【正文】 化函數(shù)關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式。液位 h 越高，水箱內(nèi)的靜壓力增大 ,Q2也越大。 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。 控制進(jìn)水量 供水 施加階躍輸入信號(hào) 階躍響應(yīng)輸出 電動(dòng)磁力泵 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥 上水箱 /下水箱 雙容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 8 圖 下水箱階躍響應(yīng)曲線 記錄階躍響應(yīng)參數(shù) (間隔 30s采集數(shù)據(jù) ): 1 13 25 37 49 2 14 26 38 50 3 15 27 39 51 4 16 28 40 52 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 表 下水箱階躍響應(yīng)數(shù)據(jù) 由于實(shí)驗(yàn)測(cè)定數(shù)據(jù)可能存在誤差，直接使用計(jì)算法求解水箱模型會(huì)使誤差增大。 如圖所示，利用四階多項(xiàng)式近似擬合上水箱的響應(yīng)曲線，得到多項(xiàng)式的表達(dá)式： P(t)≈ (009)t4+(006)++。數(shù)據(jù)點(diǎn)與曲線基本擬合?，F(xiàn)在有利用 PID控制實(shí)現(xiàn)的壓力、溫度、流量、液位控制器，能實(shí) 現(xiàn) PID控制功能的可編程控制器 (PLC)，還有可實(shí)現(xiàn) PID控制的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。 PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減曲線法。根據(jù)以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算調(diào)節(jié)器參數(shù)： 雙容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 14 調(diào)節(jié)器參數(shù) 控制 規(guī)律 δ TI TD P δ S PI S PID S 表 阻尼振蕩整定計(jì)算公式 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(kāi)環(huán)廣義過(guò)程測(cè)量變送器階躍響應(yīng)特性進(jìn)行近似計(jì)算。副回路中的調(diào)節(jié)器稱(chēng)副調(diào)節(jié)器，控制副對(duì)象。但當(dāng)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥突然斷電關(guān)斷時(shí)，后一種控制方式會(huì)造成長(zhǎng)流水，導(dǎo)致水箱中水過(guò)多溢出，造成浪費(fèi)或事故。 控制系統(tǒng)仿真 通過(guò) MATLAB中的 SIMULINK工具箱可以動(dòng)態(tài)的模擬所的構(gòu)造系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，以控制框圖代替 了程序的編寫(xiě)，只需要選擇合適仿真設(shè)備，添加傳遞函數(shù)，設(shè)置仿真參數(shù)。 17 圖 SIMULINK 仿真框圖 圖 MATLAB 加入副回路仿真曲線 圖 MATLAB 不加入副回路仿真曲線 雙容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 18 圖 ： 圖 . 由圖 ，引入副回路組成雙容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)后能夠很好的克服進(jìn)入副回路的擾動(dòng) ,及時(shí)消除擾動(dòng)對(duì)主參數(shù)的影響 .在克服二次擾動(dòng)方面串級(jí)控制比不加副回路的非串級(jí)控制好 。 C 零點(diǎn)溫度系數(shù)： 小于 %/。 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。 3．計(jì)算機(jī)與儀表通訊設(shè)置 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。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)。 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。雖然仍然是基于“ THJ2高級(jí)過(guò)程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置”組建，但是遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集過(guò)程控制系統(tǒng)不同于以 智能儀表帶上位機(jī)監(jiān)控為主的儀表過(guò)程控制系統(tǒng)。 2．模擬量輸入通道 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，模擬量輸入通道一般 包括了 I/V變換電路﹑多路轉(zhuǎn)換器﹑采樣保持器﹑ A/D轉(zhuǎn)換器﹑接口﹑控制邏輯。 在遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集過(guò)程控制系統(tǒng)，將使用 ICP7024數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)現(xiàn)模擬量輸入通道的功能。設(shè)備 驅(qū)動(dòng)程序是由 VB 程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言編寫(xiě)的 DLL（動(dòng)態(tài)連接庫(kù)）文件，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中包含符合各種設(shè)備通訊協(xié)議的處理程序，將設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的特征數(shù)據(jù)采集進(jìn)來(lái)或發(fā)送出去。用戶也可編寫(xiě)程序來(lái)控制動(dòng)畫(huà)界面，以達(dá)到滿意的效果。 在 MCGS組態(tài)環(huán)境下的工程組態(tài)流程如下 1. 主控窗口設(shè)計(jì) 主控窗口是工程的主窗口或主框架 ,是所有設(shè)備窗口和用戶窗口的父窗口。系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，設(shè)備構(gòu)件由設(shè)備窗口統(tǒng)一調(diào)度管理，通過(guò)通道連接，向?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)提供從外部 設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)，從實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)查詢控制參數(shù)，發(fā)送給系統(tǒng)其它部分，進(jìn)行控制運(yùn)算和流程調(diào)度，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)檢測(cè)和過(guò)程的自動(dòng)控制。使用異步采集時(shí)，每個(gè)子設(shè)備可以設(shè)置自己的采集時(shí)間，在需要的時(shí)候采集。 圖 用戶窗口組態(tài)結(jié)構(gòu)圖 利用 MCGS軟件設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制界面如下： 圖 計(jì)算機(jī)控制界面組態(tài)結(jié)構(gòu)圖 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)是工程各個(gè)部分的數(shù)據(jù)交換與處理中心，它將 MCGS 工程的各個(gè)部分連接成有機(jī)的整體。 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。 （ 4）實(shí)時(shí)曲線瀏覽窗口 顯示一段時(shí)期液位變化的曲線（下水箱 PV，下水箱 SV，上水箱 SV對(duì)應(yīng)的變化曲線）。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 。 圖 主控窗口組態(tài) 結(jié)構(gòu) 圖 2．設(shè)備窗口設(shè)計(jì) 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。MCGS 提供了豐富的功能構(gòu)件，供用戶選用，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)。 (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 組態(tài)軟件所建立的工程由主控窗口、設(shè)備窗口、用戶窗口、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．模擬量輸出通道 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。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)。儀表系統(tǒng)采樣時(shí)間為 1s，采樣時(shí)間較長(zhǎng)，調(diào)節(jié)器作用的速度略慢，特別是接近穩(wěn)態(tài)值時(shí)總是抖動(dòng)較大，不能很快的到達(dá)穩(wěn)態(tài)。 （ 3）根據(jù)以上求得的數(shù)據(jù)，按單回路系統(tǒng)阻尼振蕩法整定公式計(jì)算主副調(diào)節(jié)器的比例度﹑積分時(shí)間和微分時(shí)間的數(shù)值。 4．計(jì)算機(jī)設(shè)備窗口設(shè)置：（實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對(duì)調(diào)節(jié)儀表的監(jiān)控） AI808P智能調(diào)節(jié)儀設(shè)備設(shè)置： 設(shè)備名稱(chēng)： 調(diào)節(jié)儀 1 調(diào)節(jié)儀 2 設(shè)備注釋?zhuān)? 宇光 AI808P 儀表 宇光 AI808P 儀表 初始工作狀態(tài)： 1啟動(dòng) 1啟動(dòng) 最小采集周期（ ms）： 1000 1000 模塊地址： 1 2 設(shè)置小數(shù)點(diǎn)位數(shù)： 11 位小數(shù) 11 位小數(shù) 輸入范圍： 101～ 5V 101～ 5V 連接通道 通道類(lèi)型 數(shù)據(jù)對(duì)象 1 數(shù)據(jù)對(duì)象 2 0 通訊狀態(tài) mm1 mm2 1 PV值（液位測(cè)量值） pv1 pv2 2 SV值（液位給定值） sv1 sv2 3 MV值（調(diào)節(jié)器輸出值） op1 op2 18 CTRL控制方式 ctrl1 ctrl2 23 Sn輸入規(guī)格 sn1 sn2 25 dil下限顯示 dil1 dil2 26 dih上限顯示 dih1 dih2 32 CF系統(tǒng)功能 cf1 cf2 34 通訊地址 addr1 addr2 表 調(diào)節(jié)儀設(shè)備窗口參數(shù)設(shè)置 儀表過(guò)程控制系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)行 在組建儀表系統(tǒng)設(shè)備構(gòu)件，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與儀表系統(tǒng)通訊后，完成儀表液位控制系統(tǒng)的調(diào)試運(yùn)行 ,完成 PID參數(shù)的整定，完成儀表控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)。 0：調(diào)用不正常。 (8)I：調(diào)節(jié)器積分時(shí)間，根據(jù)需要設(shè)置。 (3)diH：輸入上限顯示值，用于定義線性輸入信號(hào)下限刻度值。 C 表 智能儀表技術(shù)指標(biāo) AI808P引腳說(shuō)明： 引腳號(hào) 引腳名稱(chēng) 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(fù)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(bào)警 14(16) AL2+(AL2) 與 AL1+(AL2+)構(gòu)成報(bào)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(wú) 分別與 5(13)(16)形成常閉觸點(diǎn) 表 AI808P 儀表引腳說(shuō)明 儀表過(guò)程控制系統(tǒng)的組建 1．儀表控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)：根據(jù)電路原理圖完成儀表控制臺(tái)的接線工作，實(shí)現(xiàn)儀表的串級(jí) PID負(fù)反饋控制。當(dāng)其偏差值達(dá)到零時(shí) ,電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。 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)： IaⅡ CT5 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。 2．抗擾動(dòng)能力 維持初始階躍信號(hào)不變，并在副回路中加入擾動(dòng)信號(hào)，觀察響應(yīng)曲線 . 在 400s經(jīng)過(guò)慣性環(huán)節(jié)向副回路加入階 躍值為 70的擾動(dòng)信號(hào)。 (4) 控制器的選擇 根據(jù)雙容水箱液位系統(tǒng)的過(guò)程特性和數(shù)學(xué)模型選擇控制器的控制規(guī)律。 (2) 控制參數(shù)的選擇 從雙容水箱系統(tǒng)來(lái)看，影響液位 有兩個(gè)量，一是通過(guò)上水箱流入系統(tǒng)的流量，二是經(jīng)下水箱流出系統(tǒng)的流量。 (4) 調(diào)節(jié)時(shí)間：從過(guò)渡過(guò)程開(kāi)始到被控參數(shù)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)值 5%— +5%范圍所需的時(shí)間 2．方案設(shè)計(jì) 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。 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)值反復(fù)做給定值擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)，并逐漸減少比例度，直至記錄曲線出現(xiàn) 4： 1 的衰減為止。由于實(shí)驗(yàn)測(cè)定的過(guò)程數(shù)學(xué)模型只能近似反映過(guò)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(guò)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(guò)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。 PID 控制原理 目前，隨著控制理論的發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用， PID控制技術(shù)日趨成熟。)。 9 在 MATLAB中繪出曲線如下： 圖 上水箱擬合曲線 注：圖中曲線為擬合曲線，圓點(diǎn)為原數(shù)據(jù)點(diǎn)。改變調(diào)節(jié)閥開(kāi)度至 OP2=50,即對(duì)上水箱輸入階躍信號(hào) ,使其液位離開(kāi)原平衡狀態(tài)。 R2:閥 2 的阻力 A:水箱截面積 T:液位過(guò)程的時(shí)間常數(shù) (T=R2C) K:液位過(guò)程的放大系數(shù) (K=R2) C:液位過(guò)程容量系數(shù) 階躍響應(yīng)曲線法建立模型 在本設(shè)計(jì)中將通過(guò)實(shí)驗(yàn)建模的方法，分別測(cè)定被控對(duì)象上水箱和下水箱在輸入階躍信號(hào)后的液位響應(yīng)曲線和相關(guān)參數(shù)。 水箱模型分析 圖 液位被控過(guò)程簡(jiǎn) 明原理圖 系統(tǒng)中上水箱和下水箱液位變化過(guò)程各是一個(gè)具有自衡能力的單容過(guò)程。 雙容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 6 2 被控對(duì)象建模 在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作中，需要針對(duì)被控過(guò)程中的合適對(duì)象建立數(shù)學(xué)模型。后一部分則設(shè)置圖形的動(dòng)畫(huà)屬性，與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中定義的變量建立相關(guān)性的連接關(guān)系，作為動(dòng)畫(huà)圖形的驅(qū)動(dòng)源。 利用 MCGS軟件組建工程的過(guò)程簡(jiǎn)介： (1)工程項(xiàng)目系統(tǒng)分析：分析工程項(xiàng)目的系統(tǒng)構(gòu) 成、技術(shù)要求和工藝流程，弄清系統(tǒng)的控制流程和測(cè)控對(duì)象的特征，明確監(jiān)控要求和動(dòng)畫(huà)顯示方式，分析工程中的設(shè)備采集及輸出通道與軟件中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)變量的對(duì)應(yīng)