實(shí)驗(yàn)三-水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)(完整版)實(shí)用資料

實(shí)驗(yàn)三水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)（完整版）實(shí)用資料(可以直接使用，可編輯完整版實(shí)用資料，歡迎下載）

實(shí)驗(yàn)三水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)三水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)（完整版）實(shí)用資料(可以直接使用，可編輯完整版實(shí)用資料，歡迎下載）一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、熟悉串級(jí)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)2、掌握串級(jí)控制系統(tǒng)的投運(yùn)與參數(shù)的整定方法3、研究階躍擾動(dòng)分別作用于副對(duì)象和主對(duì)象時(shí)對(duì)系統(tǒng)主控制量的影響二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1、THJ-2型高級(jí)過(guò)程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置2、計(jì)算機(jī)、上位機(jī)MCGS組態(tài)軟件、RS232-485轉(zhuǎn)換器1只、串口線(xiàn)1根3、萬(wàn)用表1只三、實(shí)驗(yàn)原理圖5-1液位串級(jí)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖本實(shí)驗(yàn)為水箱液位的串級(jí)控制系統(tǒng)，它是由主、副兩個(gè)回路組成。每一個(gè)回路中都有一個(gè)屬于自己的調(diào)節(jié)器和控制對(duì)象，即主回路中的調(diào)節(jié)器稱(chēng)主調(diào)節(jié)器，控制對(duì)象為下水箱，作為系統(tǒng)的被控對(duì)象，下水箱的液位為系統(tǒng)的主控制量。副回路中的調(diào)節(jié)器稱(chēng)副調(diào)節(jié)器，控制對(duì)象為中水箱，又稱(chēng)副對(duì)象，它的輸出是一個(gè)輔助的控制變量。本系統(tǒng)控制的目的不僅使系統(tǒng)的輸出響應(yīng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能，且在穩(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)。當(dāng)有擾動(dòng)出現(xiàn)于副回路時(shí)，由于主對(duì)象的時(shí)間常數(shù)大于副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)，因而當(dāng)被控制量（下水箱的液位）未作出反映時(shí)，副回路已作出快速響應(yīng)，及時(shí)地消除了擾動(dòng)對(duì)被控制量的影響。此外，如果擾動(dòng)作用于主對(duì)象，由于副回路的存在，使副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)大大減小，從而加快了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，改善了動(dòng)態(tài)性能。圖5-1為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，圖5-2為相應(yīng)控制系統(tǒng)的方框圖。圖5-2液位串級(jí)控制系統(tǒng)的方框圖四、實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)及數(shù)據(jù)處理按照實(shí)驗(yàn)圖接線(xiàn)，打開(kāi)上位機(jī)MCGS組態(tài)環(huán)境，將主控儀表設(shè)置為“手動(dòng)”，并將輸出值設(shè)置為一個(gè)合適的值。合上三相電源空氣開(kāi)關(guān)，磁力驅(qū)動(dòng)泵上電打水，適當(dāng)增加/減少主調(diào)節(jié)器的輸出量，使下水箱的液位平衡于設(shè)定值，且中水箱液位也穩(wěn)定于某一值（此值一般為3～5cm，以免超調(diào)過(guò)大，水箱斷流或溢流）。設(shè)定智能儀表的參考參數(shù)：調(diào)節(jié)儀1：P=20;I=60;D=0;Sn=33;CF=0;ADDR=1;SV=8；diH=50;dil=0;調(diào)節(jié)儀2：P=50;I=0;D=0;Sn=32;CF=8;ADDR=2;diH=50;dil=0;當(dāng)系統(tǒng)到達(dá)穩(wěn)定的時(shí)候，記錄曲線(xiàn)為水箱液位第一次達(dá)到最大值的數(shù)據(jù)：水箱液位第一次達(dá)到最小值的數(shù)據(jù)：水箱液位第二次達(dá)到最大值的數(shù)據(jù)：水箱液位第二次達(dá)到最小值的數(shù)據(jù)：水箱液位第三次達(dá)到最大值的數(shù)據(jù)：水箱液位第三次達(dá)到最小值的數(shù)據(jù)：水箱液位達(dá)到穩(wěn)定時(shí)候的數(shù)據(jù)：經(jīng)過(guò)一段時(shí)間穩(wěn)定后，增加擾動(dòng)向中水箱增加擾動(dòng)記錄的曲線(xiàn)為：當(dāng)系統(tǒng)趨于穩(wěn)定的時(shí)候停止向下水箱加擾動(dòng)開(kāi)大下水箱閥門(mén)當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定的時(shí)候記錄的曲線(xiàn)為：當(dāng)趨于穩(wěn)定的時(shí)候增加設(shè)定值1既SV=9記錄的曲線(xiàn)為：五、總結(jié)時(shí)間附錄：15.15開(kāi)始朝中水箱加變頻器干擾.15.23停止中水箱變頻器干擾.15.30開(kāi)始朝下水箱加變頻器干擾.干擾為25HZ最大值13.115.36加大下水箱閥門(mén)開(kāi)度16.20取消變頻干擾(下和水箱排水開(kāi)度16.26達(dá)到穩(wěn)定值16.27增加設(shè)定值116.36達(dá)到穩(wěn)定由上述實(shí)驗(yàn)證明了串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)：A、改善了過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性B、能及時(shí)克服進(jìn)入副回路的各種二次擾動(dòng)，提高了系統(tǒng)抗擾動(dòng)能力C、提高了系統(tǒng)的魯棒性D、具有一定的自適應(yīng)能力下水箱液位前饋反饋控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、學(xué)習(xí)前饋-反饋控制的原理。2、了解前饋-反饋控制的特點(diǎn)。3、掌握前饋-反饋控制的設(shè)計(jì)。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備A3000-FS/FBS現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)，任意控制系統(tǒng)。三、實(shí)驗(yàn)原理1、控制原理前饋控制又稱(chēng)擾動(dòng)補(bǔ)償，它與反饋調(diào)節(jié)原理完全不同，是按照引起被調(diào)參數(shù)變化的干擾大小進(jìn)行調(diào)節(jié)的。在這種調(diào)節(jié)系統(tǒng)中要直接測(cè)量負(fù)載干擾量的變化，當(dāng)干擾剛剛出現(xiàn)而能測(cè)出時(shí)，調(diào)節(jié)器就能發(fā)出調(diào)節(jié)信號(hào)使調(diào)節(jié)量作相應(yīng)的變化，使兩者抵消與被調(diào)量發(fā)生偏差之前。因此，前饋調(diào)節(jié)對(duì)干擾的克服比反饋調(diào)節(jié)快。但是前饋控制是開(kāi)環(huán)控制。其控制效果需要通過(guò)反饋加以檢驗(yàn)。前饋控制器在測(cè)出擾動(dòng)之后，按過(guò)程的某種物質(zhì)或能量平衡條件計(jì)算出校正值。如果沒(méi)有反饋控制，則這種校正作用只能在穩(wěn)態(tài)下補(bǔ)償擾動(dòng)作用。如圖6-12所示。設(shè)法保持下水箱液位，是用兩個(gè)水泵注水。圖6-12前饋－反饋控制系統(tǒng)原理圖如果支路一出現(xiàn)擾動(dòng)，經(jīng)過(guò)流量計(jì)測(cè)量之后，測(cè)量得到干擾的大小，然后在第二個(gè)支路通過(guò)調(diào)整調(diào)節(jié)閥開(kāi)度，直接進(jìn)行補(bǔ)償。而不需要經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)器。如果沒(méi)有反饋，就是開(kāi)環(huán)控制，這個(gè)控制是有余差的。增加反饋通道，使用PI進(jìn)行控制，如圖6-12所示。我們按照參考書(shū)上的內(nèi)容，進(jìn)行了部分簡(jiǎn)化。前饋控制不考慮控制通道與對(duì)象通道延遲，則根據(jù)物料平衡關(guān)系，簡(jiǎn)單的前饋控制方程為：Qu=dF。也就是兩個(gè)流量的和保持穩(wěn)定。但是有兩個(gè)條件，一是準(zhǔn)確知道第一個(gè)支路的流量，二是準(zhǔn)確知道調(diào)節(jié)閥開(kāi)度與流量對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖6-13所示：調(diào)節(jié)閥輸入（%）調(diào)節(jié)閥輸入（%）1#，2#流量（%）圖6-13調(diào)節(jié)閥開(kāi)度與流量比例關(guān)系2、測(cè)量與控制端連接表測(cè)量或控制量測(cè)量或控制量標(biāo)號(hào)使用控制器端口渦輪流量計(jì)FT101AI0下水箱液位LT103AI1電磁流量計(jì)FT102AI2調(diào)節(jié)閥FV101AO0說(shuō)明：電磁流量計(jì)可能為渦輪流量計(jì)。3、實(shí)驗(yàn)方案被調(diào)量為調(diào)節(jié)閥，控制量是支路2流量，控制目標(biāo)是下水箱液位。首先實(shí)現(xiàn)前饋控制，通過(guò)測(cè)量支路1、2流量，控制調(diào)節(jié)閥，使得支路2流量變化跟蹤支路1流量變化。然后實(shí)現(xiàn)反饋控制，通過(guò)測(cè)量水箱液位，控制調(diào)節(jié)閥，從而把前饋控制不能修正的誤差進(jìn)行修正。4、參考結(jié)果在前饋-反饋控制下的加法器系數(shù)取不同值時(shí)的控制曲線(xiàn)如圖6-14—6-17所示：圖6-14=0時(shí)前饋－反饋控制曲線(xiàn)圖6-15=1時(shí)前饋－反饋控制曲線(xiàn)圖6-16=2時(shí)前饋－反饋控制曲線(xiàn)圖6-17=3時(shí)前饋－反饋控制曲線(xiàn)四、實(shí)驗(yàn)要求1、設(shè)計(jì)前饋－反饋控制系統(tǒng)。2、經(jīng)過(guò)參數(shù)調(diào)整，獲得最佳的控制效果，并通過(guò)干擾來(lái)驗(yàn)證。五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1、在A3000-FS上，打開(kāi)手動(dòng)調(diào)節(jié)閥JV104、JV103，1#電磁閥，JV201、JV206。其余閥門(mén)關(guān)閉。2、按照測(cè)量與控制列表進(jìn)行連線(xiàn)：在A3000-CS上，電磁流量計(jì)輸出端連接到AI2；渦輪流量計(jì)輸出端連接AI0；下水箱液位連接到AI1；AO0連接到電動(dòng)調(diào)節(jié)閥(FV101)。3、打開(kāi)A3000電源。4、在A3000-FS上，啟動(dòng)左邊水泵和右邊水泵。左邊水泵使用變頻器控制。5、首先測(cè)量調(diào)節(jié)閥開(kāi)度和流量關(guān)系。給出不同的開(kāi)度電流，觀(guān)察電磁流量計(jì)的數(shù)值。6、計(jì)算關(guān)系函數(shù)，加入控制軟件中。7、開(kāi)始前饋-反饋控制。啟動(dòng)上位機(jī)，設(shè)置控制器參數(shù)，設(shè)置前饋系數(shù)，記錄其實(shí)時(shí)曲線(xiàn)。8、通過(guò)變頻器改變左邊支路水流量，觀(guān)察并記錄控制曲線(xiàn)的變化。9、反復(fù)進(jìn)行操作8，并修正值參數(shù),并將其同調(diào)節(jié)閥開(kāi)度與流量對(duì)應(yīng)關(guān)系做比較，得出最佳參數(shù)。六、思考問(wèn)題分析前饋－反饋控制與串級(jí)控制的區(qū)別，優(yōu)缺點(diǎn)。七、實(shí)驗(yàn)結(jié)果提交1、通過(guò)抓圖方法，提交獲得的曲線(xiàn)。2、給出最佳控制參數(shù)。內(nèi)蒙古科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文）題目：水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)生姓名：吳云鵬學(xué)號(hào)：專(zhuān)業(yè)：測(cè)控技術(shù)與儀器班級(jí)：測(cè)控指導(dǎo)教師：李20216711223108-2班剛助教水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要液位是工業(yè)工程中的常見(jiàn)變量，在各種過(guò)程控制中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。例如在食品加工、溶液過(guò)濾、化工生產(chǎn)等多種行業(yè)的生產(chǎn)加工過(guò)程中，通常需要使用蓄液池，而蓄液池中的液位需要維持一定的高度，既不能太滿(mǎn)溢出造成危險(xiǎn)，也不能過(guò)少而無(wú)法滿(mǎn)足生產(chǎn)需求。因此液位高度是工業(yè)控制過(guò)程中一個(gè)重要的參數(shù)，特別是在動(dòng)態(tài)的狀態(tài)下，采用合適的方法對(duì)液位進(jìn)行檢測(cè)、控制，能收到很好的效果。本文以實(shí)驗(yàn)室自制的雙容水箱作為液位控制研究對(duì)象，通過(guò)上位機(jī)、研華的PCI-1710L板卡、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、壓力液位變送器組成的控制系統(tǒng)和壓力液位變送器、變頻器、水泵組成的控制系統(tǒng)分別實(shí)現(xiàn)了單容水箱的遠(yuǎn)程控制和就地控制，并在文章最后理論性的闡述了雙容水箱的控制方法。設(shè)計(jì)中以組態(tài)軟件--組態(tài)王為開(kāi)發(fā)工具，開(kāi)發(fā)了系統(tǒng)的監(jiān)視與控制界面，并且自己編程實(shí)現(xiàn)PID控制程序，使系統(tǒng)具備了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)監(jiān)視功能、歷史數(shù)據(jù)的歸檔功能、異常信號(hào)的報(bào)警功能以及現(xiàn)場(chǎng)操作的指導(dǎo)功能。關(guān)鍵詞：水箱液位；PID控制；組態(tài)王；變頻器；ThedesignofthetanklevelcontrolsystemAbstractTheliquidlevelisoneofthecommonvariablesinIndustrialEngineering,theprocesscontrolismoreandmorewidelyused.Forexample,intheproductionprocessoffoodprocessing,filteringsolution,chemicalproductionandotherindustries,liquidstoragetankisusuallyused,andmakingtheliquidlevelofliquidstoragetankatacertainheightisveryimportant,neithertoooverflowtorisknortooshortnottomeettheproductiondemand.Therefore,theheightofliquidlevelintheindustrialcontrolprocessisoneoftheimportantparameters,especiallyinthedynamiccondition.Ifadopttheappropriatemethodforthecontroloftheliquidleveldetection,wecangetgoodeffect.Theresearchobjectisbasedontheself-madedoubletanklevelcontrolsystem,throughthehostcomputer,theAdvantechPCI-1710Lcard,theelectriccontrolvalve,thepressureliquidleveltransmitter,thefrequencyconverterandthewaterpumpwegettwodifferentkindsofthecascadecontrolsystemforthesinglewatertankoftheliquidlevelcontrol,respectivelyrealizedtheeffectoftheremotecontrolandlocalcontrol.Andatlast,thisarticleexpoundsthetheoryofdoublewatertankcontrolmethod.Choosethedesignofconfigurationsoftware–Kingviewfordevelopmenttools,wehavehadthedevelopmentofthesystemtomonitorandcontrolinterface,andalsohaveprogrammedPIDcontrolproceduresthatmadethesystemhasafieldprocessdata,dynamicmonitoringhistoricaldataarchivingfunction,abnormalsignalofthealarmfunctionandtheguidancefunctionoftheon-siteoperation.Keywords:Tanklevel;PIDcontrol;Kingview;Frequencyconverter;目錄摘要.................................................................................................................................IAbstract..........................................................................................................................II第一章緒論..................................................................................................................11.1選題背景及意義..............................................................................................11.2液位控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀.............................................................................21.3本文的主要工作.............................................................................................3第二章控制對(duì)象及算法簡(jiǎn)介......................................................................................52.1被控制變量的選擇..........................................................................................52.2執(zhí)行器的選擇.................................................................................................52.3壓力液位變送器的選擇.................................................................................52.4研華板卡PCI-1710L簡(jiǎn)介...............................................................................62.4.1模擬量輸入連接....................................................................................82.5PID控制算法概述............................................................................................92.5.1PID控制器的應(yīng)用與發(fā)展......................................................................92.5.2PID算法類(lèi)型[1].....................................................................................102.5.3PID兩種控制方式................................................................................11第三章基于組態(tài)王的單容水箱液位控制系統(tǒng)........................................................133.1組態(tài)王簡(jiǎn)介[8].................................................................................................133.1.1組態(tài)王軟件的組成..............................................................................133.1.2制作工程的一般步驟.........................................................................143.1.3組態(tài)王與外部設(shè)備通信.....................................................................143.2控制方案選取................................................................................................153.3上位機(jī)組態(tài)軟件的開(kāi)發(fā)...............................................................................163.3.1監(jiān)控畫(huà)面..............................................................................................163.3.2構(gòu)造數(shù)據(jù)庫(kù)..........................................................................................173.3.3數(shù)據(jù)通信..............................................................................................193.3.4命令語(yǔ)言的編寫(xiě).................................................................................203.3.5實(shí)時(shí)曲線(xiàn).............................................................................................213.3.6歷史報(bào)警查詢(xún)[11].................................................................................213.3.7歷史曲線(xiàn).............................................................................................233.4參數(shù)整定.......................................................................................................25第四章基于變頻器的單容液位控制系統(tǒng)................................................................264.1變頻調(diào)速基礎(chǔ)...............................................................................................264.2三菱通用變頻器FR-D700簡(jiǎn)要介紹...........................................................274.2.1FR-D700簡(jiǎn)介.....................................................................................274.2.2三菱變頻器FR-D740-1.5K-CHT常規(guī)介紹......................................284.2.3控制電路接線(xiàn)端極端子功能介紹.....................................................294.2.4操作面板及其功能介紹....................................................................314.3變頻器的作用...............................................................................................314.4控制系統(tǒng)調(diào)試...............................................................................................324.4.1操作步驟............................................................................................334.4.2參數(shù)整定............................................................................................33第五章雙容水箱液位控制系統(tǒng)................................................................................355.1串級(jí)控制........................................................................................................355.1.1串級(jí)控制概念....................................................................................355.1.2水箱液位控制方法............................................................................365.1.4串級(jí)控制的特點(diǎn)................................................................................365.2串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)...................................................................................365.2.1變量的選擇........................................................................................365.2.2主副控制器的控制規(guī)律.....................................................................375.2.3主副控制器正反作用的選擇............................................................375.3串級(jí)控制系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用............................................................................385.4本章小結(jié).......................................................................................................38總結(jié)..............................................................................................................................39參考文獻(xiàn)......................................................................................................................40附錄..............................................................................................................................41致謝..............................................................................................................................43第一章緒論1.1選題背景及意義液位是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制中很重要的被控變量。工業(yè)生產(chǎn)中的潤(rùn)滑油、冷卻水、調(diào)速油、油質(zhì)加工、液態(tài)燃料供應(yīng)、廢油凈化、溶液加工與傳輸?shù)葓?chǎng)合，常需對(duì)容器中液位進(jìn)行有效可靠的控制，否則將不能使液體循環(huán)系統(tǒng)乃至整個(gè)機(jī)組正常運(yùn)行。另外，在這些生產(chǎn)領(lǐng)域里，極容易出現(xiàn)操作失誤，引起事故，造成廠(chǎng)家的損失。可見(jiàn)，在實(shí)際生產(chǎn)中，液位控制的準(zhǔn)確程度和控制效果直接影響工廠(chǎng)的生產(chǎn)成本、經(jīng)濟(jì)效益甚至設(shè)備的安全系數(shù)。所以，為了保證安全、方便操作，就必須研究開(kāi)發(fā)先進(jìn)的液位控制方法和策略。工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的液位系統(tǒng)通常是時(shí)變的，具有明顯的滯后特性。在熱工生產(chǎn)與傳輸質(zhì)量或能量的過(guò)程中，存在著各種形式的容積和阻力，加上對(duì)象多具有分布參數(shù)，好像被不同的阻力和容積相互分隔著一樣。生產(chǎn)實(shí)際中的被控對(duì)象往往是由多個(gè)容積和阻力構(gòu)成的多容對(duì)象。兩個(gè)串連的單容對(duì)象構(gòu)成的雙容對(duì)象就比較典型。人們生活以及工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)常涉及到液位的控制問(wèn)題，因此液位是工業(yè)控制過(guò)程中一個(gè)重要的參數(shù)。液位控制系統(tǒng)一般指工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中自動(dòng)控制系統(tǒng)的被控變量為液位的系統(tǒng)。在生產(chǎn)過(guò)程中，需要對(duì)液位的相關(guān)變量進(jìn)行控制，使其保持為一定值或按一定規(guī)律變化，以保證生產(chǎn)的質(zhì)量和安全。液位的變化不但受到過(guò)程控制過(guò)程中內(nèi)部干擾的影響，也受到外部的各種干擾的影響，而且影響液位變化的干擾一般不止一個(gè)，在過(guò)程控制中的作用也不同，這就增加了對(duì)變量進(jìn)行控制的復(fù)雜性，因此形成了過(guò)程控制的下列特點(diǎn)[3]：1對(duì)象存在滯后熱工生產(chǎn)大多是在龐大的生產(chǎn)設(shè)備內(nèi)進(jìn)行，對(duì)象的儲(chǔ)存能力大，慣性也較大，設(shè)備內(nèi)介質(zhì)的流動(dòng)或熱量傳遞都存在一定的阻力，并且往往具有自動(dòng)轉(zhuǎn)向平衡的趨勢(shì)。因此，當(dāng)流入(流出對(duì)象的質(zhì)量或能量發(fā)生變化時(shí)，由于存在容量、慣性、阻力，被控參數(shù)不可能立即產(chǎn)生響應(yīng)，這種現(xiàn)象叫做滯后。2對(duì)象特性的非線(xiàn)性對(duì)象特性大多是隨負(fù)荷變化而變化，當(dāng)負(fù)荷改變時(shí)，動(dòng)態(tài)特性有明顯的不同。大多數(shù)生產(chǎn)過(guò)程都具有非線(xiàn)性，弄清非線(xiàn)性產(chǎn)生的原因及非線(xiàn)性的實(shí)質(zhì)是極為重要的。3控制系統(tǒng)較復(fù)雜從生產(chǎn)安全方面考慮，生產(chǎn)設(shè)備的設(shè)計(jì)都力求使生產(chǎn)過(guò)程平穩(wěn)，參數(shù)變化超出極限范圍，也不會(huì)產(chǎn)生振蕩，作為被控對(duì)象就具有非振蕩環(huán)節(jié)的特性。過(guò)程的穩(wěn)定被破壞后，往往具有自動(dòng)趨向平衡的能力，即被控量發(fā)生變化時(shí)，對(duì)象本身能使被控量逐漸穩(wěn)定下來(lái)，這就具有慣性環(huán)節(jié)的特性。也有不能趨向平衡，被控量一直變化而不能穩(wěn)定下來(lái)的，這就是具有積分的對(duì)象。任何生產(chǎn)過(guò)程被控制的參數(shù)都不是一個(gè)，這些參數(shù)又各具有不同的特性，因此要針對(duì)這些不同的特性設(shè)計(jì)相應(yīng)不同的控制系統(tǒng)，而對(duì)水箱的液位的研究為以后過(guò)程控制方面的其他變量的研究打下了結(jié)實(shí)的基礎(chǔ)。1.2液位控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀目前在實(shí)際生產(chǎn)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。PID控制是以對(duì)象的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)的一種控制方式。對(duì)于簡(jiǎn)單的線(xiàn)性、時(shí)不變系統(tǒng)，采用PID控制能夠取得滿(mǎn)意的控制效果。但對(duì)于復(fù)雜的大型系統(tǒng)，其數(shù)學(xué)模型往往難以獲得，通過(guò)簡(jiǎn)化、近似等手段獲得的數(shù)學(xué)模型不能正確地反映實(shí)際系統(tǒng)的特性。對(duì)于此類(lèi)問(wèn)題，傳統(tǒng)的PID控制方式顯得無(wú)能為力。液位控制由于其應(yīng)用極其普遍，種類(lèi)繁多，其中不乏一些大型的復(fù)雜系統(tǒng)。但由于其時(shí)滯性很大、具有時(shí)變性和非線(xiàn)性等因素，嚴(yán)重影響PID控制的效果，目前，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出來(lái)的控制策略很多，但其中許多算法仍然只是停留在計(jì)算機(jī)仿真或?qū)嶒?yàn)裝置的驗(yàn)證上，真正能有效地應(yīng)用在工業(yè)過(guò)程中的并有發(fā)展?jié)摿Φ娜詾閿?shù)不多。隨著生產(chǎn)水平和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代控制系統(tǒng)的控制的規(guī)模日趨大型化，復(fù)雜化，對(duì)設(shè)備和被控系統(tǒng)的安全性、可靠性、有效性的要求也越來(lái)越高，為了確保工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程能夠高效，安全的進(jìn)行，同時(shí)提高產(chǎn)品的質(zhì)量，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，及時(shí)準(zhǔn)確地把握生產(chǎn)運(yùn)行狀況，已成為目前過(guò)程控制領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。近幾十年來(lái)，液位控制系統(tǒng)已被廣泛使用，在其研究和發(fā)展上也已趨于完備。在輕工行業(yè)中，液位控制的應(yīng)用非常普遍，從簡(jiǎn)單的浮球液位開(kāi)關(guān)、非接觸式的超聲波液位檢測(cè)到高精度的同位素液位檢測(cè)系統(tǒng)，他們都無(wú)時(shí)無(wú)刻在為液位控制服務(wù)。而控制的概念更是應(yīng)用到周?chē)脑S多的事物上，并且液位控制系統(tǒng)已是一般工業(yè)界所不可缺少的部分，如蓄水池，污水處理場(chǎng)等都需要液位控制系統(tǒng)的參與。如果能通過(guò)一定的系統(tǒng)來(lái)自動(dòng)維持液位的高度，那么操作人員便可輕易地在操作時(shí)獲知這個(gè)設(shè)備的儲(chǔ)水狀況，這樣不但降低了工作人員工作的危險(xiǎn)性，同時(shí)更也提升了工作的效率。液位控制系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)各行各業(yè)的應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛，但國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的液位控制器同國(guó)外的日本、美國(guó)、德國(guó)等先進(jìn)國(guó)家相比，仍然有差距。目前，我國(guó)液位控制主要以常規(guī)的PID控制器為主，它只能適應(yīng)一般系統(tǒng)控制，難于實(shí)現(xiàn)對(duì)滯后、復(fù)雜、時(shí)變系統(tǒng)的控制。而適應(yīng)于較高控制場(chǎng)合的智能化、自適應(yīng)控制儀表，國(guó)內(nèi)技術(shù)還不十分成熟，形成商品化并廣泛應(yīng)用的控制儀表較少。由于工業(yè)過(guò)程控制的需要，特別是在微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展以及自動(dòng)控制理論和設(shè)計(jì)方法發(fā)展的推動(dòng)下，國(guó)外液位控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，并在智能化、自適應(yīng)、參數(shù)自整定等方面取得成果，在這方面，以日本、美國(guó)、德國(guó)、瑞典等國(guó)技術(shù)領(lǐng)先，都生產(chǎn)出了一批商品化的、性能優(yōu)異的液位控制器及儀器儀表，并在各行業(yè)廣泛應(yīng)用。1.3本文的主要工作第一章緒論，主要介紹選題背景，液位控制的研究現(xiàn)狀，液位控制的主要控制策略，國(guó)內(nèi)外的發(fā)展形勢(shì)，并總結(jié)了國(guó)內(nèi)外在液位控制方面目前比較先進(jìn)的技術(shù)與儀器以及他們的原理，為接下來(lái)液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)打下良好的基礎(chǔ)。第二章根據(jù)設(shè)計(jì)要求我們對(duì)控制參數(shù)以及控制算法進(jìn)行分析，并對(duì)所需硬件進(jìn)行選型，使液位控制達(dá)到最佳的效果。第三章針對(duì)單容水箱液位控制系統(tǒng)，對(duì)其在組態(tài)王中的開(kāi)發(fā)進(jìn)行介紹，開(kāi)發(fā)了系統(tǒng)總體監(jiān)控系統(tǒng)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了單容水箱的系統(tǒng)的總監(jiān)控界面，定義了外部變量，用于和研華板卡PCI—1710模塊的輸入輸出部分對(duì)應(yīng)，來(lái)實(shí)時(shí)顯示液位值的大小，建立的動(dòng)畫(huà)連接，編寫(xiě)了自動(dòng)控制程序，實(shí)現(xiàn)了單容水箱控制系統(tǒng)的自動(dòng)控制，并且實(shí)現(xiàn)了液位值實(shí)時(shí)曲線(xiàn)歷史曲線(xiàn)和歷史數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)報(bào)警歷時(shí)報(bào)警的顯示。第四章針對(duì)單容水箱液位控制系統(tǒng)，對(duì)其在變頻器中的開(kāi)發(fā)進(jìn)行了介紹，監(jiān)控界面可以用第二章已經(jīng)設(shè)計(jì)好的，本設(shè)計(jì)應(yīng)用的是日本三菱公司的D700系列的變頻器，通過(guò)在變頻器中設(shè)置PID參數(shù)以及控制目標(biāo)值等參數(shù)最終實(shí)現(xiàn)對(duì)單容水箱的液位實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制。第五章主要針對(duì)雙容水箱液位控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，對(duì)各種經(jīng)典控制進(jìn)行比較。在本文中，液位控制系統(tǒng)中的水箱為控制對(duì)象，液位為控制量。為了使液位的控制達(dá)到一定的精度，并且具有較好的動(dòng)態(tài)性能，采用了區(qū)別于傳統(tǒng)控制方式的串級(jí)控制。這樣使控制系統(tǒng)能夠達(dá)到更好的控制要求，提高了系統(tǒng)的控制性能。第二章控制對(duì)象及算法簡(jiǎn)介2.1被控制變量的選擇被控變量的選擇是控制系統(tǒng)的核心問(wèn)題，被控變量選擇的正確與否會(huì)直接關(guān)系到生產(chǎn)的穩(wěn)定性、產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量的提高以及生產(chǎn)安全與勞動(dòng)條件的改善。對(duì)于任何一個(gè)控制系統(tǒng)，如果被控變量選擇不當(dāng)，即便配備再好的自動(dòng)化儀表，使用再?gòu)?fù)雜、先進(jìn)的控制規(guī)律也不能達(dá)到預(yù)期的控制效果。對(duì)于水箱液位控制系統(tǒng)，可直接選擇液位作為其被控變量。2.2執(zhí)行器的選擇執(zhí)行器在控制系統(tǒng)中起著控制動(dòng)作執(zhí)行的作用?？刂葡到y(tǒng)的控制效果與執(zhí)行器的性能有著十分密切的關(guān)系。執(zhí)行器接收控制信號(hào)并通過(guò)改變本身閥門(mén)得開(kāi)度最終實(shí)現(xiàn)對(duì)操縱變量的改變，從而使被控變量更加接近設(shè)定值。[2]本設(shè)計(jì)采用的是北京市樂(lè)維機(jī)電設(shè)備有限公的ML7420A，其特點(diǎn)為：安裝方便快速、無(wú)需連桿、標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)管式接線(xiàn)連接、無(wú)需調(diào)整、閥門(mén)定位準(zhǔn)確、低功耗、高的關(guān)斷壓力、終端推力限位開(kāi)關(guān)、0～10Vdc或2～10Vdc信號(hào)輸入、帶位置反饋信號(hào)輸出、正反作用可選、同步馬達(dá)、防腐設(shè)計(jì)、免維護(hù)。圖2.1電動(dòng)調(diào)節(jié)閥2.3壓力液位變送器的選擇傳感器是一種以一定精度把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為與之有確定關(guān)系、便于應(yīng)用的某種物理量的測(cè)量裝置，其一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、轉(zhuǎn)換電路組成。傳感器的精度直接影響到系統(tǒng)的控制效果，所以應(yīng)根據(jù)不同的系統(tǒng)選擇最合適的傳感器是必要的[9]。本設(shè)計(jì)選用的是由北京昆侖海岸傳感技術(shù)中心研制生產(chǎn)的JYB-K型號(hào)的壓力液位變送器，其主要技術(shù)參數(shù)如下：1）輸出形式：4～20mADC、0～5VDC2）供電電源：24VDC（±10%）、12VDC3）準(zhǔn)確度：±0.5％FS、±0.25％FS4）介質(zhì)溫度：－20～70℃5）環(huán)境溫度：－10～60℃6）響應(yīng)時(shí)間：<=100mS7）負(fù)載能力：電流型<=600Ω（不帶顯示），<=300Ω（帶顯示）；電壓型>=3KΩ8）可重復(fù)性：<=±0.1％FS9）長(zhǎng)期穩(wěn)定性：<=±0.1％FS/年10非線(xiàn)性：<=0.2％FS11熱力零點(diǎn)溫漂：<=0.03％FS/℃12）過(guò)載壓力：2倍量程13）電氣連接：電纜連接14）測(cè)量介質(zhì)：油、水、氣體及其他與316不銹鋼兼容介質(zhì)實(shí)驗(yàn)室中采用端子型二線(xiàn)制電流輸出接線(xiàn)方式，其具體方式如圖2.2所示：圖2.2端子型二線(xiàn)制接法2.4研華板卡PCI-1710L簡(jiǎn)介研華（中國(guó)）公司生產(chǎn)的PCI-1710L多功能數(shù)據(jù)采集卡是一款功能強(qiáng)大的低成本多功能PCI總線(xiàn)數(shù)據(jù)采集卡。用PCI-1710L板卡構(gòu)成的控制系統(tǒng)框圖如圖2.3所示。使用時(shí)用PCL-10168電纜將PCI-1710L板卡與ADAM-3968接線(xiàn)端子板連接，這樣PCL-10168的68個(gè)針腳和ADAM-3968的68個(gè)接線(xiàn)端子一一對(duì)應(yīng)。[7]圖2.3基于PCI-1710L板卡的控制系統(tǒng)框圖接線(xiàn)端子板各端子的位置及功能如圖2.4所示，信號(hào)描述如表2-1所示。圖2.4ADAM-3968接線(xiàn)端子板信號(hào)端子位置及功能2.4.1模擬量輸入連接PCI-1710L卡既支持16路單端模擬量輸入，又支持8路差分模擬量輸入。輸入通道的配置可通過(guò)軟件進(jìn)行選擇，這種方式比通過(guò)卡上的跳線(xiàn)選擇配置更為簡(jiǎn)便。在過(guò)去，如果通過(guò)開(kāi)關(guān)將一個(gè)通道設(shè)置為單端輸入，則其它通道也需設(shè)置為單端。但是PCI-1710L卡與之不同—即使通過(guò)軟件將一個(gè)通道設(shè)置為單端輸入，其它通道也可保留原有配置。單端輸入配置只為每個(gè)通道提供1根信號(hào)線(xiàn)，且被測(cè)量的電壓以公共地為參考。沒(méi)有接地端的信號(hào)源稱(chēng)為“浮動(dòng)信號(hào)源”。將單端通道連接至浮動(dòng)信號(hào)源尤為簡(jiǎn)單。在這種模式下，PCI-1710L板卡為外部浮動(dòng)信號(hào)源提供一個(gè)參考地。如下圖2.5所示。圖2.5單端輸入通道連接2.5PID控制算法概述2.5.1PID控制器的應(yīng)用與發(fā)展在過(guò)去的幾十年里，控制器在工業(yè)控制中得到了廣泛應(yīng)用。在控制理論和技術(shù)飛速發(fā)展的今天，工業(yè)過(guò)程控制中95%以上的控制回路都具有PID結(jié)構(gòu)，并且許多高級(jí)控制都是以PID控制為基礎(chǔ)的。今天所熟知的控制器產(chǎn)生并發(fā)展于1915-1940年期間。盡管自1940年以來(lái)，許多先進(jìn)控制方法不斷推出，但PID控制器以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)模型誤差具有魯棒性及易于操作等優(yōu)點(diǎn)，仍被廣泛應(yīng)用于冶金、化工、電力、輕工和機(jī)械等工業(yè)過(guò)程控制中。PID控制器作為最早實(shí)用化的控制器已有70多年歷史，它的算法簡(jiǎn)單易懂、使用中參數(shù)容易整定，也正是由于這些優(yōu)點(diǎn)，PID控制器現(xiàn)在仍然是應(yīng)用最廣泛的工業(yè)控制器。PID的發(fā)展過(guò)程，很大程度上是它的參數(shù)整定方法和參數(shù)自適應(yīng)方法的研究過(guò)程。最早的參數(shù)工程整定方法是在1942年由Ziegler和Niehols提出的簡(jiǎn)稱(chēng)為Z-N的整定公式，盡管時(shí)間已經(jīng)過(guò)去半個(gè)世紀(jì)了，但至今還在工業(yè)控制中普遍應(yīng)用。1953年Cohen和Coon繼承和發(fā)展了Z-N公式，同時(shí)也提出了一種考慮被控過(guò)程時(shí)滯大小的Cohen-Coon整定公式。自Ziegler和Nichols提出參數(shù)整定方法起，有許多技術(shù)已經(jīng)被用于PID控制器的手動(dòng)和自動(dòng)整定。按照發(fā)展階段劃分，可分為常規(guī)PID參數(shù)整定方法及智能PID參數(shù)整定方法：按照被控對(duì)象個(gè)數(shù)來(lái)劃分，可分為單變量PID參數(shù)整定方法及多變量PID參數(shù)整定方法，前者包括現(xiàn)有大多數(shù)整定方法，后者是最近研究的熱點(diǎn)及難點(diǎn)：按控制量的組合形式來(lái)劃分，可分為線(xiàn)性PID參數(shù)整定方法及非線(xiàn)性PID參數(shù)整定方法，前者用于經(jīng)典PID調(diào)節(jié)器，后者用于由非線(xiàn)性跟蹤微分器和非線(xiàn)性組合方式生成的非線(xiàn)性PID控制器。液面高度是工業(yè)控制過(guò)程中一個(gè)重要的參數(shù)，特別是在動(dòng)態(tài)的狀態(tài)下，采用適合的方法對(duì)液位進(jìn)行檢測(cè)、控制，能收到很好的效果。液位控制是工業(yè)生產(chǎn)中典型的過(guò)程控制問(wèn)題，對(duì)液位準(zhǔn)確的測(cè)量和有效的控制是一些設(shè)備優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗和安全生產(chǎn)的重要指標(biāo)。由于它便于直接觀(guān)察、容易測(cè)量、獲取方便、過(guò)程時(shí)間常數(shù)一般比較小、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，所以被廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)量。在工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)中，目前采用最多的控制方式依然是PID控制。即使在美國(guó)、日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，PID控制的使用率仍達(dá)90%，可見(jiàn)PID控制在工業(yè)過(guò)程控制中占有異常重要的地位。PID控制技術(shù)經(jīng)歷了數(shù)十年的發(fā)展，從模擬PID控制發(fā)展到數(shù)字PID控制，技術(shù)不斷完善與成熟。尤其近十多年來(lái)，隨著微處理技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外對(duì)智能控制的理論研究和應(yīng)用研究十分活躍，智能控制技術(shù)發(fā)展迅速，如專(zhuān)家控制、自適應(yīng)控制、模糊控制等，現(xiàn)己成為工業(yè)過(guò)程控制的重要組成部分。由于液體本身的屬性及控制機(jī)構(gòu)的摩擦、噪聲等的影響，控制對(duì)具有一定的純滯后和容量滯后的特點(diǎn)，液位上升的過(guò)程緩慢，呈非線(xiàn)性。因此液位控制裝置的可靠性與控制方案的準(zhǔn)確性是影響整個(gè)系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。本課題針對(duì)液位控制設(shè)計(jì)了一個(gè)由壓力傳感器、PLC、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥等組成的系統(tǒng)，并采用了增量式PID算法對(duì)其控制。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在液位控制方面有很多不同的方法，而計(jì)算機(jī)控制技術(shù)在過(guò)程控制中占有十分重要的地位。2.5.2PID算法類(lèi)型[1]PID(ProportionalIntegralDerivative調(diào)節(jié)是連續(xù)控制系統(tǒng)中應(yīng)用最多的一種控制調(diào)節(jié)規(guī)律。其本身根據(jù)控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，按需要可以分解成P、PI、PD調(diào)節(jié)模塊，而且多數(shù)復(fù)雜控制(如串級(jí)調(diào)節(jié)，比值控制中均采用了PID控制規(guī)律。生產(chǎn)實(shí)際證明，PID控制能滿(mǎn)足絕大多數(shù)工業(yè)過(guò)程被控對(duì)象的控制要求，至今仍然是一種最基本的控制方法。比例控制：就是對(duì)偏差進(jìn)行控制，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即就發(fā)生作用即調(diào)節(jié)控制輸出，使被控量朝著減小偏差的方向變化，偏差減小的速度取決于比例系數(shù)Kp，Kp越大偏差減小的越快，但是很容易引起振蕩，尤其是在遲滯環(huán)節(jié)比較大的情況下；Kp減小，發(fā)生振蕩的可能性減小但是調(diào)節(jié)速度變慢。比例調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)節(jié)及時(shí)，反應(yīng)靈敏，當(dāng)偏差一旦出現(xiàn)，就能及時(shí)產(chǎn)生與之成比例的調(diào)節(jié)作用，偏差越大，調(diào)節(jié)作用越強(qiáng)，但單純的比例控制存在靜差不能被消除的缺點(diǎn)，因此就需要積分控制。積分控制：實(shí)質(zhì)上就是對(duì)偏差累積進(jìn)行控制，直至偏差為零。積分控制作用始終施加指向給定值的作用力，有利于消除靜差，其效果不僅與偏差大小有關(guān)，而且還與偏差持續(xù)的時(shí)間有關(guān)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是把偏差積累起來(lái)，一起算總帳。微分控制：它能敏感出誤差的變化趨勢(shì)，可在誤差信號(hào)出現(xiàn)之前就起到修正誤差的作用，有利于提高輸出響應(yīng)的快速性，減小被控量的超調(diào)，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但微分作用很容易放大高頻噪聲，降低系統(tǒng)的信噪比，從而使系統(tǒng)抑制干擾的能力下降。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)慎用微分控制。2.5.3PID兩種控制方式1）位置型控制?Tu(n=KP?e(n+TI?∑e(i+i=0n?TD[e(n-e(n-1]?+u0（2.1）T?2）增量型控制?u(n=u(n-u(n-1=KP[e(n-e(n-1]+KP（2.2）TTe(n+KPD[e(n-2e(n-1+e(n-2]TIT為了方便編程進(jìn)一步整理可得：?u(n=q1*e(n+q2*e(n-1+q3*e(n-2（2.3）其中：q1=Kp1+??TdTTd??2Td?；+?；q2=-Kp1+?；q3=KpTTiT?T??圖2.6位置型PID算法流程圖圖2.7增量型PID算法流程圖圖2.8PID程序流程圖第三章基于組態(tài)王的單容水箱液位控制系統(tǒng)3.1組態(tài)王簡(jiǎn)介[8]組態(tài)王軟件由于其界面友好，使用簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)成為很受歡迎的上層組態(tài)軟件。組態(tài)王軟件是在PC機(jī)上建立工業(yè)控制對(duì)象與人機(jī)接口的智能軟件包，他以windows中文操作系統(tǒng)作為操作平臺(tái)，充分利用了windows操作系統(tǒng)的圖形完備，易學(xué)易用的特點(diǎn)。由于其采用了PC機(jī)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)工程，因此，比使用工控機(jī)控制系統(tǒng)更具有通用性，減少了在重復(fù)性方面的工作量，可以方便進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。具體來(lái)說(shuō)，組態(tài)王的主要特點(diǎn)有以下幾方面：1）主畫(huà)面顯示功能。2）良好的開(kāi)放性。3）豐富的功能模塊。4）強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫(kù)。5）強(qiáng)大地ODBC功能。6）可編程的命令語(yǔ)言。7）系統(tǒng)安全性。3.1.1組態(tài)王軟件的組成組態(tài)王軟件包由工程管理器、工程瀏覽器、畫(huà)面運(yùn)行系統(tǒng)、三大部分組成。其中，工程管理器用于新建工程、工程管理等。工程瀏覽器內(nèi)嵌換面開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，及組態(tài)王開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。工程瀏覽器和畫(huà)面運(yùn)行系統(tǒng)是各自獨(dú)立的windows應(yīng)用程序，均可單獨(dú)使用；兩者又相互依存，在工程瀏覽器的畫(huà)面開(kāi)發(fā)系統(tǒng)中設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的畫(huà)面應(yīng)用程序必須在畫(huà)面運(yùn)行環(huán)境中才能運(yùn)行。在工程瀏覽器中可以查看工程的各個(gè)組成部分，也可以完成數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建、定義外部設(shè)備的等工作；工程瀏覽器內(nèi)嵌畫(huà)面管理系統(tǒng)，用于新工程的創(chuàng)建和已有工程的管理；畫(huà)面的開(kāi)發(fā)和運(yùn)行由工程瀏覽器調(diào)用畫(huà)面制作系統(tǒng)和畫(huà)面運(yùn)行系統(tǒng)來(lái)完成。畫(huà)面制作系統(tǒng)是應(yīng)用工程的開(kāi)發(fā)環(huán)境，可以在這個(gè)環(huán)境中完成畫(huà)面設(shè)計(jì)、動(dòng)畫(huà)連接等工作。畫(huà)面制作系統(tǒng)具有先進(jìn)完善的圖形生成功能；數(shù)據(jù)庫(kù)提供多種數(shù)據(jù)的類(lèi)型，能合理地提取控制對(duì)象的特性；對(duì)變量報(bào)警、趨勢(shì)曲線(xiàn)、過(guò)程記錄、安全防范等重要功能都有間接的操作。工程管理器是應(yīng)用程序的管理系統(tǒng)。它具有很強(qiáng)大的管理功能，可用于新工程的創(chuàng)建和刪除，并能對(duì)已有工程進(jìn)行搜索備份及有效恢復(fù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)詞典的導(dǎo)入導(dǎo)出。畫(huà)面運(yùn)行系統(tǒng)是組態(tài)王軟件的實(shí)時(shí)運(yùn)行環(huán)境，在應(yīng)用工程的開(kāi)發(fā)環(huán)境中建立的圖形畫(huà)面只有在畫(huà)面運(yùn)行環(huán)境中才能運(yùn)行。畫(huà)面運(yùn)行系統(tǒng)從控制設(shè)備中采集數(shù)據(jù)，并保存在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中。它還負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)的變化以動(dòng)畫(huà)的方式形象的表示出來(lái)，同時(shí)可以完成變量報(bào)警、操作記錄、趨勢(shì)曲線(xiàn)等監(jiān)視工程，并按實(shí)際需求記錄在數(shù)據(jù)庫(kù)中。3.1.2制作工程的一般步驟建立新的組態(tài)王的工程的一般過(guò)程為：設(shè)計(jì)圖形界面、定義設(shè)備、構(gòu)造數(shù)據(jù)庫(kù)、建立動(dòng)畫(huà)連接和運(yùn)行和調(diào)試。利用組態(tài)王開(kāi)發(fā)系統(tǒng)編制過(guò)程時(shí)，需要注意以下幾個(gè)問(wèn)題：首先用戶(hù)希望怎樣的圖形畫(huà)面，也就是怎樣用抽象的圖形畫(huà)面來(lái)模擬實(shí)際的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)和相應(yīng)的工控設(shè)備。其次怎樣用數(shù)據(jù)來(lái)描述工控對(duì)象的各種屬性也就是創(chuàng)建一個(gè)具體數(shù)據(jù)庫(kù)，此數(shù)據(jù)庫(kù)的變量反映了工控對(duì)象的各種屬性，比如壓力，溫度等。最后了解數(shù)據(jù)和圖形畫(huà)面中的圖素的連接關(guān)系。也就是畫(huà)面的圖素是怎樣的動(dòng)畫(huà)來(lái)模擬現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行，以及怎樣讓操作者輸入控制設(shè)備的指令。3.1.3組態(tài)王與外部設(shè)備通信組態(tài)王把每一臺(tái)與之通訊的設(shè)備看作是外部設(shè)備，為實(shí)現(xiàn)組態(tài)王要和外部設(shè)備的通訊，組態(tài)王內(nèi)置了大量設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序作為組態(tài)王和外部設(shè)備的接口，在開(kāi)發(fā)過(guò)程中只需根據(jù)工程瀏覽器提供的設(shè)備配置向?qū)б徊讲酵瓿蛇B接過(guò)程，即可實(shí)現(xiàn)組態(tài)王和相應(yīng)外部設(shè)備驅(qū)動(dòng)的連接。在運(yùn)行期間，組態(tài)王就可通過(guò)驅(qū)動(dòng)接口和外部設(shè)備交換數(shù)據(jù)，包括采集數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)。每一個(gè)驅(qū)動(dòng)都是一個(gè)COM對(duì)象，這種方式使驅(qū)動(dòng)和組態(tài)王構(gòu)成一個(gè)如圖3.1所示的完整的系統(tǒng)，既保證了運(yùn)行系統(tǒng)的高效率，也使系統(tǒng)有很強(qiáng)的擴(kuò)展性。[4]組態(tài)王圖3.1組態(tài)王與外部設(shè)備通信圖3.2控制方案選取單容水箱控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置是基于工業(yè)過(guò)程的物理模擬對(duì)象，它是集自動(dòng)化儀表技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)為一體的多功能實(shí)驗(yàn)裝置。根據(jù)自動(dòng)化及其它相關(guān)專(zhuān)業(yè)教學(xué)的特點(diǎn)，吸收了同類(lèi)實(shí)驗(yàn)裝置的特點(diǎn)和長(zhǎng)處后，經(jīng)過(guò)老師的精心設(shè)計(jì)，多次實(shí)驗(yàn)和反復(fù)論證，推出了這一套全新的實(shí)驗(yàn)裝置。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)、單回路控制、串級(jí)控制等多種控制形式。單容水箱系統(tǒng)的水箱主體由蓄水容器和檢測(cè)元件兩大部分構(gòu)成。圖3.2液位控制方框圖圖3.2是液位控制系統(tǒng)的方框圖從圖可知，簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)由四個(gè)基本環(huán)節(jié)組成，即被控對(duì)象，測(cè)量變送裝置，控制器和執(zhí)行器。對(duì)于不同對(duì)象的簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)，盡管其具體裝置與變量不相同，但都可以用相同的方框圖來(lái)表示，這就便于對(duì)他們的共性進(jìn)行研究。還可以看出，在該系統(tǒng)中有著一條從系統(tǒng)的輸出端引向輸入端的反饋路線(xiàn)，也就是15說(shuō)該系統(tǒng)中的控制器是根據(jù)被控變量的測(cè)量值與給定值的偏差來(lái)進(jìn)行的，這是反饋控制系統(tǒng)的又一特點(diǎn)。3.3上位機(jī)組態(tài)軟件的開(kāi)發(fā)3.3.1監(jiān)控畫(huà)面監(jiān)控畫(huà)面是整個(gè)上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中最為重要的部分，液位控制監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)液位控制流程實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)模擬顯示。操作人員可以直接通過(guò)上位機(jī)查看液位變化過(guò)程的運(yùn)行狀況，并且通過(guò)監(jiān)控畫(huà)面進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的換面采用分層設(shè)計(jì)，頂層為系統(tǒng)初始畫(huà)面，下面包含若干個(gè)控制子圖。圖3.3上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖主監(jiān)控畫(huà)面包含了系統(tǒng)的重要設(shè)備，并按照控制流程組合在一起，顯示設(shè)備參數(shù)的變化和運(yùn)行狀態(tài)開(kāi)發(fā)的主監(jiān)控畫(huà)面如下圖所示，主監(jiān)控畫(huà)面不僅要顯示設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行的狀態(tài)，還要控制整個(gè)控制過(guò)程的啟動(dòng)、停止以及各個(gè)控制狀態(tài)的變化，實(shí)現(xiàn)各個(gè)子設(shè)備在手動(dòng)和自動(dòng)方面的切換。因此，在主畫(huà)面的右下方設(shè)置了【歷史曲線(xiàn)查詢(xún)】菜單、【報(bào)警歷史查詢(xún)】菜單、【報(bào)警確認(rèn)】菜單、【PID】設(shè)定菜單和【設(shè)定值】菜單。對(duì)于各個(gè)菜單，點(diǎn)擊菜單選項(xiàng)就會(huì)執(zhí)行菜單動(dòng)畫(huà)命令語(yǔ)言。圖3.4主監(jiān)控主界面16圖3.5命令語(yǔ)言窗口在主畫(huà)面的右下方設(shè)置了切換按鈕，點(diǎn)擊按鈕，開(kāi)始執(zhí)行按鈕動(dòng)作語(yǔ)言，切換到與之相對(duì)應(yīng)的子畫(huà)面，其命令語(yǔ)言的編輯如圖3.5所示。3.3.2構(gòu)造數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)庫(kù)是“組態(tài)王”最核心的部分。在組態(tài)王運(yùn)行時(shí)，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)狀況要以動(dòng)畫(huà)的形式反應(yīng)在屏幕上，同時(shí)工程人員在計(jì)算機(jī)前發(fā)布的指令也要迅速送達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，所有這一切都是以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)為中介環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)庫(kù)是聯(lián)系上位機(jī)和下位機(jī)的橋梁。組態(tài)王中，變量的類(lèi)型共有兩類(lèi)：內(nèi)存變量、―I/O‖變量。―I/O‖變量指可與外部數(shù)據(jù)采集程序直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的變量。這種數(shù)據(jù)的交換是雙向的、動(dòng)態(tài)的，在實(shí)際控制系統(tǒng)中，那些從下位機(jī)采集的數(shù)據(jù)以及發(fā)送給下位機(jī)的指令都需要寫(xiě)成―I/O‖變量。內(nèi)存變量指那些不需要和其它應(yīng)用程序交換數(shù)據(jù)、也不需要從下位機(jī)得到數(shù)據(jù)，在組態(tài)王內(nèi)人工設(shè)定值的變量。―I/O‖變量通過(guò)―定義變量對(duì)話(huà)框‖來(lái)完成。在設(shè)置的過(guò)程中，加入了同外部設(shè)備寄存器連接的設(shè)置，如果外部設(shè)備寄存器中的數(shù)值不需要轉(zhuǎn)換，上位機(jī)可以直接使用，那么保持最大值和最大值原始值一致，最小值和最小原始值一致；否則，就要分別設(shè)置最大值和最小值來(lái)完成數(shù)值范圍的線(xiàn)性或非線(xiàn)性轉(zhuǎn)化。在液位控制系統(tǒng)中，寄存器中保存的是―I/O‖模塊采集液位值，寄存器范圍是O---1000，不是實(shí)際的液位范圍，這個(gè)時(shí)候就需要按照量程進(jìn)行轉(zhuǎn)換。本文根據(jù)液位控制系統(tǒng)實(shí)際需要，將需要的水箱液位值從下位機(jī)獲得數(shù)據(jù)，因此變量設(shè)置為―I/O‖類(lèi)型變量，并且，在定義變量時(shí)設(shè)定其連接設(shè)備及寄存器地址，確定模擬量與數(shù)字量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。17圖3.6―I/O‖變量定義示意圖對(duì)于內(nèi)存變量的定義同樣通過(guò)―定義變量對(duì)話(huà)框‖來(lái)完成。如圖3.6所示：在實(shí)際的液位控制系統(tǒng)中，需要定義多個(gè)內(nèi)存變量以完成算法的實(shí)現(xiàn)，因此，需要在組態(tài)王中定義內(nèi)存變量。由于內(nèi)存變量?jī)H僅作為內(nèi)部算法實(shí)現(xiàn)的中間變量，不需要對(duì)下位機(jī)輸出，因此，可以不必對(duì)它進(jìn)行過(guò)多的轉(zhuǎn)換。圖3.7內(nèi)存變量定義示意圖18圖3.8數(shù)據(jù)詞典3.3.3數(shù)據(jù)通信水箱液位控制系統(tǒng)采用研華PCI-1710L智能模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的具體通信，所以需在上位機(jī)組態(tài)軟件中定義模塊的通信通道。組態(tài)王提供了研華PCI-1710L模塊的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，只需要按照如下配置向?qū)Ь涂梢酝瓿纱谠O(shè)備的配置，從而實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與板卡模塊間的通信。具體步驟如下[12]：1）在工程瀏覽器的目錄顯示區(qū)單擊，繼而在右邊目錄顯示區(qū)雙擊，就會(huì)彈出―設(shè)備配置向?qū)А膶?duì)話(huà)框，如圖3.9所示：圖3.9選擇板卡2）點(diǎn)擊其中的智能化模塊，選擇其下的研華系列板卡，在其下選擇PCI-1710L板卡，點(diǎn)擊下一步。193）給安裝的設(shè)備指定唯一的邏輯名稱(chēng)。4）為安裝的設(shè)備指定通信地址。通訊地址查詢(xún)方式如下：右擊我的電腦，選擇【管理】，點(diǎn)擊【設(shè)備管理】，在右側(cè)框內(nèi)選擇板卡右擊，【屬性】-【資源】，從這里可以詳細(xì)地看到板卡的輸入輸出范圍,如圖3.10所示。圖3.10查處板卡通訊地址5）輸入嘗試恢復(fù)時(shí)間、最長(zhǎng)恢復(fù)時(shí)間，其含義為：當(dāng)上位機(jī)與設(shè)備斷開(kāi)時(shí)多長(zhǎng)時(shí)間嘗試恢復(fù)一次連接；當(dāng)時(shí)間超過(guò)多長(zhǎng)時(shí)間就停止嘗試連接。點(diǎn)擊【下一步】，點(diǎn)擊【完成】。3.3.4命令語(yǔ)言的編寫(xiě)組態(tài)王命令語(yǔ)言在語(yǔ)法上是一種類(lèi)似于C語(yǔ)言的程序，開(kāi)發(fā)人員可以利用這些程序來(lái)來(lái)處理和進(jìn)行操作。命令語(yǔ)言都是靠時(shí)間的觸發(fā)而執(zhí)行的，比如定時(shí)、數(shù)據(jù)變化等等。根據(jù)功能的不同，包括了應(yīng)用程序命令語(yǔ)言、數(shù)據(jù)改變命令語(yǔ)言、動(dòng)畫(huà)連接命令語(yǔ)言和畫(huà)面命令語(yǔ)言。各種命令語(yǔ)言通過(guò)―命令語(yǔ)言編輯器‖進(jìn)行編輯輸入后在組態(tài)王運(yùn)行系統(tǒng)中編譯執(zhí)行。其具體操作為：在工程瀏覽器目錄顯示區(qū)，選擇，雙擊【應(yīng)用程序命令語(yǔ)言】進(jìn)入命令語(yǔ)言編輯器，用戶(hù)可以在啟動(dòng)時(shí)、運(yùn)行時(shí)、停止時(shí)分別編寫(xiě)程序。20圖3.11命令語(yǔ)言應(yīng)用程序命令語(yǔ)言是同系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的，只有一個(gè)。數(shù)據(jù)改變命令語(yǔ)言是當(dāng)連接的變量的值發(fā)生改變時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行的命令語(yǔ)言。數(shù)據(jù)改變命令語(yǔ)言是同變量相關(guān)聯(lián)的，可以按照需要定義多個(gè)。畫(huà)面命令語(yǔ)言是和畫(huà)面聯(lián)系在一起的，每個(gè)畫(huà)面對(duì)應(yīng)一個(gè)命令語(yǔ)言，畫(huà)面顯示時(shí)畫(huà)面命令語(yǔ)言按照指定時(shí)間間隔定時(shí)執(zhí)行。本文中的控制程序是由上面介紹的應(yīng)用程序命令語(yǔ)言構(gòu)成的。3.3.5實(shí)時(shí)曲線(xiàn)本設(shè)計(jì)根據(jù)實(shí)驗(yàn)室具體情況對(duì)水箱液位最大值、最小值等參數(shù)進(jìn)行了設(shè)定，并繪制出實(shí)時(shí)曲線(xiàn)模塊，如圖3.4所示。用戶(hù)可以通過(guò)觀(guān)察曲線(xiàn)直觀(guān)的監(jiān)控水位的變化情況，同時(shí)在實(shí)時(shí)曲線(xiàn)下面還繪制了報(bào)警模塊，當(dāng)液位超過(guò)設(shè)定值時(shí)報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警，報(bào)警燈閃爍并伴有警告。在組態(tài)王中定義實(shí)時(shí)曲線(xiàn)畫(huà)面，在實(shí)時(shí)曲線(xiàn)名的編輯框中可輸入有效的變量名或者表達(dá)式，同時(shí)可定義變量的曲線(xiàn)顏色。本設(shè)計(jì)將液位曲線(xiàn)設(shè)置為綠色。在【標(biāo)識(shí)定義】中，定義曲線(xiàn)的數(shù)值軸與時(shí)間軸，設(shè)定曲線(xiàn)的標(biāo)識(shí)數(shù)目、曲線(xiàn)的更新頻率以及整個(gè)曲線(xiàn)的時(shí)間長(zhǎng)度。3.3.6歷史報(bào)警查詢(xún)[11]組態(tài)王將報(bào)警信息自動(dòng)保存到我的工程里的alarm文件中，但是用戶(hù)在查詢(xún)報(bào)警歷史查詢(xún)時(shí)去文件夾中尋找比較麻煩，本設(shè)計(jì)為了解決這一問(wèn)題設(shè)計(jì)了報(bào)警歷史查詢(xún)模塊，此模塊中還有一個(gè)日歷控件和一個(gè)―KVADODBGridClass‖控件組成的時(shí)間模塊，為查詢(xún)時(shí)報(bào)警的時(shí)間選擇提供方便。接下來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)以及ODBC數(shù)據(jù)源的建立：首先需21要在Access中建立一個(gè)空白數(shù)據(jù)庫(kù)，例如建立路徑為：D：\報(bào)警存儲(chǔ)與查詢(xún)\報(bào)警數(shù)據(jù)庫(kù).mdb。之后在此數(shù)據(jù)庫(kù)中創(chuàng)建一個(gè)數(shù)據(jù)表：表的名稱(chēng)為：Alarm，字段類(lèi)型為文本類(lèi)型。接下來(lái)按照下面的步驟進(jìn)行操作：1）設(shè)置ODBC數(shù)據(jù)源組態(tài)王通過(guò)ODBC數(shù)據(jù)源將報(bào)警信息存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，因此必須先建立ODBC數(shù)據(jù)源。在【控制面板】-----【管理工具】----【ODBC數(shù)據(jù)源】中建立ODBC數(shù)據(jù)源，點(diǎn)擊【ODBC數(shù)據(jù)源】彈【ODBC數(shù)據(jù)源管理器】，如下圖3.12所示：在【用戶(hù)DSN】中點(diǎn)擊【添加】彈出【選擇數(shù)據(jù)源驅(qū)動(dòng)程序】窗口，如下圖3.13所示：選擇【MicrosoftAccessDriver(*.mdb】驅(qū)動(dòng)，點(diǎn)擊【完成】。彈出如圖3.14所示窗口，填寫(xiě)ODBC數(shù)據(jù)源的名稱(chēng)，根據(jù)需要對(duì)數(shù)據(jù)源進(jìn)行命名，如―報(bào)警‖，點(diǎn)擊【選擇(S】，如圖3.15所示。選擇前面定義的數(shù)據(jù)庫(kù)文件―D：\報(bào)警存儲(chǔ)與查詢(xún)\報(bào)警數(shù)據(jù)庫(kù).mdb‖。點(diǎn)擊【確定】完成ODBC數(shù)據(jù)源的定義。其他數(shù)據(jù)庫(kù)如SQLServer的ODBC定義請(qǐng)參考相關(guān)文檔。圖3.12ODBC數(shù)據(jù)源管理器圖圖3.13選擇數(shù)據(jù)源的驅(qū)動(dòng)程序圖3.14數(shù)據(jù)源定義圖3.15選擇數(shù)據(jù)庫(kù)223）報(bào)警配置數(shù)據(jù)庫(kù)以及ODBC數(shù)據(jù)源定義完成后，進(jìn)行報(bào)警配置中的數(shù)據(jù)庫(kù)配置。雙擊組態(tài)王工程瀏覽器的“系統(tǒng)配置”中的“報(bào)警配置”，其中要注意的是報(bào)警記錄的時(shí)間格式要是否則報(bào)警信息不予顯示。4）創(chuàng)建日歷控件在通用控件中選擇―MicrosoftDateandTimePickerControl‖，其下的腳本程序如下所示：全部保存運(yùn)行可得到下面的結(jié)果。圖3.16歷史報(bào)警查詢(xún)3.3.7歷史曲線(xiàn)組態(tài)王的歷史數(shù)據(jù)可以通過(guò)曲線(xiàn)的形式顯示。在組態(tài)王中，內(nèi)置的曲線(xiàn)分為溫控曲線(xiàn)、趨勢(shì)曲線(xiàn)和超級(jí)X-Y曲線(xiàn)。歷史曲線(xiàn)是監(jiān)控系統(tǒng)中必不可少的部分，他可以使用戶(hù)通過(guò)曲線(xiàn)的方式來(lái)查詢(xún)控制系統(tǒng)的重要數(shù)據(jù)，從而更方便的完成參數(shù)的整定。使用歷史曲線(xiàn)時(shí)，需要對(duì)曲線(xiàn)做相關(guān)的配置，其中，主要為變量屬性的配置和歷史數(shù)據(jù)存放位置的配置。只有完成變量定義的記錄屬性設(shè)置以后，組態(tài)王才會(huì)自動(dòng)按照設(shè)置的方式存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)。變量屬性設(shè)置的對(duì)話(huà)框如圖3.17所示：23圖3.17設(shè)置記錄歷史數(shù)據(jù)歷史曲線(xiàn)是監(jiān)控系統(tǒng)必不可少的部分，操作人員以曲線(xiàn)的形式查詢(xún)重要?dú)v史數(shù)據(jù)，分析控制過(guò)程，進(jìn)而調(diào)節(jié)控制參數(shù)。但是，歷史曲線(xiàn)本身并不保存變量的歷史數(shù)據(jù)，而僅僅是顯示歷史數(shù)據(jù)的一種方式。歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)主要由組態(tài)王提供的歷史庫(kù)來(lái)完成。本文采用組態(tài)王提供的歷史曲線(xiàn)控件來(lái)實(shí)現(xiàn)水箱液位歷史曲線(xiàn)的顯示。在組態(tài)王中右擊控件，點(diǎn)擊【控件屬性】，在―曲線(xiàn)‖目錄下點(diǎn)擊【歷史庫(kù)中添加】，在【坐標(biāo)系】、【游標(biāo)配置選項(xiàng)】中對(duì)記錄的時(shí)間格式游標(biāo)等進(jìn)行設(shè)置。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，歷史趨勢(shì)曲線(xiàn)控件自動(dòng)連接歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，把數(shù)據(jù)庫(kù)中保存的數(shù)據(jù)以曲線(xiàn)的形式顯示出來(lái)。圖3.18歷時(shí)曲線(xiàn)查詢(xún)用戶(hù)可根據(jù)液位控制的各個(gè)階段曲線(xiàn)的顯示來(lái)觀(guān)察液位控制情況，并根據(jù)觀(guān)察到的24情況來(lái)調(diào)整參數(shù)。在實(shí)際查看過(guò)程中，用戶(hù)可以通過(guò)調(diào)整曲線(xiàn)跨度和左右移動(dòng)來(lái)查看曲線(xiàn)。在歷史曲線(xiàn)顯示模塊中，包含了歷史曲線(xiàn)控件及用以及用來(lái)查詢(xún)各個(gè)時(shí)刻記錄曲線(xiàn)的按鈕。用戶(hù)可以通過(guò)具體的時(shí)間來(lái)方便的查詢(xún)某一時(shí)間的歷史曲線(xiàn)。3.4參數(shù)整定連接設(shè)備，運(yùn)行編寫(xiě)的PID程序，通過(guò)不同的PID參數(shù)的設(shè)定觀(guān)察控制的實(shí)際效果，其中目標(biāo)值為200毫米，選出一組最為合適的參數(shù)對(duì)水箱液位進(jìn)行控制，其實(shí)際效果如下圖所示：圖3.20比例=0.5,積分=0.3圖3.21比例=0.5,積分=0.1圖3.22比例=0.5,積分=0.1,微分=5圖3.23比例=1,積分=0.1比較以上幾幅圖可知，當(dāng)比例=0.5，積分=0.1時(shí)控制效果最佳。第四章基于變頻器的單容液位控制系統(tǒng)4.1變頻調(diào)速基礎(chǔ)變頻調(diào)速是國(guó)際上各大電器公司在70年代末80年代末投入全力研制、開(kāi)發(fā)的技術(shù)，通過(guò)幾十年的發(fā)展，國(guó)內(nèi)和國(guó)外在變頻調(diào)速技術(shù)上都已經(jīng)常熟。目前，變頻調(diào)速的控制法有恒壓頻比控制、轉(zhuǎn)差率控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等，其控制原理如下：根據(jù)異步電機(jī)的基本原理，異步電機(jī)轉(zhuǎn)速公式為：n=60f(1-s（4.1）p其中n為電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)，f為電源頻率，s為轉(zhuǎn)差率，p為定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的極對(duì)數(shù)，所以從這個(gè)公式就可以看出，要想改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以改變f，s，p這三個(gè)中的任意一個(gè)，就能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)速，其中改變電源頻率f是比較方便和有效的方法，只要改變了電源頻率就能都改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。1）V/F控制原理：U=E=4.44f*N*K*Φ，其中U是電源電壓，E是定制繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，f電源頻率，n為繞組線(xiàn)圈匝數(shù)，K為繞組分布系數(shù)，Φ為磁通量。從這個(gè)公式可以看出，如果減小f的話(huà)，電源頻率U還不變，那么Φ必然變大，因?yàn)殡姍C(jī)的磁路設(shè)計(jì)都是按照一定的磁通量設(shè)計(jì)的，如果Φ增大，那么磁路有可能就進(jìn)入了飽和狀態(tài)，所以必須保證Φ為恒定，所以相應(yīng)的也應(yīng)該減小電源電壓U，同理，f增大，U也要增大，同時(shí)必須保證u/f為一個(gè)常量。2）矢量控制原理：矢量控制的基本原理是通過(guò)測(cè)量和控制異步電動(dòng)機(jī)定子電流矢量，根據(jù)磁場(chǎng)定向原理分別對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。具體是將異步電動(dòng)機(jī)的定子電流矢量分解為矢量控制方式。矢量控制方式又有基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式、無(wú)速度傳感器矢量控制方式和有速度傳感器的矢量控制方式等。①基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制其同樣是在進(jìn)行U/f恒定控制的基礎(chǔ)上，通過(guò)檢測(cè)異步電動(dòng)機(jī)的實(shí)際速度n，并得到對(duì)應(yīng)的控制頻率f，然后根據(jù)希望得到的轉(zhuǎn)矩，分別控制定子電流矢量及兩個(gè)分量間的相位，對(duì)通過(guò)變頻器的輸出頻率進(jìn)行控制的?；谵D(zhuǎn)差頻率的矢量控制方式的最大特點(diǎn)是，可以消除動(dòng)態(tài)過(guò)程中的轉(zhuǎn)矩電流的波動(dòng)，從而提高了通用變頻器的動(dòng)態(tài)性能。早期的矢量控制通用變頻器基礎(chǔ)上都是采用的基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式。②無(wú)速度傳感器的矢量控制方式是基于磁場(chǎng)定向控制理論發(fā)展而的。實(shí)現(xiàn)精確的磁場(chǎng)定向矢量控制需要在異步電動(dòng)機(jī)內(nèi)安裝磁通檢測(cè)裝置，要在異步電動(dòng)機(jī)內(nèi)安裝磁通檢測(cè)裝置是很困難的，但人們發(fā)現(xiàn)，即使不在異步電動(dòng)機(jī)中直接安裝磁通檢測(cè)裝置，也可以在通用變頻器內(nèi)部得到與磁通相應(yīng)的量，并由此得到了所謂的無(wú)速度傳感器的矢量控制方式。它的基本思想是根據(jù)出入的電動(dòng)機(jī)的銘牌參數(shù)，按照一定的關(guān)系分別對(duì)作為基本控制量的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流的指令值和檢測(cè)值達(dá)到一致，并輸出轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)矢量控制。③采用矢量控制方式的通用變頻器不僅可在調(diào)速范圍上與直流電動(dòng)機(jī)相匹配，而且可以控制異步電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。由于矢量控制方式所依據(jù)的是準(zhǔn)確的被控異步電動(dòng)機(jī)的參數(shù)，有的通用變頻器在使用時(shí)需要準(zhǔn)確的輸入異步電動(dòng)機(jī)的參數(shù)，有的通用變頻器需要使用速度傳感器和編碼器，并需要使用廠(chǎng)商指定的變頻器專(zhuān)用電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，否則難以達(dá)到理想的控制效果。目前新矢量控制通用變頻器中已經(jīng)具備異步電動(dòng)機(jī)參數(shù)自動(dòng)識(shí)別、自適應(yīng)功能，帶有這種功能的通用變頻器在驅(qū)動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行日常運(yùn)轉(zhuǎn)之前可以自動(dòng)地進(jìn)行對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的參數(shù)進(jìn)行識(shí)別，并根據(jù)便是結(jié)果調(diào)整控制算法中的參數(shù)，從而對(duì)普通的異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行有效的矢量控制。除了上述的無(wú)速度傳感器矢量控制和轉(zhuǎn)矩矢量控制等，可提高異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩控制性能的技術(shù)外，目前的新技術(shù)還包括異步電動(dòng)機(jī)控制常數(shù)的調(diào)節(jié)及與機(jī)械系統(tǒng)匹配的適應(yīng)性控制等以提高異步電動(dòng)機(jī)應(yīng)用性能的技術(shù)。為了防止異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速偏差以及在低速區(qū)域獲得較理想的平滑轉(zhuǎn)速，應(yīng)用大規(guī)模集成電路并采用專(zhuān)用數(shù)組時(shí)自動(dòng)電壓調(diào)整控制技術(shù)的控制方式，以實(shí)用化并取得良好效果。4.2三菱通用變頻器FR-D700簡(jiǎn)要介紹4.2.1FR-D700簡(jiǎn)介FR-D700系列的變頻器是具有變頻調(diào)速器和經(jīng)濟(jì)型高性能的變頻器，其功率范圍：0.1～15KW。本系統(tǒng)用的變頻器是FR-D740-1.5K-CHT。在三菱變頻器系列產(chǎn)品中它是一種理想的小功率，低價(jià)位變頻器。FR-D740-1.5K-CHT變頻器特別適合作為水泵和風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置，或者作為各種工業(yè)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)裝置，例如，食品工業(yè)，紡織工業(yè)和包裝工業(yè)，以及傳送帶驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，工廠(chǎng)大門(mén)和車(chē)庫(kù)大門(mén)傳動(dòng)鏈的驅(qū)動(dòng)，還可以作為移動(dòng)是廣告牌的驅(qū)動(dòng)裝置。圖4.1FR-D740-1.5K-CHT變頻器的外觀(guān)圖4.2.2三菱變頻器FR-D740-1.5K-CHT常規(guī)介紹主電路接線(xiàn)端：圖4.2主電路接線(xiàn)端4.2.3控制電路接線(xiàn)端極端子功能介紹圖4.3接線(xiàn)端子介紹圖4.4接線(xiàn)端子功能部分的端子可以通過(guò)Pr.178～Pr.182、Pr.190、Pr.192（輸入輸出端子功能選擇）選擇端子功能。請(qǐng)正確設(shè)定Pr267和電壓/電流輸入切換開(kāi)關(guān)，輸入與設(shè)定相符的模擬信號(hào)。若將電壓/電流輸入切換開(kāi)關(guān)設(shè)為“I”進(jìn)行電壓輸入，將開(kāi)關(guān)設(shè)為“V”進(jìn)行電流輸入，則可導(dǎo)致變頻器或外部設(shè)備的模擬電路發(fā)生故障。4.2.4操作面板及其功能介紹圖4.5操作面板4.3變頻器的作用變頻器調(diào)速能夠應(yīng)用在大部分的電機(jī)拖動(dòng)場(chǎng)合，由于它能夠提供精確的速度控制，因此可以方便地控制機(jī)械傳動(dòng)的上升、下降和變速運(yùn)行。變頻器應(yīng)用還可以大大地提高工藝的高效性，同時(shí)可以比原來(lái)的定速運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)更加節(jié)能。變頻器主要有以下作用：（1）控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流。變頻調(diào)速可以在零速零電壓?jiǎn)?dòng)，一旦頻率和電壓的關(guān)系建立，變頻器就可以按照V/F或矢量控制方式帶動(dòng)伏在進(jìn)行工作。使用變頻器調(diào)速能充分減低啟動(dòng)電流，提高繞組承受能力，用戶(hù)最直接的好處就是電動(dòng)機(jī)維護(hù)成本將進(jìn)一步降低、電動(dòng)機(jī)的壽命則相應(yīng)增加。（2）降低電力線(xiàn)路電壓波動(dòng)。采用變頻調(diào)速，由于能在零頻零壓時(shí)逐步啟動(dòng)，則能在最大程度上消除電壓下降。（3）啟動(dòng)時(shí)需要的功率更低。電動(dòng)機(jī)功率與電壓和電流的乘積成正比，那么通過(guò)工頻直接啟動(dòng)的電動(dòng)機(jī)消耗的功率將大大高于變頻啟動(dòng)所需要的頻率。（4）可控的加速功能。變頻器調(diào)速能在零速啟動(dòng)并按照用戶(hù)的需要進(jìn)行光滑地加速，而且其加速曲線(xiàn)也可以選擇。（5）可調(diào)的運(yùn)行速度。通過(guò)變頻器素能優(yōu)化工藝過(guò)程，并能根據(jù)工藝工程迅速改變，還能通過(guò)遠(yuǎn)程的PLC或其它控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)速度變化。（6）可調(diào)速的轉(zhuǎn)矩極限。通過(guò)變頻器速度后。能夠設(shè)置相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩極限來(lái)保護(hù)機(jī)械不致?lián)p壞，從而保證工藝過(guò)程的連續(xù)性和產(chǎn)品的可靠性。（7）受控的停止方式。在變頻調(diào)速中，停止方式可以受控，并且有不同的停止方式可以選擇，同樣可能減少對(duì)機(jī)械部件和電動(dòng)加的沖擊，從而使整個(gè)系統(tǒng)更加靠譜，壽命也會(huì)相應(yīng)增加。（8）節(jié)能。離心風(fēng)機(jī)或水泵采用變頻器后都能大幅度地降低能耗，由于最終的能耗是與電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速成立方比，所以采用變頻后投資回報(bào)更快，廠(chǎng)家也樂(lè)意接受。（9）可逆運(yùn)行控制。在變頻控制中，要實(shí)現(xiàn)可逆運(yùn)行控制無(wú)需額外的可逆控制裝置，只需要改變輸出電壓的相序即可，這樣可降低維護(hù)成本和節(jié)省安裝空間。（10）減少機(jī)械傳動(dòng)部件。運(yùn)行直接變頻傳動(dòng)系統(tǒng)可降低成本和空間，提高設(shè)備的性?xún)r(jià)比。4.4控制系統(tǒng)調(diào)試本設(shè)計(jì)選用變頻器，水泵，壓力液位變送器對(duì)液位高度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，其接線(xiàn)如圖4.6所示：圖4.6外部接線(xiàn)圖液位變送器輸出4～20mA電流信號(hào)，經(jīng)過(guò)串聯(lián)其中的250歐姆電阻之后轉(zhuǎn)換為1～5V電壓信號(hào)，電阻兩端的電壓信號(hào)輸入到變頻器中，變頻器通過(guò)內(nèi)部的PID運(yùn)算得出輸出值，進(jìn)而對(duì)水泵的轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，最終達(dá)到控制液位的目的。4.4.1操作步驟1）待接線(xiàn)完畢后首先設(shè)置變頻器的頻率范圍：在變頻器中，設(shè)置最大頻率的編號(hào)為1，最小頻率的編號(hào)為2。實(shí)驗(yàn)室的水泵轉(zhuǎn)速頻率最高為50Hz，最小為13Hz，當(dāng)