雙容水箱水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文.doc

雙容水箱水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 摘要 雙容水箱水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要雙容水箱液位控制系統(tǒng)是采用先進(jìn)的控制算法完成對過程液位的控制的控制系統(tǒng)，它在飲料、食品加工、溶液過濾、化工生產(chǎn)等多種行業(yè)的生產(chǎn)加工過程中均有廣泛應(yīng)用。在本設(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)對水箱液位的串級控制。首先對被控對象的模型進(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)被控對象模型和被控過程特性設(shè)計(jì)串級控制系統(tǒng)，采用動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)對控制系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析。然后，設(shè)計(jì)并組建儀表過程控制系統(tǒng)，通過智能調(diào)節(jié)儀表實(shí)現(xiàn)對液位的串級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,儀表過程控制系統(tǒng),計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)48河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） Abstract AbstractDouble tank water level control system is the use of advanced control algorithm of process liquid level control system, it is in the beverage, food processing, filtering solution, chemical production and other industries in the production process has been widely used. In the design of the full use of automation technology, computer technology, communication technology and automatic control technology, in order to achieve the water tank liquid level cascade control. Firstly, the object model is analyzed, and the experimental modeling method for model transfer function. Secondly, according to the controlled object model and the controlled process characteristic design of cascade control system, using dynamic simulation technology to the control system performance analysis. Then, design and construction process control instrumentation system, through the intelligent controller for liquid level cascade PID control. Finally, with the help of a data acquisition module, MCGS configuration software and digital controller, design and establishment of a remote computer process control system, complete control system experiment and result analysisKeywords: liquid level，model PID control，indicator process control system，computer process control system河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 目錄目 錄摘 要Abstract1 緒論12 被控對象建模22.1 水箱模型分析22.2 階躍響應(yīng)曲線法建立模型33 系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)與仿真73.1 液位串級控制系統(tǒng)介紹73.2 PID控制原理73.3 系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)103.4 控制系統(tǒng)仿真124 建立儀表過程控制系統(tǒng)174.1 過程儀表介紹174.2 儀表過程控制系統(tǒng)的組建194.3 儀表過程控制系統(tǒng)PID參數(shù)整定235 模擬計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)255.1 計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)255.2 MCGS軟件工程組態(tài)285.3 組態(tài)軟件調(diào)試386 結(jié)論40參考文獻(xiàn)41致謝42附錄43河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 緒論1緒論雙容水箱系統(tǒng)是一種比較常見的工業(yè)現(xiàn)場液位系統(tǒng) ，在實(shí)際生產(chǎn)中 ，雙容水箱控制系統(tǒng)在石油、化工環(huán)保水處理冶金等行業(yè)尤為常見。通過液位的檢測與控制從而調(diào)節(jié)容器內(nèi)的輸入輸出物料的平衡，以便保證生產(chǎn)過程中各環(huán)節(jié)的物料搭配得當(dāng)。 經(jīng)過比較和篩選，串級控制系統(tǒng)PID控制無論是從操作性、經(jīng)濟(jì)性還是從系統(tǒng)的控制效果均有比較突出的特性，因此采用串級控制系統(tǒng)PID控制對雙榮水箱液位控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制。論文以THJ-2高級過程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為出發(fā)點(diǎn)，利用MATLAB的曲線擬合的方法分別仿真出系統(tǒng)中上水箱、下水箱的輸出響應(yīng)曲線。對曲線進(jìn)行處理求出各水箱的參數(shù)，用所求出的參數(shù)列寫出水箱的傳遞函數(shù)。采用復(fù)雜控制系統(tǒng)中的串級控制系統(tǒng)列寫出系統(tǒng)框圖，根據(jù)串級控制系統(tǒng)PID參數(shù)整定的方法整定出主控制器和副控制器的P、I、D的數(shù)值，從而滿足控制系統(tǒng)對各項(xiàng)性能的要求。對于控制器的選擇，從經(jīng)濟(jì)以及控制效果考慮采用智能儀表實(shí)現(xiàn)控制，并應(yīng)用組態(tài)軟件對系統(tǒng)實(shí)施監(jiān)控。為了能夠使雙容水箱系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的檢測和控制，本文又進(jìn)一步的設(shè)計(jì)出計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)，利用ICP-7017數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)現(xiàn)模擬量輸入通道的功能利用ICP-7024數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)現(xiàn)模擬量輸入通道的功能（自帶485通訊接口），通過RS232/485完成通訊轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的通訊和控制。ICP-7000系列采集模塊的作用是將傳感器檢測到的被控參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)信號通過A/D轉(zhuǎn)換送入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)是將控制運(yùn)算發(fā)出的控制信號通過D/A轉(zhuǎn)換發(fā)給執(zhí)行機(jī)構(gòu)（調(diào)節(jié)閥、變頻器）。整個(gè)控制系統(tǒng)的控制算法及監(jiān)控功能都在控制計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)。對于計(jì)算機(jī)控制，采用的是組態(tài)軟件MCGS來實(shí)現(xiàn)的，通過對軟件進(jìn)行編程使組態(tài)軟件模擬出雙容水箱液位控制系統(tǒng)的手動(dòng)和自動(dòng)兩種工作狀態(tài)。河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 被控對象建模2被控對象建模在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作中，需要針對被控過程中的合適對象建立數(shù)學(xué)模型。被控對象的數(shù)學(xué)模型是設(shè)計(jì)過程控制系統(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)。被控對象的數(shù)學(xué)模型（動(dòng)態(tài)特性）是指過程在各輸入量（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)的被控對象，必須通過測定和計(jì)算他們模型，來分析系統(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THJ-2高級過程控制實(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=240mm;下水箱尺寸為：d=35cm,h=240mm，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液位被控過程簡明原理圖系統(tǒng)中上水箱和下水箱液位變化過程各是一個(gè)具有自衡能力的單容過程。如圖，水箱的流入量為Q1，流出量為Q2，通過改變閥1的開度改變Q1值，改變閥2的開度可以改變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水的過程。若Q1作為被控過程的輸入量，h為其輸出量，則該被控過程的數(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。但為了簡便起見，做線性化處理得 Q2=h/R2，經(jīng)拉氏變換得單容液位過程的傳遞函數(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:液位過程的時(shí)間常數(shù)(T=R2C) K:液位過程的放大系數(shù)(K=R2) C:液位過程容量系數(shù)2.2階躍響應(yīng)曲線法建立模型在本設(shè)計(jì)中將通過實(shí)驗(yàn)建模的方法，分別測定被控對象上水箱和下水箱在輸入階躍信號后的液位響應(yīng)曲線和相關(guān)參數(shù)。通過磁力驅(qū)動(dòng)泵供水，手動(dòng)控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度大小,改變上水箱/下水箱液位的給定量，從而對被控對象施加階躍輸入信號，記錄階躍響應(yīng)曲線。在測定模型參數(shù)中可以通過以下兩種方法控制調(diào)節(jié)閥，對被控對象施加階躍信號：(1) 通過智能調(diào)節(jié)儀表改變調(diào)節(jié)閥開度，增減水箱的流入水量大小，從而改變水箱液位實(shí)現(xiàn)對被控對象的階躍信號輸入。施加階躍信號(2)改變調(diào)節(jié)閥開度,控制水箱進(jìn)水量的大小，從而改變水箱液位，實(shí)現(xiàn)對被控對象的階躍信號輸入?？刂七M(jìn)水量階躍響應(yīng)輸出 上水箱/下水箱電動(dòng)調(diào)節(jié)閥電動(dòng)磁力泵供水圖2.1 水箱模型測定原理圖2.2.1上水箱階躍響應(yīng)參數(shù)：記錄階躍響應(yīng)參數(shù)(間隔30s采集數(shù)據(jù)):表2.1上水箱階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)123.62744.771347.761947.64230.50845.561447.872047.09335.25946.171547.892146.52438.691047.061647.282246.41541.321147.251747.012346.28643.311247.461847.152445.902.2.2下水箱階躍響應(yīng)參數(shù)：記錄階躍響應(yīng)參數(shù)(間隔30s采集數(shù)據(jù)): 表2.2下水箱階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)154.021384.612598.4537103.9349107.20257.191486.342699.1938104.3950107.28360.281587.712799.8339104.8451107.32463.531689.1828100.4340105.0652107.38566.561790.4429101.0141105.5353107.56669.521891.7630101.4242105.8054107.66772.261993.0431101.8143106.0855107.82874.792094.1132102.2644106.3356107.67977.002195.1833102.7945106.4157107.551079.072296.0434103.1946106.6158107.391180.872396.9635103.3647106.6559107.251282.882497.4936103.6548106.9460107.10由于實(shí)驗(yàn)測定數(shù)據(jù)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軟件對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)最小二乘法對響應(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)，采樣時(shí)間作為X軸1。2.2.3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)。 圖2.2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1：上述測量數(shù)據(jù)來源：姜秀英，張翠宣.過程控制系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)如圖所示，利用四階多項(xiàng)式近似擬合上水箱響應(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 式 (2.1)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),映射在t軸上的B點(diǎn)的值為T。圖2.3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 式（2.2）2.2.4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 46.41 46.99 47.4 47.79 48.24 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2.4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)。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 式（2.3）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),映射在t軸上的B點(diǎn)的值為T。圖2.5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)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)建模的過程中，實(shí)驗(yàn)測取的被控對象為廣義的被控對象，其動(dòng)態(tài)特性包括了調(diào)節(jié)閥和測量變送器，即廣義被控對象的傳遞函數(shù)為，為調(diào)節(jié)閥的傳遞函數(shù)，Gm(s)為測量變送器的傳遞函數(shù)。河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)與仿真3系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)與仿真控制方案設(shè)計(jì)是過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心，需要以被控過程模型和系統(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、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)的過程儀表和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)過程中發(fā)揮良好的作3.1液位串級控制系統(tǒng)介紹在工業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中，液位是過程控制系統(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)過程自動(dòng)化中，常常需要對某些設(shè)備和容器的液位進(jìn)行測量和控制。通過液位的檢測與控制，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)過程中各環(huán)節(jié)的物料搭配得當(dāng)。通過控制計(jì)算機(jī)可以不斷監(jiān)控生產(chǎn)的運(yùn)行過程，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。 在液位串級控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中采用THJ-2高級過程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，展開設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)及工程實(shí)現(xiàn)的工作。串級控制系統(tǒng)從總體上看，是定 值控制系統(tǒng)，因此主被控變量在擾動(dòng)作用下的過度過程和單回路定值控制系統(tǒng)的過度過程，具有相同的品質(zhì)指標(biāo)和類似的形式。但是，串級控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上增加了一個(gè)隨動(dòng)的副回路，因此，與單回路相比有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。1) 串級控制系統(tǒng)對進(jìn)入副回路的擾動(dòng)具有較強(qiáng)的克服能力。2) 由于副回路的存在，明顯改善了對象的特性，提高了系統(tǒng)的工作頻率。3) 串級控制系統(tǒng)具有一定的自適應(yīng)能力。除上述優(yōu)點(diǎn)外串級控制系統(tǒng)在有些場合應(yīng)用效果顯著，它主要應(yīng)用于以下4中場合。1) 對象的容量滯后比較大。2) 調(diào)節(jié)對象的純滯后比較長。3) 系統(tǒng)內(nèi)存在激烈且幅值較大的干擾作用。4) 調(diào)節(jié)對象具有較大的非線性特性而且負(fù)荷變化較大。而雙容水箱均有上述缺點(diǎn)，因此可以看出串級控制系統(tǒng)很適合應(yīng)用于雙容水箱液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.2 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。+r(t) 比例P積分I微分D被控對象 y(t)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： 式（3.1）控制規(guī)律為： 式（3.2）或以傳遞函數(shù)形式表示： 式（3.3）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，能較快克服擾動(dòng)，使系統(tǒng)穩(wěn)定下來。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的積分成正比關(guān)系。對一個(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)。特別對于有較大慣性或滯后環(huán)節(jié)的被控對象，比例積分控制能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中動(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)過理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。由于實(shí)驗(yàn)測定的過程數(shù)學(xué)模型只能近似反映過程動(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。三種方法都是通過試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無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，得到臨界振蕩過程，記錄下此時(shí)的臨界比例度k和臨界振蕩周期Tk。根據(jù)以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算調(diào)節(jié)器參數(shù)：表3.1臨界比例整定計(jì)算公式 調(diào)節(jié)器參數(shù)控制規(guī)律TITDP2k PI2.2kTK/1.2 PID1.6k0.5Tk0.25Tk2.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)：表3.2阻尼振蕩整定計(jì)算公式 調(diào)節(jié)器參數(shù)控制規(guī)律TITDPS PI1.2S0.5TS PID0.8S0.3TS0.1TS3.反應(yīng)曲線法若被控對象為一階慣性環(huán)節(jié)或具有很小的純滯后，則可根據(jù)系統(tǒng)開環(huán)廣義過程測量變送器階躍響應(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，記錄測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程的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)。3.3系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)3.3.1控制系統(tǒng)性能指標(biāo)(1) 靜態(tài)偏差：系統(tǒng)過渡過程終了時(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)被施加輸入信號后，輸出響應(yīng)中振蕩過程的衰減指標(biāo)，即振蕩經(jīng)過一個(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)中過渡過程開始后，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)過程的準(zhǔn)確性。(4) 調(diào)節(jié)時(shí)間：從過渡過程開始到被控參數(shù)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)值-5%+5%范圍所需的時(shí)間3.3.2方案設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)建立的串級控制系統(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)器和控制對象。主回路中的調(diào)節(jié)器稱主調(diào)節(jié)器，控制主對象。副回路中的調(diào)節(jié)器稱副調(diào)節(jié)器，控制副對象。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.通過針對雙容水箱液位被控過程設(shè)計(jì)串級控制系統(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)。 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)行器副對象主對象測量與 變送器2測量與 變送器1圖3.2串級控制系統(tǒng)框圖(1) 被控參數(shù)的選擇應(yīng)選擇被控過程中能直接反映生產(chǎn)過程能夠中的產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量，又易于測量的參數(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)在對于液位的測量有成熟的技術(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)來看，影響液位有兩個(gè)量，一是通過上水箱流入系統(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)造成長流水，導(dǎo)致水箱中水過多溢出，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)液位串級控制，使用雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)。副回路應(yīng)對于包含在其內(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)的核心問題，所以選擇主對象為下水箱，副對象為上水箱，。 (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)，對上水箱液位進(jìn)行調(diào)節(jié)，并輔助主調(diào)節(jié)器對于系統(tǒng)進(jìn)行控制，整個(gè)回路構(gòu)成雙環(huán)負(fù)反饋系統(tǒng)。3.4控制系統(tǒng)仿真3.4.1 MATLAB軟件介紹MATLAB軟件是由美國MathWorks公司開發(fā)的，是目前國際上最流行、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、信號分析、計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖形圖象處理、語音處理、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，在生成矩陣對象時(shí)，不要求作明確的維數(shù)說明，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語言體系 MATLAB是高層次的矩陣數(shù)組語言具有條件控制、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，開發(fā)復(fù)雜的應(yīng)用程序。 (2)MATLAB工作環(huán)境 這是對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)畫生成、圖形顯示等功能的高層MATLAB命令，也包括用戶對圖形圖像等對象進(jìn)行特性控制的低層MATLAB命令，以及開發(fā)GUI應(yīng)用程序的各種工具。 (4)MATLAB數(shù)學(xué)函數(shù)庫 這是對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。 (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，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)辨識工具箱（System Identification Toolbox）可以對控制對象的未知對象進(jìn)行辨識和建模。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)。通過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)便可完成系統(tǒng)的仿真。下面根據(jù)前文的水箱模型傳遞函數(shù)對串級控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，以模擬實(shí)際中的階躍響應(yīng)曲線，考察串級系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案是否合理。3.4.2階躍響應(yīng)性能通過手動(dòng)切換開關(guān)（Manual Switch）可以實(shí)現(xiàn)副回路的引入與切除，以了解副回路對控制性能的影響,比較串級控制和非串級控制對雙容水箱液位的控制能力仿真框圖如下。圖3.3 SIMULINK仿真框圖在時(shí)間為0時(shí)對系統(tǒng)加入大小為30的階躍信號，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，觀察階躍響應(yīng)曲線如下。圖3.4 雙閉環(huán)階躍響應(yīng)仿真曲線通過手動(dòng)切換開關(guān)將副回路切除成單閉環(huán)可得其仿真圖像。圖3.5單閉環(huán)階躍響應(yīng)仿真曲線由圖3.4和圖3.5相比較可以看出，引入副回路的雙閉環(huán)串級系統(tǒng)能夠更好的提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，使系統(tǒng)更加的穩(wěn)定，穩(wěn)態(tài)誤差更小。3.4.3抗擾動(dòng)能力維持初始階躍信號不變，并在副回路中加入擾動(dòng)信號，觀察響應(yīng)曲線. 在100s經(jīng)過慣性環(huán)節(jié)向副回路加入階躍值為70的擾動(dòng)信號。控制器參數(shù)不變。圖3.6 加入擾動(dòng)后的SIMULINK仿真框圖圖3.7 加入擾動(dòng)后的雙閉環(huán)階躍響應(yīng)仿真曲線圖3.8 加入擾動(dòng)后的單閉環(huán)階躍響應(yīng)仿真曲線由圖3.7和圖3.8可以看出串級控制通過副回路能夠很有效的把干擾抑制到最小，能夠滿足系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)的需要，同時(shí)也解決了雙容水箱大滯后的缺點(diǎn)，使系統(tǒng)穩(wěn)定快速的運(yùn)行，同時(shí)也進(jìn)一步驗(yàn)證了選擇串級PID來控制雙容水箱能夠達(dá)到比較理想。河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 建立儀表過程控制系統(tǒng)4 建立儀表過程控制系統(tǒng)4.1過程儀表介紹4.1.1檢測變送裝置采用工業(yè)用的BP800型擴(kuò)散硅壓力變送器對水箱液位變化進(jìn)行測量，含不銹鋼隔離模片，同時(shí)采用信號隔離技術(shù)，對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壓力變送器對被控過程中的流體壓力進(jìn)行測量,過程壓力通過壓力傳感器將壓力信號轉(zhuǎn)換成電信號,經(jīng)差分放大器、輸出放大器放大后,再經(jīng)過V/A轉(zhuǎn)換器,轉(zhuǎn)換為與輸入壓力成線性對應(yīng)關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)電流輸出信號。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)被測介質(zhì):液體機(jī)械保護(hù)：IP65測量范圍：-100KPa100MPa防爆等級：IaCT5輸出：420mA DC二線制關(guān)聯(lián)設(shè)備：EXZ231B安全柵準(zhǔn)確度：0.5級溫度極限:-1080。C 40120。C零點(diǎn)溫度系數(shù)：小于0.02%/。C過載極限：額定量程的1.53倍滿程溫度系數(shù):小于0.02%/。C相對濕度:小于95%電源電壓：24DC二線制負(fù)載電阻：750歐姆4.1.2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。通過將壓力變送器檢測到的電壓/電流信號輸入到QSL電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的智能放大器，和來自位置信號發(fā)生器產(chǎn)生的開度信號相比較并放大后,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)閥的開度,同時(shí)將閥門開度的隔離信號反饋給控制系統(tǒng)。當(dāng)其偏差值達(dá)到零時(shí),電機(jī)停表4.2電動(dòng)調(diào)節(jié)閥技術(shù)指標(biāo)閥開關(guān)形式：電開式動(dòng)作速度：0.25mm/s輸入控制信號：420mA DC/15V DC流量特性：直線輸出信號：420mA DC額定流量系數(shù)Kv：1.2輸入阻抗：250/500介質(zhì)溫度：-4200。C輸出最大負(fù)載：20 then下水箱液位PV1=20endifif 上水箱液位PV120 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。參 數(shù)：DevName，設(shè)備名，字符型；DevOp，設(shè)備操作碼，數(shù)值型；CmdStr，設(shè)備命令字符串，只有當(dāng)DevOp=6時(shí)CmdStr才有意義。DevOp取值范圍及相應(yīng)含義：1：啟動(dòng)設(shè)備開始工作。2：停止設(shè)備的工作使其處于停止?fàn)顟B(tài)。3：測試設(shè)備的工作狀態(tài)。4：啟動(dòng)設(shè)備工作一次。5：改變設(shè)備的工作周期，CmdStr中包含新的工作周期，單位為ms。6：執(zhí)行指定的設(shè)備命令，CmdStr中包含指定命令的格式4.2.4計(jì)算機(jī)設(shè)備窗口設(shè)置：表4.5 AI-808P智能儀表設(shè)