【正文】 較強(qiáng)的適應(yīng)能力． 串級(jí)控制系統(tǒng)的抗干擾能力、快速性、適應(yīng)性和控制質(zhì)量都比單回路要好，一般應(yīng)用在下列情況： 1)控制通道純延遲時(shí)間較長(zhǎng)； 2)對(duì)象容量滯后大； 3)負(fù)荷變化大，被控對(duì)象又具有非線性； 4)系統(tǒng)存在變化劇烈的干擾 ． 串級(jí)控制系統(tǒng) 的設(shè)計(jì) 相比單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程，串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也較為簡(jiǎn)單，其主要包括以下幾項(xiàng)： ① 主、副參數(shù)的選擇及主、副回路設(shè)計(jì)； ② 比例、積分及微分控制規(guī)律的選擇； ③ 控制算法的確定。該分析結(jié)果，也得到實(shí)驗(yàn)證實(shí)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)反 復(fù)調(diào)試得知，在有 干擾作用或給定值變化的情形下，系統(tǒng)是無(wú)法穩(wěn)定的。 圖 雙容水箱模型圖 根據(jù)動(dòng)態(tài)物料平衡關(guān)系，即在單位時(shí)間內(nèi)貯罐的液體流入量與單位時(shí)間內(nèi)貯罐的液體流出量之差應(yīng)等于貯罐中液體貯存量的變化率， 可列出以下增量方程 ： 11 1 2dhC q qdt? ? ? ? ? 式 (21) 22 2 3dhC q qdt? ? ? ? ? 式 (22) 12 2hq R??? 式 (23) 233hq R??? 式 (24)由 式 (21)和式 (23)消去 1h? 得： 21221 qqdtqdRC ????? 式 (25) 將其轉(zhuǎn)換為傳 遞 函 數(shù) 形式得： 1111)( )()( 121121 ????? sTsRCsQ sQsG 式 (26) 其中 211 RCT ? 。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥用于調(diào)節(jié)上水 箱的進(jìn)水量的大小，液位變送器用于檢測(cè)上水箱和下水箱 的液位。建立數(shù)學(xué)模型有兩個(gè)基本方法，即機(jī)理法和測(cè)試法?？刂戚斎肟偸橇D使被控過(guò)程按照某種期望的規(guī)律變化，而擾動(dòng)量一般總是影響被控過(guò)程偏離期望運(yùn)行狀態(tài)。開(kāi)放的控制器實(shí)驗(yàn)裝置，便于我們 進(jìn)行自己的控制器設(shè)計(jì)，滿足創(chuàng)新研究的需要。 通道數(shù)量： 6 路差動(dòng) /2 路單端或 8 差動(dòng)（跳線選擇）；采樣頻率 10Hz。 本裝置在計(jì)算機(jī)控制和通訊上采用牛頓 7000 系列模塊 ，它 是 RS232 轉(zhuǎn) 485通訊模塊， RS232/RS485 雙向協(xié)議轉(zhuǎn)換。 (6) 由外部控制切換到內(nèi)部控制步驟 ： ① PCTET02 面板上內(nèi)外控開(kāi)關(guān)打到內(nèi)控一邊 。 使用時(shí)只需要將調(diào)節(jié)器輸出的 4～ 20mA 電流信號(hào)輸入到面板上 的控制端口上即可。 溢流緩沖槽：是為了解決水流直接注入水箱造成被測(cè)液面波動(dòng)而設(shè)計(jì)的，當(dāng)水流注入水箱后經(jīng)過(guò)溢流緩沖槽緩沖，溢出水槽沿水槽壁流下達(dá)到減少被測(cè)液面波動(dòng)。 通過(guò)本設(shè)計(jì)掌握串級(jí)控制系統(tǒng)的基本概念，了解 串級(jí)控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，即主被控參數(shù)、副被控參數(shù)、主調(diào)節(jié)器、副調(diào)節(jié)器、主回路、副回路。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(guò)程條件的今天，開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)實(shí)用的具有典型對(duì)象特性的使用裝置無(wú)疑是一條探索將理論成果轉(zhuǎn)化為應(yīng)用技術(shù)的捷徑。 還比 如居民生活用水的供應(yīng)，通常需要使用蓄水池，蓄水池中的液位需要維持合適的高度，還有一些水處理的過(guò)程也需要對(duì)蓄水池中的液位實(shí)施控制，另外涉及 蓄液容器的生產(chǎn)過(guò)程也很多見(jiàn)，例如在核動(dòng)力蒸汽發(fā)生器工作過(guò)程中以及乙烯工程污水處理廠的自動(dòng)排水處理場(chǎng)等，因此，需要設(shè)計(jì)合適的控制器自動(dòng)調(diào)整容器的出入液流量，使得容器內(nèi)液位保持正常水平。s liquid level cascade control system. It overes the problems effectively about the second twotank and capacity lagged behind and reduces the adjustment time. Use Configuration software which is generated by Beijing Asia39。 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文） 雙容水箱液位控制系統(tǒng) 摘要 本設(shè)計(jì) 以 PCTⅢ 型 過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置為基礎(chǔ)， 對(duì)雙容水箱進(jìn)行對(duì)象特性測(cè)試及液位控制。 關(guān)鍵 詞 : 液位；串級(jí)控制； PID 控制；組態(tài)軟件；參數(shù)整定 Double tank water level control system Abstract The design is based on the PCTⅢ type of process control device for the testing object properties and level control on the twotank. Through analysis and modeling for the twotank water level control system, use of cascade PID control for its object properties and constitute a water level control system ,its deputy adjustable parameter is previous water level and the main adjustable parameters is under the tank39。 在石油、化工、輕工和食品等工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，有許多貯罐作為原料、半成品的貯液罐，前一道工序的成品或半成品不斷地流入下一道工序的貯液罐進(jìn)行加工和處理，為保證生產(chǎn)過(guò)程能連續(xù)地正常進(jìn)行，必須對(duì)貯罐的液位進(jìn)行控制。其原因固然是多方 面的，但是，一個(gè)很明顯的原因就是在于理論研究尚缺乏實(shí)際背景的支持，理論的算法一旦應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)就會(huì)遇到各種各樣的實(shí)際問(wèn)題，制約了其應(yīng)用前景。通過(guò)利用調(diào)節(jié)器的工程整定方法，最后得到一組能 穩(wěn)定、 準(zhǔn)確、快速的達(dá)到控制要求的 PID 參數(shù)。 水箱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：采用 兩 槽結(jié)構(gòu)，主要分溢流緩沖槽、工作槽、溢流水 管 。 該電動(dòng)調(diào)節(jié)閥具有自反饋系統(tǒng)只需要在外部加 4～ 20mA 電流即可控制，4mA 為全關(guān)狀態(tài)， 20mA 為全開(kāi)狀態(tài)，在無(wú)輸入信號(hào)的情況下電動(dòng)調(diào)節(jié)閥處于全關(guān)狀態(tài)。 (5) 停止外部控制，只要把 PCTET02 面板上的內(nèi) /外控制開(kāi)關(guān)打到內(nèi)控一端即可停止控制。在水泵出口裝有壓力罐和壓力變送器，與變頻器一起構(gòu)成供水系統(tǒng)。 模擬輸入： 1～ 5V， 4～ 20mA； 輸入范圍： +/150 mV， +/ 500mV， +/ 1V， +/ 5V， +/ 10V， +/ 20 mA。各種控制器的控制效果通過(guò)水位的變化直觀地反映出來(lái)，同時(shí)通過(guò)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。被控過(guò)程可能既受控制輸人的作用，也受擾動(dòng)量影響。有些近似處理需要作線性化處理、降階處理等，但卻能滿足控制的要求。它由計(jì)算機(jī) 、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、上水箱、下水箱、 液位變送器 、變頻器和水泵 模塊等組成。 雙容水箱模型如圖 所示。 理論分析表明，用單回路方法對(duì)上述過(guò)程進(jìn)行控制是難以奏效的。 串級(jí)控制系統(tǒng)只比簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)增加了一個(gè)測(cè)量變送元件和一個(gè)調(diào)節(jié)器，但是控制效果卻有顯著的提高，具有較好的控制性能，能夠改善對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，提高系統(tǒng)的工作頻率，對(duì)負(fù)荷或操作條件的變化也有一定的自適應(yīng)能力。所以在此選擇下水箱液位高度為主參數(shù)，而由其所構(gòu)成的回路也即為主回路， 如圖 中的外回路即為主回路。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的 其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用 PID 控制技術(shù)最為方便。實(shí)質(zhì)上就是對(duì)偏差累積進(jìn)行控制，直至偏差為零。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后組件，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。各類生產(chǎn)過(guò)程常用的控制規(guī)律如下： 液位：一般要求不高，用 P 或 PI 控制規(guī)律； 流量：時(shí)間常數(shù)小，測(cè)量信息中雜有噪聲，用 PI 或加反微分控制規(guī)律； 壓力：介質(zhì)為液體的時(shí)間常數(shù)小，介質(zhì)為氣體的時(shí)間常數(shù)中等，用 P 或則控制規(guī)律； 溫度：容量滯后較大，用 PID 控制規(guī)律。 采用增量式 PID 控制算法時(shí)，可以從手動(dòng)時(shí)的 u(k1)出發(fā)，直接計(jì)算出投入自動(dòng)運(yùn)行時(shí)控制器應(yīng)有的輸出變化量 △ u(k)，從而方便了手動(dòng)自動(dòng)切換。此時(shí)要考慮 輸出限幅。它的目的是：根據(jù)被控過(guò)特性確定調(diào)節(jié)器的比例度 ? 、 積分時(shí)間 TI以及微分時(shí)間 TD的大小。 、 Ti、 Td 對(duì)控制質(zhì)量的影響 (1) 比例系數(shù) KP 增大比例系數(shù) KP能加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，在有靜差系統(tǒng)中有利于減小靜差，但加大比例系數(shù)只能減小靜差，卻不能從根本上消除靜差。但應(yīng)當(dāng)注意，微分時(shí)間常數(shù) TD 偏大或偏小時(shí) ， 系統(tǒng)的超調(diào)量仍然較大，調(diào) 節(jié)時(shí)間仍然較長(zhǎng)，只有合適的微分時(shí)間常數(shù) ，才能獲得比較滿意的過(guò)渡過(guò)程。記錄下此時(shí)的δ k (臨界比例帶 )和 等幅振蕩周期Tk。衰減曲線法對(duì)多數(shù)過(guò)程都適用該方法的最大缺點(diǎn)是較難推確確定4： 1(或 10： 1)的衰減程度，從而較難得到準(zhǔn)確的 δs 值和 Ts(或 Tr)值。 串級(jí)控制系統(tǒng)常用的工程整定方法有： 兩步整定法和一步整定法 。 將上述步驟中求出的δ 1 S、 T1 0、δ 2 S、 T2 0 ,根據(jù)選用的調(diào)節(jié)器類型，按照 4：1衰減曲線的整定方法，求出主、副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)。 組態(tài)軟件是一種面向工業(yè)自動(dòng)化的通用數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控軟件，即 SCADA（ Supervisory Control And Data Acquisition）軟件，亦稱人機(jī)界面或 HMI/MMI（ Hum Machine Interfac/Man Machine Interface）軟件， “ 組態(tài) (Configure)” 的含義是 “ 配置 ” 、 “ 設(shè)定 ” 、 “ 設(shè)置 ” 等意思，是指用戶通過(guò)類似 “ 搭積木 ” 的簡(jiǎn)單方式來(lái)完成自己所需要的軟件功能，而不需要編寫(xiě)計(jì)算機(jī)程序，也就是所謂的 “ 組態(tài) ”。還可以和工廠的管理信息系統(tǒng)有機(jī)整合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)工廠的綜合自動(dòng)化和信息化。此時(shí)，組態(tài)王在 d:根目錄下建立了一個(gè)“ 雙容水箱液位 控制 系統(tǒng) ”子目錄，以后進(jìn)行的組態(tài)工作的所有數(shù)據(jù)都將儲(chǔ)存在這個(gè)目錄中。按同樣的方法在 COM1 下創(chuàng)建名為“ DA”、“ AD”的 設(shè)備圖標(biāo)。 定義 系統(tǒng) “ 啟動(dòng)” 、 “停止”內(nèi)存離散變量。 主畫(huà)面 制作 結(jié)果 如圖 所示。 ② 利用按鈕工具制作按鈕。輸入完畢后，用鼠標(biāo)在屏幕上單擊次，則文字輸入完畢。 圖 畫(huà)面設(shè)計(jì) 與動(dòng)畫(huà)連接 (1) 畫(huà)面設(shè)計(jì) 組態(tài)王提供了各種繪圖工具、圖庫(kù)來(lái)制作畫(huà)面，使得畫(huà)面能夠逼真地反映控制系統(tǒng)的工作狀況，并且可 以通過(guò)畫(huà)面操作控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。在“基本屬性”頁(yè)中輸入變量名“水箱 2 液位 ”，變量類型設(shè)置為“ I/O 實(shí)數(shù)”，連接設(shè)備設(shè)置為“ IO 模塊 ”，寄存器設(shè)置為“ AI1”，數(shù)據(jù)類型設(shè)置為“ float”，讀寫(xiě)屬性設(shè)置為“讀寫(xiě) ”，采集頻率設(shè)置為 100 毫秒， 變化靈敏度設(shè)置為 1， 最小值為 0，最 大值為 300，最小原始值為 4，最大原始值為 20。 a b 圖 隨后雙擊目錄內(nèi)容顯示區(qū)中的“新建”圖標(biāo)，在出現(xiàn)的“設(shè)備配置向?qū)А敝袉螕簟爸悄苣K” — “牛頓 7000 系列” — “ Nudam7017” — “串行口”。 TouchExplorer 是 “組態(tài)王 ”軟件的核心部分和管理開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，是應(yīng)用工程的開(kāi)發(fā)環(huán)境，內(nèi)嵌畫(huà)面開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，可完成對(duì)畫(huà)面的設(shè)計(jì)、動(dòng)畫(huà)的連接等工作。它能從自動(dòng)化過(guò)程和裝備中采集各種信息，并將信息以圖形化等更易于理解的方式進(jìn)行顯示，將重要的信息以各種手段傳送到相關(guān)人員，對(duì)信息執(zhí)行必要分析處理和存儲(chǔ)，發(fā)出控制指令等等。 表 副參數(shù) 比例帶δ 2 放大倍數(shù) KC 2 溫度 20—— 60 5—— 壓力 30—— 70 3—— 流量 40—— 80 —— 液位 20—— 80 5—— (2) 利用單回路控制系統(tǒng)的參數(shù)整定方法來(lái)整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)。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，將主調(diào)節(jié)器的比例帶 δ 置于 100%處，按照單回路系統(tǒng)的整定方法來(lái)整定副回路。 圖 對(duì)于無(wú)自衡能力的 廣義過(guò)程，傳遞函數(shù)可寫(xiě)為 seSSG ?? ??)(0 對(duì)于有自衡能力的廣義過(guò)程、傳遞函數(shù)可寫(xiě)為 ss eSpeSSG ?? ?? ???????0000 1 /11)( 根據(jù)階躍響應(yīng)試驗(yàn)曲線得廣義過(guò)程的傳遞函數(shù)以后，可以分別按表 、表 中的近似經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算調(diào)節(jié)器的參數(shù)。 (2) 待系統(tǒng)工作穩(wěn)定后，對(duì)設(shè)定值作階躍擾動(dòng)，然后觀察系統(tǒng)的響應(yīng)。 介紹 1． 臨界比例度法 這是一種閉環(huán)整定方法。增大積分時(shí)間常數(shù) TI(積分變?nèi)?)有利于減小超調(diào)，