TIME，设定TIME=00h15（15分钟），e.按设定键登陆设定值，f.按设定键一次，显示程序段3的程序段PID组号选择参数“PID”，g.选择程序段3用第三组PID参数，即设定PID=3，

24、h.按设定键登陆设定值。显示程序段4a.按设定键两次显示程序段4的终点目标设定值参数TSP1，b.按上键或下键设定TSP1=400.0，c.按设定键登陆设定值，d.按设定键一次，显示程序段4运行时间的设定参数TIME，设定TIME=00h10（10分钟）， e.按设定键登陆设定值，f.按设定键一次，显示程序段4的程序段PID组号选择参数“PID”，显示程序段5a.按设定键两次显示程序段5的终点目标设定值参数TSP1，b.按上键或下键设定TSP1=600.0，c.按设定键登陆设定值，d.按设定键一次，显示程序段5运行时间的设定参数TIME，设定TIME=00h15（15分钟），e.按设定键登陆设

25、定值，f.按设定键一次，显示程序段5的程序段PID组号选择参数“PID”，g.选择程序段5用第五组PID参数，即设定PID=5，h.按设定键登陆设定值。显示程序段6a.按设定键两次显示程序段6的终点目标设定值参数TSP1，b.按上键或下键设定TSP1=600.0，c.按设定键登陆设定值，e.按设定键一次，显示程序段6运行时间的设定参数TIME，设定TIME=00h10（10分钟），f.按设定键登陆设定值，g.按设定键一次，显示程序段6的程序段PID组号选择参数“PID”，H.选择程序段6用第六组PID参数，即设定PID=6，i按设定键登陆设定值。(6)控制效果：在接通电源后的显示画面下按“PT

26、.NO”键使其为1，完成设定后按“RUN”键超过2秒，程序开始运行。开始执行第一段升温程序，此时UP550程序调节器的程序监控灯上升段和“PRG”指示灯长亮，PV显示测量温度，SP显示当前设定温度（递增），PTNO=1，SEGNO=3/8，TM（剩余时间显示）=8分钟（递减），十分钟后，SP从初始设定温度增长到200，PV显示温度在200.8；之后进入第二段保温程序，UP550程序调节器的程序监控灯保持段和“PRG”指示灯长亮，PV显示测量温度，SP显示设定温度（200），PTNO=1，SEGNO=3/8，TM（剩余时间显示）=10分钟（递减），设定值SP在200保持恒定，PV达到200后基本

27、保持，其显示画面如下十分钟之后进入第三段升温程序，此时UP550程序调节器的程序监控灯上升段和“PRG”指示灯长亮，PV显示测量温度，SP显示当前设定温度（递增），PTNO=1，SEGNO=2/8，TM（剩余时间显示）=15分钟（递减），十五分钟后，SP从初始设定温度增长到400，PV显示温度在399.9；其显示画面如下:第四段保温程序，UP550程序调节器的程序监控灯保持段和“PRG”指示灯长亮，PV显示测量温度，SP显示设定温度（400），PTNO=1，SEGNO=4/7，TM（剩余时间显示）=10分钟（递减），设定值SP在400保持恒定，PV达到400.2后基本保持,其显示画面如下:十分

28、钟之后进入第五段升温程序，此时UP550程序调节器的程序监控灯上升段和“PRG”指示灯长亮，PV显示测量温度，SP显示当前设定温度（递增），PTNO=1，SEGNO=6/8，TM（剩余时间显示）=15分钟（递减），十五分钟后，SP从初始设定温度增长到600，PV显示温度在599.8； 第六段保温程序，UP550程序调节器的程序监控灯保持段和“PRG”指示灯长亮，PV显示测量温度，SP显示设定温度（600），PTNO=1，SEGNO=6/8，TM（剩余时间显示）=10分钟（递减），设定值SP在600保持恒定，PV达到600.3后基本保持 （五） 总结通过这次电阻炉温度控制系统设计实验，让我对热电

29、偶测温有了更深的认识，同时也熟练了对UP550调节器的参数设定的操作，我想这些收获将会对我以后的工作有更大的帮助，特别是采用PWM而不通过改变电流的大小来调节炉温度的思想，我觉得尤为重要，这些收获的经验将让我受益终生！最后感谢老师这几个星期的指导！在此道一声：“老师，您辛苦了！祝您假期愉快！”参 考 文 献1 刘明武.PIC单片机数据采集系统设计与应用，考试周刊，2007，29期2 凌阳大学计划网站.基于SPCE061A的多路数据采集系统设计3 雷淑英，尹绍宏，王秀清.单片机控制的数据采集系统，天津轻工业学院报，2001.9，3期4 雷晓平，罗海天.多通道实时数据采集系统的设计和实现，计算机工程，2002.11，11期：2305 伍道明.基于单片机的数据采集与控制系统，学术园地，2007，266 姚广平.基于单片微机的多道数据采集系统，计算机自动检测与控制，17