電氣工程及其自動(dòng)化-三容水箱液位控制系統(tǒng)的matlab仿真設(shè)計(jì)

PAGEPAGEIII三容水箱液位控制系統(tǒng)的matlab仿真設(shè)計(jì)摘要鍋爐是在工業(yè)應(yīng)用中經(jīng)常見到的蓄液裝置，本文設(shè)計(jì)了一種數(shù)字式三容水箱液位控制系統(tǒng)，給出了硬件原理圖和軟件流程圖及其相關(guān)的程序。本文設(shè)計(jì)三容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)。首先對(duì)被控對(duì)象的模型進(jìn)行分析，并采用實(shí)驗(yàn)建模法求取模型的傳遞函數(shù)。其次，根據(jù)被控對(duì)象模型和被控過程特性設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)，采用動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)對(duì)控制系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析。然后，設(shè)計(jì)并組建儀表過程控制系統(tǒng)，通過智能調(diào)節(jié)儀表實(shí)現(xiàn)對(duì)液位的串級(jí)PID控制。最后，設(shè)計(jì)并組建遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)，完成控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和結(jié)果分析。關(guān)鍵詞：三容水箱；液位控制系統(tǒng)；matlab

abstractBoilerisaliquidstoragedeviceoftenseeninindustrialapplications.Thispaperdesignsadigitalthree-tankliquidlevelcontrolsystem.Thehardwareschematicdiagram,softwareflowchartandrelatedprogramsaregiven.Thispaperdesignsacascadecontrolsystemforthelevelofthree-tankwatertank.Inthedesign,automaticinstrumenttechnology,computertechnology,communicationtechnologyandautomaticcontroltechnologyarefullyutilizedtorealizecascadecontrolofboilerlevel.Firstly,themodelofthecontrolledobjectisanalyzed,andthetransferfunctionofthemodelisobtainedbyexperimentalmodelingmethod.Secondly,cascadecontrolsystemisdesignedaccordingtothemodelofcontrolledobjectandthecharacteristicsofcontrolledprocess,andtheperformanceofcontrolsystemisanalyzedbydynamicsimulationtechnology.Then,theinstrumentprocesscontrolsystemisdesignedandconstructed,andthecascadePIDcontrolofliquidlevelisrealizedbyintelligentadjustinginstrument.Finally,withthehelpofdataacquisitionmodule,MCGSconfigurationsoftwareanddigitalcontroller,aremotecomputerprocesscontrolsystemisdesignedandbuilttocompletethecontrolsystemexperimentandresultanalysis.Keywords:three-tankwatertank;liquidlevelcontrolsystem;matlab

目錄摘要 Iabstract II第一章緒論 11.1研究背景及意義 11.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1第二章系統(tǒng)建模分析 32.1水箱模型分析 32.2階躍響應(yīng)曲線法建立模型 4第三章系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)與仿真 103.1PID控制原理 103.2系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì) 123.2控制系統(tǒng)仿真 14第四章建立儀表過程控制系統(tǒng) 184.1過程儀表介紹 184.2儀表過程控制系統(tǒng)的組建 204.3儀表過程控制系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)行 24第五章建立計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng) 265.1計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 265.2MCGS軟件工程組態(tài) 285.3計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)行 41結(jié)論 44參考文獻(xiàn) 45致謝 46PAGE32第一章緒論1.1研究背景及意義隨著中西部地區(qū)的不斷發(fā)展，我國鍋爐行業(yè)也迎來了新的發(fā)展空間，對(duì)鍋爐系統(tǒng)技術(shù)也提出了更高的要求。液位控制技術(shù)作為鍋爐系統(tǒng)控制技術(shù)的重要組成部分，也已成為衡量鍋爐公司技術(shù)含量的一項(xiàng)指標(biāo)。傳統(tǒng)的液位控制不能進(jìn)行遠(yuǎn)距離集中控制，自動(dòng)化程度低，調(diào)節(jié)精度差等，不能單靠手工操作來適應(yīng)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，控制系統(tǒng)改造的必要性，被控對(duì)象越復(fù)雜，對(duì)控制精度的要求就越高。由于被控對(duì)象和過程的非線性、時(shí)變性,多參數(shù)間的強(qiáng)耦合、隨機(jī)干擾等因素,使得建立被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型變得很困難。在這些復(fù)雜的系統(tǒng)面前,傳統(tǒng)的控制方法無法滿足控制精度,而且系統(tǒng)穩(wěn)定性差。鍋爐最好能自動(dòng)控制。同時(shí)，隨著單片機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的飛速發(fā)展，利用單片機(jī)及其外圍芯片實(shí)現(xiàn)鍋爐液位控制已成為可能，也成為一種發(fā)展趨勢(shì)。具有體積小、安裝方便、功能齊全等特點(diǎn)，性價(jià)比高，具有廣闊的應(yīng)用前景，同時(shí)有助于識(shí)別可能出現(xiàn)的故障。通過微機(jī)對(duì)鍋爐的燃燒和供水系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制和調(diào)節(jié)，保證鍋爐的正常運(yùn)行。供氣、供水，保持系統(tǒng)穩(wěn)定，確保安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。隨著科技的不斷攀升，現(xiàn)在的鍋爐控制基本上都能實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化，且在安全性、實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性上都給予了充分的考慮，此設(shè)計(jì)在全面考慮各方面要求的基礎(chǔ)上，利用單片機(jī)系統(tǒng)的小巧便利可行實(shí)惠做出了三容水箱液位控制系統(tǒng)。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在以前鍋爐控制多是人工控制，直接用人眼讀取液位，針對(duì)各量的變化直接用手去操作來做出措施，這樣不但浪費(fèi)人力資源而且不準(zhǔn)不快，危險(xiǎn)性高，花費(fèi)高。采用單片機(jī)小系統(tǒng)后，就不需要人工在那24小時(shí)守著它，同時(shí)不需要人工太多的操作，且針對(duì)危急時(shí)刻它能在1秒內(nèi)給予最有效的措施來緩解或者解決。當(dāng)然還有做的更好的，能夠更高精度的抽象出出氣進(jìn)水的非線性關(guān)系，能較高的防止各方面的干擾而得出較準(zhǔn)確的液位。這能做到更準(zhǔn)更快更安全更實(shí)用。針對(duì)此課題，有各方面的研究：1．一般情況下，1臺(tái)鍋爐運(yùn)行時(shí)，只開1臺(tái)給水泵裕量較大，而2臺(tái)鍋爐同時(shí)運(yùn)行且用汽量較大時(shí)，只開1臺(tái)給水泵無法滿足需要，而開2臺(tái)給水泵后，相對(duì)單臺(tái)鍋爐運(yùn)行時(shí)，裕量更大，針對(duì)這一問題，對(duì)給水系統(tǒng)采用了變頻操作，可以用一臺(tái)變頻器控制多臺(tái)水泵合理給水。變頻調(diào)速技術(shù)有著節(jié)能、環(huán)保、方便、工作效率高等優(yōu)點(diǎn)2．液位控制過程具有大滯后、時(shí)變和非線性等特點(diǎn)。3．汽包液位控制采用串級(jí)的三沖量控制方案，它能有效的消除“虛假液位”的出現(xiàn)，還能克服液包液位產(chǎn)生的靜差，使給水流量跟蒸汽流量基本達(dá)成一致，較準(zhǔn)確的給出液體高度，同時(shí)對(duì)給水流量跟蒸汽流量不一致時(shí)較快的進(jìn)行調(diào)節(jié)，避免危險(xiǎn)發(fā)生。

第二章系統(tǒng)建模分析在液位串級(jí)控制系統(tǒng)中，我們所關(guān)心的是如何控制好水箱的液位。上水箱和下水箱是系統(tǒng)的被控對(duì)象，必須通過測(cè)定和計(jì)算他們模型，來分析系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能、動(dòng)態(tài)特性，為其他的設(shè)計(jì)工作提供依據(jù)。上水箱和下水箱為THJ-2高級(jí)過程控制實(shí)驗(yàn)裝置中上下兩個(gè)串接的有機(jī)玻璃圓筒形水箱，另有不銹鋼儲(chǔ)水箱負(fù)責(zé)供水與儲(chǔ)水。上水箱尺寸為：d=25cm,h=20cm;下水箱尺寸為：d=35cm,h=20cm，每個(gè)水箱分為三個(gè)槽：緩沖槽、工作槽、出水槽。2.1水箱模型分析QQ112Q2Ah圖2.1液位被控過程簡(jiǎn)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(gè)具有自衡能力的單容過程。如圖，水箱的流入量為Q1，流出量為Q2，通過改變閥1的開度改變Q1值，改變閥2的開度可以改變Q2值。液位h越高，水箱內(nèi)的靜壓力增大,Q2也越大。液位h的變化反映了Q1和Q2不等而導(dǎo)致水箱蓄水或?yàn)a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Q1之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式。根據(jù)動(dòng)態(tài)物料平衡，Q1-Q2=A(dh/dt)；△Q1-△Q2=A(d△h/dt)在靜態(tài)時(shí)，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(jiǎn)便起見，做線性化處理得Q2=△h/R2，經(jīng)拉氏變換得單容液位過程的傳遞函數(shù)為W0(s)=H(s)/Q1(s)=R2/(R2Cs+1)=K/(Ts+1)注：△Q1﹑△Q2﹑△h:分別為偏離某一個(gè)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(shí)間常數(shù)(T=R2C)K:液位過程的放大系數(shù)(K=R2)C:2.2階躍響應(yīng)曲線法建立模型在本設(shè)計(jì)中將通過實(shí)驗(yàn)建模的方法，分別測(cè)定被控對(duì)象上水箱和下水箱在輸入階躍信號(hào)后的液位響應(yīng)曲線和相關(guān)參數(shù)。在測(cè)定模型參數(shù)中可以通過以下兩種方法控制調(diào)節(jié)閥，對(duì)被控對(duì)象施加階躍信號(hào)：(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(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的階躍信號(hào)輸入。(2)在MCGS監(jiān)控軟件中設(shè)置了人機(jī)對(duì)話窗口，以改變調(diào)節(jié)閥的開度和進(jìn)入水箱的進(jìn)水口的尺寸，從而改變水箱的液位，并實(shí)現(xiàn)控制裝置的步進(jìn)信號(hào)輸入?？刂七M(jìn)水量控制進(jìn)水量供水施加階躍輸入信號(hào)階躍響應(yīng)輸出電動(dòng)調(diào)節(jié)閥上水箱/下水箱圖2.2水箱模型測(cè)定原理圖1．上水箱階躍響應(yīng)參數(shù)測(cè)定：按圖連接實(shí)驗(yàn)線路,手動(dòng)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(shí)。改變調(diào)節(jié)閥開度至OP2=60,即對(duì)上水箱輸入階躍信號(hào),使其液位離開原平衡狀態(tài)。經(jīng)過一定調(diào)節(jié)時(shí)間后,水箱液位重新進(jìn)入平衡狀態(tài)。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)):表2.1上水箱階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)123.62744.771347.761947.64230.50845.561447.872047.09335.25946.171547.892146.52438.691047.061647.282246.41541.321147.251747.012346.28643.311247.461847.152445.902．下水箱階躍響應(yīng)參數(shù)測(cè)定：按圖連接實(shí)驗(yàn)線路,手動(dòng)操作調(diào)節(jié)器,控制調(diào)節(jié)閥開度,使初始開度OP1=40,等到水箱的液位處于平衡位置時(shí)。改變調(diào)節(jié)閥開度至OP2=50,即對(duì)上水箱輸入階躍信號(hào),使其液位離開原平衡狀態(tài)。經(jīng)過一定調(diào)節(jié)時(shí)間后,水箱液位重新進(jìn)入平衡狀態(tài)。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)):表2.2下水箱階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)154.021384.612598.4537103.9349107.20257.191486.342699.1938104.3950107.28360.281587.712799.8339104.8451107.32463.531689.1828100.4340105.0652107.38566.561790.4429101.0141105.5353107.56669.521891.7630101.4242105.8054107.66772.261993.0431101.8143106.0855107.82874.792094.1132102.2644106.3356107.67977.002195.1833102.7945106.4157107.551079.072296.0434103.1946106.6158107.391180.872396.9635103.3647106.6559107.251282.882497.4936103.6548106.9460107.10由于實(shí)驗(yàn)測(cè)定數(shù)據(jù)可能存在誤差，直接使用計(jì)算法求解水箱模型會(huì)使誤差增大。所以使用MATLAB軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)最小二乘法原理和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)響應(yīng)曲線進(jìn)行最佳擬合后，再計(jì)算水箱模型。兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中將階躍響應(yīng)初始點(diǎn)的值作為Y軸坐標(biāo)零點(diǎn)，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(diǎn)；將對(duì)應(yīng)Y軸上階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)點(diǎn)的采集時(shí)間作為曲線上各X點(diǎn)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=[06.8811.6315.0717.719.6921.1521.9422.5523.4423.6323.8424.1424.2524.27]；>>p=polyfit(x,y,4)；>>xi=0:3:420；>>yi=polyval(p,xi)；>>plot(x,y,’b:o’xi,yi,'r')。在MATLAB中繪出曲線如下：圖2.5上水箱擬合曲線注：圖中曲線為擬合曲線，圓點(diǎn)為原數(shù)據(jù)點(diǎn)。數(shù)據(jù)點(diǎn)與曲線基本擬合。如圖所示，利用四階多項(xiàng)式近似擬合上水箱的響應(yīng)曲線，得到多項(xiàng)式的表達(dá)式：P(t)≈-1.8753e(-009)t4+2.2734e(-006)t3-0.0010761t2+0.24707t+0.13991。根據(jù)曲線采用切線作圖法計(jì)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(shí)，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(diǎn),A點(diǎn)映射在t軸上的B點(diǎn)的值為T。圖2.6上水箱模型計(jì)算曲線階躍響應(yīng)擾動(dòng)值為10,靜態(tài)放大系數(shù)為階躍響應(yīng)曲線的穩(wěn)態(tài)值與階躍擾動(dòng)值之比，所以上水箱傳遞函數(shù)為4.下水箱模型建立在MATLAB的命令窗口輸入曲線擬合指令：>>x=0:30:1650；>>y=[03.176.269.5112.5415.518.420.7722.9825.0526.8528.8630.5932.3233.6935.1636.4237.7439.0240.0941.1642.0242.9443.4744.4345.1745.8146.4146.9947.447.7948.2448.7749.1749.3449.6549.9150.3750.8251.0451.5151.7852.0652.3152.3952.5952.6352.9253.1853.2653.353.3653.5453.6453.853.8]；>>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(diǎn)為原數(shù)據(jù)點(diǎn)。數(shù)據(jù)點(diǎn)與曲線基本擬合。如圖所示，利用四階多項(xiàng)式近似擬合下水箱的響應(yīng)曲線，得到多項(xiàng)式的表達(dá)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(jì)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(shí)，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(diǎn),A點(diǎn)映射在t軸上的B點(diǎn)的值為T。圖2.8下水箱模型計(jì)算曲線階躍響應(yīng)擾動(dòng)值為10,靜態(tài)放大系數(shù)為階躍響應(yīng)曲線的穩(wěn)態(tài)值與階躍擾動(dòng)值之比，所以下水箱傳遞函數(shù)為。

第三章系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)與仿真控制方案設(shè)計(jì)是過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)控制規(guī)律，選擇檢測(cè)、變送器和選擇執(zhí)行器。選擇正確的設(shè)計(jì)方案才能使先進(jìn)的過程儀表和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)過程中發(fā)揮良好的作用。3.1PID控制原理目前，隨著控制理論的發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，PID控制技術(shù)日趨成熟。先進(jìn)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(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用。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(jiǎn)稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。y(t)y(t)++r(t)比例P積分I微分D被控對(duì)象圖3.1PID控制基本原理圖PID控制器是一種線性負(fù)反饋控制器，根據(jù)給定值r(t)與實(shí)際值y(t)構(gòu)成控制偏差：。PID控制規(guī)律為：或以傳遞函數(shù)形式表示：式中，KP:比例系數(shù)TI:積分時(shí)間常數(shù)TD:微分時(shí)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(jiǎn)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，能較快克服擾動(dòng)，使系統(tǒng)穩(wěn)定下來。但當(dāng)僅有比例控制時(shí)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(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(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差的累積取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)越大。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。但是過大的積分速度會(huì)降低系統(tǒng)的穩(wěn)定程度，出現(xiàn)發(fā)散的振蕩過程。比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)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(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(shí)，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(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(cè)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)。特別對(duì)于有較大慣性或滯后環(huán)節(jié)的被控對(duì)象，比例積分控制能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動(dòng)態(tài)特性。PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)間和微分時(shí)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(jì)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(jì)算確定控制器參數(shù)。由于該過程的實(shí)驗(yàn)數(shù)學(xué)模型只能近似過程動(dòng)力學(xué)，理論上計(jì)算的參數(shù)整定值不高，必須通過工程實(shí)踐進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定法。它主要依靠工程經(jīng)驗(yàn)，在控制系統(tǒng)測(cè)試中直接調(diào)整控制器參數(shù)。該方法簡(jiǎn)單易行，在工程實(shí)踐中得到了廣泛的應(yīng)用。PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減曲線法。三種方法都是通過試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)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(shí)際運(yùn)行中進(jìn)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(shí)間TI置于最大，微分時(shí)間TD置零，比例度δ置于較大數(shù)值，把系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行，將調(diào)節(jié)器的比例度δ由大到小逐漸減小，得到臨界振蕩過程，記錄下此時(shí)的臨界比例度δk和臨界振蕩周期Tk。根據(jù)以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算調(diào)節(jié)器參數(shù)：表3.1臨界振蕩整定計(jì)算公式調(diào)節(jié)器參數(shù)控制規(guī)律δTITDP2δkPI2.2δkTK/1.2PID1.6δk0.5Tk0.25Tk2.阻尼振蕩法。在閉合控制系統(tǒng)中，把調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間TI置于最大，微分時(shí)間TD置零，比例度δ置于較大數(shù)值反復(fù)做給定值擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)，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(shí)的4：1衰減比例度δk和衰減周期Tk。根據(jù)以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算調(diào)節(jié)器參數(shù)：表3.2阻尼振蕩整定計(jì)算公式調(diào)節(jié)器參數(shù)控制規(guī)律δTITDPδSPI1.2δS0.5TSPID0.8δS0.3TS0.1TS3.反應(yīng)曲線法若被控對(duì)象為一階慣性環(huán)節(jié)或具有很小的純滯后，則可根據(jù)系統(tǒng)開環(huán)廣義過程測(cè)量變送器階躍響應(yīng)特性進(jìn)行近似計(jì)算。在調(diào)節(jié)閥的輸入端加一階躍信號(hào)，記錄測(cè)量變送器的輸出響應(yīng)曲線，并根據(jù)該曲線求出代表廣義過程的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)。3.2系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)1．控制系統(tǒng)性能指標(biāo)(1)靜態(tài)偏差：系統(tǒng)過渡過程終了時(shí)的給定值與被控參數(shù)穩(wěn)態(tài)值之差。(2)衰減率：將輸入信號(hào)應(yīng)用于閉環(huán)控制系統(tǒng)后，響應(yīng)中振蕩過程的衰減指數(shù)為輸出，即振蕩經(jīng)過一個(gè)周期后波動(dòng)幅度的百分比。為了保證系統(tǒng)足夠的穩(wěn)定程度，一般衰減率在0.75-0.9。(3)超調(diào)量：輸出響應(yīng)過渡過程開始后，通過被控參數(shù)的第一個(gè)峰值與穩(wěn)態(tài)值的差值，即穩(wěn)態(tài)值的百分比，來測(cè)量控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程的精度。(4)調(diào)節(jié)時(shí)間：從過渡過程開始到被控參數(shù)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)值-5%—+5%范圍所需的時(shí)間2．方案設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)建立的串級(jí)控制系統(tǒng)由主副兩個(gè)控制回路組成，每一個(gè)回路又有自己的調(diào)節(jié)器和控制對(duì)象。主回路中的調(diào)節(jié)器稱主調(diào)節(jié)器，控制主對(duì)象。副回路中的調(diào)節(jié)器稱副調(diào)節(jié)器，控制副對(duì)象。主調(diào)節(jié)器有自己獨(dú)立的設(shè)定值R，他的輸出m1作為副調(diào)節(jié)器的給定值，副調(diào)節(jié)器的輸出m2控制執(zhí)行器，以改變主參數(shù)c2.m2m2m1e1c1擾動(dòng)f1(t)e2設(shè)定值Rc2擾動(dòng)f2(t)主調(diào)節(jié)器副調(diào)節(jié)器執(zhí)行器副對(duì)象主對(duì)象圖3.2串級(jí)控制系統(tǒng)通過設(shè)計(jì)的三容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)的控制過程,將努力使輸出響應(yīng)的系統(tǒng)在穩(wěn)定狀態(tài)下,系統(tǒng)的控制量等于給定的值,并調(diào)整沒有任何區(qū)別,所以,系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能。當(dāng)擾動(dòng)f1(t)作用于二次對(duì)象時(shí)，二次調(diào)節(jié)器可以在擾動(dòng)影響主控參數(shù)之前起作用，及時(shí)克服進(jìn)入二次回路的各種二次擾動(dòng)。當(dāng)擾動(dòng)f2(t)作用于一次對(duì)象時(shí)，由于二次回路的存在，應(yīng)加快系統(tǒng)響應(yīng)，強(qiáng)化主回路控制功能。(1)被控參數(shù)的選擇應(yīng)選擇被控過程中能直接反映生產(chǎn)過程能夠中的產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量，又易于測(cè)量的參數(shù)。在三容水箱控制系統(tǒng)中，由于下水箱液位是整個(gè)控制的關(guān)鍵，要求保持在給定值，所以選擇下水箱液位作為系統(tǒng)控制參數(shù)。如果其調(diào)節(jié)欠妥當(dāng)，會(huì)造成整個(gè)系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)的失敗,且現(xiàn)在對(duì)于液位的測(cè)量有成熟的技術(shù)和設(shè)備，包括直讀式液位計(jì)、浮力式液位計(jì)、靜壓式液位計(jì)、電磁式液位計(jì)、超聲波式液位計(jì)等。(2)控制參數(shù)的選擇從三容水箱系統(tǒng)來看，影響液位有兩個(gè)量，一是通過上水箱流入系統(tǒng)的流量，二是經(jīng)下水箱流出系統(tǒng)的流量。調(diào)節(jié)這兩個(gè)流量都可以改變液位的高低。但當(dāng)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥突然斷電關(guān)斷時(shí)，后一種控制方式會(huì)造成長(zhǎng)流水，導(dǎo)致水箱中水過多溢出，造成浪費(fèi)或事故。所以選擇流入系統(tǒng)的流量作為控制參數(shù)更合理一些。(3)主副回路設(shè)計(jì)為了實(shí)現(xiàn)液位串級(jí)控制，使用雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)。副回路應(yīng)對(duì)于包含在其內(nèi)的二次擾動(dòng)以及非線性參數(shù)、較大負(fù)荷變化有很強(qiáng)的抑制能力與一定的自適應(yīng)能力。主副回路時(shí)間常數(shù)之比應(yīng)在3到10之間，以使副回路既能反應(yīng)靈敏，又能顯著改善過程特性。下罐容積滯后大于上罐容積，控制下罐液位是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心問題。因此，主要對(duì)象是下罐，次要對(duì)象是上罐。(4)控制器的選擇根據(jù)三容水箱液位系統(tǒng)的過程特性和數(shù)學(xué)模型選擇控制器的控制規(guī)律。為了實(shí)現(xiàn)液位串級(jí)控制,使用雙閉環(huán)結(jié)構(gòu),主要監(jiān)管機(jī)構(gòu)選擇比例積分微分(PID)控制律,調(diào)整下水箱的液位,比例控制率(P)二級(jí)調(diào)節(jié)器的選擇上水箱的液位。通過調(diào)節(jié)，輔助主調(diào)節(jié)器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，整個(gè)回路構(gòu)成雙回路負(fù)反饋系統(tǒng)。3.3控制系統(tǒng)仿真通過MATLAB中的SIMULINK工具箱可以動(dòng)態(tài)的模擬所的構(gòu)造系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，以控制框圖代替了程序的編寫，只需要選擇合適仿真設(shè)備，添加傳遞函數(shù)，設(shè)置仿真參數(shù)。階躍響應(yīng)性能圖3.3SIMULINK仿真框圖可以通過手動(dòng)開關(guān)（ManualSwitch）來實(shí)現(xiàn)二次回路的引入和拆除，以了解二次回路對(duì)控制性能的影響，并比較級(jí)聯(lián)控制和非級(jí)聯(lián)控制對(duì)液體的控制能力三級(jí)水箱的水位。在時(shí)間為0時(shí)對(duì)系統(tǒng)加入大小為30的階躍信號(hào)，設(shè)置主控制器PID參數(shù)KP=60TI=50TD=3;副控制器P參數(shù)為KP=50，在初始點(diǎn)加40點(diǎn)階躍輸入量觀察階躍響應(yīng)曲線。3.4MATLAB加入副回路仿真曲線圖圖3.5MATLAB不加入副回路仿真曲線圖3.4為加入副回路時(shí)的仿真曲線：圖3.5為切除副回路時(shí)的仿真曲線.從兩個(gè)圖3.4和3.5的比較可以看出，與引入二次回路的控制系統(tǒng)相比，引入二次回路后的三容量水箱級(jí)聯(lián)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性有了很大的改善，從而提高了系統(tǒng)的運(yùn)行頻率并受到控制。2．抗擾動(dòng)能力保持初始階躍信號(hào)不變，將干擾信號(hào)加入二次回路觀察響應(yīng)曲線。在400秒時(shí)，一個(gè)階躍值為70的干擾信號(hào)通過慣性回路加到二次回路中。控制器參數(shù)不變。圖3.6SIMULINK仿真框圖圖3.7MATLAB加入副回路仿真曲線圖3.8MATLAB不加入副回路仿真曲線圖3.7為加入副回路時(shí)的仿真曲線：圖3.8為切除副回路時(shí)的仿真曲線.可以看出對(duì)比圖3.7和圖3.8,二次電路的引入形成了三容液位串級(jí)控制系統(tǒng)可以克服干擾進(jìn)入二次電路和消除干擾的影響的主要參數(shù)。液位控制優(yōu)于無二次回路的非級(jí)聯(lián)控制。綜上所述，選擇串級(jí)PID控制設(shè)計(jì)來完成油箱液位的控制和調(diào)節(jié)是可行的。它對(duì)提高系統(tǒng)和非級(jí)聯(lián)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性和抗干擾能力也是有效的。但是仿真曲線只是在計(jì)算機(jī)上通過對(duì)實(shí)際系統(tǒng)仿真得到的較理想的模擬曲線.實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)必須綜合考慮各方面的因素,不可能得到與計(jì)算機(jī)仿真一致的理想曲線和控制性能。

第四章建立儀表過程控制系統(tǒng)4.1過程儀表介紹1．檢測(cè)﹑變送裝置工業(yè)用BP800擴(kuò)散硅壓力變送器測(cè)量水箱液位的變化，包括不銹鋼隔離模，采用信號(hào)隔離技術(shù)補(bǔ)償傳感器的溫度漂移。當(dāng)水箱中注水導(dǎo)致液位變化時(shí)，BP800壓力變送器對(duì)被控過程中的流體壓力進(jìn)行測(cè)量,過程壓力通過壓力傳感器將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào),經(jīng)差分放大器、輸出放大器放大后,再經(jīng)過V/A轉(zhuǎn)換器,轉(zhuǎn)換為與輸入壓力成線性對(duì)應(yīng)關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)電流輸出信號(hào)。BP800型壓力變送器技術(shù)指標(biāo)如下：表4.1壓力變送器技術(shù)指標(biāo)被測(cè)介質(zhì):液體機(jī)械保護(hù)：IP65測(cè)量范圍：-100KPa～100MPa防爆等級(jí)：IaⅡCT5輸出：4～20mADC二線制關(guān)聯(lián)設(shè)備：EXZ231B安全柵準(zhǔn)確度：0.5級(jí)溫度極限:-10～80。C40～120。C零點(diǎn)溫度系數(shù)：小于0.02%/。C過載極限：額定量程的1.5～3倍滿程溫度系數(shù):小于0.02%/。C相對(duì)濕度:小于95%電源電壓：24DC二線制負(fù)載電阻：≤750歐姆2．執(zhí)行機(jī)構(gòu)（1）水泵采用16CQ－8P型磁力驅(qū)動(dòng)泵,流量為32升/分,揚(yáng)程為8米,功率為180W.為三相（2）調(diào)節(jié)閥采用QSVP－16K型電動(dòng)調(diào)節(jié)閥實(shí)現(xiàn)對(duì)三容水箱液位系統(tǒng)進(jìn)水量的控制。其由QSL智能型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)與閥門組合構(gòu)成。通過將壓力變送器檢測(cè)到的電壓/電流信號(hào)輸入到QSL電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的智能放大器，和來自位置信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的開度信號(hào)相比較并放大后,向消除其偏差的方向驅(qū)動(dòng)并控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),以改變調(diào)節(jié)閥的開度,同時(shí)將閥門開度的隔離信號(hào)反饋給控制系統(tǒng)。當(dāng)其偏差值達(dá)到零時(shí),電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。表4.2電動(dòng)調(diào)節(jié)閥技術(shù)指標(biāo)閥開關(guān)形式：電開式動(dòng)作速度：0.25mm/s輸入控制信號(hào)：4～20mADC/1～5VDC流量特性：直線輸出信號(hào)：4～20mADC額定流量系數(shù)Kv：1.2輸入阻抗：250Ω/500Ω介質(zhì)溫度：-4～200。C輸出最大負(fù)載：<500Ω死區(qū)：≤±1.0%電源：220V/50Hz回差：≤±1.0%公稱直徑：20mm可調(diào)范圍：50:1公稱壓力：1.6MPa防護(hù)等級(jí)：IP65行程：10mm功耗：5VA3．控制器在儀表過程控制系統(tǒng)中，使用智能調(diào)節(jié)儀表作為控制器。采用上海萬訊儀表有限公司的AI-808型儀表，采用AI人工智能調(diào)節(jié)方式，內(nèi)含PID調(diào)節(jié)算法。其可以在誤差較大時(shí)運(yùn)用模糊算法進(jìn)行調(diào)節(jié)，以消除PID積分飽和現(xiàn)象；當(dāng)誤差趨小時(shí)，采用改進(jìn)后的PID算法調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)優(yōu)化效果。選用的AI-808P型儀表技術(shù)指標(biāo)如下：表4.3智能儀表技術(shù)指標(biāo)熱電偶輸入：K﹑S﹑R﹑E﹑J等響應(yīng)時(shí)間：≤0.5s熱電阻輸入：Cu50﹑Pt100調(diào)節(jié)方式：位式調(diào)節(jié)方式/AI人工智能調(diào)節(jié)線性電壓輸入：0～5V輸出規(guī)格：4～20mA線性電流輸入：420mA報(bào)警功能：上限﹑下限﹑正負(fù)偏差測(cè)量范圍：-1999～9999電源：100～240VAC/50Hz測(cè)量精度：0.2級(jí)環(huán)境溫度：0～50。CAI-808P引腳說明：表4.4AI-808P儀表引腳說明引腳號(hào)引腳名稱引腳定義1Vin0-5V1-5V輸入2Iexec+作為Vin的地3Sense+0-5V1-5V輸入4Sense-作為Sense+的地5Iout-4-20mA輸出負(fù)端7Iout+4-20mA輸出正端9ACL電源火線10ACN電源地線11(13)AL1+(AL1-)與AL1-(AL2-)構(gòu)成報(bào)警14(16)AL2+(AL2-)與AL1+(AL2+)構(gòu)成報(bào)警18(17)Data+(Data-)RS-485接口數(shù)據(jù)線19(20)I/V變換內(nèi)接電阻將電流變?yōu)殡妷?(12)(15)無分別與5(13)(16)形成常閉觸點(diǎn)4.2儀表過程控制系統(tǒng)的組建1．儀表控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)：根據(jù)電路原理圖完成儀表控制臺(tái)的接線工作，實(shí)現(xiàn)儀表的串級(jí)PID負(fù)反饋控制。通過三相380V/10A交流電源向三相磁力泵和220/5A交流電源向調(diào)節(jié)儀表供電。壓力變送器測(cè)定的下水箱液位值（電壓反饋信號(hào)）送到主調(diào)節(jié)器(智能調(diào)節(jié)儀1)輸入端。調(diào)節(jié)器的給定值可由儀表控制面板或MCGS監(jiān)控界面設(shè)定，與反饋信號(hào)相比較后輸出調(diào)節(jié)信號(hào)。由于其輸出的信號(hào)為4～20mA的電流信號(hào)，需要經(jīng)I/V轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化為1～5V電壓信號(hào)送到副調(diào)節(jié)儀的輸入端，后與上水箱液位值(電壓反饋信號(hào))的壓力變送器,4-20毫安的電流信號(hào)輸出到電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制信號(hào)輸入端,和電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度控制消除儲(chǔ)油槽的水平。測(cè)量值與給定值的偏差。圖4.1儀表系統(tǒng)電路原理圖2．儀表參數(shù)設(shè)定(1)Sn:輸入規(guī)格調(diào)節(jié)儀1中Sn=33表示1~5V電壓輸入；調(diào)節(jié)儀2中Sn=32表示0.2~1V電壓輸入。(2)ADDR：通訊地址用于定義儀表地址，有效范圍是0~100。調(diào)節(jié)儀1中ADDR=1；調(diào)節(jié)儀2中ADDR=2。(3)diH：輸入上限顯示值，用于定義線性輸入信號(hào)下限刻度值。調(diào)節(jié)儀1中diH=50；調(diào)節(jié)儀2中diL=0。(4)diL：輸入下限顯示值用于定義線性輸入信號(hào)下限刻度值。調(diào)節(jié)儀1中diH=50；調(diào)節(jié)儀2中diL=0。(5)CF：系統(tǒng)功能選擇CF=A*1+B*2+C*4+D*8+E*16+F*32+G*64調(diào)節(jié)儀1中CF=0，表示A=0,調(diào)節(jié)儀1為反作用調(diào)節(jié)方式，輸入增大時(shí)，輸出趨向減??；B=0，儀表報(bào)警無上電；D=0，不允許外部給定，程序時(shí)間以分為單位；E=0，無分段頻率限制功能；F=0，儀表光柱指示輸出值；G=0，儀表為AI-808P工作模式。調(diào)節(jié)儀2中CF=8，表示A=0,調(diào)節(jié)儀1為反作用調(diào)節(jié)方式，輸入增大時(shí)，輸出趨向減?。籅=0，儀表報(bào)警無上電；D=1，允許外部給定，程序時(shí)間以秒為單位；E=0，無分段功率限制功能；F=0，儀表光柱指示輸出值；G=0，儀表為AI-808P工作模式。(6)SV：下水箱液位給定值，根據(jù)需要設(shè)置。(7)P：調(diào)節(jié)器比例系數(shù)，根據(jù)需要設(shè)置。(8)I：調(diào)節(jié)器積分時(shí)間，根據(jù)需要設(shè)置。(9)D：調(diào)節(jié)器微分時(shí)間，根據(jù)需要設(shè)置。3．計(jì)算機(jī)與儀表通訊設(shè)置通過在AI808型儀表的內(nèi)部安裝RS485通訊接口模塊，可利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)儀表的監(jiān)控和操作。采用AIBUS通訊協(xié)議，8個(gè)數(shù)據(jù)位，1/2個(gè)停止位，無校驗(yàn)位。需要在計(jì)算機(jī)MCGS軟件的用戶窗口中添加一個(gè)腳本程序，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對(duì)儀器系統(tǒng)的監(jiān)控，并在設(shè)備窗口中完成設(shè)備通道的連接設(shè)置。(1)啟動(dòng)腳本程序!setdevice(調(diào)節(jié)儀1,1,"")!setdevice(調(diào)節(jié)儀1,6,"write(0,0)")!setdevice(調(diào)節(jié)儀1,6,"write(24,0)")!setdevice(調(diào)節(jié)儀2,1,"")!setdevice(調(diào)節(jié)儀2,6,"write(0,0)")!setdevice(調(diào)節(jié)儀2,6,"write(24,0)")(2)循環(huán)腳本程序下水箱液位SV1=SV1下水箱液位PV1=PV1上水箱液位SV1=20*OP1/100上水箱液位PV1=PV2if下水箱液位PV1>20then下水箱液位PV1=20endifif上水箱液位PV1>20then上水箱液位PV1=20(3)退出腳本程序!SetDevice(調(diào)節(jié)儀1,2,"")!SetDevice(調(diào)節(jié)儀2,2,"")endif程序注釋：SetDevice(DevName，DevOp，CmdStr)函數(shù)意義：按照設(shè)備名字對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作。返回值：數(shù)值型。返回值：=0：調(diào)用正常。<>0：調(diào)用不正常。參數(shù)：DevName，設(shè)備名，字符型；DevOp，設(shè)備操作碼，數(shù)值型；CmdStr，設(shè)備命令字符串，只有當(dāng)DevOp=6時(shí)CmdStr才有意義。DevOp取值范圍及相應(yīng)含義：1：?jiǎn)?dòng)設(shè)備開始工作。2：停止設(shè)備的工作使其處于停止?fàn)顟B(tài)。3：測(cè)試設(shè)備的工作狀態(tài)。4：?jiǎn)?dòng)設(shè)備工作一次。5：改變?cè)O(shè)備的工作周期，CmdStr中包含新的工作周期，單位為ms。6：執(zhí)行指定的設(shè)備命令，CmdStr中包含指定命令的格式。4．計(jì)算機(jī)設(shè)備窗口設(shè)置：（實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對(duì)調(diào)節(jié)儀表的監(jiān)控）AI-808P智能調(diào)節(jié)儀設(shè)備設(shè)置：表4.6調(diào)節(jié)儀設(shè)備窗口參數(shù)設(shè)置設(shè)備名稱：調(diào)節(jié)儀1調(diào)節(jié)儀2設(shè)備注釋：宇光-AI808P儀表宇光-AI808P儀表初始工作狀態(tài)：1-啟動(dòng)1-啟動(dòng)最小采集周期（ms）：10001000模塊地址：12設(shè)置小數(shù)點(diǎn)位數(shù)：1-1位小數(shù)1-1位小數(shù)輸入范圍：10-1～5V10-1～5V連接通道通道類型數(shù)據(jù)對(duì)象1數(shù)據(jù)對(duì)象20通訊狀態(tài)mm1mm21PV值（液位測(cè)量值）pv1pv22SV值（液位給定值）sv1sv23MV值（調(diào)節(jié)器輸出值）op1op218CTRL控制方式ctrl1ctrl223Sn輸入規(guī)格sn1sn225dil下限顯示dil1dil226dih上限顯示dih1dih232CF系統(tǒng)功能cf1cf234通訊地址addr1addr24.3儀表過程控制系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)行設(shè)置好儀器系統(tǒng)組件，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與儀器系統(tǒng)的通信后，完成了儀器液位控制系統(tǒng)的調(diào)試運(yùn)行，設(shè)定PID參數(shù)，完成了儀器控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)。根據(jù)液位串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則和被控過程模型，主副被控過程的時(shí)間常數(shù)之比在4.5：1左右。主副回路的工作頻率和操作周期相差較大，其動(dòng)態(tài)聯(lián)系很小可忽略不計(jì)。因此，在按照單回路系統(tǒng)方法設(shè)置子調(diào)節(jié)器后，可以將二次回路作為主回路的一個(gè)環(huán)節(jié)，并根據(jù)單回路的設(shè)置方法設(shè)置主調(diào)節(jié)器的參數(shù)。回路控制系統(tǒng)不再考慮主要調(diào)節(jié)器參數(shù)的變化。此外，在液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，主要參數(shù)下的液位質(zhì)量指標(biāo)較高，對(duì)次要參數(shù)下的液位沒有嚴(yán)格的要求。設(shè)置次級(jí)參數(shù)的目的是進(jìn)一步提高主要參數(shù)的控制質(zhì)量。只要通過主調(diào)節(jié)器參數(shù)調(diào)整來確保主要參數(shù)質(zhì)量，就可以犧牲輔助參數(shù)的控制質(zhì)量。采用兩步整定法整定調(diào)節(jié)儀表PID參數(shù)：（1）在穩(wěn)定的工作狀態(tài),主電路是閉合的,主要和輔助監(jiān)管機(jī)構(gòu)都是純比例作用的條件下,主要監(jiān)管機(jī)構(gòu)設(shè)置的比例為100%,與單回路控制系統(tǒng)的阻尼振蕩方法用于確定副調(diào)節(jié)器比例度和操作周期。（2）將子調(diào)節(jié)器的比例設(shè)置為式(1)中得到的值，利用二次回路作為主回路的鏈路，同樣設(shè)置主回路，得到主回路的比例和運(yùn)行周期。（3）根據(jù)以上求得的數(shù)據(jù)，按單回路系統(tǒng)阻尼振蕩法整定公式計(jì)算主副調(diào)節(jié)器的比例度﹑積分時(shí)間和微分時(shí)間的數(shù)值。（4）按先副后主﹑先比例后積分﹑適當(dāng)加入微分的整定程序，設(shè)置主﹑副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，再觀察過渡過程曲線，必要時(shí)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，直到系統(tǒng)質(zhì)量達(dá)到最佳為止。主副調(diào)節(jié)器參數(shù)整定結(jié)果如下：主調(diào)節(jié)器比例系數(shù)P=20，積分時(shí)間I=80，微分時(shí)間D=10；副調(diào)節(jié)器比例系數(shù)P=40。對(duì)儀表控制系統(tǒng)設(shè)置下水箱液位給定值為4cm，等待系統(tǒng)穩(wěn)定后，突加階躍擾動(dòng)（將設(shè)定值增加75%），設(shè)置下水箱液位給定值為7cm，得到下水箱液位輸出響應(yīng)曲線。圖4.2下水箱液位階躍響應(yīng)曲線結(jié)果分析：儀表系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)儀表為反作用調(diào)節(jié)方式，輸入增大時(shí)，輸出趨向減小。根據(jù)PID控制的特性再調(diào)節(jié)參數(shù)，使系統(tǒng)達(dá)到較滿意的狀態(tài)。加階躍輸入后觀察系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，由曲線和響應(yīng)數(shù)據(jù)得延遲時(shí)間Td=31s,峰值時(shí)間Tp=160s,調(diào)節(jié)時(shí)間Ts=300s,超調(diào)量為13.3%(最大峰值7.4cm)，余差為0。通過增加比例系數(shù)克服擾動(dòng)，比例系數(shù)越小，調(diào)節(jié)器輸出越大，但比例調(diào)節(jié)仍有余差，所以引入積分調(diào)節(jié)，系統(tǒng)中由于積分作用偏強(qiáng)，造成曲線上升后恢復(fù)較慢，再略加入微分作用減小余差，加快系統(tǒng)響應(yīng)速度。儀表系統(tǒng)采樣時(shí)間為1s，采樣時(shí)間較長(zhǎng)，調(diào)節(jié)器作用的速度略慢，特別是接近穩(wěn)態(tài)值時(shí)總是抖動(dòng)較大，不能很快的到達(dá)穩(wěn)態(tài)。

第五章建立計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)以下將設(shè)計(jì)組建遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集過程控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)三容水箱液位系統(tǒng)的控制。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集過程控制系統(tǒng)雖然仍以“THJ-2先進(jìn)過程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置”為基礎(chǔ)，但與基于上位機(jī)監(jiān)控的智能儀表過程控制系統(tǒng)不同。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集過程控制系統(tǒng)屬于計(jì)算機(jī)DDC控制系統(tǒng)。它是模擬輸入A/I模塊和模擬輸出A/O模塊，數(shù)字輸入/輸出D/I和D/O模塊置于計(jì)算機(jī)外部。計(jì)算機(jī)通過RS232/485通訊轉(zhuǎn)換裝置與ICP-7000系列采集模塊(485通訊接口)通訊。ICP-7000系列采集模塊的功能是通過A/D轉(zhuǎn)換將傳感器檢測(cè)到的受控標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)送到計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)還通過D/A轉(zhuǎn)換將控制操作發(fā)出的控制信號(hào)發(fā)送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)整個(gè)控制系統(tǒng)的控制算法及監(jiān)控功能都在控制計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)。5.1計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)1．信號(hào)采集為了實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制，需要對(duì)輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可以利用的數(shù)字信號(hào)。應(yīng)從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的角度綜合考慮信號(hào)采集速度和信號(hào)數(shù)字化精度這兩個(gè)問題。根據(jù)香農(nóng)采樣定理：對(duì)于有限頻譜的連續(xù)信號(hào)，采樣頻率必須大于或等于信號(hào)最高頻率的兩倍，通過信號(hào)采樣得到的值可以完全重現(xiàn)原始信號(hào)。需要依據(jù)液位對(duì)象的特性﹑加入對(duì)象的擾動(dòng)大小和頻率和系統(tǒng)性能指標(biāo)要求綜合選擇適當(dāng)采樣周期。2．模擬量輸入通道在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，模擬量輸入通道一般包括了I/V變換電路﹑多路轉(zhuǎn)換器﹑采樣保持器﹑A/D轉(zhuǎn)換器﹑接口﹑控制邏輯。模擬輸入通道的任務(wù)是將壓力變送器檢測(cè)到的模擬信號(hào)(4-20標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào))通過I/V轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的1~5電壓信號(hào)，并對(duì)離散模擬信號(hào)進(jìn)行采樣。并量化成二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，通過接口發(fā)送給計(jì)算機(jī)。在遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集過程控制系統(tǒng)，將使用ICP-7017數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)現(xiàn)模擬量輸入通道的功能。7017A/D轉(zhuǎn)換模塊：數(shù)據(jù)采集程序存儲(chǔ)在EEPROM中，由內(nèi)部控制器控制邏輯執(zhí)行，控制轉(zhuǎn)換開關(guān)在8路模擬信號(hào)間轉(zhuǎn)換，模擬量送入A/D通道后，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并將其與模擬量輸入通道號(hào)對(duì)應(yīng)，等待計(jì)算機(jī)查詢，數(shù)據(jù)通過RS-485接口傳送至計(jì)算機(jī)。圖5.17017A/D模塊圖圖5.27024D/A模塊圖7017A/D轉(zhuǎn)換模塊技術(shù)指標(biāo)：模擬輸入類型：mV,V,mA.采樣率：10次/s帶寬：15.7Hz準(zhǔn)確率:±0.1%零點(diǎn)漂移：20μV/℃波特率：9600bps量程：-10V～10V–5V～5V-1～1V–500mV～500mV-150mV～150mV-20mA～20mA對(duì)應(yīng)8000～7FFF電源輸入：10～30VDC 電源功耗：1.3W。3．模擬量輸出通道在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，模擬量輸出通道一般包括接口電路﹑D/A轉(zhuǎn)換器﹑V/I變換等。模擬量輸出通道的任務(wù)是將計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬電壓或電流信號(hào)，以便驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)（電動(dòng)調(diào)節(jié)閥）。在遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集過程控制系統(tǒng)，將使用ICP-7024數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)現(xiàn)模擬量輸入通道的功能。7024D/A轉(zhuǎn)換模塊：數(shù)據(jù)采集程序存儲(chǔ)在EEPROM中，計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)通過RS-485接口送給7024D/A轉(zhuǎn)換模塊，由內(nèi)部控制器按控制程序?qū)?shù)據(jù)送入對(duì)應(yīng)DAC通道，轉(zhuǎn)換為模擬電壓/電流輸出。7024D/A轉(zhuǎn)換模塊技術(shù)指標(biāo)：模擬量輸出類型：V,mA.帶寬：15.7Hz準(zhǔn)確率:±0.1%波特率：9600bps零點(diǎn)漂移：±30μV/℃±20μA/℃量程：0～20mA4mA～20mA0V～10V-10V～10V0V～5V-5V～5V電源輸入：10～30VDC 電源功耗：2.3W4.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)：圖5.3采集模塊電路原理圖5.2MCGS軟件工程組態(tài)通過MCGS組態(tài)軟件在控制計(jì)算機(jī)上構(gòu)建一個(gè)人機(jī)交互界面，經(jīng)過RS232/485轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與數(shù)據(jù)采集模塊的通訊，將檢測(cè)變送裝置的信號(hào)傳送到控制計(jì)算機(jī)中，從而在人機(jī)交互界面中可以對(duì)水箱液位對(duì)象進(jìn)行監(jiān)控﹑控制器設(shè)計(jì)改造﹑數(shù)據(jù)瀏覽和存儲(chǔ)﹑記錄實(shí)驗(yàn)曲線等。MCGS組態(tài)軟件所建立的工程由主控窗口、設(shè)備窗口、用戶窗口、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和運(yùn)行策略五部分構(gòu)成，每一部分分別進(jìn)行組態(tài)操作，完成不同的工作，具有不同的特性MCGS組態(tài)軟件的工作方式：(1)MCGS與設(shè)備通訊：MCGS通過設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序與外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。包括數(shù)據(jù)采集和發(fā)送設(shè)備指令。該設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是用VB編程語言編寫的DLL(動(dòng)態(tài)鏈接庫)文件。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序包括符合各種設(shè)備通信協(xié)議的處理程序，收集或發(fā)送設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的特征數(shù)據(jù)。MCGS負(fù)責(zé)在運(yùn)行環(huán)境中調(diào)用相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，將數(shù)據(jù)傳送到工程中各個(gè)部分，完成整個(gè)系統(tǒng)的通訊過程。每個(gè)驅(qū)動(dòng)程序獨(dú)占一個(gè)線程，達(dá)到互不干擾的目的。(2)MCGS產(chǎn)生動(dòng)畫效果：MCGS為每一種基本圖形元素定義了不同的動(dòng)畫屬性，每一種動(dòng)畫屬性都會(huì)產(chǎn)生一定的動(dòng)畫效果。所謂動(dòng)畫屬性是反映圖形大小、顏色、位置、可見度、閃爍性等狀態(tài)的特征參數(shù)。在圖形的每個(gè)動(dòng)畫屬性中，都有一個(gè)“表達(dá)式”設(shè)置欄，其中設(shè)置一個(gè)與圖形狀態(tài)相關(guān)的數(shù)據(jù)變量，并將其連接到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中，建立相應(yīng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這個(gè)過程稱為動(dòng)畫連接。(3)當(dāng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控對(duì)象的狀態(tài)(如罐位高度)發(fā)生變化時(shí)，通過設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?qū)⒆兓蟮臄?shù)據(jù)收集到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的變量中。變量是一個(gè)與animation屬性相關(guān)的變量，值會(huì)發(fā)生變化。使圖形的狀態(tài)發(fā)生相應(yīng)的變化(如高、低變化)。現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)是連續(xù)被采集進(jìn)來的，這樣就會(huì)產(chǎn)生逼真的動(dòng)畫效果（如水箱液面的升高和降低）。用戶也可編寫程序來控制動(dòng)畫界面，以達(dá)到滿意的效果。(4)MCGS實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程多機(jī)監(jiān)控:MCGS提供了完整的網(wǎng)絡(luò)機(jī)制，可以通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)、調(diào)制解調(diào)器網(wǎng)絡(luò)和串行網(wǎng)絡(luò)連接多臺(tái)計(jì)算機(jī)，形成分布式網(wǎng)絡(luò)測(cè)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)間實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。同步、歷史數(shù)據(jù)同步和網(wǎng)絡(luò)事件的快速交付。同時(shí)，可利用MCGS提供的網(wǎng)絡(luò)功能，在工作站上直接對(duì)服務(wù)器中的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行讀寫操作。分布式網(wǎng)絡(luò)測(cè)控系統(tǒng)的每一臺(tái)計(jì)算機(jī)都要安裝一套MCGS工控組態(tài)軟件。(5)MCGS控制工程運(yùn)行流程：MCGS開辟了專用的“運(yùn)行策略”窗口，建立用戶運(yùn)行策略。MCGS提供了大量用戶選擇的功能組件。通過組件配置和屬性生成配置兩個(gè)配置操作，生成各種功能模塊。因此，系統(tǒng)可以根據(jù)一組實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)庫順序和條件實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫窗口的任意切換?？刂葡到y(tǒng)控制裝置的運(yùn)行過程和工作狀態(tài)。所有的操作均采用面向?qū)ο蟮闹庇^方式，避免了煩瑣的編程工作。在MCGS組態(tài)環(huán)境下的工程組態(tài)流程如下主控窗口設(shè)計(jì)主控窗口是工程的主窗口或主框架,是所有設(shè)備窗口和用戶窗口的父窗口。在主控窗口中可以放置一個(gè)設(shè)備窗口和多個(gè)用戶窗口，負(fù)責(zé)調(diào)度和管理這些窗口的打開或關(guān)閉。并調(diào)度用戶策略的運(yùn)行。同時(shí)，主控制窗口是組態(tài)工程結(jié)構(gòu)的主框架。在主控窗口可以建立菜單系統(tǒng)，創(chuàng)建各種菜單命令，顯示項(xiàng)目的整體概況和外觀，設(shè)置系統(tǒng)運(yùn)行流程和特征參數(shù)，方便用戶使用。操作。在MCGS獨(dú)立版本中，應(yīng)用程序系統(tǒng)只允許一個(gè)主控制窗口。主控制窗口作為一個(gè)單獨(dú)的對(duì)象存在。它強(qiáng)大的功能和復(fù)雜的操作被封裝在對(duì)象中。只需正確設(shè)置主控窗口的屬性。主要的組態(tài)操作包括：定義工程的名稱，編制工程菜單，設(shè)計(jì)封面圖形，確定自動(dòng)啟動(dòng)的窗口，設(shè)定動(dòng)畫刷新周期，指定數(shù)據(jù)庫存盤文件名稱及存盤時(shí)間等。圖5.4主控窗口組態(tài)結(jié)構(gòu)圖2．設(shè)備窗口設(shè)計(jì)設(shè)備窗口是MCGS系統(tǒng)的重要組成部分。在設(shè)備窗口中建立系統(tǒng)與外部硬件設(shè)備的連接關(guān)系，使系統(tǒng)能夠從外部設(shè)備讀取數(shù)據(jù)，控制外部設(shè)備的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控。在MCGS實(shí)現(xiàn)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的基本方法是配置設(shè)備窗口不同類型的設(shè)備組件,并設(shè)置相關(guān)屬性根據(jù)外部設(shè)備的類型和特點(diǎn),如硬件參數(shù)配置、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、設(shè)備調(diào)試、等,包裝組件,數(shù)據(jù)傳輸。通道建立一個(gè)連接到外部設(shè)備的對(duì)象。的操作系統(tǒng),設(shè)備組件的安排和管理設(shè)備窗口,和收集到的數(shù)據(jù)從外部設(shè)備連接到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫通過通道,提供了控制參數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的查詢,并發(fā)送給系統(tǒng)的其他部分進(jìn)行控制操作。實(shí)時(shí)檢測(cè)設(shè)備的工作狀態(tài)并自動(dòng)控制過程。MCGS的這種結(jié)構(gòu)使其成為一個(gè)“與設(shè)備無關(guān)”的系統(tǒng)。對(duì)于不同的硬件設(shè)備，您只需要定制相應(yīng)的設(shè)備組件，將它們放在設(shè)備窗口中，并設(shè)置相關(guān)屬性。該系統(tǒng)可以使設(shè)備在不改變整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的情況下運(yùn)行。MCGS設(shè)備通常包含一個(gè)或多個(gè)用于讀取或輸出數(shù)據(jù)的物理通道。MCGS是指設(shè)備通道等物理通道，如模擬輸入設(shè)備的輸入通道和模擬輸出設(shè)備的輸出通道。數(shù)字輸入輸出設(shè)備的輸入輸出通道等。這些是設(shè)備通道。圖5.5設(shè)備窗口組態(tài)結(jié)構(gòu)圖通用串口父設(shè)備設(shè)置通用串口父設(shè)備是提供串口通訊功能的父設(shè)備，下面可以掛接所有通過串口連接的設(shè)備，提供通過Modem進(jìn)行遠(yuǎn)程采集或遠(yuǎn)程監(jiān)聽的功能。并可以在運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)改變撥出的電話號(hào)碼。在基本屬性頁中，設(shè)置了串口的基本屬性，包括端口號(hào)、通信波特率、數(shù)據(jù)比特?cái)?shù)、停止比特?cái)?shù)和數(shù)據(jù)驗(yàn)證模式。這些設(shè)置可以根據(jù)設(shè)備的要求進(jìn)行設(shè)置。數(shù)據(jù)采集方式規(guī)定了串口父設(shè)備下的子設(shè)備的采集方式，使用同步采集時(shí)，所有子設(shè)備都按照父設(shè)備的采集周期依次采集。使用異步采集時(shí)，每個(gè)子設(shè)備可以設(shè)置自己的采集時(shí)間，在需要的時(shí)候采集。甚至子設(shè)備可以把采集時(shí)間設(shè)置為0，使得此子設(shè)備在一般情況下不采集，只在使用設(shè)備命令采集一次的時(shí)候才采集數(shù)據(jù)。在MCGS中父設(shè)備的含義：凡是使用計(jì)算機(jī)串口采集數(shù)據(jù)的設(shè)備（如PLC，儀表，變頻器，智能模塊等）都必須掛在父設(shè)備下面,統(tǒng)一由父設(shè)備來管理通信。表5.1串口父設(shè)備參數(shù)設(shè)置設(shè)備名稱：通用串口父設(shè)備初始工作狀態(tài)：1-啟動(dòng)最小采集周期：200ms串口端口號(hào)：1-COM2通訊波特率：6-6900數(shù)據(jù)位位數(shù)：1-8位停止位位數(shù)：0-1位數(shù)據(jù)校驗(yàn)方式：0-無校驗(yàn)位數(shù)據(jù)采集方式：1-異步采集(2)ICP-7017設(shè)備設(shè)置：表5.2ICP-7017設(shè)備參數(shù)設(shè)置設(shè)備名稱：ICP-7017通道對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)對(duì)象通道類型周期初始工作狀態(tài)：1-啟動(dòng)0mm1通訊狀態(tài)標(biāo)志位1最小采集周期：200ms1PV1AD01設(shè)備地址：22PV2AD11數(shù)據(jù)格式：0-工程單位3PV3AD21是否要求校驗(yàn)：0-無校驗(yàn)濾波(3)ICP-7024設(shè)備設(shè)置：表5.3ICP-7024設(shè)備參數(shù)設(shè)置設(shè)備名稱：ICP-7024通道對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)對(duì)象通道類型周期初始工作狀態(tài)：1-啟動(dòng)0通訊狀態(tài)1最小采集周期：200ms1OP2DA01設(shè)備地址：12OP4DA11是否要求校驗(yàn):0-無校驗(yàn)3．用戶窗口設(shè)計(jì)用戶窗口主要用于設(shè)置工程中人機(jī)交互的界面，在用戶窗口下通過MCGS組態(tài)的各種功能，可以實(shí)現(xiàn)以下子窗口的設(shè)計(jì)：（1）三容水箱液位串級(jí)控制窗口通過動(dòng)畫組態(tài)和屬性設(shè)置完成人機(jī)對(duì)話主界面，實(shí)現(xiàn)模擬工程界面﹑數(shù)據(jù)顯示﹑參數(shù)設(shè)置﹑報(bào)警顯示﹑通訊狀態(tài)顯示﹑工程曲線顯示﹑控制按鈕等功能。（2）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)瀏覽窗口提供所需采樣時(shí)刻對(duì)應(yīng)的液位數(shù)據(jù)（下水箱PV，下水箱SV，上水箱SV），可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)瀏覽﹑數(shù)據(jù)存盤，用于工程分析計(jì)算。（3）歷史曲線瀏覽窗口顯示整個(gè)一段液位總體變化情況的曲線（下水箱PV，下水箱SV，上水箱SV對(duì)應(yīng)的變化曲線），可以顯示和保存長(zhǎng)時(shí)間的變化曲線。（4）實(shí)時(shí)曲線瀏覽窗口顯示一段時(shí)期液位變化的曲線（下水箱PV，下水箱SV，上水箱SV對(duì)應(yīng)的變化曲線）。（5）系統(tǒng)退出指示窗口對(duì)話框顯示退出指令。圖5.6用戶窗口組態(tài)結(jié)構(gòu)圖利用MCGS軟件設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制界面如下：圖5.7計(jì)算機(jī)控制界面組態(tài)結(jié)構(gòu)圖4.實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫是工程各個(gè)部分的數(shù)據(jù)交換與處理中心，它將MCGS工程的各個(gè)部分連接成有機(jī)的整體。在本窗口內(nèi)定義不同類型和名稱的變量，作為數(shù)據(jù)采集、處理、輸出控制、動(dòng)畫連接及設(shè)備驅(qū)動(dòng)的對(duì)象。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫是MCGS的核心，各部分之間的數(shù)據(jù)交換均須通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫,所有的設(shè)備通道都必須與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫連接。在MCGS中，數(shù)據(jù)不同于傳統(tǒng)意義的數(shù)據(jù)或變量，以數(shù)據(jù)對(duì)象的形式來進(jìn)行操作與處理。數(shù)據(jù)對(duì)象它不僅包含了數(shù)據(jù)變量的數(shù)值特征，還將與數(shù)據(jù)相關(guān)的其它屬性（如數(shù)據(jù)的狀態(tài)、報(bào)警限值等）以及對(duì)數(shù)據(jù)的操作方法（如存盤處理、報(bào)警處理等）封裝在一起，作為一個(gè)整體，以對(duì)象的形式提供服務(wù)，這種把數(shù)值、屬性和方法定義成一體的數(shù)據(jù)稱為數(shù)據(jù)對(duì)象。開關(guān)型數(shù)據(jù)對(duì)象記錄開關(guān)信號(hào)（0或非0），與外部設(shè)備的數(shù)字量輸入輸出通道連接，用來表示某一設(shè)備當(dāng)前所處的狀態(tài)。數(shù)值型數(shù)據(jù)對(duì)象存放數(shù)值及參與數(shù)值運(yùn)算，提供報(bào)警信息，并能夠與外部設(shè)備的模擬量輸入輸出通道相連接。數(shù)值型數(shù)據(jù)對(duì)象的數(shù)值范圍是：負(fù)數(shù)是從-3.402823E38到-1.401298E-45，正數(shù)是從1.401298E-45到3.402823E38。數(shù)據(jù)組對(duì)象是MCGS引入的一種特殊類型的數(shù)據(jù)對(duì)象，類似于一般編程語言中的數(shù)組和結(jié)構(gòu)體，用于把相關(guān)的多個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象集合在一起，作為一個(gè)整體來定義和處理。液位串級(jí)系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫：表5.4實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫參數(shù)設(shè)置inputETime字符型op2數(shù)值型inputSTime字符型op4數(shù)值型inputUser1字符型opx數(shù)值型InputUser2字符型pv1數(shù)值型ei數(shù)值型pv2數(shù)值型ei1數(shù)值型pvx數(shù)值型op1數(shù)值型q0數(shù)值型k數(shù)值型q00數(shù)值型k1數(shù)值型q000數(shù)值型k2數(shù)值型q1數(shù)值型ma數(shù)值型q2數(shù)值型ma1數(shù)值型set開關(guān)型mid數(shù)值型sv1數(shù)值型mm1開關(guān)型sv2數(shù)值型mm5開關(guān)型td數(shù)值型mx數(shù)值型ti數(shù)值型下水箱PV數(shù)值型液位串級(jí)組組對(duì)象下水箱SV數(shù)值型上水箱PV數(shù)值型主要數(shù)據(jù)對(duì)象屬性設(shè)置：(1)液位串級(jí)組：組對(duì)象，用于歷史數(shù)據(jù)、歷史曲線、報(bào)表輸出等功能。(2)下水箱SV：下水箱液位設(shè)定值(3)下水箱PV：下水箱液位測(cè)量值(4)上水箱PV：上水箱液位測(cè)量值(1)液位串級(jí)組對(duì)象圖5.8液位串級(jí)組基本屬性設(shè)置圖5.9液位串級(jí)組存盤屬性設(shè)置圖5.10液位串級(jí)組對(duì)象成員設(shè)置(2)下水箱SV(下水箱液位設(shè)定值)圖5.11下水箱SV基本屬性設(shè)置圖5.12下水箱SV液位存盤屬性設(shè)置(3)下水箱PV(下水箱液位測(cè)量值)圖5.13下水箱PV基本屬性設(shè)置圖5.14下水箱PV液位存盤屬性設(shè)置圖5.15上水箱PV基本屬性設(shè)置圖5.16上水箱PV液位存盤屬性設(shè)置5.數(shù)字PID控制器設(shè)計(jì)在三容水箱水位控制系統(tǒng)中，被控對(duì)象的液位變化是連續(xù)的。在遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)采用離散信號(hào)，對(duì)模擬PID控制器進(jìn)行離散化。在模擬控制系統(tǒng)中PID控制規(guī)律的表達(dá)式為：將積分與微分項(xiàng)分別改寫為差分方程得T:采樣周期k:采樣序號(hào)e(k-1)，e(k)：第k-1和第k次采樣所得偏差信號(hào).得到數(shù)字PID控制器算式：u(k):第k時(shí)刻的控制輸出，將模擬PID控制器的結(jié)構(gòu)圖改造為數(shù)字PID結(jié)構(gòu)圖：輸出值輸出值Cf1(t)ei2ei1給定值RPIDPPD/AP調(diào)節(jié)閥P上水箱P下水箱PA/DA/Df2(t)圖5.17數(shù)字PID控制結(jié)構(gòu)圖由于三容水位控制系統(tǒng)中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，控制量與閥門的開度相對(duì)應(yīng)，并對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置進(jìn)行表征。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用上述形式的數(shù)字PID位置控制算法。在MCGS組態(tài)環(huán)境的用戶窗口中添加控制程序,實(shí)現(xiàn)PID算法.1.添加啟動(dòng)腳本程序!setdevice(7024,1,"")/啟動(dòng)7024數(shù)據(jù)采集模塊!setdevice(7017,1,"")/啟動(dòng)7017數(shù)據(jù)采集模塊sv1=0sv2=0set=0/初始運(yùn)行狀態(tài)下水箱pv=0上水箱pv=0下水箱sv=0op2=4op4=42.添加退出腳本程序!setdevice(7024,2,"")/啟動(dòng)7024數(shù)據(jù)采集模塊!setdevice(7017,2,"")/啟動(dòng)7017數(shù)據(jù)采集模塊sv1=0sv2=0set=0下水箱pv=0上水箱pv=0下水箱sv=0op2=4op4=43．添加循環(huán)腳本程序（PID控制器）當(dāng)K、Ti、Td都為0時(shí)，PID主調(diào)節(jié)器沒有輸出。K、Ti不為0時(shí)，比例運(yùn)算結(jié)果送變量q0，積分運(yùn)算結(jié)果送變量mx并限幅,防止積分過強(qiáng)，如果Ti=0則mx送0，再將mx累加入q1，微分運(yùn)算結(jié)果送變量q2?？刂扑惴杀硎緸閁(k)=q0+q1+q2。當(dāng)K1為0時(shí)，副調(diào)節(jié)器沒有輸出。K1不為0時(shí)，比例運(yùn)算結(jié)果送q00。ifset=1then/開始運(yùn)行時(shí)下水箱sv=sv1/給予下水箱設(shè)定值下水箱pv=(pv1-1)*125/計(jì)算下水箱測(cè)量值上水箱pv=(pv2-1)*125/計(jì)算上水箱測(cè)量值ei=(sv1/125+1)-pv1/計(jì)算下水箱給定值與測(cè)量值的偏差量ifk=0andti=0andtd=0/PID參數(shù)為0，主調(diào)節(jié)器無輸出thenq0=0q1=0mx=0q2=0endif/結(jié)束if條件指令ifk<>0andti<>0then/<>表示不等于/主調(diào)節(jié)器動(dòng)作q0=k*ei/將偏差值按比例放大后送到q0mx=k*0.5*ei/ti/積分限幅q2=k*td*(PVX-PV1)/0.5/計(jì)算微分量送到q2endififti=0then/ti為0時(shí)，mx送0，q1送0，只有比例微分作用q0=k*eiq1=0mx=0q2=k*td*(PVX-PV1)/0.5/計(jì)算微分調(diào)節(jié)量endififmx>5then/積分限幅mx=5endififmx<-5thenmx=-5endifq1=q1+mxpvx=pv1op1=q0+q1+q2/主調(diào)節(jié)器輸出量ifop1>=100then/主調(diào)節(jié)器輸出限幅op1=100endififop1<=0thenop1=0endifmid=op1/自手動(dòng)切換ifma1=1thenop1=maendifsv2=op1/25+1/下水箱液位動(dòng)態(tài)給定ei1=sv2-pv2/副調(diào)節(jié)器輸入偏差ifk1<>0then/副調(diào)節(jié)器動(dòng)作q00=k1*ei1opx=q00/副調(diào)節(jié)器輸出值elseopx=0endififopx>=100then/副調(diào)節(jié)器輸出值限幅opx=100endififopx<=0thenopx=0endifif下水箱pv>200then/下水箱液位測(cè)量值超過200mm水己溢出下水箱pv=200endifif下水箱pv<0then下水箱pv=0endifif上水箱pv>200then/上水箱液位測(cè)量值超過200mm水己溢出上水箱pv=200endifif上水箱pv<0then上水箱pv=0endifop4=(opx+25)/6.25/運(yùn)算值輸出值opx在0-100之間，對(duì)應(yīng)控制信號(hào)output為4~20mA電流，與op4對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換/ifop4<4then/op4：副調(diào)節(jié)器輸出轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥/op4=4endififop4>20thenop4=20endifelseop4=4endif/程序結(jié)束5.3計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)行根據(jù)采集系統(tǒng)電路原理圖完成硬件電路接線工作，完成MCGS軟件的調(diào)試運(yùn)行工作。通過三相380V/10A交流電源向三相磁力泵和220/5A交流電源向電動(dòng)調(diào)節(jié)閥供電。4-20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)(上、下水箱液位檢測(cè)信號(hào))壓力變送器的輸出連接到250Ω電阻串聯(lián),并轉(zhuǎn)換為1~5v的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào),這是分別發(fā)送到第一個(gè)輸入通道/智能采集模塊的ICP-7017。I0和第二輸入通道A/I1，通過A/D轉(zhuǎn)換將液位參數(shù)發(fā)送到計(jì)算機(jī)。智能采集模塊ICP-7024接收計(jì)算機(jī)離散控制信號(hào)，通過D/A將其轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。其第二輸出通道A/O1與24V開關(guān)電源和電控閥信號(hào)輸入端口連接，輸出4~20mA標(biāo)準(zhǔn)。將電流信號(hào)(上、下罐液位控制信號(hào))給電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，控制其開啟。兩步優(yōu)化的方法仍然是用來調(diào)整PID參數(shù)調(diào)節(jié)儀表：(1)條件下的穩(wěn)定工作狀態(tài),主電路是閉合的,主要和輔助監(jiān)管機(jī)構(gòu)都是純比例作用的情況下,主調(diào)節(jié)器的比例被放置在100%,與單一的阻尼振蕩方法循環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)置,比例和操作周期。（2）將副調(diào)節(jié)器的比例度置于（1）中所求得的數(shù)值上，把副回路作為主回路的一個(gè)環(huán)節(jié)，用同樣的方法整定主回路，求取主回路的比例度和操作周期。（3）根據(jù)以上求得的數(shù)據(jù)，按單回路系統(tǒng)阻尼振蕩法整定公式計(jì)算主副調(diào)節(jié)器的比例度﹑積分時(shí)間和微分時(shí)間的數(shù)值。（4）按先副后主﹑先比例后積分﹑適當(dāng)加入微分的整定程序，設(shè)置主﹑副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，再觀察過渡過程曲線，必要時(shí)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，直到系統(tǒng)質(zhì)量達(dá)到最佳為止。主副調(diào)節(jié)器參數(shù)整定結(jié)果如下：主調(diào)節(jié)器比例系數(shù)P=50，積分時(shí)間I=40，微分時(shí)間D=8；副調(diào)節(jié)器比例系數(shù)P=38。在遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，設(shè)定下水