【正文】 數(shù)據(jù)采集方式規(guī)定了串口父設(shè)備下的子設(shè)備的采集方式，使用同步采集時，所有子設(shè)備都按照父設(shè)備的采集周期依次采集。 在 MCGS 中，實現(xiàn)設(shè)備驅(qū)動的基本方法是：在設(shè)備窗口內(nèi)配置不同類型的設(shè)備構(gòu)件， 并根據(jù)外部設(shè)備的類型和特征，設(shè)置相關(guān)的屬性，將設(shè)備的操作方法如硬件參數(shù)配置、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、設(shè)備調(diào)試等都封裝在構(gòu)件之中，以對象的形式與外部河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 模擬計算機過程控制系統(tǒng) 30 設(shè)備建立數(shù)據(jù)的傳輸通道連接。所有的操作均采用面向?qū)ο蟮闹庇^方式，避免了煩瑣的編程工作?，F(xiàn)場的數(shù)據(jù)是連續(xù)被采集進來的，這樣就會產(chǎn)生逼真的動畫效果（如水箱液面的升高和降低）。包括數(shù)據(jù)采集和發(fā)送設(shè)備指令。模擬量輸出通道的任務(wù)是將計算機輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬電壓或電流信號，以便驅(qū)動相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)（電動調(diào)節(jié)閥）。需要依據(jù)液位對象的特性﹑加入對象的擾動大小和頻率和系統(tǒng)性能指標(biāo)要求綜合選擇適當(dāng)采樣周期。 圖 下水箱液位階躍響應(yīng)曲線河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 模擬計算機過程控制系統(tǒng) 25 5 模擬計算機過程控制系統(tǒng) 以下將設(shè)計組建遠程數(shù)據(jù)采集過程控制系統(tǒng)實現(xiàn)對雙容水箱液位系統(tǒng)的控制。而且在液位控制系統(tǒng)的設(shè)計中，對于主參數(shù)下水箱液位的質(zhì)量指標(biāo)要求較高，對副參數(shù)上水箱液位沒有嚴格的要求。 2：停止設(shè)備的工作使其 處于停止?fàn)顟B(tài)。采用 AIBUS 通訊協(xié)議， 8個數(shù)據(jù)位， 1/2 個停止位，無校驗位。調(diào)節(jié)儀 1中 diH=50； 調(diào)節(jié)儀 2中 diL=0。調(diào)節(jié)器的給定值可由儀表控制面板或 MCGS 監(jiān)控界面設(shè)定，與反饋信號相比較后輸出調(diào)節(jié)信號。 % 電源： 220V/50Hz 回差： ≤ 177。 C 零點溫度系 數(shù)： 小于 %/。 圖 單閉環(huán)階躍響應(yīng)仿真曲線 由圖 和圖 相比較可以看出，引入副回路的雙閉環(huán)串級系統(tǒng)能夠更好的提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，使系統(tǒng)更加的穩(wěn)定，穩(wěn)態(tài)誤差更小。 MATLAB的仿真工具箱（ Simulink） 提供了交互式操作的動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真、分析集成環(huán)境。 MATLAB 系統(tǒng)由五個主要部分組成： (1)MATALB 語言體系 MATLAB 是高層次的矩陣／數(shù)組語言．具有條件控制、函數(shù)調(diào)用、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、輸入輸出、面向?qū)ο蟮瘸绦蛘Z言特性。下水箱容量滯后與上水箱相比較大，而且控制下水箱液位是系統(tǒng)設(shè)計的核心問題，所以選擇主對象為下水箱，副對象為上水箱 。如果其調(diào)節(jié)欠妥當(dāng)，會造成整個系統(tǒng)控制設(shè)計的失敗 ,且現(xiàn)在對于液位的測量有成熟的技術(shù)和設(shè)備，包括直讀式液位計 、 浮力式液位計 、 靜壓式液位計 、 電磁式液位計 、 超聲波式液位計等。 (3) 超調(diào)量：輸出響應(yīng)中過渡過程開始后，被控參數(shù)第一個波峰值與穩(wěn)態(tài)值河南 城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 系統(tǒng)控制方案設(shè)計與仿真 11 之差，占穩(wěn)態(tài)值的百分比，用于衡量控制系統(tǒng)動態(tài)過程的準(zhǔn)確性。根據(jù)以下經(jīng)驗公式計算調(diào)節(jié)器參數(shù)： 河南 城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 系統(tǒng)控制方案設(shè)計與仿真 10 表 臨界比例整定計算公式 調(diào)節(jié)器參數(shù) 控制規(guī)律 δ TI TD P 2δ k PI k TK/ PID k 。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)。 （ 3）微分控制（ D）：在微分控制中，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。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系，能較快克服擾動，使系統(tǒng)穩(wěn)定下來。 4) 調(diào)節(jié)對象具有較大的非線性特性而且負荷變化較大。但是，串級控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上增加了一個隨動的副回路，因此，與單回路相比有以下幾個優(yōu)點。? ?00 xyk ?? ?? SSG ）（河南 城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 系統(tǒng)控制方案設(shè)計與仿真 7 3 系統(tǒng)控制方案設(shè)計與仿真 控制方案設(shè)計是過程控制系統(tǒng)設(shè)計的核心，需要以被控過程模型和系統(tǒng)性能要求為依據(jù)，合理選擇系統(tǒng)性能指標(biāo)，合理選擇被控參數(shù)，合理設(shè)計控制規(guī)律，選擇檢測、變送器和選擇執(zhí)行器。而斜率 K 為 P(t)在 t=0的導(dǎo)數(shù) P39。 圖 水箱模型測定原理圖 ： 記錄階躍響應(yīng)參數(shù) (間隔 30s 采集數(shù)據(jù) ): 表 上水箱階躍響應(yīng)數(shù)據(jù) 1 7 13 19 2 8 14 20 3 9 15 21 4 10 16 22 5 11 17 23 6 12 18 24 階躍響應(yīng) 參數(shù)： 記 錄階躍響應(yīng)參數(shù) (間隔 30s 采集數(shù)據(jù) ): 表 下水箱階躍響應(yīng)數(shù)據(jù) 1 13 25 37 49 2 14 26 38 50 3 15 27 39 51 4 16 28 40 52 電動磁力泵 電動調(diào)節(jié)閥 上水箱 /下水箱 施加階躍信號 供水 控制進水量 階躍響應(yīng)輸出 河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 被控對象建模 4 5 17 29 41 53 6 18 30 42 54 7 19 31 43 55 8 20 32 44 56 9 21 33 45 57 10 22 34 46 58 11 23 35 47 59 12 24 36 48 60 由于實驗測定數(shù)據(jù)存在誤差，直接使用計算法求解水箱模型會使誤差增大。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(xué)模型就是 h 與 Q1之間的數(shù)學(xué)表達式。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(shè)計工作提供依據(jù)。 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(shè)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。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(shè)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。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)。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)。被控對象的數(shù)學(xué)模型是設(shè)計過程控制系統(tǒng)、確定控制方案、分析質(zhì)量指標(biāo)、整定調(diào)節(jié)器參數(shù)等的重要依據(jù)。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。 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(yīng)曲線。)。 河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)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。如果控制系統(tǒng)設(shè)計欠妥，會造成生產(chǎn)中對液位控制的不合理，導(dǎo)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(shè)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。 1) 對象的容量滯后比較大。 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。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。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。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。 系統(tǒng)控制方案設(shè)計 制系統(tǒng)性能指標(biāo) (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。當(dāng)有擾動 f1(t)作用于副對象時，副調(diào)節(jié)器能在擾動影響主控參數(shù)之前動作，及時克服進入副回 路的各種二次擾動，當(dāng)擾動 f2(t)作用于主對象時，由于副回路的存在也應(yīng)使系統(tǒng)的響應(yīng)加快，使主回路控制作用加強。 (3) 主副回路設(shè)計 為了實現(xiàn)液位串級控制，使用雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)。新的版本集中了日常數(shù)學(xué)處理中的各種功能，包括高效的數(shù)值計算、矩陣運算、信號處理和圖形生成等功能。 (5)MATLAB 應(yīng)用程序接口 (API) 這是 MATLAB 為用戶提供的一個函數(shù)庫 ，使得用戶能夠在 MATLAB 環(huán)境中使用 c 程序或 FORTRAN 程序，包括從 MATLAB 中調(diào)用于程序 (動態(tài)鏈接 )，讀寫 MAT 文件的功能。 河南 城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 系統(tǒng)控制方案設(shè)計與仿真 14 圖 SIMULINK 仿真框圖 在時間為 0 時對系統(tǒng)加入大小為 30 的階躍信號，設(shè)置主控制器 PID 參數(shù)KP=60 TI=50 TD=3 。當(dāng)水箱中注水導(dǎo)致液位變化時， BP800 壓力變送 器對被控過程中的流體壓力進行測量 ,過程壓力通過壓力傳感器將壓力信號轉(zhuǎn)換成電信號 ,經(jīng)差分放大器、輸出放大器放大后 ,再經(jīng)過 V/A 轉(zhuǎn)換器 ,轉(zhuǎn)換為與輸入壓力成線性對應(yīng)關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)電流輸出信號。通過將壓力變送器檢測到的電壓 /電流信號輸入到 QSL 電動執(zhí)行機構(gòu) 的智能放大器，和來自位置信號發(fā)生器產(chǎn)生的開河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 建立儀表過程控制系統(tǒng) 18 度信號相比較并放大后 ,向消除其偏差的方向驅(qū)動并控制電機轉(zhuǎn)動 ,以改變調(diào)節(jié)閥的開度 ,同時將閥門開度的隔離信號反饋給控制系統(tǒng)。 C 河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 建立儀表過程控制系統(tǒng) 19 表 AI808P 引腳說明 引腳號 引腳名稱 引腳定義 1 Vin 05V 15V 輸入 2 Iexec+ 作為 Vin 的地 3 Sense+ 05V 15V 輸入 4 Sense 作為 Sense+的地 5 Iout 420mA 輸出負端 7 Iout+ 420mA 輸出正端 9 ACL 電源火線 10 ACN 電源地線 11(13) AL1+(AL1) 與 AL1(AL2)構(gòu)成報警 14(16) AL2+(AL2) 與 AL1+(AL2+)構(gòu)成報警 18(17) Data+(Data) RS485 接口數(shù)據(jù)線 19(20) I/V 變換 內(nèi)接電阻將電 流變?yōu)殡妷? 6(12)(15) 無 分別與 5(13)(16)形成常閉觸點 儀表過程控制系統(tǒng)的組建 ： 根據(jù)電路原理圖可以連接出實際的儀表串級 PID 負反饋控制。 (3)diH：輸入上限顯示值，用于定義線性輸入信號上限刻度值。 (8)I：調(diào)節(jié)器積分時間，根據(jù)需要設(shè)置。 0：調(diào)用不正常。 根據(jù)液位串級控制系統(tǒng)的設(shè)計原則和被控過程模型，主副被控過程的時間常數(shù)之比在 ： 1 左右。 （ 4）按先副后主﹑先比例后積分﹑適當(dāng)加入微分的整定程序，設(shè)置主﹑副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，再觀察過渡過程曲線，必要時進行適當(dāng)調(diào)整，直到系統(tǒng)質(zhì)量達到最佳為止。 計算機過程控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 為了實現(xiàn)計算機控制，需要對輸入的模擬信號進行采樣，轉(zhuǎn)換為計 算機可以利用的數(shù)字信號。 7017 A/D 轉(zhuǎn)換模塊 技術(shù)指標(biāo)：模擬輸入類型： mV,V,mA. 采樣率： 10 次 /s 帶寬： 準(zhǔn)確率 :177。 30μ V/℃ 177。所謂動畫屬性是反映圖形大小、顏色、位置、可見度、閃爍性等狀態(tài)的特征參數(shù)。 MCGS把各種網(wǎng)絡(luò)形式，以父設(shè)備構(gòu)件和子設(shè)備構(gòu)件的形式，供用戶調(diào)用，并進行工作狀態(tài)、端口號、工作站地址等屬性參數(shù)的設(shè)置。在 MCGS 單機版中，一個應(yīng)用系統(tǒng)只允許有一個主控窗口，主控窗口是作為一個獨立的對象存在的，其強大的功能和復(fù)雜的操作都被封裝 在對象的內(nèi)部，組態(tài)時只需對主控窗口的屬性進行正確地設(shè)置即可。 （ 1）通用串口父設(shè)備設(shè)置 通用串口父設(shè)備是提供串口通訊功能的父設(shè)備，下面可以掛接所有通過串口連接的設(shè)備，提 供通過 Modem 進行遠程采集或遠程監(jiān)聽的功能。 在 MCGS 中父設(shè)備的含義：凡是使用計算機串口采集數(shù)據(jù)的設(shè)備（如 PLC，儀表，變頻器，智能模塊等）都必須掛在父設(shè)備下面 ,統(tǒng)一由父設(shè)備來管理通信。 MCGS 設(shè)備中一般都包含有一個或多個用來讀取或者輸出數(shù)據(jù)的物理通道，MCGS 把這樣的物理通道稱為設(shè)備通道，如：模擬量輸入裝置的輸入通道、模擬量輸出裝置的輸出通道、開關(guān)量輸入輸出裝置的輸入輸出通道等等，這些都是設(shè)備通道。并調(diào)度用戶策略的運行