基于組態(tài)軟件的雙容水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p>　　基于組態(tài)軟件的雙容水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　摘要：液位控制問(wèn)題是人民生活以及工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的一類(lèi)常見(jiàn)的問(wèn)題，在污水處理，溶液過(guò)濾，化工生產(chǎn)等多種行業(yè)在生產(chǎn)加工過(guò)程之中都需要對(duì)液位進(jìn)行控制，如果液位控制得當(dāng)就能夠提高生產(chǎn)效率以及產(chǎn)品的質(zhì)量。這些不同背景的液位控制都可以簡(jiǎn)化為雙容水箱的水位控制問(wèn)題。</p><p>　　本文基于MCGS組態(tài)軟件，使用AE2

2、000B型過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置，運(yùn)用PLC技術(shù)，自動(dòng)控制技術(shù)，通信技術(shù)設(shè)計(jì)了一個(gè)雙容水箱串級(jí)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠完成對(duì)下水箱水位的精確控制并且具有易于操作、運(yùn)行可靠、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：MCGS； PLC； 液位控制； 雙容水箱； PID； 串級(jí)控制</p><p>　　Control System of Double Capacity Water Tank<

3、;/p><p>　　Based on Configuration Software</p><p>　　Abstract: It is a kind of common problem that in the process of industrial and people met in life. In the most production process need to control

4、the liquid level including In sewage treatment, filter solution, chemical production and other industries etc.if the lituid level be controled properly that can improve efficiency of production and quality. All of above

5、problems that with different background can be simplified to double capacity water tank water level control problem.</p><p>　　This essay is based on MCGS configuration software,he use of AE2000B process cont

6、rol experimental device, PLC technology, automatic control technology，in addition,we designed a Double Capacity Water Tank Cascade Control System,the system can be precisely controlled under the water tank level and easy

7、 operation, reliable operation, strong anti-interference ability.</p><p>　　Key words: MCGS, PLC, Level control, Double Capacity Water Tank, PID, cascade control</p><p><b>　　目 錄</b>

8、;</p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1.1 課題的背景和意義1</p><p>　　1.2 MCGS組態(tài)軟件簡(jiǎn)介2</p><p>　　1.3可編程邏輯控制器簡(jiǎn)介4</p><p>　　第2章 控制系統(tǒng)硬件部分7</p><

9、p>　　2.1控制系統(tǒng)的組成7</p><p><b>　　2.2器件型號(hào)8</b></p><p>　　第3章 被控對(duì)象建模9</p><p>　　3.1單容過(guò)程建模9</p><p>　　3.2雙容過(guò)程建模11</p><p>　　第4章 實(shí)驗(yàn)法求取水箱參數(shù)13</

10、p><p>　　4.1修正實(shí)驗(yàn)裝置誤差13</p><p>　　4.1.1電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的特性13</p><p>　　4.1.2上水箱水位特性14</p><p>　　4.1.3下水箱水位特性15</p><p>　　4.2測(cè)定水箱階躍數(shù)據(jù)15</p><p>　　4.3雙容水箱階躍響應(yīng)參數(shù)

11、17</p><p>　　4.3.1求取上水箱傳遞函數(shù)17</p><p>　　4.3.2求取下水箱傳遞函數(shù)19</p><p>　　第5章 系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)20</p><p>　　5.1 PID控制原理20</p><p>　　5.2方案設(shè)計(jì)22</p><p>　　5.3調(diào)節(jié)

12、器參數(shù)整定24</p><p>　　5.3.1 MATLAB軟件簡(jiǎn)介24</p><p>　　5.3.2副回路參數(shù)整定25</p><p>　　5.3.3主回路參數(shù)整定26</p><p>　　5.3.4抗干擾能力驗(yàn)證27</p><p>　　第6章 組態(tài)界面設(shè)計(jì)29</p><p&g

13、t;　　6.1總體設(shè)計(jì)29</p><p>　　6.2 具體組態(tài)過(guò)程30</p><p>　　6.2.1水箱動(dòng)畫(huà)界面30</p><p>　　6.2.2定義數(shù)據(jù)變量30</p><p>　　6.2.3動(dòng)畫(huà)連接31</p><p>　　6.2.4水位數(shù)據(jù)及曲線32</p><p>　　

14、6.2.5報(bào)警設(shè)置33</p><p>　　6.2.6運(yùn)行策略34</p><p>　　第7章 聯(lián)機(jī)調(diào)試36</p><p>　　7.1 PLC程序設(shè)計(jì)36</p><p>　　7.1.1程序流程圖36</p><p>　　7.1.2 PLC資源分配37</p><p>　　7.2

15、連接實(shí)驗(yàn)裝置37</p><p>　　7.2.1連接PLC與雙容水箱37</p><p>　　7.2.2連接MCGS與PLC38</p><p>　　7.3運(yùn)行和調(diào)試39</p><p>　　7.3.1 MCGS的監(jiān)控功能39</p><p>　　7.3.2調(diào)試結(jié)果41</p><p&g

16、t;<b>　　總 結(jié)43</b></p><p><b>　　致 謝44</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)45</b></p><p>　　附錄1 數(shù)據(jù)采集程序47</p><p>　　附錄2 串級(jí)控制程序49</p><p&

17、gt;<b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　1.1 課題的背景和意義</p><p>　　液位控制問(wèn)題與人民的生產(chǎn)以及生活有著密切的聯(lián)系。在生活之中如居民生活用水的供應(yīng)，熱水器、洗衣機(jī)等電器的使用等都離不開(kāi)液位控制；在生產(chǎn)加工過(guò)程中如飲料、食品加工，污水處理，化工生產(chǎn)，煉鐵煉鋼等都需要對(duì)蓄液池中的液位進(jìn)行控制。在工業(yè)生產(chǎn)中通過(guò)對(duì)液位的檢測(cè)可以了解容器

18、中的原料與成品之間的比例關(guān)系，通過(guò)對(duì)液位的控制可以調(diào)節(jié)容器之中各種成分的比例，保持容器中的物料平衡。如果對(duì)容器之中的液位控制的得當(dāng)則能夠提高生產(chǎn)效率以及產(chǎn)品的質(zhì)量，如果控制不當(dāng)則增大產(chǎn)品的不合格率。因此液位是工業(yè)控制過(guò)程中一個(gè)重要的參數(shù)，特別是在動(dòng)態(tài)情況下，采用合適的方法對(duì)液位進(jìn)行檢測(cè)、控制，能收到很好的生產(chǎn)效果。蓄液池中的液位需要維持在適當(dāng)?shù)母叨?，就需要要設(shè)計(jì)合適的控制器自動(dòng)調(diào)整蓄液池的進(jìn)出流量。</p><p&g

19、t;　　目前國(guó)內(nèi)外的用于液位控制的控制器有很多，控制的原理與方式也是各不相同，控制要求不高的情況下常用的有：</p><p>　?。?）液壓式水位控制閥 原理：當(dāng)液位下降時(shí)，閥內(nèi)的彈簧受力減小，進(jìn)水閥芯打開(kāi)，自動(dòng)加水；隨著水箱內(nèi)的水位逐漸上升，閥門(mén)內(nèi)所受的壓力逐漸增大，當(dāng)水位上升到預(yù)設(shè)的液位時(shí)彈簧所受的力與閥內(nèi)所承受的壓力達(dá)到平衡，閥門(mén)自動(dòng)停止加水。該控制方法適用于工礦企業(yè)、民用建筑中的各種水箱、太陽(yáng)能水箱的自

20、動(dòng)供水系統(tǒng)。并可用作常壓鍋爐循環(huán)供水水箱的進(jìn)水控制閥。</p><p>　?。?）浮球水位控制器 利用浮球在液體中的上升或下降，接通球體內(nèi)部的重力開(kāi)關(guān)，再由浮球內(nèi)部的觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)去控制相關(guān)電器設(shè)備。浮球水位控制器分為管式浮球與纜浮球，管式浮球適合清水及粘度不大的液體，纜浮球適合污水。</p><p>　　但是液位控制系統(tǒng)是一個(gè)非線性系統(tǒng)，采用上述控制方式存在溶積延遲時(shí)間長(zhǎng)、抗干擾能力差、控制

21、精度低等問(wèn)題，不能滿(mǎn)足高精度的控制要求。采用組態(tài)軟件編制上位機(jī)控制界面和通過(guò)PLC算法程序，組建接近于實(shí)際的控制系統(tǒng)。通過(guò)在線運(yùn)行，具有控制自適應(yīng)能力強(qiáng)，動(dòng)態(tài)、靜態(tài)品質(zhì)優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，有效地解決了類(lèi)似系統(tǒng)難于控制的問(wèn)題。對(duì)液位控制系統(tǒng)，一般是在工作點(diǎn)附近線性化后再加以控制的，控制方法有PID控制、基于線性模型的模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。</p><p>　　這些不同背景的液位控制都可以簡(jiǎn)化為水箱的液位控制問(wèn)題。水箱液

22、位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用非常廣泛，可以把一個(gè)復(fù)雜的液位控制系統(tǒng)簡(jiǎn)化成水箱液位控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。本文基于組態(tài)軟件，使用AE2000B型過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置，以PLC作為控制器，設(shè)計(jì)了一個(gè)雙容水箱串級(jí)控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)以下水箱為主控對(duì)象，通過(guò)控制上水箱進(jìn)水量達(dá)到控制水箱液位的目的，雙容水箱模型見(jiàn)圖1-1。</p><p>　　圖1-1 雙容水箱模型</p><p>　　1.2 MCGS組態(tài)軟件簡(jiǎn)介&l

23、t;/p><p>　　MCGS(Monitor and Control Generated System)是一套基于Windows平臺(tái)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(yùn)行于Microsoft Windows 98/Me/NT/2000等操作系統(tǒng)。目前MCGS有通用版、網(wǎng)絡(luò)版以及嵌入版這三個(gè)版本。</p><p>　　總體來(lái)說(shuō)，MCGS軟件系統(tǒng)包括組態(tài)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境兩個(gè)部分

24、。用戶(hù)在組態(tài)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和構(gòu)造自己的應(yīng)用系統(tǒng)建立組態(tài)工程，在設(shè)計(jì)完成之后用戶(hù)可以在運(yùn)行環(huán)境之中運(yùn)行組態(tài)工程，進(jìn)行各種處理包括“動(dòng)畫(huà)顯示”、“現(xiàn)場(chǎng)控制”、“報(bào)警”等功能，完成用戶(hù)組態(tài)設(shè)計(jì)的目標(biāo)和功能?！癕CGS組態(tài)環(huán)境”與“MCGS運(yùn)行環(huán)境”相互獨(dú)立，又緊密聯(lián)系，如圖1-2所示。</p><p>　　圖1-2 組態(tài)環(huán)境與運(yùn)行環(huán)境</p><p>　　MCGS組態(tài)軟件所建立的工程由主控窗口、設(shè)備窗

25、口、用戶(hù)窗口、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和運(yùn)行策略五部分構(gòu)成，各個(gè)窗口具有不同的功能，如圖1-3所示。要完成一個(gè)工程就需要對(duì)五個(gè)窗口進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。</p><p>　　圖1-3MCGS軟件的五大組成部分</p><p>　　五大窗口的具體功能：</p><p>　　（1）主控窗口 主控窗口是工程的主窗口，用于構(gòu)造系統(tǒng)的主框架，在MCGS單機(jī)版中只能有一個(gè)主控窗口。主控窗口可以進(jìn)

26、行工程的菜單設(shè)計(jì)，用于在運(yùn)行環(huán)境中打開(kāi)、關(guān)閉相應(yīng)的功能窗口。</p><p>　　（2）設(shè)備窗口 MCGS與外部設(shè)備（如：PLC）之間的連接是通過(guò)設(shè)備窗口完成的，在MCGS單機(jī)版中只能有一個(gè)設(shè)備窗口。設(shè)備窗口還提供了虛擬設(shè)備，可以為動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)對(duì)象提供波形數(shù)據(jù)，用于驗(yàn)證組態(tài)工程是否存在錯(cuò)誤。</p><p>　?。?）用戶(hù)窗口 用戶(hù)通過(guò)該窗口生成動(dòng)畫(huà)顯示、參數(shù)設(shè)定、曲線顯示、報(bào)警

27、等人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和流程的“可視化”。</p><p>　　（4）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù) 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)是MCGS系統(tǒng)的核心，工程中的數(shù)據(jù)交換都要經(jīng)過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。在建立工程之時(shí)要在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)之中新建數(shù)據(jù)變量，這些變量將在運(yùn)行環(huán)境下接受并儲(chǔ)存從外界采集來(lái)的數(shù)據(jù)以及在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的其它部分通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)的處理來(lái)實(shí)現(xiàn)各種功能。</p><p>　　（5）運(yùn)行策略 運(yùn)行策略是對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行流

28、程實(shí)現(xiàn)有效控制的手段。這些控制</p><p>　　功能是由通過(guò)編寫(xiě)控制程序，選用功能構(gòu)建實(shí)現(xiàn)的。</p><p>　　1.3可編程邏輯控制器簡(jiǎn)介</p><p>　　可編程邏輯控制器，簡(jiǎn)稱(chēng)PLC，是一種專(zhuān)門(mén)為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。</p><p>　　在制造業(yè)和過(guò)程工業(yè)中，存在著大量以數(shù)字量為主的邏輯控制，這些邏輯

29、控制要求控制系統(tǒng)能夠按照一定的邏輯順序?qū)﹂_(kāi)關(guān)量進(jìn)行控制，并能夠?qū)ιa(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)大量的脈沖、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)、開(kāi)關(guān)量、報(bào)警等信息進(jìn)行監(jiān)控和處理，在早期的控制中這些工作是通過(guò)繼電-接觸器控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由于繼電-接觸器邏輯部分是有繼電器、接觸器來(lái)實(shí)現(xiàn)的具有一定的復(fù)雜性，在控制邏輯十分復(fù)雜的情況下，就需要使用大量的繼電器、接觸器，電路十分復(fù)雜，因此繼電-接觸器控制系統(tǒng)具有設(shè)計(jì)復(fù)雜、安裝不方便、體積龐大、故障率高、功耗大、不易維護(hù)、不以改造等缺點(diǎn)。這些缺

30、點(diǎn)基本上都是由其復(fù)雜的邏輯電路引起的，由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的邏輯部分，便能很好的克服這些缺點(diǎn)，可編程邏輯控制器便因運(yùn)而生了。</p><p>　　PLC是計(jì)算機(jī)技術(shù)與繼電-接觸控制電路相結(jié)合的產(chǎn)物，是一種用于工業(yè)控制的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)。以西門(mén)S7-200PLC為例PLC有以下五個(gè)部分組成：</p><p>　　中央處理單元（CPU）</p><p>　　目前大中型PLC多

31、采用16位或者32位的微處理器作為CPU，CPU是PLC的核心部分，PLC的控制功能是通過(guò)CPU運(yùn)算功能實(shí)現(xiàn)的。CPU在運(yùn)行時(shí)主要完成以下任務(wù)：①接受編程軟件輸入的程序和數(shù)據(jù)并儲(chǔ)存在相應(yīng)的位置。②診斷電源電壓是否正常、I/O單元的連接是否正常、用戶(hù)程序是否存在語(yǔ)法錯(cuò)誤。③掃描每個(gè)輸入端口，把得到的信息存入輸入映像寄存器。④掃描用戶(hù)程序，對(duì)輸入映像寄存器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，把得到輸出數(shù)據(jù)存入輸出印象寄存器。⑤把輸出映象寄存器中的數(shù)據(jù)送至輸出

32、單元。</p><p><b>　　存儲(chǔ)器單元</b></p><p>　　存儲(chǔ)器單元由系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器和用戶(hù)程序存儲(chǔ)器兩個(gè)部分組成。</p><p>　　系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器：用于存放生產(chǎn)廠家編寫(xiě)的系統(tǒng)程序（操作系統(tǒng)），PLC的功能都是在系統(tǒng)程序的管理之下實(shí)現(xiàn)的。</p><p>　　用戶(hù)程序存儲(chǔ)器：是用戶(hù)可以使用的存儲(chǔ)區(qū)域，

33、用于存放用戶(hù)程序以及各種數(shù)據(jù)。</p><p><b>　　電源單元</b></p><p>　　將外界提供的電源轉(zhuǎn)化成PLC的工作電源，為PLC供電的部分叫做電源單元。電源可以通過(guò)PLC的接口為負(fù)載提供24V的直流電源，但是其供電能力有限，不能無(wú)限制的使用。</p><p>　　輸入/輸出單元（I/O）</p><p>

34、;　　輸入/輸出單元是PLC與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的接口，PLC對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的信息交換是通過(guò)輸入/輸出單元完成的，可以說(shuō)輸入單元是PLC的“眼睛”與“耳朵”，輸出單元是PLC的“手”與“足”。</p><p>　　輸入單元將置于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中的傳感器等傳來(lái)的數(shù)字/模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換格式之后供給CPU處理；輸出單元?jiǎng)t是把CPU提供的控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的控制電平輸送到現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)中的設(shè)備進(jìn)行控制。</p><p>&

35、lt;b>　　接口單元</b></p><p>　　接口單元包括擴(kuò)展接口、通信接口、編程器接口和存儲(chǔ)器接口等。</p><p>　　擴(kuò)展接口：用于連接擴(kuò)展模塊，為PLC提供更多的I/O接口，連接智能模塊，使PLC具有更強(qiáng)大控制能力。</p><p>　　通信接口：以前很多控制器都是單獨(dú)進(jìn)行控制的，控制器之間沒(méi)有信息交換，控制系統(tǒng)中的控制器之間的協(xié)調(diào)

36、工作便成為了一大難題，這樣很大程度上限制控制技術(shù)的發(fā)展。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與控制技術(shù)相結(jié)合便打破了這一禁錮。PLC上集成有RS-232口或者RS-485通信接口，可以實(shí)現(xiàn)PLC與其它PLC、上位機(jī)、監(jiān)視器等設(shè)備相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，形成一個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)。</p><p>　　PLC具有以下特點(diǎn)：</p><p>　?。?）體積小，能耗低，性?xún)r(jià)比高，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)。用軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)繼電-接觸器控制系統(tǒng)

37、的邏輯電路部分，大大簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)硬件連接，減少了繼電器、接觸器的使用，從而減少了機(jī)械觸點(diǎn)和連線的數(shù)目，減小了系統(tǒng)體積與功耗提高了系統(tǒng)的可靠性。</p><p>　　在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)噪聲干擾、電波干擾等干擾是控制器最大的敵人。PLC的主要器件和部件都使用了良好的屏蔽材料進(jìn)行屏蔽，PLC與外界信息的交換采用了光電耦合隔離，同時(shí)進(jìn)行了多種形式濾波，以及系統(tǒng)軟件具有故障檢測(cè)、信息保護(hù)和恢復(fù)、等功能，因此具有很強(qiáng)的抗干擾能力。

38、</p><p>　?。?）編程簡(jiǎn)單。梯形圖語(yǔ)言是使用最為廣泛的PLC編程語(yǔ)言，其電路符號(hào)和表達(dá)方式與繼電-接觸器電路原理圖相似，熟悉繼電-接觸器電路原理圖的人能夠很快的掌握梯形圖語(yǔ)言。</p><p>　?。?）靈活性強(qiáng)，控制系統(tǒng)易于實(shí)現(xiàn)。當(dāng)被控系統(tǒng)發(fā)生改變之時(shí)，不用像繼電-接觸器控制系統(tǒng)需要進(jìn)行很大的改動(dòng)，甚至要重新設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)。只需要對(duì)PLC的程序進(jìn)行改動(dòng)，以及外圍電路的局部調(diào)整便可

39、以實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)的改造。</p><p>　　（4）維修方便。由于PLC的體積小，并且有些采用模塊化結(jié)構(gòu)，當(dāng)出現(xiàn)故障之時(shí)之時(shí)只需要更換出現(xiàn)故障的模塊就能排除故障。對(duì)于PLC主機(jī)則可以通過(guò)軟件提</p><p>　　供的故障信息以及裝置上的指示燈，方便的查出故障源。</p><p>　　第2章 控制系統(tǒng)硬件部分</p><p>　　2.1控制

40、系統(tǒng)的組成</p><p>　　雙容水箱控制系統(tǒng)由雙容水箱、傳感器、變送器、調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器、計(jì)算機(jī)等組成，主要構(gòu)件包括：</p><p>　?。?）PLC：運(yùn)用PLC中的PID模塊作為系統(tǒng)中的主、副控制器，并通過(guò)PLC的通信接口實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。</p><p><b>　?。?）計(jì)算機(jī)</b></p><p

41、>　?。?）雙容水箱：被控對(duì)象。</p><p>　?。?）電動(dòng)調(diào)節(jié)閥：接受來(lái)自PLC的控制信號(hào)，調(diào)節(jié)上水箱的進(jìn)水量。</p><p>　?。?）壓力傳感器、液位變送器：壓力傳感器位于水箱中的底部，把水的壓力轉(zhuǎn)換為電流或電壓信號(hào)；電流、壓信號(hào)經(jīng)液位變送器標(biāo)準(zhǔn)化處理之后送入PLC。</p><p>　?。?）通信電纜：使用PC/PPI電纜連接PLC與上位機(jī)。&l

42、t;/p><p>　?。?）水泵：為水箱供水。</p><p>　　圖2-1 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　工作原理：上、下水箱壓力傳感器測(cè)量到水箱液位信號(hào)送入EM235模塊經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后供PLC讀取，PLC讀取下水箱液位后與主回路的設(shè)定值比較得出偏差，然后進(jìn)行PID運(yùn)算；主調(diào)節(jié)器的輸出值作為副調(diào)節(jié)器的給定，并將其與上水箱的水位數(shù)據(jù)比較的到偏差后再進(jìn)行運(yùn)算

43、，獲得4--20 mA的電流輸出信號(hào)，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥接收到該信號(hào)后改變閥門(mén)開(kāi)度，從而調(diào)節(jié)上水箱的流入量最終達(dá)到控制下水箱液位的目的。PLC與上位機(jī)之間通過(guò)RS485—RS232串口實(shí)現(xiàn)通信，通過(guò)MCGS監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)過(guò)程監(jiān)控。</p><p><b>　　2.2器件型號(hào)</b></p><p><b>　　（1）控制器</b></p>&

44、lt;p>　　該系統(tǒng)的控制裝置選用的的是西門(mén)子的S7-200PLC，因?yàn)橄到y(tǒng)只需要兩個(gè)控制器，S7—200PLC（8個(gè)PID模塊）在內(nèi)存、掃描通信等方面都能滿(mǎn)足控制的要求。S7-200PLC硬件系統(tǒng)采用整體式加積木式，由于主機(jī)CPU224部分沒(méi)有模擬量輸入、輸出接口，故使用了模擬量輸入輸出模塊EM235與水箱進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，該模塊有4個(gè)模擬量輸入接口與1個(gè)模擬量輸出接口。</p><p><b>　

45、?。?）執(zhí)行機(jī)構(gòu)</b></p><p>　　該系統(tǒng)的執(zhí)行器使用的是QS智能型電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，其型號(hào)為：QSTP-16K，所需的控制信號(hào)為4～20mA的電信號(hào)。</p><p><b>　　（3）檢測(cè)裝置</b></p><p>　　壓力變送器將水箱之中的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為4～20mA的電流信號(hào)，電流信號(hào)再經(jīng)過(guò)接入阻值50的電阻值后轉(zhuǎn)換成1

46、～5V的電壓信號(hào)送入PLC的EM235模塊。該系統(tǒng)中的變送器的型號(hào)為：KYB18G01MIPXC2，該變送器測(cè)量的范圍為0～10KPa，</p><p>　　電源為24V DC（由PLC主機(jī)提供）。</p><p>　　第3章 被控對(duì)象建模 </p><p><b>　　3.1單容過(guò)程建模</b></p><p>　　

47、單容水箱建模是指只有一個(gè)儲(chǔ)蓄容量過(guò)程的建模。單容過(guò)程分為自衡過(guò)程和非自衡過(guò)程，自衡過(guò)程是指在系統(tǒng)達(dá)到平衡之后，其輸入量發(fā)生變化，原平衡狀態(tài)被打破，在無(wú)任何外界因素的干預(yù)下，系統(tǒng)能通過(guò)自身的調(diào)整達(dá)到新的平衡狀態(tài)；非自衡過(guò)程則不能通過(guò)自身的調(diào)整達(dá)到新的平衡狀態(tài)。</p><p>　　圖3-1所示的是一個(gè)有自衡能力的單容過(guò)程，該過(guò)程的輸入量為，輸出量為，改變閥門(mén)1的開(kāi)度便能改變。的大小則是取決于閥門(mén)2的開(kāi)度以及水箱液位

48、，液位越高，水箱底部的壓力越大，就越大。當(dāng)閥門(mén)2的開(kāi)度固定時(shí)，水箱液位的變化反映了由于和不等而引起水箱蓄水或排水的過(guò)程。</p><p><b>　　圖3-1 單容過(guò)程</b></p><p>　　假設(shè)為被控過(guò)程的輸出量，則該過(guò)程的數(shù)學(xué)模型就是與之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式。根據(jù)動(dòng)態(tài)物料平衡關(guān)系，其微分方程：</p><p><b>　　（3-1

49、-1）</b></p><p><b>　　其增量式為：</b></p><p><b>　　（3-1-2）</b></p><p>　　式中、、分別表示偏移原平衡狀態(tài)的、、的增量；A=C表示水箱截面積。</p><p>　　與的關(guān)系經(jīng)過(guò)線性化處理之后，在工作區(qū)域內(nèi)，與成比列關(guān)系，而與閥

50、門(mén)2的阻力成反比，即：</p><p><b>　　（3-1-3）</b></p><p>　　將式（2-1-2）、式（2-1-3）經(jīng)過(guò)拉氏變換后得：</p><p><b>　?。?-1-4）</b></p><p>　　由式（2-1-4）可得單容過(guò)程的傳遞函數(shù)為：</p><

51、p><b>　　（3-1-5）</b></p><p>　　式中為單容水箱的時(shí)間常數(shù)，；為放大系數(shù)，；為水箱的容量系數(shù)。</p><p>　　當(dāng)水箱受到階躍擾動(dòng)時(shí)，設(shè)擾動(dòng)為，代入式（2-1-5）得：</p><p><b>　?。?-1-6）</b></p><p>　　上式經(jīng)過(guò)拉氏反變換得：

52、</p><p><b>　?。?-1-7）</b></p><p>　　式中階躍量為常數(shù)，一般為10%。</p><p>　　當(dāng)時(shí)，。所以的值便可以由下公式求得：</p><p><b>　　（3-1-8） </b></p><p><b>　　當(dāng)時(shí)，則有<

53、/b></p><p><b>　?。?-1-9）</b></p><p>　　所以在曲線上找到一個(gè)值為穩(wěn)態(tài)值的0.632倍的點(diǎn)便可以得到水箱的時(shí)間常數(shù)T，其具體做法見(jiàn)圖3-2。單容水箱的階躍響應(yīng)曲線在原點(diǎn)的斜率最大，在該點(diǎn)做切線，切線與穩(wěn)態(tài)值的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間就是時(shí)間常數(shù)T，由此便能求出單容水箱的傳遞函數(shù)。</p><p>　　圖3-2

54、 階躍響應(yīng)曲線</p><p><b>　　3.2雙容過(guò)程建模</b></p><p>　　雙容過(guò)程的示意圖見(jiàn)圖1-1。</p><p>　　設(shè)該過(guò)程的被控量為下水箱的液位，輸入量為，當(dāng)閥門(mén)2、3的開(kāi)度一定時(shí)，可求得該過(guò)程的數(shù)學(xué)模型。</p><p>　　根據(jù)物料平衡關(guān)系可得：</p><p>

55、　　（2-2-1）上式經(jīng)過(guò)拉氏變換再整理之后可得雙容水箱的數(shù)學(xué)模型：</p><p><b>　?。?-2-2）</b></p><p>　　式中為過(guò)程放大系數(shù)；、分別為上、下水箱的時(shí)間常數(shù)。</p><p>　　式（2-2-2）中的特性參數(shù)、、可通過(guò)兩點(diǎn)法求得，首先放大系數(shù)可以通過(guò)式（2-1-8）求出，其次、可以通過(guò)階躍響應(yīng)曲線上的兩個(gè)點(diǎn)的

56、位置求出，如圖3-4所示。</p><p>　　圖3-4 雙容過(guò)程的階躍響應(yīng)曲線</p><p>　　按圖中的方法求取曲線上A、B兩點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間、，運(yùn)用下面公式計(jì)算、，便可求得雙容水箱的傳遞函數(shù)。</p><p><b>　?。?-2-3）</b></p><p>　　第4章 實(shí)驗(yàn)法求取水箱參數(shù)</p>

57、<p>　　由上一章可知雙容水箱的傳遞函數(shù)是在其階躍響應(yīng)曲線的基礎(chǔ)上計(jì)算出來(lái)的。通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法可以得到雙容水箱的階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)，從而得到階躍響應(yīng)曲線。</p><p>　　4.1修正實(shí)驗(yàn)裝置誤差</p><p>　　由于各種原因?qū)嶒?yàn)裝置中的傳感器、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥等都會(huì)存在一定的誤差。在實(shí)驗(yàn)之前應(yīng)該測(cè)得誤差值，并在程序中做適當(dāng)?shù)奶幚硪韵`差。 </p><p>

58、;　　4.1.1電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的特性</p><p>　　電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的實(shí)際開(kāi)度與設(shè)定的開(kāi)度不相等，采用手動(dòng)控制的方法設(shè)定調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，同時(shí)記錄調(diào)節(jié)閥的實(shí)際開(kāi)度。記錄數(shù)據(jù)見(jiàn)表4-1。</p><p>　　表4-1 調(diào)節(jié)閥開(kāi)度特性</p><p>　　調(diào)節(jié)閥開(kāi)度特性曲線見(jiàn)圖4-1。</p><p>　　圖4-1 調(diào)節(jié)閥開(kāi)度特性曲線</p>

59、<p>　　由圖可知，調(diào)節(jié)閥開(kāi)度特性共有兩個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，在第一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)“30%”之前調(diào)節(jié)閥的誤差很小可以忽略；在第一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)“30%”于第二個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)“80%”之間則有存在一個(gè)較大的靜態(tài)誤差；第二個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)之后存在很大的誤差。</p><p>　　在實(shí)驗(yàn)室之中對(duì)調(diào)節(jié)閥做出以下修正：</p><p>　　開(kāi)度在“0～30%”之間：不修正。</p><p>　　開(kāi)

60、度在“30%～80%”之間：調(diào)節(jié)閥的設(shè)定開(kāi)度與實(shí)際開(kāi)度之間成線性</p><p>　　關(guān)系，所以只需要對(duì)設(shè)定開(kāi)度加上一個(gè)適當(dāng)?shù)闹怠?%”，便能夠減小誤差。</p><p>　?、坶_(kāi)度在“80%～100%”之間：由于誤差受到調(diào)節(jié)閥自身的限制，此處不予修正。</p><p>　　4.1.2上水箱水位特性</p><p>　　由于傳感器存在誤差，水

61、箱的實(shí)際水位置與測(cè)量值之間存在誤差。上水箱的特性參數(shù)見(jiàn)表4-2。</p><p>　　表4-2 上水箱水位特性參數(shù)</p><p>　　上水箱水位特性曲線見(jiàn)圖4-2。</p><p>　　圖4-2 上水箱水位特性曲線</p><p>　　由圖可知，在總體上來(lái)說(shuō)上水箱水位的實(shí)際值與顯示值成線性關(guān)系，顯示值比實(shí)際值大0.25左右，所以在在程序之中

62、應(yīng)對(duì)采樣得到的水位值減去0.25作為實(shí)際值。</p><p>　　4.1.3下水箱水位特性</p><p>　　下水箱水位特性參數(shù)見(jiàn)表4-3。</p><p>　　表4-3 下水箱水位特性參數(shù)</p><p>　　下水箱水位特性曲線見(jiàn)圖4-3。</p><p>　　圖4-3 下水箱水位特性曲線</p>&

63、lt;p>　　由圖可知，在總體上來(lái)說(shuō)上水箱水位的實(shí)際值與顯示值成線性關(guān)系，顯示值比實(shí)際值小2.5左右，所以在在程序之中應(yīng)對(duì)采樣得到的水位值加上2.5作為實(shí)際值。</p><p>　　4.2測(cè)定水箱階躍數(shù)據(jù)</p><p>　　實(shí)驗(yàn)原理圖見(jiàn)圖4-4。</p><p>　　圖4-4 水箱模型測(cè)定原理圖</p><p>　　在實(shí)驗(yàn)中通過(guò)調(diào)節(jié)電

64、動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度（4050）改變上水箱的進(jìn)水量，從而對(duì)被控對(duì)象施加階躍輸入信號(hào)。實(shí)驗(yàn)時(shí)各手動(dòng)閥門(mén)的開(kāi)度不能改變。</p><p>　　試驗(yàn)臺(tái)的壓力變送器的輸出值為4～20，在經(jīng)過(guò)接入阻值50的電阻值后轉(zhuǎn)換成1～5V的電壓信號(hào)，具有20%的偏移量。因此在編寫(xiě)PLC程序之時(shí)要把通過(guò)EM235模塊采集來(lái)的數(shù)據(jù)減去6400（消除偏移）之后再除以256便得到水箱的水位數(shù)據(jù)。同樣電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的控制也要考慮到偏移的問(wèn)題。</

65、p><p>　　利用MCGS軟件的“存盤(pán)數(shù)據(jù)策略”記錄雙容水箱的階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)，采集數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔為20秒。</p><p>　　上水箱階躍響應(yīng)參數(shù)：</p><p>　　表4-4 上水箱階躍響應(yīng)參數(shù)</p><p>　　(2)下水箱階躍響應(yīng)參數(shù)：</p><p>　　表4-5 下水箱階躍響應(yīng)參數(shù)</p>&l

66、t;p>　　4.3雙容水箱階躍響應(yīng)參數(shù)</p><p>　　4.3.1求取上水箱傳遞函數(shù)</p><p>　　在試驗(yàn)中水箱中水的流動(dòng)，連接線路上的電阻等因素都會(huì)使測(cè)量到的數(shù)據(jù)有一定的誤差，所以在求取傳遞函數(shù)之前應(yīng)該對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以減小誤差。具體的方法是用MATLAB軟件繪出階躍響應(yīng)曲線，再運(yùn)用最小二乘法對(duì)曲線進(jìn)行四階多項(xiàng)式擬合，最后用擬合之后的曲線求取傳遞函數(shù)。</p>

67、<p><b>　?。?）繪制擬合曲線</b></p><p>　　在MATLAB的命令窗口輸入四階多項(xiàng)式擬合指令：</p><p>　　X=0:20:780;Y=[0 1.06 1.86 2.56 3.32 3.68 4.11 4.49 4.77 5.02 5.22 5.45 5.57 5.66 5.84 5.92 5.98 6.07 6.13 6.1

68、9 6.27 6.42 6.45 6.36 6.46 6.37 6.38 6.38 6.41 6.40 6.40 6.29 6.39 6.33 6.46 6.28 6.38 6.39 6.40 6.39 ];</p><p><b>　　N=[4];</b></p><p>　　clm={'rx:', 'g--p', 'm-.o

69、'}plot(X,Y,'.-')hold on;</p><p>　　grid on;lgd = { '原始數(shù)據(jù)' };for i=1:length(N) n=N(i) p=polyfit(X,Y,n); plot(X,polyval(p,X),clm{i}) syms x y=sum(vpa(p,3).*x.^[n:-1:0

70、]); lgd{i+1} = ['y = ' char(y)];endxlabel('x');ylabel('y');legend(lgd{:}, 4)</p><p>　　上水箱的階躍響應(yīng)曲線經(jīng)擬合后得到的曲線見(jiàn)圖4-5。</p><p>　　圖4-5 上水箱擬合曲線</p><p>　?。?）采用作

71、圖法求解參數(shù)</p><p>　?、僮銮芯€L1，相交于擬合曲線的穩(wěn)態(tài)值。②在階躍響應(yīng)曲線變化速度最快（原點(diǎn)）處做切線L2，與切線L1相較于點(diǎn)A</p><p>　?、墼贛ATLAB命令窗口輸入指令：[x,y]=ginput(1)，得到點(diǎn)A的坐標(biāo)（93.0876，6.4504）從而得到上水箱傳遞函數(shù)：</p><p><b>　　(4-3-1)<

72、/b></p><p>　　4.3.2求取下水箱傳遞函數(shù)</p><p>　　用與上一節(jié)相同的方法對(duì)下水箱的階躍響應(yīng)曲線進(jìn)行處理得到其擬合曲線，如圖4-6所示。</p><p>　　圖4-6 下水箱擬合曲線</p><p>　　下水箱的傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　　(4-3-2)</b

73、></p><p>　　第5章 系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)</p><p>　　5.1 PID控制原理</p><p>　　比例、積分、微分（PID）控制是迄今為止最通用也是最為基本的控制方法，PID控制器已經(jīng)有70年的發(fā)展歷史了，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、可靠性高、適用面廣、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一?？刂评碚摰暮芏嗫刂萍夹g(shù)都需要在被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)能夠

74、清晰掌握，或能得到精確的數(shù)學(xué)模型的情況之下才能發(fā)揮其控制功能；而在實(shí)際的生產(chǎn)之中，很多控制過(guò)程的結(jié)構(gòu)、參數(shù)都不能完全掌握，也很難得到精確的數(shù)學(xué)模型，在這種情況下大多數(shù)的控制技術(shù)都難以采用。PID控制的出現(xiàn)很好的解決了這一問(wèn)題，即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象﹐或不能通過(guò)有</p><p>　　效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，適合采用PID控制技術(shù)。模擬PID控制原理圖見(jiàn)圖5-1。 </p><

75、;p>　　圖5-1 PID控制基本原理圖</p><p>　　PID控制器是一種負(fù)反饋控制器，根據(jù)給定值與反饋值構(gòu)成控制差： ，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。</p><p>　　模擬PID控制器的理想算式為：</p><p><b>　　（4-1-1）</b></p><p>　　式中：為控制量（控

76、制器輸出）；為比例增益；為積分時(shí)間常數(shù)； 為微分時(shí)間常數(shù)。</p><p>　　將式（4-1-1）寫(xiě)成傳遞函數(shù)形式：</p><p><b>　?。?-1-2）</b></p><p>　　由于計(jì)算機(jī)不能處理連續(xù)變化的量，所以需要對(duì)上式進(jìn)行離散化處理，處理結(jié)果算式（4-1-3）～(4-1-6）。</p><p><

77、b>　　（4-1-3）</b></p><p>　　式中：為第n采樣時(shí)刻的計(jì)算值；為第n采樣時(shí)刻的比例項(xiàng)值；第n采樣時(shí)刻的積分項(xiàng)值。第n采樣時(shí)刻的微分項(xiàng)值。</p><p><b>　?。?-1-4）</b></p><p>　　式中：為增益；為第n采樣時(shí)刻的給定值；第n采樣時(shí)刻的過(guò)程變量值。</p><p

78、><b>　　（4-1-5）</b></p><p>　　式中：為第n采樣時(shí)刻的積分項(xiàng)值；采樣時(shí)間間隔；積分時(shí)間；第采樣時(shí)刻的積分項(xiàng)。</p><p><b>　?。?-1-6）</b></p><p>　　式中：為第n采樣時(shí)刻的微分項(xiàng)值；為微分時(shí)間；為第采樣時(shí)刻的給定值；為第采樣時(shí)刻的過(guò)程變量值。</p>

79、;<p>　　PID控制器各控制規(guī)律的作用如下：</p><p>　　比例（P）控制 比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器把輸入的誤差信號(hào)乘以比例增益便得到輸出信號(hào)。在調(diào)節(jié)過(guò)程中比例參數(shù)越大其比例作用越大，其調(diào)節(jié)時(shí)間越短，誤差越小，但是過(guò)大的比例，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。 </p><p>　　積分（I）控制 在

80、積分控制中控制器的輸出信號(hào)與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)于一些控制系統(tǒng)，在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)之后往往會(huì)存在穩(wěn)態(tài)誤差，這個(gè)時(shí)候便可以引入積分控制以消除誤差。積分項(xiàng)作用強(qiáng)弱取決于積分的時(shí)間，積分時(shí)間越小積分作用越強(qiáng)，反之則越弱。積分作用的加入會(huì)使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，使響應(yīng)時(shí)間變長(zhǎng)。因此，如果積分時(shí)間取的不合適的話會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)會(huì)起到反作用。積分作用常與另兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合，組成PI調(diào)節(jié)器或PID調(diào)節(jié)器。（3）微分（D）控制 在微分控制中控制器的輸出

81、與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。被控系統(tǒng)中如果存在較大的慣性環(huán)節(jié)，由于慣性環(huán)節(jié)具有抑制誤差的作用，會(huì)延遲誤差的變化，采用PI控制則會(huì)出現(xiàn)震蕩甚至系統(tǒng)不能達(dá)到穩(wěn)態(tài)，這時(shí)就應(yīng)當(dāng)引入微分控制。微分作用反映系統(tǒng)偏差信號(hào)的變化率，具有預(yù)見(jiàn)性，能預(yù)見(jiàn)誤差變化的趨勢(shì)，這樣就能夠提前抑制誤差從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。因此，可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。然而微分作用會(huì)放大噪聲干擾，微分時(shí)間的選擇十分重要，如果微分時(shí)間過(guò)大則會(huì)對(duì)系統(tǒng)抗干擾不利

82、，只有在微分時(shí)間選擇合適情況下，才能夠減少超調(diào)，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。此外，微分反應(yīng)的是變化率，而當(dāng)輸入沒(méi)有</p><p>　　控制器參數(shù)整定的方法很多，歸納起來(lái)可分為兩大類(lèi)：</p><p>　　理論計(jì)算整定法 它主要是在已知過(guò)程的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，依據(jù)控制理論，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。由于實(shí)驗(yàn)測(cè)定的過(guò)程數(shù)學(xué)模型不能精確反映過(guò)程動(dòng)態(tài)特性，理論計(jì)算的參數(shù)整定值可靠性不高，在現(xiàn)場(chǎng)使用中不一定能

83、夠達(dá)到理想的控制效果，還需要反復(fù)的調(diào)試。</p><p>　?。?）工程整定方法 它主要依賴(lài)工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)試驗(yàn)中進(jìn)行控制器參數(shù)整定，而且不需要知道過(guò)程完整的數(shù)學(xué)模型，使用者不需要具備理論計(jì)算所必須控制理論知識(shí)，因而方法簡(jiǎn)單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有穩(wěn)定邊界法、現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)整定法、動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法和阻尼振蕩法。</p><p>　　在實(shí)際

84、的工程之中，一般先通過(guò)理論計(jì)算得到控制參數(shù)作為工程整定方法的理論依據(jù)，再到控制現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行整定。</p><p><b>　　5.2方案設(shè)計(jì)</b></p><p>　　由于雙容水箱本身存在著容積延遲，系統(tǒng)慣性比較大，下水箱對(duì)于擾動(dòng)的響應(yīng)在時(shí)間上存在滯后。如果采用PID單回路控制，當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，控制器通過(guò)控制進(jìn)水閥門(mén)的開(kāi)度來(lái)消除擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的干擾，但是由于上下水箱之間

85、存在液阻，要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間之后才能控制下水箱的液位，這樣的系統(tǒng)反應(yīng)慢。</p><p>　　與PID單回路控制相比，串級(jí)控制有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：</p><p>　?。?）串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)進(jìn)入副回路的擾動(dòng)具有較強(qiáng)的克服能力。</p><p>　　（2）由于副回路的存在，明顯改善了對(duì)象的特性，提高了系統(tǒng)的工作效率。</p><p>　?。?）串級(jí)控制系

86、統(tǒng)具有一定的自適應(yīng)能力。</p><p>　?。?）提高了系統(tǒng)的魯棒性。</p><p>　　由于串級(jí)控制有以上優(yōu)點(diǎn)，在被控對(duì)象的容量滯后比較大，調(diào)節(jié)對(duì)象的純滯后時(shí)間比較長(zhǎng)，系統(tǒng)內(nèi)存在激烈且幅值較大的干擾作用，調(diào)節(jié)對(duì)象具有較大的非線性特性而且負(fù)荷變化較大等場(chǎng)合應(yīng)用效果顯著。</p><p>　　在本次設(shè)計(jì)中采用串級(jí)控制技術(shù)，由于其超前的控制作用，可以大大克服雙容水箱

87、普遍存在容積延遲問(wèn)題?；诖?jí)技術(shù)和PLC控制器的雙容液位控制系統(tǒng)則能夠克服雙容水箱普遍存在容積延遲以及PID單回路控制難于達(dá)到控制要求的問(wèn)題。該系統(tǒng)根據(jù)雙容水箱的數(shù)學(xué)模型，采用串級(jí)控制技術(shù)、PLC控制器、MCGS軟件組態(tài)實(shí)現(xiàn)雙容液位的高精度控制實(shí)時(shí)顯示?？刂葡到y(tǒng)框圖見(jiàn)圖5-2。</p><p>　　圖5-2 串級(jí)系統(tǒng)控制框圖</p><p>　　該控制系統(tǒng)由主控制回路與副控制回路兩個(gè)回路

88、組成，主控制對(duì)象為下水箱，副控制對(duì)象為上水箱。下水箱的液位信息反饋回主回路，與系統(tǒng)給定值進(jìn)行比較得到偏差作為主調(diào)節(jié)器的輸入信號(hào)；主調(diào)節(jié)器的輸出作為副調(diào)節(jié)器的給定值與反饋回來(lái)的上水箱液位信息經(jīng)過(guò)比較后得到偏差作為副調(diào)節(jié)器的輸入信號(hào)；副調(diào)節(jié)器的輸出控制調(diào)節(jié)閥，從而達(dá)到對(duì)水箱水位進(jìn)行控制的目的。當(dāng)有二次擾動(dòng)作用于上水箱之時(shí)，如果擾動(dòng)量不大，經(jīng)過(guò)副回路的及時(shí)控制一般不會(huì)影響到下水箱的液位；但是如果擾動(dòng)的幅值較大，仍然會(huì)改變下水箱的水位，這時(shí)就需

89、要主回路進(jìn)一步調(diào)節(jié)。當(dāng)有一次擾動(dòng)作用于下水箱之時(shí)，主回路產(chǎn)生校正作用，由于副回路的存在加快了校正作用，使擾動(dòng)對(duì)下水箱水位的影響比單回路控制時(shí)要小。由上可知在系統(tǒng)中主調(diào)節(jié)器的任務(wù)是使被控參數(shù)等于給定值，起著定值控制的作用，所以本次設(shè)計(jì)主調(diào)節(jié)器采用PID調(diào)節(jié)。副調(diào)節(jié)器起到隨動(dòng)控制的作用，副參數(shù)的設(shè)置是為了保證主參數(shù)的控制質(zhì)量，其動(dòng)態(tài)性能和余差無(wú)特殊要求，P控制規(guī)律具有控制作用強(qiáng)，余差小的特點(diǎn)，因此副調(diào)節(jié)器一般采用P調(diào)節(jié)器。</p>

90、;<p>　　5.3調(diào)節(jié)器參數(shù)整定</p><p>　　在工程實(shí)踐中，串級(jí)控制系統(tǒng)常用的整定方法有兩步整定法、逐步逼近法。</p><p>　　這里使用逐步逼近法，其整定步奏如下：</p><p>　?。?）把主回路斷開(kāi)，使副回路成為一個(gè)單回路控制系統(tǒng)，對(duì)副回路進(jìn)行整定，得到較理想的整定參數(shù)。</p><p>　?。?）把副調(diào)節(jié)

91、器的參數(shù)設(shè)定為上步得到的參數(shù)，閉合主回路，把主回路看做一個(gè)單回路控制系統(tǒng)，再對(duì)主回路的參數(shù)進(jìn)行整定。</p><p>　?。?）把主調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)定為上步得到的參數(shù)，閉合主副回路，再整定副回路參數(shù)。</p><p>　　若得到的參數(shù)已達(dá)到工藝要求，則整定結(jié)束；若達(dá)不到要求則需要再次按照上述（1） ～（3）進(jìn)行整定知道符合要求為止。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)使用M

92、ATLAB軟件，利用水箱的傳遞函數(shù)，在SIMULINK中對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，從而得到主副控制器理論參數(shù)。</p><p>　　5.3.1 MATLAB軟件簡(jiǎn)介</p><p>　　美國(guó)The MathWorks公司推出的MATLAB語(yǔ)言一直是國(guó)際科學(xué)界應(yīng)用和影響最廣泛的三大計(jì)算機(jī)語(yǔ)言之一。MATLAB主要面對(duì)科學(xué)計(jì)算、可視化以及交互式程序設(shè)計(jì)的高科技計(jì)算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)

93、據(jù)可視化以及非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當(dāng)今國(guó)際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平。MATLAB主要由以下幾個(gè)部分組成：</p><p>　　MATLAB語(yǔ)言體系 MATLAB是高層次的矩陣／數(shù)組語(yǔ)言．具有條件控

94、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(yǔ)言特性。MATLAB程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言集成度高，語(yǔ)句簡(jiǎn)介，其程序可靠性高、易于維護(hù)，可以大大提高解決問(wèn)的效率和水平。</p><p>　　MATLAB工作環(huán)境 這是對(duì)MATLAB提供給用戶(hù)使用的管理功能的總稱(chēng)．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(kāi)發(fā)、調(diào)試、管理MATLAB文件的各種工具。</p><p>　　(3)圖形圖像系統(tǒng)

95、 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(dòng)畫(huà)生成、圖形顯示等功能的高層MATLAB命令，也包括用戶(hù)對(duì)圖形圖像等對(duì)象進(jìn)行特性控制的低層MATLAB命令，以及開(kāi)發(fā)GUI應(yīng)用程序的各種工具。 </p><p>　　(4)MATLAB數(shù)學(xué)函數(shù)庫(kù) 這是對(duì)MATLAB使用的各種數(shù)學(xué)算法的總稱(chēng)．包括各種初等函數(shù)的算法，也包括矩陣運(yùn)算、矩陣分析等高層次數(shù)學(xué)算法。 </p><

96、;p>　　(5)MATLAB應(yīng)用程序接口(API) 這是MATLAB為用戶(hù)提供的一個(gè)函數(shù)庫(kù)，使得用戶(hù)能夠在MATLAB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(dòng)態(tài)鏈接)，讀寫(xiě)MAT文件的功能。 </p><p>　　在這里主要用到的是MATLAB中的SIMULINK工具箱。通過(guò)SIMULINK工具箱根據(jù)前文的水箱模型傳遞函數(shù)對(duì)串級(jí)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，模擬出被控系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線，

97、再對(duì)主副調(diào)節(jié)器的PID參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，得到主、副控制器的初步整定參數(shù)。</p><p>　　5.3.2副回路參數(shù)整定</p><p>　　打開(kāi)MATLAB軟件點(diǎn)擊SIMULINK圖標(biāo)彈出SIMULINK工具箱，在SIMULINK工具箱之中點(diǎn)擊新建，創(chuàng)建一個(gè)新的窗口，在SIMULINK工具箱中選擇階躍信號(hào)模塊、PID模塊、示波器模塊、傳遞函數(shù)模塊、輸出模塊拖放至窗口之中，搭建出系統(tǒng)的副回路，把

98、躍信號(hào)模塊設(shè)置為在時(shí)間為0時(shí)對(duì)系統(tǒng)加入大小為10的階躍信號(hào)，在傳遞函數(shù)模塊之中輸入上水箱傳遞函數(shù)。如圖5-3所示。</p><p>　　圖5-3 副回路仿真圖</p><p>　　根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)在液位中PID參數(shù)的取值范圍為：P=20~80%，T=60~300s，把參數(shù)P的值由小到大進(jìn)行設(shè)定并比較系統(tǒng)的階躍曲線，在階躍響應(yīng)曲線較理想的情況之下盡量選擇較小的P參數(shù)。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)測(cè)得當(dāng)=45時(shí)，

99、其階躍響應(yīng)曲線比較理想，見(jiàn)圖5-4。</p><p>　　圖5-4 副回路階躍響應(yīng)曲線</p><p>　　5.3.3主回路參數(shù)整定</p><p>　　在上述副回路的基礎(chǔ)之上加入主回路，形成串級(jí)控制系統(tǒng)，如下圖所示：</p><p>　　圖5-5 串級(jí)控制系統(tǒng)仿真圖</p><p>　　把副控制器的放大系數(shù)設(shè)置為45

100、，主控制器的積分時(shí)間、微分時(shí)間都設(shè)置為零，然后對(duì)放大系數(shù)進(jìn)行整定。整定好放大系數(shù)之后再整定積分時(shí)間，然后在整定微分時(shí)間。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)得到=45，=30，=10時(shí)階躍響應(yīng)曲線比較理想，見(jiàn)圖5-6。</p><p>　　圖5-6 串級(jí)控制階躍響應(yīng)曲線</p><p>　　5.3.4抗干擾能力驗(yàn)證</p><p>　　（1）主回路抗干擾能力</p><

101、p>　　在系統(tǒng)的主回路之中加入階躍值為40的一次擾動(dòng)信號(hào)，主副調(diào)節(jié)器的參數(shù)不變，如圖5-7所示。</p><p>　　圖5-7 加入一次擾動(dòng)仿真圖</p><p>　　運(yùn)行之后得到響應(yīng)曲線見(jiàn)圖5-8。 </p><p>　　圖5-8 一次擾動(dòng)響應(yīng)曲線</p><p>　　由圖可知在系統(tǒng)在受到一次擾動(dòng)信號(hào)

102、的干擾之后，能夠很短的時(shí)間內(nèi)消除干擾，具有響應(yīng)時(shí)間快、超調(diào)量小、靜態(tài)偏差小的特點(diǎn)。</p><p>　?。?）副回路抗干擾能力</p><p>　　在系統(tǒng)的副回路之中加入階躍值為40的二次擾動(dòng)信號(hào)，主副調(diào)節(jié)器的參數(shù)不變，如圖5-9所示。</p><p>　　圖5-9 加入一次擾動(dòng)仿真圖</p><p>　　運(yùn)行之后得到響應(yīng)曲線見(jiàn)圖5-10。

103、</p><p>　　圖5-10 二次擾動(dòng)響應(yīng)曲線</p><p>　　由圖可知相同大小的干擾信號(hào)加入到副回路之時(shí)，對(duì)系統(tǒng)輸出的影響遠(yuǎn)小于加入到主回路，說(shuō)明系統(tǒng)的副回路具有良好的抗干擾能力，大大降低了二次擾動(dòng)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響。</p><p>　　第6章 組態(tài)界面設(shè)計(jì)</p><p><b>　　6.1總體設(shè)計(jì)</b>

104、;</p><p>　?。?）工程的框架結(jié)構(gòu) </p><p>　　工程定義的名稱(chēng)為“雙容水箱水位控制系統(tǒng).mcg”工程文件。根據(jù)設(shè)計(jì)的要</p><p>　　求總共建立了兩個(gè)用戶(hù)窗口，分別用于水位控制以及各種數(shù)據(jù)的顯示；四個(gè)主菜</p><p>　　單：控制顯示、報(bào)警數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)顯示、水箱歷史數(shù)據(jù)，構(gòu)成了該工程的基本骨架。</p

105、><p>　　動(dòng)畫(huà)圖形的制作 </p><p>　　水位控制窗口是一幅模擬系統(tǒng)真實(shí)工作流程并實(shí)施監(jiān)控操作的動(dòng)畫(huà)窗口，是</p><p>　　打開(kāi)工程時(shí)首先顯示的圖形窗口(啟動(dòng)窗口)。包括：</p><p>　?、偎豢刂葡到y(tǒng)：由水泵、上水箱、下水箱和閥門(mén)組成，這些元件由“對(duì)象元件庫(kù)管理”調(diào)入；儲(chǔ)水水箱則是由標(biāo)簽表示；管道通過(guò)流動(dòng)塊勾

106、畫(huà)再經(jīng)過(guò)動(dòng)畫(huà)屬性設(shè)置賦予其動(dòng)畫(huà)功能。</p><p>　?、谒康娘@示：通過(guò)標(biāo)簽構(gòu)件實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　③報(bào)警動(dòng)畫(huà)顯示：由“對(duì)象元件庫(kù)管理”調(diào)入。</p><p>　　控制流程的實(shí)現(xiàn) </p><p>　　選用策略構(gòu)件箱中的“腳本程序”功能構(gòu)件，設(shè)置構(gòu)件的屬性，編制控制程序，實(shí)現(xiàn)水位、水泵、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥有效控制。</

107、p><p>　?。?）各種功能的實(shí)現(xiàn) </p><p>　　該工程應(yīng)該實(shí)現(xiàn)：歷史曲線、歷史數(shù)據(jù)的顯示，報(bào)警顯示，調(diào)節(jié)器PID參</p><p><b>　　數(shù)在線修改等功能。</b></p><p>　?、贇v史曲線：選用歷史曲線構(gòu)件實(shí)現(xiàn)；</p><p>　?、跉v史數(shù)據(jù)：選用歷史表格構(gòu)件實(shí)

108、現(xiàn)；</p><p>　?、蹐?bào)警顯示：選用報(bào)警顯示構(gòu)件實(shí)現(xiàn)；</p><p>　?、苷{(diào)節(jié)器PID參數(shù)在線修改：通過(guò)按鈕輸入實(shí)現(xiàn)；</p><p>　?、菔謩?dòng)與自動(dòng)控制方式的選擇，PLC運(yùn)行狀態(tài)的控制都是由按鈕操作實(shí)現(xiàn)。</p><p>　?、薰こ虉?bào)表：歷史數(shù)據(jù)選用存盤(pán)數(shù)據(jù)瀏覽策略構(gòu)件實(shí)現(xiàn)，報(bào)警歷史數(shù)據(jù)選用報(bào)警信息瀏覽策略構(gòu)件實(shí)現(xiàn)，實(shí)時(shí)報(bào)表選用

109、自由表格構(gòu)件實(shí)現(xiàn)，歷史報(bào)表選用歷史表格構(gòu)件實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　6.2 具體組態(tài)過(guò)程</p><p>　　6.2.1水箱動(dòng)畫(huà)界面</p><p>　　進(jìn)入MCGS組態(tài)界面新建一個(gè)工程，定義工程的名稱(chēng)為“雙容水箱水位控制系統(tǒng).mcg”并保存。在工作臺(tái)中點(diǎn)擊“用戶(hù)窗口”中的“新建窗口”建立兩個(gè)新窗口并分別命名為“水位控制”“數(shù)據(jù)顯示”如圖。水位控制窗口主要由雙容水

110、箱動(dòng)畫(huà)界面，報(bào)警裝置，PID參數(shù)顯示等部分組成；數(shù)據(jù)顯示窗口完成水箱水位的實(shí)時(shí)顯示。</p><p>　　雙擊“水位控制”窗口建立水箱動(dòng)畫(huà)，雙容水箱動(dòng)畫(huà)界面由一個(gè)水泵、上水箱、下水箱和4個(gè)閥門(mén)組成，管道通過(guò)流動(dòng)塊勾畫(huà)。其主要的工作流程為水泵將水箱中的“水”抽出來(lái)經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)閥送入上水箱中，上水箱中的“水”通過(guò)手動(dòng)閥3流入下水箱，下水箱的“水”經(jīng)過(guò)手動(dòng)閥4流入儲(chǔ)水水箱中。手動(dòng)閥2的主要作用是為下水箱添加擾動(dòng)。調(diào)節(jié)閥的開(kāi)

111、度可以通過(guò)PLC進(jìn)行控制，通過(guò)控制調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度便可以控制上水箱入水的流量從而控制水箱水位。其整體畫(huà)面如圖6-1所示。</p><p>　　圖6-1 水箱動(dòng)畫(huà)界面</p><p>　　6.2.2定義數(shù)據(jù)變量</p><p>　　實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)是MCGS工程的數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)處理中心，MCGS對(duì)水箱的監(jiān)控都是通過(guò)對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。</p>&

112、lt;p>　　在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中新建數(shù)據(jù)對(duì)象，按照表6-1對(duì)這些變量進(jìn)行定義。</p><p>　　表6-1 數(shù)據(jù)變量一覽表</p><p><b>　　6.2.3動(dòng)畫(huà)連接</b></p><p>　　由圖形原件搭建出來(lái)的圖形界面并非動(dòng)態(tài)的，要整個(gè)界面動(dòng)起來(lái)則需要把界面中的各個(gè)器件與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中的相應(yīng)數(shù)據(jù)連接起來(lái)，器件把它所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)變化通過(guò)

113、一定的方式顯現(xiàn)出來(lái)。下面以數(shù)據(jù)庫(kù)中液位1以及流動(dòng)塊的變量連接為例說(shuō)明動(dòng)畫(huà)連接過(guò)程。</p><p>　　雙擊水箱動(dòng)畫(huà)界面中的上水箱便會(huì)彈出單元屬性設(shè)置窗口，在動(dòng)畫(huà)連接一欄中點(diǎn)擊“折線”標(biāo)志進(jìn)入動(dòng)畫(huà)組態(tài)屬性設(shè)置窗口，在大小變化中點(diǎn)擊“問(wèn)號(hào)”選擇液位1，表達(dá)式的值設(shè)置為33，其它不變，點(diǎn)擊確定之后，變量連接完成。水泵、閥門(mén)的連接與此相似。</p><p><b>　　圖6-2 變量連

114、接</b></p><p>　　流動(dòng)塊的動(dòng)態(tài)連接則與此不同，雙擊水箱動(dòng)畫(huà)界面中的流動(dòng)快便會(huì)彈出流動(dòng)塊構(gòu)建屬性設(shè)置窗口，在流動(dòng)屬性一欄中需要填寫(xiě)流動(dòng)塊的表達(dá)式。該表達(dá)式是流動(dòng)快動(dòng)態(tài)連接的關(guān)鍵，該表達(dá)是需要根據(jù)流動(dòng)塊在界面之中的具體位置來(lái)確定。如上水箱下面的流動(dòng)塊的表達(dá)式應(yīng)該為：手動(dòng)閥3=1，其意義為當(dāng)手動(dòng)閥3打開(kāi)時(shí)流動(dòng)塊流動(dòng)表示有水流通過(guò)。</p><p>　　6.2.4水位數(shù)據(jù)