【正文】 ............................................................ 40 實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備 ............................................................................................... 40 實(shí)驗(yàn)過程 ....................................................................................................... 40 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 ............................................................................................... 42 總結(jié) .............................................................................................................................. 43 參考文獻(xiàn) ...................................................................................................................... 44 附錄 .............................................................................................................................. 46 致謝 .............................................................................................................................. 48 第一章 緒論 及意義 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)工藝中的控制問題也日趨復(fù)雜。特別地，在出入液流量較大的情況下，為了平抑液位的變化，實(shí)際生產(chǎn)中往往選用多個(gè)互相連通的蓄液容器。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。 在過程工業(yè)中，被控量通常有以下四種 ： 液位、壓力、流 量、溫度，而液位不僅是工業(yè)過程中的常見參數(shù)，且便于直接觀察，也容易測量。 本課題主要以 雙 容水箱液位過程控制實(shí)驗(yàn) 系統(tǒng)作為研究對象，介紹了其硬件構(gòu)成、系統(tǒng)建模并進(jìn)行相關(guān)控 制 方案及控制 算法的 分析、研究 。掌握串級控制系統(tǒng)的特點(diǎn)、串級控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 思想 ，掌握串級控制主、 副控制回路的選擇。 第二章 PCT試驗(yàn)裝置介紹 PCT 實(shí)驗(yàn)裝置構(gòu)成簡介 實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要由 上水箱、 中水箱、 下 水箱、儲(chǔ)水箱、溫控圓筒、加熱器、液位和壓力傳感器、壓力罐、濕度傳感器、工業(yè) PH 計(jì)、電磁流量傳感器、孔板流量傳感器、渦輪流量傳感器、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、變頻器、水泵、加溫 模塊、接線端子、電源總開關(guān)、電流指示表、比例器、 DC24V 開關(guān)電源 以及上海萬迅智能調(diào)節(jié)儀表組成的掛箱。 工作槽：是為了我們 做 實(shí)驗(yàn)而用的，工作槽中有個(gè)排水口，這排水口在做實(shí)驗(yàn)時(shí)由一個(gè)有孔有機(jī)玻璃管插上，隨著工作槽水位的上升，工作槽的排水量也會(huì)增加，這樣就可以滿足一階、二階液位實(shí)驗(yàn)的要求。本套工業(yè)自動(dòng)化儀表實(shí)驗(yàn)采用掛箱式，組裝靈活，如果從新組裝了液位傳感器（例 如改變了液位傳感器在網(wǎng)孔板上的位置或改變了所檢測的水箱），液位傳感器都要從新校正零點(diǎn)和量程。 壓力傳感器結(jié)構(gòu)原理和液位傳感器完全相同，其測量范圍為 0~100KP， 具體調(diào)試方法 與 液位傳感器調(diào)試方法 相同 。 變頻器面板圖如圖 。 ② 按變頻器上 PU 使 PU 燈亮 。 ③ 把 PCTET02面板上的內(nèi) /外控開關(guān)打到 “ 外控 ” 狀態(tài)，其變頻器就在外部控制信號下工作。速度為 ，一個(gè) RS485網(wǎng)上可掛 256 個(gè)模塊， 3000V 隔離，支持多種速率多種數(shù)據(jù)格式。精度 14Bit。 液位控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖 所示。它 易于在實(shí)驗(yàn)中操作 ， 直觀性強(qiáng)，適用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)；可以模擬多種實(shí)際應(yīng)用故障。 液位控制 實(shí)驗(yàn) 裝置是過程控制 中 最常用的實(shí)驗(yàn)裝置，可在此裝置上探討、研究、開發(fā)各種新型控制算法，學(xué)習(xí)各種不同的控制方案，通過調(diào)試不同控制方案下的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，使我們能更清楚地了解工業(yè)過程控制中系統(tǒng)的投運(yùn)和整定方法。 被控對象的數(shù)學(xué)模型，是反映被控過程的輸出量與輸入量關(guān)系的數(shù)學(xué)描述。但從系統(tǒng)角度來看，無論是控制輸人還是擾動(dòng)，都屬于輸入量，因?yàn)樗鼈兌紩?huì)影響輸出的變化。閉環(huán)控制本身具有一定的魯棒性，模型本身的誤差可視為干擾，而閉環(huán)控制在某種程度上具有自動(dòng)消除干擾的能力。測試法一般只用于建立輸入輸出模型。主要干擾源為隨機(jī)流入水箱中的水使水位上漲，超過警戒水位 ； 同時(shí)出于某種考慮，不能使水位低于某個(gè)值。計(jì)算機(jī) 的輸出量用于控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度。 液位控制系統(tǒng)的 模型 分 析 在此利用解析法對雙容水箱進(jìn)行建模。 由 式 (22)和式 (24)消去 3q? 得： 223232 hqRdthdRC ????? 式 (27) 將其轉(zhuǎn)換為傳遞函數(shù)形式得： 11)( )()( 2 332 3222 ????? sT RsRC RsQ sHsG 式 (28) 由式 (26)和 式 (28)得： 111)()()( )()( )()( 2 31212212 ???????? sT RsTsGsGsQ sHsQ sQsG 式 (29) 由于被控對象含有延遲特性 ，所以雙容水箱的模型最終可用 一個(gè)二階慣性加純滯后環(huán)節(jié)來描述，即 ： 12() ( 1)( 1)sKeGsT s T s????? 式 (210) 雙容水箱液位控制系統(tǒng) 方案設(shè)計(jì) 首先要確定整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)化水平，然后才能進(jìn)行各個(gè)具體控制系統(tǒng)方案的討論確定。 的選定 從 上面的 模型可知，該系統(tǒng)是一個(gè)有時(shí)間延遲的 二階系統(tǒng)，自身不穩(wěn)定 。 而且由于該串聯(lián)式雙容 液位過程兩貯槽串 聯(lián)而存在容量滯后，這些因素致使單回路控制方案難以實(shí)施。這種由兩個(gè)調(diào)節(jié)器串接在一起控制一個(gè)調(diào)節(jié)閥的系統(tǒng) 就 叫做串級控制系統(tǒng)。 、副參數(shù)和主、副回路的選擇 串級控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是 主、 副參數(shù)的選擇和 主、 副回路的設(shè)計(jì)以及主、副回路關(guān)系的考慮 。否則應(yīng)選用一個(gè)與產(chǎn)品質(zhì)量有單值函數(shù)關(guān)系的參數(shù)作為主參數(shù)。 在副回路設(shè)計(jì)時(shí)，要充分發(fā)揮這一特點(diǎn)，把生產(chǎn)過程中的主要擾動(dòng) (并可能多的把其它一些擾動(dòng) )包括在副回路中，以盡量減少對主參數(shù)的影 響，提高主參數(shù)的控制質(zhì)量 。 2． 控制規(guī)律的選擇 調(diào)節(jié)器控制規(guī)律 通常指 比例 (P)、積分 (I)、微 分 (D)控制 規(guī)律。 以下就比例、積分、微分控制規(guī)律做簡要介紹。當(dāng)僅有 比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。 微分 (D)控制：控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。但微分作用很容易放大高頻噪聲，降低系統(tǒng)的信噪比，從而使系統(tǒng)抑制干擾的能力下降。 雖然 PID 控制規(guī)律綜合了各種控制規(guī)律的優(yōu)點(diǎn)，具有較好的控制性能，但這并不意味著它在任何情況下都是最合適的。因此，主被控變量要求無余差，副被控變量卻允許在一定范圍內(nèi)變動(dòng)。 (1)增量型 PID 算法 增量型 PID 算法中調(diào)節(jié)器輸出的是 一個(gè)變化量， 是當(dāng)前計(jì)算值和上一次計(jì)算值得差，當(dāng)控制回路穩(wěn)定即偏差為零時(shí)控制器的輸出也為零， 它一般被用于控制步進(jìn)電機(jī)。因此，在實(shí)際中較多使用該算法。 具體算法如下： )]2()1(2)([)()]1()([)1( )()1()( ??????????? ???? kekekeKkeKkekeKku kukuku dip 式 (33) 此式即為最終所選定的 PID 控制算法。 每個(gè)采樣周期計(jì)算一次，并將副調(diào)節(jié)器的輸出送 D/A 轉(zhuǎn)換器，經(jīng) D/A轉(zhuǎn)換成模擬信號驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，去控制被控對象。 液位串級控制系統(tǒng)是以實(shí)驗(yàn)室的水箱作為工業(yè)被控過程， 其基本工作過程為，當(dāng)下水箱液位發(fā)生變化時(shí)，由 液位 變送器 L2T 檢測到該信號， 并 輸出 15V 標(biāo)準(zhǔn)電壓 信號 到主液位控制器 L2C，再和給定值 sp 作比較 ，將比較后的偏差結(jié)果輸出作為副控制器 L1C 的設(shè)定值，而副液位變送器 L1T 將 所檢測的上水箱的液位值輸出給副控制器，這樣在 L1C 中按照預(yù)定的控制規(guī)律運(yùn)算，最后輸出信號 控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度，以實(shí)現(xiàn)水箱液位的控制控制。由于不同的過程控制系統(tǒng)對控制品質(zhì)的要求有不同的側(cè)重 點(diǎn)，也有用系統(tǒng)響應(yīng)的平方誤差 積分 (ISE)、絕對誤差積分 (IAE)、時(shí)間乘以絕對誤差的積分 (ITAE)分別取極小作為指標(biāo)來整定調(diào)節(jié)器參數(shù)的。因此，理論計(jì)算整定法除了有理論指導(dǎo)意義外，工程實(shí)際中較少采用：二是工程整定方法，它主要依靠工程經(jīng)驗(yàn)，直接在過程控制系統(tǒng) 的實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行，量方法簡單、易于掌握，相當(dāng)實(shí)用，從而在工程實(shí)際中被廣泛采用。比例系數(shù)太小，又會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)作遲緩。 (3) 微分時(shí)間常數(shù) TD 微分控制也和比例控制和比例積分控制聯(lián)合使用，組成 PD 或 PID 控制。 從 PID 控制器的三個(gè)參數(shù)的作用可以看出三個(gè)參數(shù)直接影響控制效果的好壞 ， 所以要取得較好的控制效果 ， 就必須對比例、積分、微分三種控制作用進(jìn)行 調(diào)節(jié)。具體步驟如下： (1)先將調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間 TI置于最大 (TI=∞ )，微分時(shí)間 TD置零 (TD＝ 0)，比例帶 ? 置為較大的數(shù)值，使系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行。 表 采用臨界比例度法整定參數(shù) 2． 衰減曲線法 這種方法與臨界比例度法相類似，所不同的是無需出現(xiàn)等幅振蕩過程。如此反復(fù)，直到出現(xiàn)如圖 所示的衰減比為 4： 1的振蕩過程、或者如圖 10：1的 振蕩過程時(shí)，記錄下此時(shí)的 ? 值 (設(shè)為 s? )，以及 s? 的值 (如圖 中所示 )，或者 r? 值 (如圖 )。具體做法是：對 圖 所示系統(tǒng)，先使系統(tǒng)處于開環(huán)狀態(tài) ， 再在調(diào)節(jié)閥 Gv(S）的輸人端施加一個(gè)階躍信號，記錄下測量變送環(huán)節(jié) Gm（ S）的輸出響應(yīng)曲線 y(t)。 因?yàn)閮?個(gè)調(diào)節(jié)器串在一起工作，各回路之間相互聯(lián)系，相互影響。 1．兩步整定法 兩步整定法是第一步整定副回路的副調(diào)節(jié)器，第二步整定主回路的主調(diào)節(jié)器的串級系統(tǒng)整定方法。 (2) 整定主回路。 (4) 加干擾實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，觀察過程參數(shù)值，直至記錄曲線符合控制要求為止。 (4) 如果出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，只要適當(dāng)加大主、副調(diào)節(jié)器的任意一個(gè)比例帶，即可消除振蕩。 “ 監(jiān)控（ Supervisory Control） ” ，即 “ 監(jiān)視和控制 ” ，是指通過計(jì)算機(jī)信號對自動(dòng)化設(shè)備或過程進(jìn)行監(jiān)視、控制和管理。組態(tài)軟件和行業(yè)無 關(guān) ,它可以廣泛應(yīng)用于機(jī)械、鋼鐵、汽車、包裝、礦山、水泥、造紙、水處理、環(huán)保監(jiān)測、石油化工、電力、紡織、冶金、智能建筑、交通、食品、智能樓宇、實(shí)驗(yàn)室等等凡是涉及自動(dòng)化監(jiān)控的任何場合。該軟件包由工程管理器(ProjManager)、工程瀏覽器 (TouchExplorer)、畫面運(yùn)行系統(tǒng) (TouchView)三部分組 成。在 TouchExplorer 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 TouchView 運(yùn)行環(huán)境中才能運(yùn)行。 圖 雙擊工程目錄顯示區(qū)中“設(shè)備”大綱項(xiàng)下面的“ COMl” 成員名，然后在出現(xiàn)的窗口中輸入串行通信口 COMl 的通信參數(shù) (如圖 所示 )：波特率為 9600b／ s，無 校驗(yàn)， 7 位數(shù)據(jù)位。然后，再單擊“下一步”按鈕，在下一個(gè)窗口中給這個(gè)設(shè)備取一個(gè)名 “ IO 模塊 ”，單擊“下一步”按鈕，在下一個(gè)出現(xiàn)的窗口中為設(shè)備指定所連接的串口“ COM1”，單擊“下一步”按鈕，再在下一個(gè)窗口中為設(shè)備指定一個(gè)地址“ 0”，再單擊“下一步”按鈕，出現(xiàn)“通信故障恢復(fù)策略” 設(shè)定窗口，使用默認(rèn)設(shè)置即可，再單擊“下一步”按鈕，出現(xiàn)“信息總結(jié)”窗口，檢查無誤后單擊“完成”按鈕，完成設(shè)備的配置。 圖 變量定義 要在組態(tài)王中知道外部各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，以及能夠輸出相應(yīng)的控制信號，都需要建立相應(yīng)的變量。 如圖 所示。在組態(tài)王中，各 變量可根據(jù)需要隨時(shí)定義，也可以隨時(shí)進(jìn)行變量的替換以及重命名。在“畫面名稱”的編輯框中輸入“雙容水箱液位 控制系統(tǒng)”， 畫面寬度和高度分別設(shè)置為 800 和 600，單擊“確定”按鈕，則返回工程瀏覽器，并且在目錄內(nèi)容顯示區(qū)中增加 了“雙容水箱液位 控制系統(tǒng)” 的圖標(biāo)。畫面上的大多數(shù)文字均是利用“文本”工具產(chǎn)生的 。選擇完畢后，擔(dān)擊“確定”按鈕，即完成字體的修改。單擊“工具箱“中的“按鈕”工具，然 后將鼠標(biāo)移動(dòng)到畫面上的合適位置，拉出一個(gè)合適