【正文】 正是任老師的督促和教誨，使我領(lǐng)悟到無(wú)論做什么事都要靜下心來(lái)，踏踏實(shí)實(shí)學(xué)習(xí)，多學(xué)多看多想，既要集眾人之所長(zhǎng)，又要有獨(dú)立的見(jiàn)解和創(chuàng)新。同時(shí)上下水箱間的輸水閥和下水箱與總出水箱輸水閥的開(kāi)度大小也會(huì)對(duì)液位的控制造成影響，應(yīng)當(dāng)考慮如何對(duì)他們進(jìn)行控制。6 結(jié)論通過(guò)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我將書(shū)本上學(xué)過(guò)的知識(shí)（自動(dòng)控制原理、過(guò)程控制原理、微機(jī)控制技術(shù)等）應(yīng)用于實(shí)際控制系統(tǒng)的組建之中，完成了儀表過(guò)程控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)過(guò)程控制系統(tǒng)的組建,實(shí)現(xiàn)了對(duì)雙容水箱液位的串級(jí)控制。位置式PID算法，通過(guò)測(cè)量位置信號(hào)的采樣反饋，與給定值相比較，調(diào)節(jié)偏差。智能采集模塊ICP7024接受計(jì)算機(jī)離散控制信號(hào)，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，其第二輸出通道的A/O1與24V開(kāi)關(guān)電源，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥信號(hào)輸入端口相串聯(lián)，從而輸出4～20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)（上下水箱液位控制信號(hào)）給電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，控制其開(kāi)度。開(kāi)關(guān)型數(shù)據(jù)對(duì)象記錄開(kāi)關(guān)信號(hào)（0或非0），與外部設(shè)備的數(shù)字量輸入輸出通道連接，用來(lái)表示某一設(shè)備當(dāng)前所處的狀態(tài)。（3）歷史曲線瀏覽窗口 顯示整個(gè)一段液位總體變化情況的曲線（下水箱PV2，下水箱SV，上水箱PV1，電動(dòng)閥門(mén)OP對(duì)應(yīng)的變化曲線），可以顯示和保存長(zhǎng)時(shí)間的變化曲線。并可以在運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)改變撥出的電話號(hào)碼。主要的組態(tài)操作包括：定義工程的名稱(chēng)，編制工程菜單，設(shè)計(jì)封面圖形，確定自動(dòng)啟動(dòng)的窗口，設(shè)定動(dòng)畫(huà)刷新周期，指定數(shù)據(jù)庫(kù)存盤(pán)文件名稱(chēng)及存盤(pán)時(shí)間等。(5)MCGS控制工程運(yùn)行流程：MCGS開(kāi)辟了專(zhuān)用的“運(yùn)行策略”窗口，建立用戶(hù)運(yùn)行策略。在圖形的每一種動(dòng)畫(huà)屬性中都有一個(gè)“表達(dá)式”設(shè)定欄，其中設(shè)定一個(gè)與圖形狀態(tài)相聯(lián)系的數(shù)據(jù)變量，連接到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中，以此建立相應(yīng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，MCGS稱(chēng)之為動(dòng)畫(huà)連接。20μA/℃ 量程：0～20mA 4mA～20mA 0V～10V 10V～10V 0V～5V 5V～5V 電源輸入：10～30VDC 電源功耗：： MCGS軟件工程組態(tài)通過(guò)MCGS組態(tài)軟件在控制計(jì)算機(jī)上構(gòu)建一個(gè)人機(jī)交互界面，經(jīng)過(guò)RS232/485轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與數(shù)據(jù)采集模塊的通訊，將檢測(cè)變送裝置的信號(hào)傳送到控制計(jì)算機(jī)中，從而在人機(jī)交互界面中可以對(duì)水箱液位對(duì)象進(jìn)行監(jiān)控﹑控制器設(shè)計(jì)改造﹑數(shù)據(jù)瀏覽和存儲(chǔ)﹑記錄實(shí)驗(yàn)曲線等。% 零點(diǎn)漂移：20μV/℃ 波特率：9600bps 量程：10V～10V –5V～5V 1～1V –500mV～500Mv 150mV～150mV 20mA～20mA 對(duì)應(yīng)8000～7FFF電源輸入：10～30VDC 電源功耗：。應(yīng)從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的角度綜合考慮信號(hào)采集速度和信號(hào)數(shù)字化精度這兩個(gè)問(wèn)題。主副調(diào)節(jié)器參數(shù)整定結(jié)果如下：主調(diào)節(jié)器比例系數(shù)P=20，積分時(shí)間I=80，微分時(shí)間D=10；副調(diào)節(jié)器比例系數(shù)P=40。主副回路的工作頻率和操作周期相差較大，其動(dòng)態(tài)聯(lián)系很小可忽略不計(jì)。參 數(shù)：DevName，設(shè)備名，字符型；DevOp，設(shè)備操作碼，數(shù)值型；CmdStr，設(shè)備命令字符串，只有當(dāng)DevOp=6時(shí)CmdStr才有意義。 (9)D：調(diào)節(jié)器微分時(shí)間，根據(jù)需要設(shè)置。調(diào)節(jié)儀1中diH=50 ；調(diào)節(jié)儀2中diL=0。通過(guò)三相380V/10A交流電源向三相磁力泵和220/5A交流電源向調(diào)節(jié)儀表供電。當(dāng)其偏差值達(dá)到零時(shí),電機(jī)停閥開(kāi)關(guān)形式：電開(kāi)式動(dòng)作速度：輸入控制信號(hào)：4～20mA DC/1～5V DC流量特性：直線輸出信號(hào)：4～20mA DC額定流量系數(shù)Kv：輸入阻抗：250Ω/500Ω介質(zhì)溫度：4～200。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二線制關(guān)聯(lián)設(shè)備：EXZ231B安全柵準(zhǔn)確度：溫度極限:10～80。副控制器P參數(shù)為KP=50，觀察階躍響應(yīng)曲線如下。 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)。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。副回路應(yīng)對(duì)于包含在其內(nèi)的二次擾動(dòng)以及非線性參數(shù)、較大負(fù)荷變化有很強(qiáng)的抑制能力與一定的自適應(yīng)能力。 m2m1e1c1擾動(dòng)f1(t)e2設(shè)定值Rc2擾動(dòng)f2(t)主調(diào)節(jié)器副調(diào)節(jié)器執(zhí)行器副對(duì)象主對(duì)象測(cè)量與 變送器2測(cè)量與 變送器1(1) 被控參數(shù)的選擇 應(yīng)選擇被控過(guò)程中能直接反映生產(chǎn)過(guò)程能夠中的產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量，又易于測(cè)量的參數(shù)。(2) 衰減率：閉環(huán)控制系統(tǒng)被施加輸入信號(hào)后，輸出響應(yīng)中振蕩過(guò)程的衰減指標(biāo)，即振蕩經(jīng)過(guò)一個(gè)周期以后，波動(dòng)幅度衰減的百分?jǐn)?shù)。PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，應(yīng)根據(jù)被控過(guò)程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。但是過(guò)大的積分速度會(huì)降低系統(tǒng)的穩(wěn)定程度，出現(xiàn)發(fā)散的振蕩過(guò)程。++r(t) 比例P積分I微分D被控對(duì)象 y(t) PID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： 式（）控制規(guī)律為： 式（）或以傳遞函數(shù)形式表示： 式（）KP:比例系數(shù) TI:積分時(shí)間常數(shù) TD:微分時(shí)間常數(shù)。2) 調(diào)節(jié)對(duì)象的純滯后比較長(zhǎng)。 在液位串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中采用THJ2高級(jí)過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，展開(kāi)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)及工程實(shí)現(xiàn)的工作。數(shù)據(jù)點(diǎn)與曲線基本擬合如圖所示，利用四階多項(xiàng)式近似擬合下水箱的響應(yīng)曲線，得到多項(xiàng)式的表達(dá)式P(t)= (011)t4+(e008)t3 + 式（）根據(jù)曲線采用切線作圖法計(jì)算下水箱特性參數(shù)，當(dāng)階躍響應(yīng)曲線在輸入量x(t)產(chǎn)生階躍的瞬間，即t=0時(shí)，其曲線斜率為最大，然后逐漸上升到穩(wěn)態(tài)值，該響應(yīng)曲線可用一階慣性環(huán)節(jié)近似描述，(t)在t=0的導(dǎo)數(shù)P`(0)=,以此做切線交穩(wěn)態(tài)值于A點(diǎn),映射在t軸上的B點(diǎn)的值為T(mén)。 注：圖中曲線為擬合曲線，圓點(diǎn)為原數(shù)據(jù)點(diǎn)。在測(cè)定模型參數(shù)中可以通過(guò)以下兩種方法控制調(diào)節(jié)閥，對(duì)被控對(duì)象施加階躍信號(hào)：(1) 通過(guò)智能調(diào)節(jié)儀表改變調(diào)節(jié)閥開(kāi)度，增減水箱的流入水量大小，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。液位h越高，水箱內(nèi)的靜壓力增大,Q2也越大。被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型（動(dòng)態(tài)特性）是指過(guò)程在各輸入量（包括控制量和擾動(dòng)量）作用下，其相應(yīng)輸出量（被控量）變化函數(shù)關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式。采用復(fù)雜控制系統(tǒng)中的串級(jí)控制系統(tǒng)列寫(xiě)出系統(tǒng)框圖，根據(jù)串級(jí)控制系統(tǒng)PID參數(shù)整定的方法整定出主控制器和副控制器的P、I、D的數(shù)值，從而滿(mǎn)足控制系統(tǒng)對(duì)各項(xiàng)性能的要求。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。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。對(duì)于控制器的選擇，從經(jīng)濟(jì)以及控制效果考慮采用智能儀表實(shí)現(xiàn)控制，并應(yīng)用組態(tài)軟件對(duì)系統(tǒng)實(shí)施監(jiān)控。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。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。施加階躍信號(hào)(2)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。數(shù)據(jù)點(diǎn)與曲線基本擬合[1]：上述測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)源：姜秀英，如圖所示，利用四階多項(xiàng)式近似擬合上水箱響應(yīng)曲線，得到多項(xiàng)式的表達(dá)式：P(t)≈(009)t4+(006)t3 ++ 式 ()根據(jù)曲線采用切線作圖法計(jì)算上水箱特性參數(shù)，當(dāng)階躍響應(yīng)曲線在輸入量x(t)產(chǎn)生階躍的瞬間，即t=0時(shí)，其曲線斜率為最大，然后逐漸上升到穩(wěn)態(tài)值，該響應(yīng)曲線可用一階慣性環(huán)節(jié)近似描述，需確定K和T。 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 在實(shí)驗(yàn)建模的過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)測(cè)取的被控對(duì)象為廣義的被控對(duì)象，其動(dòng)態(tài)特性包括了調(diào)節(jié)閥和測(cè)量變送器，即廣義被控對(duì)象的傳遞函數(shù)為，為調(diào)節(jié)閥的傳遞函數(shù)，Gm(s)為測(cè)量變送器的傳遞函數(shù)。串級(jí)控制系統(tǒng)從總體上看，是定 值控制系統(tǒng)，因此主被控變量在擾動(dòng)作用下的過(guò)度過(guò)程和單回路定值控制系統(tǒng)的過(guò)度過(guò)程，具有相同的品質(zhì)指標(biāo)和類(lèi)似的形式。3) 系統(tǒng)內(nèi)存在激烈且幅值較大的干擾作用。PID控制器各控制規(guī)律的作用如下：（1）比例控制（P）：比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。PID控制器參數(shù)整定的方法分為兩大類(lèi)：一是理論計(jì)算整定法。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，把系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行，將調(diào)節(jié)器的比例度δ由大到小逐漸減小，得到臨界振蕩過(guò)程，記錄下此時(shí)的臨界比例度δk和臨界振蕩周期Tk。為了保證系統(tǒng)足夠的穩(wěn)定程度。在雙容水箱控制系統(tǒng)中選擇下水箱的液位為系統(tǒng)被控參數(shù)，因?yàn)橄滤涞囊何皇钦麄€(gè)控制作用的關(guān)鍵，要求液位維持在某給定值上下。主副回路時(shí)間常數(shù)之比應(yīng)在3到10之間，以使副回路既能反應(yīng)靈敏，又能顯著改善過(guò)程特性。 MATLAB提供了一個(gè)人機(jī)交互的數(shù)學(xué)系統(tǒng)環(huán)境，該系統(tǒng)的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是復(fù)數(shù)矩陣，在生成矩陣對(duì)象時(shí)，不要求作明確的維數(shù)說(shuō)明，使得工程應(yīng)用變得更加快捷和便利。MATLAB具有豐富的可用于控制系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)的函數(shù)，MATLAB的控制系統(tǒng)工具箱(Control System Toolbox)提供對(duì)線性系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)和建模的各種算法；MATLAB的系統(tǒng)辨識(shí)工具箱（System Identification Toolbox）可以對(duì)控制對(duì)象的未知對(duì)象進(jìn)行辨識(shí)和建模。 雙閉環(huán)階躍響應(yīng)仿真曲線通過(guò)手動(dòng)切換開(kāi)關(guān)將副回路切除成單閉環(huán)可得其仿真圖像。C 40～120。C輸出最大負(fù)載：500Ω死區(qū)：≤177。壓力變送器測(cè)定的下水箱液位值（電壓反饋信號(hào)）送到主調(diào)節(jié)器(智能調(diào)節(jié)儀1)輸入端。(4)diL：輸入下限顯示值 用于定義線性輸入信號(hào)下限刻度值。 通過(guò)在AI808型儀表的內(nèi)部安裝RS485通訊接口模塊，可利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)儀表的監(jiān)控和操作。DevOp取值范圍及相應(yīng)含義：1：?jiǎn)?dòng)設(shè)備開(kāi)始工作。所以副調(diào)節(jié)器按單回路系統(tǒng)方法整定后，可以將副回路作為主回路的一個(gè)環(huán)節(jié)，按單回路控制系統(tǒng)的整定方法，整定主調(diào)節(jié)器的參數(shù)，而不再考慮主調(diào)節(jié)器參數(shù)變化對(duì)副回路的影響。對(duì)儀表控制系統(tǒng)設(shè)置下水箱液位給定值為50mm，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，突加階躍擾動(dòng)型號(hào)，設(shè)定下水箱液位值為70mm，得到下水箱液位輸出響應(yīng)曲線。根據(jù)香農(nóng)采樣定理：對(duì)于一個(gè)具有有限頻譜的連續(xù)信號(hào)進(jìn)行采樣，采樣頻率必須大于或等于信號(hào)所含最高頻率的兩倍，信號(hào)采樣所得的數(shù)值才可以完全復(fù)現(xiàn)原來(lái)的信號(hào)。 7017內(nèi)部示意圖 7024內(nèi)部示意圖在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，模擬量輸出通道一般包括接口電路﹑D/A轉(zhuǎn)換器﹑V/I變換等。MCGS組態(tài)軟件所建立的工程由主控窗口、設(shè)備窗口、用戶(hù)窗口、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和運(yùn)行策略五部分構(gòu)成，每一部分分別進(jìn)行組態(tài)操作，完成不同的工作，具有不同的特性MCGS組態(tài)軟件的工作方式：(1)MCGS與設(shè)備通訊：MCGS通過(guò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序與外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。(3)當(dāng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中測(cè)控對(duì)象的狀態(tài)（如：水箱液位高度等）發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?qū)⒆兓臄?shù)據(jù)采集到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的變量中，該變量是與動(dòng)畫(huà)屬性相關(guān)的變量，數(shù)值的變化，使圖形的狀態(tài)產(chǎn)生相應(yīng)的變化（如高低變化）。MCGS提供了豐富的功能構(gòu)件，供用戶(hù)選用，通過(guò)構(gòu)件配置和屬性設(shè)置兩項(xiàng)組態(tài)操作，生成各種功能模塊,使系統(tǒng)能夠按照設(shè)定的順序和條件，操作實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)畫(huà)窗口的任意切換，控制系統(tǒng)的運(yùn)行流程和設(shè)備的工作狀態(tài)。設(shè)備窗口是MCGS系統(tǒng)的重要組成部分，在設(shè)備窗口中建立系統(tǒng)與外部硬件設(shè)備的連接關(guān)系，使系統(tǒng)能夠從外部設(shè)備讀取數(shù)據(jù)并控制外部設(shè)備的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控。在基本屬性頁(yè)中，設(shè)置了串口的基本屬性，包括端口號(hào)，通訊波特率，數(shù)據(jù)位位數(shù)，停止位位數(shù)，數(shù)據(jù)校驗(yàn)方式，這些設(shè)置可以按照設(shè)備的要求來(lái)設(shè)置。（5）報(bào)警記錄 對(duì)液位的報(bào)警實(shí)施監(jiān)控。數(shù)值型數(shù)據(jù)對(duì)象存放數(shù)值及參與數(shù)值運(yùn)算，提供報(bào)警信息，并能夠與外部設(shè)備的模擬量輸入輸出通道相連接。仍采用兩步整定法整定調(diào)節(jié)儀表PID參數(shù)：（1）在工況穩(wěn)定﹑主回路閉合，主副調(diào)節(jié)器都在純比例作用的條件下，主調(diào)節(jié)器的比例度置于100%，