【正文】 論的算法一旦應(yīng)用于現(xiàn)場就會(huì)遇到各種各樣的實(shí)際問題，制約了其應(yīng)用前景。然而，當(dāng)前的學(xué)術(shù)研究成果與實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用技術(shù)水 平并不是同步的，甚至相差幾十年 。 通過系統(tǒng)調(diào)試得出了液位串級(jí)控制系統(tǒng)要比單回路控制效果好 ，表現(xiàn)在調(diào)節(jié)時(shí)間短，超調(diào)小，靜差小等方面。首先確定了中下水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)和主管流量下水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)兩種控制方案。 液位串級(jí)控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)總說明 在工業(yè)實(shí)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。上位機(jī)采用 MCGS 組態(tài)軟件，用 STEP7軟件進(jìn)行編程，下位機(jī)采用西門子 S7200PLC。接著對(duì)中水箱、下水箱、中下水箱、主管流量用階躍響應(yīng)曲線法進(jìn)行了建模與辨識(shí)，根據(jù)響應(yīng)曲線法中的 PID 整定公式進(jìn)行了調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定，完成了下水箱、中下水箱和主管流量單回路 PID 控制，最終本著先副后主的串級(jí)整定方法對(duì)中下水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)和主管流量下水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)的主調(diào)節(jié)器參數(shù)進(jìn)行了整定，完成了算法對(duì)比研究。每一個(gè)先進(jìn)實(shí)用的控制算法的出現(xiàn)都對(duì)工業(yè)生產(chǎn)具有巨大的推動(dòng)作用。其原因固然是多方面的 。過程控制技術(shù)是自動(dòng)化技術(shù)的重要組成部分，普遍運(yùn)用于石油，化工，電力，冶金，輕工，紡織，建材等工業(yè)部門。同時(shí)新型的分布式控制系統(tǒng)（ DCS）集計(jì)算機(jī)技 第 2 頁 術(shù)、控制技術(shù)、通訊技術(shù)、故障診 斷技術(shù)和圖形顯示技術(shù)為一體，使工業(yè)自動(dòng)化進(jìn)入控制管理一體化的新模式。因此繼續(xù)采用常規(guī)的調(diào)節(jié)儀表（模擬式與數(shù)字式）已經(jīng)不能滿足對(duì)現(xiàn)代 化過程工業(yè)的控制要求。當(dāng)計(jì)算機(jī)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(jìn)行運(yùn)算，計(jì)算結(jié)果再經(jīng) D/A 轉(zhuǎn)換器，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而完成對(duì)系統(tǒng)的控制作用。也正是受其高價(jià)格的限制，目前，國內(nèi)只是少數(shù)高校的部分實(shí)驗(yàn)室引進(jìn)了這個(gè)設(shè)備，給基于雙容水箱系統(tǒng)的算法研究和仿真帶來了困 難。因此，當(dāng)流入 (流出 )對(duì)象的質(zhì)量或能量發(fā)生變化時(shí)，由于存在容量、慣性、阻力 ， 被控參數(shù)不可能立即產(chǎn) 生響應(yīng)，這種現(xiàn)象叫做滯后。過程的穩(wěn)定被破壞后 ， 往往具有自動(dòng)趨向平衡的能力，即被控量發(fā)生變化時(shí)，對(duì)象本身能使被控量逐漸穩(wěn)定下來，這就具有慣性環(huán)節(jié)的特性。 GWT 系列水箱液位控制實(shí)驗(yàn)裝置由固高科技有限公司協(xié)同香港城市大學(xué)聯(lián)合研制開發(fā)而成，并經(jīng)過香港城市大學(xué) 多 年的實(shí)踐檢驗(yàn)，充分證明了其教學(xué)、實(shí)驗(yàn)和研究價(jià)值。 THJS1 型雙容水箱對(duì)象系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置由浙江天煌科技實(shí)業(yè)有限公司研制開發(fā)，它的出現(xiàn)為各大專院校，科研院所從事自動(dòng)控制理論學(xué)習(xí)、研究及控制模型和算法探索的教師，科研人員及高年級(jí)本科生和研究生提供了一個(gè)具體的控制對(duì)象 。由于工業(yè)過程控制的需要，特別是在微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展以及自動(dòng)控制理論和設(shè)計(jì)方法發(fā)展的推動(dòng)下，國外液位控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，并在智能化、自適應(yīng)、參數(shù)自整定等方面取得成果，在這方面 ， 以日本、美國、德國、瑞典等國技術(shù)領(lǐng)先，都生產(chǎn)出了一批商品化的、性能優(yōu)異的液位控制器及儀器儀表，并在 各行業(yè)廣泛應(yīng)用。 MCGS 運(yùn)行環(huán)境是用戶應(yīng)用系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境，由可執(zhí)行程序 支持 ,以用戶指定的方式運(yùn)行 ,并進(jìn)行各種處理 ,完成用戶組態(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。前一部分用戶通過 MCGS 組態(tài)軟件中提供的基本圖形元素及動(dòng)畫構(gòu)件庫，在用戶窗口內(nèi)組合成各種復(fù)雜的畫面。 (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、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)工程完工綜合測試：最后測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 第 6 頁 MATLAB 環(huán)境下，用戶可以集成地進(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。 (2)MATLAB 工作環(huán)境 這是對(duì) MATLAB 提供給用戶 使用的管理功能的總稱．包括管理工作空間中的變量據(jù)輸入輸出的方式和方法，以及開發(fā)、調(diào)試、管理 M 文件的各種工具。 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)。 論文主要研究內(nèi)容 本設(shè)計(jì)以過程控制實(shí)驗(yàn)室的 TKJ2 型高級(jí)過程控制實(shí)驗(yàn)設(shè)備為平臺(tái)，設(shè)計(jì)了基于 IPCPLC 的分布式控制系統(tǒng)。然后完成了系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)，硬件主要是選型和原理圖的繪制，軟件是完成組態(tài)畫面的繪制、動(dòng)畫連接和 PLC程序的編寫。前一個(gè)調(diào)節(jié)器稱為主調(diào)節(jié)器，它所檢測和控制的變量稱主變量（主被控參數(shù)），即工藝控制指標(biāo)；后一個(gè)調(diào)節(jié)器稱為副調(diào)節(jié)器，它所檢測和控制的變量稱副變量（副被控參數(shù)），是為了穩(wěn)定 主變量而引入的輔助變量。二次擾動(dòng)作用在副被控過程上的，即包括在副回路范圍內(nèi)的擾動(dòng)。這里主要解決串級(jí)控制系統(tǒng)中兩個(gè)回路的協(xié)調(diào)工作問題。 第 9 頁 將更多的擾動(dòng)包括在副回路中。 在這里要注意 (2)和 (3)存在明顯的矛盾，將更多的擾動(dòng)包括在副回路中有可能導(dǎo)致副回路的滯后過大，這就會(huì)影響到副回路的快速控制作用的發(fā)揮，因此，在實(shí)際系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中要兼顧 (2)和 (3)的綜合。原則上，在設(shè)計(jì)中要保證主、副回路擾動(dòng)數(shù)量、時(shí)間常數(shù)之比值在 3～ 10 之間。主調(diào)節(jié)器是定值控制，副調(diào)節(jié)器是隨動(dòng)控制。 （ 3）主、副調(diào)節(jié)器正反作用方式的確定 一個(gè)過程控制系統(tǒng)正常工作必須保證采用的反饋是負(fù)反饋。先進(jìn)的 PID 控制方案和智能 PID 控制器（儀表）已經(jīng)很多，并且在工程實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用。 圖 21PID 控制基本原理圖 PID 控制器是一種線性負(fù)反饋控制器，根據(jù)給定值 r(t)與實(shí)際值 y(t)構(gòu)成控制偏差： )()()( tytrte ?? （ 21） PID 控制規(guī)律為： ])()(1)([)(0 dttdeTteTteKtU dtip??? ? （ 22） 或以傳遞函數(shù)形式表示： )11()( )()( sTsTKsE sUsG dip ???? （ 23） 式中， pK :比例系數(shù) iT :積分時(shí)間常數(shù) dT :微分時(shí)間常數(shù) PID 控制器各控制規(guī)律的作用如下： y(t) + + r(t) r (t) 比例 P 積 分 I 微分 D 被控對(duì)象 第 11 頁 （ 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(xiàng)”。比例 +積分 (PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)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(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。 PID 整定 單回路 PID 整定方法 PID 控制器參數(shù)整定的方法分為兩大類： 一是理論計(jì)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(yīng)曲線法和衰減曲線法。根據(jù)以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算調(diào)節(jié)器參數(shù)： 表 21臨界振蕩整定計(jì)算公式 調(diào)節(jié)器參數(shù) 控制規(guī)律 P iT dT P mP2 PI PID 在閉合控制系統(tǒng)中，把調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間 iT 置于最大，微分時(shí)間 dT 置零，比例度 ? 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，直至記錄曲線出現(xiàn) 4： 1 的衰減為止。 表 23反應(yīng)曲線法整定公式 第 13 頁 調(diào)節(jié)器參數(shù) 控制規(guī)律 P iT dT P 000PT? PI 00 PT? ? PID PT? 02? ? 串級(jí) 系統(tǒng) PID 整定方法 在工程實(shí)踐中，串級(jí)控制系統(tǒng)常用的整定方法有以下三種： 逐步逼近法：在主回路斷開的情況下，按照單回路的整定方法求取副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)，把副調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)置在所求的數(shù)值上，然后使主回路閉合，仍按單回路整定方法求取主調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)。整定的具體步驟為： (1) 在工況穩(wěn)定，主回路閉合，主、副調(diào)節(jié)器都在純比例作用條件下，主調(diào)節(jié)器的比例度置于 100%，然后用單回路控制系統(tǒng)的衰減（如 4： 1）曲線法來整定副回路。 (4) 按“先副后主”，“先比例后積分最后微分”的整定程序，設(shè)置主、副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，再觀察過渡過程曲線，必要時(shí)進(jìn)行適當(dāng)?shù)卣{(diào)整，直到過程的動(dòng)態(tài)品質(zhì)達(dá)到滿意為止。 (3) 改變給定值，觀察被控制量的響應(yīng)曲線。主回路中的調(diào)節(jié)器稱主調(diào)節(jié)器，控制主對(duì)象（下水箱）。副回路中的調(diào)節(jié)器稱副調(diào)節(jié)器，控制副對(duì)象（主管道）。渦輪流量計(jì)型號(hào)： LWGY10，流量范圍： 0～ ，精度：%。具有精度高、技術(shù)先進(jìn)、體積小、重量輕、推動(dòng)力大、功能強(qiáng)、控制單元與電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)一體化、可靠性高、操作方便等優(yōu)點(diǎn)， 控制信號(hào) 為 4～ 20mA DC 或 1～ 5V DC， 輸出 4～ 20mA DC 的閥位信號(hào)，使用和校正非常方便。 圖 51 水箱模型測定原理圖 被控對(duì)象參數(shù)辨識(shí) 中水箱參數(shù)辨識(shí) 按圖連接線路 ,手動(dòng)操作調(diào)節(jié)器 ,控制調(diào)節(jié)閥開度 ,使初始開度 OP1=40,等到水箱的液位處于平衡位置時(shí)。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 小二乘法原理和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)響應(yīng)曲線進(jìn)行最佳擬合后，再計(jì)算水箱模型。 y=y/20。b:o39。改變調(diào)節(jié)閥開度至 OP2=50,即對(duì)中水箱輸入階躍信號(hào) ,使其液位離開原平衡狀態(tài)。經(jīng)過一定調(diào)節(jié)時(shí)間后 ,下水箱液位重新進(jìn)入平衡狀態(tài)。 圖 510 主管流量階躍響應(yīng)曲線 M 文件如下： x=0:2:52。 P=polyfit(x,y,12)。,x,y1,39。首先設(shè)定中水箱液位為 1cm，等下水箱液位達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，再設(shè)定中水箱液位為 3cm，其響應(yīng)如下： 圖 64 內(nèi)環(huán)特性測試 在 matlab 中作出擬合曲線并用切線法計(jì)算參數(shù)如下： 第 37 頁 圖 65 內(nèi)環(huán)特性參數(shù)計(jì)算 由圖知： )0( )(,45,975 ?????? xyKssT ? 根據(jù)響應(yīng)曲線法中的 PID 整定公式，用 PI 調(diào)節(jié)器得： 00 0 ????? PTP ? m i 4 0 ????? sT i ? 故主調(diào)節(jié)器 m , ???ip TPK 分別將計(jì)算的主副調(diào)節(jié)器參數(shù)輸入，設(shè)定下水箱液位值，下水箱動(dòng)態(tài)響應(yīng)如下： 圖 66 中下水箱液位串級(jí) 1 然后增大 pK 進(jìn)行調(diào)整，減小靜差，最終 40?pK 時(shí)，得到較好的結(jié)果： 第 38 頁 圖 67 中下水箱液位串級(jí) 2 下水箱液位主管流量串級(jí) 主管流量單回路 根據(jù)響應(yīng)曲線法中的 PID 整定公式，用 PI 調(diào)節(jié)器得： 00 0 ????? PTP ? m i 0 ????? sT i ? 故 m , ???ip TPK 此時(shí)將參數(shù)輸入，改變主管流量設(shè)定值，進(jìn)行單回路整定，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)結(jié)果如下 從左到右依次是 20,15,10, ???? pppp KKKK 圖 68 主管流量單回路 最終比較下：取副調(diào)節(jié)器參數(shù)為 m ,15 ?? ip TK 下水箱液位主管流量串級(jí) 將副回路作為主回路的一個(gè)環(huán)節(jié)，按單回路反饋控制系統(tǒng)的整定方法整定主調(diào)節(jié)器的參數(shù)，