【正文】 這里 的 為上中下三個(gè)水箱的液位。( 1) 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上電, 上位機(jī)進(jìn)入監(jiān)控畫(huà)面, 并設(shè)定調(diào)節(jié)閥FV101 具有較小的開(kāi)度。由于水箱的流入量可以調(diào)節(jié)，流出量隨液位高度的變化而變化，所以只需建立流入量與液位高度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系就可以建立該水箱對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。在過(guò)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中, 主要的依據(jù)就是被控制對(duì)象的特性。下面求其反饋增益矩陣K， p=[1 2]p = 1 2 K=acker(A,B,p)K = 0即狀態(tài)反饋矩陣K=[ 0],配置完畢。在Matlab命令窗口中輸入： Q=eye(2)Q = 1 0 0 1 X=lyap(A,Q)X = 顯然，故X正定，可判定系統(tǒng)為漸進(jìn)穩(wěn)定。線(xiàn)性定常系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析歸結(jié)為求解李雅普洛夫方程。首先能控性判斷，繼續(xù)上面的Matlab中輸入的系統(tǒng)模型，可繼續(xù)輸入下列代碼，利用秩判據(jù)得到系統(tǒng)的能控性。 [num1,den1]=ss2tf(A,B,C1,D)。0]。圖51 雙容水箱實(shí)際模型 如圖1所示，其中分別為水箱的底面積，為水流量，為閥門(mén)3的阻力，稱(chēng)為液阻或流阻，經(jīng)線(xiàn)性化處理，有： （51）則根據(jù)物料平衡對(duì)水箱1有： （52） （53）對(duì)水箱2有： （54） （55）定義輸入為，輸出為、則系統(tǒng)的狀態(tài)方程為： （55） （57）在參考各種資料和數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，可設(shè)定該雙容水箱的參數(shù)，則系統(tǒng)的狀態(tài)方程可具體化為： （58） （59） 運(yùn)動(dòng)分析為了更好的利用Matlab分析，我們可將系統(tǒng)的狀態(tài)方程的輸出分解為： （510） （511）在Matlab中輸入下列指令，可得到系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。G=feedback(G0*Gc,1)。 hold on。Gc=tf(kp*[Ti*Td,Ti,1]/Ti,[1,0])。kp=。step(G,t)。t=0::20。圖411 PI控制振蕩曲線(xiàn)然后令kp=,，Ti=，Td=；得到PID調(diào)節(jié)，其代碼為：clear allG0=tf(523500,[1 10470 0])。G=feedback(G0*Gc,1)。Ti=[]。grid on。P=[]。step(G)。具體方法如下：圖46 衰減振蕩圖具體方法如下：采用臨界比例度法整定PID控制器參數(shù) 在閉環(huán)控制系統(tǒng)里，首先將控制器置于純比例作用下，從小到大逐漸增大控制器的比例增益Kp，直到出現(xiàn)等幅振蕩曲線(xiàn)為止，如圖：圖47 尋找等幅振蕩圖 程序代碼如下：G0=tf(523500,[1 10470 0])。三容水箱的擾動(dòng)作用主要體現(xiàn)在水箱三，整個(gè)系統(tǒng)的擾動(dòng)作用在外環(huán)。而且，在確定kp、T1和TD這三個(gè)參數(shù)時(shí)，如果不采用其他相關(guān)輔助技術(shù)，一般只能采用試湊法，需要不斷地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，直到湊出最優(yōu)參數(shù)，既浪費(fèi)資源又浪費(fèi)時(shí)間。(2)當(dāng)誤差|e|在中等大小時(shí)，為保證系統(tǒng)的相應(yīng)速度并控制超調(diào)，kp應(yīng)減小，T1值應(yīng)增大，TD應(yīng)適中。微分作用過(guò)強(qiáng)，可能引起系統(tǒng)的振蕩。(2)積分環(huán)節(jié)T1:主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度。 PID控制，就是一種將偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)通過(guò)線(xiàn)性組合構(gòu)成控制量對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制的方法，所以稱(chēng)為PID控制。9) 退出程序。 5) 選擇菜單項(xiàng)“操作開(kāi)始試驗(yàn)”，開(kāi)始實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)開(kāi)始對(duì)AD/DA 的操作。 三容水箱的操作步驟1) 向水箱中注入清潔水。2) I/O 接口板。并調(diào)用ReportSetHistData2函數(shù)，在運(yùn)行環(huán)境時(shí)通過(guò)選擇記錄的變量，可以查閱被選的變量的各個(gè)時(shí)刻的值，實(shí)現(xiàn)報(bào)表功能。趨勢(shì)曲線(xiàn)有實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線(xiàn)和歷史趨勢(shì)曲線(xiàn)兩種。在縮放連接中，設(shè)置最小時(shí)為0。 這里，共有16個(gè)變量：set，opl，大水箱液位pvl，大水箱液位svl，svl,op2，k，ti，td，ei，mx，q0，ql，q2，pvx，a。這樣一個(gè)畫(huà)面就完成了。在畫(huà)面設(shè)置中，設(shè)置左邊為5，頂邊為5，寬度為1014，高度為688。 連接，數(shù)據(jù)和圖形畫(huà)面中圖素的連接關(guān)系是什么?也就是畫(huà)面上的圖素以怎樣的動(dòng)畫(huà)來(lái)模擬現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行，以及怎樣操作者輸入控制設(shè)備的指令。(1)設(shè)計(jì)圖形界面；(2)定義設(shè)備；(3)構(gòu)造數(shù)據(jù)庫(kù)；(4)建立動(dòng)畫(huà)連接；(5)運(yùn)行和調(diào)試。本裝置還可根據(jù)用戶(hù)的需要設(shè)計(jì)構(gòu)成DDC、DCS、PLC等各種控制系統(tǒng)。 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)備概述本系統(tǒng)用來(lái)對(duì)水箱運(yùn)行系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)并具有自動(dòng)控制的功能，硬件部分為T(mén)HJ2型儀表過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置。 TOUCHMAK是應(yīng)用工程的開(kāi)發(fā)環(huán)境，需要在這個(gè)環(huán)境中完成畫(huà)面設(shè)計(jì)、動(dòng)畫(huà)連接等工作。工程管理器內(nèi)嵌畫(huà)面管理系統(tǒng)，用于新工程的創(chuàng)建和已有工程的管理。這樣就避免了操作人員到現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)視，既減少了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，又可以避免意外事故的發(fā)生，同時(shí)可進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和網(wǎng)絡(luò)控制。因此，本文選用了組態(tài)王6．5軟件設(shè)計(jì)了水箱液位檢測(cè)和控制系統(tǒng)。這些軟件的研制時(shí)間比較早，功能強(qiáng)大，但價(jià)格昂貴。 組態(tài)王軟件包由工程管理器ProjManager，工程瀏覽器TouchExplorer，畫(huà)面開(kāi)發(fā)系統(tǒng)Touchmak(內(nèi)嵌于工程瀏覽器)和運(yùn)行系統(tǒng)TouchVew四部分組成，具有動(dòng)畫(huà)連接、實(shí)時(shí)控制、實(shí)時(shí)曲線(xiàn)與歷史曲線(xiàn)、報(bào)警功能、報(bào)表等功能。(4) 應(yīng)用PLC和組態(tài)軟件完成三容水箱液位控制實(shí)驗(yàn)。使用組態(tài)軟件能夠避開(kāi)復(fù)雜的計(jì)算機(jī)軟、硬件問(wèn)題，集中精力去解決工程問(wèn)題本身，根據(jù)工程作業(yè)的需要和特點(diǎn)，組態(tài)配置出高性能，高可靠性和高度專(zhuān)業(yè)化的工業(yè)控制監(jiān)控系統(tǒng)。一是開(kāi)發(fā)人員用VB，VC++等語(yǔ)言編寫(xiě)復(fù)雜的程序從底層開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，通用性差；二是用工控組態(tài)軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)。上位監(jiān)控部分由三維力控組態(tài)軟件設(shè)計(jì)構(gòu)成，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)工作的實(shí)時(shí)監(jiān)控并顯示速度曲線(xiàn)。本文利用組態(tài)王軟件對(duì)水箱液位實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)及測(cè)試，具體介紹了該系統(tǒng)的組成、上位機(jī)界面的設(shè)計(jì)和測(cè)試的結(jié)果。工業(yè)上許多被控對(duì)象的整體或局部都可以抽象成三容水箱的數(shù)學(xué)模型，具有很強(qiáng)的代表性和工業(yè)背景，研究三容水箱的建模及控制具有重要的理論意義及實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。采取采用臨界比例度法整定PID控制器參數(shù)。目前，主要有兩種方法。組態(tài)軟件功能強(qiáng)大，操作簡(jiǎn)單，易學(xué)易用，普通工程人員經(jīng)過(guò)短時(shí)間的培訓(xùn)就能迅速掌握多數(shù)工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和運(yùn)行操作。(3) 充分理解PID控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成和工作原理。現(xiàn)已應(yīng)用于化工、電力、郵電、通迅、環(huán)保、水處理，冶金和食品等行業(yè)。 國(guó)內(nèi)外有很多工控組態(tài)軟件可以供用戶(hù)選擇，國(guó)外的有美國(guó)Intellution公司的FIX系列產(chǎn)品，澳洲兩雅特公司的CITET。目前運(yùn)行在九千例控制工程項(xiàng)目中，在電力，化工、交通、機(jī)械，過(guò)程控制等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。監(jiān)控和記錄各種報(bào)警信息，繪制歷史曲線(xiàn)和實(shí)時(shí)曲線(xiàn)反映液位的情況，打印報(bào)表和檢索數(shù)據(jù)庫(kù)等。在工程瀏覽器中可以查看工程的各個(gè)組成部分，也可以完成數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)造，定義外部設(shè)備等工作。信息窗口是一個(gè)獨(dú)立的Windows應(yīng)用程序，用來(lái)記錄、顯示組態(tài)王開(kāi)發(fā)和運(yùn)行系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)信息。PROJMANAGER具有很強(qiáng)的管理功能，可用于新工程的創(chuàng)建及刪除，并能對(duì)已有工程進(jìn)行搜索、備份及有效恢復(fù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)詞典的導(dǎo)入和導(dǎo)出。系統(tǒng)包括流量、溫度、液位，壓力等熱工參數(shù)，可同其它控制系統(tǒng)一起來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)、單回路控制、串級(jí)控制、前饋控制、比值控制、多變量解耦等各種控制系統(tǒng)。 利用組態(tài)王軟件建立應(yīng)用程序的一般過(guò)程如下。 數(shù)據(jù)，怎樣用數(shù)據(jù)來(lái)描述工控對(duì)象的各種屬性也就是創(chuàng)建一個(gè)具體的數(shù)據(jù)庫(kù)，此數(shù)據(jù)庫(kù)中的變量反映了工控對(duì)象的各種屬性，比如液位等。在工程瀏覽器中，雙擊畫(huà)面中的新建，則彈出新畫(huà)面對(duì)話(huà)框，在畫(huà)面名稱(chēng)中輸入“大水箱液位控制實(shí)驗(yàn)”。應(yīng)用組態(tài)王開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的工具箱和圖庫(kù)，繪制組態(tài)控制畫(huà)面內(nèi)的各個(gè)元器件。 在數(shù)據(jù)庫(kù)中存放的是變量的當(dāng)前值，變量包括系統(tǒng)變量和用戶(hù)定義的變量，變量的集合形象的稱(chēng)為“數(shù)據(jù)詞典”，數(shù)據(jù)詞典記錄了所有用戶(hù)可使用的數(shù)據(jù)變量的詳細(xì)信息。在表示液位的長(zhǎng)方形中建立縮放和隱含連接。組態(tài)王對(duì)其提供了強(qiáng)有力的支持和簡(jiǎn)單的控制方法。建立大水箱液位控制實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)瀏覽畫(huà)面，繪制出報(bào)表。5) 三容水柱電控箱內(nèi)安裝有如下主要部件：1) 電磁閥控制器。：1）與IBM PC/AT機(jī)兼容的PC機(jī)帶PCI插槽PCI2006 數(shù)據(jù)采集卡及其驅(qū)動(dòng)程序；2) 演示實(shí)驗(yàn)軟件。4) 初始時(shí)，出現(xiàn)系統(tǒng)配置的界面，可以在界面上配置水箱的AD/DA 通道等。8) 選擇菜單項(xiàng)“操作停止實(shí)驗(yàn)”，結(jié)束實(shí)驗(yàn)。PID控制器簡(jiǎn)單易懂，使用中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件，因而成為應(yīng)用最為廣泛的控制器。比例系數(shù)的作用是加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，比例系數(shù)越大，系統(tǒng)響應(yīng)速度越快，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高，但容易產(chǎn)生超調(diào)，甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定，比例系數(shù)過(guò)小，會(huì)降低系統(tǒng)調(diào)節(jié)精度，系統(tǒng)響應(yīng)速度變慢，調(diào)節(jié)時(shí)間變長(zhǎng)，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)、靜態(tài)特性變壞。(3)微分環(huán)節(jié)TD:反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)(變化速率)，并能在偏差信號(hào)變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。以典型二階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線(xiàn)和誤差曲線(xiàn)為例進(jìn)行分析如下:圖42 典型二階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線(xiàn)圖43 典型二階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)誤差曲線(xiàn)從誤差曲線(xiàn)可以看出:(1)當(dāng)誤差|e|較大時(shí)，說(shuō)明誤差的絕對(duì)值較大，不論誤差的變化趨勢(shì)如何，都應(yīng)該考慮控制器的kp取較大值，以提高響應(yīng)的快速性；而為防止因?yàn)閨ec|瞬時(shí)過(guò)大，TD應(yīng)該取較小的值；為控制超調(diào)T1也應(yīng)該取值很小