【正文】 分由三維力控組態(tài)軟件設(shè)計(jì)構(gòu)成 ， 可以實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)工作的實(shí)時(shí)監(jiān)控并顯示速度曲線。本文 利用組態(tài)王軟件對水箱液位實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)及測試，具體介紹了該系統(tǒng)的組成、上位機(jī)界面的設(shè)計(jì)和測試的結(jié)果。 工業(yè)上許多被控對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，操作簡單，易學(xué)易用，普通工程人員經(jīng)過短時(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?，F(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)。 國內(nèi)外有很多工控組態(tài)軟件可以供用戶選擇，國外的有美國 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 ， 繪制歷史曲線和實(shí)時(shí)曲線反映液位的情況 ， 打印報(bào)表和檢索數(shù)據(jù)庫等。組態(tài)王 (TouchExplorer)、工程管理器 (ProjManager)和畫面運(yùn)行系統(tǒng) (TouchVew)三部分組成。 工程瀏覽器和畫面運(yùn)行系統(tǒng)是各自獨(dú)立的 Windows應(yīng)用程序，均可單獨(dú)使用；兩安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 第 3 頁 者又相互獨(dú)立，在工程瀏覽器的畫面開發(fā)系統(tǒng)中設(shè)計(jì)開發(fā)的畫面應(yīng)用程序必須在畫面運(yùn)行系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境中才可能運(yùn)行。 PROJMANAGER是應(yīng)用程序的管理系統(tǒng)。 THJ2型高級過程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置是基于工業(yè)過程物理模擬對象，它集自動(dòng)化儀表技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)為一體的多功能實(shí)驗(yàn)裝置。 “THJ一 2型高級過程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置 ”集多參數(shù)閉環(huán)控制為一體，由過程控制對象、智能儀表模塊、執(zhí)行器模塊、信號檢測模塊等組成，各個(gè)模塊間可以靈活組合，融合了工業(yè)上的主要控制手段，涉及了溫度、壓力、流量和液位等重要的過程控制參數(shù)。圖形，用戶希望怎樣的圖形畫面 ?也就是怎樣用抽象的圖形畫面來模擬實(shí)際的工業(yè)現(xiàn)場和相應(yīng)的工控設(shè)備。其制作過程不一一介紹，這里僅介紹大水箱液位控制實(shí)驗(yàn)控制界面的制作過程。點(diǎn)擊調(diào)色板中的 “窗口色 ”按鈕，設(shè)置窗口顏色為暗藍(lán)色。在組態(tài)王運(yùn)行時(shí)，工業(yè)現(xiàn)場的生產(chǎn)狀況要以動(dòng)畫的形式反映在屏幕上，同時(shí)工程人員在計(jì)算機(jī)前發(fā)布的指令也要迅速送達(dá)生產(chǎn)現(xiàn)場，這一切都是以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫為中介環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)庫是聯(lián)系上位機(jī)和下位機(jī)的橋梁。 動(dòng)畫連接 定義動(dòng)畫連接是指在畫面的圖形對象與數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)變量之間建立一種關(guān)系，當(dāng)變量的值改變時(shí)，通過 I／ O接 1:1，在畫面上以圖形對象的動(dòng)畫效果表示出來。 安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 第 5 頁 系統(tǒng)趨勢曲線 趨勢分析是控制軟件必不可少的功能。本系統(tǒng)顯示大水箱液位 pvl變量和大水箱液位SVl變量兩條曲線。 圖 21 三容水箱硬件關(guān)系圖 主要由以下幾個(gè)部分組成： 1) 水箱底座 ； 2) 循環(huán)泵 ； 3) 比例電磁閥 ； 4) 液位傳感器 。 4) 開關(guān)、指示燈等電氣元件 。 3) 進(jìn)入演示和實(shí)驗(yàn)軟件的安裝目錄，運(yùn)行 Exe 目錄下的 。 7) 選擇菜單項(xiàng) “操作 停止控制 ”，結(jié)束控制過程。 第 4 章 PID 控制的理論基礎(chǔ) PID 控制原理 PID 控制器作為一種在生產(chǎn)過程中普遍采用的控制方法，已有 50 多年歷史，現(xiàn)在仍然是應(yīng)用最廣泛的工業(yè)控制器。 PID 控制的原理如下圖所示 : 安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 第 8 頁 圖 41 PID 控制原理 PID 控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值 R(t)與實(shí)際輸出值 C(t)構(gòu)成控制偏差 : ( ) ( ) ( )e t R t C t?? （ 41） PID 控制規(guī)律為： ()1( ) ( ( ) ( ) )DPIT d e tu t k e t e t d tT d t? ? ?? （ 42） 寫成傳遞函數(shù)的形式： ( ) 1( ) (1 )() PDIUsG s k T sE s T s? ? ? ? （ 43） PID 控制器各個(gè)校正環(huán)節(jié)的作用如下 : (l)比例環(huán)節(jié) kp:成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號 e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減小偏差。積分作用過強(qiáng)，可能引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。一般來說，不同的偏差 e 和偏差變化率 ec對 PID 控制器的參數(shù) kp、 T1和 TD 有不同的要求。 雖然 PID 控制器有簡單易懂、使用中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件的優(yōu)點(diǎn)，但它在控制非線性、時(shí)變、藕合及參數(shù)和結(jié)構(gòu)不確定的復(fù)雜過程時(shí)，控制效果并不是太好。擾動(dòng)作用在內(nèi)環(huán)，則雙環(huán)系統(tǒng)好于單環(huán)。 如果三容水箱采用單閉環(huán)控制，其系統(tǒng)框架圖如下： 圖 45 單閉環(huán)控制系統(tǒng)框架圖 我們的系統(tǒng)采用單閉環(huán)控制， PID 的參數(shù) 整定用了兩種方法： ；（ 4:1 衰減比）。 hold on。 axis([0 0 2])。 for i=1:length(P) G=feedback(P(i)*G0,1)。 end 圖 410 純比例控制振蕩曲線 然后令 kp=,Ti=,然后得到 PI 調(diào)節(jié)，其代碼為： clear all G0=tf(523500,[1 10470 0])。 hold on。 grid on。Ti=。 for i=1:length(Td) Gc=tf(kp*[Ti*Td(i),Ti,1],[Ti,0])。 end axis([0 0 ])。Ti=。 step(G)。 dd=conv([Ti,0],[Td/N(i),1])。grid on。1 1]。 安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 第 18 頁 C2=[0 1]。 G1=tf(num1,den1) Transfer function: 2 s + 2 s^2 + 2 s + 1 G2=tf(num2,den2) Transfer function: 2 s^2 + 2 s + 1 由上述代碼可知，系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為： 1 2 2s + 2G= s + 2s + 1 （ 512） 1 2 2s + 2G= s + 2s + 1 （ 513） 輸入下列指令可得到系統(tǒng)的階躍響應(yīng)： step(G1) 得到輸出 1y 響應(yīng)曲線如圖 52 所示， 安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 第 19 頁 圖 52 1y 響應(yīng)曲線 step(G2) 得到輸出 2y 響應(yīng)曲線如圖 53 所示： 安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 第 20 頁 圖 53 2y 響應(yīng)曲線 當(dāng)然，我們也也可以搭建下列 simulink 模型，如圖 4，達(dá)到仿真的目的，其仿真結(jié)果與上面相同。 下面利用秩判據(jù)判斷系統(tǒng)的能觀 性： Qo1=obsv(A,C1) Qo1 = 1 0 1 0 Qo2=obsv(A,C2) Qo2 = 0 1 1 1 rank(Qo1) ans = 1 rank(Qo2) ans = 2 由上述結(jié)果可知，輸出 1y 是不可觀的，而輸出 2y 是可觀的。下面給出具體計(jì)算過程： 安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 第 22 頁 由于 1 0A = = 1 01 1 ?唯一平衡狀態(tài)。 對于上面我們所構(gòu)建的系統(tǒng)模型，首先我們知道它是可控的，所以選擇反饋矩陣 K，引入狀態(tài)反饋后，系統(tǒng)的閉環(huán)極點(diǎn)可任意配置。這種變化在時(shí)域或頻域上可用微分方程或傳遞函數(shù)進(jìn)行描述 , 稱為被控對象的數(shù)學(xué)模型。 [ 圖 61 三容水箱的數(shù)學(xué)模型 三容水箱是液位控制系統(tǒng)中的被控對象，若流入量和流出量相同，水箱的液位不變，平衡后當(dāng)流入側(cè)閥門開大時(shí)，流入量大于流出量導(dǎo)致液位上升。 被控量為下水箱水位 h3。 ( 3) 觀察監(jiān)控畫面 , 一段時(shí)間后水位在比較低時(shí)達(dá)到平衡狀態(tài) 。11( ) /ih Q Q A?? （ 64） 水槽 2： 39。 對上面的公式經(jīng)過一系列的微分和積分計(jì)算和整理后得到一個(gè)復(fù)雜的三階微分方程得： 39。 39。由于水箱液位變化較為緩慢 , 并行為了簡化問題 , 可以用 a、 b 兩個(gè)平衡點(diǎn)間的直線代替原曲線上的一段曲線 , 進(jìn)行線性化處理。由上式可知，只要確定了三個(gè)水箱的水阻，這個(gè)三階微分方程的參數(shù)就定下來了，進(jìn)而可以確定三容水箱系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。然后突然加大調(diào)節(jié)閥上所加的定值電流 , 使得開度變?yōu)?70%。39。 39。通過仿真軟件設(shè)置不同的 Kp、 Ki、 Kd 參數(shù)值進(jìn)行仿真。 圖中 , 延遲時(shí)間 td 約為 300s。 超調(diào)量約為 20%。 (2)積分作用系數(shù) Ki 的作用是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。但 Kd過大 , 會(huì)使響應(yīng)過程提前制動(dòng) , 從而延長調(diào)節(jié)時(shí)間 ,而且會(huì)降低系統(tǒng)的抗干擾性能。這類故障，只要不引起系統(tǒng)部件的損壞，一旦環(huán)境條件恢復(fù)正常，系統(tǒng)也隨之恢復(fù)正常。 如果能限制偶發(fā)性故障的發(fā)生條件，如果能使 PLC 在惡劣環(huán)境中不受影響或能把影響的后果限制在最小范圍，使 PLC 在惡劣條件消失后自動(dòng)恢復(fù)正常，這 樣就能提高平均故障間隔時(shí)間；如果能在 PLC 上增加一些診斷措施和適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)手段，在永久性故障出現(xiàn)時(shí)，能很快查出故障發(fā)生點(diǎn)，并將故障限制在局部，就能降低 PLC的平均修復(fù)時(shí)間。 （ 2）濾波 ——對供電系統(tǒng)及輸入線路采用多種形式的濾波，如 LC 或 π型濾波網(wǎng)絡(luò)，以消除或抑制高頻干擾，也削弱了各種模塊之間的相互影響。一旦查出某一模塊出現(xiàn)故障，能迅速更換，使系統(tǒng)恢復(fù)正常工作；同時(shí)也有助于加快查找故障原因。 （ 2）信息保護(hù)與恢復(fù) ——當(dāng)偶發(fā)性故障條件出現(xiàn)時(shí)，不破壞 PLC 內(nèi)部的信息。 （ 4）加強(qiáng)對程序的檢查和校驗(yàn) ——一旦程序有錯(cuò)，立即報(bào)警，并停止執(zhí)行。一般，平均故障間隔時(shí)間可達(dá)幾十萬～上千萬小時(shí)；制成系統(tǒng)亦 可達(dá) 4~5 萬小時(shí)甚至更長時(shí)間。 ，適應(yīng)面廣 現(xiàn)代 PLC 不僅有邏輯運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)、順序控制等功能，還具有數(shù)字和模擬量的輸入輸出、功率驅(qū)動(dòng)、通信、人機(jī)對話、自檢、記錄顯示等功能。梯形圖語言的編程元件的符號和表達(dá)方式與繼電器控制電路原理圖相當(dāng)接近。與直接執(zhí)行匯編語言編寫的用戶程序相比，執(zhí)行梯形圖程序的時(shí)間要長一些，但對于大多數(shù)機(jī)電控制設(shè)備來說，是微不足道的，完全可以滿足控制要求。 、重量輕、功耗低、維護(hù)方便 PLC 是將微 電子技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備的產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)緊湊，堅(jiān)固，體積小，重量輕，功耗低。 PLC 工作原理 最初研制生產(chǎn)的 PLC 主要用 于代替?zhèn)鹘y(tǒng)的由繼電器接觸器構(gòu)成的控制裝置，但這兩者的運(yùn)行方式是不相同的