【正文】 地發(fā)展并獲得了驚人的成就，在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)發(fā)展中起著關(guān)鍵性的作用。 而實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過程中的被控對(duì)象往往具有非線性 、 時(shí)線性、時(shí)延對(duì)象的先進(jìn)控制策略，提高系統(tǒng)的控制水平，具有重要的實(shí)際意義。 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)。主要是看副控參數(shù)不同時(shí)其控 制效果的變化，進(jìn)行對(duì)比研究。 在我國 ， 越是高深的、先進(jìn)的控制理論，其研究越是局限于少數(shù)科研院所的狹小范圍內(nèi) ， 也越是遠(yuǎn)離了國民生產(chǎn)這個(gè)應(yīng)用基地。其 后，串級(jí)控制，比值控制和前饋控制等復(fù)雜過程控制系統(tǒng)逐步應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，氣動(dòng)和電動(dòng)單元組合儀表也開始大量采用，同時(shí)電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)開始應(yīng)用于過程控制領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了直接數(shù)字控制（ DDC）和設(shè)定值控制（ SPC）。 在控制系統(tǒng)中引入計(jì)算機(jī)，可以充分利用計(jì)算機(jī)的運(yùn)算﹑邏輯判斷和記憶等功能完成多種控制任務(wù)和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制規(guī)律。 在生產(chǎn)過程中，對(duì)液位的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行控制，使其保持為一定值或按一定規(guī) 律變化，以保證質(zhì) 量和生產(chǎn)安全，使生產(chǎn)自動(dòng)進(jìn)行下去。任何生產(chǎn)過程被控制的參數(shù)都不是一個(gè)，這些參數(shù)又各具有不同的特性，因此要針對(duì)這些不同的特性設(shè)計(jì)相應(yīng)不同的控制系統(tǒng)。目前，我國液位控制主要以常規(guī)的 PID 控 第 4 頁 制器為主，它只能適應(yīng)一般系統(tǒng)控制，難于控制滯后 、 復(fù)雜、時(shí)變溫度系統(tǒng)控制。 第 5 頁 (2)工程立項(xiàng)搭建 框架：主要內(nèi)容包括：定義工程名稱、封面窗口名稱和啟動(dòng)窗口名稱，指定存盤數(shù)據(jù)庫文件的名稱以及存盤數(shù)據(jù)庫，設(shè)定動(dòng)畫刷新的周期。 (5)編寫控制流程程序：在運(yùn)行策略窗口內(nèi)，從策略構(gòu)件箱中，選擇所需功能策略構(gòu)件，構(gòu)成各種功能模塊，由這些模塊實(shí)現(xiàn)各種人機(jī)交互操作。 MATLAB 最早發(fā)行于 1984 年，經(jīng)過 10 余年的不斷改進(jìn)，現(xiàn)今已推出基于Windows 2021/xp 的 MATLAB 版本。 (4)MATLAB 數(shù)學(xué)函數(shù)庫 這是對(duì) MATLAB 使用的各種數(shù)學(xué)算法的總稱．包括各種初等函數(shù)的算法，也包括矩陣運(yùn)算、矩陣分析等高層次數(shù)學(xué)算法。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。副回路由副變量檢測(cè)變送、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥和副過程構(gòu)成；主回路由主變量檢測(cè)變送、主調(diào)節(jié)器、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥、副過程和主過程構(gòu)成 。 副回路的設(shè)計(jì) 由于副回路是隨動(dòng)系統(tǒng)， 對(duì)包含在其中的二次擾動(dòng)具有很強(qiáng)的抑制能力和自適應(yīng)能力，二次擾動(dòng)通過主、副回路的調(diào)節(jié)對(duì)主被控量的影響很小，因此在選擇副回路時(shí)應(yīng)盡可能把被控過程中變化劇烈、頻繁、幅度大的主要擾動(dòng)包括在副回路中，此外要盡可能包含較多的擾動(dòng)。副回路中如果包括的擾動(dòng)越多，其通道就越長(zhǎng)，時(shí)間常數(shù)就越大，副回路控制作用就不明顯了，其快速控制的效果就會(huì)降低。主回路一般要求無差，主調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律應(yīng)選取 PI 或 PID 控制規(guī)律；副回路要求起控制的快速性，可以有余差，一般情況選取 P 控制規(guī)律而不引入 I 或 D 控制。 在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例積分微分控制，簡(jiǎn)稱 PID 控制，又稱 PID 調(diào)節(jié)。 這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。特別對(duì)于有較大慣性或滯后環(huán)節(jié)的被控對(duì)象，比例積分控制能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動(dòng)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(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善。依此類推，逐步逼近，直至滿足動(dòng)態(tài)品質(zhì)指標(biāo)要求為止。具體的整定步驟為： (1) 在工況穩(wěn)定，系統(tǒng)為純比例作用的情況下，根據(jù) ?sK ? 這一關(guān)系 第 14 頁 式，通過副回路的放大系數(shù) 02K ，求取副調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù) 2? 或按經(jīng) 驗(yàn)選取，并將其設(shè)置在副調(diào)節(jié)器上。主調(diào)節(jié)器有自己獨(dú)立的設(shè)定值，它的輸出作為副調(diào)節(jié)器的給定值，副調(diào)節(jié)器的輸出控制執(zhí)行器，以改變下水箱液位 . 液 位 調(diào) 節(jié) 器 1 液 位 調(diào) 節(jié) 器 2 電 動(dòng) 調(diào) 節(jié) 閥 中 水 箱 下 水 箱液 位 變 送 器 2液 位 變 送 器 1—一 次 干 擾二 次 干 擾— 圖 32 中 下水箱液位串級(jí)方框圖 主管流量下水箱液位串級(jí) 設(shè)計(jì)建立的串級(jí)控制系統(tǒng)由主副兩個(gè)控制回路組成，每一個(gè)回路又有自己的調(diào)節(jié)器和控制對(duì)象。 執(zhí)行機(jī)構(gòu)用電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，采用智能型電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，用來進(jìn)行控制回路流量的調(diào)節(jié)。經(jīng)過一定調(diào)節(jié)時(shí)間后 ,水箱液位重新進(jìn)入平衡狀態(tài)。 y1=polyval(P,x)。 同理，在 matlab 中繪出擬合曲線如下： 圖 55 下水箱階躍響應(yīng)擬合曲線 根據(jù)曲線采用切線作圖法計(jì)算下水箱特性參數(shù)如下： 第 30 頁 圖 56 下水箱參數(shù)計(jì)算曲線一 圖 57 下水箱參數(shù)計(jì)算曲線二 由圖知： )0( )(,12,478 ?????? xyKssT ? 第 31 頁 故下水箱傳遞函數(shù)為： e SSSG 122 14 78 )( ??? 中下水箱參數(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=30,等到下水箱的液位處于平衡位置時(shí)。144。) 在 matlab 中繪出擬合曲線如下： 第 33 頁 圖 511 主管流量階躍響應(yīng)擬合曲線 根據(jù)曲線采用切線作圖法計(jì)算主管流量特性參數(shù)如下： 圖 512 主管流量參數(shù)計(jì)算曲線 由圖知： )0( )(,6,20 ?????? xyKssT ? 故主管流量 傳遞函數(shù)為： e SSSG 63 120 )( ??? 第 34 頁 6 系統(tǒng)調(diào)試 下水箱單回路 根據(jù)響應(yīng)曲線法中的 PID 整定公式，采用 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，改變下水箱液位設(shè)定值，進(jìn)行單回路整定，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)結(jié) 果如下： 圖 61 下水箱單回路 中下水箱單回路 根據(jù)響應(yīng)曲線法中的 PID 整定公式，采用 PI 調(diào)節(jié)器得： 00 0 ????? PTP ? m i 0 ????? sT i ? 故 m , ???ip TPK 第 35 頁 此時(shí)將參數(shù)輸入，改變下水箱液位設(shè)定值，進(jìn)行單回路整定，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)結(jié)果如下： 圖 62 中下水箱單回路 中下水箱液位串級(jí) 采用兩步整定 法，第一步整定副調(diào)節(jié)器參數(shù)，第二步整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)。 plot(x,y,39。改變調(diào)節(jié)閥開度至 OP2=80,即對(duì)主管輸入階躍信號(hào) ,使其值離開原平衡狀態(tài)。r39。 M 文件如下： x=0:20:1100。 通過磁力驅(qū)動(dòng)泵供水，手動(dòng)控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度大小 ,改變水箱液位的給定量，從而對(duì)被控對(duì)象施加階躍輸入信號(hào)，記錄階躍響應(yīng)曲線 。壓力傳感器 用來對(duì)上、中、下水箱的液位進(jìn)行檢測(cè) ， 其精度為 級(jí)，因?yàn)闉槎€制，故工作時(shí)需串接 24V直流電源。 (4) 如果出現(xiàn)較大的振蕩現(xiàn)象，只要加大主調(diào)節(jié)器的比例度 ? 或增大積分時(shí)間常數(shù) iT ，即可得到改善。 (2) 將副調(diào)節(jié)器的比例度 s2? 置于所求得的值上，且把副回路作為主回路中的一個(gè)環(huán)節(jié)，用同樣方法整定主回路，求取主回路的比例度 s1? 和振蕩周期 sT1 。根據(jù)以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算調(diào)節(jié)器參數(shù)： 表 22阻尼振蕩整定計(jì)算公式 調(diào)節(jié)器參數(shù) 控制規(guī)律 P iT dT P sP PI PID 若被控對(duì)象為一階慣性環(huán)節(jié)或具有很小的純滯后，則可根據(jù)系統(tǒng)開環(huán)廣義過程測(cè) 量變送器階躍響應(yīng)特性進(jìn)行近似計(jì)算。由于實(shí)驗(yàn)測(cè)定的過程數(shù)學(xué)模型只能近似反映過程動(dòng)態(tài)特，理論計(jì)算的參數(shù)整定值可靠性不高，還必須通過工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修 改。自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。但當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差 （ 2）積分控制（ I）：在積分控制 中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。確定過程是首先判定為保證內(nèi)環(huán)是負(fù)反饋副調(diào)節(jié)器應(yīng)選用那種作用方式，然后再確定主調(diào)節(jié)器的作用方式。嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)主、副回路“共振”現(xiàn)象，系統(tǒng)不能正常工作。 要將被控對(duì)象具有明顯非線性或時(shí)變特性的一部分歸于副對(duì)象中。副調(diào)節(jié)器具有“粗調(diào)”的作用，主調(diào)節(jié)器具有“細(xì)調(diào)”的作用，從而使其控制品質(zhì)得到進(jìn)一步提高。 第 8 頁 2 系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì) 串級(jí)控制系統(tǒng) 串級(jí)系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu) 串級(jí)控制系統(tǒng)是兩個(gè)調(diào)節(jié)器串聯(lián)起來工作，其中一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出作為另一個(gè)調(diào)節(jié)器的給定值的系統(tǒng)。 MATLAB的仿真工具箱（ Simulink）提供了交互式操作的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真、分析集成環(huán)境。 MATLAB 系統(tǒng)由五個(gè)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。 (8)連接設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序：選定與設(shè)備相匹配的設(shè)備構(gòu)件，連接設(shè)備通道，確定數(shù)據(jù)變量的數(shù)據(jù)處理方式，完成設(shè)備屬性的設(shè)置。在組態(tài)過程中，可根據(jù)實(shí)際需要，隨時(shí)對(duì)菜單的內(nèi)容進(jìn)行增加或刪除，不斷完善工程的菜單。 MCGS 組態(tài)軟件由“ MCGS 組態(tài)環(huán)境”和“ MCGS 運(yùn)行環(huán)境”兩個(gè)部分組成。各種控制器的控制效果既 通過水位的變化直觀地反映出來 ， 同時(shí)通過液位傳感器對(duì)水位的精確檢測(cè) ， 方便地獲得瞬態(tài)響應(yīng)指標(biāo)，準(zhǔn)確評(píng)估控制性能。大多數(shù)生產(chǎn)過程都具有非線性，弄清非線性產(chǎn)生的原因及非線性的實(shí)質(zhì)是極為重要的。將 PID 算法運(yùn)用到水位控制系統(tǒng)中，不僅可以解決水塔的自動(dòng)化給水問題而且還可以合理、安全、節(jié)約地使用水資源，進(jìn)而使居民安居樂業(yè)，使我國工業(yè)自動(dòng)化不斷的向前發(fā)展！ 國外研究現(xiàn)狀 德國 Amira 自動(dòng)化公司研制的水箱系統(tǒng)是著名的智能實(shí)驗(yàn)設(shè)備之一 ， 在 國外很多大學(xué)和實(shí)驗(yàn)室都已得到了廣泛的應(yīng)用，國內(nèi)也有包括清華大學(xué)、浙江大學(xué)、吉林大學(xué)等高校引進(jìn)了 Amira 公司研制的水箱過程控制實(shí)驗(yàn)裝置 。 代化過程工業(yè)向著大型化和連續(xù)化的方向發(fā)展，生產(chǎn)過程也隨之日趨復(fù)雜，而對(duì)生產(chǎn)質(zhì)量﹑經(jīng)濟(jì)效益的要求，對(duì)生產(chǎn)的安全、可靠性要求以及對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的要求卻越來越高。在目前尚不具有在實(shí)驗(yàn)室中復(fù)現(xiàn)真實(shí)工業(yè)過程條件的今天 ， 開發(fā)經(jīng)濟(jì)實(shí)用的具有典型對(duì)象特性的實(shí) 驗(yàn)裝置無疑是一條探索將理論成果轉(zhuǎn)化為應(yīng)用技術(shù)的捷徑。 關(guān)鍵詞 ：液位； PID 整定 ； 串級(jí) ； 響應(yīng)曲線法 Research and Design about Level Cascade Control System Design Description In industrial production, the level of process control systems charged with the amount of particularly important in the petroleum, chemical, environmental protection, water treatment, metallurgy and other of industrial processes often need to