【正文】 工程結(jié)構(gòu)框架。(3)設(shè)計(jì)菜單基本體系：為了對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)及工作流程進(jìn)行有效地調(diào)度和控制，通常要在主控窗口內(nèi)編制菜單。編制菜單分兩步進(jìn)行，第一步首先搭建菜單的框架，第二步再對(duì)各級(jí)菜單命令進(jìn)行功能組態(tài)。在組態(tài)過(guò)程中，可根據(jù)實(shí)際需要，隨時(shí)對(duì)菜單的內(nèi)容進(jìn)行增加或刪除，不斷完善工程的菜單。(4)制作動(dòng)畫(huà)顯示畫(huà)面：動(dòng)畫(huà)制作分為靜態(tài)圖形設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)屬性設(shè)置兩個(gè)過(guò)程。前一部分用戶(hù)通過(guò)MCGS組態(tài)軟件中提供的基本圖形元素及動(dòng)畫(huà)構(gòu)件庫(kù)，在用戶(hù)窗口內(nèi)組合成各種復(fù)雜的畫(huà)面。后一部分則設(shè)置圖形的動(dòng)畫(huà)屬性，與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中定義的變量建立相關(guān)性的連接關(guān)系，作為動(dòng)畫(huà)圖形的驅(qū)動(dòng)源。(5)編寫(xiě)控制流程程序：在運(yùn)行策略窗口內(nèi)，從策略構(gòu)件箱中，選擇所需功能策略構(gòu)件，構(gòu)成各種功能模塊，由這些模塊實(shí)現(xiàn)各種人機(jī)交互操作。MCGS還為用戶(hù)提供了編程用的功能構(gòu)件，使用簡(jiǎn)單的編程語(yǔ)言，編寫(xiě)工程控制程序。(6)完善菜單按鈕功能：包括對(duì)菜單命令、監(jiān)控器件、操作按鈕的功能組態(tài)；實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、各種曲線(xiàn)、數(shù)據(jù)報(bào)表、報(bào)警信息輸出等功能；建立工程安全機(jī)制等。(7)編寫(xiě)程序調(diào)試工程：利用調(diào)試程序產(chǎn)生的模擬數(shù)據(jù)，檢查動(dòng)畫(huà)顯示和控制流程是否正確。(8)連接設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序：選定與設(shè)備相匹配的設(shè)備構(gòu)件，連接設(shè)備通道，確定數(shù)據(jù)變量的數(shù)據(jù)處理方式，完成設(shè)備屬性的設(shè)置。此項(xiàng)操作在設(shè)備窗口內(nèi)進(jìn)行。(9)工程完工綜合測(cè)試：最后測(cè)試工程各部分的工作情況，完成整個(gè)工程的組態(tài)工作，實(shí)施工程交接。2被控對(duì)象建模在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作中，需要針對(duì)被控過(guò)程中的合適對(duì)象建立數(shù)學(xué)模型。被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型是設(shè)計(jì)過(guò)程控制系統(tǒng)、確定控制方案、分析質(zhì)量指標(biāo)、整定調(diào)節(jié)器參數(shù)等的重要依據(jù)。被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型（動(dòng)態(tài)特性）是指過(guò)程在各輸入量（包括控制量和擾動(dòng)量）作用下，其相應(yīng)輸出量（被控量）變化函數(shù)關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式。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(guò)測(cè)定和計(jì)算他們模型，來(lái)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T(mén)HJ2高級(jí)過(guò)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。Q112Q2Ah 系統(tǒng)中上水箱和下水箱液位變化過(guò)程各是一個(gè)具有自衡能力的單容過(guò)程。如圖，水箱的流入量為Q1，流出量為Q2，通過(guò)改變閥1的開(kāi)度改變Q1值，改變閥2的開(kāi)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(guò)程。若Q1作為被控過(guò)程的輸入量，h為其輸出量，則該被控過(guò)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， Q1Q2=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(xiàn)性關(guān)系。但為了簡(jiǎn)便起見(jiàn)，做線(xiàn)性化處理得 Q2=△h/R2，經(jīng)拉氏變換得單容液位過(guò)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(guò)程的時(shí)間常數(shù)(T=R2C) K:液位過(guò)程的放大系數(shù)(K=R2) C:液位過(guò)程容量系數(shù)在本設(shè)計(jì)中將通過(guò)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(xiàn)和相關(guān)參數(shù)。通過(guò)磁力驅(qū)動(dòng)泵供水，手動(dòng)控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度大小,改變上水箱/下水箱液位的給定量，從而對(duì)被控對(duì)象施加階躍輸入信號(hào)，記錄階躍響應(yīng)曲線(xiàn)。 在測(cè)定模型參數(shù)中可以通過(guò)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(guò)智能調(diào)節(jié)儀表改變調(diào)節(jié)閥開(kāi)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) 通過(guò)在MCGS監(jiān)控軟件組建人機(jī)對(duì)話(huà)窗口，改變調(diào)節(jié)閥開(kāi)度,控制水箱進(jìn)水量的大小，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。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)磁力泵電動(dòng)調(diào)節(jié)閥上水箱/下水箱 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(xiàn)路,手動(dòng)操作調(diào)節(jié)器,控制調(diào)節(jié)閥開(kāi)度,使初始開(kāi)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(kāi)度至OP2=60,即對(duì)上水箱輸入階躍信號(hào),使其液位離開(kāi)原平衡狀態(tài)。經(jīng)過(guò)一定調(diào)節(jié)時(shí)間后,水箱液位重新進(jìn)入平衡狀態(tài)。記錄階躍響應(yīng)參數(shù)(間隔30s采集數(shù)據(jù)):1713192814203915214101622511172361218242．下水箱階躍響應(yīng)參數(shù)測(cè)定：按圖連接實(shí)驗(yàn)線(xiàn)路,手動(dòng)操作調(diào)節(jié)器,控制調(diào)節(jié)閥開(kāi)度,使初始開(kāi)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(kāi)度至OP2=50,即對(duì)上水箱輸入階躍信號(hào),使其液位離開(kāi)原平衡狀態(tài)。經(jīng)過(guò)一定調(diào)節(jié)時(shí)間后,水箱液位重新進(jìn)入平衡狀態(tài)。 記錄階躍響應(yīng)參數(shù)(間隔30s采集數(shù)據(jù)): 113253749214263850315273951416284052517294153618304254719314355820324456921334557102234465811233547591224364860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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)擬合指令： x=0:30:420； y=[0 ]； p=polyfit(x,y,4)； xi=0:3:420； yi=polyval(p,xi)； plot(x,y,’b:o’xi,yi,39。r39。)。 在MATLAB中繪出曲線(xiàn)如下：注：圖中曲線(xiàn)為擬合曲線(xiàn)，圓點(diǎn)為原數(shù)據(jù)點(diǎn)。數(shù)據(jù)點(diǎn)與曲線(xiàn)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(xiàn)，得到多項(xiàng)式的表達(dá)式：P(t)≈(009)t4+(006)++。根據(jù)曲線(xiàn)采用切線(xiàn)作圖法計(jì)算上水箱特性參數(shù)，當(dāng)階躍響應(yīng)曲線(xiàn)在輸入量x(t)產(chǎn)生階躍的瞬間，即t=0時(shí)，其曲線(xiàn)斜率為最大，然后逐漸上升到穩(wěn)態(tài)值，該響應(yīng)曲線(xiàn)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)P39。(0)= ,以此做切線(xiàn)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(mén)。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(xiàn)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 在MATLAB的命令窗口輸入曲線(xiàn)擬合指令：x=0: 30:1650；y=[0 ]；p=polyfit(x,y,4)； xi=0:3:1650； yi=polyval(p,xi)； plot(x,y,’b:o’xi,yi,39。r39。)。在MATLAB中繪出曲線(xiàn)如下：注：圖中曲線(xiàn)為擬合曲線(xiàn)，圓點(diǎn)為原數(shù)據(jù)點(diǎn)。數(shù)據(jù)點(diǎn)與曲線(xiàn)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(xiàn)，得到多項(xiàng)式的表達(dá)式P(t)= (011)t4+(e008)t3 +.根據(jù)曲線(xiàn)采用切線(xiàn)作圖法計(jì)算下水箱特性參數(shù)，當(dāng)階躍響應(yīng)曲線(xiàn)在輸入量x(t)產(chǎn)生階躍的瞬間，即t=0時(shí)，其曲線(xiàn)斜率為最大，然后逐漸上升到穩(wěn)態(tài)值，該響應(yīng)曲線(xiàn)可用一階慣性環(huán)節(jié)近似描述，(t)在t=0的導(dǎo)數(shù)P`(0)=,以此做切線(xiàn)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(mén)。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(xiàn)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。在實(shí)驗(yàn)建模的過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)測(cè)取的被控對(duì)象為廣義的被控對(duì)象，其動(dòng)態(tài)特性包括了調(diào)節(jié)閥和測(cè)量變送器，即廣義被控對(duì)象的傳遞函數(shù)為，為調(diào)節(jié)閥的傳遞函數(shù)，Gm(s)為測(cè)量變送器的傳遞函數(shù)。 THJ2高級(jí)過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置圖3系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)與仿真控制方案設(shè)計(jì)是過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心，需要以被控過(guò)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(guò)程儀表和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)揮良好的作用。 PID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?，F(xiàn)在有利用PID控制實(shí)現(xiàn)的壓力、溫度、流量、液位控制器，能實(shí)現(xiàn)PID控制功能的可編程控制器(PLC)，還有可實(shí)現(xiàn)PID控制的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等。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(chēng)PID控制，又稱(chēng)PID調(diào)節(jié)。PID控制器問(wèn)世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。y(t)++r(t) 比例P積分I微分D被控對(duì)象 PID控制基本原理圖PID控制器是一種線(xiàn)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(lái)。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(chēng)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(guò)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(guò)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(wú)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(guò)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(guò)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(guò)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(lèi)：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(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)模型只能近似反映過(guò)程動(dòng)態(tài)特，理論計(jì)算的參數(shù)整定值可靠性不高，還必須通過(guò)工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，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，且方法簡(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，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線(xiàn)法和衰減曲線(xiàn)法。三種方法都是通過(guò)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(wú)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。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(guò)程，記錄下此時(shí)的臨界比例度δk和臨界振蕩周期T