組態(tài)王在鍋爐液位監(jiān)控系統(tǒng)中的應用(完整版)實用資料

組態(tài)王在鍋爐液位監(jiān)控系統(tǒng)中的應用（完整版）實用資料(可以直接使用，可編輯完整版實用資料，歡迎下載）

北方民族大學組態(tài)王在鍋爐液位監(jiān)控系統(tǒng)中的應用（完整版）實用資料(可以直接使用，可編輯完整版實用資料，歡迎下載）學士學位論文論文題目:院(部名稱:電氣信息工程學院學生姓名:吳楊希專業(yè):測控技術與儀器學號:20050153指導教師姓名:虎恩典論文提交時間:2021年5月18日論文答辯時間:2021年5月23日學位授予時間:北方民族大學教務處制摘要針對一個小型鍋爐液位監(jiān)控系統(tǒng)，設計開發(fā)了基于組態(tài)王的監(jiān)控系統(tǒng)。本文介紹了系統(tǒng)上位監(jiān)控軟件采用組態(tài)王。該系統(tǒng)可實現了對過程控制裝置的溫度、壓力、流量、液位等四大熱工參數的實時數據采集和裝置鍋爐溫度、鍋爐液位的實時控制。該系統(tǒng)具有一定的實用性。本文主要分析了鍋爐液位監(jiān)控系統(tǒng)的設計要求，闡述了該系統(tǒng)的軟硬件設計原則，并進行了仿真。本文設計的重點是PID控制算法的設計，對其參數的整定也是設計的難點之一。仿真測試結果表明：該系統(tǒng)滿足跟蹤給定值變化的需求，且可以滿足監(jiān)控液位的設計需求關鍵詞組態(tài)王液位監(jiān)控ABSTRACTKingviewbasedmonitoringsystemisdesignedforasmallboilersLevercontrolsystem.Inthispaper,itmainlyusesthatmonitoringsoftwareforthehostcomputerofthesystemisKingview.Providingreal-timedataacquisitionoffourprocessparameterssuchastemperature，pressure，flowandlevelintheprocesscontrolfacilityandofferingreal-timecontroloftemperatureandleveloftheboilerinthefacility，thissystemhasacertainpracticalvalue.ThispapermainlyanalyzedtheboilerLevercontrolsystem'sdesignrequirementsonthesystem'ssoftwareandhardwaredesignprincipleandhascarriedonthesimulation.ThisarticlefocusesonthedesignofPIDcontrolalgorithm;oneofdesigndifficultisalsoinstallationtoitsparameter's.Thesimulationtestresultshowthat:thesystemsatisfiesthedemandoftrackingthegivenvalue.Itcansatisfythedesigndemandofmonitoringsystem.KEYWORDSKingviewboilersLevercontrolsystemmonitoringsystem目錄目錄................................................................I前言................................................................1第一章組態(tài)軟件基礎知識介紹........................................21.1組態(tài)軟件概述................................................21.1.1組態(tài)軟件的概念和產生的背景.............................21.1.2組態(tài)軟件的特點和功能...................................21.2組態(tài)軟件現狀和使用組態(tài)軟件的步驟............................31.2.1組態(tài)軟件的現狀.........................................31.2.2使用組態(tài)軟件的一般步驟.................................41.3KingviewV6.5概述...........................................41.3.1工程管理器.............................................51.3.2工程瀏覽器.............................................51.3.3畫面運行系統(tǒng)...........................................6第二章系統(tǒng)設計....................................................72.1系統(tǒng)設計任務與要求..........................................72.1.1系統(tǒng)設計任務...........................................72.1.2系統(tǒng)設計任務...........................................72.2硬件連線....................................................72.3工程的建立..................................................82.3.1定義外部設備...........................................92.3.2畫面制作..............................................122.3.3動畫連接..............................................142.4控制軟件的設計.............................................212.4.1數字控制器算法流程的設計..............................212.4.2水箱液位的控制設計....................................242.4.3報警控制的設計........................................25第三章系統(tǒng)調試...................................................263.1仿真調試...................................................263.2控制軟件的調試.............................................263.3數據測試...................................................293.4分析討論...................................................30第四章結論......................................................31致謝...............................................................32參考文獻............................................................33附錄1：源程序.....................................................34附錄2：英文原文....................................................36附錄3：中文譯文....................................................45前言由于組態(tài)軟件是運行在WindowsXP／NT／2OOO上的種開放型的工業(yè)監(jiān)控軟件，窗體框架結構；采用多線程、COM組件等新技術，實現多時多任務控制?，F已應用于化工、電力、郵電通迅、環(huán)保、水處理、冶金和食品等行業(yè)。組態(tài)王KingView工控軟件是近來很受歡迎的組態(tài)軟件之一，由組態(tài)王與單片機控制裝置通過RS485總線進行數據通訊組成測控系統(tǒng)，成為一種低成本解決的方案。組態(tài)王內置了大量的設備驅動作為組態(tài)王與外部設備的通迅接口。組態(tài)王可通過通迅接口和外部設備交接數據，包括采集數據和發(fā)送數據／指令。每一個驅動都是一個COM對象，這種方式使驅動和組態(tài)王構成一個完整的系統(tǒng)。同時組態(tài)王軟件作為一個開放型的通用工業(yè)監(jiān)控軟件，支持與國內外常見的PLC、智能模塊、智能儀表、變頻器、數據采集板卡等通過常規(guī)通訊接口進行數據通訊。組態(tài)王是一個具有易用性、開放性和集成能力的通用組態(tài)軟件。應用組態(tài)王可以使工程師把主要精力放在控制對象上，而不是形形色色的通信協(xié)議、復雜的圖形處理、枯燥的數字統(tǒng)計，只需要進行填表式操作即可生成一個監(jiān)控和數據采集系統(tǒng)。它可以在整個生產企業(yè)內部將各種系統(tǒng)和應用集成在一起，實現企業(yè)綜合自動化的目的。本設計中利用組態(tài)王軟件對過程控制設備進行控，根據所選對象，選擇PID參數，達到期望的控制效果。此系統(tǒng)具有開放性、互換性、可操作性、可集成性；系統(tǒng)可靠性高，可維護性好降低了系統(tǒng)及工程成本；系統(tǒng)所有軟、硬件具有互操作性。基于組態(tài)王的監(jiān)控系統(tǒng)不僅操作簡單、結構緊湊、功能豐富，并且隨著工業(yè)計算機技術發(fā)展的日新月異，應用前景廣闊。第一章組態(tài)軟件基礎知識介紹1.1組態(tài)軟件概述1.1.1組態(tài)軟件的概念和產生的背景組態(tài)軟件是指一些數據采集與過程控制的專用軟件，它們是在自動控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級的軟件平臺和開發(fā)環(huán)境，使用靈活的組態(tài)方式，為用戶提供快速構建工業(yè)自動控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的、通用層次的軟件工具。組態(tài)軟件應該能支持各種工控設備和常見的通信協(xié)議，并且通常應提供分布式數據管理和網絡功能。對應于原有的HMI（HumanMachineInterface，人機接口軟件）的概念，組態(tài)軟件應該是一個使用戶能快速建立自己的HMI的軟件工具或開發(fā)環(huán)境在工業(yè)控制技術的不斷發(fā)展和應用過程中，PC（包括工控機）相比以前的專用系統(tǒng)具有的優(yōu)勢日趨明顯。這些優(yōu)勢主要體現在：PC技術保持了較快的發(fā)展速度，各種相關技術日臻成熟；由PC構建的工業(yè)控制系統(tǒng)具有相對較低的擁有成本；PC的軟件資源和硬件資源豐富，軟件之間的互操作性強；基于PC的控制系統(tǒng)易于學習和使用，可以容易的得到技術方面的支持。在PC技術向工業(yè)控制領域的滲透中，組態(tài)軟件占據著非常特殊而且重要的地位。組態(tài)的英文是“Configuration”,簡單的講，組態(tài)就是用應用軟件中提供的工具、方法，完成工程中的某一具體任務的過程。與硬件生產相對照，組態(tài)與組裝類似。1.1.2組態(tài)軟件的特點和功能一般來說，組態(tài)軟件是數據采集監(jiān)控系統(tǒng)（SupervisoryControlandDataAcquisition,SCADA）的軟件平臺工具，是工業(yè)應用軟件的一個組成部分。它具有豐富的設置項目，使用方式靈活，功能強大。組態(tài)軟件由早先單一的人機界面向數據處理機方向發(fā)展，管理的數據項越來越大，實時數據庫事的作用進一步加強。隨著組態(tài)軟件自身以及控制系統(tǒng)的發(fā)展，監(jiān)控組態(tài)軟件部分地與硬件發(fā)生分離，為自動化軟件的發(fā)展提供了充分發(fā)揮作用的舞臺。OPC（OLEforProcessControl）的出現，以及現場總線尤其是工業(yè)以太網的快速發(fā)展，大大簡化了異種設備間的互連，降低了開發(fā)I/O設備驅動軟件的工作量。I/O驅動軟件也逐漸向標準化的方向發(fā)展。組態(tài)軟件的主要特點是：（1）延續(xù)性和可擴性。用通用組態(tài)軟件開發(fā)的應用程序，當現場（包括硬件設備或系統(tǒng)結構）或用戶需求發(fā)生改變時，不需要很多修改就可方便的完成軟件的更新和升級。（2）封裝性（易學易用）。通用組態(tài)軟件所能完成的功能都用一種方便用戶的方法包裝起來，對于用戶，不需要掌握太多的編程語言技術（甚至不需要編程技術），就能很好地完成一個復雜工程所要求的所有功能。（3）通用性。每個用戶根據工程實際情況，利用通用組態(tài)軟件提供的底層設備（PLC、智能儀表、智能模塊、板卡、變頻器等）的I/ODriver、開放式的數據庫和畫面制作工具，就能完成一個具有動畫效果、實時數據處理、歷史數據和曲線并存、具有多媒體功能和網絡功能的工程，不受行業(yè)限制。目前看到的所有組態(tài)軟件都能實現如下的類似功能:●幾乎所有運行于32位Windows平臺的組態(tài)軟件都采用類似的資源瀏覽器的窗口結構，并對工業(yè)控制系統(tǒng)中的各種資源（設備、標簽、畫面等）進行配置和編輯；●處理數據報警及系統(tǒng)報警；●提供多種數據驅動程序；●各類報表的生成和打印輸出；●使用腳本語言提供二次開發(fā)的功能；●存儲歷史數據并支持歷史數據的查詢等。1.2組態(tài)軟件現狀和使用組態(tài)軟件的步驟1.2.1組態(tài)軟件的現狀目前應用比較廣泛的國外組態(tài)軟件有WondWare的InTouch、西門子公司的WinCC、澳大利亞的CiTech、美國Interlution公司的Fix、意大利LogoSystem的LogView等。這些軟件系統(tǒng)主要有數據采集與控制信息發(fā)送、報警處理和歷史趨勢顯示與記錄功能，但是針對國內的需要，這些系統(tǒng)還有明顯的弱點：本地化差，雖然部分系統(tǒng)已經漢化，但是中國市場中某些行業(yè)規(guī)范，它們很難滿足；價格昂貴，這些系統(tǒng)價格昂貴，很難為國內一般應用所接受。同國外系統(tǒng)相比，大部分國產通用系統(tǒng)具有較高的性能價格比，本地化能力較強，如三維科技公司的力控、北京亞控科技公司的組態(tài)王等。但多數產品仍有諸如與MIS集成能力差、GIS功能薄弱、多任務調度能力差、事故追憶和診斷能力缺乏等致命的弱點，要滿足企業(yè)級和行業(yè)部門級大型集中監(jiān)控管理GIS系統(tǒng)的要求，還需要相當長的時間。1.2.2使用組態(tài)軟件的一般步驟如何把具體的工程應用在組態(tài)王軟件中進行完整、嚴密的開發(fā)，使組態(tài)軟件能夠在正常工作，主要包括以下幾個典型的組態(tài)步驟：(1將所有I/O點的參數收集齊全，并填寫表格，以備在監(jiān)控組態(tài)軟件和PLC上組態(tài)時使用。(2搞清楚所使用的I/O設備的生產商、種類、型號、使用的通信接口類型，采用的通信協(xié)議，以便在定義I/O設備時做出準確選擇。(3將所有I/O點的I/O標識收集齊全，并填寫表格，I/O標識是唯一地確定一個I/O點的關鍵字，組態(tài)軟件通過向I/O設備發(fā)出I/O標識來請求其對應的數據。在大多數情況下I/O標識是I/O點的地址或位號名稱。(4根據工藝過程繪制、設計畫面結構和畫面草圖。(5按照第一步統(tǒng)計出的表格，建立實時數據庫，正確組態(tài)各種變量參數。(6根據第一步和第二步的統(tǒng)計結果，在實時數據庫中建立實時數據庫變量與I/O點一對一的對應關系，即定義數據連接。(7根據第四步的畫面結構和畫面草圖，組態(tài)每一幅靜態(tài)的操作畫面（主要是繪圖）。(8將操作畫面中的圖形對象與實時數據庫變量建立動畫連接，規(guī)定動畫屬性和幅度。(9視用戶需求，制作歷史曲線，報警顯示，以及開發(fā)報表系統(tǒng)。之后，還需要加上安全權限設置。(10對組態(tài)內容進行分段和總體調試，視調試情況對軟件進行相應修改。(11將全部內容調試完成以后，對上位軟件進行最后完善，讓系統(tǒng)投入正式運行。1.3KingviewV6.5概述KingxiewV6.5軟件完全基于網絡的概念，是一個完全意義上的工業(yè)級軟件平臺，現已廣泛應用于化工、電力、國屬糧庫、郵電通信、環(huán)保、水處理、冶金和食品等各個行業(yè)，并且作為首家國產監(jiān)控組態(tài)軟件應用于國防、航空航天等關鍵領域。組態(tài)王KingviewV6.5軟件是運行于Windows2000/NT4.0(補丁6/XP簡體中文版的中文界面的人機界面軟件，采用了多線程、COM組件等新技術，實現了實時多任務，軟件使用方便，功能強大，性能優(yōu)異，運行穩(wěn)定，質量可靠。組態(tài)王KingviewV6.5軟件包括以下三部分組成：●工程管理器（ProjManager）；●工程瀏覽器（TouchExplorer）；●畫面運行系統(tǒng)（TouchView）。在“組態(tài)王”軟件中，用戶建立的每一個應用程序為一個工程。在每一個工程的路徑下，生成了一些重要的數據文件，這些數據文件不允許直接修改，必須通過工程管理器或工程瀏覽器來修改。1.3.1工程管理器對于系統(tǒng)集成商和用戶來說，一個系統(tǒng)開發(fā)人員可能保存有很多個組態(tài)王工程，對于這些工程的集中管理以及新開發(fā)工程中的工程備份等都是比較繁瑣的事情。工程管理器是應用程序的管理系統(tǒng)，具有很強的管理功能，主要作用是為用戶集中管理本機上的組態(tài)王工程。工程管理器的主要功能包括：新建工程、刪除工程，搜索指定路徑下的所有組態(tài)王工程，修改工程屬性，工程的備份、恢復，數據詞典的導入導出，切換到組態(tài)王開發(fā)或運行環(huán)境等。工程管理器實現了對組態(tài)王各種版本工程的集中管理，使用戶在進行工程開發(fā)和工程的備份、數據詞典的管理上方便了許多。1.3.2工程瀏覽器工程瀏覽器是組態(tài)王的一個重要組成部分，它將圖形畫面、命令語言、設備驅動程序、配方、報警、網絡等工程元素集中管理，工作人員可以一目了然地查看工程的各個組成部分。工程瀏覽器簡便易學，操作界面和Windows中的資源管理器非常類似，為工程的管理提供了方便高效的手段。組態(tài)王開發(fā)系統(tǒng)內嵌于組態(tài)王工程瀏覽器，又稱為畫面開發(fā)系統(tǒng)，是應用程序的集成開發(fā)環(huán)境，工程人員在這個環(huán)境里進行系統(tǒng)開發(fā)。利用“工程管理器”界面：單擊菜單“工具/切換到開發(fā)系統(tǒng)”命令或工程管理器工具條上的“開發(fā)”按鈕或快捷菜單“切換到開發(fā)系統(tǒng)”命令或雙擊工程信息顯示區(qū)畫面運行系統(tǒng)在組態(tài)王中，工程瀏覽器（TouchExplorer）和畫面運行系統(tǒng)（TouchView）是各自獨立的Windows應用程序，均可單獨使用。一個工程可以同時被編輯和運行，這對于工程的調試是非常方便的。同時兩者又相互依存，在工程瀏覽器內嵌的畫面制作開發(fā)系統(tǒng)中設計開發(fā)的畫面應用程序必須在畫面運行系統(tǒng)的運行環(huán)境中才能運行。第二章系統(tǒng)設計2.1系統(tǒng)設計任務與要求2.1.1系統(tǒng)設計任務該系統(tǒng)通過PID控制調節(jié)電子調節(jié)閥的開度，以使鍋爐液位按給定值變化。且當系統(tǒng)干擾變化時，液位能最終穩(wěn)定在給定值。該液位監(jiān)控系統(tǒng)由水箱控制對象系統(tǒng)、I/O接口板、計算機和組態(tài)王軟件組成。2.1.2系統(tǒng)設計任務根據題目要求，詳細分析液位監(jiān)控系統(tǒng)的設計要求，并進行軟硬件的總體設計。在完成總體設計后，進行硬件的詳細設計，利用組態(tài)王軟件完成鍋爐液位監(jiān)控系統(tǒng)的設計工作。同時進行控制軟的流程設計和編制工作，并用仿真PLC完成控制軟件的仿真調試工作。2.2硬件連線硬件連線及I/O分配由于本設計是用智能調節(jié)儀（進行PID參數的控制）通過電動調節(jié)閥改變閥悶1的開度，改變鍋爐液位，即可實現其跟隨鍋爐液位的給定值而變化。硬件原理圖及連線如圖2.1、圖2.2所示。為安全起見，硬件連線前要斷開所有的電源，連線完成，檢查無誤后再接通電源。圖2.1鍋爐液位系統(tǒng)結構圖圖2.2鍋爐液位系統(tǒng)接線圖在組態(tài)王內部是以I/O變量來存儲外部信號的狀態(tài)和數值的，必須把這些不同的變量與外部信號之間的對應關系做出明確的定義，才能夠正確的設計出控制程序。對于鍋爐液位控制系統(tǒng)，有兩個摸擬信號需要輸入到計算機：鍋爐液位和水箱液位。工業(yè)控制機有一個模擬信號需要輸出到電動調節(jié)閥。鍋爐液位控制系統(tǒng)I/O分配表如表2.1所示。表2.12.3工程的建立雙擊桌面上的組態(tài)王軟件的圖標，進入組態(tài)王軟件。在工程管理器界面上單擊工具欄中的“新建工程”按鈕或選擇菜單“文件新建工程”，按照組態(tài)王“新建工程向導”提示，建立一個用戶的新工程，工程名可設為“鍋爐液位監(jiān)控系統(tǒng)”2.3.1定義外部設備1仿真PLC定義本系統(tǒng)中使用亞控仿真PLC和組態(tài)王通信。畫面程序在實際運行中是通過I/O設備和下位機交換數據的，當程序在調試時，可以使用仿真I/O設備模擬下位機向畫面程序提供數據，為畫面程序的調試提供方便。組態(tài)王提供一個仿真PLC設備，用來模擬實際設備向程序提供數據，供用戶調試。在使用仿真PLC設備前，首先要定義它，實際PLC設備都是通過計算機的串口向組態(tài)王提供數據，所以仿PLC設備也是模擬安裝到串口COM上。定義過程和步驟如下按照“設備配置向導”的提示，建立如圖的PLC設備圖2.3圖2.42變量的定義進入新建工程后，在工程瀏覽器界面上，選擇“設備板卡”，在右邊出現的工程目錄內容顯示中，雙擊“新建”圖標，按照“設備配置向導”的提示，建立2個板卡設備“研華PCL_818L”.“研華PCL_726”。其中板卡PCL_818L的地址設為300“雙端”模式，這樣PCL_818L的輸入為雙端5V電壓信號。板卡PCL_726的地址設為2C0，選擇“單端”模式，這樣PCL_726的輸出為單端4~~20mA電流信號。具體的地址設置和通道模式設置見板卡生產商提供的產品使用手冊。配置好設備后，就可以為系統(tǒng)建立I/O型變量，以便工業(yè)控制計算機可以從現場采集信號，并將操縱值送至執(zhí)行機構。鍋爐液位控制系統(tǒng)的I/O型變量，如表2.2表.2.3表2.4所示。2.2鍋爐液位控制系統(tǒng)I/O型變量分配表2.3鍋爐液位控制系統(tǒng)I/O型變量數值范圍表2.4鍋爐液位控制系統(tǒng)內存型變量分配表2.3.2畫面制作1鍋爐液位控制系統(tǒng)監(jiān)控畫面如圖2.3所示。畫面中的主體設備包括鍋爐、水箱、水泵、電機、水槽。大部分圖素可以從圖庫中找出，其中對水箱和鍋爐進行了少許改動。按鈕圖素包括“水泵啟動”、“退出系統(tǒng)”、“爐液位實時趨勢曲線”。閥門圖素有調節(jié)閥.水箱泄水閥門.鍋爐出水閥門。其中調節(jié)閥來自圖庫，應選擇帶有模擬值動畫連接的閥門圖素；水箱些水閥門和鍋爐泄水閥門來自圖庫中的“閥2”，并對其進行了相應的改動。文本對象包括指示標簽若干、七個“####”文字標簽。圖2.5監(jiān)控中心畫面2“報警窗口”畫面.如圖2.6所示，包括“報警窗口”控件和一個按鈕圖素。圖2.6“報警窗口”畫面3“實時趨勢曲線”畫面如圖2.7所示，包括“實時趨勢曲線”畫面.一個按鈕圖素和任意三角行形狀的“筆”圖素。圖2.7“實時趨勢曲線”畫面動畫連接1.主畫面的動畫連接。1“鍋爐”液位的動畫連接：雙擊”鍋爐”圖素,彈出”反應器”對話框,在”變量名(模擬量：”編輯框中選擇“\\本站點\HK”,再進行相應的”顏色設置”、“填充設置”，如圖2.8所示。設置完成后，運行時，“鍋爐”圖素前的紅色“多邊形”就能根據實際“鍋爐液位”的采樣值進行高、低變化顯示。圖2.82“水箱”液位的動畫連接：雙擊“水箱”圖素前的藍色“點位圖”圖素，彈出的“動畫連接”對話框，單擊“位置與大小變化”中的“縮放”按鈕，彈出“縮放連接”對話框。在“表達式”編輯框中選擇“\\本站點\水箱液位”，再進行相應的“最小填充高度”對話框。在“表達式”編輯框中選擇“\\本站點\水箱液位”，再進行其他相應的設置，如圖2.9所示。設置完成后，運行時，“水箱”圖素前的藍色“多邊形”就能根據實際“水箱液位”的采樣值進行高、低變化顯示。圖2.93“調節(jié)閥門開度”的動畫連接：雙擊“調節(jié)閥”圖素，彈出“管道”對話框，在：“變量名（模擬量）：”編輯框中選擇“\\本站點\水箱液位”，再進行相應的“刷屬性”、“填充屬性”設置。設置完成后，運行時，“調節(jié)閥”圖素的就能根據PID算法計算出的“調節(jié)閥門開度”操縱值進行高、低顏色變化顯示。4“水泵啟動”按鈕、水泵、電機的動畫連接：雙擊“水泵啟動”按鈕，彈出“動畫連接”對話框，單擊“命令語言連接”中的“彈起時”按鈕，彈出“命令語言”編輯框。在編輯框中輸入如下命令語言：If(水泵啟動==1水泵啟動=0;else水泵啟動=1;再雙擊“水泵”圖素，彈出的“泵”對話框，在“變量名（離散量）：”編輯框中選擇“\\本站點\水泵啟動”，再進行相應的“顏色設置”；最后雙擊“馬達”圖素，彈出“馬達向導”對話框，再進行相應的“顏色設置”，設置完成后，點“水泵啟動”，再進行相應的“顏色設置”，設置完成后，運行時，單擊“水泵啟動”，離散量“水泵啟動”由“關閉”變?yōu)椤按蜷_”，“水泵”圖素和“電機”圖素上的“紅色”矩形會變成“綠色”矩形，以此表示水泵和電機處于通電運行狀態(tài)；再單擊“水泵啟動”按鈕，離散量“水泵啟動”將切換成“關閉”，“水泵”圖素和“電機”圖素上的“綠色”矩形會變成“紅色”矩形，以此表示水泵和電機處于斷電狀態(tài)。5“水箱進水”流體的動畫連接：沿水箱進水管上畫出四段短“直線”圖素，雙擊第一段短“直線”圖素，彈出“動畫連接”對話框，單擊“特殊”中的“隱含”按鈕，彈出“隱含連接”對話框。在“條件表達式”編輯框中輸入“\\本站點\水箱進水流體狀態(tài)==1”，當“表達式為真時”選擇“顯示”。用同樣的方法對其他三段短“直線”圖素進行動畫連接，在“條件表達式”編輯框中依次輸入“\\本站點\水箱進水流體狀態(tài)==2”，“\\本站點\水箱進水流體狀態(tài)==3”，“\\本站點\水箱進水流體狀態(tài)==4”。用復制、粘貼、旋轉等方法將這四段短“直線”沿水箱進水方向布滿整個水箱進水管道。設置完成后，運行時，當“水泵啟動”離散變量為打開時，只要循環(huán)改變變量“\\本站點\水箱進水流體狀態(tài)”的值，就能依次顯示這四段短直線。在視覺效果上，相當于水流動的效果。6“水箱泄水門閥”、“水箱泄水”流體的動畫連接：在“主畫面”制作系統(tǒng)中，從圖庫中調出閥門圖素換成普通圖素，選擇菜單“圖庫/轉換成普通圖素”將其轉。再選擇菜單“排列/合成組合圖素”，將組合圖素變?yōu)椤＿x擇菜單“排列/逆時針旋轉90度”、“排列/垂直翻轉”將合成圖素變?yōu)??？梢詫⒔M合圖素分裂，在選中閥體圖素，改變閥體的畫刷類型，之后選中所有組成閥門的圖素，選擇菜單“排列/合成組合圖素”，將形成“泄水閥門”打開圖素在此圖素的基礎上，可加工形成”泄水閥門“關閉圖素。。為“泄水閥門”打開圖素分別建立隱含、彈起時動畫連接。同樣為“泄水閥門”關閉圖素分別建立隱含、彈起時動畫連接，其設置正好與“泄水閥門”打開圖素相反將兩圖素在位置上重合在一起，可以選擇菜單“排列/合成單元”，再選擇菜單“圖庫/創(chuàng)建圖庫精靈”將建好的“泄水閥門”圖素加入到圖庫中，以便將來使用。設置完成后，運行時，單擊“泄水閥門”圖素，離散量“泄水閥門”在“關閉”和“打開”之間切換，“泄水閥門”圖素也將在“關閉”和“打開”之間切換。至于“水箱泄水”流體的動畫連接，可參照“水箱進水”流體的動畫連接方法制作。設置完成后，運行時，當“水位液體”處于溢流狀態(tài)，且“泄水閥門”離散變量為“打開”狀態(tài)時，只要循環(huán)改變變量“\\本站點\水箱進水流體狀態(tài)”的值，就能依次顯示這四段短直線。在視覺效果上，相當于水流動的效果。7“鍋爐出水閥門2”、“鍋爐出水”流體的動畫連接：鍋爐出水閥門的連接參照“調節(jié)閥開度”的動畫連接。至于“鍋爐出水”流體的動畫連接，可參照“水箱進水”流體的動畫連接方法制作。設置完成后，運行時，打擊“鍋爐液位”大于零，且“出水閥門”離散變量為“打開”狀態(tài)時，只要循環(huán)改變變量“\\本站點\水箱出水流體狀態(tài)”的值，就能依次顯示這四段短直線。在視覺效果上，相當于水流動的效果。8“溢流”、“水箱泄水閥門開”、“水箱泄水閥門關”、“鍋爐出水閥門開”、“鍋爐出水閥門關”文本圖素的動畫連接：雙擊要建立動畫連接的文本對象（如“溢流”），彈出“動畫連接”對話框。單擊“特殊”中的“隱含”按鈕，彈出“隱含連接”對話框。在“條件表達式”編輯框中輸入\\本站點\水箱液位>=390，當“鍋爐液位”大于最高水位390mm時，水箱即處于“溢流”狀態(tài)，“溢流”文本顯示。用同樣的方法對其他四個文本對象建立動畫連接?！八湫顾y門開”文本對象動畫連接的“條件表達式”為\\本站點\泄水閥門==1；“水箱泄水閥門關”文本對象動畫連接的“條件表達式”為\\本站點\泄水閥門==0；“鍋爐出水閥門關”文本對動畫連接的“條件表達式”為\\本站點\出水閥門==0。9七個“####”文字標簽的動畫連接：雙擊“調節(jié)閥開度”文本圖素后的“####”文字標簽，彈出“動畫連接”對話框。單擊“值輸出”中的“模擬值輸出”按鈕，彈出“模擬值輸出連接”對話框。在“表達式”編輯框中輸入\\本站點\調節(jié)閥開度，再進行“輸出方式”、“對齊方式”的設置，單擊“確定”按鈕，完成“模擬值輸出連接”。運行時，“調節(jié)閥開度”后的“####”文字標簽將顯示實型變量“調節(jié)閥開度”的數值。用同樣的方法在對其他六個“####”文字標簽都建立模擬值輸出動畫連接，其連接的表達式根據其前面的指示標簽設定。對于“液位給定值”、“時間常數T1”、“閥門比例系數”、“采樣周期”、“PID比例系數KP”五個文本圖素后的“####”文字標簽，還要建立“模擬值輸入連接”。雙擊“液位給定值”后的“####”文字標簽，彈出“動畫連接”對話框。單擊“值輸入”中的“模擬值輸入”按鈕，彈出“模擬值輸入連接”對話框。在“變量名”編輯框輸入“\\本站點\HR”再進行“提示信息”、“值范圍”的設置。單擊“確定”按鈕，完成“模擬值輸入連接”。運行時，單擊“液位給定值”后的文本圖素，將出現如圖2.10所示的對話框。用戶可以再編輯框中直接輸入數字或用鼠標單擊下面的數字鍵輸入數字，輸入的數字將存入變量“給定液位”中。用戶標簽建立模擬值輸入動畫連接，其連接的變量名根據其前面的指示標簽設定。圖2.10“模擬值輸入”對話框10循環(huán)改變“水箱進水流體狀態(tài)”、“水箱泄水流體狀態(tài)”、“鍋爐進水流體狀態(tài)”、“鍋爐出水流體狀態(tài)”等變量的值：在“主畫面”空白處，單擊鼠標右鍵，彈出快捷菜單。選擇“畫面屬性”、進入“畫面屬性”對話框。單擊“命令語言….”按鈕，進入“畫面命令語言”編輯器，單擊“存在時”頁面，輸入相應程序。11“退出”、“鍋爐液位實時趨勢曲線”按鈕的動畫了連接：雙擊“退出”按鈕，彈出“動畫連接”對話框。單擊“名字語言連接”中的“彈起時”按鈕，進入“命令語言”編輯器。輸入命令exit(0；。單擊“確定”按鈕，完成“彈起時”動畫連接。運行時，單擊“退出”按鈕、將會退出組態(tài)王運行系統(tǒng)，返回Windows.用同樣的方法為“鍋爐也是實時趨勢曲線”設置“彈起時”動畫連接，起輸入命令為ShowPicture（“實時趨勢曲線”）;。運行時，單擊“鍋爐液位實時趨勢曲線”，系統(tǒng)會切換到“實時趨勢曲線”的畫面。2.“報警窗口”畫面的動畫連接?！皥缶翱凇笨丶膭赢嬤B接步驟如下：1首先定義報警組。在組態(tài)王工程瀏覽器的目錄樹中選擇“數據庫報警組”，雙擊右側的目錄內容顯示區(qū)出現的“請雙擊這兒進入<報警組>對話框…”圖標。彈出報警組定義對話框,為本工程定義報警組如圖2.11所示。圖2.11“報警組定義”對話框2設置變量的報警屬性。在組態(tài)王工程瀏覽器“數據庫數據詞典”中選擇一個變量“鍋爐液位”，雙擊它，彈出的“定義變量”對話框上選擇“報警定義”屬性頁，在彈出的“報警定義”對話框中進行相應的設置，如圖2.12所示。圖2.12“鍋爐液位HK”的變量報警屬性的定義3配置報警窗口。在已建立報警窗口的“報警窗口”畫面中，雙擊報警窗口，彈出報警窗口配置屬性頁。在這個對話框中，設置“報警窗口”的“通用屬性”、“列屬性”、“操作屬性”、“條件屬性”、“顏色和字體屬性”?！扒袚Q到主畫面”按鈕的“命令語言”—“彈起時”動畫連接方法與主畫面的“實時趨勢曲線”按鈕相同，其輸入命令為ShowPicture（“監(jiān)控中心”）；。設置完成后，在運行中，單擊此按鈕，系統(tǒng)能返回到“主畫面”。3.“實時趨勢曲線”畫面的動畫連接。在“實時趨勢曲線”畫面中雙擊“實時趨勢曲線”控件，彈出“實時趨勢曲線”對話框。設置如圖2.13、圖2.14所示。圖2.13“實時趨勢曲線”的“曲線定義”配置圖2.14“實時趨勢曲線”的“標示定義”2.4控制軟件的設計2.4.1數字控制器算法流程的設計本系統(tǒng)中采樣數字控制器對鍋爐液位HK進行控制。其控制過程是首先通過模擬量輸入通道對控制參數進行采樣，并將其轉換成數字量，然后計算機按一定控制算法進行運算處理，運算結果由模擬量輸出通道輸出，并通過執(zhí)行機構去控制生產過程，以達到期望的效果。這里，計算機執(zhí)行按某種算法編寫的程序，實現對被控制對象的控制和調節(jié)，被稱為數字控制器。在微型計算機控制系統(tǒng)中，是用微型計算機作數字控制器的。圖1為一常見的微型計算機控制系統(tǒng)的原理圖。圖2.15如圖2，為被控系統(tǒng)的結構圖圖2.16其中被控對象GP(s=KIT1s+1本系統(tǒng)中采樣PID歸一化參數整定法設PID增量算式為?u(kT=Kp{[e(kT-e[(k-1T]]+TTe(kT+D[e(kT-2e[(k-1T]+e[(k-2T]]}TIT=Kp{(1+2TTTTD+e(kT-(1+De[(k-1T]+De[(k-2T]}TITTT=Kp{a0e(kT+a1e[(k-1T]+a2e[(k-2T]}(2-1式中，a0=1+TTD+TIT2TDTa1=-(1+a2=TD(2-2T對式作Z變換，可得PID數字控制器的Z傳遞函數為-1-2U(zKp(a0+a1z+a2zD(z==E(z1-z-1T≈0.T1sTI≈0.T5s(2-3TD≈0.12Ts5式中，Ts是純比例控制時的臨界振蕩周期。將式2-3帶入式2-1和式2-2，可得D(z=Kp(2.45-3.5z-1+1.25z-21-z-1相應的差分方程為?u(kT=K5k(T-p{2.4e3.e5-k[(+T1]e1.-2k5[T由式可以看出，對四個參數的整定簡化成了對一個參數Kp的整定，使問題明顯地簡化了。所以本系統(tǒng)中的PID控制流程圖為PID控制流程圖并且當UK>100將其置為100；UK<0或HK1>100將UK置為0；若HK1<0將HK1置為0。2.4.2水箱液位的控制設計本設計中對水箱液位的控制設為：當水泵啟動時，如果調節(jié)閥、泄水閥門同時關時，水箱液位單位時間增加20；如果有一個開，水箱液位增加15；兩個同時開始，水箱液位增加10。當水泵關閉時，如果水箱液位>50(由于此時，水箱中的水流入水槽，當調節(jié)閥關時，水箱液位單位時間減少10；但是調節(jié)閥開時，水箱液位就減少20。如上所示，水箱液位控制的流程圖如下如果水泵關閉時水箱液位控制流程圖2.4.3報警控制的設計鍋爐液位過高或過低都會導致嚴重的后果，液位過高（>90）會溢出，液位過低（<10）會使得鍋爐干燒，造成爆炸等嚴重后果。因此應對其進行必要的監(jiān)控，從而進行調整。報警控制流程圖進行相應的報警設置，如圖第三章系統(tǒng)調試3.1仿真調試由于時間的限制，本設計采用仿真PLC系統(tǒng)軟件實現功能仿真和測試，當程序在調試時，使用仿真I/O設備模擬下位機向畫面程序提供數據，為畫面程序的調試提供方便。組態(tài)王提供一個仿真PLC設備，用來模擬實際設備向程序提供數據，供用戶調試。3.2控制軟件的調試軟件調試的步驟如下：●根據系統(tǒng)各功能模塊流程圖編寫程序；●對各功能模塊進行逐一編譯調試；●各功能模塊調試正常后，進行聯(lián)合編譯調試。此時需要注意的問題是程序的連貫性及各功能的相互搭配。●對全部程序進行調試，調試成功后，要對程序進行精簡化，在完成各功能的前提下，剔除多余的程序代碼。系統(tǒng)接線和程序檢查無誤后，可以接通電源。在工程瀏覽器上單擊工具欄中的“VIEW”按鈕，進入組態(tài)王運行系統(tǒng)。如果是在畫面制作系統(tǒng)，請選擇“文件\切換到VIEW”，也可進入組態(tài)王運行系統(tǒng)。用戶可以單擊“水泵啟動”按鈕，電機和水泵中的紅色圖素變成綠色，同時“水箱減稅”流體的動畫顯示。單擊“水箱泄水閥門”、“爐出水閥門”，兩閥門圖素在“打開”、“關閉”間切換?！八湫顾焙汀板仩t出水”流體動畫的顯示與否，還取決于“水箱”是否在溢流狀態(tài)，“鍋爐液位”是否大于零。用戶可以單擊“鍋爐給定液位”后的文本，彈出“輸入”對話框，用戶可在此輸入“鍋爐液位給定值”。系統(tǒng)的運行效果如圖3.1、圖3.2、圖3.3所示。用戶如果對控制效果不滿意，可以在線反復修改“閥門比例系數”和“PID比例系數KP”，以使控制精度能夠滿足要求。圖3.1鍋爐液位控制系統(tǒng)“監(jiān)控中心”運行效果圖3.2鍋爐液位控制系統(tǒng)“實時趨勢曲線”畫面運行效果圖3.3鍋爐液位控制系統(tǒng)“報警窗口”畫面運行效果3.3數據測試數據測試能夠反應系統(tǒng)的性能指標，并通過測試分析各性能是否符合設計要求及用戶要求。本設計中我采用的采樣周期T=0.5s，T1=20,并通過改變PID比例系數KP、閥門比例系數KI的值。測試數據如圖所示i.KP=1，KI=0.7圖3.4從圖中可以看出鍋爐液位HK可以跟蹤給定液位HR，最終趨于穩(wěn)定。但是它的上升比較緩慢i.iKP=2，KI=1.5圖3.5經過閥門比例系數KI、PID控制比例系數KP，系統(tǒng)的上升時間有所提高，但是振蕩幅度比較大。所以選擇是應該折中考慮。3.4分析討論經過多次調試，我設計的系統(tǒng)終于可以跟蹤給定值的變化而變化。起初根據我的思路設計的控制軟件根本不能跟蹤給定液位的變化，在調試時，系統(tǒng)一直沒有采入值。之后我通過調整程序，很好的實現了設計設置的功能。首次編寫PID控制程序，調試時總會出現一些語法錯誤，以致設置的功能比如歸一化參數整定經常不起作用，最后發(fā)現忘了變量的傳遞，修改程序后才使其功能得以實現。本設計采用仿真PLC模擬下位機跟組態(tài)王進行通訊，由于時間緊迫，也只是進行虛擬的設計，而只是簡單的了解硬件接口的設計，所以還是與實際控制系統(tǒng)中的設計有所距離。至于PID參數的整定采用了歸一化的方法，使得設計變得簡單，由先前對四個參數的整定，變?yōu)閷σ粋€參數進行整定便可以滿足設計需求。從上節(jié)圖中可以看出。改變KI及KP這兩個參數，可以使系統(tǒng)的性能得以改善。這樣改變一個參數KP，其他的參數會進行整體的改變，而影響系統(tǒng)性能。第四章結論本設計結合了軟件與硬件的設計，是對我大學所學知識的一次綜合性檢測與考驗，不僅在理論方面還是在動手方面都得到了很大的提高。本設計運用組態(tài)王軟件、計算機控制技術、C++語言等多方面的知識，讓我對這些知識有了更清晰，更深入的認識。在設計該系統(tǒng)的過程中，讓我深刻體會到查閱資料的重要性，這些資料不僅拓寬了我的思路，加快了設計的進度，而且使我是設計更加完整，功能更豐富在數據測試和調試方面，由于沒有做出時間樣品，所以數據只能用軟件仿真測得。系統(tǒng)所測數據滿足設計要求，且很好的實現了各項功能。由于本設計采用了仿真數據，與實際數據可能存在一定的誤差。通過本次畢業(yè)設計，讓我更深刻的了解了組態(tài)王在工業(yè)中的應用，也讓我了解了專業(yè)知識的同時，也對本專業(yè)的前景充滿信心。無論在軟件設計還是硬件選取中，我都采用了比較先進的設計方法，但仍有許多缺陷。致謝本人的本科畢業(yè)設計論文一直是在我的導師虎恩典教授悉心指導下完成的。他嚴肅的科學態(tài)度，嚴謹的治學精神，精益求精的工作作風，深深地感染和激勵著我。并且在整個畢業(yè)設計過程中，虎恩典教授不斷對我所得結論進行總結，也使我接觸到了許多理論和實際上的新問題，使我做了許多有益的思考。從課題的選擇到項目的最終完成，虎老師都始終給予我細心的指導和不懈的支持。在此表示誠摯的感謝和由衷的敬意。另外我要感謝在一起愉快的度過大學生活的室友，正是由于你們的幫助和支持，我才能克服一個一個的困難和疑惑，直至本文的順利完成。我還要感謝學院，給我們提供電腦，讓我們順利完成了畢業(yè)論文。在此感謝所以給我提供幫助的同學和老師，謝謝你們！從開始進入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長、同學、朋友給了我無言的幫助，在這里請接受我誠摯的謝意！最后我還要感謝培養(yǎng)我長大含辛茹苦的父母，謝謝你們!再次感謝我的家人，我的同學和所有關心我的人。參考文獻[1]覃貴禮，吳尚慶.組態(tài)軟件控制技術.北京：北京理工大學出版社，2007.8[2]譚浩強.C++程序設計.北京：機械工業(yè)出版社[3]賴壽宏.微型計算機控制技術.北京：機械工業(yè)出版社,2000.5[4]李剛民,曹巧媛,曹琳琳，陳忠平.單片機原理及實用技術.北京：高等教育出版社，2005.4[8]李朝青.單片機原理及接口技術.北京：北京航空航天大學出版社[9]鄒伯敏.自動控制理論.北京：機械工業(yè)出版社，2002.1附錄1：源程序1.循環(huán)改變流體狀態(tài)If（）//循環(huán)改變量水箱進水流體狀態(tài)的值{If（水箱進水流體狀態(tài)<4）水箱進水流體狀態(tài)=水箱進水流體狀態(tài)+1；Else水箱進水流體狀態(tài)=1；}Else水箱進水流體狀態(tài)=0；//循環(huán)改變變量水箱泄水流體狀態(tài)的值If（\\本站點\水箱液位>=50&&\\本站點\泄水閥門==1）{If（）.水箱泄水流體狀態(tài)=\\本站點\水箱泄水流體狀態(tài)+1；Else\\本站點\水箱泄水流體狀態(tài)=1；}Else；//循環(huán)改變變量鍋爐出水流體狀態(tài)的值If（鍋爐液位>0&&\\本站點\出水閥門==1）{If（）鍋爐出水流體狀態(tài)=\\本站點\鍋爐出水流體狀態(tài)+1；Else\\本站點\鍋爐出水流體狀態(tài)=1；}Else\\本站點\鍋爐出水流體狀態(tài)=0；//循環(huán)改變變量鍋爐進水流體狀態(tài)的值If（調節(jié)閥開度>0&&\\本站點\水箱液位>0）{If（鍋爐進水流體狀態(tài)<4）鍋爐進水流體狀態(tài)=鍋爐進水流體狀態(tài)+1；Else鍋爐進水流體狀態(tài)=1；}Else鍋爐進水流體狀態(tài)=0；選擇畫面命令語言執(zhí)行時間間隔為每200毫秒。2.數字控制器的算法if(水箱液位>390//PID控制{{if(k==0/*計數判斷*/{UK=0;UK1=0;EK1=0;EK2=0;EK=0;HK=0;HK1=0;閥門1=0;}/*初值清零*/if(k>=0{{EK=HR-HK1;/*求取第K次采集后的偏差*/{UK=UK1+KP*2.45*EK-KP*3.5*EK1+KP*1.25*EK2;/*PID控制計算*/if(UK>100UK=100;if(UK<0||HK1>100UK=0;if(HK1<0HK1=0;HK=KI*(T/(T+T1*UK1+(T1/(T+T1*HK1;}UK1=UK;EK2=EK1;EK1=EK;HK1=HK;/*各變量遞推*/}}k=k+1;/*計數累加*/液位.AddNewPoint(k,HK,1;/*實時曲線畫點*/液位.AddNewPoint(k,HR,0;}else{水泵啟動=0;k=0;液位.Clear(1;UK=0;HK=0;}}3.水箱液位控制//水箱液位控制if(\\本站點\水泵啟動==1{if(\\本站點\水箱液位<50{if(\\本站點\調節(jié)閥開度<=0+20;else\\本站點\水箱液位=\\本站點\水箱液位+15;}elseif(\\本站點\水箱液位>50{if(\\本站點\調節(jié)閥開度<=0\\本站點\水箱液位=\\本站點\水箱液位+15;else\\本站點\水箱液位=\\本站點\水箱液位+10;}}else{if(\\本站點\水箱液位<50{if(\\本站點\調節(jié)閥開度<=0\\本站點\水箱液位=\\本站點\水箱液位;else\\本站點\水箱液位=\\本站點\水箱液位-10;}elseif(\\本站點\水箱液位>=50{if(\\本站點\調節(jié)閥開度<=0-10;else\\本站點\水箱液位=\\本站點\水箱液位-20;}}附錄2：英文原文Systemcompensation1IntroductionItwasmentionedearlierthatperformanceofacontrolsystemismeasuredbyitsstability,accucacy,andspeedofresponse.ingeneraltheseitemsarespecifiedwhenasystemisbeingdesignedtosatisfyaspecifictask.Quiteoftenthesimultaneoussatisfactionofalltheserequirementscannotbeachievedbyusingthebasicelementsinthecontrolsystem.Evenafterintroducingcontrollersandfeedback,wearelimitedastothechoicewemayexerciseinselectingacertaintransientresponsewhilerequiringasmallsteadystateerror.Wewillshowhowthedesiredtransientaswellasthesteadystatebehaviorofasystemmaybeobtainedbyintroducingcompensatoryelements(alsocalledequalizernetworksintothatcontrolsystemloop.Thesecompensationelementsaredesignedsothattheyhelpachievesystemperformance,i.e.bandwidth,phasemargin,peakovershoot,steadystateerror,etc.withoutmodifyingtheentiresysteminamajorway.Formourexperiencesofarwerecognizethatanychangesinsystemperformancecanbeachievedonlythoughvaryingtheforwardloopgain.Considerthethird-orderunityfeedbacksystemwiththefollowingforwardlooptransferfunction,G(s=Ks(s+a(s+bFromtheRouth-HurwitzcriterionweknowthatstabilityrequiresK≤ab(a+bWealsoknowthatthesteadystateerrortoarampinputisess=lims[11ab?]=s21+G(sKs→0Obviouslyifitisnecessarytominimizethesteadystateerror,thegainKshouldbeincreased.SinceKisconstrainedtoamaximumvalueofab（a+b）,theminimumsteadystateerrorbecomes[ess]min=1a+bAfurtherdecreaseintheerrorrequiresanincreaseinKwhichinturnhasadestabilizingeffectonthesystem,Itisthereforeclearthattheforward“gaingame”isratherlimited.2thestabilizationofunstablesystemsSincetheincreasingoftheforwardloopgainKtendstodestabilizeasystem,wemustfindwaysitcompensateitonsuchawayastostabilizeitagain.ItwasestablishedinChapter6thattheadditionofapoleinG(sH(stendstohaveadestabilizinginfluenceonsystemresponse.Canwethereversetheargumentandsaythattheadditionofazerotendstohaveastabilizinginfluenceonsystemresponse?Letusanswerthisbyconsideringanexample.ConsiderthecontrolsystemwithitstransferfunctiongiveninExample6-5.ThissystemisunstableifK>KcNowconsiderthesamesystembutwiththeadditionofazero,G(sH(s=K(sτ3+1s(sτ1+1(sτ2+1Thisisthetypeoffunctionweobtainifweweretoaddderivativeandproportionalcontroltoathird-orderservomechanism.Thecharacteristicequationbecomess3τ1τ2+s2(τ1+τ2+(Kτ3+1s+K=0s(sτ1+1(sτ2+1Andthezerosofthecharacteristicequationaredeterminedbys3τ1τ2+s2(τ1+τ2+(Kτ3+1s+k=0TheRoutharraybecomessτ1τ2(Kτ3+13s2τ1+τ2Kb1=(Kτ3+1(τ1+τ2-Kτ1τ2τ1+τ2s1b1b2b2=0s0c1ωc1=KForstabilityb1≥0,andthereforeK(τ1τ3+τ2τ3-τ1τ2+(τ1+τ2>0Clearly,withaproperselectionofthetimeconstants,thismaybesatisfied.TheNyquistplotforthisisshowninFig.1ωωFig.13CASCADEDCOMPENSATIONAsindicatedinFig.2,cascadedcompensationconsistsofplacingelementsinserieswiththeforwardlooptransferfunction.Suchcompensationmaybeclassifiedintothefollowingcategories:(aPhase-lagcompensation(bPhase-leadcompensation(aCascadeorseriescompensation(cfeedbackcompensationC(s(dFeedforwardcompensationFig.2Typeofcompensation(eLag-leadcompensation(fCompensationbycancellation.Thedetailsofthesemethodsisthesubjectofthissection.Phase-lagcompensationConsideraunityfeedbackcontrolsystemwhoseforwardlooptransferfunctionrepresentsathird-ordersystemwithitsNyquistplotshowinFig.3.ItisrequiredthatthegainbeK1forsatisfyingthemarginofstabilitybutK2forsatisfyingthesteadystateperformance.Thisseeminglycontradictoryrequirementmaybesatisfiedifweweretoreshapetheplottotheoneindicatedbythedottedlines.Thereshapedplotmaybeobtainedifthelow-frequencypartofK1isrotatedclockwisewhilethehigh-frequencypartofK1mustlag,thetypeofcompensationusedtoachievethisisphase-lagcompensation.Suchcompensationisobtainedbyaphase-lagelement.IK2ω=0K1ω=0Fig.3Whentheoutputofanelementlagstheinputinphaseandthemagnitudedecrasesasafunctionoffrequency,theelementiscalledaphase-lagelement.Considerthelagnetwork.Thetransferfunctionforthisis1+aTsE2(s=Gc(s=E1(s1+TsWhereaT=R2C;a=R2R1+R2TheBode,Nyquist,androotlocusplotsareshowinFig.4.Weobservethatjωσ(a?(bFig.4(cthemagnitudedecreaseswithincreasingfrequencyandlaggingphaseangle.Theminimumphaseφmoccursatωmwhichisthegeometricaverageofthecornerfrequencieslogωm=111(log+log2TaTωm=Thephaseanglebecomesφm=arctaanTωm-tanφm=arcωtmaTn(-T+aTωm1+(aTωm(Tωmtanφm=(1-a/orsinφm=(1-a/(1+aThemaximumphaselagisstrictlyafunctionofa.Letusinvestigatehowsuchanetworkaltersperformanceofafeedbackcontrolsystem.Thephase-lagmethodofcompensationachievesthefollowing:(1Reduceshigh-frequencygainandimprovesthephasemargin;(2Increasesthevelocityerrorconstantforafixedrelativestability;(3Thegaincrossoverfrequencyisdecreased.Thisalsoreducesthebandwidthofthesystem;(4Thetimeresponseusuallygetsslower.Phase-leadcompensationLetusreturntotheNyquistplotshowninFig.3.WecouldhavereshapedtheplotbybeginningwiththeNyquistplotforK2androtatingthehigh-frequencypartinthecounterclockwisedirectionbutwithoutalteringthelow-frequencypart.Sincethephaseofthehigh-frequencypartmustnowlead,thetypeofcompensationusedtoachievethisisphase-leadcompensation.Suchcompensationisachievedbyaphase-leadelement.Whentheoutputofanelementleadstheinputinphaseandthemagnitudeincreasesasafunctionoffrequency,theelementiscalledaphase-leadelement.Considertheleadelementshown.Thetransferfunctionis圖E2(s11+αsT=E1(sα1+sTWhereT=R1R2CR+R2α=1R1+R2R2TheBodeplot,polarplot,androotlocusplotareshowninFig.5.Wenotethatthemagnitudeincreaseswithincreasingfrequency.Thevalueoflocus.Themaximumphaseleadαdeterminestheseparationontherootωmoccursatωm.Usingthepreviousmethod,it1T1αTjωσ(a(bFig.5Maybeshowthatωm=(csinφm=α-1α+1Forsystemscompensatedbyphase-leadnetworksthefollowingisconcluded(1(2(3(4Thevelocityerrorconstantisincreasedandthereforethesteadystateerrortoarampinputisdecreasedforagivenrelativestability.ThedampingratioisincreasedandtheovershootisreducedwhilethephasemarginisincreasedThegaincrossoverfrequencyisincreasedandthebandwidthisusuallyincreasedTherisetimeisfasterPhaselag-leadcompensationPhase-lagcompensationwasseentoimprovethesteadystateresponsealthoughtherisetimebecameslower.Thephase-leadcompensation,ontheotherhand,decreasedtherisetimeanddecreasedtheovershootrathersubstantially.Itisoftennecessarytocombinethesedifferentpropertiesforsimultaneouslysatisfyingthesteadyaswellastransientbehaviorofcontrolsystem。Compensationelementsthatcombinethesepropertiesarecalledlag-leadnetworks.Inordertoembodythecharacteristicsoflagandleadnetworks,itispossibletocascadetwoindependentnetworks.However,thereareindividualnetworksthatpossessthecombinedpropertyofleadandlag.Considerthelag-leadnetworkshown.ThetransferfunctionforthisnetworkisE2(s(1+R1C1s(1+R2C2s=2E1(s1+(R1C1+R2C2+R2C2s+R1R2C1C2sThismaybecastinthefamiliarleadandlagnotationbydefining,T1α-1=R1C1T2α=R2C2T1T2=R1R2C1Cleadlag-1E(s1+sT1a+1sTa2=Substituting2E1(s1+sT1+1sT2Thecomputationalprocedureofobtaininga,T1isasbefore.CompensationbycancellationAlthoughwehavetriedtocategorizeandgeneralizethecompensationanddesignofcontrolsystem,itisimportanttorealizethattherealwaytodesignasystemistohavesome“feel”fortheproblem.Itispossiblethatnoneofthetechniqueswehaveconsideredreallyhelp,orp