基于組態(tài)王6.5的串級PID液位控制系統(tǒng)設(shè)計(雙容水箱)

1、#大學(xué)本科生畢業(yè)論文（設(shè)計）本科畢業(yè)論文(設(shè)計)題 目：基于組態(tài)王6.5的串級PID液位控制系統(tǒng)設(shè)計學(xué) 院： 自動化工程學(xué)院 專 業(yè)： 自動化 姓 名： # 指導(dǎo)教師： # 2011年 6 月 5 日Cascade level PID control system based on Kingview 6.5摘 要開發(fā)經(jīng)濟實用的教學(xué)實驗裝置、開拓理論聯(lián)系實際的實驗內(nèi)容，對提高課程教學(xué)實驗水平，具有重要的實際意義。就高校學(xué)生的實驗課程來講，由于雙容水箱液位控制系統(tǒng)本身具有的復(fù)雜性和對實時性的高要求，使得在該系統(tǒng)上實現(xiàn)基于不同控制策略的實驗內(nèi)容，需要全面掌握自動控制理論及相關(guān)知識。本文通過對當(dāng)前國內(nèi)

2、外液位控制系統(tǒng)現(xiàn)狀的研究，選取了PID控制、串級PID控制等策略對實驗系統(tǒng)進行實時控制；通過對實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的研究，建立了單容水箱和雙容水箱實驗系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并對系統(tǒng)的參數(shù)進行了辨識；利用工業(yè)控制軟件組態(tài)王6.5，并可通用于ADAM模塊及板卡等的實現(xiàn)方案，通過多種控制模塊在該實驗裝置上實驗實現(xiàn)，驗證了實驗系統(tǒng)具有良好的擴展性和開放性。關(guān)鍵詞：雙容水箱液位控制系統(tǒng) 串級PID控制算法 組態(tài)王6.5 智能調(diào)節(jié)儀AbstractIt is significant to develop applied experiment device and experiment content which com

3、bines theory and practice to improve experimental level of teaching. Based on the current situation of domestic and international level control system, selected the PID control, cascade PID control strategies such as real-time control of experiment system.Through the study of the structure of experi

4、mental system, a single let water tank and double let water tank experiment system mathematical model was founded, and the parameters of the system is identified.Industrial control software configuration king 6.5 is used in experiment, ADAM module and boards, etc can also be suitable for this experi

5、ment, through a variety of control module on the device in the experiment verified experimental realization, experimental system has good expansibility and openness.Key Word Double let water tank liquid level control system Cascade PID control algorithm Configuration king 6.5 Intelligent adjusting i

6、nstrument目 錄前 言1第一章 串級液位控制系統(tǒng)介紹21.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀2 1.1.1液位控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀2 1.1.2液位控制系統(tǒng)算法的研究現(xiàn)狀21.2 PID控制算法的介紹3 1.2.1 PID控制算法的歷史3 1.2.2 PID控制各環(huán)節(jié)作用41.3 串級控制系統(tǒng)介紹41.4 本文的主要工作4第二章 水箱液位控制系統(tǒng)的建模62.1 水箱液位控制系統(tǒng)的構(gòu)成62.2 水箱的建模過程7 2.2.1 單容水箱的建模過程7 2.2.2 二階雙容水箱的對象特性82.3水箱液位控制參數(shù)辨識方法11 2.3.1 單容上水箱的參數(shù)辨識11 2.3.2 二階雙容水箱的下水箱對象參數(shù)辨識122.

7、4 水箱液位PID參數(shù)整定方法14 2.4.1上水箱液位的PID整定14 2.4.2 主回路和副回路的PID參數(shù)整定15第三章 組態(tài)王6.5簡介與操作界面的設(shè)計173.1 組態(tài)王6.5簡介173.2基于組態(tài)王6.5的液位控制系統(tǒng)上位機部分設(shè)計18 3.2.1 建立新工程18 3.2.2定義外部設(shè)備19 3.2.3動畫設(shè)計21 3.2.3 組態(tài)王6.5的控件中選擇歷史曲線繪制23第四章 設(shè)計實驗244.1 設(shè)備的連接和檢查244.2 系統(tǒng)連線244.3 實驗步驟25第五章 總結(jié)與展望30謝辭31參 考 文 獻32前 言 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)的規(guī)模越來越大，結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜，從而使

8、控制對象、控制器以及控制任務(wù)和目的日益復(fù)雜，而對系統(tǒng)的精度、響應(yīng)速度和穩(wěn)定性的要求卻越來越高。但是，當(dāng)前的學(xué)術(shù)理論研究成果明顯滯后于實際生產(chǎn)中的應(yīng)用，兩者相差甚遠(yuǎn)。在我國，看似成熟先進的控制理論，其研究往往僅局限于高校或科研機構(gòu)這一狹小的范圍內(nèi)，而遠(yuǎn)離了實際生產(chǎn)這個廣闊的實驗平臺，尤其是最近幾年，國內(nèi)一些控制領(lǐng)域的研究已接近甚至超過了國外同領(lǐng)域水平，然而就實際應(yīng)用的狀況來講，與國外相比卻存在明顯差距。最重要的原因就是理論研究缺乏實際背景的支持，先進理論的算法一旦應(yīng)用到實際工業(yè)生產(chǎn)就會出現(xiàn)各種各樣的問題，制約了其進一步的發(fā)展與應(yīng)用。在現(xiàn)階段尚不具備在實驗室中真實復(fù)現(xiàn)實際工業(yè)生產(chǎn)過程的條件下，利用

9、具有典型對象特性的實驗裝置將是一件探索將理論成果轉(zhuǎn)化為實際應(yīng)用的有力武器。課題研究的雙容水箱液位控制系統(tǒng)實驗裝置是以水箱的液位為控制變量，來模擬實際工業(yè)控制領(lǐng)域中的過程控制系統(tǒng)，該實驗裝置在國內(nèi)外很多高校的實驗室都有配備，其價值在于可為學(xué)生的自動控制理論課程和畢業(yè)設(shè)計提供便捷的實驗平臺。同時，該系統(tǒng)也可為相關(guān)科研人員在復(fù)雜的控制系統(tǒng)研究方面提供實際的模擬對象。在本論文中，智能調(diào)節(jié)儀模塊也可換成是ADAM模塊或者板卡，工控軟件組態(tài)王6.5可有其他工控軟件替代，使該實驗裝置實現(xiàn)了多種控制策略的實驗，從而達(dá)到了增加該實驗裝置實驗內(nèi)容的目的；同時本課題中所提出的硬件和軟件實現(xiàn)方法也具有較強的可移植性，

10、可以應(yīng)用推廣到其他的教學(xué)實驗裝置的實驗內(nèi)容增加上，極具現(xiàn)實意義。第一章 串級液位控制系統(tǒng)介紹1.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.1.1液位控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀水箱液位控制系統(tǒng)實驗裝置最初的研發(fā)與生產(chǎn)是由德國Amira自動化公司完成的，由于當(dāng)時該實驗裝置的價格太高，在國內(nèi)只有少數(shù)高校引進了此設(shè)備，如哈爾濱工業(yè)大學(xué)，吉林大學(xué)、浙江大學(xué)等。現(xiàn)階段伴隨著我國科學(xué)技術(shù)水平和經(jīng)濟水平的不斷提高，國內(nèi)許多企業(yè)也能夠自主生產(chǎn)該實驗裝置，如杭州言實公司研制的HDU3000-1型、河北德瑞特公司研制的RTGK-2型、深圳固高公司研制的GTW型等，它們的特點如下：1、主要配件均采用工業(yè)級過程控制元件，保證系統(tǒng)最高的質(zhì)量和可靠性

11、。2、實驗和研究的理想平臺，可以方便地構(gòu)成模擬實際生產(chǎn)系統(tǒng)中的液位系統(tǒng)。3、通過液位傳感器對液位進行精確檢測，得到實際水位的變化，方便地獲得瞬態(tài)響應(yīng)指標(biāo)，直觀反映出控制器的控制效果，準(zhǔn)確判斷控制性能。1.1.2液位控制系統(tǒng)算法的研究現(xiàn)狀當(dāng)前，常見的液位控制多數(shù)采用憑人工經(jīng)驗進行的參數(shù)整定P、PI、PID或串級控制策略。針對結(jié)構(gòu)簡單的液位系統(tǒng)，此種參數(shù)整定的方法還能達(dá)到預(yù)期的效果，一旦被控的液位對象結(jié)構(gòu)復(fù)雜、自身機理特殊、各變量間關(guān)聯(lián)耦合嚴(yán)重，常規(guī)的參數(shù)整定方法在便捷性和穩(wěn)定性上就無從談起。針對這種存在著非線性、大滯后、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等諸多不確定因素的液位控制系統(tǒng)，國內(nèi)許多高校和科研單位研究提出了一些

12、優(yōu)化的控制方案和有效的控制算法。中南大學(xué)的鄧秋連等提出了采用RBF-ARX模型對水箱液位系統(tǒng)進行離線動態(tài)特性建模的研究。著重討論了RBF-ARX模型結(jié)構(gòu)的選取、模型參數(shù)辨識、RBF參數(shù)優(yōu)化等問題。BF-ARX模型與ARX模型的進一步預(yù)測輸出比較的結(jié)果證實了BF-ARX模型在非線性系統(tǒng)建模中的優(yōu)越性。吉林大學(xué)的高興泉等提出了采用一種基于非線性靜態(tài)反饋的解耦方法進行水箱液位系統(tǒng)控制，當(dāng)系統(tǒng)滿足一定條件時，可以尋找到一個輸出與等效新輸入之間的線性微分方程關(guān)系，然后再選擇合適的狀態(tài)反饋形式即可使該非線性系統(tǒng)解耦。經(jīng)解耦，水箱液位控制系統(tǒng)就可以分解為兩個相互獨立的單輸入單輸出線性子系統(tǒng)，對每個子系統(tǒng)可采

13、用PI控制，從而解決了系統(tǒng)的非線性。內(nèi)蒙古科技大學(xué)的崔桂梅等采用模糊-神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解耦控制技術(shù)，實現(xiàn)了對水箱液位系統(tǒng)的解耦以及液位控制。模糊-神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解耦技術(shù)結(jié)合了模糊控制魯棒性好和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對不確定對象有顯著控制效果的特點，具有直接從輸入輸出數(shù)據(jù)中提取模糊規(guī)則的能力。內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)的韓梅等提出了采用基于T-S模型的模糊PID控制策略，這種策略根據(jù)液位變化，通過適用度加權(quán)產(chǎn)生PD控制參數(shù)，可實現(xiàn)參數(shù)的平穩(wěn)度過。有利于改善系統(tǒng)性能。大連海事大學(xué)的孫紅英等提出了設(shè)計一種參數(shù)自整定模糊PID控制器，可以實現(xiàn)PID參數(shù)的調(diào)整，使控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度快，超調(diào)量減少，過渡過程時間大大縮短，振蕩次數(shù)減少，具有較強的

14、魯棒性和穩(wěn)定性。廣西大學(xué)的梁穎杏等提出了用BP網(wǎng)絡(luò)辨識水箱液位控制系統(tǒng)的方法。采用并聯(lián)型辨識結(jié)構(gòu)，訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)采用Levenberg-Marquardt算法和BFGS擬牛頓算法，利用MATLAB軟件平臺，實現(xiàn)比較訓(xùn)練仿真，結(jié)果表明，采用LM算法和BFGS擬牛頓算法能較好的辨識水箱液位系統(tǒng)。1.2 PID控制算法的介紹在工程實際中，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，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它 以其結(jié)構(gòu)簡單、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。1.2.1 PID控制算法的歷史PID（比例-積分-微分）控制器作為最早實

15、用化的控制器已有70多年歷史，現(xiàn)在仍然是應(yīng)用最廣泛的工業(yè)控制器。PID控制器簡單易懂，使用中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件，因而成為應(yīng)用最為廣泛的控制器。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（儀表）已經(jīng)很多，產(chǎn)品已在工程實際中得到了廣泛的應(yīng)用，有各種各樣的PID控制器產(chǎn)品，各大公司均開發(fā)了具有PID參數(shù)自整定功能的智能調(diào)節(jié)器 (intelligent regulator)，其中PID控制器參數(shù)的自動調(diào)整是通過智能化調(diào)整或自校正、自適應(yīng)算法來實現(xiàn)。有利用PID控制實現(xiàn)的壓力、溫度、流量、液位控制 器，能實現(xiàn)PID控制功能的可編程邏輯控制器(PLC)，還有可實現(xiàn)PID控制的PC系統(tǒng)等等。 可

16、編程控制器(PLC) 是利用其閉環(huán)控制模塊來實現(xiàn)PID控制，而可編程控制器(PLC)可以直接與ControlNet相連，如Rockwell的PLC-5等。還有可以實現(xiàn) PID控制功能的控制器，如Rockwell 的Logix產(chǎn)品系列，它可以直接與ControlNet相連，利用網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)其遠(yuǎn)程控制功能。1.2.2 PID控制各環(huán)節(jié)作用1）比例（P）控制比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-state error）。2）積分（I）控制在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。對一個自動控制系統(tǒng)，如

17、果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的 或簡稱有差系統(tǒng)（System with Steady-state Error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積 分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn) 態(tài)誤差。3） 微分（D）控制在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。 自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有

18、較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后(delay)組件，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，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入 “比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預(yù)測誤差變化的趨勢，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)。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在 調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。1.3 串級控制系統(tǒng)介紹串級控制是指通過引入副回路，使系統(tǒng)控制品質(zhì)相對于單

19、回路控制系統(tǒng)提高。在系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上說，串級控制系統(tǒng)有兩個閉合回路：主回路和副回路，主副調(diào)節(jié)器串聯(lián)工作，主調(diào)節(jié)器輸出作為副調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，系統(tǒng)通過副調(diào)節(jié)器輸出控制執(zhí)行器動作，實現(xiàn)對主參數(shù)的定值控制。船機系統(tǒng)的主回路是定值控制系統(tǒng)，副回路是隨動控制系統(tǒng)，通過他們的協(xié)調(diào)工作，是主參數(shù)能夠準(zhǔn)確地控制在工藝規(guī)定的范圍之內(nèi)。1.4 本文的主要工作第1章 主要介紹本課題的研究背景目的和意義；國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀；模糊控制理論和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展與特點；以及本課題所做的主要工作。 第二章在本論文中引入了組態(tài)王6.5及介紹了組態(tài)王6.5在本實驗中的應(yīng)用。 第三章介紹了水箱實驗裝置的結(jié)構(gòu)，采用數(shù)學(xué)建模的方法建立水箱液位

20、控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并對系統(tǒng)的參數(shù)進行辨識。 第四章介紹了基于組態(tài)王的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計，搭配ADAM IPC7017系列I/O端口的設(shè)計，介紹了ADAM A/D轉(zhuǎn)換模塊與上位機的連接設(shè)計。第五章介紹了整體實驗的設(shè)計步驟。第二章 水箱液位控制系統(tǒng)的建模2.1 水箱液位控制系統(tǒng)的構(gòu)成水箱液位控制系統(tǒng)AE2000B由水箱體（不銹鋼儲水箱：、串接圓筒有機玻璃上水箱：、下水箱：、1個連接閥門、2個泄水閥門及1個調(diào)整進水閥門的步進電機和其他連接構(gòu)件）、水位檢測元件（壓力傳感器）、水泵、數(shù)據(jù)采集模塊（ADAM IPC7017）及上位工控機(內(nèi)有PCI總線插槽)構(gòu)成，負(fù)責(zé)監(jiān)測和變送和執(zhí)行的元件包括液位傳感器、

21、渦輪流量計、壓力表、電動調(diào)節(jié)閥等?？傮w結(jié)構(gòu)的原圖如下圖所示。 圖2.1 AE2000B實驗設(shè)備圖圖中的兩個玻璃容器、通過連接閥門依次連接。玻璃容器通過泄水閥門可以排出容器里的水，供水泵循環(huán)使用，水泵抽出的水通過進水閥門 進入容器，這樣就構(gòu)成了一個封閉的回路。兩個玻璃容器上各裝有一個液位壓力傳感器作為測量元件，用來讀出容器的實時液位值。進水閥門通過兩個步進電機控制其開度，從而調(diào)節(jié)進入容器水量的大小。液位壓力傳感器將容器中的水位值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號傳到數(shù)據(jù)采集模塊，又由數(shù)據(jù)采集模塊傳給上位機，為各種控制算法提供實時的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)通過相應(yīng)的處理，生成恰當(dāng)?shù)目刂菩盘?，也需要?jīng)過數(shù)據(jù)采集卡給到步進電機

22、，進一步控制閥門的開度，從而實現(xiàn)對各種控制算法的模擬和檢驗。泄水閥門可以保證實驗結(jié)束后放掉容器中的水。2.2 水箱的建模過程2.2.1 單容水箱的建模過程1）單容過程單容過程就是指只有一個儲蓄容量的過程，單容過程還可分為有自衡能力和無自衡能力兩類，在此只介紹有自衡能力的過程。2）自衡過程 所謂自衡過程，試制過程在擾動的作用下，其平衡狀態(tài)被破壞后，不需要操作人員后儀表等敢于，依靠自身重新恢復(fù)平衡的過程。 下圖所示位一個單容液位被控過程，其流入量，改變閥1的開度可以改變的大小，其流出量為，它取決于用戶的需要改變閥2開度可以改變，液位h的變化反映了和不等而引起的儲罐中蓄水或泄水的過程，如果作為被控過

23、程的輸入變量，h為其輸出變量，則該被控過程的數(shù)學(xué)模型就是h與之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式。圖2.2 單容被控過程 出水閥2固定于某一開度值，根據(jù)物料的動態(tài)平衡關(guān)系，所求的微分方程：在零初始狀態(tài)條件下，對上式求拉氏變換，得： 圖2.3 階躍響應(yīng)曲線式中，T為誰想的時間常數(shù)（閥2的開度會直接影響到水箱的時間常數(shù)），為過程的放大倍數(shù)，為閥2的液阻，C為水箱的容量系數(shù)（表征過程存儲能力的大?。?。 容量系數(shù)：被控過程都具有一定的貯存物料或能量的能力，其貯存能力的大小，稱為容量或容量系數(shù)。其物理意義是：引起單位被控量變化時被控過程貯存量變化的大小。 從上述分析可知，液阻不僅影響過程的時間常數(shù)T，而且還能影響過程的放大

24、系數(shù)，而容量系數(shù)C只能影響過程的時間常數(shù)。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，過程的純滯后問題經(jīng)常碰到，如皮帶運輸機的物料傳輸過程，管道輸送，管道反應(yīng)和管道的混合過程等。2.2.2 二階雙容水箱的對象特性 在工業(yè)生產(chǎn)過程中，被控過程往往是有多個容積和阻力構(gòu)成，這種過程成為多容過程。以其有自衡能力的雙容過程為例，來討論其建立數(shù)學(xué)模型的方法。 圖2.4 雙容水箱被控過程上圖所示為兩只水箱串聯(lián)工作的雙容過程，其被控量是第二只水箱的液位，輸入量為。根據(jù)物料平衡關(guān)系可以列出下列方程：由上圖可知，這是由兩個一階非周期慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)起來，被調(diào)量是第二水草的水位當(dāng)輸入量有一個階躍增加時，被調(diào)量變化的反應(yīng)區(qū)縣如圖，是一個呈S型的一

25、條曲線。由于多了一個容器，是調(diào)節(jié)對象的飛升特性在時間上又落后了一步。設(shè)流量為雙容水箱的輸入量,下水箱的液位高度為為輸出量，根據(jù)物料平衡關(guān)系，并考慮到液體傳輸過程中的時延，其傳遞函數(shù)為：其中K=，和分別為閥和的液阻，分別為上水箱和下水箱的容量系數(shù)。 圖2.5 雙容過程的階躍響應(yīng)曲線當(dāng)上水箱輸入量有一個階躍增量變化時，上水箱液位的響應(yīng)曲線為圖(a)所示一單調(diào)上升的指數(shù)曲線，而下水箱液位的響應(yīng)曲線則呈如圖(b)所示的曲線，即下水箱的液位響應(yīng)滯后了?？赏ㄟ^試驗測量確定出具體的K、T、的值，辨識方法將在下文中詳述。 圖2.6 單容與雙容水箱階躍響應(yīng)圖2.3水箱液位控制參數(shù)辨識方法2.3.1 單容上水箱的

26、參數(shù)辨識單容上水箱的時間常數(shù)T的辨識方法：在零初始條件下，對單容水箱有圖2.7 單容水槽的建模在式中，T為水箱的時間常數(shù)（的開度影響水箱的時間常數(shù)），為過程的放大倍數(shù)，為2號閥門的液阻，C為水箱的容量系數(shù)。令流入流量，為常量，則輸出液位的高度為：，拉式反變換，即由上式，當(dāng)t=T時，有：當(dāng)時，因而有輸出穩(wěn)態(tài)值/階躍輸入，、y（0）分別是被控變量新的穩(wěn)態(tài)值與原來的的穩(wěn)態(tài)值；、分別是階躍作用后與原來的操作變量的值。此式表示一階慣性環(huán)節(jié)的響應(yīng)曲線是一條單調(diào)上升的指數(shù)函數(shù)由實驗求得該響應(yīng)曲線后，該曲線上升到穩(wěn)態(tài)值的63%所需的時間就是水箱的時間常數(shù)T。2.3.2 二階雙容水箱的下水箱對象參數(shù)辨識圖2.8

27、 雙容水槽的建模由雙容水箱的建模結(jié)果可知， ，其中的可以從實驗中求得的階躍響應(yīng)曲線中求出。具體做法是:圖2.9 雙容過程的階躍響應(yīng)曲線1） 響應(yīng)曲線在階躍響應(yīng)曲線上取2） 時曲線上的點A和對應(yīng)的時間；3） 時曲線上的點B和對應(yīng)的時間。然后，利用下面的近似公式計算參數(shù)K、和的值：4） ，對于始終的和的大小關(guān)系，。當(dāng)=0.32時，為一階環(huán)節(jié)，當(dāng)=0.46時，過程的傳遞函數(shù)；2.4 水箱液位PID參數(shù)整定方法2.4.1上水箱液位的PID整定圖2.10 單回路控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 本系統(tǒng)索要保持的恒定參數(shù)就是液位的給定高度，即控制的任務(wù)是控制小上水箱液位等于給定值所需要的高度。根據(jù)控制框圖，這是一個閉環(huán)反

28、饋單回路液位控制。采用工業(yè)智能儀表控制。當(dāng)控制方案確定后，接下來就是整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)。在一個單回路系統(tǒng)設(shè)計安裝就緒后，控制質(zhì)量的好壞就取決于參數(shù)值的選擇了。合適的控制參數(shù)，可以帶來滿意的控制效果。反之，控制其參數(shù)選擇的不合適，就會使控制質(zhì)量變壞，達(dá)不到預(yù)期的效果。因此，當(dāng)一個單回路系統(tǒng)組成好以后，系統(tǒng)的投運和參數(shù)整定就變成了一項非常重要的工作。一般而言，用比例調(diào)節(jié)器的系統(tǒng)是一個有差系統(tǒng)，比例度的大小不僅會影響到余差的大小，而且也與系統(tǒng)的動態(tài)性能密切相關(guān)。比例積分調(diào)節(jié)器由于積分的作用，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)無余差，而且只要參數(shù)和合理，也能使系統(tǒng)具有良好的動態(tài)性能。比例積分微分（PID）調(diào)節(jié)器實在PI調(diào)節(jié)器

29、的基礎(chǔ)上再引入微分D的作用，從而使系統(tǒng)既無余差存在，又能是系統(tǒng)的動態(tài)性能（快速性、穩(wěn)定性等）得到改善。 關(guān)于比例（P）、積分（I）、微分（D）的調(diào)節(jié)順序，一般如下：整定步驟 整定步驟為"先比例，再積分，最后微分"。（1） 整定比例控制 將比例控制作用由小變到大，觀察各次響應(yīng)，直至得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線。（2） 整定積分環(huán)節(jié)若在比例控制下穩(wěn)態(tài)誤差不能滿足要求，需加入積分控制。先將步驟（1）中選擇的比例系數(shù)減小為原來的5080，再將積分時間置一個較大值，觀測響應(yīng)曲線。然后減小積分時間，加大積分作用，并相應(yīng)調(diào)整比例系數(shù)，反復(fù)試湊至得到較滿意的響應(yīng)，確定比例和積分的參數(shù)。（3

30、） 整定微分環(huán)節(jié)若經(jīng)過步驟（2），PI控制只能消除穩(wěn)態(tài)誤差，而動態(tài)過程不能令人滿意，則應(yīng)加入微分控制，構(gòu)成PID控制。 先置微分時間TD=0，逐漸加大TD，同時相應(yīng)地改變比例系數(shù)和積分時間，反復(fù)試湊至獲得滿意的控制效果和PID控制參數(shù)。2.4.2 主回路和副回路的PID參數(shù)整定關(guān)于主回路與副回路的調(diào)節(jié)順序，一般是先對副回路進行調(diào)節(jié)，然后對主回路進行調(diào)節(jié)。(1) 主參數(shù)的選擇和主回路的設(shè)計： 串級控制系統(tǒng)是由主回路和副回路組成。主回路是一個定值控制系統(tǒng)。對于主參數(shù)的選擇和主回路的設(shè)計，基本上可以按照單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計原則進行。凡直接或間接與生產(chǎn)過程運行性能密切相關(guān)并可直接測量的工藝參數(shù)均可以選

31、擇為主參數(shù)。再此我們選擇雙容水箱下水箱的液位高度作為主控制參數(shù)。（2） 副參數(shù)的選擇和副回路的設(shè)計 1）副參數(shù)的選擇副回路應(yīng)包括生產(chǎn)過程中的變化劇烈，頻繁并且幅度很大的主要擾動，并要盡可能的多包含一些擾動。由于串級控制系統(tǒng)副回路具有調(diào)節(jié)速度快、抑制擾動能力強的特點。在副回路設(shè)計時，要充分發(fā)揮這一特點，把生產(chǎn)過程中的主要擾動（并要盡量的包含一些其他的擾動）包含在副回路中，一盡量減少對主參數(shù)的影響，提高主參數(shù)的控制質(zhì)量。在雙容水箱液位控制系統(tǒng)中，我們以下水箱的水位為主控參數(shù)以及上水箱水位作為副參數(shù)，就是考慮到上水箱的水位具有變化劇烈、頻繁且幅度較大的特點。（3） 主副調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的選擇在串級控制

32、系統(tǒng)中，主副調(diào)節(jié)器所起的作用是不同的。主調(diào)節(jié)器起定值控制的作用，副調(diào)節(jié)器起到隨動控制的作用，這是選擇控制規(guī)律的基本出發(fā)點主參數(shù)是工藝操作的主要指標(biāo)，允許的波動范圍很小，一般要求無余差，因此主調(diào)節(jié)器應(yīng)選PI或者PID控制規(guī)律。副參數(shù)的設(shè)置是為了保證主參數(shù)的控制質(zhì)量，因此允許在一個較大的范圍內(nèi)變動，并允許有余差，因此副調(diào)節(jié)器只要選P控制規(guī)律進行比例調(diào)節(jié)即可，具有放大系數(shù)較大，控制作用強，余差小的特點。一般不引入積分控制規(guī)律，是因為積分控制規(guī)律會延長控制過程，減弱副回路的快速作用。并且一般也不引入微分控制作用，因為副回路本身起著快速的作用，再引入微分控制規(guī)律會使調(diào)節(jié)閥的動作過大，反而對控制不利。（4

33、） 主、副調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)器正、反作用方式的選擇為了滿足生產(chǎn)工藝的要求，確保串級控制系統(tǒng)正常運行，主、副調(diào)節(jié)器正反作用方式必須正確選擇。在具體選擇時，實在調(diào)節(jié)閥氣開、氣關(guān)形式；然后根據(jù)生產(chǎn)工藝條件和調(diào)節(jié)閥形式確定副調(diào)節(jié)器的正反作用方式；最后再根據(jù)主副回路參數(shù)的關(guān)系，決定主副調(diào)節(jié)器的正反作用方式。對單回路控制系統(tǒng)來說，要是一個過程控制系統(tǒng)能夠正常工作，系統(tǒng)必須為負(fù)反饋。對于串級控制系統(tǒng)來說，主副調(diào)節(jié)器正、反作用方式的選擇原則是整個控制系統(tǒng)構(gòu)成負(fù)反饋系統(tǒng)，即其主通道各環(huán)節(jié)的放大系數(shù)極性乘積必須為正值。（5） 串級控制系統(tǒng)主副調(diào)節(jié)器正反作用方式的確定為了確保串級控制系統(tǒng)的正常運行，主、副調(diào)節(jié)器正反作用方

34、式必須正確選擇。在具體選擇時，是在調(diào)節(jié)閥氣開氣關(guān)方式已經(jīng)選定的基礎(chǔ)上進行的。 第三章 組態(tài)王6.5簡介與操作界面的設(shè)計3.1 組態(tài)王6.5簡介（1）組態(tài)王軟件：組態(tài)王軟件組態(tài)王開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)軟件，是新型的工業(yè)自動控制系統(tǒng)，它以標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)計算機軟、硬件平臺構(gòu)成的集成系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的封閉式系統(tǒng)。 （2）組態(tài)王軟件的特點：它具有適應(yīng)性強、開放性好、易于擴展、經(jīng)濟、開發(fā)周期短等優(yōu)點。通?？梢园堰@樣的系統(tǒng)劃分為控制層、監(jiān)控層、管理層三個層次結(jié)構(gòu)。其中監(jiān)控層對下連接控制層，對上連接管理層，它不但實現(xiàn)對現(xiàn)場的實時監(jiān)測與控制，且在自動控制系統(tǒng)中完成上傳下達(dá)、組態(tài)開發(fā)的重要作用。尤其考慮三方面問題：畫面、數(shù)據(jù)、動畫

35、。通過對監(jiān)控系統(tǒng)要求及實現(xiàn)功能的分析，采用組態(tài)王對監(jiān)控系統(tǒng)進行設(shè)計。組態(tài)軟件也為試驗者提供了可視化監(jiān)控畫面，有利于試驗者實時現(xiàn)場監(jiān)控。而且，它能充分利用Windows的圖形編輯功能，方便地構(gòu)成監(jiān)控畫面，并以動畫方式顯示控制設(shè)備的狀態(tài)，具有報警窗口、實時趨勢曲線等，可便利的生成各種報表。它還具有豐富的設(shè)備驅(qū)動程序和靈活的組態(tài)方式、數(shù)據(jù)鏈接功能。 （3）組態(tài)王軟件使用步驟： 使用組態(tài)王實現(xiàn)控制系統(tǒng)實驗仿真的基本方法： 1) 圖形界面的設(shè)計 2) 構(gòu)造數(shù)據(jù)庫 3) 建立動畫連接 4) 運行和調(diào)試 (4)組態(tài)王軟件特點: 使用組態(tài)王軟件開發(fā)具有以下幾個特點: 1)實驗全部用軟件來實現(xiàn),只需利用現(xiàn)有的計

36、算機就可完成自動控制系統(tǒng)課程的實驗,從而大大減少購置儀器的經(jīng)費。 2)該系統(tǒng)是中文界面,具有人機界面友好、結(jié)果可視化的優(yōu)點。對用戶而言,操作簡單易學(xué)且編程簡單,參數(shù)輸入與修改靈活,具有多次或重復(fù)仿真運行的控制能力,可以實時地顯示參數(shù)變化前后系統(tǒng)的特性曲線,能很直觀地顯示控制系統(tǒng)的實時趨勢曲線,這些很強的交互能力使其在自動控制系統(tǒng)的實驗中可以發(fā)揮理想的效果。(5)在采用組態(tài)王開發(fā)系統(tǒng)編制應(yīng)用程序過程中要考慮以下三個方面:1) 圖形,是用抽象的圖形畫面來模擬實際的工業(yè)現(xiàn)場和相應(yīng)的工控設(shè)備。2) 數(shù)據(jù),就是創(chuàng)建一個具體的數(shù)據(jù)庫,并用此數(shù)據(jù)庫中的變量描述工控對象的各屬性,比如水位、流量等。 3) 連接

37、,就是畫面上的圖素以怎樣的動畫來模擬現(xiàn)場設(shè)備的運行,以及怎樣讓操作者輸入控制設(shè)備的指令。3.2基于組態(tài)王6.5的液位控制系統(tǒng)上位機部分設(shè)計3.2.1 建立新工程啟動“組態(tài)王”工程管理器，選擇菜單“文件新建工程”或單擊“新建”按鈕，彈出如圖2示： 單擊“下一步”繼續(xù)。彈出“新建工程向?qū)еυ捒颉?，在工程路徑文本框中輸入一個有效的工程路徑，或單擊“瀏覽”按鈕，在彈出的路徑選擇對話框中選擇一個有效的路徑。 單擊“下一步”繼續(xù)。彈出“新建工程向?qū)е龑υ捒颉保诠こ堂Q文本框中輸入工程的名稱，該工程名稱同時將被作為當(dāng)前工程的路徑名稱。在工程描述文本框中輸入對該工程的描述文字。單擊“完成”完成工程的新

38、建。進入“工程瀏覽器”。圖3.1 建立新的工程圖3.2 建立畫面3.2.2定義外部設(shè)備 ICP7017連接在計算機的COM1口。在組態(tài)王工程瀏覽器的左側(cè)選中“ COM1”，在右側(cè)雙擊“新建”，運行“設(shè)備配置向?qū)А?。選擇ICP7017的“串行”項，單擊“下一步”；為外部設(shè)備取一個名稱，輸入“IPC1”，單擊“下一步”；為設(shè)備選擇連接串口，假設(shè)為COM1，單擊“下一步”；填寫設(shè)備地址，假設(shè)為1，單擊“下一步”；請檢查各項設(shè)置是否正確，確認(rèn)無誤后，單擊“完成”。設(shè)備定義完成后，你可以在工程瀏覽器的右側(cè)看到新建的外部設(shè)備“ICP1”。在定義數(shù)據(jù)庫變量時，只要把I/O變量連接到這臺設(shè)備上，它就可以和組態(tài)

39、王交換數(shù)據(jù)了，如下圖。圖3.3 選擇I/O口變量 定義變量的方法 :將要建立的“監(jiān)控中心”，需要從下位機采集下水箱液位高度的變化，所以需要在數(shù)據(jù)庫中定義這個變量。因為該數(shù)據(jù)是通過驅(qū)動程序采集到的，所以三個變量的類型都是I/O實型變量。這個變量名為“下水箱液位高度”，定義方法如下：在工程瀏覽器的左側(cè)選擇“數(shù)據(jù)詞典”，在右側(cè)雙擊“新建”，彈出“變量屬性”對話框；對話框設(shè)置為如圖6：設(shè)置完成后，單擊“確定”。用類似的方法建立其他變量。 圖3.4 定義變量3.2.3動畫設(shè)計建立動畫連接: 在畫面上雙擊圖形對象“下水箱”，彈出“動畫連接”對話框。單擊“填充”按鈕，彈出“填充連接”對話框，對話框設(shè)置如圖8

40、。注意填充方向和填充色的選擇。單擊“確定”。單擊“動畫連接”對話框的“確定”。用同樣的方法設(shè)置“上水箱”和“儲水箱”的動畫連接。在設(shè)置“儲水箱”的動畫連接時將“填充方向”改為“由上向下填充”。 圖3.5文本動畫連接 選擇MAKE菜單“文件全部存”。只有保存畫面上的改變以后，在VIEW中才能看到你的工作成果。啟動畫面運行程序VIEW 。VIEW啟動后，選擇菜單“畫面打開”，在彈出的對話框中選擇“監(jiān)控中心”。運行畫面如下：圖3.6 動畫連接效果 3.2.3 組態(tài)王6.5的控件中選擇歷史曲線繪制工具箱內(nèi)點擊 “插入通用控件”，選擇其中“歷史趨勢曲線”即可在畫面中繪制歷史曲線。選擇“控件屬性”，對話框

41、包括“曲線”和“坐標(biāo)系”兩部分。在“曲線”中點擊“增加”添加需要的變量，“坐標(biāo)系”使用默認(rèn)值，單擊對話框的“確定”按鈕。為使趨勢曲線能顯示變量的變化情況，必須先對變量做如下設(shè)置：選擇菜單“數(shù)據(jù)庫/數(shù)據(jù)詞典”，在變量列表中對相應(yīng)變量進行設(shè)置，選中“記錄定義”對話框中“數(shù)據(jù)變化記錄”選擇框，使之有效。單擊“保存”。 監(jiān)控畫面如下圖圖3.7 水箱液位控制界面第四章 設(shè)計實驗 4.1 設(shè)備的連接和檢查（1）將AE2000B 實驗對象的儲水箱灌滿水（至最高高度）。（2）打開以丹麥泵、電動調(diào)節(jié)閥、渦輪流量計組成的動力支路至上水箱的出水閥，關(guān)閉動力支路上通往其他對象的切換閥。（3）打開上水箱和下水箱的出水閥

42、至適當(dāng)開度。（4）檢查電源開關(guān)是否關(guān)閉。圖4.1 上水箱中水箱液位串級控制框圖4.2 系統(tǒng)連線對操作面板按下圖進行連線。圖4.2 實驗接線1）將I/O信號接口板上的中水箱液位的鈕子開關(guān)打到OFF位置，上水箱液位的鈕子開關(guān)打到ON位置。2）按上圖所示連線。3）將主調(diào)節(jié)儀的420mA輸出接至I/O信號面板的溫度變送器轉(zhuǎn)換電阻上轉(zhuǎn)換成15V電壓信號，再將此轉(zhuǎn)換信號接至另一調(diào)節(jié)儀（副調(diào)節(jié)器）的1端和2端作為外部給定，上水箱液位信號轉(zhuǎn)換為0.21V的信號后接入副調(diào)節(jié)器的3、2兩端。調(diào)節(jié)器輸出的420mA接電動調(diào)節(jié)閥的420mA控制信號兩端。啟動實驗裝置：1）將實驗裝置電源插頭接到220V的單相電源上。2

43、）打開電源單帶漏電保護空氣開關(guān)，電壓表指示220V。3）打開總電源開關(guān)，即可開啟電源。4.3 實驗步驟1）開啟電動調(diào)節(jié)閥電源、24V電源、智能調(diào)節(jié)儀電源，根據(jù)儀表使用說明書和液位傳感器使用說明調(diào)整好儀表各項參數(shù)和液位傳感器的零位、增益。2）啟動計算機，進入組態(tài)王6.5的調(diào)節(jié)界面。圖4.3 上位機實驗界面3） 設(shè)定主控參數(shù)和副控參數(shù)，設(shè)定中水箱液位為13cm。設(shè)定副控回路的相關(guān)參數(shù)為比例度10，積分時間為9999.99，微分時間為0。設(shè)定主控回路的相關(guān)參數(shù)為比例度10，積分時間100，微分時間為0。4）對副控制回路的P進行整定。啟動動力支路，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，在中水箱給一個階躍信號，將水位設(shè)定值突然

44、增加到15cm，觀察軟件的實時曲線的變化。由于在副控回路的比例度（）為10時，可對干擾達(dá)到迅速、超調(diào)量較小的控制，因此將副回路的比例度設(shè)定為10.5）對主回路的PID參數(shù)進行設(shè)定。由于主回路對中水箱的液位進行精確控制，因此主回路的比例度要比副回路的稍大，設(shè)定為15，此時超調(diào)量約為2.6cm，未超過15%，因此設(shè)定主回路的比例度設(shè)定為15是合適的。在主回路和副回路的比例度確定的情況下對積分時間進行整定。在副回路比例度10，主回路比例度15的情況下，是中水箱液位在13cm穩(wěn)定時將設(shè)定值改為15cm，觀察階躍相應(yīng)，得到：圖4.4 積分時間100時的階躍響應(yīng)其中綠色曲線表示設(shè)定值變化，紅色曲線表示階躍

45、響應(yīng)曲線，黃色曲線表示副控回路的控制對象變化。從圖中可以看出，積分時間為100時，余差大約在1.3cm至1.5cm，余差過大，是實驗?zāi)康乃荒苋淌艿?，因此對積分時間進行調(diào)節(jié)，設(shè)定為50，此時截取畫面：圖4.5 積分時間為50時的階躍相應(yīng)可見，在積分時間調(diào)節(jié)到50后，在曲線穩(wěn)定后測量值與設(shè)定值吻合，此時調(diào)節(jié)余差為0cm，微分時間得以整定。在上述步驟進行整定時，從開始加階躍擾動到系統(tǒng)最終穩(wěn)定的時間為7min，調(diào)節(jié)時間過長，因此需要外加微分環(huán)節(jié)。在微分時間為0時，此時系統(tǒng)的超調(diào)量、最終余差都在可接受的范圍內(nèi)，因此只需對微分時間進行調(diào)節(jié)，將微分時間調(diào)節(jié)為2，如下圖：圖4.6 微分時間為2的系統(tǒng)階躍響應(yīng) 由上圖可以看出，在微分時間增加后，系統(tǒng)的響應(yīng)時間相應(yīng)減少，為4.5min，相對比較迅速。6） 經(jīng)過對主副回路的PID調(diào)節(jié)，基本得到了超調(diào)量較小、余差為0、調(diào)節(jié)時間較短的串級液位控制系統(tǒng)，其中副回路的相關(guān)參數(shù)整定為：比例環(huán)節(jié)的比例度10，積分時間無限大，微分時間為0；主回路的相關(guān)參數(shù)整定為：比例環(huán)節(jié)的比例度15，積分時間為50，微分時間2。 第五章 總結(jié)與展望本文以雙容水箱液位控制系統(tǒng)中的下水箱為被控對象，研究了該控制系統(tǒng)的單容與雙容對象模型，并針對兩種對象模型建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，在建立合適數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，研究了針對雙容水箱數(shù)學(xué)模型的控制算法，即串級PID控制算法，進行了