【正文】 摘要雙容水箱液位控制系統(tǒng)是采用先進(jìn)的控制算法完成對(duì)過程液位的控制的控制系統(tǒng)，它在飲料、食品加工、溶液過濾、化工生產(chǎn)等多種行業(yè)的生產(chǎn)加工過程中均有廣泛應(yīng)用。在本設(shè)計(jì)中充分利用自動(dòng)化儀表技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)，通訊技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)水箱液位的串級(jí)控制。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，借助數(shù)據(jù)采集模塊﹑MCGS組態(tài)軟件和數(shù)字控制器，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： 液位,模型,PID控制,儀表過程控制系統(tǒng),計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)AbstractDouble tank water level control system is the use of advanced control algorithm of process liquid level control system, it is in the beverage, food processing, filtering solution, chemical production and other industries in the production process has been widely used. In the design of the full use of automation technology, puter technology, munication technology and automatic control technology, in order to achieve the water tank liquid level cascade control. Firstly, the object model is analyzed, and the experimental modeling method for model transfer function. Secondly, according to the controlled object model and the controlled process characteristic design of cascade control system, using dynamic simulation technology to the control system performance analysis. Then, design and construction process control instrumentation system, through the intelligent controller for liquid level cascade PID control. Finally, with the help of a data acquisition module, MCGS configuration software and digital controller, design and establishment of a remote puter process control system, plete control system experiment and result analysisKeywords: liquid level，model PID control，indicator process control system，puter process control system目 錄摘 要 ⅠAbstract Ⅱ1 緒論 1　　2 被控對(duì)象建模 2 水箱模型分析 2 階躍響應(yīng)曲線法建立模型 33 系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)與仿真 7 液位串級(jí)控制系統(tǒng)介紹 7 PID控制原理 7 系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì) 10 控制系統(tǒng)仿真 124 建立儀表過程控制系統(tǒng) 17 過程儀表介紹 17 儀表過程控制系統(tǒng)的組建 19 儀表過程控制系統(tǒng)PID參數(shù)整定 235 模擬計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng) 25 計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 25 MCGS軟件工程組態(tài) 28 組態(tài)軟件調(diào)試 386 結(jié)論 40參考文獻(xiàn) 41致謝 42附錄 431緒論雙容水箱系統(tǒng)是一種比較常見的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)液位系統(tǒng) ，在實(shí)際生產(chǎn)中 ，雙容水箱控制系統(tǒng)在石油、化工﹑環(huán)保﹑水處理﹑冶金等行業(yè)尤為常見。通過液位的檢測(cè)與控制從而調(diào)節(jié)容器內(nèi)的輸入輸出物料的平衡，以便保證生產(chǎn)過程中各環(huán)節(jié)的物料搭配得當(dāng)。 經(jīng)過比較和篩選，串級(jí)控制系統(tǒng)PID控制無論是從操作性、經(jīng)濟(jì)性還是從系統(tǒng)的控制效果均有比較突出的特性，因此采用串級(jí)控制系統(tǒng)PID控制對(duì)雙榮水箱液位控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制。論文以THJ2高級(jí)過程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為出發(fā)點(diǎn)，利用MATLAB的曲線擬合的方法分別仿真出系統(tǒng)中上水箱、下水箱的輸出響應(yīng)曲線。對(duì)曲線進(jìn)行處理求出各水箱的參數(shù)，用所求出的參數(shù)列寫出水箱的傳遞函數(shù)。采用復(fù)雜控制系統(tǒng)中的串級(jí)控制系統(tǒng)列寫出系統(tǒng)框圖，根據(jù)串級(jí)控制系統(tǒng)PID參數(shù)整定的方法整定出主控制器和副控制器的P、I、D的數(shù)值，從而滿足控制系統(tǒng)對(duì)各項(xiàng)性能的要求。對(duì)于控制器的選擇，從經(jīng)濟(jì)以及控制效果考慮采用智能儀表實(shí)現(xiàn)控制，并應(yīng)用組態(tài)軟件對(duì)系統(tǒng)實(shí)施監(jiān)控。為了能夠使雙容水箱系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的檢測(cè)和控制，本文又進(jìn)一步的設(shè)計(jì)出計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)，利用ICP7017數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)現(xiàn)模擬量輸入通道的功能利用ICP7024數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)現(xiàn)模擬量輸入通道的功能（自帶485通訊接口），通過RS232/485完成通訊轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的通訊和控制。ICP7000系列采集模塊的作用是將傳感器檢測(cè)到的被控參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)通過A/D轉(zhuǎn)換送入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)是將控制運(yùn)算發(fā)出的控制信號(hào)通過D/A轉(zhuǎn)換發(fā)給執(zhí)行機(jī)構(gòu)（調(diào)節(jié)閥、變頻器）。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)。對(duì)于計(jì)算機(jī)控制，采用的是組態(tài)軟件MCGS來實(shí)現(xiàn)的，通過對(duì)軟件進(jìn)行編程使組態(tài)軟件模擬出雙容水箱液位控制系統(tǒng)的手動(dòng)和自動(dòng)兩種工作狀態(tài)。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THJ2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=240mm。下水箱尺寸為：d=35cm,h=240mm，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， 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與流量之間為非線性關(guān)系。但為了簡便起見，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:液位過程容量系數(shù)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)。通過磁力驅(qū)動(dòng)泵供水，手動(dòng)控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度大小,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。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。施加階躍信號(hào)(2)改變調(diào)節(jié)閥開度,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)水量階躍響應(yīng)輸出 上水箱/下水箱電動(dòng)調(diào)節(jié)閥電動(dòng)磁力泵供水 水箱模型測(cè)定原理圖：記錄階躍響應(yīng)參數(shù)(間隔30s采集數(shù)據(jù)):171319281420391521410162251117236121824：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)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)，采樣時(shí)間作為X軸[1]。在MATLAB的命令窗口輸入曲線擬合指令： 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。)。 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[1]：上述測(cè)量數(shù)據(jù)來源：姜秀英，如圖所示，利用四階多項(xiàng)式近似擬合上水箱響應(yīng)曲線，得到多項(xiàng)式的表達(dá)式：P(t)≈(009)t4+(006)t3 ++ 式 ()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)P39。(0)= ,以此做切線交穩(wěn)態(tài)值于A點(diǎn),映射在t軸上的B點(diǎn)的值為T。 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 式（）在MATLAB的命令窗口輸入曲線擬合指令：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中繪出曲線如下：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)= (011)t4+(e008)t3 + 式（）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，(t)在t=0的導(dǎo)數(shù)P`(0)=,以此做切線交穩(wěn)態(tài)值于A點(diǎn),映射在t軸上的B點(diǎn)的值為T。 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