【正文】 ..................................................................................... 29 變量定義 ........................................................................................... 31 畫面設(shè)計與動畫連接 ....................................................................... 33 實時曲線和歷史曲線的建立 ........................................................... 36 手自動切換和 PID 控制畫面的建立 ............................................... 38 第五章 雙容水箱液位控制系統(tǒng)實驗 ...................................................................... 40 實驗所用設(shè)備 ............................................................................................... 40 實驗過程 ....................................................................................................... 40 實驗結(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。在對雙容水箱液位控制系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)整定時，以使調(diào)節(jié)過程穩(wěn)、準(zhǔn)、快為原則，從而得到適合的調(diào)節(jié)器參數(shù)。利用北京亞控公司生產(chǎn)的組態(tài)王軟件實施上位機(jī)界面組態(tài)，對系統(tǒng)進(jìn)行實時地操作、監(jiān)控。 Cascade control。 上述不同背景的實際問題都可以抽象為某種水箱的液位控制問題。以液位過程構(gòu)成的 實驗系統(tǒng)，可靈活地進(jìn)行過程組態(tài)，實施各種不同的控制方案， 它不僅能夠滿足實際現(xiàn)場的應(yīng)用要求，而且可以對新理論的研究論證提供強(qiáng)有力的平臺。掌握串級控制系統(tǒng)參數(shù)整定方法， 熟悉 PID 參數(shù)對控制系統(tǒng)質(zhì)量指標(biāo)的影響，用計算機(jī)進(jìn)行 PID 參數(shù)的調(diào)整和自動控制的投運。 溢流水 管 ：當(dāng)設(shè)備無人職守時有時會出現(xiàn)水箱的水位已經(jīng)到達(dá)最高水位，為了防止液位滿出水箱，則多出的水可以 通過 溢流排水 管排出 。其調(diào)節(jié)時可以通過變頻器調(diào)節(jié)水泵壓力，通過標(biāo)準(zhǔn)檢測儀表監(jiān)控壓力；壓力傳感器輸出的電流通過智能儀表監(jiān)測顯示，使智能儀表顯示數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)儀表顯示數(shù)據(jù)相同。 ③ 按變頻器上 “ RUN” 鍵使 Run燈亮，旋動變頻器上頻率設(shè)定電位器到合適值。通訊距離： 公里 /9600Kbps； 公里 /4800Kbps； 公里 /2400Kbps。 計 算 機(jī) （ 組 態(tài) 界 面 ）R S 2 3 2 / 4 8 5 轉(zhuǎn) 換 器D / A 模 塊差 壓 變 送 器 A下 水 箱上 水 箱差 壓 變 送 器 B執(zhí) 行 器A / D 模 塊R S 4 8 5 網(wǎng) 絡(luò) 圖 液位控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖 上水箱和下水箱的液位信號分別由兩壓力傳感器檢測 ， 檢測到的液位信號經(jīng)液位變送器轉(zhuǎn)換成 4 20 mA 的電流信號 ， 串聯(lián) 250 歐姆標(biāo)準(zhǔn)電阻轉(zhuǎn)換為 15V電壓信號， 再通過 A/ D 模塊 (Nudam7017)將采集到的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號 ，該數(shù)字信號經(jīng) RS485 總線 ，再由 RS232/485 轉(zhuǎn)換器 傳送給 計算機(jī)，計算機(jī) 采集到的數(shù)字信號在組態(tài)軟件中由 PID 控制器進(jìn)行處理得出控制信號 ， 控制信號 再 經(jīng) RS232/485 轉(zhuǎn)換器及 RS485 總線 送給 D/ A 模塊 (Nudam7024)， 最后轉(zhuǎn)換得到的模擬信號驅(qū)動 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 工作。 第三 章 雙容水箱液位控制系統(tǒng)分析 設(shè)計 控制系統(tǒng)分析 對被控系統(tǒng)的分析，是 設(shè)計過程控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)資料或基本依據(jù)。 工業(yè)過程動態(tài)數(shù)學(xué)模型的表達(dá)方式很多，其復(fù)雜程度相差懸殊。是把被研究的工業(yè)過程視為一個黑匣子，完全從外部特性上測試和描述它的動態(tài)性質(zhì)，因此不需要深入掌握其內(nèi)部機(jī)理。 變頻器用于控制水泵進(jìn)行恒壓供水。對于比較大的控制系統(tǒng)工程，更要從實際情況出發(fā)，反復(fù)多方論證，以避免大的失誤。 與單回路方案相比，串級控制系統(tǒng)具有明顯優(yōu)點，在克服容量滯后和純滯后對控制質(zhì)量的影響方面有其獨到之處， 據(jù)此設(shè)計了如圖 所示的串級控制系統(tǒng) 。 (1) 主參數(shù)的選擇和主回路的設(shè)計 主回路是一個定值控制系統(tǒng)，對于主參數(shù)的選擇和主回路的設(shè)計，基本上可以按照單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計原則進(jìn)行。在選擇副參數(shù)進(jìn)行副回路設(shè)計時，必須注意主、副過程時間常數(shù)的匹配問題 。 比例 (P)控制：比例控制是一種最簡單的控制方式。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，具有比例 +微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。這是選擇控制 規(guī)律的基本出發(fā)點。 (2)位置型 PID 算法 在過程控制中通常選用位置型 PID 算法，其具體算法如下； ????????????????kiDIcdkicicckekeKieKkeKtkekeTKtieTKkeKku00)]1()([)()()1()()()()( 式 (32) 式中， IK 為積分系數(shù)， tTKK icI ??； DK 為微分系數(shù)， tTKK dcD ??； t? 為采 樣間隔時間 (也常用 Ts 表示 )。當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)可接受數(shù)字信號時，則可不必進(jìn)行 D/A 轉(zhuǎn)換，直接將 限幅后的 )(2ku 送往執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 調(diào)節(jié)器參數(shù)整定的方法很多，概括起來可以分為兩大類：一是理論計算整定法。 (2) 積分時間常數(shù) TI 積分控制通常與比例控制或比例微分控制聯(lián)合使用，構(gòu)成 PI 或 PID 控制?？傊?，比例主要用于偏差的“粗調(diào)”，保證控制系統(tǒng)的“穩(wěn)”；積分主要用于偏差的“細(xì)調(diào)”，保證控制系統(tǒng)的“準(zhǔn)”；微分主要用于偏差的“細(xì)調(diào)”，保證控制系統(tǒng)的“快”。具體方法如下： (1) 先置調(diào)節(jié)器積分時間 TI=∞，微分時間 TD＝ 0，比例帶 ? 置于較大數(shù)值，整定參數(shù) 調(diào) 調(diào)節(jié)規(guī)律 ? （ %） TI TD P 2k? PI k? k? PID k? k? k? 圖 系統(tǒng)的臨界振蕩 將系統(tǒng)投入運行。根據(jù)這個階躍響應(yīng)試驗曲線將廣義被控過程的傳遞函數(shù)近似表示如下 圖所示。 (1) 先整定副回路。 2． 一步整定法 (1) 在系統(tǒng)工作狀況穩(wěn)定，主、副回路主調(diào)節(jié)器在純比例作用的條件下， 按表 “一步法比例帶經(jīng)驗值表”所列數(shù)值，將副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)到適當(dāng)?shù)慕?jīng)驗值上。組態(tài)軟件能夠?qū)崿F(xiàn)對自動化過程和裝備的監(jiān)視和控制。 ProjManager 用于新建工程、工程管理，并能對已有工程進(jìn)行搜索、備份及有效恢復(fù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)字典的導(dǎo)入和導(dǎo)出。 1 位停止位， RS232 為通信方式，然后單擊“確定”按鈕，完成對 COM1 的通信參型配置，保證 COMl 同計算機(jī)的通信能夠正常進(jìn)行。 (1) 單擊“數(shù)據(jù)庫”大綱項下 面的 “數(shù)據(jù)詞典”成員名，然后在目錄內(nèi)容顯示區(qū)中雙擊“新建”圖標(biāo)，出現(xiàn)“ 定義變量”窗口。 各變量定義完后如圖 所示。具體方法是：用鼠標(biāo)單擊“工具箱”中的“文本”工具按鈕 (或者利用“工具” — “文字”菜單命令 )，然后將鼠標(biāo)移動到畫面上適當(dāng)位置并 單擊，此時光標(biāo)在屏幕上閃動，用戶使可以打開中文輸入法輸入文字。水位控制系統(tǒng)中要 求在運行當(dāng)中 系統(tǒng) 能夠及時的調(diào)出 PID 調(diào)節(jié)面板、實時曲線、歷史曲線等畫面，這 可以通過一 些 按鈕來完成 。 圖 (2) 畫面設(shè)計過程 畫面的繪制基本包含以下內(nèi)容： ① 利用文本工具、字體工具、 調(diào)色板工具輸入文本。為了實現(xiàn)對液位 進(jìn)行 實時 控制及進(jìn)行 PID 運算，還需 建立相關(guān)的一系列“內(nèi)存實數(shù)”變量 ，例如： sp P ID sp P I D uk 等。如圖 。 圖 設(shè)備配置 在組態(tài)王工程管理器中，雙擊已建立的“雙容水箱液位控制系統(tǒng) ”工程，啟動組態(tài)王的“工程瀏覽器”，如圖 所示。 “組態(tài)王” 簡介 “ 組態(tài)王 ” 是在 PC 機(jī)上建立工業(yè)控制對象人機(jī)接口的一種智能軟件包，它Windows98/Windows 2020/ Windows 中文操作系統(tǒng)作為其操作平臺，具有圖形功能完備，界面一致友好，易學(xué)易用的特點。 它有時候也稱為 “ 二次開發(fā) ” ，組態(tài)軟件 就稱為 “ 二次開發(fā)平臺 ” 。 (3) 按照“先副后主、先比例次積分后微分”的原則，將計算得出的調(diào)節(jié)器參數(shù)置于各調(diào)節(jié)器之上。 以下做具體介紹。 這是一種開環(huán)整定方法，即利用系統(tǒng)廣義過程的階躍響應(yīng)特性曲線對調(diào)節(jié)器參數(shù)進(jìn)行整定。 (3)根據(jù)所記錄的的δ k和 Tk，按表 P、TI及 TD參數(shù)。此外，微分作用也使得系統(tǒng)對擾動變得敏感。而且過大的比例系數(shù)會使系統(tǒng)產(chǎn)生超調(diào)，并產(chǎn)生振蕩或使振蕩次數(shù)增多，使調(diào)節(jié)時間加長，并使系統(tǒng)穩(wěn)定性變壞或使系統(tǒng)變得不穩(wěn)定。 在簡單過程控制系統(tǒng)中、調(diào)節(jié)器參數(shù)整定通常以系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)的衰減率 為 ?＝ — (對應(yīng)衰減比為 4： 1— 10： 1)為主要指標(biāo)，以保證系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定裕量 (對于大多數(shù)過程控制系統(tǒng)來說，系統(tǒng)過渡過程的瞬態(tài)響應(yīng)曲線達(dá)到 4： 1的衰減比狀態(tài)時，則為最佳的過程曲線 )；此外，在滿足 4： 1 主要指標(biāo)的條件下，還應(yīng)盡量滿足系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差 (又稱靜差、余差 )、最大動態(tài)偏差 (超調(diào) )和過渡過程時間等其它指標(biāo)。在此將 )(2ku 限制在 01000 的范圍內(nèi)。另外，由于這種算法對偏差不加以累積，從而不會引起積分飽和現(xiàn)象。 在串級控制系統(tǒng)中，主、副控制器所起的作用是不同的，主控制器起定值控制作用，副控制器對主控制器輸出起隨動控制作用，而對擾動作用起定值控制作 用。它能敏感出誤差的變化趨勢，可在誤差信號出現(xiàn)之前就起到修正誤差的作用，有利于提高輸出響應(yīng)的快速性，減小被控量的超調(diào)和增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。積分控制作用始終施加指向給定值的作用力，有利于消除靜差，其效果不僅與偏差大小有關(guān)，而且還與偏差持續(xù)的時間有關(guān)。即當(dāng)我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用 PID 控制技術(shù)。 (2) 副參數(shù)的選擇和副回路的設(shè)計 串級控制系統(tǒng)副回路具有調(diào)節(jié)速度快、抑制擾動能力強(qiáng)的特點。 P I D 設(shè) 定 1 P I D 設(shè) 定 2D / A 調(diào) 節(jié) 閥 上 水 箱 下 水 箱測 量 變 送 器 1測 量 變 送 器 2 A / DA / DS pF 1F 2e 1 e 2 y圖 串級控制系統(tǒng)方框圖 串級控制系統(tǒng)適用于時間常數(shù)及純滯后較大的對象．串級系統(tǒng)與單回路系統(tǒng)的區(qū)別在于前者可獲得可測中間變量，并利用它構(gòu)成副反饋回路， 對影響中間變量的干擾進(jìn)行預(yù)先調(diào)節(jié)，從而改善整個系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)．串級控制系統(tǒng)在提高系統(tǒng)控制質(zhì)量方面主要表現(xiàn)在： 1)對進(jìn)人副回路的二次干擾有很強(qiáng)的克服能力； 2)改善了被控過程的動態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的工作頻率； 3)串級控制系統(tǒng)減小了對象時間常數(shù)； 4)對負(fù)荷或操作條件的變化有