【正文】 陣對象時，不要求作明確的維數(shù)說明，使得工程應用變得更加快捷和便利。 MATLAB軟件介紹MATLAB軟件是由美國MathWorks公司開發(fā)的，是目前國際上最流行、應用最廣泛的科學與工程計算軟件，它廣泛應用于自動控制、數(shù)學運算、信號分析、計算機技術、圖形圖象處理、語音處理、汽車工業(yè)、生物醫(yī)學工程和航天工業(yè)等各行各業(yè)，也是國內外高校和研究部門進行許多科學研究的重要工具。 在液位串級控制系統(tǒng)的設計中將以THJ2高級過程控制實驗系統(tǒng)為基礎，展開設計控制系統(tǒng)及工程實現(xiàn)的工作。在工業(yè)生產(chǎn)過程自動化中，常常需要對某些設備和容器的液位進行測量和控制。模擬量I/O通道將有傳感變送器得到的工業(yè)對象的生產(chǎn)過程參數(shù)（標準電信號）變換成二進制代碼傳送給計算機；同時將計算機輸出的數(shù)字控制量變換為控制操作執(zhí)行機構的模擬信號，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的控制。（2）包括各種控制開關﹑數(shù)字鍵﹑功能鍵﹑指示燈﹑聲訊器和數(shù)字顯示器等的控制臺是人機對話的聯(lián)系紐帶，操作人員可以通過操作臺向計算機輸入和修改控制參數(shù)，發(fā)出操作命令；計算機向操作人員顯示系統(tǒng)運行狀態(tài)，發(fā)出報警信號。在系統(tǒng)中，由于計算機只能處理數(shù)字信號，因而給定值和反饋量要先經(jīng)過A/D轉換器將其轉換為數(shù)字量，才能輸入計算機。不僅如此，生產(chǎn)的安全性和可靠性，生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟效益都成為衡量當今自動控制水平的重要指標。之后，以最小二乘法為基礎的系統(tǒng)辨識，以極大值和動態(tài)規(guī)劃為主要方法的最優(yōu)控制和以卡爾曼濾波理論為核心的最佳估計所組成的現(xiàn)代控制理論，開始應用于解決過程控制生產(chǎn)中的非線性，耦合性和時變性等問題，使得工業(yè)過程控制有了更好的理論基礎。 model, and use the experimental method to calculate the transfer function of the model .Next, I Design the concatenation control system and use the dynamic simulation technique to analyze the capability of control system. Afterwards, I design and set up the indicator process control system, realize PID control of the liquid level with intelligence indicator. Finally, I design and set up the long distance puter control system in virtue of the data collection module ﹑MCGS soft and digital PID controller，acplish control system experiment and analyze the oute.Keywords: liquid level model PID control indicator process control system puter process control system 1 概述1．工業(yè)過程控制的發(fā)展概況自本世紀30年代以來，伴隨著自動控制理論的日趨成熟，自動化技術不斷地發(fā)展并獲得了驚人的成就，在工業(yè)生產(chǎn)和科學發(fā)展中起著關鍵性的作用。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，設計并組建遠程計算機過程控制系統(tǒng)，完成控制系統(tǒng)實驗和結果分析。在設計中充分利用自動化儀表技術，計算機技術，通訊技術和自動控制技術，以實現(xiàn)對水箱液位的串級控制。首先對被控對象的模型進行分析，并采用實驗建模法求取模型的傳遞函數(shù)。關鍵詞： 液位 模型 PID控制 儀表過程控制系統(tǒng) 計算機過程控制系統(tǒng)Abstract: The purpose of this thesis is to design the liquid level39。過程控制技術是自動化技術的重要組成部分，普遍運用于石油，化工，電力，冶金，輕工，紡織，建材等工業(yè)部門。同時新型的分布式控制系統(tǒng)（DCS）集計算機技術、控制技術、通訊技術、故障診斷技術和圖形顯示技術為一體，使工業(yè)自動化進入控制管理一體化的新模式。因此繼續(xù)采用常規(guī)的調節(jié)儀表（模擬式與數(shù)字式）已經(jīng)不能滿足對現(xiàn)代化過程工業(yè)的控制要求。當計算機接受了給定值和反饋量后，依照偏差值，按某種控制規(guī)律（PID）進行運算，計算結果再經(jīng)D/A轉換器，將數(shù)字信號轉換成模擬信號輸出到執(zhí)行機構，從而完成對系統(tǒng)的控制作用。（3）通用外圍設備包括打印機﹑記錄儀﹑圖形顯示器﹑閃存等，它們用來顯示﹑存儲﹑打印﹑記錄各種數(shù)據(jù)。2．過程計算機系統(tǒng)的軟件部分：（1）系統(tǒng)軟件由計算機及過程控制系統(tǒng)的制造廠商提供，用來管理計算機本身資源，方便用戶使用計算機。通過液位的檢測與控制，了解容器中的原料﹑半成品或成品的數(shù)量，以便調節(jié)容器內的輸入輸出物料的平衡，保證生產(chǎn)過程中各環(huán)節(jié)的物料搭配得當。雖然是采用傳統(tǒng)的串級PID控制的方法，但是將利用智能調節(jié)儀表﹑數(shù)據(jù)采集模塊和計算機控制來實現(xiàn)控制系統(tǒng)的組建，努力使系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)性能，改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。MATLAB最早發(fā)行于1984年，經(jīng)過10余年的不斷改進，現(xiàn)今已推出基于Windows 2000/xp的MATLAB 。MATLAB系統(tǒng)由五個主要部分組成：(1)MATALB語言體系 MATLAB是高層次的矩陣／數(shù)組語言．具有條件控制、函數(shù)調用、數(shù)據(jù)結構、輸入輸出、面向對象等程序語言特性。 (4)MATLAB數(shù)學函數(shù)庫 這是對MATLAB使用的各種數(shù)學算法的總稱．包括各種初等函數(shù)的算法，也包括矩陣運算、矩陣分析等高層次數(shù)學算法。MATLAB的仿真工具箱（Simulink）提供了交互式操作的動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真、分析集成環(huán)境。MCGS組態(tài)環(huán)境是生成用戶應用系統(tǒng)的工作環(huán)境，用戶在MCGS組態(tài)環(huán)境中完成動畫設計、設備連接、編寫控制流程、編制工程打印報表等全部組態(tài)工作后，又稱為組態(tài)結果數(shù)據(jù)庫，其與MCGS 運行環(huán)境一起，構成了用戶應用系統(tǒng)，統(tǒng)稱為“工程” 。經(jīng)過此步操作，即在MCGS組態(tài)環(huán)境中，建立了由五部分組成的工程結構框架。(4)制作動畫顯示畫面：動畫制作分為靜態(tài)圖形設計和動態(tài)屬性設置兩個過程。MCGS還為用戶提供了編程用的功能構件，使用簡單的編程語言，編寫工程控制程序。此項操作在設備窗口內進行。被控對象的數(shù)學模型（動態(tài)特性）是指過程在各輸入量（包括控制量和擾動量）作用下，其相應輸出量（被控量）變化函數(shù)關系的數(shù)學表達式。上水箱尺寸為：d=25cm,h=20cm。液位h越高，水箱內的靜壓力增大,Q2也越大。由流體力學可知，液位h與流量之間為非線性關系。 在測定模型參數(shù)中可以通過以下兩種方法控制調節(jié)閥，對被控對象施加階躍信號：(1) 通過智能調節(jié)儀表改變調節(jié)閥開度，增減水箱的流入水量大小，從而改變水箱液位實現(xiàn)對被控對象的階躍信號輸入。經(jīng)過一定調節(jié)時間后,水箱液位重新進入平衡狀態(tài)。 記錄階躍響應參數(shù)(間隔30s采集數(shù)據(jù)): 113253749214263850315273951416284052517294153618304254719314355820324456921334557102234465811233547591224364860由于實驗測定數(shù)據(jù)可能存在誤差，直接使用計算法求解水箱模型會使誤差增大。r39。如圖所示，利用四階多項式近似擬合上水箱的響應曲線，得到多項式的表達式：P(t)≈(009)t4+(006)++。階躍響應擾動值為10,靜態(tài)放大系數(shù)為階躍響應曲線的穩(wěn)態(tài)值與階躍擾動值之比，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。數(shù)據(jù)點與曲線基本擬合。 THJ2高級過程控制實驗裝置圖3系統(tǒng)控制方案設計與仿真控制方案設計是過程控制系統(tǒng)設計的核心，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，合理選擇被控參數(shù)，合理設計控制規(guī)律，選擇檢測、變送器和選擇執(zhí)行器?，F(xiàn)在有利用PID控制實現(xiàn)的壓力、溫度、流量、液位控制器，能實現(xiàn)PID控制功能的可編程控制器(PLC)，還有可實現(xiàn)PID控制的計算機系統(tǒng)等。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:積分時間常數(shù) TD:微分時間常數(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單的控制方式。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。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，抑制誤差的作用就應該是零。PID控制器參數(shù)整定的方法分為兩大類：一是理論計算整定法。PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應曲線法和衰減曲線法。在閉合控制系統(tǒng)中，把調節(jié)器的積分時間TI置于最大，微分時間TD置零，比例度δ置于較大數(shù)值，把系統(tǒng)投入閉環(huán)運行，將調節(jié)器的比例度δ由大到小逐漸減小，得到臨界振蕩過程，記錄下此時的臨界比例度δk和臨界振蕩周期Tk。根據(jù)以下經(jīng)驗公式計算調節(jié)器參數(shù)： 調節(jié)器參數(shù)控制規(guī)律δTITDPδS PISS PIDSSS若被控對象為一階慣性環(huán)節(jié)或具有很小的純滯后，則可根據(jù)系統(tǒng)開環(huán)廣義過程測量變送器階躍響應特性進行近似計算。為了保證系統(tǒng)足夠的穩(wěn)定程度。副回路中的調節(jié)器稱副調節(jié)器，控制副對象。在雙容水箱控制系統(tǒng)中選擇下水箱的液位為系統(tǒng)被控參數(shù)，因為下水箱的液位是整個控制作用的關鍵，要求液位維持在某給定值上下。但當電動調節(jié)閥突然斷電關斷時，后一種控制方式會造成長流水，導致水箱中水過多溢出，造成浪費或事故。主副回路時間常數(shù)之比應在3到10之間，以使副回路既能反應靈敏，又能顯著改善過程特性。 控制系統(tǒng)仿真通過MATLAB中的SIMULINK工具箱可以動態(tài)的模擬所的構造系統(tǒng)的響應曲線，以控制框圖代替了程序的編寫，只需要選擇合適仿真設備，添加傳遞函數(shù)，設置仿真參數(shù)。副控制器P參數(shù)為KP=50，在初始點加40點階躍輸入量觀察階躍響應曲線。 SIMULINK仿真框圖 MATLAB加入副回路仿真曲線 MATLAB不加入副回路仿真曲線：.，引入副回路組成雙容水箱液位串級控制系統(tǒng)后能夠很好的克服進入副回路的擾動,。1．檢測﹑變送裝置采用工業(yè)用的BP800型擴散硅壓力變送器對水箱液位變化進行測量，含不銹鋼隔離模片，同時采用信號隔離技術，對傳感器溫度漂移跟隨補償。C零點溫度系數(shù)：%/。其由QSL智能型電動執(zhí)行機構與閥門組合構成。C輸出最大負載：500Ω死區(qū)：≤177。其可以在誤差較大時運用模糊算法進行調節(jié)，以消除PID積分飽和現(xiàn)象；當誤差趨小時，采用改進后的PID算法調節(jié)，調節(jié)優(yōu)化效果。壓力變送器測定的下水箱液位值（電壓反饋信號）送到主調節(jié)器(智能調節(jié)儀1)輸入端。(2)ADDR：通訊地址 用于定義儀表地址，有效范圍是0~100。(4)diL：輸入下限顯示值 用于定義線性輸入信號下限刻度值。(6)SV：下水箱液位給定值，根據(jù)需要設置。 3．計算機與儀表通訊設置通過在AI808型儀表的內部安裝RS485通訊接口模塊，可利用計算機實現(xiàn)對儀表的監(jiān)控和操作。返 回 值：數(shù)值型。DevOp取值范圍及相應含義：1：啟動設備開始工作。5：改變設備的工作周期，CmdStr中包含新的工作周期，單位為ms。主副回路的工作頻率和操作周期相差較大，其動態(tài)聯(lián)系很小可忽略不計。采用兩步整定法整定調節(jié)儀表PID參數(shù)：（1）在工況穩(wěn)定﹑主回路閉合，主副調節(jié)器都在純比例作用的條件下，主調節(jié)器的比例度置于100%，用單回路控制系統(tǒng)的阻尼振蕩法整定，求取副調節(jié)器比例度和操作周期。 主副調節(jié)器參數(shù)整定結果如下：主調節(jié)器比例系數(shù)P=20，積分時間I=80，微分時間D=10；副調節(jié)器比例系數(shù)P=40。加階躍輸入后觀察系統(tǒng)的動態(tài)性能，由曲線和響應數(shù)據(jù)得延遲時間Td=31s,峰值時間Tp=160s,調節(jié)時間Ts=300s,%()，余差為0。雖然仍然是基于“THJ2高級過程控制系統(tǒng)實驗裝置”組建，但是遠程數(shù)據(jù)采集過程控制系統(tǒng)不同于以智能儀表帶上位機監(jiān)控為主的儀表過程控制系統(tǒng)。1．信號采集為了實現(xiàn)計算機控制，需要對輸入的模擬信號進行采樣，轉換為計算機可以利用的數(shù)字信號。2．模擬量輸入通道在計算機控制系統(tǒng)中，模擬量輸入通道一般包括了I/V變換電路﹑多路轉換器﹑采樣保持器﹑A/D轉換器﹑接口﹑控制邏輯。 7017 A/D模塊圖 7024 D/A模塊圖7017 A/D轉換模塊技術指標：模擬輸入類型：mV,V,