雙容水箱液位串級控制系統(tǒng)的設(shè)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(yīng)曲線法建立模型 . .73系統(tǒng)控制方案設(shè)計與仿真 . .133.1 PID 控制原理 . .133.2系統(tǒng)控制方案設(shè)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) .

2、.265.1計算機過程控制系統(tǒng)硬件設(shè)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結(jié)論 . .40謝詞 .41參考文獻. .42精品文檔雙容水箱液位串級控制系統(tǒng)的設(shè)計摘要：本論文的目的是設(shè)計雙容水箱液位串級控制系統(tǒng)。在設(shè)計中充分利用自動化儀表技術(shù)，計算機技術(shù)，通訊技術(shù)和自動控制技術(shù)，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(shè)計串級控制系統(tǒng)，采用動態(tài)仿真技術(shù)對控制系統(tǒng)的性能進行分析。然后，設(shè)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

3、 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(guān)鍵詞：液位模型 PID 控制儀表過程控制系統(tǒng)計算機過程控制系統(tǒng)Abstract:The purpose ofthisthesisisto designthe liquidlevel's concatenation controlsystemof thedoublecapacity watertank.Thisdesignmakes fulluse of theautomatic indicatortechniquethe computer technique th

4、e communication technique and the automaticcontrol technique in order to realize concatenation control of water tank's liquid.First, I carry out the analysis of the controlled objects' model, and use theexperimental method to calculate the transfer function of the model .Next, I Designthe co

5、ncatenation control system and use the dynamic simulation technique to analyzethe capabilityofcontrolsystem.Afterwards,I designand setup the indicatorprocesscontrol system, realize PID control of the liquid level with intelligence indicator.Finally, I design and set up the long distance computer con

6、trol system in virtue ofthe datacollectionmodule MCGSsoftand digitalPID controller，accomplishcontrolsystem experiment and analyze the outcome.Keywords:liquidlevel modelPIDcontrolindicatorprocess controlsystem computerprocesscontrol system。1歡迎下載雙容水箱液位串級控制系統(tǒng)的設(shè)計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

7、自動控制理論的日趨成熟，自動化技術(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。過程控制技術(shù)是自動化技術(shù)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(fù)雜過程控制系統(tǒng)逐步應(yīng)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(shù)和計算機技術(shù)開始應(yīng)用于過程控制領(lǐng)域，實現(xiàn)了直接

8、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，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論為核心的最佳估計所組成的現(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)。同時新型的分布式控制系統(tǒng)（DCS）集計算機技術(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(xué)相結(jié)合的智能控制技術(shù)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

9、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， 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(dāng)今自動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(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(wù)和

10、實現(xiàn)復(fù)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(dāng)計算機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

11、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2精品文檔命令；計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(shè)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(biāo)準(zhǔn)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

12、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(yīng)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(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(shè)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

13、物料搭配得當(dāng)。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(shè)計欠妥，會造成生產(chǎn)中對液位控制的不合理，導(dǎo)致原料的浪費產(chǎn)品的不合格，甚至造成生產(chǎn)事故，所以設(shè)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(shè)計中將以THJ-2 高級過程控制實驗系統(tǒng)為基礎(chǔ)，展開設(shè)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(shè)計控制系統(tǒng)的過程中， 將利用到 MATLAB軟件和 MCGS

14、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(yīng)用最廣泛的科學(xué)與工程計算軟件，它廣泛應(yīng)用于自動控制、數(shù)學(xué)運算、信號分析、計算機技術(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，現(xiàn)今已推出基于Windows2000/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)值計算、矩陣運算、信號處理和圖形生成等功能。在MATLAB

15、環(huán)境下，用戶可以集成地進行程序設(shè)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(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，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)由五個主要部分組成：。3歡迎下載雙容水箱液位串級控制系統(tǒng)的設(shè)計(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(shè)計和算法實驗的基本任務(wù)，也可以進行大規(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

16、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為用戶提供的一個函數(shù)庫，使得用戶能夠在 MA

17、TLAB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(wù)。MATLAB具有豐富的可用于控制系統(tǒng)分析和設(shè)計的函數(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

18、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(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)軟件介紹計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)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)， 并且通過采用遠程監(jiān)控及診斷等先進技術(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(shè)備控制與輸出、網(wǎng)絡(luò)

19、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(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)境中完成動畫設(shè)計、設(shè)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(yīng)用系統(tǒng)，統(tǒng)稱為

20、“工程”。MCGS運行環(huán)境是用戶應(yīng)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(shè)計的目標(biāo)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(shù)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， 分析工程中的設(shè)備采集及輸出通道與軟件中實時數(shù)據(jù)庫變量的對應(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，4精品文檔指定存盤數(shù)據(jù)

21、庫文件的名稱以及存盤數(shù)據(jù)庫，設(shè)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(shè)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(shè)計和動態(tài)屬性設(shè)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(fù)雜的畫面。 后一部分則設(shè)置圖形的

22、動畫屬性， 與實時數(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)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(shè)備驅(qū)動程序：選定與設(shè)備相匹配的設(shè)備構(gòu)件，連接設(shè)備

23、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。此項操作在設(shè)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。5歡迎下載雙容水箱液位串級控制系統(tǒng)的設(shè)計2 被控對象建模在控制系統(tǒng)設(shè)計工作中， 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 （動態(tài)特性） 是指過程在各輸入量 （包括控制量和擾動量） 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

24、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(shè)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(zé)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1Q1h2Q2A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單容過程。如圖，水箱的流入量為Q，流出量為Q，通過改變閥1 的開度改變Q 值，改變閥 2 的121開度可以改變 Q 值。

25、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 Q21和 Q2 不等而導(dǎo)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(xué)模型就是h 與 Q 之間的數(shù)學(xué)表達式。1根據(jù)動態(tài)物料平衡， Q1-Q2=A(dh/dt)； Q1- Q2=A(d h/dt)在靜態(tài)時， 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/R 2，經(jīng)拉氏變換得單容液位過程的傳遞函數(shù)為W0(s)=H(s)/Q

26、 1(s)=R 2/(R 2Cs+1)=K/(Ts+1)注： Q1 Q2 h: 分別為偏離某一個平衡狀態(tài)Q10 Q20 h0 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(yīng)曲線法建立模型在本設(shè)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(yīng)曲線和相關(guān)參數(shù)。6, 水箱液位重新進入平衡狀態(tài)。精品文檔通過磁力驅(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(yīng)曲線。在測定

27、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。施加階躍輸入信號供水控制進水量階躍響應(yīng)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(yīng)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=

28、60, 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

29、度 OP1=40, 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=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)。7歡迎下載雙容水箱液位串級控制系統(tǒng)的設(shè)計圖 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

30、.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表 2.

31、2 下水箱階躍響應(yīng)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)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(yīng)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(yīng)初始點的值作為 Y 軸坐標(biāo)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(yīng)數(shù)據(jù)點； 將對應(yīng) Y 軸上階躍響應(yīng)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

32、 21.94 22.55 23.44 23.63 23.84 24.1424.25 24.27 ；>> p=polyfit(x,y,4)；>> xi=0:3:420 ；>> yi=polyval(p,xi)；>> plot(x,y, b:o xi,yi,'r')。8精品文檔在 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(yīng)曲線，得到多項式的表達式：P(t) -1.8753e(-009)t4+2.2734e(-006)t

33、3-0.0010761t2+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(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，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 ,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(yīng)擾動值為10, 靜態(tài)放大系數(shù)為階躍響應(yīng)曲線的穩(wěn)態(tài)值y() 與階躍擾動值x0。9歡迎下載雙容水箱液位串級控制系統(tǒng)的設(shè)計之比 k0y( ) ，

34、所以上水箱傳遞函數(shù)為 G2(s)2.451x099.16s4. 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=03.176.269.5112.5415.518.420.7722.9825.0526.8528.8630.5932.3233.6935.1636.42 37.7439.02 40.09 41.16 42.02 42.94 43.47 44.43 45.17 45.81 46.4146.9947.4 47.79 48.24 48.77 49.17 49.34 49.65 49.91 50.37 50.82 51

35、.04 51.51 51.7852.0652.31 52.3952.5952.63 52.92 53.18 53.2653.3 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:o xi,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。如圖所示，利用四階多項式近似擬合下水箱的響應(yīng)曲線，得到多項式的表達

36、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(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，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 ,A 點映射在t 軸上的 B 點的值為T。10精品文檔圖 2.8下水箱模型計算曲線階躍響應(yīng)擾動值為10, 靜態(tài)放大系數(shù)為階躍響應(yīng)曲線的穩(wěn)態(tài)值y( ) 與階躍

37、擾動值 x0y( )，所以下水箱傳遞函數(shù)為G（1S）5.45。之比 k0447.63S1x0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Gp( s) Gv( s)G (s)Gm( s) ， Gv(s) 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。11歡迎下載雙容水箱液位串級控制系統(tǒng)的設(shè)計3 系統(tǒng)控制方案設(shè)計與仿真控制方案設(shè)計是過程控制系統(tǒng)設(shè)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(biāo)，合理選擇被控參數(shù)，合理設(shè)計控制規(guī)律，選擇檢測、變送器和

38、選擇執(zhí)行器。 選擇正確的設(shè)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(shù)的廣泛應(yīng)用，PID 控制技術(shù)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(yīng)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(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)

39、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。比例 Pr(t)+y(t)積分 I+被控對象微分 D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)成控制偏差：e(t )r (t )y(t) 。PID 控制規(guī)律為：U (t ) Kpe(t )1 te(t) Tdde(t)Ti 0dt或以傳遞函數(shù)形式表示：U (s)1G ( s)kp(1Tds)E(s)Tis式中， KP: 比例系數(shù)T I : 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

40、的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系， 能較快克服擾動， 使系統(tǒng)穩(wěn)定下來。 但當(dāng)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(guān)系。12精品文檔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，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

41、，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(guān)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(yīng)該是零。所以在控制器中僅引入“比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項” ，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，甚至為負值， 從而避

42、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)過程中的動態(tài)特性。PID 控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計的重要內(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(xué)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(xué)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。 PI

43、D 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， 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)節(jié)器參數(shù)：調(diào)節(jié)器參數(shù)TITD控制規(guī)律P2 kPI2.2 kTK/1.2PID1.6 k0.5T k0.25T k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(fù)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)：。13歡迎下載雙容水箱液位串級控制系統(tǒng)的設(shè)計調(diào)節(jié)器參數(shù)TITD控制規(guī)律P SPI1.2 S0.5T S