雙容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、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)，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，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:Keywords:

2、liquid level PID control indicator process control system computer process control system 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。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)

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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。

8、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

9、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MCGS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Win

10、dows 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MATLAB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：(1)MATALB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

11、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。 (2)MATLAB工作環(huán)境 這是對(duì)MATLAB提供給用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。 (4)MATLAB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

12、次數(shù)學(xué)算法。 (5)MATLAB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)

13、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Windo

14、ws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)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

15、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

16、，指定存盤數(shù)據(jù)庫(kù)文件的名稱以及存盤數(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MCGS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

17、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)編寫控制流程程序：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)

18、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。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

19、其他的設(shè)計(jì)工作提供依據(jù)。上水箱和下水箱為THJ-2高級(jí)過(guò)程控制實(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Q112Q2Ah 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Q1，流出量為Q2，通過(guò)改變閥1的開(kāi)度改變Q1值，改變閥2的開(kāi)度可以改變Q2值。液位h越高，水箱內(nèi)的靜壓力增大,Q2也越大。液位h的變化反映了Q1和Q2不等而導(dǎo)致水箱蓄水或?yàn)a水的過(guò)程。

20、若Q1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)學(xué)模型就是h與Q1之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式。 根據(jù)動(dòng)態(tài)物料平衡， Q1-Q2=A(dh/dt) ；Q1-Q2=A(dh/dt) 在靜態(tài)時(shí)，Q1=Q2，dh/dt=0；當(dāng)Q1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，Q2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W0(s)=H(s)/Q1(s)=R2/(R2Cs+1)=K/(Ts+1)注：Q1 Q2h:分別為偏離某一個(gè)平衡狀態(tài)Q10Q20h0的增量。R2:閥2的阻力 A:水箱截面積 T

21、:液位過(guò)程的時(shí)間常數(shù)(T=R2C) K: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)

22、度,控制水箱進(jìn)水量的大小，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?？刂七M(jìn)水量供水施加階躍輸入信號(hào)階躍響應(yīng)輸出電動(dòng)磁力泵電動(dòng)調(diào)節(jié)閥上水箱/下水箱 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OP1=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OP2=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)曲線記錄階躍響應(yīng)參數(shù)(間隔30s采集數(shù)據(jù)):123.62744.771347.761947.64230.50845.561447.872047

23、.09335.25946.171547.892146.52438.691047.061647.282246.41541.321147.251747.012346.28643.311247.461847.152445.90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OP1=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OP2=50,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2.4下水箱階躍響應(yīng)曲線記錄階躍響應(yīng)參數(shù)(間隔30s采集數(shù)據(jù)): 154.021384.6125

24、98.4537103.9349107.20257.191486.342699.1938104.3950107.28360.281587.712799.8339104.8451107.32463.531689.1828100.4340105.0652107.38566.561790.4429101.0141105.5353107.56669.521891.7630101.4242105.8054107.66772.261993.0431101.8143106.0855107.82874.792094.1132102.2644106.3356107.67977.002195.1833102.794

25、5106.4157107.551079.072296.0434103.1946106.6158107.391180.872396.9635103.3647106.6559107.251282.882497.4936103.6548106.9460107.10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)

26、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=0:30:420；>> 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.

27、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，得到多項(xiàng)式的表達(dá)式：P(t)-1.8753e(-009)t4+2.2734e(-006)t3-0.0010761t2+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。圖

28、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)值與階躍擾動(dòng)值之比，所以上水箱傳遞函數(shù)為 4.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 46.4146.99 47.4 47.79 48.2

29、4 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，圓點(diǎn)為原數(shù)據(jù)點(diǎn)

30、。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(-011)t4+5.7384(e-008)t3 -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。圖2.8下水箱模型計(jì)算曲線階躍響應(yīng)擾動(dòng)值為10,靜態(tài)放大系數(shù)

31、為階躍響應(yīng)曲線的穩(wěn)態(tài)值與階躍擾動(dòng)值之比，所以下水箱傳遞函數(shù)為。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，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)，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)

32、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。y(t)+r(t) 比例P積分I微分D被控對(duì)象圖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

33、r(t)與實(shí)際值y(t)構(gòu)成控制偏差：。PID控制規(guī)律為：或以傳遞函數(shù)形式表示：式中，KP: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

34、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（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

35、”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，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

36、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TI置于最大，微分時(shí)間TD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

37、期Tk。根據(jù)以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算調(diào)節(jié)器參數(shù)： 調(diào)節(jié)器參數(shù)控制規(guī)律TITDP2k PI2.2kTK/1.2 PID1.6k0.5Tk0.25Tk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TI置于最大，微分時(shí)間TD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Tk。根據(jù)以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算調(diào)節(jié)器參數(shù)： 調(diào)節(jié)器參數(shù)控制規(guī)律TITDPS PI1.2S0.5TS PID0.8S0.3TS0.1TS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

38、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，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

39、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.m2m1e1c1擾動(dòng)f1(t)e2設(shè)定值Rc2擾動(dòng)f2(t)主調(diào)節(jié)器副調(diào)節(jié)器執(zhí)行器副對(duì)象主對(duì)象測(cè)量與 變送器2測(cè)量與 變送器1通過(guò)針對(duì)雙容水箱液位被控過(guò)程設(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

40、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)、

41、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)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

42、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編寫，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

43、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。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)KP=60 TI=50 TD=3 ;副控制器P參數(shù)為KP=50，在初始點(diǎn)加40點(diǎn)階躍輸入量觀察階躍響應(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圖3.4為加入副回路時(shí)的仿真曲線：圖3.5為切除副回路時(shí)的仿真曲

44、線.由3.4和3.5兩圖對(duì)比可見(jiàn)，引入副回路組成雙容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)后動(dòng)態(tài)特性比不加入副回路的控制系統(tǒng)有了很大的改善，提高了系統(tǒng)的工作頻率，對(duì)被控對(duì)象的調(diào)節(jié)能力更強(qiáng)。 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)。控制器參數(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.由圖3.7和圖3.8對(duì)比可見(jiàn)，引入副回路組成雙容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)后能夠很好的克服進(jìn)入副回路

45、的擾動(dòng),及時(shí)消除擾動(dòng)對(duì)主參數(shù)的影響.在克服二次擾動(dòng)方面串級(jí)控制比不加副回路的非串級(jí)控制好。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)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

46、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)換為與輸入壓力成線性對(duì)應(yīng)關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)電流輸出信號(hào)。BP800型壓力變送器技術(shù)指標(biāo)如下：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16CQ8P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QSVP16K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)與閥門組合構(gòu)成。通過(guò)

47、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)將閥門開(kāi)度的隔離信號(hào)反饋給控制系統(tǒng)。當(dāng)其偏差值達(dá)到零時(shí),電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。閥開(kāi)關(guān)形式：電開(kāi)式動(dòng)作速度：0.25mm/s輸入控制信號(hào)：420mA DC/15V DC流量特性：直線輸出信號(hào)：420mA DC額定流量系數(shù)Kv：1.2輸入阻抗：250/500介質(zhì)溫度：-4輸出最大負(fù)載：<500死區(qū)：±1.0%電源：220V/50Hz回差：±1.0%公稱直徑：20mm可調(diào)范圍：50:1公稱壓力：1.6

48、MPa防護(hù)等級(jí)：IP65行程：10mm功耗：5VA表4.2電動(dòng)調(diào)節(jié)閥技術(shù)指標(biāo)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。選用的AI-808P型儀表技術(shù)指標(biāo)如下：熱電偶輸入：KSREJ等響應(yīng)時(shí)間：熱電阻輸入：Cu50Pt100調(diào)節(jié)方式：位式調(diào)節(jié)方式/AI人工智能調(diào)節(jié)線性電壓輸入：0輸出規(guī)格：420mA線性電流輸入：4報(bào)警功能：上限下限正負(fù)偏差測(cè)量范圍：-1999電源：10

49、0測(cè)量精度：0.2級(jí)環(huán)境溫度：0表4.3 智能儀表技術(shù)指標(biāo)AI-808P引腳說(shuō)明：引腳號(hào)引腳名稱引腳定義1Vin0-5V 1-5V輸入2Iexec+作為Vin的地3Sense+0-5V 1-5V輸入4Sense-作為Sense+的地5Iout-4-20mA輸出負(fù)端7Iout+4-20mA輸出正端9ACL電源火線10ACN電源地線11(13)AL1+(AL1-)與AL1-(AL2-)構(gòu)成報(bào)警14(16)AL2+(AL2-)與AL1+(AL2+)構(gòu)成報(bào)警18(17)Data+(Data-)RS-485接口數(shù)據(jù)線19(20)I/V變換內(nèi)接電阻將電流變?yōu)殡妷?(12)(15)無(wú)分別與5(13)(16)

50、形成常閉觸點(diǎn)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

51、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(1)Sn: 輸入規(guī)格 調(diào)節(jié)儀1中Sn=33 表示15V電壓輸入；調(diào)節(jié)儀2中Sn=32 表示0.21V電壓輸入。(2)ADDR：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。(3)diH：輸入上限顯示值，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。(4)diL：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。(5)CF：系統(tǒng)功能選擇

52、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)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)，輸出趨向減小；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。(6)SV：下水箱液位給定值，根據(jù)需要設(shè)置。

53、(7)P：調(diào)節(jié)器比例系數(shù)，根據(jù)需要設(shè)置。(8)I：調(diào)節(jié)器積分時(shí)間，根據(jù)需要設(shè)置。(9)D：調(diào)節(jié)器微分時(shí)間，根據(jù)需要設(shè)置。通過(guò)在AI808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,&qu

54、ot;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*OP1/100上水箱液位PV1=PV2if 下水箱液位PV1>20 then下水箱液位PV1=20endifif 上水箱液位PV1>20 then上水箱液位PV1=20(3) 退出腳本程序!SetDevice(調(diào)節(jié)儀1,2," " )!SetDevice(調(diào)節(jié)儀2,2," " )endif程序注釋：SetDevice(DevName，DevOp，CmdStr)函數(shù)意義：按照設(shè)備名字對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作。返 回 值：數(shù)值型。返回值：=0：調(diào)用正常。<>0：調(diào)用不正常