【正文】 ．儀表控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)：根據(jù)電路原理圖完成儀表控制臺(tái)的接線(xiàn)工作，實(shí)現(xiàn)儀表的串級(jí)PID負(fù)反饋控制。%公稱(chēng)直徑：20mm可調(diào)范圍：50:1公稱(chēng)壓力：防護(hù)等級(jí)：IP65行程：10mm功耗：5VA3．控制器在儀表過(guò)程控制系統(tǒng)中，使用智能調(diào)節(jié)儀表作為控制器。當(dāng)其偏差值達(dá)到零時(shí),電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。C相對(duì)濕度:小于95%電源電壓：24DC二線(xiàn)制負(fù)載電阻：≤750歐姆2．執(zhí)行機(jī)構(gòu)（1）水泵采用16CQ－8P型磁力驅(qū)動(dòng)泵,流量為32升/分,揚(yáng)程為8米,。BP800型壓力變送器技術(shù)指標(biāo)如下：被測(cè)介質(zhì):液體機(jī)械保護(hù)：IP65測(cè)量范圍：100KPa～100MPa防爆等級(jí)：IaⅡCT5輸出：4～20mA DC二線(xiàn)制關(guān)聯(lián)設(shè)備：EXZ231B安全柵準(zhǔn)確度：溫度極限:10～80。,不可能得到與計(jì)算機(jī)仿真一致的理想曲線(xiàn)和控制性能。 2．抗擾動(dòng)能力維持初始階躍信號(hào)不變，并在副回路中加入擾動(dòng)信號(hào)，觀察響應(yīng)曲線(xiàn). 在400s經(jīng)過(guò)慣性環(huán)節(jié)向副回路加入階躍值為70的擾動(dòng)信號(hào)。1. 階躍響應(yīng)性能 SIMULINK仿真框圖通過(guò)手動(dòng)切換開(kāi)關(guān)（Manual Switch）可以實(shí)現(xiàn)副回路的引入與切除，以了解副回路對(duì)控制性能的影響,比較串級(jí)控制和非串級(jí)控制對(duì)雙容水箱液位的控制能力。 (4) 控制器的選擇根據(jù)雙容水箱液位系統(tǒng)的過(guò)程特性和數(shù)學(xué)模型選擇控制器的控制規(guī)律。(3) 主副回路設(shè)計(jì)為了實(shí)現(xiàn)液位串級(jí)控制，使用雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)。(2) 控制參數(shù)的選擇從雙容水箱系統(tǒng)來(lái)看，影響液位有兩個(gè)量，一是通過(guò)上水箱流入系統(tǒng)的流量，二是經(jīng)下水箱流出系統(tǒng)的流量。當(dāng)有擾動(dòng)f1(t)作用于副對(duì)象時(shí)，副調(diào)節(jié)器能在擾動(dòng)影響主控參數(shù)之前動(dòng)作，及時(shí)克服進(jìn)入副回路的各種二次擾動(dòng)，當(dāng)擾動(dòng)f2(t)作用于主對(duì)象時(shí)，由于副回路的存在也應(yīng)使系統(tǒng)的響應(yīng)加快，使主回路控制作用加強(qiáng)。(4) 調(diào)節(jié)時(shí)間：從過(guò)渡過(guò)程開(kāi)始到被控參數(shù)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)值5%—+5%范圍所需的時(shí)間2．方案設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)建立的串級(jí)控制系統(tǒng)由主副兩個(gè)控制回路組成，每一個(gè)回路又有自己的調(diào)節(jié)器和控制對(duì)象。1．控制系統(tǒng)性能指標(biāo)(1) 靜態(tài)偏差：系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程終了時(shí)的給定值與被控參數(shù)穩(wěn)態(tài)值之差。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)值反復(fù)做給定值擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)，并逐漸減少比例度，直至記錄曲線(xiàn)出現(xiàn)4：1的衰減為止。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。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。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。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)。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。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。 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。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。)。而斜率K為P(t)在t=0的導(dǎo)數(shù)P39。 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)。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。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)?？刂七M(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)。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)。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。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。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)。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。(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。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。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)。利用MCGS軟件組建工程的過(guò)程簡(jiǎn)介：(1)工程項(xiàng)目系統(tǒng)分析：分析工程項(xiàng)目的系統(tǒng)構(gòu)成、技術(shù)要求和工藝流程，弄清系統(tǒng)的控制流程和測(cè)控對(duì)象的特征，明確監(jiān)控要求和動(dòng)畫(huà)顯示方式，分析工程中的設(shè)備采集及輸出通道與軟件中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)變量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，分清哪些變量是要求與設(shè)備連接的，哪些變量是軟件內(nèi)部用來(lái)傳遞數(shù)據(jù)及動(dòng)畫(huà)顯示的。 MCGS組態(tài)軟件介紹計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，為工業(yè)自動(dòng)化開(kāi)辟了廣闊的發(fā)展空間，用戶(hù)可以方便快捷地組建優(yōu)質(zhì)高效的監(jiān)控系統(tǒng)，并且通過(guò)采用遠(yuǎn)程監(jiān)控及診斷等先進(jìn)技術(shù)，使系統(tǒng)更加安全可靠，在這方面MCGS工控組態(tài)軟件發(fā)揮著重要的作用.MCGS (Monitor and Control Generated System) 軟件是一套幾基于Windows平臺(tái)的32位工控組態(tài)軟件，集動(dòng)畫(huà)顯示、流程控制、數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制與輸出、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸、工程報(bào)表、數(shù)據(jù)與曲線(xiàn)等諸多強(qiáng)大功能于一身，并支持國(guó)內(nèi)外眾多數(shù)據(jù)采集與輸出設(shè)備,廣泛應(yīng)用于石油、電力、化工、鋼鐵、冶金、紡織、航天、建筑、材料、制冷、通訊、水處理、環(huán)保、智能樓宇、實(shí)驗(yàn)室等多種行業(yè)。 MATLAB還具有根強(qiáng)的功能擴(kuò)展能力，與它的主系統(tǒng)一起，可以配備各種各樣的工具箱，以完成一些特定的任務(wù)。 (2)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M文件的各種工具。在MATLAB環(huán)境下，用戶(hù)可以集成地進(jìn)行程序設(shè)計(jì)、數(shù)值計(jì)算、圖形繪制、輸入輸出、文件管理等各項(xiàng)操作。以下將對(duì)它們的主要內(nèi)容進(jìn)行說(shuō)明。如果控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)欠妥，會(huì)造成生產(chǎn)中對(duì)液位控制的不合理，導(dǎo)致原料的浪費(fèi)﹑產(chǎn)品的不合格，甚至造成生產(chǎn)事故，所以設(shè)計(jì)一個(gè)良好的液位控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中有著重要的實(shí)際意義。在工業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中，液位是過(guò)程控制系統(tǒng)的重要被控量，在石油﹑化工﹑環(huán)保﹑水處理﹑冶金等行業(yè)尤為重要。I/O通道有模擬量通道和數(shù)字量通道。1．過(guò)程計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件部分：（1）由中央處理器﹑時(shí)鐘電路﹑內(nèi)存儲(chǔ)器構(gòu)成的計(jì)算機(jī)主機(jī)是組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的核心部分，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集﹑數(shù)據(jù)處理﹑邏輯判斷﹑控制量計(jì)算﹑越限報(bào)警等，通過(guò)接口電路向系統(tǒng)發(fā)出各種控制命令，指揮系統(tǒng)安全可靠的協(xié)調(diào)工作。在控制系統(tǒng)中引入計(jì)算機(jī)，可以充分利用計(jì)算機(jī)的運(yùn)算﹑邏輯判斷和記憶等功能完成多種控制任務(wù)和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制規(guī)律。2．過(guò)程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)代化過(guò)程工業(yè)向著大型化和連續(xù)化的方向發(fā)展，生產(chǎn)過(guò)程也隨之日趨復(fù)雜，而對(duì)生產(chǎn)質(zhì)量﹑經(jīng)濟(jì)效益的要求，對(duì)生產(chǎn)的安全、可靠性要求以及對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的要求卻越來(lái)越高。其后，串級(jí)控制，比值控制和前饋控制等復(fù)雜過(guò)程控制系統(tǒng)逐步應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，氣動(dòng)和電動(dòng)單元組合儀表也開(kāi)始大量采用，同時(shí)電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于過(guò)程控制領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了直接數(shù)字控制（DDC）和設(shè)定值控制（SPC）。s liquid. First, I carry out the analysis of the controlled objects39。然后，設(shè)計(jì)并組建儀表過(guò)程控制系統(tǒng)，通過(guò)智能調(diào)節(jié)儀表實(shí)現(xiàn)對(duì)液位的串級(jí)PID控制。目 錄摘 要 1Abstract: 21 概述 3 過(guò)程控制介紹 3 液位串級(jí)控制系統(tǒng)介紹 4 MATLAB軟件介紹 4 MCGS組態(tài)軟件介紹 52 被控對(duì)象建模 7 水箱模型分析 7 階躍響應(yīng)曲線(xiàn)法建立模型 73 系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)與仿真 13 PID控制原理 13 系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì) 15 控制系統(tǒng)仿真 164 建立儀表過(guò)程控制系統(tǒng) 20 過(guò)程儀表介紹 20 儀表過(guò)程控制系統(tǒng)的組建 21 儀表過(guò)程控制系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)行 245 建立計(jì)算機(jī)過(guò)程控制系統(tǒng) 26 計(jì)算機(jī)過(guò)程控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 26 MCGS軟件工程組態(tài) 28 計(jì)算機(jī)過(guò)程控制系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)行 386 結(jié)論 40謝詞 41參考文獻(xiàn) 42雙容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)摘 要： 本論文的目的是設(shè)計(jì)雙容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)。其次，根據(jù)被控對(duì)象模型和被控過(guò)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。s concatenation control system of the double capacity water tank. This design makes full use of the automatic indicator technique ﹑the puter technique﹑the munication technique and the automatic control technique in order to realize concatenation control of water tank39。初期的過(guò)程控制系統(tǒng)采用基地式儀表和部分單元組合儀表，過(guò)程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大多是單輸入，單輸出系統(tǒng)，過(guò)程控制理論是以頻率法和根軌跡法為主體的經(jīng)典控制理論，以保持被控參數(shù)溫度，液位，壓力，流量的穩(wěn)定和消除主要擾動(dòng)為控制目的過(guò)程?，F(xiàn)今工業(yè)自動(dòng)化己進(jìn)入計(jì)算機(jī)集成過(guò)程系統(tǒng)（CIPS）時(shí)代，并依托人工智能，控制理論和運(yùn)籌學(xué)相結(jié)合的智能控制技術(shù)向工廠綜合自動(dòng)化的方向發(fā)展。由于計(jì)算機(jī)具有運(yùn)算速度快﹑精度高﹑存儲(chǔ)量大﹑編程靈活以及具有很強(qiáng)的通信能力等特點(diǎn)，目前以微處理器﹑單片微處理器為核心的工業(yè)控制幾與數(shù)字調(diào)節(jié)器—過(guò)程計(jì)算機(jī)設(shè)備，正逐步取代模擬調(diào)節(jié)器，在過(guò)程控制中得到十分廣泛的作用。過(guò)程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成包括硬件和軟件（除了被控對(duì)象﹑檢測(cè)與執(zhí)行裝置外）。（4）I/O接口和I/O通道是計(jì)算機(jī)主機(jī)與外部連接的橋梁。（2）應(yīng)用程序由用戶(hù)根據(jù)要解決的控制問(wèn)題而編寫(xiě)的各種程序（如各種數(shù)據(jù)采集﹑濾波程序﹑控制量計(jì)算程序﹑生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控程序），應(yīng)用軟件的優(yōu)劣將影響到控制系統(tǒng)的功能﹑精度和效率。通過(guò)控制計(jì)算機(jī)可以不斷監(jiān)控生產(chǎn)的運(yùn)行過(guò)程，即時(shí)地監(jiān)視或控制容器液位，保證產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。 在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的過(guò)程中，將利用到MATLAB軟件和MCGS組態(tài)軟件。新的版本集中了日常數(shù)學(xué)處理中的各種功能，包括高效的數(shù)值計(jì)算、矩陣運(yùn)算、信號(hào)處理和圖形生成等功能。利用它既可以進(jìn)行小規(guī)模編程，完成算法設(shè)計(jì)和算法實(shí)驗(yàn)的基本任務(wù)，也可以進(jìn)行大規(guī)模編程，開(kāi)發(fā)復(fù)雜的應(yīng)用程序。 (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。它用結(jié)構(gòu)框圖代替程序智能化地建立和運(yùn)行仿真，適應(yīng)線(xiàn)性、非線(xiàn)性系統(tǒng)；連續(xù)、離散及混合系統(tǒng)；單任務(wù)，多任務(wù)離散事件系統(tǒng)。MCGS運(yùn)行環(huán)境是用戶(hù)應(yīng)用系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境，,以用戶(hù)指定的方式運(yùn)行,并進(jìn)行各種處理,完成用戶(hù)組態(tài)設(shè)計(jì)的目標(biāo)和功能。(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。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。(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。(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。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。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。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。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。(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。記錄階躍響應(yīng)參數(shù)(間隔30s采集數(shù)據(jù)):17131928142039152141016225111723612182