【正文】 — +5%范圍所需的時間 設計建立的串級 控制系統(tǒng)由主副兩個控制回路組成，每一個回路又有自己的調(diào)節(jié)器和控制對象。 系統(tǒng)控制方案設計 制系統(tǒng)性能指標 (1) 靜態(tài)偏差：系統(tǒng)過渡過程終了時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)器的積分時間 TI置于最大，微分時間 TD置零，比例度δ置于較大數(shù)值反復做給定值擾動實驗，并逐漸減少比例度，直至記錄曲線出現(xiàn) 4： 1 的衰減為止。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實際運行中進行最后調(diào)整與完善。由于實驗測定的過程數(shù)學模型只能近似反映過程動態(tài)特，理論計算的參數(shù)整定值可靠性不高，還必須通過工程實際進行調(diào)整和修改。特別對于有較大慣性或滯后環(huán)節(jié)的被控對象，比例積分控制能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中動態(tài)特性。自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。但當僅有比例控制時系統(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的積分成正比關(guān)系。 PID 控制器問世至今已有近 70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、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。 而雙容水箱均有上述缺點，因此可以看出串級控制系統(tǒng)很適合應用于雙容水箱液位控制系統(tǒng)的設計 PID 控制原理 河南 城建學院本科畢業(yè)設計（論文） 系統(tǒng)控制方案設計與仿真 8 目前，隨著控制理論的發(fā)展和計算機技術(shù)的廣泛應用， PID 控制技術(shù)日趨成熟。 1) 對象的容量滯后比較大。 1) 串級控制系統(tǒng)對進入副回路的擾動具有較強的克服能力。如果控制系統(tǒng)設計欠妥，會造成生產(chǎn)中對液位控制的不合理，導致原料的浪費﹑產(chǎn)品的不合格，甚至造成生產(chǎn)事故，所以設計一個良好的液位控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中有著重要的實際意義。選擇正確的設計方案才能使先進的過程儀表和計算機系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)過程中發(fā)揮良好的作 液位串級控制系統(tǒng)介紹 在工業(yè)實際生產(chǎn)中，液位是過程控制系統(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。 河南城建學院本科畢業(yè)設計（論文） 被控對象建模 6 在 MATLAB 中繪出曲線如下： 圖 下水箱擬合曲線 注：圖中曲線為擬合曲線，圓點為原數(shù)據(jù)點。(0)= ,以此做切線交穩(wěn)態(tài)值于 A 點 ,映射在 t 軸上的 B 點的值為 T。)。所以使用 MATLAB 軟件對實驗數(shù)據(jù)進行處理，根據(jù)最小二乘法對響應曲線進行最佳擬合后，再計算水箱模型。 通過磁力驅(qū)動泵 供水，手動控制電動調(diào)節(jié)閥的開度大小 ,改變上水箱 /下水箱液位的給定量，從而對被控對象施加階躍輸入信號，記錄階躍響應曲線。 根 據(jù) 動 態(tài) 物 料 平 衡 ， Q1Q2=A(dh/dt) ； △ Q1 △ Q2=A(d △ h/dt) 在靜態(tài)時， Q1=Q2， dh/dt=0；當 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。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。上水箱和下水箱為 THJ2高級過程控制實驗裝置中上下兩個串接的有機玻璃圓筒形水箱，另有不銹鋼儲水箱負責供水與儲水。被控對象的數(shù)學模型是設計過程控制系統(tǒng)、確定控制方案、分析質(zhì)量指標、整定調(diào)節(jié)器參數(shù)等的重要依據(jù)。 ICP7000 系列采集模塊的作用是將傳感器檢測到的被控參數(shù)標準信號通過 A/D 轉(zhuǎn)換送入計算機 ， 計算機 是 將控制運算發(fā)出的控制信號通過 D/A 轉(zhuǎn)換發(fā)給執(zhí)行機構(gòu)（調(diào)節(jié)閥、變頻器）。對曲線進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)。 關(guān)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) 河南城建學院本科畢業(yè)設計（論文） II Abstract Double 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 analysis Keywords: liquid level， model PID control， indicator process control system，puter process control system 河南城建學院本科畢業(yè)設計（論文） 目錄 III 目 錄 摘 要 .............................................................. Ⅰ Abstract........................................................... Ⅱ 1 緒論 .............................................................. 1 2 被控對象建模 ...................................................... 2 水箱模型分析 ................................................ 2 階躍響應曲線法建立模型 ...................................... 3 3 系統(tǒng)控制方案設計與仿真 ............................................ 7 液位串級控制系統(tǒng)介紹 ........................................ 7 PID控制原理 ................................................. 7 系統(tǒng)控制方案設計 ........................................... 10 控制系統(tǒng)仿真 ............................................... 12 4 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 ................................ 23 5 模擬計算機過程控制系統(tǒng) ........................................... 25 計算機過程控制系統(tǒng)硬件設計 ................................. 25 MCGS軟件工程組態(tài) ........................................... 28 組態(tài)軟件調(diào)試 ............................................... 38 6 結(jié)論 ............................................................. 40 參考文獻 ........................................................... 41 致謝 ............................................................... 42 附錄 ............................................................... 43 河南城建學院本科畢業(yè)設計（論文） 緒論 1 1 緒論 雙容水箱系統(tǒng)是一種比較常見的工業(yè)現(xiàn)場液位系統(tǒng) ，在實際生產(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。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)。在本設計中充分利用自動化儀表技術(shù)，計算機技術(shù)，通訊技術(shù)和自動控制技術(shù)，以實現(xiàn)對水箱液位的串級控制。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(jié)果分析。 論文以 THJ2 高級過程控制實驗系統(tǒng)為基礎的實驗數(shù)據(jù)作為出發(fā)點，利用MATLAB 的曲線擬合的方法分別仿真出系統(tǒng)中上水箱、下水箱的輸出響應曲線。 為了能夠使雙容水箱系統(tǒng)能實現(xiàn)遠程的檢測和控制，本文又進一步的設計出計算機過程控制系統(tǒng)，利用 ICP7017 數(shù)據(jù)采集模塊實現(xiàn)模擬量輸入通道的功能 利用 ICP7024 數(shù)據(jù)采集模塊實現(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)換實現(xiàn)與計算機的通訊和控制。 河南城建學院本科畢業(yè)設計（論文） 被控對象建模 2 2 被控對象建模 在控制系統(tǒng)設計工作中，需要針對被控過程中的合適對象建立數(shù)學模型。上水箱和下水箱是系統(tǒng)的被控對象，必須通過測定和計算他們模型，來分析系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能、動態(tài)特性，為其他的設計工作提供依據(jù)。 水箱模型分析 圖 液位被控過程簡明原理圖 系統(tǒng)中上水箱和下水箱液位變化過程各是一個具有自衡能力的單容過程。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)學模型就是 h 與 Q1之間的數(shù)學表達式。 R2:閥 2的阻力 A:水箱截面積 T:液位過程的時間常數(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) Q1 Q1 1 2 Q2 A h 河南城建學院本科畢業(yè)設計（論文）