雙容水箱液位串級控制系統(tǒng)的設計

1、目 錄摘 要1Abstract:21 概述31.1 過程控制介紹31.2 液位串級控制系統(tǒng)介紹41.3 MATLAB軟件介紹41.4 MCGS組態(tài)軟件介紹52 被控對象建模72.1 水箱模型分析72.2 階躍響應曲線法建立模型73 系統(tǒng)控制方案設計與仿真133.1 PID控制原理133.2 系統(tǒng)控制方案設計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)試運行245 建立計算機過程控制系統(tǒng)265.1 計算機過程控制系統(tǒng)硬件設計265.2 MCGS軟件工程組態(tài)285.3 計算機過程控制系統(tǒng)調(diào)試運行386

2、結(jié)論40謝詞41參考文獻42雙容水箱液位串級控制系統(tǒng)的設計摘 要： 本論文的目的是設計雙容水箱液位串級控制系統(tǒng)。在設計中充分利用自動化儀表技術，計算機技術，通訊技術和自動控制技術，以實現(xiàn)對水箱液位的串級控制。首先對被控對象的模型進行分析，并采用實驗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計串級控制系統(tǒng)，采用動態(tài)仿真技術對控制系統(tǒng)的性能進行分析。然后，設計并組建儀表過程控制系統(tǒng)，通過智能調(diào)節(jié)儀表實現(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，設計并組建遠程計算機過程控制系統(tǒng)，完成控制系統(tǒng)實驗和結(jié)果分析。關鍵詞： 液位 模型 PID控制 儀表

3、過程控制系統(tǒng) 計算機過程控制系統(tǒng)Abstract: The purpose of this thesis is to design the liquid levels 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 tanks 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 technique to

5、 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 module MCGS so

6、ft 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30年代以來，伴隨著自動控制理論的日趨成熟，自動化技術不斷地發(fā)展并獲得了驚人的成就，在工業(yè)生產(chǎn)和科學發(fā)展中起著關鍵性的作用。過程控制技術是自動化技術

7、的重要組成部分，普遍運用于石油，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)定和消除主要擾動為控制目的過程。其后，串級控制，比值控制和前饋控制等復雜過程控制系統(tǒng)逐步應用于工業(yè)生產(chǎn)中，氣動和電動單元組合儀表也開始大量采用，同時電子技術和計算機技術開始應用于過程控制領域，實現(xiàn)了直接數(shù)字控制（DDC）和設定值控制（SPC）。之后，以最小二乘法為基礎的系統(tǒng)辨識，以極大值和動態(tài)規(guī)劃為主要方法的最優(yōu)控制和以卡爾曼濾波理

8、論為核心的最佳估計所組成的現(xiàn)代控制理論，開始應用于解決過程控制生產(chǎn)中的非線性，耦合性和時變性等問題，使得工業(yè)過程控制有了更好的理論基礎。同時新型的分布式控制系統(tǒng)（DCS）集計算機技術、控制技術、通訊技術、故障診斷技術和圖形顯示技術為一體，使工業(yè)自動化進入控制管理一體化的新模式。現(xiàn)今工業(yè)自動化己進入計算機集成過程系統(tǒng)（CIPS）時代，并依托人工智能，控制理論和運籌學相結(jié)合的智能控制技術向工廠綜合自動化的方向發(fā)展。2過程計算機控制系統(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)過程也隨之日趨復雜，而對生產(chǎn)質(zhì)量經(jīng)濟效益的要求，對生產(chǎn)的安全、可靠性要求以及對生態(tài)環(huán)境保護的要求卻越來越高。不僅如此，

9、生產(chǎn)的安全性和可靠性，生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟效益都成為衡量當今自動控制水平的重要指標。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)不能滿足對現(xiàn)代化過程工業(yè)的控制要求。由于計算機具有運算速度快精度高存儲量大編程靈活以及具有很強的通信能力等特點，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)器過程計算機設備，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)中引入計算機，可以充分利用計算機的運算邏輯判斷和記憶等功能完成多種控制任務和實現(xiàn)復雜控制規(guī)律。在系統(tǒng)中，由于計算機只能處理數(shù)字信號，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，才能輸入計算機。當計算機接受了給定值和

10、反饋量后，依照偏差值，按某種控制規(guī)律（PID）進行運算，計算結(jié)果再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號輸出到執(zhí)行機構(gòu)，從而完成對系統(tǒng)的控制作用。過程計算機控制系統(tǒng)的組成包括硬件和軟件（除了被控對象檢測與執(zhí)行裝置外）。1過程計算機系統(tǒng)的硬件部分：（1）由中央處理器時鐘電路內(nèi)存儲器構(gòu)成的計算機主機是組成計算機控制系統(tǒng)的核心部分，進行數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)處理邏輯判斷控制量計算越限報警等，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是人機對話的聯(lián)系紐帶，操作人員可以通過操作臺向計算機輸入和修改控制參數(shù)，發(fā)出操作命令；計

11、算機向操作人員顯示系統(tǒng)運行狀態(tài)，發(fā)出報警信號。（3）通用外圍設備包括打印機記錄儀圖形顯示器閃存等，它們用來顯示存儲打印記錄各種數(shù)據(jù)。（4）I/O接口和I/O通道是計算機主機與外部連接的橋梁。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)對象的生產(chǎn)過程參數(shù)（標準電信號）變換成二進制代碼傳送給計算機；同時將計算機輸出的數(shù)字控制量變換為控制操作執(zhí)行機構(gòu)的模擬信號，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的控制。2過程計算機系統(tǒng)的軟件部分：（1）系統(tǒng)軟件由計算機及過程控制系統(tǒng)的制造廠商提供，用來管理計算機本身資源，方便用戶使用計算機。（2）應用程序由用戶根據(jù)要解決的控制問題而編寫的各種程序（如各種

12、數(shù)據(jù)采集濾波程序控制量計算程序生產(chǎn)過程監(jiān)控程序），應用軟件的優(yōu)劣將影響到控制系統(tǒng)的功能精度和效率。1.2液位串級控制系統(tǒng)介紹在工業(yè)實際生產(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)過程自動化中，常常需要對某些設備和容器的液位進行測量和控制。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。通過控制計算機可以不斷監(jiān)控生產(chǎn)的運行過程，即時地監(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)設計欠妥，會造成生產(chǎn)中對液位控制的不合理，導致原料的浪費產(chǎn)品的不合格，甚至造成生產(chǎn)事

13、故，所以設計一個良好的液位控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中有著重要的實際意義。 在液位串級控制系統(tǒng)的設計中將以THJ-2高級過程控制實驗系統(tǒng)為基礎，展開設計控制系統(tǒng)及工程實現(xiàn)的工作。雖然是采用傳統(tǒng)的串級PID控制的方法，但是將利用智能調(diào)節(jié)儀表數(shù)據(jù)采集模塊和計算機控制來實現(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)的動態(tài)性能。 在設計控制系統(tǒng)的過程中，將利用到MATLAB軟件和MCGS組態(tài)軟件。以下將對它們的主要內(nèi)容進行說明。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、應用最廣泛的科學與工程計算軟件，它廣泛應用于自動控制、數(shù)學運算、信號分

14、析、計算機技術、圖形圖象處理、語音處理、汽車工業(yè)、生物醫(yī)學工程和航天工業(yè)等各行各業(yè)，也是國內(nèi)外高校和研究部門進行許多科學研究的重要工具。MATLAB最早發(fā)行于1984年，經(jīng)過10余年的不斷改進，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)學處理中的各種功能，包括高效的數(shù)值計算、矩陣運算、信號處理和圖形生成等功能。在MATLAB環(huán)境下，用戶可以集成地進行程序設計、數(shù)值計算、圖形繪制、輸入輸出、文件管理等各項操作。 MATLAB提供了一個人機交互的數(shù)學系統(tǒng)環(huán)境，該系統(tǒng)的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是復數(shù)矩陣，在生成矩陣對象時，不要求作明確的維數(shù)說明，使得工程應用變得

15、更加快捷和便利。MATLAB系統(tǒng)由五個主要部分組成：(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。利用它既可以進行小規(guī)模編程，完成算法設計和算法實驗的基本任務，也可以進行大規(guī)模編程，開發(fā)復雜的應用程序。 (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，包括完成2D和3D數(shù)據(jù)圖示、圖像處理、動畫生成、圖形顯示等功能的高層MATLAB命令，也包括用戶

16、對圖形圖像等對象進行特性控制的低層MATLAB命令，以及開發(fā)GUI應用程序的各種工具。 (4)MATLAB數(shù)學函數(shù)庫 這是對MATLAB使用的各種數(shù)學算法的總稱包括各種初等函數(shù)的算法，也包括矩陣運算、矩陣分析等高層次數(shù)學算法。 (5)MATLAB應用程序接口(API) 這是MATLAB為用戶提供的一個函數(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(動態(tài)鏈接)，讀寫MAT文件的功能。 MATLAB還具有根強的功能擴展能力，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。MATLAB具有豐富的可用于控制系統(tǒng)分析和設計的函數(shù)，

17、MATLAB的控制系統(tǒng)工具箱(Control System Toolbox)提供對線性系統(tǒng)分析、設計和建模的各種算法；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行辨識和建模。MATLAB的仿真工具箱（Simulink）提供了交互式操作的動態(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行仿真，適應線性、非線性系統(tǒng)；連續(xù)、離散及混合系統(tǒng)；單任務，多任務離散事件系統(tǒng)。1.4 MCGS組態(tài)軟件介紹計算機技術和網(wǎng)絡技術的飛速發(fā)展，為工業(yè)自動化開辟了廣闊的發(fā)展空間，用戶可以方便快捷地組建優(yōu)質(zhì)高效的監(jiān)控系統(tǒng)，并且

18、通過采用遠程監(jiān)控及診斷等先進技術，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平臺的32位工控組態(tài)軟件，集動畫顯示、流程控制、數(shù)據(jù)采集、設備控制與輸出、網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸、工程報表、數(shù)據(jù)與曲線等諸多強大功能于一身，并支持國內(nèi)外眾多數(shù)據(jù)采集與輸出設備,廣泛應用于石油、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、實驗室等多種行業(yè)。MCGS組態(tài)軟件由“MCGS組態(tài)環(huán)境”和“MCGS運行環(huán)境”兩個部分組成。MCGS組態(tài)環(huán)境是生成用

19、戶應用系統(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)境中完成動畫設計、設備連接、編寫控制流程、編制工程打印報表等全部組態(tài)工作后，生成擴展名為.mcg的工程文件，又稱為組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫，其與MCGS 運行環(huán)境一起，構(gòu)成了用戶應用系統(tǒng)，統(tǒng)稱為“工程” 。MCGS運行環(huán)境是用戶應用系統(tǒng)的運行環(huán)境，由可執(zhí)行程序McgsRun.exe支持,以用戶指定的方式運行,并進行各種處理,完成用戶組態(tài)設計的目標和功能。利用MCGS軟件組建工程的過程簡介：(1)工程項目系統(tǒng)分析：分析工程項目的系統(tǒng)構(gòu)成、技術要求和工藝流程，弄清系統(tǒng)的控制流程和測控對象的特征，明確監(jiān)控要求和動畫顯示方式，分析

20、工程中的設備采集及輸出通道與軟件中實時數(shù)據(jù)庫變量的對應關系，分清哪些變量是要求與設備連接的，哪些變量是軟件內(nèi)部用來傳遞數(shù)據(jù)及動畫顯示的。(2)工程立項搭建框架：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，設定動畫刷新的周期。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)設計菜單基本體系：為了對系統(tǒng)運行的狀態(tài)及工作流程進行有效地調(diào)度和控制，通常要在主控窗口內(nèi)編制菜單。編制菜單分兩步進行，第一步首先搭建菜單的框架，第二步再對各級菜單命令進行功能組態(tài)。在組態(tài)過程中，可根據(jù)實際需要，隨時對菜單的內(nèi)容進行增加或刪除，不斷

21、完善工程的菜單。(4)制作動畫顯示畫面：動畫制作分為靜態(tài)圖形設計和動態(tài)屬性設置兩個過程。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畫構(gòu)件庫，在用戶窗口內(nèi)組合成各種復雜的畫面。后一部分則設置圖形的動畫屬性，與實時數(shù)據(jù)庫中定義的變量建立相關性的連接關系，作為動畫圖形的驅(qū)動源。(5)編寫控制流程程序：在運行策略窗口內(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，由這些模塊實現(xiàn)各種人機交互操作。MCGS還為用戶提供了編程用的功能構(gòu)件，使用簡單的編程語言，編寫工程控制程序。(6)完善菜單按鈕功能：包括對菜單命令、監(jiān)控器件、操作按鈕的功能組態(tài)；實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)、各種曲線、數(shù)

22、據(jù)報表、報警信息輸出等功能；建立工程安全機制等。(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)，檢查動畫顯示和控制流程是否正確。(8)連接設備驅(qū)動程序：選定與設備相匹配的設備構(gòu)件，連接設備通道，確定數(shù)據(jù)變量的數(shù)據(jù)處理方式，完成設備屬性的設置。此項操作在設備窗口內(nèi)進行。(9)工程完工綜合測試：最后測試工程各部分的工作情況，完成整個工程的組態(tài)工作，實施工程交接。2被控對象建模在控制系統(tǒng)設計工作中，需要針對被控過程中的合適對象建立數(shù)學模型。被控對象的數(shù)學模型是設計過程控制系統(tǒng)、確定控制方案、分析質(zhì)量指標、整定調(diào)節(jié)器參數(shù)等的重要依據(jù)。被控對象的數(shù)學模型（動態(tài)特性）是指過程在各輸入量（包括控制量和擾

23、動量）作用下，其相應輸出量（被控量）變化函數(shù)關系的數(shù)學表達式。在液位串級控制系統(tǒng)中，我們所關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，必須通過測定和計算他們模型，來分析系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能、動態(tài)特性，為其他的設計工作提供依據(jù)。上水箱和下水箱為THJ-2高級過程控制實驗裝置中上下兩個串接的有機玻璃圓筒形水箱，另有不銹鋼儲水箱負責供水與儲水。上水箱尺寸為：d=25cm,h=20cm;下水箱尺寸為：d=35cm,h=20cm，每個水箱分為三個槽：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具有自衡能力的

24、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不等而導致水箱蓄水或瀉水的過程。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)學模型就是h與Q1之間的數(shù)學表達式。 根據(jù)動態(tài)物料平衡， Q1-Q2=A(dh/dt) ；Q1-Q2=A(dh/dt) 在靜態(tài)時，Q1=Q2，dh/dt=0；當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。由流體力學可知，液位h與流量之間為非線性關系。但為了簡便起見，做線性化處理得 Q2=h/R2

25、，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階躍響應曲線法建立模型在本設計中將通過實驗建模的方法，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曲線和相關參數(shù)。通過磁力驅(qū)動泵供水，手動控制電動調(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，記錄階躍響應曲線。 在測定模型參數(shù)中可以通過以下

26、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現(xiàn)對被控對象的階躍信號輸入。(2) 通過在MCGS監(jiān)控軟件組建人機對話窗口，改變調(diào)節(jié)閥開度,控制水箱進水量的大小，從而改變水箱液位，實現(xiàn)對被控對象的階躍信號輸入?？刂七M水量供水施加階躍輸入信號階躍響應輸出電動磁力泵電動調(diào)節(jié)閥上水箱/下水箱 圖2.2 水箱模型測定原理圖 1上水箱階躍響應參數(shù)測定：按圖連接實驗線路,手動操作調(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。改變調(diào)節(jié)閥開度至OP2=60,即對上水箱輸入階躍信號,使其液位離開原平衡狀

27、態(tài)。經(jīng)過一定調(diào)節(jié)時間后,水箱液位重新進入平衡狀態(tài)。圖2.3上水箱階躍響應曲線記錄階躍響應參數(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上水箱階躍響應數(shù)據(jù)2下水箱階躍響應參數(shù)測定：按圖連接實驗線路,手動操作調(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位置時。改變調(diào)節(jié)閥

28、開度至OP2=50,即對上水箱輸入階躍信號,使其液位離開原平衡狀態(tài)。經(jīng)過一定調(diào)節(jié)時間后,水箱液位重新進入平衡狀態(tài)。 圖2.4下水箱階躍響應曲線記錄階躍響應參數(shù)(間隔30s采集數(shù)據(jù)): 154.021384.612598.4537103.9349107.20257.191486.342699.1938104.3950107.28360.281587.712799.8339104.8451107.32463.531689.1828100.4340105.0652107.38566.561790.4429101.0141105.5353107.56669.521891.7630101.4242105

29、.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下水箱階躍響應數(shù)據(jù)由于實驗測定數(shù)據(jù)可能存在誤差，直接使用計算法求解水箱模型會使誤差增大。所以使用MATLAB軟件對實驗數(shù)

30、據(jù)進行處理，根據(jù)最小二乘法原理和實驗數(shù)據(jù)對響應曲線進行最佳擬合后，再計算水箱模型。兩組實驗數(shù)據(jù)中將階躍響應初始點的值作為Y軸坐標零點，后面的數(shù)據(jù)依次減去初始值處理，作為Y軸上的各階躍響應數(shù)據(jù)點；將對應Y軸上階躍響應數(shù)據(jù)點的采集時間作為曲線上各X點的值。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

31、(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，圓點為原數(shù)據(jù)點。數(shù)據(jù)點與曲線基本擬合。如圖所示，利用四階多項式近似擬合上水箱的響應曲線，得到多項式的表達式：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算上水箱特性參數(shù)，當階躍響應曲線在輸入量x(t)產(chǎn)生階躍的瞬間，即t=0時，其曲線斜率為最大，然后逐漸上升到穩(wěn)態(tài)值，該響應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的導數(shù)P

32、(0)= 0.24707,以此做切線交穩(wěn)態(tài)值于A點,A點映射在t軸上的B點的值為T。圖2.6上水箱模型計算曲線階躍響應擾動值為10,靜態(tài)放大系數(shù)為階躍響應曲線的穩(wěn)態(tài)值與階躍擾動值之比，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

33、 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=0:3:1650； 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，圓點為原數(shù)據(jù)點。數(shù)據(jù)點與曲線基本擬合。如圖所

34、示，利用四階多項式近似擬合下水箱的響應曲線，得到多項式的表達式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算下水箱特性參數(shù)，當階躍響應曲線在輸入量x(t)產(chǎn)生階躍的瞬間，即t=0時，其曲線斜率為最大，然后逐漸上升到穩(wěn)態(tài)值，該響應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的導數(shù)P(0)=0.12175,以此做切線交穩(wěn)態(tài)值于A點,A點映射在t軸上的B點的值為T。圖2.8下水箱模型計算曲線階躍響應擾動值為10,靜態(tài)放大系數(shù)為階躍響應曲線的穩(wěn)態(tài)值與階躍擾

35、動值之比，所以下水箱傳遞函數(shù)為。在實驗建模的過程中，實驗測取的被控對象為廣義的被控對象，其動態(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)。圖2.9 THJ-2高級過程控制實驗裝置圖3系統(tǒng)控制方案設計與仿真控制方案設計是過程控制系統(tǒng)設計的核心，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，合理選擇被控參數(shù)，合理設計控制規(guī)律，選擇檢測、變送器和選擇執(zhí)行器。選擇正確的設計方案才能使先進的過程儀表和計算機系統(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)展和計算機技術的廣泛應用，PID控制

36、技術日趨成熟。先進的PID控制方案和智能PID控制器（儀表）已經(jīng)很多，并且在工程實際中得到了廣泛的應用?，F(xiàn)在有利用PID控制實現(xiàn)的壓力、溫度、流量、液位控制器，能實現(xiàn)PID控制功能的可編程控制器(PLC)，還有可實現(xiàn)PID控制的計算機系統(tǒng)等。在工程實際中，應用最為廣泛的調(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)控制的主要技術之一。y(t)+r(t) 比例P積分I微分D被控對象圖3.1 PID控制基本原理圖PID控制器是一種線性負反饋控制器，根據(jù)給定值r(t)與實際值y(t)構(gòu)成控

37、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:積分時間常數(shù) TD:微分時間常數(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系，能較快克服擾動，使系統(tǒng)穩(wěn)定下來。但當僅有比例控制時系統(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系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(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”。積分項對誤差的累積取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會越大。這樣，即便誤差很小，

38、積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。但是過大的積分速度會降低系統(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）成正比關系。自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性環(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，抑制誤差的作用就應該是零。所以在控制器中僅引入“比例”項往往是不夠的，比例項的作用

39、僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預測誤差變化的趨勢，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，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調(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)過程中的動態(tài)特性。PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設計的重要內(nèi)容，應根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法分為兩大類：一是理論計算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學模型，經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)。由于實驗測定的過程數(shù)學模型只能近似反映過程動態(tài)特，理論計算的參數(shù)整定值可靠性不高，還必須通過工程實

40、際進行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)試驗中進行控制器參數(shù)整定，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應曲線法和衰減曲線法。三種方法都是通過試驗，然后按照工程經(jīng)驗公式對控制器參數(shù)進行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實際運行中進行最后調(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)器的積分時間TI置于最大，微分時間TD置零，比例度置于較大數(shù)值，把系統(tǒng)投入閉環(huán)運行，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，記錄下此時的臨界比例度k和臨界振蕩周期Tk。根據(jù)以下經(jīng)驗公式計算調(diào)

41、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)器的積分時間TI置于最大，微分時間TD置零，比例度置于較大數(shù)值反復做給定值擾動實驗，并逐漸減少比例度，直至記錄曲線出現(xiàn)4：1的衰減為止。記錄下此時的4：1衰減比例度k和衰減周期Tk。根據(jù)以下經(jīng)驗公式計算調(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阻尼振蕩整定計算公式3.反應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

42、器階躍響應特性進行近似計算。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曲線，并根據(jù)該曲線求出代表廣義過程的動態(tài)特性參數(shù)。3.2系統(tǒng)控制方案設計1控制系統(tǒng)性能指標(1) 靜態(tài)偏差：系統(tǒng)過渡過程終了時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，輸出響應中振蕩過程的衰減指標，即振蕩經(jīng)過一個周期以后，波動幅度衰減的百分數(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：輸出響應中過渡過程開始后，被控參數(shù)第一個波峰值與穩(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)動態(tài)過程的準確性。(4) 調(diào)節(jié)時間：從過渡過程開始到被控參數(shù)進入穩(wěn)態(tài)值-

43、5%+5%范圍所需的時間2方案設計設計建立的串級控制系統(tǒng)由主副兩個控制回路組成，每一個回路又有自己的調(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)器有自己獨立的設定值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f1(t)e2設定值Rc2擾動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通過針對雙容水箱液位被控過程設計串級控制系統(tǒng)，將努力使系統(tǒng)的輸出響應在穩(wěn)態(tài)時系統(tǒng)的被控制量等于給定值，實現(xiàn)無差調(diào)節(jié)，并且使系統(tǒng)具有良好的動態(tài)性能，較塊的響應速度。當

44、有擾動f1(t)作用于副對象時，副調(diào)節(jié)器能在擾動影響主控參數(shù)之前動作，及時克服進入副回路的各種二次擾動，當擾動f2(t)作用于主對象時，由于副回路的存在也應使系統(tǒng)的響應加快，使主回路控制作用加強。圖3.2串級控制系統(tǒng)框圖(1) 被控參數(shù)的選擇應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)，因為下水箱的液位是整個控制作用的關鍵，要求液位維持在某給定值上下。如果其調(diào)節(jié)欠妥當，會造成整個系統(tǒng)控制設計的失敗,且現(xiàn)在對于液位的測量有成熟的技術和設備，包括直讀式液位計、浮力式液位計、靜壓式液位計、電磁式液位計、超聲波式液位計等

45、。(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)這兩個流量都可以改變液位的高低。但當電動調(diào)節(jié)閥突然斷電關斷時，后一種控制方式會造成長流水，導致水箱中水過多溢出，造成浪費或事故。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) 主副回路設計為了實現(xiàn)液位串級控制，使用雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)。副回路應對于包含在其內(nèi)的二次擾動以及非線性參數(shù)、較大負荷變化有很強的抑制能力與一定的自適應能力。主副回路時間常數(shù)之比應在3到10之間，以使副回路既能反應靈敏，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)設計的核

46、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)學模型選擇控制器的控制規(guī)律。為了實現(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)，對上水箱液位進行調(diào)節(jié)，并輔助主調(diào)節(jié)器對于系統(tǒng)進行控制，整個回路構(gòu)成雙環(huán)負反饋系統(tǒng)。3.2 控制系統(tǒng)仿真通過MATLAB中的SIMULINK工具箱可以動態(tài)的模擬所的構(gòu)造系統(tǒng)的響應曲線，以控制框圖代替了程序的編寫，只需要選擇合適仿真設備，添加傳遞函數(shù)，設置仿真參數(shù)。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)進行仿真，以模擬實際中的階

47、躍響應曲線，考察串級系統(tǒng)的設計方案是否合理。1. 階躍響應性能圖3.3 SIMULINK仿真框圖通過手動切換開關（Manual Switch）可以實現(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。在時間為0時對系統(tǒng)加入大小為30的階躍信號，設置主控制器PID參數(shù)KP=60 TI=50 TD=3 ;副控制器P參數(shù)為KP=50，在初始點加40點階躍輸入量觀察階躍響應曲線。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為加入副回路時的仿真曲線：圖3.5為切除副回路時的仿真曲線.由3.4和3.5兩圖對比可見，引入副回路組成雙容水箱液位串級控制系統(tǒng)后動態(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，對被控對象的調(diào)節(jié)能力更強。 2抗擾動能力維持初始階躍信號不變，并在副回路中加入擾動信號，觀察響應曲線. 在400s經(jīng)過慣性環(huán)節(jié)向副回路加入階躍值為70的擾動信號?？刂破鲄?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為加入副回路時的仿真曲線：圖3.8為切除副