基于MATLAB的三容水箱液位串級控制系統(tǒng)的設(shè)計

1、百旗文庫-讓每個人平等地提升自就安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）專業(yè)班級學(xué)生姓名學(xué)號一基于MATLAB的三容水箱液位串級指導(dǎo)教師2011年6月1日百座文暉-讓每個人平等地提升自期基于MATLAB的三容水箱液位串級控制系統(tǒng)的設(shè)計摘要液位是工業(yè)生產(chǎn)進(jìn)程中重要的被控量之一，因此液位控制的研究具有專門大的現(xiàn)實意義。水箱的液位控制對石油、冶金、化工等行業(yè)來講必不可少口本論文的目的是設(shè)計三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)，運算機(jī)技術(shù)，自動控制技術(shù)，以實現(xiàn)對水箱液位的串級控制。第一對被控對象的模型進(jìn)行分析，并采用實險建模法求取模型的傳遞函數(shù).然后，按照被控對象模型和被控進(jìn)程特性并加入P

2、ID調(diào)節(jié)器設(shè)計串皴控制系統(tǒng)，采用動態(tài)仿真技術(shù)對控制系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析.同時，通過對實際控制的結(jié)果進(jìn)行比較，驗證了申皴控制對提高系統(tǒng)性能的作用.隨著運算機(jī)控制技術(shù)的迅速進(jìn)展，組態(tài)技術(shù)開始取得重視與運用，它能夠?qū)ｉT好地解決傳統(tǒng)工業(yè)控制軟件存在的各種問題，利用戶能按照控制對象和控制目的任意組態(tài)，完成最終的自動化控制工程口關(guān)鍵詞：液位，串級控制，PIB調(diào)節(jié)器，系統(tǒng)仿真2百度文庫-讓每個人平等地提升自我AbstractLiquidlevelisoneofimportantcontrolledvariablesinindustrialprocess,soresearchonithasgreatrealis

3、ticpurposeofthisthesisistodesigntheliquidlevel'scascadecontrolsystemofthedesignmakesfulluseoftheautomaticindicatortechnique、thecomputertechnique、thecommunicationtechniqueandtheautomaticcontroltechniqueinordertorealizecascadecontrolofwavertank's,Icarryouttheanalysisofthecontrolledobjects1mode

4、l,andusetheexperimentalmethodtocalculatethetransferfunctionofthemodel.Next,Idesignthecascadecontrolsystemandusethedynamicsimulationtechniquetoanalyzethecapabilityofcontrolsystemanddesignthecascadecontrolsystem,accordingtothemodelofcontrolledobjectandcharacteristicofcontrolledprogress,jioningthemodul

5、atorofthemeantime,bycomparingthecontrolsystemfunctions,!validatetheeffectsofcascadecontrolsystemonacceleratingsystemcomputercontroltechnologydevelopsatahighspeed,configurationtechnologyisregardedandused,whichcansolvesomanyproblemsoftraditionalindustrialcontrolsoftwarethatuserscanconfigureatwilltofin

6、ishtheirautomaticprojectsaccordingtotheirobjectandgoal.Keywords：liquidlevel,cascadecontrol,P1Dmodulator,systemsimulation.7目錄1緒論1進(jìn)程控制概述1進(jìn)程控制的特點1工業(yè)進(jìn)程控制的進(jìn)展概況2進(jìn)程運算機(jī)控制系統(tǒng)2液位串級控制系統(tǒng)概述4串級控制系統(tǒng)大體概念即組成結(jié)構(gòu)4系統(tǒng)特點及分析4MATLAB軟件介紹5MATLAB系統(tǒng)組成5基于MATLAB的數(shù)值處置62被控對象建模7實驗法簡介7實驗步驟介紹8水箱數(shù)據(jù)收集方式介紹：9上水箱階躍響應(yīng)參數(shù)測定：9中水箱階躍響應(yīng)參數(shù)測定：9下水箱階躍

7、響應(yīng)參數(shù)測定：11數(shù)據(jù)擬合與水箱傳遞函數(shù)求取11求取上水箱模型傳遞函數(shù)11求取中水箱模型傳遞函數(shù)13求取下水箱模型傳遞函數(shù)143控制系統(tǒng)設(shè)計及仿真17控制系統(tǒng)的選擇17PID控制簡介18比例（P）控制18積分（I）控制19微分（D）控制19PID控制器參數(shù)整定194.控制系統(tǒng)仿真21階躍響應(yīng)性能21加入副回路的仿真21去除副回路的仿真22加入擾動235.進(jìn)程儀表控制與運算機(jī)控制26儀表控制系統(tǒng)概述26進(jìn)程儀表介紹26檢測部份26執(zhí)行機(jī)構(gòu)27控制器28運算機(jī)進(jìn)程控制系統(tǒng)29遠(yuǎn)程運算機(jī)控制系統(tǒng)概述29MCGS組態(tài)軟件概述29MCGS組態(tài)軟件的特點30運算機(jī)控制與進(jìn)程儀表控制比較3162吉論33致謝

8、34參考文獻(xiàn)35附錄：英文資料及譯文361 .英文資料362 .譯文44百度文庫讓每個人平等地提升自我1緒論進(jìn)程控制概述進(jìn)程控制的特點進(jìn)程控制是通過各類檢測儀表、控制儀表（包括電動儀表和氣動儀表，模擬儀表和智能儀表）和電子運算機(jī)（看做一臺儀表）等自動化技術(shù)工具，對整個生產(chǎn)進(jìn)程進(jìn)行自動檢測、自動監(jiān)督和自動控制。一個進(jìn)程控制系統(tǒng)是由被控進(jìn)程和進(jìn)程檢測儀表兩部份組成的。進(jìn)程檢測控制儀表包括檢測元件、變送器、調(diào)節(jié)器（包括運算機(jī)）、調(diào)節(jié)閥等。進(jìn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計是按照工業(yè)進(jìn)程的特性和工藝要求，通過選用進(jìn)程檢測控制儀表組成系統(tǒng)，再通過PID參數(shù)的整定，實現(xiàn)對生產(chǎn)進(jìn)程的最佳控制。進(jìn)程控制有以下特點：（1）它是

9、連續(xù)生產(chǎn)過程的自動控制。過程控制一般是指連續(xù)生產(chǎn)過程的自動控制，其被控量需定量的控制，而且應(yīng)是連續(xù)可調(diào)的。（2）被控過程是多種多樣、非電量的。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中。工業(yè)控制很復(fù)雜。由于生產(chǎn)規(guī)模大小不同，工藝要求各異，產(chǎn)品多種多樣，因此過程控制中的被控過程是多種多樣的。它們的動態(tài)特性多數(shù)具有大慣性、大滯后、非線形特性。有些機(jī)理復(fù)雜的過程至今尚未被人們所認(rèn)識，所以很難用目前過程辨識方法建立精確的數(shù)學(xué)模型，因此設(shè)計能適應(yīng)各種過程的控制并非易事。（3）過程控制的控制過程多屬慢過程，而且多半為參量控制。由于被控過程具有大慣性、大滯后（大時延）等特性，因此決定了過程控制的控制過程多屬慢過程。（4）過程控制方案

10、十分豐富。隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，工藝條件越來越復(fù)雜對控制過程的要求越來越高。過程控制的系統(tǒng)設(shè)計是以被控過程的特性為依據(jù)的。由于工業(yè)過程的復(fù)雜多變，因此其特性多半屬多變量、分布參數(shù)、大慣性、大滯后和非線形等等。（5）定值控制是過程控制的一種常用形式。在石油、化工、電力、冶金等現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，過程控制的主要目的在于消除或減小外界干擾對被控量的影響，使被控量能穩(wěn)定控制在該值上，使工業(yè)生產(chǎn)能實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)和低消耗的目標(biāo)。三容水箱液位定值控制系統(tǒng)是一種重要的過程控制，在石油、化工、冶金等工業(yè)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。它對液位設(shè)定值，利用申行控制系統(tǒng)，使下水箱液位保百度文庫-讓每個人平等地提升自我持在該值，

11、并跟隨此給定值，抵抗擾動。它只有一個控制變量，即下水箱液位，屬于單輸入、單輸出控制，通常把它組建為過程儀表控制系統(tǒng)或遠(yuǎn)程計算機(jī)控制系統(tǒng)。工業(yè)進(jìn)程控制的進(jìn)展概況自本世紀(jì)30年代以來，伴隨著自動控制理論的日趨成熟，自動化技術(shù)不斷地進(jìn)展并取得了驚人的成績，在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)進(jìn)展中起著關(guān)鍵性的作用。進(jìn)程控制技術(shù)是自動化技術(shù)的重要組成部份，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。初期的進(jìn)程控制系統(tǒng)采用基地式儀表和部份單元組合儀表，進(jìn)程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大多是單輸入，單輸出系統(tǒng)，進(jìn)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，以維持被控參數(shù)溫度，液位，壓力，流量的穩(wěn)固和消除主要擾動為控

12、制目的進(jìn)程。其后，串級控制，比值控制和前饋控制等復(fù)雜進(jìn)程控制系統(tǒng)慢慢應(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)和運算機(jī)技術(shù)開始應(yīng)用于進(jìn)程控制領(lǐng)域，實現(xiàn)了直接數(shù)字控制（DDC）和設(shè)定值控制（SPC）o以后，以最小二乘法為基礎(chǔ)的系統(tǒng)辨識，以極大值和動態(tài)計劃為主要方式的最優(yōu)控制和以卡爾曼濾波理論為核心的最佳估量所組成的現(xiàn)代控制理論，開始應(yīng)用于解決進(jìn)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)進(jìn)程控制有了更好的理論基礎(chǔ)。同時新型的散布式控制系統(tǒng)（DCS）集運算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(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(jìn)入控制管理一體化的新模式?，F(xiàn)今工業(yè)

13、自動化己進(jìn)入運算機(jī)集成進(jìn)程系統(tǒng)（CIPS）時期,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進(jìn)展。進(jìn)程運算機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)代化進(jìn)程工業(yè)向著大型化和持續(xù)化的方向進(jìn)展，生產(chǎn)進(jìn)程也隨之日趨復(fù)雜，而對生產(chǎn)質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)效益的要求，對生產(chǎn)的安全、靠得住性要求和對生態(tài)環(huán)境保護(hù)的要求卻愈來愈高。不僅如此，生產(chǎn)的安全性和靠得住性，生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益都成為衡量現(xiàn)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)不能知足對現(xiàn)代化進(jìn)程工業(yè)的控制要求。由于運算機(jī)具有運算速度快、精度高、存儲量大、編程靈活和具有很強(qiáng)的通信能力等特點，目前以微處置器、單片微處置器為核心的工業(yè)控

14、制兒與數(shù)字調(diào)節(jié)器一進(jìn)程運算機(jī)設(shè)備，正慢慢取代模擬調(diào)節(jié)器，在進(jìn)程控制中取得十分普遍的作用。在系統(tǒng)中，由于運算機(jī)只能處置數(shù)字信號，因此給定值和反饋量要先通過A/D轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，才能輸入運算機(jī)。當(dāng)運算機(jī)同意了給定值和反饋量后，依照誤差值，按某種控制規(guī)律（PID）進(jìn)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(jī)構(gòu)，從而完成對系統(tǒng)的控制作用。1 .進(jìn)程運算機(jī)系統(tǒng)的硬件部份：（1）由中央處置器、時鐘電路、內(nèi)存儲器組成的運算機(jī)主機(jī)是組成運算機(jī)控制系統(tǒng)的核心部份，進(jìn)行數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)處置、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)出各類控制命令，指揮系統(tǒng)安全靠得住的

15、協(xié)調(diào)工作。（2）包括各類控制開關(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(jī)對話的聯(lián)系紐帶，操作人員能夠通過操作臺向運算機(jī)輸入和修改控制參數(shù)，發(fā)出操作命令；運算機(jī)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(jī)、記錄儀、圖形顯示器、閃存等，它們用來顯示、存儲、打印、記錄各類數(shù)據(jù)。（4）I/O接口和I/O通道是運算機(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取得的工業(yè)對象的生產(chǎn)進(jìn)程參數(shù)（標(biāo)準(zhǔn)電信號）變換成二進(jìn)制代碼傳送給運算機(jī)；同時將運算機(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，實現(xiàn)對生產(chǎn)進(jìn)程的控制。2

16、 .進(jìn)程運算機(jī)系統(tǒng)的軟件部份：（1）系統(tǒng)軟件由運算機(jī)及進(jìn)程控制系統(tǒng)的制造廠商提供，用來管理運算機(jī)本身資源，方便用戶利用運算機(jī)。（2）應(yīng)用程序由用戶按照要解決的控制問題而編寫的各類程序（如各類數(shù)據(jù)收集、濾波程序、控制量計算程序、生產(chǎn)進(jìn)程監(jiān)控程序），應(yīng)用軟件的好壞將影響到控制系統(tǒng)的功能、精度和效率。液位串級控制系統(tǒng)概述在工業(yè)實際生產(chǎn)中，液位是進(jìn)程控制系統(tǒng)的重要被控量，在石油、化工、環(huán)保、水處置、冶金等行業(yè)尤其重要。在工業(yè)生產(chǎn)進(jìn)程自動化中，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)進(jìn)程中各環(huán)節(jié)

17、的物料搭配適當(dāng)。通過控制運算性能夠不斷監(jiān)控生產(chǎn)的運行進(jìn)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。若是控制系統(tǒng)設(shè)計欠妥，會造成生產(chǎn)中對液位控制的不合理，致使原料的浪費、產(chǎn)品的不合格，乃至造成生產(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。串級控制系統(tǒng)大體概念即組成結(jié)構(gòu)申級控制系統(tǒng)采用兩套檢測變送器和兩個調(diào)節(jié)器，前一個調(diào)節(jié)器的輸出作為后一個調(diào)節(jié)器的設(shè)定，后一個調(diào)節(jié)器的輸出送往調(diào)節(jié)閥。前一個調(diào)節(jié)器稱為主調(diào)節(jié)器，它所檢測和控制的變量稱主變量（主被控參數(shù)），即工藝控制指標(biāo)；后一個調(diào)節(jié)器稱為副調(diào)節(jié)器，它所檢測和控制的變量稱副變量（副被控參數(shù)），是為了穩(wěn)固主變量而引入的輔助

18、變量。整個系統(tǒng)包括兩個控制回路，主回路和副回路。副回路由副變量檢測變送、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥和副進(jìn)程組成：主回路111主變量檢測變送、主調(diào)節(jié)器、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥、副進(jìn)程和主進(jìn)程組成。在串級控制系統(tǒng)中，由于引入了一個副回路，不僅能及早克服進(jìn)入副回路的擾動，而且乂能改善進(jìn)程特性。副調(diào)節(jié)器具有“粗調(diào)”的作用，主調(diào)節(jié)器具有“細(xì)調(diào)”的作用，從而使其控制品質(zhì)取得進(jìn)一步提高。系統(tǒng)特點及分析* 改善了進(jìn)程的動態(tài)特性，提高了系統(tǒng)控制質(zhì)量。* 能迅速克服進(jìn)入副回路的二次擾動。* 提高了系統(tǒng)的工作頻率。* 對負(fù)荷轉(zhuǎn)變的適應(yīng)性較強(qiáng)。4百度文庫-讓每個人平等地提升自我MATLAB軟件介紹MATLAB軟件是由美國MathWo

19、rks公司開發(fā)的，是目前國際上最流行、應(yīng)用最普遍的科學(xué)與工程計算軟件，它普遍應(yīng)用于自動控制、數(shù)學(xué)運算、信號分析、運算機(jī)技術(shù)、圖形圖象處置、語音處置、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最先發(fā)行于1984年，通過10余年的不斷改良，現(xiàn)今已推出基于Windows2000/xp的MATLAB版本。新的版本集中了日常數(shù)學(xué)處置中的各類功能，包括高效的數(shù)值計算、矩陣運算、信號處置和圖形生成等功能。在MATLAB環(huán)境下，用戶能夠集成地進(jìn)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(jī)交互的數(shù)學(xué)系統(tǒng)

20、環(huán)境，該系統(tǒng)的大體數(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)用變得加倍速捷和便利。MATLAB系統(tǒng)組成(l)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)挪用、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、輸入輸出、面向?qū)ο蟮瘸绦蛘Z言特性。利用它既能夠進(jìn)行小規(guī)模編程，完成算法設(shè)計和算法實驗的大體任務(wù)，也能夠進(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提供給用戶利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式，和開發(fā)、調(diào)試、管理M文件的各類工具。(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)

21、圖示、圖像處置、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(jìn)行特性控制的低層MATLAB命令，和開發(fā)GUI應(yīng)用程序的各類工具。(4)MATLAB數(shù)學(xué)函數(shù)庫這是對MATLAB利用的各類數(shù)學(xué)算法的總稱.包括各類初等函數(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MATLAB環(huán)境中利用c程序或FORTRAN程序，包括從MATLAB中挪用于程序(動態(tài)鏈接)，讀寫MAT文件的功能。3百度文庫-讓每個人平等地提升自我基于MATLAB的數(shù)值處置現(xiàn)代科學(xué)與工程的進(jìn)展離不開數(shù)學(xué)。數(shù)

22、學(xué)家感興趣的問題和其他科學(xué)家、工程技術(shù)人員所關(guān)注的問題是不同。數(shù)學(xué)家往往對數(shù)學(xué)問題的解析解和解的存在性嚴(yán)格證明感興趣，而工程技術(shù)人員一般對如何求出數(shù)學(xué)問題的解更關(guān)心。換句話說，能用某種方式取得問題的解則是工程技術(shù)人員更關(guān)心的問題。而取得如此解的最直接方式就是通過數(shù)值解法技術(shù)。數(shù)學(xué)問題的數(shù)值解法已經(jīng)成功地運用于各個領(lǐng)域。而MATLAB語言就可以夠求解幾乎所有的數(shù)值問題，在本設(shè)計中就將運用它來對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行插值擬合。數(shù)據(jù)擬合成曲線的思想就是按照一組二維數(shù)據(jù)，即平面上的若干點，要求肯定一個一元函數(shù)y=即曲線，使這些點與曲線整體來講盡可能接近，曲線擬合其目的是按如實驗取得的數(shù)據(jù)去成立因變量與自變量之間

23、有效的經(jīng)驗函數(shù)關(guān)系，為進(jìn)一步的深切研究提供線索。92被控對象建模設(shè)汁三容水箱液位進(jìn)程控制系統(tǒng)必需先成立三容水箱的進(jìn)程模型。進(jìn)程的數(shù)學(xué)模型是設(shè)計進(jìn)程控制系統(tǒng)，肯定控制方案、分析質(zhì)量指標(biāo)，整定調(diào)節(jié)器參數(shù)等等的重要依據(jù)，所以進(jìn)程數(shù)學(xué)模型是進(jìn)程控制系統(tǒng)設(shè)計分析和應(yīng)用的重要資料。進(jìn)程建模對于實現(xiàn)生產(chǎn)進(jìn)程的自動化具有十分重要的意義。在液位串級控制系統(tǒng)中，咱們所關(guān)心的是如何控制好水箱的液位。上水箱、中水箱和下水箱是系統(tǒng)的被控對象，必需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、中水箱和下水箱為THJ-2高級進(jìn)程控制實驗裝置中上、中、下三個個串接的有機(jī)玻璃圓筒形水

24、箱，還有不銹鋼儲水箱負(fù)責(zé)供水與儲水。上水箱尺寸為：d=25cm,h=20cin;中水箱尺寸為：d=25cm,h=20cm；下水箱尺寸為：d=35cm,h=20cm,每一個水箱分為三個槽：緩沖槽、工作槽、出水槽。而成立進(jìn)程數(shù)學(xué)模型的大體方式，一般來講有機(jī)理分析法和實驗法兩種。機(jī)理分析法建模乂可被稱為數(shù)學(xué)分析法建模和理論建模。對于一些簡單的被控進(jìn)程建?？刹捎么朔??？墒?，由于很多工業(yè)進(jìn)程其內(nèi)部機(jī)理較復(fù)雜，對某些物理，化學(xué)進(jìn)程目前尚不完全清楚，所以對這些較復(fù)雜進(jìn)程的建模較為困難，再加上工業(yè)進(jìn)程非線性因素的存在和一些不合理的人為假設(shè)，使得機(jī)理法建模在對較為復(fù)雜的進(jìn)程建模時顯出短處?，F(xiàn)在，工程上普遍采用實

25、驗法建模。顧名思義，實驗法建模的主要特點是不需要深切了解進(jìn)程的機(jī)理。只要設(shè)計一個合理的實驗，去取得進(jìn)程所包括的充沛的信息量，就可以夠依照必然的方式取得被控進(jìn)程的數(shù)學(xué)模型，而控制理論已有相關(guān)成熟的方案，即工程上普遍采用的階躍響應(yīng)曲線法。實驗法簡介實驗法建?？煞譃榧訉ｉT信號和不加信號兩種。加專門信號就是在實驗進(jìn)程中改變所研究的進(jìn)程輸入量，對其輸出量進(jìn)行數(shù)據(jù)處置就可求得進(jìn)程的數(shù)學(xué)模型。不加專門信號既利用進(jìn)程在正常操作時所記錄的信號，進(jìn)行統(tǒng)計分析來求得進(jìn)程的數(shù)學(xué)模型。一般來講這種方式只能定性到反映進(jìn)程數(shù)學(xué)模型，其精度較差。所以，為了能取得精度較高的數(shù)學(xué)模型，應(yīng)采用加專門信號的實驗法。產(chǎn)生專門信號的發(fā)生

26、器多種多樣，下面介紹常用的階越響應(yīng)曲線法來辨識過程的數(shù)學(xué)模型。它的原理很簡單，在被控過程的輸入量作階越變化時，測定其輸出量隨時間變化的曲線，即得階越響應(yīng)曲線。為了在實驗時能滿足下水箱液位能達(dá)到設(shè)定的高度，要求三只水箱放水閥的開度必須滿足下列關(guān)系：上水箱放水閥開度)中水箱放水閥開度下水箱放水閥開度(1)這樣，當(dāng)系統(tǒng)運行與穩(wěn)態(tài)時，三個水箱液位高度關(guān)系必然會滿足下列不等式：下水箱液位中水箱液位)上水箱液位(2)即知足上述的不等式后，系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時才會出現(xiàn)流量的平衡關(guān)系。實驗步驟介紹1 .完成接線，接通電源.2 .打開閥門,3只放水閥的開度知足式(1)要求.3 .設(shè)置系統(tǒng)的給定值后，用手操作調(diào)節(jié)器的輸出

27、，以控制3只水箱液位的高度。當(dāng)下水箱的液位等于給定值，且上、中水箱的液位大體不變時，把調(diào)節(jié)器由手動切換為自動，使系統(tǒng)進(jìn)入自動運行狀態(tài)。4 .為突變給定量，施加階躍信號，提高各調(diào)節(jié)閥開度，使得節(jié)約擾動值為10,使各水箱從頭進(jìn)入平衡狀態(tài)，并記錄水位轉(zhuǎn)變數(shù)據(jù)。圖水箱階躍響應(yīng)框圖水箱數(shù)據(jù)收集方式介紹：上水箱階躍響應(yīng)參數(shù)測定：控制調(diào)節(jié)閥開度，使初始開度0PF50,等到水箱的液位處于平衡位置時。改變調(diào)節(jié)閥開度至OPF60,即對上水箱輸入階躍信號，使其液位離開原平衡狀態(tài)。通過必然調(diào)節(jié)時刻后，水箱液位從頭進(jìn)入平衡狀態(tài)。記錄階躍響應(yīng)參數(shù)（距離30s收集數(shù)據(jù)）：16111627121738131849141951

28、01520表上水箱階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)中水箱階躍響應(yīng)參數(shù)測定：控制調(diào)節(jié)閥開度，使應(yīng)參數(shù)測定初始開度0P尸45,等到水箱的液位處于平衡位置時。改變調(diào)節(jié)閥開度至02:55,即對上水箱輸入階躍信號,使其液位離開原平衡狀態(tài)。通過必然調(diào)節(jié)時刻后，水箱液位從頭進(jìn)入平衡狀態(tài)。記錄階躍響應(yīng)參數(shù)（距離30s收集數(shù)據(jù)）:171319281420391521410162251117236121824表中水箱階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)百度文庫讓每個人平等地提升自我下水箱階躍響應(yīng)參數(shù)測定:控制調(diào)節(jié)閥開度，使初始開度0P尸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0巳二50,即對上水箱輸入階躍信號,使其液位離開原平衡狀態(tài)。通過必然調(diào)

29、節(jié)時刻后，水箱液位從頭進(jìn)入平衡狀態(tài)。記錄階躍響應(yīng)參數(shù)(距離30s收集數(shù)據(jù)):113253749214263850315273951416284052517294153618304254719314355820324456921334557102234465811233547591224364860表下水箱階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)擬合與水箱傳遞函數(shù)求取由于實驗測定數(shù)據(jù)可能存在誤差，直接利用計算法求解水箱模型會使誤差增大。所以利用MATLAB軟件對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處置，按照最小二乘法原理和實驗數(shù)據(jù)對響應(yīng)曲線進(jìn)行最佳擬合后，再計算水箱模型。運用MATLAB提供的一組函數(shù)polyfit、polyval和plot能

30、夠取得比較滿意的多項式擬合曲線。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=0:30:540;y=;p二polyfit(x,y,5);xi=0:3:540;yi=polyval(p,xi);Plot(x,y,xi,yi,'-')35在MATLAB中繪出曲線如下:按照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)生階躍的剎時，即廿0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，需肯定K和T。而斜率K為P(t)導(dǎo)數(shù)在t=0的值為，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To階躍響應(yīng)擾動值

31、為10,靜態(tài)放大系數(shù)為階躍響應(yīng)曲線的穩(wěn)態(tài)值)，(8)二與階躍擾動值四二10之比血=3,所以上水箱傳遞函數(shù)為G1(S)=_£。xO605+1求取中水箱模型傳遞函數(shù)在MATLAB的命令窗口輸入曲線擬合指令：x=0:30:420;y=;p二polyfit(x,y,3);xi=0:3:420;yi=polyval(p,xi);plot(x,y,xi,yi,'-')在MATLAB中繪出曲線如下：圖中水箱模型計算曲線同上，斜率K為P(t)導(dǎo)數(shù)在t=0的值為，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。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),(8)

32、二與階躍擾動值10二10之比攵0=止2,所以中水箱傳遞函數(shù)%0747為GKS)=，105S+1求取下水箱模型傳遞函數(shù)在MATLAB的命令窗口輸入曲線擬合指令:x=0:30:1500;y=p二polyfit(x,y,3);xi=0:3:1500;yi=polyval(p,xi);plot(x,y,xi,yi,'-')在MATLAB中繪出曲線如下:圖下水箱模型計算曲線同上，斜率K為P(t)導(dǎo)數(shù)在廿0的值為，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To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)，(s):與階躍擾動值ZLt0=,所以下水箱傳遞函數(shù)xO為GK

33、S)=5.344535+13控制系統(tǒng)設(shè)計及仿真控制系統(tǒng)的選擇計算三容水箱液位進(jìn)程控制系統(tǒng)必需先成立三容水箱的進(jìn)程模型。進(jìn)程的數(shù)學(xué)模型是設(shè)計進(jìn)程控制系統(tǒng)，肯定控制方案、分析質(zhì)量指標(biāo)，整定調(diào)節(jié)器參數(shù)等等的重要依據(jù)，所以進(jìn)程數(shù)學(xué)模型是進(jìn)程控制系統(tǒng)設(shè)計分析和應(yīng)用的重要資料。進(jìn)程建模對于實現(xiàn)生產(chǎn)進(jìn)程的自動化具有十分重要的意義。三容水箱液位定值控制系統(tǒng)的被控對象是三容水箱，被控參數(shù)是下水箱液位，控制參數(shù)是上水箱的給水量，可用電動調(diào)節(jié)閥控制來實現(xiàn)。若采用單回路控制，其系統(tǒng)框圖如下：圖單回路控制系統(tǒng)框圖由于被控對象為三容水箱系統(tǒng)，為了知足對控制精度和功能的更高要求，單回路系統(tǒng)已難以知足此類被控對象，需要在單回

34、路的基礎(chǔ)上，采取其它辦法，組成比單回路系統(tǒng)復(fù)雜一些的控制系統(tǒng)，三閉環(huán)吊級控制系統(tǒng)就是一個選擇。圖三閉環(huán)液位串級控制系統(tǒng)框圖PID控制簡介在工程實際中，應(yīng)用最為普遍的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制,簡稱PID控制，乂稱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)固性好、工作靠得住、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型時:控制理論的其它技術(shù)難以采歷時.，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必需依托經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來肯定，這時應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)咱們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象,或不能通過有效的測量手腕來取得系統(tǒng)參

35、數(shù)時，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制，實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是按照系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進(jìn)行控制的。圖PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖PID控制器是一種線性控制器，它按照給定值r(t)與實際輸出值c(t)組成控制誤差e(t),B|Je(t)=r(t)-c(t)o將誤差的比例(P)、積分、微分通過線性組合組成控制量，對進(jìn)程對象進(jìn)行控制，故稱為PID控制器?？刂埔?guī)律為“=Kp"(/)+(卜力+。，力其中K.一比例系數(shù)，7；一積分時刻常數(shù)北一微分時刻常數(shù)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成比例關(guān)系。僅有比例控制時系統(tǒng)輸

36、出存在穩(wěn)態(tài)誤差(Steady-stateerror)o積分（I）控制在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。對一個自動控制系統(tǒng)，若是在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱那個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（SystemwithSteady-stateError）o為了消除穩(wěn)態(tài)誤差,在控制器中必需引入“積分項”。積分項對誤差取決于時刻的積分，隨著時刻的增加，積分項會增大。如此，即便誤差很小，積分項也會隨著時刻的增加而加大,它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分（PI）控制器，能夠使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。微分（D）控制在微分控制中，控制器的輸

37、出與輸入誤差信號的微分（即誤差的轉(zhuǎn)變率）成正比關(guān)系。自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)進(jìn)程中可能會出現(xiàn)振蕩乃至失穩(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，其轉(zhuǎn)變老是掉隊于誤差的轉(zhuǎn)變。解決的辦法是使抑制誤差的作用的轉(zhuǎn)變“超前”，即在誤差接近零時，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)測誤差轉(zhuǎn)變的趨勢，如此，具有比例+微分的控制器，就可以夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，乃至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)峻超調(diào)。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微

38、分（PD）控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)進(jìn)程中的動態(tài)特性。PID控制器參數(shù)整定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)按照被控進(jìn)程的特性肯定PID控制器的比例系數(shù)、積分時刻和微分時刻的大小。PID控制器參數(shù)整定的方式分為兩大類：一是理論計算整定法。它主如果依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，通過理論計算肯定控制器參數(shù)。III于實驗測定的進(jìn)程數(shù)學(xué)模型只能近似反映進(jìn)程動態(tài)特，理論計算的參數(shù)整定值靠得住性不高，還必需通過工程實際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定方式，乂稱實驗法。它主要依賴工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)實驗中進(jìn)行控制器參數(shù)整定，且方式簡單、易于掌握，在工程實際中被普遍采用。PID控制器參數(shù)的工程整定方式，主要

39、有臨界比例法、反映曲線法和衰減曲線法。三種方式都是通過實驗，然后依照工程經(jīng)驗公式對控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無論采用哪一種方式所取得的控制器參數(shù)，都需要在實際運行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善。本設(shè)計采用實驗法，通過不斷改變PID控制器的參數(shù)取得理想曲線,進(jìn)而肯定PID控制器的參數(shù)。4 .控制系統(tǒng)仿真階躍響應(yīng)性能在完成了被控對象的數(shù)學(xué)模型的成立和控制系統(tǒng)方案的選擇后，能夠在Simulink中對控制方案進(jìn)行仿真實驗，以驗證方案的可行性和和加深對于PID參數(shù)調(diào)整的定性熟悉。以三容水箱作為被控對象，其數(shù)學(xué)模型為三個單容水箱的串聯(lián)，其傳遞函數(shù)在上一章已成立?？紤]到后兩級水箱的輸入是上級水箱的液位輸出，與前面已成立的

40、模型相差一個增益，在下面的仿真實驗中，設(shè)該增益為1。另外可增加一個切換開關(guān)(ManualSwitch),通過手動切換開關(guān)能夠?qū)崿F(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。圖SIMULINK仿真框圖加入副回路的仿真在時刻為0時對系統(tǒng)加入大小為30的階躍信號，設(shè)置主控制器PID參數(shù)及二6,T尸，=120;仿真結(jié)束時刻設(shè)置為500s,仿真取得的波形圖如下:圖MATLAB加入副回路仿真曲線圖去除副回路的仿真將切換開關(guān)置于上，去掉副回路，系統(tǒng)成為單回路控制系統(tǒng)，從頭運行仿真，取得仿真圖入下圖所示：圖MATLAB不加入副回路仿真曲線由和兩圖對比可見

41、，引入副回路組成三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)有了專門大的改善，使不穩(wěn)固的三階系統(tǒng)變得穩(wěn)固，對被控對象的調(diào)節(jié)能力更強(qiáng)。加入擾動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(yīng)曲線.通過慣性環(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SIMULINK加入擾動仿真框圖圖MATLAB加入副回路擾動仿真曲線圖MATLAB不加入副回路擾動仿真曲線由圖和圖對比可見，引入副回路組成三容水箱液位吊級控制系統(tǒng)后能夠?qū)ｉT好的克服進(jìn)入副回路的擾動，及時消除擾動對主參數(shù)的影響.在克服二次擾動方面串級控制比不加副回路的非串級控制好。綜上所述,選擇串級PID控制的設(shè)計方案

42、完成對水箱液位的控制調(diào)節(jié)應(yīng)當(dāng)是可行的.而且在改善系統(tǒng)的動態(tài)特性、抗擾動能力等方面與非串級控制系統(tǒng)是較為有效的?？墒欠抡媲€只是在運算機(jī)上通過對實際系統(tǒng)仿真取得的較理想的模擬曲線.實際系統(tǒng)設(shè)計現(xiàn)場必需綜合考慮各方面的因素，不可能取得與運算機(jī)仿真一致的理想曲線和控制性能。5 .進(jìn)程儀表控制與運算機(jī)控制在現(xiàn)實生活和生產(chǎn)實踐中，液位控制主要有進(jìn)程儀表控制和運算機(jī)控制兩種方案，由于條件有限，無法對著兩種方案進(jìn)行設(shè)計和驗證，因此參考其他資料對其進(jìn)行簡單的介紹和比較，作初步的了解。儀表控制系統(tǒng)概述20世紀(jì)50年代前后，一些工廠企業(yè)的生產(chǎn)進(jìn)程實現(xiàn)了儀表化和局部自動化。這是進(jìn)程控制進(jìn)展的一個重要階段。到了六十年

43、代以來，隨著工業(yè)生產(chǎn)的不斷進(jìn)展，對進(jìn)程控制提出了新的要求；隨著電子技術(shù)的迅速進(jìn)展，也為自動化技術(shù)工具的完善創(chuàng)造了條件，氣動和電動單元組合儀表應(yīng)運而生。大規(guī)模集成電路制造成功與微處置器的接踵問世，使得自動化技術(shù)工具方面有了新的進(jìn)展，諸如以微處置器為核心的智能單元組合儀表（包括可編程調(diào)節(jié)器和DDZtu系列智能儀表）的開發(fā)和普遍應(yīng)用。本次設(shè)計所要實現(xiàn)的儀表控制系統(tǒng)方案中所利用的調(diào)節(jié)器就是一種智能單元組合儀表。儀表進(jìn)程控制系統(tǒng)是利用智能儀表與一次儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、調(diào)節(jié)閥等動作裝置組建的控制系統(tǒng)，用于工業(yè)現(xiàn)場控制，其控制方式能夠是直接手動調(diào)節(jié)給定輸出值，也可是儀表可按其預(yù)設(shè)工作方式自動調(diào)節(jié)輸出信號進(jìn)行控制

44、。進(jìn)程儀表介紹檢測部份在進(jìn)程控制系統(tǒng)設(shè)計中，測量和變送是信息獲取和傳送的重要環(huán)節(jié)，在工程上為了提高控制精度，被控參數(shù)的測量和變送必需迅速正確地反映其實際轉(zhuǎn)變情形，為系統(tǒng)設(shè)計提供準(zhǔn)確的依據(jù)。三容水箱液位系統(tǒng)檢測裝置采用壓力傳感器、液位變送器對下水箱液位進(jìn)行檢測、變送。本系統(tǒng)利用的BP-800型壓力傳感器普遍應(yīng)用與石油、化工、冶金、建材等企事業(yè)單位，實現(xiàn)對流體壓力的測量，并適用于各類場合全天候環(huán)境及各類侵蝕性液體。工作原理：進(jìn)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)V/A轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換為與輸入壓力成線形對應(yīng)關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)電流輸出信號。主要技術(shù)指標(biāo)如下：測量范圍：-

45、lOOKPa-lOOMpa準(zhǔn)確度：電源電壓：24VDC二線、三線；220VAC四線過載極限：額定量程的倍BP900系列液位變送器普遍應(yīng)用于石油、海洋、化工等企事業(yè)單位。它準(zhǔn)確度高、穩(wěn)固。安裝、利用簡便。工作原理：當(dāng)被測介質(zhì)（液體）的壓力作用于傳感器時，壓力傳感器將壓力信號轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)歸一化差分放大和輸出放大器放大，最后經(jīng)V/A電壓電流轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成與被測介質(zhì)（液體）的液位壓力成線形對應(yīng)關(guān)系的4-20mA標(biāo)準(zhǔn)電流輸出信號。T要技術(shù)指標(biāo)：量程：0-500M準(zhǔn)確度：%FS%FS%FS輸出信號：兩線制4-20Ma電源電壓：24VDC220VAC執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行器（調(diào)節(jié)閥）由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（閥）兩部份

46、組成.它是進(jìn)程控制中的一個重要組成環(huán)節(jié).在一個控制系統(tǒng)中，它同意調(diào)節(jié)器輸出的控制信號，并轉(zhuǎn)換趁直線位移或角位移來改變閥芯與閥座間的流通截面積以控制流入或流出被控進(jìn)程的流體介質(zhì)的流量,從而實現(xiàn)了對進(jìn)程參數(shù)的控制.QSVP系列智能電動單坐調(diào)節(jié)閥是一種高性能的調(diào)節(jié)閥，普遍用于電力，冶金,石油,化工,醫(yī)藥,鍋爐,輕工等行業(yè)的自動控制中.電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)同意0-10mA/4-20mA/0-5V/l-5V等控制信號，改變閥的開度,同時將閥門的隔離信號反饋給控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對壓力，溫度,流量,液位等參數(shù)的調(diào)節(jié).主要技術(shù)參數(shù)：輸入信號:0T0mA/4-20mADC/0-5VDC/l-5VDC輸出信號；4-20Mad

47、c電源：220V/50Hz流量特性:線形，等百分比，快開可調(diào)范圍:50:1控制器本控制系統(tǒng)采用上海萬訊公司的AI系列調(diào)節(jié)儀表，主要特點有：（1）全世界通用的85-246VAC范圍開關(guān)電源或24VDC電源供電。（2）輸入采用數(shù)字校正系統(tǒng)，內(nèi)置常常利用熱電偶和熱電阻非線形校正表格，測量精準(zhǔn)穩(wěn)固。（3）采用先進(jìn)的AI人工智能調(diào)節(jié)算法，無超調(diào)，具有自整定（AT）功能。（4）采用先進(jìn)的模塊化結(jié)構(gòu)，提供豐碩的輸出規(guī)格，能知足各類應(yīng)用處合的需要。下面就是儀表控制系統(tǒng)的在穩(wěn)固后突加階躍的過渡進(jìn)程曲線。圖儀表控制系統(tǒng)突加階躍信號過渡進(jìn)程曲線穩(wěn)態(tài)值為5cm,階躍量為1cm.調(diào)節(jié)器1的參數(shù):P=70;I=60;D=

48、20調(diào)節(jié)器2的參數(shù):P=20;I=0;D=0調(diào)節(jié)器3的參數(shù):P=10;1=0;D=0突加階躍信號后超調(diào)15%,調(diào)整時刻6分鐘（2%誤差帶），穩(wěn)態(tài)誤差0。運算機(jī)進(jìn)程控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程運算機(jī)控制系統(tǒng)概述遠(yuǎn)程運算機(jī)控制系統(tǒng)是設(shè)計中所采用的進(jìn)程實驗裝置的擴(kuò)展上位控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)通過ICP7000系列智能收集模塊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)換送入運算機(jī)，運算機(jī)同時控制運算發(fā)出的控制信號通過D/A轉(zhuǎn)換發(fā)送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)（調(diào)節(jié)閥、變頻器、可控調(diào)壓器）。該上位機(jī)控制系統(tǒng)實際上屬于運算機(jī)DDC直接數(shù)字控制系統(tǒng)，只不過是將模擬量輸入AI模塊和模擬量輸出A0模塊，開關(guān)量輸入/輸出DI,D0模塊置于運算機(jī)之

49、外，運算機(jī)由RS232/485通信轉(zhuǎn)換裝置同ICP-7000系列模塊（自帶RS485通信接口）通信。MCGS組態(tài)軟件概述在儀器儀表系統(tǒng)中，組態(tài)軟件就被提及與利用，但那時更多的是作為一種輔助性的角色，即作為一個對于儀器儀表系統(tǒng)監(jiān)視的平臺。而在遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)中。組態(tài)軟件起到了舉足輕重的作用。在這次設(shè)計中所利用的組態(tài)軟件是北京昆侖通態(tài)出品的MCGS組態(tài)軟件，這是一款優(yōu)秀的國產(chǎn)全中文工控組態(tài)軟件，當(dāng)前版本為。MCGS（MonitorandControlGeneratedSystem）是一套基于Windows平臺的，用于快速構(gòu)造和生成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)，可運行于MicrosoftWindow

50、s95/98/Me/NT/2000等操作系統(tǒng)。MCGS為用戶提供了解決實際工程問題的完整方案和開發(fā)平臺，能夠完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)收集、實時和歷史數(shù)據(jù)處置、報警和安全機(jī)制、流程控制、動畫顯示、趨勢曲線和報表輸出和企業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)等功能。利用MCGS,用戶不必具有運算機(jī)編程的知識，就可以夠在短時刻內(nèi)輕而易舉地完成一個運行穩(wěn)固，功能全面，保護(hù)量小而且具有專業(yè)水準(zhǔn)的運算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)工作。MCGS具有操作簡便、可視性好、可保護(hù)性強(qiáng)、高性能、高靠得住性等突出特點，已成功應(yīng)用于石油化工、鋼鐵行業(yè)、電力系統(tǒng)、水處置、環(huán)境監(jiān)測、機(jī)械制造、交通運輸、能源原材料、農(nóng)業(yè)自動化、航空航天等領(lǐng)域，通過各類現(xiàn)場的長期實際運行，系統(tǒng)

51、穩(wěn)固靠得住。MCGS組態(tài)軟件的特點與國內(nèi)外同類產(chǎn)品相較，MCGS組態(tài)軟件具有以下特點：全中文、可視化、面向窗口的組態(tài)開發(fā)界面，符合中國人的利用適應(yīng)和要求，真正的32位程序，可運行于MicrosoftWindows95/98/Me/NT/2000等多種操作系統(tǒng)。龐大的標(biāo)準(zhǔn)圖形庫、完備的畫圖工具和豐碩的多媒體支持，使您能夠快速地開發(fā)出集圖像、聲音、動畫等于一體的漂亮、生動的工程畫面。全新的ActiveX動畫構(gòu)件，包括存盤數(shù)據(jù)處置、條件曲線、計劃曲線、相對曲線、通用棒圖等，使您能夠更方便、更靈活地處置、顯示生產(chǎn)數(shù)據(jù)。支持目前絕大多數(shù)硬件設(shè)備，同時能夠方便地定制各類設(shè)備驅(qū)動；另外，獨特的組態(tài)環(huán)境調(diào)試功

52、能與靈活的設(shè)備操作命令相結(jié)合，使硬件設(shè)備與軟件系統(tǒng)間的配合完美無缺。簡單易學(xué)的類Basic腳本語言與豐碩的MCGS策略構(gòu)件，使您能夠輕而易舉地開發(fā)出復(fù)雜的流程控制系統(tǒng)。壯大的數(shù)據(jù)處置功能，能夠?qū)I(yè)現(xiàn)場產(chǎn)生的數(shù)據(jù)以各類方式進(jìn)行統(tǒng)計處置，使您能夠在第一時刻取得有關(guān)現(xiàn)場情形的第一手?jǐn)?shù)據(jù)。方便的報警設(shè)置、豐碩的報警類型、報警存貯與應(yīng)答、實時打印報警報表和靈活的報警處置函數(shù)，使您能夠方便、及時、準(zhǔn)確地捕捉到任何報警信息。完善的安全機(jī)制，允許用戶自由設(shè)定菜單、按鈕及退出系統(tǒng)的操作權(quán)限。另外，MCGS還提供了工程密碼、鎖定軟件狗、工程運行期限等功能，以保護(hù)組態(tài)開發(fā)者的功效。壯大的網(wǎng)絡(luò)功能，支持TCP/IP

53、、Modem、485/422/232,和各類無線網(wǎng)絡(luò)和無線電臺等多種網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。良好的可擴(kuò)充性，可通過OPC、DDE、ODBC、ActiveX等機(jī)制，方便地擴(kuò)展MCGS組態(tài)軟件的功能，并與其他組態(tài)軟件、MIS系統(tǒng)或自行開發(fā)的軟件進(jìn)行連接。提供了WWW閱讀功能，能夠方便地實現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場控制與企業(yè)管理的集成。在整個企業(yè)范圍內(nèi)，只利用IE閱讀器就可以夠在任意一臺運算機(jī)上方便地閱讀與生產(chǎn)現(xiàn)場一致的動畫畫面，實時和歷史的生產(chǎn)信息，包括歷史趨勢，生產(chǎn)報表等等，并提供完善的用戶權(quán)限控制下面就是遠(yuǎn)程運算機(jī)控制系統(tǒng)的在穩(wěn)固后突加階躍的過渡進(jìn)程曲線。圖遠(yuǎn)程運算機(jī)系統(tǒng)突加階躍過渡進(jìn)程曲線PID參數(shù)：調(diào)節(jié)器1的參數(shù):

54、P=70;I=60;D=25調(diào)節(jié)器2的參數(shù):P=30;I=0;D=0調(diào)節(jié)器3的參數(shù):P=20;1=0;D=0調(diào)節(jié)器1的設(shè)定值為7cm,突加階躍后設(shè)定值到8c叫現(xiàn)在超調(diào)量為25%,調(diào)整時刻為8分鐘（2%誤差帶），穩(wěn)態(tài)誤差0。運算機(jī)控制與進(jìn)程儀表控制比較通過比較運算機(jī)控制系統(tǒng)與進(jìn)程儀表控制系統(tǒng)在在階躍響應(yīng)下的曲線和階躍響應(yīng)性能指標(biāo)，能夠看出運算機(jī)控制系統(tǒng)在階躍量相同的情形下，它的超調(diào)量大于儀表控制，說明儀表控制系統(tǒng)的性能優(yōu)于運算機(jī)控制系統(tǒng)，這主如果因為儀表控制系統(tǒng)的PID參數(shù)整定的要比運算機(jī)控制系統(tǒng)的好。所以說，控制器是進(jìn)程控制系統(tǒng)的關(guān)鍵，控制規(guī)律的肯定和控制器參數(shù)的整定是系統(tǒng)設(shè)計中最重要的環(huán)節(jié)。

55、運算機(jī)控制相對與儀表控制，其主要特點是：1）儀表控制系統(tǒng)中均利用模擬部件，而運算機(jī)控制系統(tǒng)除檢測、變送裝置,執(zhí)行機(jī)構(gòu)等常常利用的模擬部件之外，其執(zhí)行控制功能核心部件是數(shù)字運算機(jī)，運算機(jī)控制系統(tǒng)是模擬與數(shù)字部件的混合系統(tǒng)。2）儀表控制系統(tǒng)，控制規(guī)律由硬件實現(xiàn)，要修改控制規(guī)律，必需要改變硬件結(jié)構(gòu)，如AI智能調(diào)節(jié)儀。在運算機(jī)控制系統(tǒng)中，控制規(guī)律是由軟件實現(xiàn)的，如MCGS組態(tài)軟件。3）在儀表控制系統(tǒng)中，一般是一個控制器控制一個回路，而在運算機(jī)控制系統(tǒng)中，由于運算機(jī)具有高速運算的能力，一個控制器（控制運算機(jī)）常常采用分時控制的方式同時控制多個回路。運算機(jī)控制系統(tǒng)除擁有進(jìn)程儀表控制的一般特點外，不需要人在

56、生產(chǎn)現(xiàn)場,改善了勞動條件，不用人工手動操作，消除人為因素：易于現(xiàn)代化管理和產(chǎn)品質(zhì)量分析；采用表格、圖形、曲線顯示直觀，并有輸出打印功能。6結(jié)論液位是工業(yè)生產(chǎn)進(jìn)程中重要的被控量之一，因此液位控制的研究具有專門大的現(xiàn)實意義。水箱的液位控制對石油、冶金、化工等行業(yè)來講必不可少。本次畢業(yè)設(shè)計，結(jié)合所學(xué)的知識和參考的資料，著重研究了三容水箱串級控制建模方式，用級控制系統(tǒng)的設(shè)計和MATLAB仿真，最終實現(xiàn)了對水箱液位的控制。最后簡單介紹和比較了生產(chǎn)實踐中液位控制利用的儀表進(jìn)程控制方式和運算機(jī)進(jìn)程控制方式。水箱數(shù)學(xué)模型的成立是設(shè)計的開始和關(guān)鍵，通過收集的數(shù)據(jù)在MATLAB上通過數(shù)據(jù)擬合取得各水箱階躍曲線，然后通過曲線可取得各水箱的