dcs水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、目 錄摘 要1Abstract:21 概述31.1 過程控制介紹31.2 液位串級(jí)控制系統(tǒng)介紹41.3 軟件介紹41.4 MCGS組態(tài)軟件介紹52 被控對(duì)象建模72.1 水箱模型分析72.2 階躍響應(yīng)曲線法建立模型73 系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)與仿真133.1 PID控制原理133.2 系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)153.2 控制系統(tǒng)仿真164 建立儀表過程控制系統(tǒng)204.1 過程儀表介紹204.2 儀表過程控制系統(tǒng)的組建214.3 儀表過程控制系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)行245 建立計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)265.1 計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)265.2 MCGS軟件工程組態(tài)285.3 計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)行386 結(jié)論40謝詞

2、41參考文獻(xiàn)42雙容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)摘 要： 本論文的目的是設(shè)計(jì)雙容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)中充分利用自動(dòng)化儀表技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)，通訊技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)水箱液位的串級(jí)控制。首先對(duì)被控對(duì)象的模型進(jìn)行分析，并采用實(shí)驗(yàn)建模法求取模型的傳遞函數(shù)。其次，根據(jù)被控對(duì)象模型和被控過程特性設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)，采用動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)對(duì)控制系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析。然后，設(shè)計(jì)并組建儀表過程控制系統(tǒng)，通過智能調(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)

3、 計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)Abstract: The purpose of this thesis is to design the liquid level's concatenation control system of the double capacity water tank. This design makes full use of the automatic indicator technique the computer techniquethe communication technique and the automatic control technique in

4、order to realize concatenation control of water tank's liquid. First, I carry out the analysis of the controlled objects' model, and use the experimental method to calculate the transfer function of the model .Next, I Design the concatenation control system and use the dynamic simulation tec

5、hnique to analyze the capability of control system. Afterwards, I design and set up the indicator process control system, realize PID control of the liquid level with intelligence indicator. Finally, I design and set up the long distance computer control system in virtue of the data collection modul

6、e MCGS soft and digital PID controller，accomplish control system experiment and analyze the outcome.Keywords: liquid level model PID control indicator process control system computer process control system 1 概述1.1過程控制介紹1工業(yè)過程控制的發(fā)展概況自本世紀(jì)30年代以來，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。過程控

7、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。初期的過程控制系統(tǒng)采用基地式儀表和部分單元組合儀表，過程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大多是單輸入，單輸出系統(tǒng)，過程控制理論是以頻率法和根軌跡法為主體的經(jīng)典控制理論，以保持被控參數(shù)溫度，液位，壓力，流量的穩(wěn)定和消除主要擾動(dòng)為控制目的過程。其后，串級(jí)控制，比值控制和前饋控制等復(fù)雜過程控制系統(tǒng)逐步應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，氣動(dòng)和電動(dòng)單元組合儀表也開始大量采用，同時(shí)電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)開始應(yīng)用于過程控制領(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

8、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，開始應(yīng)用于解決過程控制生產(chǎn)中的非線性，耦合性和時(shí)變性等問題，使得工業(yè)過程控制有了更好的理論基礎(chǔ)。同時(shí)新型的分布式控制系統(tǒng)（DCS）集計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通訊技術(shù)、故障診斷技術(shù)和圖形顯示技術(shù)為一體，使工業(yè)自動(dòng)化進(jìn)入控制管理一體化的新模式?，F(xiàn)今工業(yè)自動(dòng)化己進(jìn)入計(jì)算機(jī)集成過程系統(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過程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)代化過程工業(yè)向著大型化和連續(xù)化的方向發(fā)展，生產(chǎn)過程也隨之日趨復(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

9、來越高。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)代化過程工業(yè)的控制要求。由于計(jì)算機(jī)具有運(yùn)算速度快精度高存儲(chǔ)量大編程靈活以及具有很強(qiáng)的通信能力等特點(diǎn)，目前以微處理器單片微處理器為核心的工業(yè)控制幾與數(shù)字調(diào)節(jié)器過程計(jì)算機(jī)設(shè)備，正逐步取代模擬調(diào)節(jié)器，在過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)

10、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。過程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成包括硬件和軟件（除了被控對(duì)象檢測(cè)與執(zhí)行裝置外）。1過程計(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，操作人員可以通過操作臺(tái)向計(jì)算機(jī)輸入和修改控制參數(shù)

11、，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，它們用來顯示存儲(chǔ)打印記錄各種數(shù)據(jù)。（4）I/O接口和I/O通道是計(jì)算機(jī)主機(jī)與外部連接的橋梁。I/O通道有模擬量通道和數(shù)字量通道。模擬量I/O通道將有傳感變送器得到的工業(yè)對(duì)象的生產(chǎn)過程參數(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)過程的控制。2過程計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟件部分：（1）系統(tǒng)軟件由計(jì)算機(jī)及過程控制系統(tǒng)的制造廠商提供，用來管理計(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)要解決的控制問題而編寫

12、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(duì)某些設(shè)備和容器的液位進(jìn)行測(cè)量和控制。通過液位的檢測(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(duì)液位控制的不合理，導(dǎo)致原料的浪費(fèi)產(chǎn)品的不合

13、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)過程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)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。雖然是采用傳統(tǒng)的串級(jí)PID控制的方法，但是將利用智能調(diào)節(jié)儀表數(shù)據(jù)采集模塊和計(jì)算機(jī)控制來實(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)行說明。1.3 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

14、、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(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)說明

15、，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(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MATLA

16、B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(duì)MATLAB使用的各種數(shù)學(xué)算法的總稱包括各種初等函數(shù)的算法，也包括矩陣運(yùn)算、矩陣分析等高層次數(shù)學(xué)算法。 (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)

17、分析和設(shè)計(jì)的函數(shù)，MATLAB的控制系統(tǒng)工具箱(Control System Toolbox)提供對(duì)線性系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)和建模的各種算法；MATLAB的系統(tǒng)辨識(shí)工具箱（System Identification Toolbox）可以對(duì)控制對(duì)象的未知對(duì)象進(jìn)行辨識(shí)和建模。MATLAB的仿真工具箱（Simulink）提供了交互式操作的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、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

18、效的監(jiān)控系統(tǒng)，并且通過采用遠(yuǎn)程監(jiān)控及診斷等先進(jìn)技術(shù)，使系統(tǒng)更加安全可靠，在這方面MCGS工控組態(tài)軟件發(fā)揮著重要的作用.MCGS (Monitor and Control Generated System) 軟件是一套幾基于Windows平臺(tái)的32位工控組態(tài)軟件，集動(dòng)畫顯示、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。MCG

19、S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，其與MCGS 運(yùn)行環(huán)境一起，構(gòu)成了用戶應(yīng)用系統(tǒng)，統(tǒng)稱為“工程” 。MCGS運(yùn)行環(huán)境是用戶應(yīng)用系統(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

20、動(dòng)畫顯示方式，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)部用來傳遞數(shù)據(jù)及動(dòng)畫顯示的。(2)工程立項(xiàng)搭建框架：主要內(nèi)容包括：定義工程名稱、封面窗口名稱和啟動(dòng)窗口名稱，指定存盤數(shù)據(jù)庫文件的名稱以及存盤數(shù)據(jù)庫，設(shè)定動(dòng)畫刷新的周期。經(jīng)過此步操作，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)過程中，可根據(jù)實(shí)際需要，隨時(shí)對(duì)菜單的內(nèi)容進(jìn)

21、行增加或刪除，不斷完善工程的菜單。(4)制作動(dòng)畫顯示畫面：動(dòng)畫制作分為靜態(tài)圖形設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)屬性設(shè)置兩個(gè)過程。前一部分用戶通過MCGS組態(tài)軟件中提供的基本圖形元素及動(dòng)畫構(gòu)件庫，在用戶窗口內(nèi)組合成各種復(fù)雜的畫面。后一部分則設(shè)置圖形的動(dòng)畫屬性，與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中定義的變量建立相關(guān)性的連接關(guān)系，作為動(dòng)畫圖形的驅(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)

22、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)畫顯示和控制流程是否正確。(8)連接設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序：選定與設(shè)備相匹配的設(shè)備構(gòu)件，連接設(shè)備通道，確定數(shù)據(jù)變量的數(shù)據(jù)處理方式，完成設(shè)備屬性的設(shè)置。此項(xiàng)操作在設(shè)備窗口內(nèi)進(jìn)行。(9)工程完工綜合測(cè)試：最后測(cè)試工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）是指過程在各輸入

23、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，必須通過測(cè)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(jí)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=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液位被控過程簡(jiǎn)明原理圖系統(tǒng)中上水箱和下水箱液位變化過程各是

24、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(jiǎn)便起見，做線性化處理

25、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(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(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

26、參數(shù)中可以通過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(duì)被控對(duì)象的階躍信號(hào)輸入。(2) 通過在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)閥開度,使初始開度OP1=50,等到水箱的液位處于平衡位置時(shí)。改變調(diào)節(jié)閥開度至OP2=60,即對(duì)上水箱輸入階躍信號(hào),使

27、其液位離開原平衡狀態(tài)。經(jīng)過一定調(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)):123.62744.771347.761947.64230.50845.561447.872047.09335.25946.171547.892146.52438.691047.061647.282246.41541.321147.251747.012346.28643.311247.461847.152445.90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)閥開度,使初始開度OP1=40,等到水箱的液位處于平衡

28、位置時(shí)。改變調(diào)節(jié)閥開度至OP2=50,即對(duì)上水箱輸入階躍信號(hào),使其液位離開原平衡狀態(tài)。經(jīng)過一定調(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)): 154.021384.612598.4537103.9349107.20257.191486.342699.1938104.3950107.28360.281587.712799.8339104.8451107.32463.531689.1828100.4340105.0652107.38566.561790.4429101.0141105.5353107.56669.521891.763010

29、1.4242105.8054107.66772.261993.0431101.8143106.0855107.82874.792094.1132102.2644106.3356107.67977.002195.1833102.7945106.4157107.551079.072296.0434103.1946106.6158107.391180.872396.9635103.3647106.6559107.251282.882497.4936103.6548106.9460107.10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MAT

30、LAB軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)最小二乘法原理和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)響應(yīng)曲線進(jìn)行最佳擬合后，再計(jì)算水箱模型。兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中將階躍響應(yīng)初始點(diǎn)的值作為Y軸坐標(biāo)零點(diǎn)，后面的數(shù)據(jù)依次減去初始值處理，作為Y軸上的各階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)點(diǎn)；將對(duì)應(yīng)Y軸上階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)點(diǎn)的采集時(shí)間作為曲線上各X點(diǎn)的值。3求取上水箱模型傳遞函數(shù)在MATLAB的命令窗口輸入曲線擬合指令：>> x=0:30:420；>> 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=polyf

31、it(x,y,4)；>> xi=0:3:420； >> yi=polyval(p,xi)；>> plot(x,y,b:oxi,yi,'r')。 在MATLAB中繪出曲線如下：圖2.5上水箱擬合曲線注：圖中曲線為擬合曲線，圓點(diǎn)為原數(shù)據(jù)點(diǎn)。數(shù)據(jù)點(diǎn)與曲線基本擬合。如圖所示，利用四階多項(xiàng)式近似擬合上水箱的響應(yīng)曲線，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，

32、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

33、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 48.24 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:

34、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)。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)

35、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)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(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

36、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)揮良好的作用。3.1 PID控制原理目前，隨著控制理論的發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，PID控制技術(shù)日趨成熟。先進(jìn)的PID控制方案和智能PID控制器（儀表）已經(jīng)很多，并且在工程實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)在有利用PID控制實(shí)現(xiàn)的壓力、溫度、流量、液位控制器，能實(shí)現(xiàn)PID控制功能的可編程控制器(PLC)，還有可實(shí)現(xiàn)PID控制的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等。在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例積分微分控制，簡(jiǎn)稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。P

37、ID控制器問世至今已有近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。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

38、控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱此控制系統(tǒng)是有差系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差的累積取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)越大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。但是過大的積分速度會(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(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)過程

39、中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性環(huán)節(jié)或有滯后環(huán)節(jié)，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。所以在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，這樣具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。特別對(duì)于有較大慣性或滯后環(huán)節(jié)的被控對(duì)象，比例積分控制能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動(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)被控過程的特性確定

40、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(cè)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(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

41、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)： 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

42、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，則可根據(jù)系統(tǒng)開環(huán)廣義過程測(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(hào)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，

43、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

44、)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通過針對(duì)雙容水箱液位被控過程設(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)無差調(diào)節(jié)，并且使系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能，較塊的響應(yīng)速度。當(dāng)有擾動(dòng)f1(t)作用于副對(duì)象時(shí)，副調(diào)節(jié)器能在擾動(dòng)影響主控參數(shù)之前動(dòng)作，及時(shí)克服進(jìn)入副回路的各種二次擾動(dòng)，當(dāng)擾動(dòng)f2(t)作用于主對(duì)象時(shí)，由于副回路的存在也應(yīng)使系統(tǒng)的響應(yīng)加快，使主回路控制作用加強(qiáng)。圖3.2串級(jí)控制系統(tǒng)框圖(1) 被控參數(shù)的選擇應(yīng)選擇被控過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(cè)量的參數(shù)。在雙容水箱控制系統(tǒng)中

45、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)、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(zhǎng)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(jí)控制

46、，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(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)

47、負(fù)反饋系統(tǒng)。3.2 控制系統(tǒng)仿真通過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)。下面根據(jù)前文的水箱模型傳遞函數(shù)對(duì)串級(jí)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，以模擬實(shí)際中的階躍響應(yīng)曲線，考察串級(jí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案是否合理。1. 階躍響應(yīng)性能圖3.3 SIMULINK仿真框圖通過手動(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(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

48、 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)的仿真曲線.由3.4和3.5兩圖對(duì)比可見，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)過慣性環(huán)節(jié)向副回路加入階躍值為70的擾動(dòng)信號(hào)?？刂破鲄?shù)不變。圖3.6 SIMULINK仿真框圖圖3.7 M

49、ATLAB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，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

50、真一致的理想曲線和控制性能。4 建立儀表過程控制系統(tǒng)以下將基于THJ-2高級(jí)過程控制實(shí)驗(yàn)裝置和相關(guān)儀表儀器組建儀表過程控制系統(tǒng)，包括被控對(duì)象系統(tǒng)、智能儀表控制臺(tái)及監(jiān)控計(jì)算機(jī)三部分組成。4.1過程儀表介紹1檢測(cè)變送裝置采用工業(yè)用的BP800型擴(kuò)散硅壓力變送器對(duì)水箱液位變化進(jìn)行測(cè)量，含不銹鋼隔離模片，同時(shí)采用信號(hào)隔離技術(shù)，對(duì)傳感器溫度漂移跟隨補(bǔ)償。當(dāng)水箱中注水導(dǎo)致液位變化時(shí)，BP800壓力變送器對(duì)被控過程中的流體壓力進(jìn)行測(cè)量,過程壓力通過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)

51、指標(biāo)如下：被測(cè)介質(zhì):液體機(jī)械保護(hù)：IP65測(cè)量范圍：-100KPa100MPa防爆等級(jí)：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(jí)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(duì)濕度:小于95%電源電壓：24DC二線制負(fù)載電阻：750歐姆表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。

52、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(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，和來自位置信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的開度信號(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)閥的開度,同時(shí)將閥門開度的隔離信號(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)。閥開關(guān)形式：電開式動(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：-4200。C輸出最大負(fù)載：<500死區(qū)：±1.0%電源：220V/50Hz回差：±1

53、.0%公稱直徑：20mm可調(diào)范圍：50:1公稱壓力：1.6MPa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：0.5s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：05V輸出規(guī)格：420mA線

54、性電流輸入：420mA報(bào)警功能：上限下限正負(fù)偏差測(cè)量范圍：-19999999電源：100240VAC/50Hz測(cè)量精度：0.2級(jí)環(huán)境溫度：050。C表4.3 智能儀表技術(shù)指標(biāo)AI-808P引腳說明：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)無分別與5(13)(16)形成常閉觸點(diǎn)表4.4 AI-808P儀表引腳說明4.2儀表過程控制系統(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