基于組態(tài)王6.5的串級(jí)PID液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)(雙容水箱)

##大學(xué)本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)題目：基于組態(tài)王6.5的串級(jí)PID液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)院：自動(dòng)化工程學(xué)院專業(yè)：自動(dòng)化姓名：指導(dǎo)教師：2011年6月5日##大學(xué)本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）CascadelevelPIDcontrolsystembasedonKingview6.5##大學(xué)本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）摘要開發(fā)經(jīng)濟(jì)實(shí)用的教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置、開拓理論聯(lián)系實(shí)際的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，對(duì)提高課程教學(xué)實(shí)驗(yàn)水平，具有重要的實(shí)際意義。就高校學(xué)生的實(shí)驗(yàn)課程來講，由于雙容水箱液位控制系統(tǒng)本身具有的復(fù)雜性和對(duì)實(shí)時(shí)性的高要求，使得在該系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)基于不同控制策略的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，需要全面掌握自動(dòng)控制理論及相關(guān)知識(shí)。本文通過對(duì)當(dāng)前國內(nèi)外液位控制系統(tǒng)現(xiàn)狀的研究，選取了PID控制、串級(jí)PID控制等策略對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制；通過對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的研究，建立了單容水箱和雙容水箱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行了辨識(shí)；利用工業(yè)控制軟件組態(tài)王6.5，并可通用于ADAM模塊及板卡等的實(shí)現(xiàn)方案，通過多種控制模塊在該實(shí)驗(yàn)裝置上實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)，驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展性和開放性。關(guān)鍵詞：雙容水箱液位控制系統(tǒng)串級(jí)PID控制算法組態(tài)王6.5智能調(diào)節(jié)儀AbstractItissignificanttodevelopappliedexperimentdeviceandexperimentcontentwhichcombinestheoryandpracticetoimproveexperimentallevelofteaching.Basedonthecurrentsituationofdomesticandinternationallevelcontrolsystem,selectedthePIDcontrol,cascadePIDcontrolstrategiessuchasreal-timecontrolofexperimentsystem.Throughthestudyofthestructureofexperimentalsystem,asingleletwatertankanddoubleletwatertankexperimentsystemmathematicalmodelwasfounded,andtheparametersofthesystemisidentified.Industrialcontrolsoftwareconfigurationking6.5isusedinexperiment,ADAMmoduleandboards,etccanalsobesuitableforthisexperiment,throughavarietyofcontrolmoduleonthedeviceintheexperimentverifiedexperimentalrealization,experimentalsystemhasgoodexpansibilityandopenness.KeyWordDoubleletwatertankliquidlevelcontrolsystemCascadePIDcontrolalgorithmConfigurationking6.5Intelligentadjustinginstrument##大學(xué)本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）目錄前言...........................................................................................................1第一章串級(jí)液位控制系統(tǒng)介紹.................................................21.1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀...............................................................................................................21.1.1液位控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀..........................................................................................21.1.2液位控制系統(tǒng)算法的研究現(xiàn)狀..................................................................................21.2PID控制算法的介紹......................................................................................................31.2.1PID控制算法的歷史..............................................................................................31.2.2PID控制各環(huán)節(jié)作用................................................................................................41.3串級(jí)控制系統(tǒng)介紹...........................................................................................................41.4本文的主要工作.............................................................................................................4第二章水箱液位控制系統(tǒng)的建模.............................................62.1水箱液位控制系統(tǒng)的構(gòu)成.............................................................................................62.2水箱的建模過程...............................................................................................................72.2.1單容水箱的建模過程.................................................................................................72.2.2二階雙容水箱的對(duì)象特性.......................................................................................82.3水箱液位控制參數(shù)辨識(shí)方法............................................................................................112.3.1單容上水箱的參數(shù)辨識(shí)...........................................................................................112.3.2二階雙容水箱的下水箱對(duì)象參數(shù)辨識(shí)...................................................................122.4水箱液位PID參數(shù)整定方法...........................................................................................142.4.1上水箱液位的PID整定............................................................................................142.4.2主回路和副回路的PID參數(shù)整定.........................................................................15第三章組態(tài)王6.5簡介與操作界面的設(shè)計(jì).................................173.1組態(tài)王6.5簡介.............................................................................................................173.2基于組態(tài)王6.5的液位控制系統(tǒng)上位機(jī)部分設(shè)計(jì)........................................................183.2.1建立新工程.............................................................................................................183.2.2定義外部設(shè)備............................................................................................................193.2.3動(dòng)畫設(shè)計(jì)....................................................................................................................21##大學(xué)本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）3.2.3組態(tài)王6.5的控件中選擇歷史曲線繪制.............................................................23第四章設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)..............................................................244.1設(shè)備的連接和檢查........................................................................................................244.2系統(tǒng)連線......................................................................................................................244.3實(shí)驗(yàn)步驟........................................................................................................................26第五章總結(jié)與展望..........................................................30謝辭..............................................................................31參考文獻(xiàn).....................................................................32##大學(xué)本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）前言隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)的規(guī)模越來越大，結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜，從而使控制對(duì)象、控制器以及控制任務(wù)和目的日益復(fù)雜，而對(duì)系統(tǒng)的精度、響應(yīng)速度和穩(wěn)定性的要求卻越來越高。但是，當(dāng)前的學(xué)術(shù)理論研究成果明顯滯后于實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用，兩者相差甚遠(yuǎn)。在我國，看似成熟先進(jìn)的控制理論，其研究往往僅局限于高校或科研機(jī)構(gòu)這一狹小的范圍內(nèi)，而遠(yuǎn)離了實(shí)際生產(chǎn)這個(gè)廣闊的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，尤其是最近幾年，國內(nèi)一些控制領(lǐng)域的研究已接近甚至超過了國外同領(lǐng)域水平，然而就實(shí)際應(yīng)用的狀況來講，與國外相比卻存在明顯差距。最重要的原因就是理論研究缺乏實(shí)際背景的支持，先進(jìn)理論的算法一旦應(yīng)用到實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)就會(huì)出現(xiàn)各種各樣的問題，制約了其進(jìn)一步的發(fā)展與應(yīng)用。在現(xiàn)階段尚不具備在實(shí)驗(yàn)室中真實(shí)復(fù)現(xiàn)實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過程的條件下，利用具有典型對(duì)象特性的實(shí)驗(yàn)裝置將是一件探索將理論成果轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用的有力武器。課題研究的雙容水箱液位控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置是以水箱的液位為控制變量，來模擬實(shí)際工業(yè)控制領(lǐng)域中的過程控制系統(tǒng)，該實(shí)驗(yàn)裝置在國內(nèi)外很多高校的實(shí)驗(yàn)室都有配備，其價(jià)值在于可為學(xué)生的自動(dòng)控制理論課程和畢業(yè)設(shè)計(jì)提供便捷的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。同時(shí)，該系統(tǒng)也可為相關(guān)科研人員在復(fù)雜的控制系統(tǒng)研究方面提供實(shí)際的模擬對(duì)象。在本論文中，智能調(diào)節(jié)儀模塊也可換成是ADAM模塊或者板卡，工控軟件組態(tài)王6.5可有其他工控軟件替代，使該實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)現(xiàn)了多種控制策略的實(shí)驗(yàn)，從而達(dá)到了增加該實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的目的；同時(shí)本課題中所提出的硬件和軟件實(shí)現(xiàn)方法也具有較強(qiáng)的可移植性，可以應(yīng)用推廣到其他的教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容增加上，極具現(xiàn)實(shí)意義。1##大學(xué)本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）第一章串級(jí)液位控制系統(tǒng)介紹1.1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.1.1液位控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀水箱液位控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置最初的研發(fā)與生產(chǎn)是由德國Amira自動(dòng)化公司完成的，由于當(dāng)時(shí)該實(shí)驗(yàn)裝置的價(jià)格太高，在國內(nèi)只有少數(shù)高校引進(jìn)了此設(shè)備，如哈爾濱工業(yè)大學(xué)，吉林大學(xué)、浙江大學(xué)等?，F(xiàn)階段伴隨著我國科學(xué)技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，國內(nèi)許多企業(yè)也能夠自主生產(chǎn)該實(shí)驗(yàn)裝置，如杭州言實(shí)公司研制的HDU3000-1型、河北德瑞特公司研制的RTGK-2型、深圳固高公司研制的GTW型等，它們的特點(diǎn)如下：1、主要配件均采用工業(yè)級(jí)過程控制元件，保證系統(tǒng)最高的質(zhì)量和可靠性。2、實(shí)驗(yàn)和研究的理想平臺(tái)，可以方便地構(gòu)成模擬實(shí)際生產(chǎn)系統(tǒng)中的液位系統(tǒng)。3、通過液位傳感器對(duì)液位進(jìn)行精確檢測，得到實(shí)際水位的變化，方便地獲得瞬態(tài)響應(yīng)指標(biāo)，直觀反映出控制器的控制效果，準(zhǔn)確判斷控制性能。1.1.2液位控制系統(tǒng)算法的研究現(xiàn)狀當(dāng)前，常見的液位控制多數(shù)采用憑人工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行的參數(shù)整定P、PI、PID或串級(jí)控制策略。針對(duì)結(jié)構(gòu)簡單的液位系統(tǒng)，此種參數(shù)整定的方法還能達(dá)到預(yù)期的效果，一旦被控的液位對(duì)象結(jié)構(gòu)復(fù)雜、自身機(jī)理特殊、各變量間關(guān)聯(lián)耦合嚴(yán)重，常規(guī)的參數(shù)整定方法在便捷性和穩(wěn)定性上就無從談起。針對(duì)這種存在著非線性、大滯后、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等諸多不確定因素的液位控制系統(tǒng)，國內(nèi)許多高校和科研單位研究提出了一些優(yōu)化的控制方案和有效的控制算法。中南大學(xué)的鄧秋連等提出了采用RBF-ARX模型對(duì)水箱液位系統(tǒng)進(jìn)行離線動(dòng)態(tài)特性建模的研究。著重討論了RBF-ARX模型結(jié)構(gòu)的選取、模型參數(shù)辨識(shí)、RBF參數(shù)優(yōu)化等問題。BF-ARX模型與ARX模型的進(jìn)一步預(yù)測輸出比較的結(jié)果證實(shí)了BF-ARX模型在非線性系統(tǒng)建模中的優(yōu)越性。吉林大學(xué)的高興泉等提出了采用一種基于非線性靜態(tài)反饋的解耦方法進(jìn)行水箱液位系統(tǒng)控制，當(dāng)系統(tǒng)滿足一定條件時(shí)，可以尋找到一個(gè)輸出與等效新輸入之間的線性微分方程關(guān)系，然后再選擇合適的狀態(tài)反饋形式即可使該非線性系統(tǒng)解耦。經(jīng)解耦，水箱液位控制系統(tǒng)就可以分解為兩個(gè)相互獨(dú)立的單輸入單輸出線性子系統(tǒng)，對(duì)每個(gè)子系統(tǒng)可采用PI控制，從而解決了系統(tǒng)的非線性。內(nèi)蒙古科技大學(xué)的崔桂梅等采用模糊-神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解耦控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水箱液位2##大學(xué)本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）系統(tǒng)的解耦以及液位控制。模糊-神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解耦技術(shù)結(jié)合了模糊控制魯棒性好和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)不確定對(duì)象有顯著控制效果的特點(diǎn)，具有直接從輸入輸出數(shù)據(jù)中提取模糊規(guī)則的能力。內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)的韓梅等提出了采用基于T-S模型的模糊PID控制策略，這種策略根據(jù)液位變化，通過適用度加權(quán)產(chǎn)生PD控制參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)參數(shù)的平穩(wěn)度過。有利于改善系統(tǒng)性能。大連海事大學(xué)的孫紅英等提出了設(shè)計(jì)一種參數(shù)自整定模糊PID控制器，可以實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的調(diào)整，使控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度快，超調(diào)量減少，過渡過程時(shí)間大大縮短，振蕩次數(shù)減少，具有較強(qiáng)的魯棒性和穩(wěn)定性。廣西大學(xué)的梁穎杏等提出了用BP網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)水箱液位控制系統(tǒng)的方法。采用并聯(lián)型辨識(shí)結(jié)構(gòu)，訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)采用Levenberg-Marquardt算法和BFGS擬牛頓算法，利用MATLAB軟件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)比較訓(xùn)練仿真，結(jié)果表明，采用LM算法和BFGS擬牛頓算法能較好的辨識(shí)水箱液位系統(tǒng)。1.2PID控制算法的介紹在工程實(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。1.2.1PID控制算法的歷史PID（比例-積分-微分）控制器作為最早實(shí)用化的控制器已有70多年歷史，現(xiàn)在仍然是應(yīng)用最廣泛的工業(yè)控制器。PID控制器簡單易懂，使用中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件，因而成為應(yīng)用最為廣泛的控制器。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（儀表）已經(jīng)很多，產(chǎn)品已在工程實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用，有各種各樣的PID控制器產(chǎn)品，各大公司均開發(fā)了具有PID參數(shù)自整定功能的智能調(diào)節(jié)器(intelligentregulator，其中PID控制器參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整是通過智能化調(diào)整或自校正、自適應(yīng)算法來實(shí)現(xiàn)。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控制功能的可編程邏輯控制器(PLC，還有可實(shí)現(xiàn)PID控制的PC系統(tǒng)等等。可編程控制器(PLC是利用其閉環(huán)控制模塊來實(shí)現(xiàn)PID控制，而可編程控制器(PLC可以直接與ControlNet相連，如Rockwell的PLC-5等。還有可以實(shí)現(xiàn)PID控制功能的控制器，如Rockwell的Logix產(chǎn)品系列，它可以直接與ControlNet相連，利用網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)其遠(yuǎn)程控制功能。3##大學(xué)本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）1.2.2PID控制各環(huán)節(jié)作用1）比例（P）控制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(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-stateerror）。2）積分（I）控制在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（SystemwithSteady-stateError）。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)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。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。因此，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（D）控制在微分控制中，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組件（環(huán)節(jié)）或有滯后(delay組件，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。這就是說，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(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)。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例+微分(PD控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動(dòng)態(tài)特性。1.3串級(jí)控制系統(tǒng)介紹串級(jí)控制是指通過引入副回路，使系統(tǒng)控制品質(zhì)相對(duì)于單回路控制系統(tǒng)提高。在系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上說，串級(jí)控制系統(tǒng)有兩個(gè)閉合回路：主回路和副回路，主副調(diào)節(jié)器串聯(lián)工作，主調(diào)節(jié)器輸出作為副調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，系統(tǒng)通過副調(diào)節(jié)器輸出控制執(zhí)行器動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)主參數(shù)的定值控制。船機(jī)系統(tǒng)的主回路是定值控制系統(tǒng)，副回路是隨動(dòng)控制系統(tǒng)，通過他們的協(xié)調(diào)工作，是主參數(shù)能夠準(zhǔn)確地控制在工藝規(guī)定的范圍之內(nèi)。1.4本文的主要工作第一章主要介紹本課題的研究背景目的和意義；國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀；模糊控制理論4##大學(xué)本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展與特點(diǎn)；以及本課題所做的主要工作。第二章在本論文中引入了組態(tài)王6.5及介紹了組態(tài)王6.5在本實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用。第三章介紹了水箱實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)，采用數(shù)學(xué)建模的方法建立水箱液位控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)。第四章介紹了基于組態(tài)王的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，搭配ADAMIPC—7017系列I/O端口的設(shè)計(jì)，介紹了ADAMA/D轉(zhuǎn)換模塊與上位機(jī)的連接設(shè)計(jì)。第五章介紹了整體實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)步驟。5##大學(xué)本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）第二章水箱液位控制系統(tǒng)的建模2.1水箱液位控制系統(tǒng)的構(gòu)成水箱液位控制系統(tǒng)AE2000B由水箱體（不銹鋼儲(chǔ)水箱：850?450?400mm、串接圓筒有機(jī)玻璃上水箱：Φ250?370mm、下水箱：Φ250?270mm、1個(gè)連接閥門、2個(gè)泄水閥門及1個(gè)調(diào)整進(jìn)水閥門的步進(jìn)電機(jī)和其他連接構(gòu)件）、水位檢測元件（壓力傳感器）、水泵、數(shù)據(jù)采集模塊（ADAMIPC7017）及上位工控機(jī)(內(nèi)有PCI總線插槽構(gòu)成，負(fù)責(zé)監(jiān)測和變送和執(zhí)行的元件包括液位傳感器、渦輪流量計(jì)、壓力表、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥等?？傮w結(jié)構(gòu)的原圖如下圖所示。圖2.1AE2000B實(shí)驗(yàn)設(shè)備圖圖中的兩個(gè)玻璃容器T1、T2通過連接閥門V1依次連接。玻璃容器通過泄水閥門可以排出容器里的水，供水泵循環(huán)使用，水泵抽出的水通過進(jìn)水閥門進(jìn)入容器T1，這樣就構(gòu)成了一個(gè)封閉的回路。兩個(gè)玻璃容器上各裝有一個(gè)液位壓力傳感器作為測量元件，用來讀出容器的實(shí)時(shí)液位值。進(jìn)水閥門通過兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制其開度，從而調(diào)節(jié)進(jìn)入容器水量的大小。液位壓力傳感器將容器中的水位值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)傳到數(shù)據(jù)采集模塊，又由數(shù)據(jù)采集模塊傳給上位機(jī)，為各種控制算法提供實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)通過相應(yīng)的處理，6##大學(xué)本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）生成恰當(dāng)?shù)目刂菩盘?hào)，也需要經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡給到步進(jìn)電機(jī)，進(jìn)一步控制閥門的開度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各種控制算法的模擬和檢驗(yàn)。泄水閥門可以保證實(shí)驗(yàn)結(jié)束后放掉容器中的水。2.2水箱的建模過程2.2.1單容水箱的建模過程1）單容過程單容過程就是指只有一個(gè)儲(chǔ)蓄容量的過程，單容過程還可分為有自衡能力和無自衡能力兩類，在此只介紹有自衡能力的過程。2）自衡過程所謂自衡過程，試制過程在擾動(dòng)的作用下，其平衡狀態(tài)被破壞后，不需要操作人員后儀表等敢于，依靠自身重新恢復(fù)平衡的過程。下圖所示位一個(gè)單容液位被控過程，其流入量Q1，改變閥1的開度可以改變Q1的大小，其流出量為Q2，它取決于用戶的需要改變閥2開度可以改變Q2，液位h的變化反映了Q1和Q2不等而引起的儲(chǔ)罐中蓄水或泄水的過程，如果Q1作為被控過程的輸入變量，h為其輸出變量，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。圖2.2單容被控過程出水閥2固定于某一開度值，根據(jù)物料的動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系，所求的微分方程：7##大學(xué)本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）?hR2d?hdtAQ1-=C在零初始狀態(tài)條件下，對(duì)上式求拉氏變換，得：G(s=H(sQ1(s=R2R2?C?S+1=KTs+1h1(th1(∞0.63h1(∞0T圖2.3階躍響應(yīng)曲線式中，T為誰想的時(shí)間常數(shù)（閥2的開度會(huì)直接影響到水箱的時(shí)間常數(shù)），T=R2?，為過程的放大倍數(shù)，R2為閥2的液阻，C為水箱的容量系數(shù)（表征過程存儲(chǔ)能力的大小）。容量系數(shù)：被控過程都具有一定的貯存物料或能量的能力，其貯存能力的大小，稱為容量或容量系數(shù)。其物理意義是：引起單位被控量變化時(shí)被控過程貯存量變化的大小。從上述分析可知，液阻R2不僅影響過程的時(shí)間常數(shù)T，而且還能影響過程的放大系數(shù)，而容量系數(shù)C只能影響過程的時(shí)間常數(shù)。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，過程的純滯后問題經(jīng)常碰到，如皮帶運(yùn)輸機(jī)的物料傳輸過程，管道輸送，管道反應(yīng)和管道的混合過程等。2.2.2二階雙容水箱的對(duì)象特性在工業(yè)生產(chǎn)過程中，被控過程往往是有多個(gè)容積和阻力構(gòu)成，這種過程成為多容過程。以其有自衡能力的雙容過程為例，來討論其建立數(shù)學(xué)模型的方法。8##大學(xué)本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）圖2.4雙容水箱被控過程上圖所示為兩只水箱串聯(lián)工作的雙容過程，其被控量是第二只水箱的液位h2，輸入量為Q2。根據(jù)物料平衡關(guān)系可以列出下列方程：?Q1-?Q2=C1?h1R2d?h1dt?Q2=d?h2dt?Q2-Q3=C2?Q3=?h2R3由上圖可知，這是由兩個(gè)一階非周期慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)起來，被調(diào)量是第二水草的水位h2當(dāng)輸入量有一個(gè)階躍增加?Q1時(shí)，被調(diào)量變化的反應(yīng)區(qū)縣如圖，是一個(gè)呈S型的一條曲線。由于多了一個(gè)容器，是調(diào)節(jié)對(duì)象的飛升特性在時(shí)間上又落后了一步。設(shè)流量Q1為雙容水箱的輸入量,下水箱的液位高度為h2為輸出量，根據(jù)物料平衡關(guān)系，并考慮到液體9##大學(xué)本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）傳輸過程中的時(shí)延，其傳遞函數(shù)為：H2(sQ1(s=G(s=K(T1s+1(T2s+1*e-τs其中K=R3，T1=R2C1，T2=R3C2，R2和R3分別為閥V2和V3的液阻，C1和C2分別為上水箱和下水箱的容量系數(shù)。0.4h2h2h200.8h21圖2.5雙容過程的階躍響應(yīng)曲線當(dāng)上水箱輸入量有一個(gè)階躍增量變化時(shí)，上水箱液位的響應(yīng)曲線為圖(a所示一單調(diào)上升的指數(shù)曲線，而下水箱液位的響應(yīng)曲線則呈如圖(b所示的曲線，即下水箱的液位響應(yīng)滯后了?？赏ㄟ^試驗(yàn)測量確定出具體的K、T、τ的值，辨識(shí)方法將在下文中詳述。圖2.6單容與雙容水箱階躍響應(yīng)圖10##大學(xué)本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）2.3水箱液位控制參數(shù)辨識(shí)方法2.3.1單容上水箱的參數(shù)辨識(shí)單容上水箱的時(shí)間常數(shù)T的辨識(shí)方法：在零初始條件下，對(duì)單容水箱有G(s=H(sQ1(s=KTs+1圖2.7單容水槽的建模在式中，T為水箱的時(shí)間常數(shù)（V2的開度影響水箱的時(shí)間常數(shù)），T=R2*C，K=R2為過程的放大倍數(shù)，R2為2號(hào)閥門的液阻，C為水箱的容量系數(shù)。令流入流量Q1(s=R0為常量，則輸出液位的高度為：R0S，H(s=KR0s(Ts+1=KR0s-KR0s+1，拉式反變換，即Th(t=KR0(1-e-t由上式，當(dāng)t=T時(shí)，有：11##大學(xué)本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）h(T-KR0(1-e=0.632KR0=0.632h(t-1當(dāng)t→∞時(shí)，h(∞=KR0，因而有K=h(∞R0=輸出穩(wěn)態(tài)值/階躍輸入=y(∞-y(0Q1-Q0，y(∞、y（0）分別是被控變量新的穩(wěn)態(tài)值與原來的的穩(wěn)態(tài)值；Q1、Q0分別是階躍作用后與原來的操作變量的值。h(t=KR0(1-e數(shù)-t此式表示一階慣性環(huán)節(jié)的響應(yīng)曲線是一條單調(diào)上升的指數(shù)函由實(shí)驗(yàn)求得該響應(yīng)曲線后，該曲線上升到穩(wěn)態(tài)值的63%所需的時(shí)間就是水箱的時(shí)間常數(shù)T。2.3.2二階雙容水箱的下水箱對(duì)象參數(shù)辨識(shí)圖2.8雙容水槽的建模由雙容水箱的建模結(jié)果可知，12##大學(xué)本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）H2(sQ1(sK(T1s+1(T2s+1-τs=G(s=*e，其中的K、T1和T2可以從實(shí)驗(yàn)中求得的階躍響應(yīng)曲線中求出。具體做法是:0.4h2h2h200.8h21圖2.9雙容過程的階躍響應(yīng)曲線1）響應(yīng)曲線在階躍響應(yīng)曲線上取h2(t穩(wěn)態(tài)值的漸近線1h2(∞;2）h2(tt=t=0.4h2(∞時(shí)曲線上的點(diǎn)A和對(duì)應(yīng)的時(shí)間t1；3）h2(tt=t=0.8h2(∞時(shí)曲線上的點(diǎn)B和對(duì)應(yīng)的時(shí)間t2。2然后，利用下面的近似公式計(jì)算參數(shù)K、T1和T2的值：K=h2(∞R0=輸入穩(wěn)態(tài)值階躍輸入量t1t24）T1+T2≈t1+t22.16，對(duì)于始終的t1和t2的大小關(guān)系，0.32<K(Ts+12<0.46。當(dāng)t1t2=0.32時(shí)，為一階環(huán)節(jié)，當(dāng)t1t2=0.46時(shí)，過程的傳遞函數(shù)G(s=T1T2(T1+T22；≈(1.74t1t2-0.5513##大學(xué)本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）2.4水箱液位PID參數(shù)整定方法2.4.1上水箱液位的PID整定圖2.10單回路控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖本系統(tǒng)索要保持的恒定參數(shù)就是液位的給定高度，即控制的任務(wù)是控制小上水箱液位等于給定值所需要的高度。根據(jù)控制框圖，這是一個(gè)閉環(huán)反饋單回路液位控制。采用工業(yè)智能儀表控制。當(dāng)控制方案確定后，接下來就是整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)。在一個(gè)單回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)安裝就緒后，控制質(zhì)量的好壞就取決于參數(shù)值的選擇了。合適的控制參數(shù)，可以帶來滿意的控制效果。反之，控制其參數(shù)選擇的不合適，就會(huì)使控制質(zhì)量變壞，達(dá)不到預(yù)期的效果。因此，當(dāng)一個(gè)單回路系統(tǒng)組成好以后，系統(tǒng)的投運(yùn)和參數(shù)整定就變成了一項(xiàng)非常重要的工作。一般而言，用比例調(diào)節(jié)器的系統(tǒng)是一個(gè)有差系統(tǒng)，比例度δ的大小不僅會(huì)影響到余差的大小，而且也與系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能密切相關(guān)。比例積分調(diào)節(jié)器由于積分的作用，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)無余差，而且只要參數(shù)δ和Ti合理，也能使系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能。比例積分微分（PID）調(diào)節(jié)器實(shí)在PI調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上再引入微分D的作用，從而使系統(tǒng)既無余差存在，又能是系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能（快速性、穩(wěn)定性等）得到改善。關(guān)于比例（P）、積分（I）、微分（D）的調(diào)節(jié)順序，一般如下：整定步驟整定步驟為"先比例，再積分，最后微分"。（1）整定比例控制將比例控制作用由小變到大，觀察各次響應(yīng)，直至得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線。（2）整定積分環(huán)節(jié)若在比例控制下穩(wěn)態(tài)誤差不能滿足要求，需加入積分控制。先將步驟（1）中選擇的比例系數(shù)減小為原來的50～80％，再將積分時(shí)間置一個(gè)較大值，觀測響應(yīng)曲線。然后減小積分時(shí)間，加大積分作用，并相應(yīng)調(diào)整比例系數(shù)，反復(fù)試湊至得到14##大學(xué)本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）較滿意的響應(yīng)，確定比例和積分的參數(shù)。（3）整定微分環(huán)節(jié)若經(jīng)過步驟（2），PI控制只能消除穩(wěn)態(tài)誤差，而動(dòng)態(tài)過程不能令人滿意，則應(yīng)加入微分控制，構(gòu)成PID控制。先置微分時(shí)間TD=0，逐漸加大TD，同時(shí)相應(yīng)地改變比例系數(shù)和積分時(shí)間，反復(fù)試湊至獲得滿意的控制效果和PID控制參數(shù)。2.4.2主回路和副回路的PID參數(shù)整定關(guān)于主回路與副回路的調(diào)節(jié)順序，一般是先對(duì)副回路進(jìn)行調(diào)節(jié)，然后對(duì)主回路進(jìn)行調(diào)節(jié)。(1主參數(shù)的選擇和主回路的設(shè)計(jì)：串級(jí)控制系統(tǒng)是由主回路和副回路組成。主回路是一個(gè)定值控制系統(tǒng)。對(duì)于主參數(shù)的選擇和主回路的設(shè)計(jì)，基本上可以按照單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則進(jìn)行。凡直接或間接與生產(chǎn)過程運(yùn)行性能密切相關(guān)并可直接測量的工藝參數(shù)均可以選擇為主參數(shù)。再此我們選擇雙容水箱下水箱的液位高度作為主控制參數(shù)。（2）副參數(shù)的選擇和副回路的設(shè)計(jì)1）副參數(shù)的選擇副回路應(yīng)包括生產(chǎn)過程中的變化劇烈，頻繁并且幅度很大的主要擾動(dòng)，并要盡可能的多包含一些擾動(dòng)。由于串級(jí)控制系統(tǒng)副回路具有調(diào)節(jié)速度快、抑制擾動(dòng)能力強(qiáng)的特點(diǎn)。在副回路設(shè)計(jì)時(shí)，要充分發(fā)揮這一特點(diǎn)，把生產(chǎn)過程中的主要擾動(dòng)（并要盡量的包含一些其他的擾動(dòng)）包含在副回路中，一盡量減少對(duì)主參數(shù)的影響，提高主參數(shù)的控制質(zhì)量。在雙容水箱液位控制系統(tǒng)中，我們以下水箱的水位為主控參數(shù)以及上水箱水位作為副參數(shù)，就是考慮到上水箱的水位具有變化劇烈、頻繁且幅度較大的特點(diǎn)。（3）主副調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的選擇在串級(jí)控制系統(tǒng)中，主副調(diào)節(jié)器所起的作用是不同的。主調(diào)節(jié)器起定值控制的作用，副調(diào)節(jié)器起到隨動(dòng)控制的作用，這是選擇控制規(guī)律的基本出發(fā)點(diǎn)主參數(shù)是工藝操作的主要指標(biāo)，允許的波動(dòng)范圍很小，一般要求無余差，因此主調(diào)節(jié)器應(yīng)選PI或者PID控制規(guī)律。副參數(shù)的設(shè)置是為了保證主參數(shù)的控制質(zhì)量，因此允許在一個(gè)較大的范圍內(nèi)變動(dòng)，并允許有余差，因此副調(diào)節(jié)器只要選P控制規(guī)律進(jìn)行比例調(diào)節(jié)即可，具有放大系數(shù)較大，控制作用強(qiáng)，余差小的特點(diǎn)。一般不引入積分控制規(guī)律，是因?yàn)榉e分控制規(guī)律會(huì)延長控制過程，減弱副回路的快速作用。并且一般也不引入微分控制作用，因?yàn)楦被芈繁旧砥鹬焖俚淖饔茫僖胛⒎挚刂埔?guī)律會(huì)使調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作過大，反而對(duì)控制不利。（4）主、副調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)器正、反作用方式的選擇15##大學(xué)本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）為了滿足生產(chǎn)工藝的要求，確保串級(jí)控制系統(tǒng)正常運(yùn)行，主、副調(diào)節(jié)器正反作用方式必須正確選擇。在具體選擇時(shí)，實(shí)在調(diào)節(jié)閥氣開、氣關(guān)形式；然后根據(jù)生產(chǎn)工藝條件和調(diào)節(jié)閥形式確定副調(diào)節(jié)器的正反作用方式；最后再根據(jù)主副回路參數(shù)的關(guān)系，決定主副調(diào)節(jié)器的正反作用方式。對(duì)單回路控制系統(tǒng)來說，要是一個(gè)過程控制系統(tǒng)能夠正常工作，系統(tǒng)必須為負(fù)反饋。對(duì)于串級(jí)控制系統(tǒng)來說，主副調(diào)節(jié)器正、反作用方式的選擇原則是整個(gè)控制系統(tǒng)構(gòu)成負(fù)反饋系統(tǒng)，即其主通道各環(huán)節(jié)的放大系數(shù)極性乘積必須為正值。（5）串級(jí)控制系統(tǒng)主副調(diào)節(jié)器正反作用方式的確定為了確保串級(jí)控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行，主、副調(diào)節(jié)器正反作用方式必須正確選擇。在具體選擇時(shí)，是在調(diào)節(jié)閥氣開氣關(guān)方式已經(jīng)選定的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。16##大學(xué)本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）第三章組態(tài)王6.5簡介與操作界面的設(shè)計(jì)3.1組態(tài)王6.5簡介（1）組態(tài)王軟件：組態(tài)王軟件組態(tài)王開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)軟件，是新型的工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，它以標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)計(jì)算機(jī)軟、硬件平臺(tái)構(gòu)成的集成系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的封閉式系統(tǒng)。（2）組態(tài)王軟件的特點(diǎn)：它具有適應(yīng)性強(qiáng)、開放性好、易于擴(kuò)展、經(jīng)濟(jì)、開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)。通?？梢园堰@樣的系統(tǒng)劃分為控制層、監(jiān)控層、管理層三個(gè)層次結(jié)構(gòu)。其中監(jiān)控層對(duì)下連接控制層，對(duì)上連接管理層，它不但實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場的實(shí)時(shí)監(jiān)測與控制，且在自動(dòng)控制系統(tǒng)中完成上傳下達(dá)、組態(tài)開發(fā)的重要作用。尤其考慮三方面問題：畫面、數(shù)據(jù)、動(dòng)畫。通過對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)要求及實(shí)現(xiàn)功能的分析，采用組態(tài)王對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。組態(tài)軟件也為試驗(yàn)者提供了可視化監(jiān)控畫面，有利于試驗(yàn)者實(shí)時(shí)現(xiàn)場監(jiān)控。而且，它能充分利用Windows的圖形編輯功能，方便地構(gòu)成監(jiān)控畫面，并以動(dòng)畫方式顯示控制設(shè)備的狀態(tài)，具有報(bào)警窗口、實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線等，可便利的生成各種報(bào)表。它還具有豐富的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和靈活的組態(tài)方式、數(shù)據(jù)鏈接功能。（3）組態(tài)王軟件使用步驟：使用組態(tài)王實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)仿真的基本方法：1圖形界面的設(shè)計(jì)2構(gòu)造數(shù)據(jù)庫3建立動(dòng)畫連接4運(yùn)行和調(diào)試(4組態(tài)王軟件特點(diǎn):使用組態(tài)王軟件開發(fā)具有以下幾個(gè)特點(diǎn):1實(shí)驗(yàn)全部用軟件來實(shí)現(xiàn),只需利用現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)就可完成自動(dòng)控制系統(tǒng)課程的實(shí)驗(yàn),從而大大減少購置儀器的經(jīng)費(fèi)。2該系統(tǒng)是中文界面,具有人機(jī)界面友好、結(jié)果可視化的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)用戶而言,操作簡單易學(xué)且編程簡單,參數(shù)輸入與修改靈活,具有多次或重復(fù)仿真運(yùn)行的控制能力,可以實(shí)時(shí)地顯示參數(shù)變化前后系統(tǒng)的特性曲線,能很直觀地顯示控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線,這些很強(qiáng)的交互能力使其在自動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)中可以發(fā)揮理想的效果。(5在采用組態(tài)王開發(fā)系統(tǒng)編制應(yīng)用程序過程中要考慮以下三個(gè)方面:1圖形,是用抽象的圖形畫面來模擬實(shí)際的工業(yè)現(xiàn)場和相應(yīng)的工控設(shè)備。2數(shù)據(jù),就是創(chuàng)建一個(gè)具體的數(shù)據(jù)庫,并用此數(shù)據(jù)庫中的變量描述工控對(duì)象的各屬性,比如水位、流量等。3連接,就是畫面上的圖素以怎樣的動(dòng)畫來模擬現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行,以及怎樣讓操作17##大學(xué)本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）者輸入控制設(shè)備的指令。3.2基于組態(tài)王6.5的液位控制系統(tǒng)上位機(jī)部分設(shè)計(jì)3.2.1建立新工程啟動(dòng)“組態(tài)王”工程管理器，選擇菜單“文件\新建工程”或單擊“新建”按鈕，彈出如圖2示：單擊“下一步”繼續(xù)。彈出“新建工程向?qū)е?duì)話框”，在工程路徑文本框中輸入一個(gè)有效的工程路徑，或單擊“瀏覽?”按鈕，在彈出的路徑選擇對(duì)話框中選擇一個(gè)有效的路徑。單擊“下一步”繼續(xù)。彈出“新建工程向?qū)е龑?duì)話框”，在工程名稱文本框中輸入工程的名稱，該工程名稱同時(shí)將被作為當(dāng)前工程的路徑名稱。在工程描述文本框中輸入對(duì)該工程的描述文字。單擊“完成”完成工程的新建。進(jìn)入“工程瀏覽器”。圖3.1建立新的工程18##大學(xué)本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）圖3.2建立畫面3.2.2定義外部設(shè)備ICP—7017連接在計(jì)算機(jī)的COM1口。在組態(tài)王工程瀏覽器的左側(cè)選中“COM1”，在右側(cè)雙擊“新建”，運(yùn)行“設(shè)備配置向?qū)А薄＿x擇ICP7017的“串行”項(xiàng)，單擊“下一步”；為外部設(shè)備取一個(gè)名稱，輸入“IPC1”，單擊“下一步”；為設(shè)備選擇連接串口，假設(shè)為COM1，單擊“下一步”；填寫設(shè)備地址，假設(shè)為1，單擊“下一步”；請(qǐng)檢查各項(xiàng)設(shè)置是否正確，確認(rèn)無誤后，單擊“完成”。設(shè)備定義完成后，你可以在工程瀏覽器的右側(cè)看到新建的外部設(shè)備“ICP1”。在定義數(shù)據(jù)庫變量時(shí)，只要把I/O變量連接到這臺(tái)設(shè)備上，它就可以和組態(tài)王交換數(shù)據(jù)了，如下圖。19##大學(xué)本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）圖3.3選擇I/O口變量定義變量的方法:將要建立的“監(jiān)控中心”，需要從下位機(jī)采集下水箱液位高度的變化，所以需要在數(shù)據(jù)庫中定義這個(gè)變量。因?yàn)樵摂?shù)據(jù)是通過驅(qū)動(dòng)程序采集到的，所以三個(gè)變量的類型都是I/O實(shí)型變量。這個(gè)變量名為“下水箱液位高度”，定義方法如下：在工程瀏覽器的左側(cè)選擇“數(shù)據(jù)詞典”，在右側(cè)雙擊“新建”，彈出“變量屬性”對(duì)話框；對(duì)話框設(shè)置為如圖6：設(shè)置完成后，單擊“確定”。用類似的方法建立其他變量。20##大學(xué)本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）圖3.4定義變量3.2.3動(dòng)畫設(shè)計(jì)建立動(dòng)畫連接:在畫面上雙擊圖形對(duì)象“下水箱”，彈出“動(dòng)畫連接”對(duì)話框。單擊“填充”按鈕，彈出“填充連接”對(duì)話框，對(duì)話框設(shè)置如圖8。注意填充方向和填充色的選擇。單擊“確定”。單擊“動(dòng)畫連接”對(duì)話框的“確定”。用同樣的方法設(shè)置“上水箱”和“儲(chǔ)水箱”的動(dòng)畫連接。在設(shè)置“儲(chǔ)水箱”的動(dòng)畫連接時(shí)將“填充方向”改為“由上向下填充”。21##大學(xué)本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）圖3.5文本動(dòng)畫連接選擇MAKE菜單“文件\全部存”。只有保存畫面上的改變以后，在VIEW中才能看到你的工作成果。啟動(dòng)畫面運(yùn)行程序VIEW。VIEW啟動(dòng)后，選擇菜單“畫面\打開”，在彈出的對(duì)話框中選擇“監(jiān)控中心”。運(yùn)行畫面如下：圖3.6動(dòng)畫連接效果22##大學(xué)本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）3.2.3組態(tài)王6.5的控件中選擇歷史曲線繪制工具箱內(nèi)點(diǎn)擊“插入通用控件”，選擇其中“歷史趨勢(shì)曲線”即可在畫面中繪制歷史曲線。選擇“控件屬性”，對(duì)話框包括“曲線”和“坐標(biāo)系”兩部分。在“曲線”中點(diǎn)擊“增加”添加需要的變量，“坐標(biāo)系”使用默認(rèn)值，單擊對(duì)話框的“確定”按鈕。為使趨勢(shì)曲線能顯示變量的變化情況，必須先對(duì)變量做如下設(shè)置：選擇菜單“數(shù)據(jù)庫/數(shù)據(jù)詞典”，在變量列表中對(duì)相應(yīng)變量進(jìn)行設(shè)置，選中“記錄定義”對(duì)話框中“數(shù)據(jù)變化記錄”選擇框，使之有效。單擊“保存”。監(jiān)控畫面如下圖圖3.7水箱液位控制界面23##大學(xué)本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）第四章設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)4.1設(shè)備的連接和檢查（1）將AE2000B實(shí)驗(yàn)對(duì)象的儲(chǔ)水箱灌滿水（至最高高度）。（2）打開以丹麥泵、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、渦輪流量計(jì)組成的動(dòng)力支路至上水箱的出水閥，關(guān)閉動(dòng)力支路上通往其他對(duì)象的切換閥。（3）打開上水箱和下水箱的出水閥至適當(dāng)開度。（4）檢查電源開關(guān)是否關(guān)閉。圖4.1上水箱中水箱液位串級(jí)控制框圖4.2系統(tǒng)連線對(duì)操作面板按下圖進(jìn)行連線。24##大學(xué)本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）圖4.2實(shí)驗(yàn)接線1）將I/O信號(hào)接口板上的中水箱液位的鈕子開關(guān)打到OFF位置，上水箱液位的鈕子開關(guān)打到ON位置。2）按上圖所示連線。3）將主調(diào)節(jié)儀的4~20mA輸出接至I/O信號(hào)面板的溫度變送器轉(zhuǎn)換電阻上轉(zhuǎn)換成1~5V電壓信號(hào)，再將此轉(zhuǎn)換信號(hào)接至另一調(diào)節(jié)儀（副調(diào)節(jié)器）的1端和2端作為外部給定，上水箱液位信號(hào)轉(zhuǎn)換為0.2~1V的信號(hào)后接入副調(diào)節(jié)器的3、2兩端。調(diào)節(jié)器輸出的4~20mA接電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的4~20mA控制信號(hào)兩端。啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置：1）將實(shí)驗(yàn)裝置電源插頭接到220V的單相電源上。2）打開電源單帶漏電保護(hù)空氣開關(guān)，電壓表指示220V。3）打開總電源開關(guān)，即可開啟電源。25##大學(xué)本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）4.3實(shí)驗(yàn)步驟1）開啟電動(dòng)調(diào)節(jié)閥電源、24V電源、智能調(diào)節(jié)儀電源，根據(jù)儀表使用說明書和液位傳感器使用說明調(diào)整好儀表各項(xiàng)參數(shù)和液位傳感器的零位、增益。2）啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，進(jìn)入組態(tài)王6.5的調(diào)節(jié)界面。圖4.3上位機(jī)實(shí)驗(yàn)界面3）設(shè)定主控參數(shù)和副控參數(shù)，設(shè)定中水箱液位為13cm。設(shè)定副控回路的相關(guān)參數(shù)為比例度10，積分時(shí)間為9999.99，微分時(shí)間為0。設(shè)定主控回路的相關(guān)參數(shù)為比例度10，積分時(shí)間100，微分時(shí)間為0。4）對(duì)副控制回路的P進(jìn)行整定。啟動(dòng)動(dòng)力支路，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，在中水箱給一個(gè)階躍信號(hào)，將水位設(shè)定值突然增加到15cm，觀察軟件的實(shí)時(shí)曲線的變化。由于在副控回路的比例度（）為10時(shí)，可對(duì)干擾達(dá)到迅速、超調(diào)量較小的控制，因此將副回路的P比例度設(shè)定為10.5）對(duì)主回路的PID參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。由于主回路對(duì)中水箱的液位進(jìn)行精確控制，因此主回路的比例度要比副回路的稍大，設(shè)定為15，此時(shí)超調(diào)量約為2.6cm，未超過15%，因此設(shè)定主回路的比例度設(shè)定為15是合適的。在主回路和副回路的比例度確定的情況下對(duì)積分時(shí)間進(jìn)行整定。在副回路比例度10，主回路比例度15的情況下，是中水箱液26##大學(xué)本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）位在13cm穩(wěn)定時(shí)將設(shè)定值改為15cm，觀察階躍相應(yīng)，得到：圖4.4積分時(shí)間100時(shí)的階躍響應(yīng)其中綠色曲線表示設(shè)定值變化，紅色曲線表示階躍響應(yīng)曲線，黃色曲線表示副控回路的控制對(duì)象變化。從圖中可以看出，積分時(shí)間為100時(shí)，余差大約在1.3cm至1.5cm，余差過大，是實(shí)驗(yàn)?zāi)康乃荒苋淌艿模虼藢?duì)積分時(shí)間進(jìn)行調(diào)節(jié)，設(shè)定為50，此時(shí)截取畫面：圖4.5積分時(shí)間為50時(shí)的階躍相應(yīng)可見，在積分時(shí)間調(diào)節(jié)到50后，在曲線穩(wěn)定后測量值與設(shè)定值吻合，此時(shí)調(diào)節(jié)余差為0cm，微分時(shí)間得以整定。在上述步驟進(jìn)行整定時(shí)，從開始加階躍擾動(dòng)到系統(tǒng)最終穩(wěn)定的時(shí)間為7min，調(diào)節(jié)時(shí)間過長，因此需要外加微分環(huán)節(jié)。在微分時(shí)間為0時(shí)，此時(shí)系統(tǒng)的超調(diào)量、最終余差都在可接受的范圍內(nèi)，因此只需對(duì)微分時(shí)間進(jìn)行調(diào)節(jié)，將微分時(shí)間調(diào)節(jié)為2，如下圖：27##大學(xué)本科