雙容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、目 錄摘 要 . 1 Abstract: . 21 概述. 31.1 過(guò)程控制介紹 . 31.2 液位串級(jí)控制系統(tǒng)介紹 . 41.3 MATLAB軟件介紹 . 41.4 MCGS組態(tài)軟件介紹 . 52 被控對(duì)象建模. 72.1 水箱模型分析 . 72.2 階躍響應(yīng)曲線法建立模型 . 73 系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)與仿真. 133.1 PID控制原理 . 133.2 系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì) . 153.2 控制系統(tǒng)仿真 . 164 建立儀表過(guò)程控制系統(tǒng). 204.1 過(guò)程儀表介紹 . 204.2 儀表過(guò)程控制系統(tǒng)的組建 . 214.3 儀表過(guò)程控制系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)行 . 245 建立計(jì)算機(jī)過(guò)程控制系統(tǒng). 265.1

2、 計(jì)算機(jī)過(guò)程控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) . 265.2 MCGS軟件工程組態(tài) . 285.3 計(jì)算機(jī)過(guò)程控制系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)行 . 386 結(jié)論. 40 謝詞 . 41 參考文獻(xiàn) . 42雙容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 摘 要： 本論文的目的是設(shè)計(jì)雙容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)中充分利用自動(dòng)化儀表技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)，通訊技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)水箱液位的串級(jí)控制。首先對(duì)被控對(duì)象的模型進(jìn)行分析，并采用實(shí)驗(yàn)建模法求取模型的傳遞函數(shù)。其次，根據(jù)被控對(duì)象模型和被控過(guò)程特性設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)，采用動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)對(duì)控制系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析。然后，設(shè)計(jì)并組建儀表過(guò)程控制系統(tǒng)，通過(guò)智能調(diào)節(jié)儀表實(shí)現(xiàn)對(duì)液位的串級(jí)PID 控制。最后

3、，借助數(shù)據(jù)采集模塊MCGS 組態(tài)軟件和數(shù)字控制器，設(shè)計(jì)并組建遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)過(guò)程控制系統(tǒng)，完成控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和結(jié)果分析。 關(guān)鍵詞： 液位 模型 PID控制 儀表過(guò)程控制系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)過(guò)程控制系統(tǒng)Abstract: The purpose of this thesis is to design the liquid level's concatenation control systemof the double capacity water tank. This design makes full use of the automatic indicator technique the comp

4、uter techniquethe communication technique and the automatic control technique in order to realize concatenation control of water tank's liquid. First, I carry out the analysis of the controlled objects' model, and use the experimental method to calculate the transfer function of the model .N

5、ext, I Design the concatenation control system and use the dynamic simulation technique to analyze the capability of control system. Afterwards, I design and set up the indicator process control system, realize PID control of the liquid level with intelligence indicator. Finally, I design and set up

6、 the long distance computer control system in virtue of the data collection module MCGS soft and digital PID controller ，accomplish control system experiment and analyze the outcome.Keywords: liquid level model PID control indicator process control system computer processcontrol system雙容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)

7、計(jì)1 概述1.1過(guò)程控制介紹1工業(yè)過(guò)程控制的發(fā)展概況自本世紀(jì)30年代以來(lái)，伴隨著自動(dòng)控制理論的日趨成熟，自動(dòng)化技術(shù)不斷地發(fā)展并獲得了驚人的成就，在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)發(fā)展中起著關(guān)鍵性的作用。過(guò)程控制技術(shù)是自動(dòng)化技術(shù)的重要組成部分，普遍運(yùn)用于石油，化工，電力，冶金，輕工，紡織，建材等工業(yè)部門(mén)。初期的過(guò)程控制系統(tǒng)采用基地式儀表和部分單元組合儀表，過(guò)程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大多是單輸入，單輸出系統(tǒng)，過(guò)程控制理論是以頻率法和根軌跡法為主體的經(jīng)典控制理論，以保持被控參數(shù)溫度，液位，壓力，流量的穩(wěn)定和消除主要擾動(dòng)為控制目的過(guò)程。其后，串級(jí)控制，比值控制和前饋控制等復(fù)雜過(guò)程控制系統(tǒng)逐步應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，氣動(dòng)和電動(dòng)單元組合儀

8、表也開(kāi)始大量采用，同時(shí)電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于過(guò)程控制領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了直接數(shù)字控制（DDC ）和設(shè)定值控制（SPC ）。之后，以最小二乘法為基礎(chǔ)的系統(tǒng)辨識(shí)，以極大值和動(dòng)態(tài)規(guī)劃為主要方法的最優(yōu)控制和以卡爾曼濾波理論為核心的最佳估計(jì)所組成的現(xiàn)代控制理論，開(kāi)始應(yīng)用于解決過(guò)程控制生產(chǎn)中的非線性，耦合性和時(shí)變性等問(wèn)題，使得工業(yè)過(guò)程控制有了更好的理論基礎(chǔ)。同時(shí)新型的分布式控制系統(tǒng)（DCS ）集計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通訊技術(shù)、故障診斷技術(shù)和圖形顯示技術(shù)為一體，使工業(yè)自動(dòng)化進(jìn)入控制管理一體化的新模式?，F(xiàn)今工業(yè)自動(dòng)化己進(jìn)入計(jì)算機(jī)集成過(guò)程系統(tǒng)（CIPS ）時(shí)代，并依托人工智能，控制理論和運(yùn)籌學(xué)相結(jié)合的智能控制技

9、術(shù)向工廠綜合自動(dòng)化的方向發(fā)展。2過(guò)程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)代化過(guò)程工業(yè)向著大型化和連續(xù)化的方向發(fā)展，生產(chǎn)過(guò)程也隨之日趨復(fù)雜，而對(duì)生產(chǎn)質(zhì)量經(jīng)濟(jì)效益的要求，對(duì)生產(chǎn)的安全、可靠性要求以及對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的要求卻越來(lái)越高。不僅如此，生產(chǎn)的安全性和可靠性，生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益都成為衡量當(dāng)今自動(dòng)控制水平的重要指標(biāo)。因此繼續(xù)采用常規(guī)的調(diào)節(jié)儀表（模擬式與數(shù)字式）已經(jīng)不能滿足對(duì)現(xiàn)代化過(guò)程工業(yè)的控制要求。由于計(jì)算機(jī)具有運(yùn)算速度快精度高存儲(chǔ)量大編程靈活以及具有很強(qiáng)的通信能力等特點(diǎn)，目前以微處理器單片微處理器為核心的工業(yè)控制幾與數(shù)字調(diào)節(jié)器過(guò)程計(jì)算機(jī)設(shè)備，正逐步取代模擬調(diào)節(jié)器，在過(guò)程控制中得到十分廣泛的作用。在控制系統(tǒng)中引入計(jì)算

10、機(jī)，可以充分利用計(jì)算機(jī)的運(yùn)算邏輯判斷和記憶等功能完成多種控制任務(wù)和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制規(guī)律。在系統(tǒng)中，由于計(jì)算機(jī)只能處理數(shù)字信號(hào)，因而給定值和反饋量要先經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，才能輸入計(jì)算機(jī)。當(dāng)計(jì)算機(jī)接受了給定值和反饋量后，依照偏差值，按某種控制規(guī)律（PID ）進(jìn)行運(yùn)算，計(jì)算結(jié)果再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而完成對(duì)系統(tǒng)的控制作用。過(guò)程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成包括硬件和軟件（除了被控對(duì)象檢測(cè)與執(zhí)行裝置外）。1過(guò)程計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件部分：（1）由中央處理器時(shí)鐘電路內(nèi)存儲(chǔ)器構(gòu)成的計(jì)算機(jī)主機(jī)是組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的核心部分，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)處理邏輯判斷控制量計(jì)算越限報(bào)警等，通

11、過(guò)接口電路向系統(tǒng)發(fā)出各種控制命令，指揮系統(tǒng)安全可靠的協(xié)調(diào)工作。（2）包括各種控制開(kāi)關(guān)數(shù)字鍵功能鍵指示燈聲訊器和數(shù)字顯示器等的控制臺(tái)是人機(jī)對(duì)話的聯(lián)系紐帶，操作人員可以通過(guò)操作臺(tái)向計(jì)算機(jī)輸入和修改控制參數(shù)，發(fā)出操作命令；計(jì)算機(jī)向操作人員顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。（3）通用外圍設(shè)備包括打印機(jī)記錄儀圖形顯示器閃存等，它們用來(lái)顯示存儲(chǔ)打印記錄各種數(shù)據(jù)。（4）I/O接口和I/O通道是計(jì)算機(jī)主機(jī)與外部連接的橋梁。I/O通道有模擬量通道和數(shù)字量通道。模擬量I/O通道將有傳感變送器得到的工業(yè)對(duì)象的生產(chǎn)過(guò)程參數(shù)（標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)）變換成二進(jìn)制代碼傳送給計(jì)算機(jī)；同時(shí)將計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字控制量變換為控制操作執(zhí)行機(jī)構(gòu)的模

12、擬信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的控制。2過(guò)程計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟件部分：（1）系統(tǒng)軟件由計(jì)算機(jī)及過(guò)程控制系統(tǒng)的制造廠商提供，用來(lái)管理計(jì)算機(jī)本身資源，方便用戶使用計(jì)算機(jī)。（2）應(yīng)用程序由用戶根據(jù)要解決的控制問(wèn)題而編寫(xiě)的各種程序（如各種數(shù)據(jù)采集濾波程序控制量計(jì)算程序生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控程序），應(yīng)用軟件的優(yōu)劣將影響到控制系統(tǒng)的功能精度和效率。1.2液位串級(jí)控制系統(tǒng)介紹在工業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中，液位是過(guò)程控制系統(tǒng)的重要被控量，在石油化工環(huán)保水處理 冶金等行業(yè)尤為重要。在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化中，常常需要對(duì)某些設(shè)備和容器的液位進(jìn)行測(cè)量和控制。通過(guò)液位的檢測(cè)與控制，了解容器中的原料半成品或成品的數(shù)量，以便調(diào)節(jié)容器內(nèi)的輸入輸出物料的平衡，保

13、證生產(chǎn)過(guò)程中各環(huán)節(jié)的物料搭配得當(dāng)。通過(guò)控制計(jì)算機(jī)可以不斷監(jiān)控生產(chǎn)的運(yùn)行過(guò)程，即時(shí)地監(jiān)視或控制容器液位，保證產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。如果控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)欠妥，會(huì)造成生產(chǎn)中對(duì)液位控制的不合理，導(dǎo)致原料的浪費(fèi)產(chǎn)品的不合格，甚至造成生產(chǎn)事故，所以設(shè)計(jì)一個(gè)良好的液位控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中有著重要的實(shí)際意義。在液位串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中將以THJ-2高級(jí)過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，展開(kāi)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)及工程實(shí)現(xiàn)的工作。雖然是采用傳統(tǒng)的串級(jí)PID 控制的方法，但是將利用智能調(diào)節(jié)儀表數(shù)據(jù)采集模塊和計(jì)算機(jī)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的組建，努力使系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)性能，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的過(guò)程中，將利用到MATLAB 軟件和M

14、CGS 組態(tài)軟件。以下將對(duì)它們的主要內(nèi)容進(jìn)行說(shuō)明。1.3 MATLAB軟件介紹MATLAB 軟件是由美國(guó)MathWorks 公司開(kāi)發(fā)的，是目前國(guó)際上最流行、應(yīng)用最廣泛的科學(xué)與工程計(jì)算軟件，它廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制、數(shù)學(xué)運(yùn)算、信號(hào)分析、計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖形圖象處理、語(yǔ)音處理、汽車工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)工程和航天工業(yè)等各行各業(yè)，也是國(guó)內(nèi)外高校和研究部門(mén)進(jìn)行許多科學(xué)研究的重要工具。MATLAB 最早發(fā)行于1984年，經(jīng)過(guò)10余年的不斷改進(jìn)，現(xiàn)今已推出基于Windows 2000/xp的MATLAB 7.0版本。新的版本集中了日常數(shù)學(xué)處理中的各種功能，包括高效的數(shù)值計(jì)算、矩陣運(yùn)算、信號(hào)處理和圖形生成等功能。在MATL

15、AB 環(huán)境下，用戶可以集成地進(jìn)行程序設(shè)計(jì)、數(shù)值計(jì)算、圖形繪制、輸入輸出、文件管理等各項(xiàng)操作。 MATLAB提供了一個(gè)人機(jī)交互的數(shù)學(xué)系統(tǒng)環(huán)境，該系統(tǒng)的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是復(fù)數(shù)矩陣，在生成矩陣對(duì)象時(shí)，不要求作明確的維數(shù)說(shuō)明，使得工程應(yīng)用變得更加快捷和便利。MATLAB 系統(tǒng)由五個(gè)主要部分組成：雙容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)(1MATALB語(yǔ)言體系 MATLAB是高層次的矩陣數(shù)組語(yǔ)言具有條件控制、函數(shù)調(diào)用、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、輸入輸出、面向?qū)ο蟮瘸绦蛘Z(yǔ)言特性。利用它既可以進(jìn)行小規(guī)模編程，完成算法設(shè)計(jì)和算法實(shí)驗(yàn)的基本任務(wù)，也可以進(jìn)行大規(guī)模編程，開(kāi)發(fā)復(fù)雜的應(yīng)用程序。(2MATLAB工作環(huán)境 這是對(duì)MATLAB 提供給用

16、戶使用的管理功能的總稱包括管理工作空間中的變量據(jù)輸入輸出的方式和方法，以及開(kāi)發(fā)、調(diào)試、管理M 文件的各種工具。(3圖形圖像系統(tǒng) 這是MATLAB 圖形系統(tǒng)的基礎(chǔ)，包括完成2D 和3D 數(shù)據(jù)圖示、圖像處理、動(dòng)畫(huà)生成、圖形顯示等功能的高層MATLAB 命令，也包括用戶對(duì)圖形圖像等對(duì)象進(jìn)行特性控制的低層MATLAB 命令，以及開(kāi)發(fā)GUI 應(yīng)用程序的各種工具。(4MATLAB數(shù)學(xué)函數(shù)庫(kù) 這是對(duì)MATLAB 使用的各種數(shù)學(xué)算法的總稱包括各種初等函數(shù)的算法，也包括矩陣運(yùn)算、矩陣分析等高層次數(shù)學(xué)算法。(5MATLAB應(yīng)用程序接口(API 這是MATLAB 為用戶提供的一個(gè)函數(shù)庫(kù)，使得用戶能夠在MATLAB

17、環(huán)境中使用c 程序或FORTRAN 程序，包括從MATLAB 中調(diào)用于程序(動(dòng)態(tài)鏈接 ，讀寫(xiě)MAT 文件的功能。MATLAB 還具有根強(qiáng)的功能擴(kuò)展能力，與它的主系統(tǒng)一起，可以配備各種各樣的工具箱，以完成一些特定的任務(wù)。MATLAB 具有豐富的可用于控制系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)的函數(shù)，MATLAB 的控制系統(tǒng)工具箱(Control System Toolbox提供對(duì)線性系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)和建模的各種算法；MATLAB 的系統(tǒng)辨識(shí)工具箱（System Identification Toolbox）可以對(duì)控制對(duì)象的未知對(duì)象進(jìn)行辨識(shí)和建模。MATLAB 的仿真工具箱（Simulink ）提供了交互式操作的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建

18、模、仿真、分析集成環(huán)境。它用結(jié)構(gòu)框圖代替程序智能化地建立和運(yùn)行仿真，適應(yīng)線性、非線性系統(tǒng)；連續(xù)、離散及混合系統(tǒng)；單任務(wù)，多任務(wù)離散事件系統(tǒng)。1.4 MCGS組態(tài)軟件介紹計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，為工業(yè)自動(dòng)化開(kāi)辟了廣闊的發(fā)展空間，用戶可以方便快捷地組建優(yōu)質(zhì)高效的監(jiān)控系統(tǒng)，并且通過(guò)采用遠(yuǎn)程監(jiān)控及診斷等先進(jìn)技術(shù)，使系統(tǒng)更加安全可靠，在這方面MCGS 工控組態(tài)軟件發(fā)揮著重要的作用.MCGS (Monitor and Control Generated System 軟件是一套幾基于Windows 平臺(tái)的32位工控組態(tài)軟件，集動(dòng)畫(huà)顯示、流程控制、數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制與輸出、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸、工程報(bào)表、數(shù)

19、據(jù)與曲線等諸多強(qiáng)大功能于一身，并支持國(guó)內(nèi)外眾多數(shù)據(jù)采集與輸出設(shè)備, 廣泛應(yīng)用于石油、電力、化工、鋼鐵、冶金、紡織、航天、建筑、材料、制冷、通訊、水處理、環(huán)保、智能樓宇、實(shí)驗(yàn)室等多種行業(yè)。MCGS 組態(tài)軟件由“MCGS組態(tài)環(huán)境”和“MCGS運(yùn)行環(huán)境”兩個(gè)部分組成。MCGS 組態(tài)環(huán)境是生成用戶應(yīng)用系統(tǒng)的工作環(huán)境，由可執(zhí)行程序McgsSet.exe 支持，用戶在MCGS 組態(tài)環(huán)境中完成動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)、設(shè)備連接、編寫(xiě)控制流程、編制工程打印報(bào)表等全部組態(tài)工作后，生成擴(kuò)展名為.mcg 的工程文件，又稱為組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)，其與MCGS 運(yùn)行環(huán)境一起，構(gòu)成了用戶應(yīng)用系統(tǒng)，統(tǒng)稱為“工程” 。MCGS 運(yùn)行環(huán)境是用戶應(yīng)用

20、系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境，由可執(zhí)行程序McgsRun.exe 支持, 以用戶指定的方式運(yùn)行, 并進(jìn)行各種處理, 完成用戶組態(tài)設(shè)計(jì)的目標(biāo)和功能。利用MCGS 軟件組建工程的過(guò)程簡(jiǎn)介：(1工程項(xiàng)目系統(tǒng)分析：分析工程項(xiàng)目的系統(tǒng)構(gòu)成、技術(shù)要求和工藝流程，弄清系統(tǒng)的控制流程和測(cè)控對(duì)象的特征，明確監(jiān)控要求和動(dòng)畫(huà)顯示方式，分析工程中的設(shè)備采集及輸出通道與軟件中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)變量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，分清哪些變量是要求與設(shè)備連接的，哪些變量是軟件內(nèi)部用來(lái)傳遞數(shù)據(jù)及動(dòng)畫(huà)顯示的。(2工程立項(xiàng)搭建框架：主要內(nèi)容包括：定義工程名稱、封面窗口名稱和啟動(dòng)窗口名稱，指定存盤(pán)數(shù)據(jù)庫(kù)文件的名稱以及存盤(pán)數(shù)據(jù)庫(kù)，設(shè)定動(dòng)畫(huà)刷新的周期。經(jīng)過(guò)此步操作，即在MC

21、GS 組態(tài)環(huán)境中，建立了由五部分組成的工程結(jié)構(gòu)框架。(3設(shè)計(jì)菜單基本體系：為了對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)及工作流程進(jìn)行有效地調(diào)度和控制，通常要在主控窗口內(nèi)編制菜單。編制菜單分兩步進(jìn)行，第一步首先搭建菜單的框架，第二步再對(duì)各級(jí)菜單命令進(jìn)行功能組態(tài)。在組態(tài)過(guò)程中，可根據(jù)實(shí)際需要，隨時(shí)對(duì)菜單的內(nèi)容進(jìn)行增加或刪除，不斷完善工程的菜單。(4制作動(dòng)畫(huà)顯示畫(huà)面：動(dòng)畫(huà)制作分為靜態(tài)圖形設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)屬性設(shè)置兩個(gè)過(guò)程。前一部分用戶通過(guò)MCGS 組態(tài)軟件中提供的基本圖形元素及動(dòng)畫(huà)構(gòu)件庫(kù)，在用戶窗口內(nèi)組合成各種復(fù)雜的畫(huà)面。后一部分則設(shè)置圖形的動(dòng)畫(huà)屬性，與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中定義的變量建立相關(guān)性的連接關(guān)系，作為動(dòng)畫(huà)圖形的驅(qū)動(dòng)源。(5編寫(xiě)控制

22、流程程序：在運(yùn)行策略窗口內(nèi)，從策略構(gòu)件箱中，選擇所需功能策略構(gòu)件，構(gòu)成各種功能模塊，由這些模塊實(shí)現(xiàn)各種人機(jī)交互操作。MCGS 還為用戶提供了編程用的功能構(gòu)件，使用簡(jiǎn)單的編程語(yǔ)言，編寫(xiě)工程控制程序。(6完善菜單按鈕功能：包括對(duì)菜單命令、監(jiān)控器件、操作按鈕的功能組態(tài)；實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、各種曲線、數(shù)據(jù)報(bào)表、報(bào)警信息輸出等功能；建立工程安全機(jī)制等。(7編寫(xiě)程序調(diào)試工程：利用調(diào)試程序產(chǎn)生的模擬數(shù)據(jù)，檢查動(dòng)畫(huà)顯示和控制流程是否正確。(8連接設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序：選定與設(shè)備相匹配的設(shè)備構(gòu)件，連接設(shè)備通道，確定數(shù)據(jù)變量的數(shù)據(jù)處理方式，完成設(shè)備屬性的設(shè)置。此項(xiàng)操作在設(shè)備窗口內(nèi)進(jìn)行。(9工程完工綜合測(cè)試：最后測(cè)試工

23、程各部分的工作情況，完成整個(gè)工程的組態(tài)工作，實(shí)施工程交接。雙容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2被控對(duì)象建模在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作中，需要針對(duì)被控過(guò)程中的合適對(duì)象建立數(shù)學(xué)模型。被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型是設(shè)計(jì)過(guò)程控制系統(tǒng)、確定控制方案、分析質(zhì)量指標(biāo)、整定調(diào)節(jié)器參數(shù)等的重要依據(jù)。被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型（動(dòng)態(tài)特性）是指過(guò)程在各輸入量（包括控制量和擾動(dòng)量）作用下，其相應(yīng)輸出量（被控量）變化函數(shù)關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式。在液位串級(jí)控制系統(tǒng)中，我們所關(guān)心的是如何控制好水箱的液位。上水箱和下水箱是系統(tǒng)的被控對(duì)象，必須通過(guò)測(cè)定和計(jì)算他們模型，來(lái)分析系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能、動(dòng)態(tài)特性，為其他的設(shè)計(jì)工作提供依據(jù)。上水箱和下水箱為T(mén)HJ-2高級(jí)過(guò)程控制

24、實(shí)驗(yàn)裝置中上下兩個(gè)串接的有機(jī)玻璃圓筒形水箱，另有不銹鋼儲(chǔ)水箱負(fù)責(zé)供水與儲(chǔ)水。上水箱尺寸為：d=25cm,h=20cm;下水箱尺寸為：d=35cm,h=20cm，每個(gè)水箱分為三個(gè)槽：緩沖槽、工作槽、出水槽。2.1水箱模型分析圖2.1液位被控過(guò)程簡(jiǎn)明原理圖系統(tǒng)中上水箱和下水箱液位變化過(guò)程各是一個(gè)具有自衡能力的單容過(guò)程。如圖，水箱的流入量為Q 1，流出量為Q 2，通過(guò)改變閥1的開(kāi)度改變Q 1值，改變閥2的開(kāi)度可以改變Q 2值。液位h 越高，水箱內(nèi)的靜壓力增大,Q 2也越大。液位h 的變化反映了Q 1和Q 2不等而導(dǎo)致水箱蓄水或?yàn)a水的過(guò)程。若Q 1作為被控過(guò)程的輸入量，h 為其輸出量，則該被控過(guò)程的數(shù)

25、學(xué)模型就是h 與Q 1之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式。根據(jù)動(dòng)態(tài)物料平衡， Q 1-Q 2=A(dh/dt ；Q 1-Q 2=A(dh/dt在靜態(tài)時(shí)，Q 1=Q2，dh/dt=0；當(dāng)Q 1發(fā)生變化后，液位h 隨之變化，水箱出口處的靜壓也隨之變化，Q 2也發(fā)生變化。由流體力學(xué)可知，液位h 與流量之間為非線性關(guān)系。但為了簡(jiǎn) 便起見(jiàn)，做線性化處理得 Q2=h/R2，經(jīng)拉氏變換得單容液位過(guò)程的傳遞函數(shù)為W 0(s=H(s/Q1(s=R2/(R2Cs+1=K/(Ts+1注：Q 1 Q 2h:分別為偏離某一個(gè)平衡狀態(tài)Q 10Q 20h 0的增量。R 2:閥2的阻力 A:水箱截面積 T:液位過(guò)程的時(shí)間常數(shù)(T=R2C K:

26、液位過(guò)程的放大系數(shù)(K=R2 C:液位過(guò)程容量系數(shù)2.2階躍響應(yīng)曲線法建立模型在本設(shè)計(jì)中將通過(guò)實(shí)驗(yàn)建模的方法，分別測(cè)定被控對(duì)象上水箱和下水箱在輸入階躍信號(hào)后的液位響應(yīng)曲線和相關(guān)參數(shù)。 通過(guò)磁力驅(qū)動(dòng)泵供水，手動(dòng)控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度大小, 改變上水箱/下水箱液位的給定量，從而對(duì)被控對(duì)象施加階躍輸入信號(hào)，記錄階躍響應(yīng)曲線。在測(cè)定模型參數(shù)中可以通過(guò)以下兩種方法控制調(diào)節(jié)閥，對(duì)被控對(duì)象施加階躍信號(hào)： (1 通過(guò)智能調(diào)節(jié)儀表改變調(diào)節(jié)閥開(kāi)度，增減水箱的流入水量大小，從而改變水箱液位實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的階躍信號(hào)輸入。(2 通過(guò)在MCGS 監(jiān)控軟件組建人機(jī)對(duì)話窗口，改變調(diào)節(jié)閥開(kāi)度, 控制水箱進(jìn)水量的大小，從而改變水箱

27、液位，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的階躍信號(hào)輸入。 圖2.2 水箱模型測(cè)定原理圖 1上水箱階躍響應(yīng)參數(shù)測(cè)定：按圖連接實(shí)驗(yàn)線路, 手動(dòng)操作調(diào)節(jié)器, 控制調(diào)節(jié)閥開(kāi)度, 使初始開(kāi)度OP 1=50,等到水箱的液位處于平衡位置時(shí)。改變調(diào)節(jié)閥開(kāi)度至OP 2=60,即對(duì)上水箱輸入階躍信號(hào), 使其液位離開(kāi)原平衡狀態(tài)。經(jīng)過(guò)一定調(diào)節(jié)時(shí)間后, 水箱液位重新進(jìn)入平衡狀態(tài)。圖2.3上水箱階躍響應(yīng)曲線表2.1上水箱階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)2下水箱階躍響應(yīng)參數(shù)測(cè)定：按圖連接實(shí)驗(yàn)線路, 手動(dòng)操作調(diào)節(jié)器, 控制調(diào)節(jié)閥開(kāi)度, 使初始開(kāi)度OP 1=40,等到水箱的液位處于平衡位置時(shí)。改變調(diào)節(jié)閥開(kāi)度至OP 2=50,即對(duì)上水箱輸入階躍信號(hào), 使其液位離開(kāi)原平

28、衡狀態(tài)。經(jīng)過(guò)一定調(diào)節(jié)時(shí)間后, 水箱液位重新進(jìn)入平衡狀態(tài)。雙容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)圖2.4下水箱階躍響應(yīng)曲線 表2.2下水箱階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)由于實(shí)驗(yàn)測(cè)定數(shù)據(jù)可能存在誤差，直接使用計(jì)算法求解水箱模型會(huì)使誤差增大。所以 使用MATLAB 軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)最小二乘法原理和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)響應(yīng)曲線進(jìn)行最佳擬合后，再計(jì)算水箱模型。兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中將階躍響應(yīng)初始點(diǎn)的值作為Y 軸坐標(biāo)零點(diǎn)，后面的數(shù)據(jù)依次減去初始值處理，作為Y 軸上的各階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)點(diǎn)；將對(duì)應(yīng)Y 軸上階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)點(diǎn)的采集時(shí)間作為曲線上各X 點(diǎn)的值。3求取上水箱模型傳遞函數(shù)在MATLAB 的命令窗口輸入曲線擬合指令： >> x=0

29、:30:420；>> y=0 6.88 11.63 15.07 17.7 19.69 21.15 21.94 22.55 23.44 23.63 23.84 24.14 24.25 24.27 ； >> p=polyfit(x,y,4； >> xi=0:3:420；>> yi=polyval(p,xi；>> plot(x,y,b:oxi,yi,'r' 。 在MATLAB 中繪出曲線如下： 圖2.5上水箱擬合曲線注：圖中曲線為擬合曲線，圓點(diǎn)為原數(shù)據(jù)點(diǎn)。數(shù)據(jù)點(diǎn)與曲線基本擬合。如圖所示，利用四階多項(xiàng)式近似擬合上水箱的響應(yīng)曲線

30、，得到多項(xiàng)式的表達(dá)式： P(t-1.8753e(-009t+2.2734e(-006t-0.0010761t +0.24707t+0.13991。根據(jù)曲線采用切線作圖法計(jì)算上水箱特性參數(shù)，當(dāng)階躍響應(yīng)曲線在輸入量x(t產(chǎn)生 階躍的瞬間，即t=0時(shí)，其曲線斜率為最大，然后逐漸上升到穩(wěn)態(tài)值，該響應(yīng)曲線可用一階慣性環(huán)節(jié)近似描述，需確定K 和T 。而斜率K 為P(t在t=0的導(dǎo)數(shù)P'(0= 0.24707, 以此做切線交穩(wěn)態(tài)值于A 點(diǎn),A 點(diǎn)映射在t 軸上的B 點(diǎn)的值為T(mén) 。 432圖2.6上水箱模型計(jì)算曲線階躍響應(yīng)擾動(dòng)值為10, 靜態(tài)放大系數(shù)為階躍響應(yīng)曲線的穩(wěn)態(tài)值y ( 與階躍擾動(dòng)值x 0雙容

31、水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)之比k 0=y ( x 0，所以上水箱傳遞函數(shù)為G 2(s =2. 4599. 16s +14. 下水箱模型建立在MATLAB 的命令窗口輸入曲線擬合指令：>>x=0: 30:1650； >>y=0 3.17 6.26 9.51 12.54 15.5 18.4 20.77 22.98 25.05 26.85 28.86 30.59 32.32 33.69 35.16 36.42 37.74 39.02 40.09 41.16 42.02 42.94 43.47 44.43 45.17 45.81 46.41 46.99 47.4 47.79 4

32、8.24 48.77 49.17 49.34 49.65 49.91 50.37 50.82 51.04 51.51 51.78 52.06 52.31 52.39 52.59 52.63 52.92 53.18 53.26 53.3 53.36 53.54 53.64 53.8 53.8； >>p=polyfit(x,y,4； >> xi=0:3:1650；>> yi=polyval(p,xi；>> plot(x,y,b:oxi,yi,'r' 。 在MATLAB 中繪出曲線如下： 圖2.7下水箱擬合曲線注：圖中曲線為擬合曲線，圓

33、點(diǎn)為原數(shù)據(jù)點(diǎn)。數(shù)據(jù)點(diǎn)與曲線基本擬合。如圖所示，利用四階多項(xiàng)式近似擬合下水箱的響應(yīng)曲線，得到多項(xiàng)式的表達(dá)式 P(t= -1.1061e(-011t4+5.7384(e-008t3 -0.00011849t2 +0.12175t-0.31385.根據(jù)曲線采用切線作圖法計(jì)算下水箱特性參數(shù)，當(dāng)階躍響應(yīng)曲線在輸入量x(t產(chǎn)生 階躍的瞬間，即t=0時(shí)，其曲線斜率為最大，然后逐漸上升到穩(wěn)態(tài)值，該響應(yīng)曲線可用一階慣性環(huán)節(jié)近似描述，需確定K 和T. 而斜率K 為P(t在t=0的導(dǎo)數(shù)P(0=0.12175,以此做切線交穩(wěn)態(tài)值于A 點(diǎn),A 點(diǎn)映射在t 軸上的B 點(diǎn)的值為T(mén) 。圖2.8下水箱模型計(jì)算曲線階躍響應(yīng)擾動(dòng)值

34、為10, 靜態(tài)放大系數(shù)為階躍響應(yīng)曲線的穩(wěn)態(tài)值y ( 與階躍擾動(dòng)值x 0之比k 0=y ( x 01S ）=，所以下水箱傳遞函數(shù)為G （5. 45447. 63S +1。在實(shí)驗(yàn)建模的過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)測(cè)取的被控對(duì)象為廣義的被控對(duì)象，其動(dòng)態(tài)特性包括了調(diào)節(jié)閥和測(cè)量變送器，即廣義被控對(duì)象的傳遞函數(shù)為Gp (s =Gv (s G (s Gm (s ，Gv (s 為調(diào)節(jié)閥的傳遞函數(shù)，Gm(s為測(cè)量變送器的傳遞函數(shù)。 圖2.9 THJ-2高級(jí)過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置圖 雙容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)與仿真控制方案設(shè)計(jì)是過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心，需要以被控過(guò)程模型和系統(tǒng)性能要求為依據(jù)，合理選擇系統(tǒng)性能指標(biāo)，

35、合理選擇被控參數(shù)，合理設(shè)計(jì)控制規(guī)律，選擇檢測(cè)、變送器和選擇執(zhí)行器。選擇正確的設(shè)計(jì)方案才能使先進(jìn)的過(guò)程儀表和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)揮良好的作用。3.1 PID控制原理目前，隨著控制理論的發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，PID 控制技術(shù)日趨成熟。先進(jìn)的PID 控制方案和智能PID 控制器（儀表）已經(jīng)很多，并且在工程實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)在有利用PID 控制實(shí)現(xiàn)的壓力、溫度、流量、液位控制器，能實(shí)現(xiàn)PID 控制功能的可編程控制器(PLC，還有可實(shí)現(xiàn)PID 控制的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等。在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例積分微分控制，簡(jiǎn)稱PID 控制，又稱PID 調(diào)節(jié)。PID 控制器問(wèn)世至今

36、已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。 圖3.1 PID控制基本原理圖PID 控制器是一種線性負(fù)反饋控制器，根據(jù)給定值r(t與實(shí)際值y(t構(gòu)成控制偏差：e (t =r (t -y (t 。PID 控制規(guī)律為：U (t =Kp e (t +1Tite (t +Tdde (t dt或以傳遞函數(shù)形式表示：G (s =U (s E (s =kp (1+1Tis+Tds 式中，K P :比例系數(shù) TI :積分時(shí)間常數(shù) TD :微分時(shí)間常數(shù)PID 控制器各控制規(guī)律的作用如下：（1）比例控制（P ）：比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤

37、差信號(hào)成比例關(guān)系，能較快克服擾動(dòng)，使系統(tǒng)穩(wěn)定下來(lái)。但當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（2）積分控制（I ）：在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱此控制系統(tǒng)是有差系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差的累積取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)越大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。但是過(guò)大的積分速度會(huì)降低系統(tǒng)的穩(wěn)定程度，出現(xiàn)發(fā)散的振蕩過(guò)程。比例+積分(PI控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。（3）微分控制

38、（D ）：在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性環(huán)節(jié)或有滯后環(huán)節(jié)，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。所以在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，這樣具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。特別對(duì)于有較大慣性或滯后環(huán)節(jié)的被控對(duì)象，

39、比例積分控制能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。PID 控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，應(yīng)根據(jù)被控過(guò)程的特性確定PID 控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。PID 控制器參數(shù)整定的方法分為兩大類：一是理論計(jì)算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。由于實(shí)驗(yàn)測(cè)定的過(guò)程數(shù)學(xué)模型只能近似反映過(guò)程動(dòng)態(tài)特，理論計(jì)算的參數(shù)整定值可靠性不高，還必須通過(guò)工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)試驗(yàn)中進(jìn)行控制器參數(shù)整定，且方法簡(jiǎn)單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。PID 控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減曲線

40、法。三種方法都是通過(guò)試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無(wú)論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善。 1. 臨界比例法。在閉合控制系統(tǒng)中，把調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間T I 置于最大，微分時(shí)間T D 置零，比例度置于較大數(shù)值，把系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行，將調(diào)節(jié)器的比例度由大到小逐漸減小，得到臨界振蕩過(guò)程，記錄下此時(shí)的臨界比例度k 和臨界振蕩周期T k 。根據(jù)以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算調(diào)節(jié)器參數(shù)： 表3.1臨界振蕩整定計(jì)算公式2. 阻尼振蕩法。在閉合控制系統(tǒng)中，把調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間T I 置于最大，微分時(shí)間T D 置零，比例度置于較大數(shù)值反復(fù)做給定值擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)，并逐漸減少比例度，直

41、至記錄曲線出現(xiàn)4：1的衰減為止。記錄下此時(shí)的4：1衰減比例度k 和衰減周期T k 。根據(jù)以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算調(diào)節(jié)器參數(shù)：雙容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)表3.2阻尼振蕩整定計(jì)算公式3. 反應(yīng)曲線法若被控對(duì)象為一階慣性環(huán)節(jié)或具有很小的純滯后，則可根據(jù)系統(tǒng)開(kāi)環(huán)廣義過(guò)程測(cè)量變送器階躍響應(yīng)特性進(jìn)行近似計(jì)算。在調(diào)節(jié)閥的輸入端加一階躍信號(hào)，記錄測(cè)量變送器的輸出響應(yīng)曲線，并根據(jù)該曲線求出代表廣義過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)。3.2系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)1控制系統(tǒng)性能指標(biāo)(1 靜態(tài)偏差：系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程終了時(shí)的給定值與被控參數(shù)穩(wěn)態(tài)值之差。(2 衰減率：閉環(huán)控制系統(tǒng)被施加輸入信號(hào)后，輸出響應(yīng)中振蕩過(guò)程的衰減指標(biāo)，即振蕩經(jīng)過(guò)一個(gè)周期以后，

42、波動(dòng)幅度衰減的百分?jǐn)?shù)。為了保證系統(tǒng)足夠的穩(wěn)定程度，一般衰減率在0.75-0.9。(3 超調(diào)量：輸出響應(yīng)中過(guò)渡過(guò)程開(kāi)始后，被控參數(shù)第一個(gè)波峰值與穩(wěn)態(tài)值之差，占穩(wěn)態(tài)值的百分比，用于衡量控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程的準(zhǔn)確性。(4 調(diào)節(jié)時(shí)間：從過(guò)渡過(guò)程開(kāi)始到被控參數(shù)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)值-5%+5%范圍所需的時(shí)間 2方案設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)建立的串級(jí)控制系統(tǒng)由主副兩個(gè)控制回路組成，每一個(gè)回路又有自己的調(diào)節(jié)器和控制對(duì)象。主回路中的調(diào)節(jié)器稱主調(diào)節(jié)器，控制主對(duì)象。副回路中的調(diào)節(jié)器稱副調(diào)節(jié)器，控制副對(duì)象。主調(diào)節(jié)器有自己獨(dú)立的設(shè)定值R ，他的輸出m1作為副調(diào)節(jié)器的給定值，副調(diào)節(jié)器的輸出m2控制執(zhí)行器，以改變主參數(shù)c2.通過(guò)針對(duì)雙容水箱液位被控過(guò)程

43、設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)，將努力使系統(tǒng)的輸出響應(yīng)在穩(wěn)態(tài)時(shí) 系統(tǒng)的被控制量等于給定值，實(shí)現(xiàn)無(wú)差調(diào)節(jié)，并且使系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能，較塊的響應(yīng)速度。當(dāng)有擾動(dòng)f1(t作用于副對(duì)象時(shí)，副調(diào)節(jié)器能在擾動(dòng)影響主控參數(shù)之前動(dòng)作，及時(shí)克服進(jìn)入副回路的各種二次擾動(dòng)，當(dāng)擾動(dòng)f2(t作用于主對(duì)象時(shí)，由于副回路的存在也應(yīng)使系統(tǒng)的響應(yīng)加快，使主回路控制作用加強(qiáng)。圖3.2串級(jí)控制系統(tǒng)框圖 (1 被控參數(shù)的選擇應(yīng)選擇被控過(guò)程中能直接反映生產(chǎn)過(guò)程能夠中的產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量，又易于測(cè)量的參數(shù)。在雙容水箱控制系統(tǒng)中選擇下水箱的液位為系統(tǒng)被控參數(shù)，因?yàn)橄滤涞囊何皇钦麄€(gè)控制作用的關(guān)鍵，要求液位維持在某給定值上下。如果其調(diào)節(jié)欠妥當(dāng)，會(huì)造成整個(gè)系

44、統(tǒng)控制設(shè)計(jì)的失敗, 且現(xiàn)在對(duì)于液位的測(cè)量有成熟的技術(shù)和設(shè)備，包括直讀式液位計(jì)、浮力式液位計(jì)、靜壓式液位計(jì)、電磁式液位計(jì)、超聲波式液位計(jì)等。(2 控制參數(shù)的選擇從雙容水箱系統(tǒng)來(lái)看，影響液位有兩個(gè)量，一是通過(guò)上水箱流入系統(tǒng)的流量，二是經(jīng)下水箱流出系統(tǒng)的流量。調(diào)節(jié)這兩個(gè)流量都可以改變液位的高低。但當(dāng)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥突然斷電關(guān)斷時(shí)，后一種控制方式會(huì)造成長(zhǎng)流水，導(dǎo)致水箱中水過(guò)多溢出，造成浪費(fèi)或事故。所以選擇流入系統(tǒng)的流量作為控制參數(shù)更合理一些。(3 主副回路設(shè)計(jì)為了實(shí)現(xiàn)液位串級(jí)控制，使用雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)。副回路應(yīng)對(duì)于包含在其內(nèi)的二次擾動(dòng)以及非線性參數(shù)、較大負(fù)荷變化有很強(qiáng)的抑制能力與一定的自適應(yīng)能力。主副回路時(shí)間常數(shù)

45、之比應(yīng)在3到10之間，以使副回路既能反應(yīng)靈敏，又能顯著改善過(guò)程特性。下水箱容量滯后與上水箱相比較大，而且控制下水箱液位是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心問(wèn)題，所以選擇主對(duì)象為下水箱，副對(duì)象為上水箱，。(4 控制器的選擇根據(jù)雙容水箱液位系統(tǒng)的過(guò)程特性和數(shù)學(xué)模型選擇控制器的控制規(guī)律。為了實(shí)現(xiàn)液位串級(jí)控制，使用雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，主調(diào)節(jié)器選擇比例積分微分控制規(guī)律(PID，對(duì)下水箱液位進(jìn)行調(diào)節(jié)，副調(diào)節(jié)器選擇比例控制率(P，對(duì)上水箱液位進(jìn)行調(diào)節(jié)，并輔助主調(diào)節(jié)器對(duì)于系統(tǒng)進(jìn)行控制，整個(gè)回路構(gòu)成雙環(huán)負(fù)反饋系統(tǒng)。3.2 控制系統(tǒng)仿真通過(guò)MATLAB 中的SIMULINK 工具箱可以動(dòng)態(tài)的模擬所的構(gòu)造系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，以控制框圖代替了程序的

46、編寫(xiě)，只需要選擇合適仿真設(shè)備，添加傳遞函數(shù)，設(shè)置仿真參數(shù)。下面根據(jù)前文的水箱模型傳遞函數(shù)對(duì)串級(jí)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，以模擬實(shí)際中的階躍響應(yīng)曲線，考察串級(jí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案是否合理。 1. 階躍響應(yīng)性能圖3.3 SIMULINK仿真框圖通過(guò)手動(dòng)切換開(kāi)關(guān)（Manual Switch）可以實(shí)現(xiàn)副回路的引入與切除，以了解副回路對(duì)控制性能的影響, 比較串級(jí)控制和非串級(jí)控制對(duì)雙容水箱液位的控制能力。 雙容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在時(shí)間為0時(shí)對(duì)系統(tǒng)加入大小為30的階躍信號(hào)，設(shè)置主控制器PID 參數(shù)K P =60 T I =50 T D =3 ; 副控制器P 參數(shù)為K P =50，在初始點(diǎn)加40點(diǎn)階躍輸入量觀察階躍

47、響應(yīng)曲線。 3.4 MATLAB加入副回路仿真曲線圖 圖3.5 MATLAB不加入副回路仿真曲線2抗擾動(dòng)能力維持初始階躍信號(hào)不變，并在副回路中加入擾動(dòng)信號(hào)，觀察響應(yīng)曲線. 在400s 經(jīng)過(guò)慣性環(huán)節(jié)向副回路加入階躍值為70的擾動(dòng)信號(hào)?？刂破鲄?shù)不變。圖3.6 SIMULINK仿真框圖 圖3.7 MATLAB加入副回路仿真曲線 圖3.8 MATLAB不加入副回路仿真曲線 雙容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)圖3.7為加入副回路時(shí)的仿真曲線：圖3.8為切除副回路時(shí)的仿真曲線.綜上所述, 選擇串級(jí)PID 控制的設(shè)計(jì)方案完成對(duì)水箱液位的控制調(diào)節(jié)應(yīng)當(dāng)是可行的. 而且在改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性、抗擾動(dòng)能力等方面與非串級(jí)

48、控制系統(tǒng)是較為有效的。但是仿真曲線只是在計(jì)算機(jī)上通過(guò)對(duì)實(shí)際系統(tǒng)仿真得到的較理想的模擬曲線. 實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)必須綜合考慮各方面的因素, 不可能得到與計(jì)算機(jī)仿真一致的理想曲線和控制性能。4 建立儀表過(guò)程控制系統(tǒng)以下將基于THJ-2高級(jí)過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置和相關(guān)儀表儀器組建儀表過(guò)程控制系統(tǒng)，包括被控對(duì)象系統(tǒng)、智能儀表控制臺(tái)及監(jiān)控計(jì)算機(jī)三部分組成。4.1過(guò)程儀表介紹1檢測(cè)變送裝置采用工業(yè)用的BP800型擴(kuò)散硅壓力變送器對(duì)水箱液位變化進(jìn)行測(cè)量，含不銹鋼隔離模片，同時(shí)采用信號(hào)隔離技術(shù)，對(duì)傳感器溫度漂移跟隨補(bǔ)償。當(dāng)水箱中注水導(dǎo)致液位變化時(shí)，BP800壓力變送器對(duì)被控過(guò)程中的流體壓力進(jìn)行測(cè)量, 過(guò)程壓力通過(guò)壓力

49、傳感器將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào), 經(jīng)差分放大器、輸出放大器放大后, 再經(jīng)過(guò)V/A轉(zhuǎn)換器, 轉(zhuǎn)換為與輸入壓力成 表4.1壓力變送器技術(shù)指標(biāo)2執(zhí)行機(jī)構(gòu)（1）水泵采用16CQ 8P 型磁力驅(qū)動(dòng)泵, 流量為32升/分, 揚(yáng)程為8米, 功率為180W. 為三相380恒壓供水輸入。 （2）調(diào)節(jié)閥采用QSVP 16K 型電動(dòng)調(diào)節(jié)閥實(shí)現(xiàn)對(duì)雙容水箱液位系統(tǒng)進(jìn)水量的控制。其由QSL 智能型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)與閥門(mén)組合構(gòu)成。通過(guò)將壓力變送器檢測(cè)到的電壓/電流信號(hào)輸入到QSL 電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的智能放大器，和來(lái)自位置信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的開(kāi)度信號(hào)相比較并放大后, 向消除其偏差的方向驅(qū)動(dòng)并控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng), 以改變調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度, 同時(shí)將閥門(mén)

50、開(kāi)度的隔離信號(hào)反饋給 表4.2電動(dòng)調(diào)節(jié)閥技術(shù)指標(biāo)雙容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3控制器在儀表過(guò)程控制系統(tǒng)中，使用智能調(diào)節(jié)儀表作為控制器。采用上海萬(wàn)訊儀表有限公司的AI-808型儀表，采用AI 人工智能調(diào)節(jié)方式，內(nèi)含PID 調(diào)節(jié)算法。其可以在誤差較大時(shí)運(yùn)用模糊算法進(jìn)行調(diào)節(jié)，以消除PID 積分飽和現(xiàn)象；當(dāng)誤差趨小時(shí)，采用改進(jìn)后的PID 算法調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)優(yōu)化效果。 表4.3 智能儀表技術(shù)指標(biāo)AI-808P 引腳說(shuō)明： 表4.4 AI-808P儀表引腳說(shuō)明4.2儀表過(guò)程控制系統(tǒng)的組建1儀表控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)：根據(jù)電路原理圖完成儀表控制臺(tái)的接線工作，實(shí)現(xiàn)儀表的串級(jí)PID 負(fù)反饋控制。通過(guò)三相380V/10A

51、交流電源向三相磁力泵和220/5A交流電源向調(diào)節(jié)儀表供電。壓力變送器測(cè)定的下水箱液位值（電壓反饋信號(hào)）送到主調(diào)節(jié)器(智能調(diào)節(jié)儀1 輸入端。調(diào)節(jié)器的給定值可由儀表控制面板或MCGS 監(jiān)控界面設(shè)定，與反饋信號(hào)相比較后輸出調(diào)節(jié)信號(hào)。由于其輸出的信號(hào)為420mA 的電流信號(hào)，需要經(jīng)I/V轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化為15V 電壓信號(hào)送到副調(diào)節(jié)儀的輸入端，與壓力變送器測(cè)定的上水箱液位值（電壓反饋信號(hào)）相比較后，輸出420mA 的電流信號(hào)到電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制信號(hào)輸入端，控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，消除下水箱液位的測(cè)量值與給定值的偏差。圖4.1 儀表系統(tǒng)電路原理圖2儀表參數(shù)設(shè)定(1Sn: 輸入規(guī)格調(diào)節(jié)儀1中Sn=33 表示15V電壓

52、輸入；調(diào)節(jié)儀2中Sn=32 表示0.21V電壓輸入。(2ADDR：通訊地址 用于定義儀表地址，有效范圍是0100。 調(diào)節(jié)儀1中ADDR=1；調(diào)節(jié)儀2中ADDR=2。(3diH：輸入上限顯示值，用于定義線性輸入信號(hào)下限刻度值。雙容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)儀1中diH=50 ；調(diào)節(jié)儀2中diL=0。(4diL：輸入下限顯示值 用于定義線性輸入信號(hào)下限刻度值。 調(diào)節(jié)儀1中diH=50； 調(diào)節(jié)儀2中diL=0。(5CF：系統(tǒng)功能選擇CF=A*1+B*2+C*4+D*8+E*16+F*32+G*64調(diào)節(jié)儀1中CF=0，表示A=0,調(diào)節(jié)儀1為反作用調(diào)節(jié)方式，輸入增大時(shí)，輸出趨向減??； B=0，儀表報(bào)

53、警無(wú)上電；D=0，不允許外部給定，程序時(shí)間以分為單位；E=0，無(wú)分段頻率限制功能；F=0，儀表光柱指示輸出值；G=0，儀表為AI-808P 工作模式。調(diào)節(jié)儀2中CF=8，表示A=0,調(diào)節(jié)儀1為反作用調(diào)節(jié)方式，輸入增大時(shí)，輸出趨向減??； B=0，儀表報(bào)警無(wú)上電；D=1，允許外部給定，程序時(shí)間以秒為單位；E=0，無(wú)分段功率限制功能；F=0，儀表光柱指示輸出值；G=0，儀表為AI-808P 工作模式。(6SV：下水箱液位給定值，根據(jù)需要設(shè)置。 (7P：調(diào)節(jié)器比例系數(shù)，根據(jù)需要設(shè)置。 (8I：調(diào)節(jié)器積分時(shí)間，根據(jù)需要設(shè)置。 (9D：調(diào)節(jié)器微分時(shí)間，根據(jù)需要設(shè)置。 3計(jì)算機(jī)與儀表通訊設(shè)置通過(guò)在AI808

54、型儀表的內(nèi)部安裝RS485通訊接口模塊，可利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)儀表的監(jiān)控和操作。采用AIBUS 通訊協(xié)議，8個(gè)數(shù)據(jù)位，1/2個(gè)停止位，無(wú)校驗(yàn)位。需要在計(jì)算機(jī)的MCGS 軟件的用戶窗口添加腳本程序以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對(duì)儀表系統(tǒng)的監(jiān)控， 同時(shí)在設(shè)備窗口中完成設(shè)備通道連接設(shè)置。(1 啟動(dòng)腳本程序!setdevice(調(diào)節(jié)儀1,1," "!setdevice(調(diào)節(jié)儀1,6,"write(0,0 " !setdevice(調(diào)節(jié)儀1,6,"write(24,0" !setdevice(調(diào)節(jié)儀2,1," "!setdevice(調(diào)節(jié)儀2,6,"write(0,0 " !setdevice(調(diào)節(jié)儀2,6,"write(24,0" (2 循環(huán)腳本程序 下水箱液位SV1=SV1 下水箱液位PV1=PV1 上水箱液位SV1=20*OP1/