【正文】 、安全、節(jié)約地使用水資源，進而使居民安居樂業(yè)，使我國工業(yè)自動化不斷的向前發(fā)展！ 國外研究現(xiàn)狀 德國 Amira 自動化公司研制的水箱系統(tǒng)是著名的智能實驗設備之一 ， 在 國外很多大學和實驗室都已得到了廣泛的應用，國內(nèi)也有包括清華大學、浙江大學、吉林大學等高校引進了 Amira 公司研制的水箱過程控制實驗裝置 。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 ， 同時通過液位傳感器對水位的精確檢測 ， 方便地獲得瞬態(tài)響應指標，準確評估控制性能。在組態(tài)過程中，可根據(jù)實際需要，隨時對菜單的內(nèi)容進行增加或刪除，不斷完善工程的菜單。 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。 第 8 頁 2 系統(tǒng)控制方案設計 串級控制系統(tǒng) 串級系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu) 串級控制系統(tǒng)是兩個調(diào)節(jié)器串聯(lián)起來工作，其中一個調(diào)節(jié)器的輸出作為另一個調(diào)節(jié)器的給定值的系統(tǒng)。 要將被控對象具有明顯非線性或時變特性的一部分歸于副對象中。確定過程是首先判定為保證內(nèi)環(huán)是負反饋副調(diào)節(jié)器應選用那種作用方式，然后再確定主調(diào)節(jié)器的作用方式。自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。根據(jù)以下經(jīng)驗公式計算調(diào)節(jié)器參數(shù)： 表 22阻尼振蕩整定計算公式 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 量變送器階躍響應特性進行近似計算。 (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 ? 或增大積分時間常數(shù) iT ，即可得到改善。 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，記錄階躍響應曲線 。r39。 plot(x,y,39。144。 y1=polyval(P,x)。 執(zhí)行機構(gòu)用電動調(diào)節(jié)閥，采用智能型電動調(diào)節(jié)閥，用來進行控制回路流量的調(diào)節(jié)。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) 驗選取，并將其設置在副調(diào)節(jié)器上。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。 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。主回路一般要求無差，主調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律應選取 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。 副回路的設計 由于副回路是隨動系統(tǒng)， 對包含在其中的二次擾動具有很強的抑制能力和自適應能力，二次擾動通過主、副回路的調(diào)節(jié)對主被控量的影響很小，因此在選擇副回路時應盡可能把被控過程中變化劇烈、頻繁、幅度大的主要擾動包括在副回路中，此外要盡可能包含較多的擾動。首先確定了中下水箱液位串級控制系統(tǒng)和主管流量下水箱液位串級控制系統(tǒng)兩種控制方案。 MATLAB 最早發(fā)行于 1984 年，經(jīng)過 10 余年的不斷改進，現(xiàn)今已推出基于Windows 2021/xp 的 MATLAB 版本。 第 5 頁 (2)工程立項搭建 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，設定動畫刷新的周期。任何生產(chǎn)過程被控制的參數(shù)都不是一個，這些參數(shù)又各具有不同的特性，因此要針對這些不同的特性設計相應不同的控制系統(tǒng)。 在控制系統(tǒng)中引入計算機，可以充分利用計算機的運算﹑邏輯判斷和記憶等功能完成多種控制任務和實現(xiàn)復雜控制規(guī)律。 在我國 ， 越是高深的、先進的控制理論，其研究越是局限于少數(shù)科研院所的狹小范圍內(nèi) ， 也越是遠離了國民生產(chǎn)這個應用基地。 本設計以過程控制實驗室的 TKJ2 型高級過程控制實驗設備為平臺，設計了基于 IPCPLC 的分布式控制系統(tǒng)。 自本世紀 30 年代以來，伴隨著自動控制理論的日趨成熟，自動化技術(shù)不斷地發(fā)展并獲得了驚人的成就，在工業(yè)生產(chǎn)和科學發(fā)展中起著關(guān)鍵性的作用。 但是，由于德國 Amira 自動化公司研制的雙容水箱系統(tǒng)價格太高，給購置這個 實驗設備帶來很多困難。開放的控制器平臺 ， 便于用戶進行自己的控制器設計 ， 滿足創(chuàng)新研究的需要。 (4)制作動畫顯示畫面：動畫制作分為靜態(tài)圖形設 計和動態(tài)屬性設置兩個過程。利用它既可以進行小規(guī)模編程，完成算法設計和算法實驗的基本任務，也可以進行大規(guī)模編程，開發(fā)復雜的應用程序。串級控制系統(tǒng)采用兩套檢測變送器和兩個調(diào)節(jié)器，前一個調(diào)節(jié)器的輸出作為后一個調(diào)節(jié)器的設定，后一個調(diào)節(jié)器的輸出送往調(diào)節(jié)閥。 在需要以流量實現(xiàn)精確跟蹤時，可選流量為副被控量。 第 10 頁 PID 控制原理 目前，隨著控制理論的發(fā)展和計算機技術(shù)的廣泛應用， PID 控制技術(shù)日趨成熟。其原因是由于存在有較大慣性環(huán)節(jié)或有滯后環(huán)節(jié)，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。在調(diào)節(jié)閥的輸入端加一階躍信號，記錄測量變送器的輸出響應曲線，并根據(jù)該曲線求出代表廣義過程的動態(tài)特性參數(shù)。 方案設計 中下水箱液位串級 設計建立的串級控制系統(tǒng)由主副兩個控制回路組成，每一個回路又有自己的調(diào)節(jié)器和控制對象。 在測定模型參數(shù)中通過在 MCGS 監(jiān)控軟件組建人機對話窗口，改變調(diào)節(jié)閥開度 ,控制水箱進水量的大小，從而改變水箱液位及主管流量，實現(xiàn)對被控對象的階躍信號輸入。) 在 matlab 中繪出擬合曲線如下： 圖 53 中水箱階 躍響應擬合曲線 根據(jù)曲線采用切線作圖法計算中水箱特性參數(shù)如下： 第 29 頁 圖 54 中水箱參數(shù)計算曲線 由圖知： )0( )(,18,212 ?????? xyKssT ? 故中水箱傳遞函數(shù)為： e SSSG 181 1212 )( ??? 下水箱參數(shù)辨識 按圖連接線路 ,手動操作調(diào)節(jié)器 ,控制調(diào)節(jié)閥開度 ,使初始開度 OP1=30,等到水箱的液位處于平衡位置時。b:o39。 y=[144 ]39。 P=polyfit(x,y,12)。輸出： 4～ 20mA 標準信號。 一步整定法：一步整 定法，就是根據(jù)經(jīng)驗先確定副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，然后將副回路作為主回路的一個環(huán)節(jié)，按單回路反饋控制系統(tǒng)的整定方法整定主調(diào)節(jié)器的參數(shù)。三種 第 12 頁 方法都是通過試驗，然后按照工程經(jīng)驗公式對控制器參數(shù)進行整定。積分項對誤差的累積取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會越大。系統(tǒng)對二個回路的要求有所不同。主要包括如何選取副被控參數(shù)、確定主、副回路的原則等問題。上位機采用 MCGS 組態(tài)軟件，用 STEP7 第 7 頁 軟件進行編程，下位機采用西門子 S7200PLC。 軟件 MATLAB 軟件是由美國 MathWorks 公司開發(fā)的，是目前國際上最流行、應用最廣 泛的科學與工程計算軟件，它廣泛應用于自動控制、數(shù)學運算、信號分析、計算機技術(shù)、圖形圖象處理、語音處理、汽車工業(yè)、生物醫(yī)學工程和航天工業(yè)等各行各業(yè)，也是國內(nèi)外高校和研究部門進行許多科學研究的重要工具。 利用 MCGS 軟件組建工程的過程簡介： (1)工程項目系統(tǒng)分析：分析工程項目的系統(tǒng)構(gòu)成、技術(shù)要求和工藝流程，弄清系統(tǒng)的控制流程和測控對象的特征，明確監(jiān)控要求和動畫顯示方式，分析工程中的設備采集及輸出通道與軟件中實時數(shù)據(jù)庫變量的對應關(guān)系，分清哪些變量是要求與設備連接的，哪些變量是軟件內(nèi)部用來傳遞數(shù)據(jù)及動畫顯示的。也有不能趨向平衡 ， 被控量一直變化而不能穩(wěn)定下來的，這就是具有積分的對象。由于計算機具有運算速度快﹑精度高﹑存儲量大﹑編程靈活以及具有很強的通信能力等特點，目前以微處理器﹑單片微處理器為核心的工業(yè)控制幾與數(shù)字調(diào)節(jié)器 — 過程計算機設備，正逐步取代模擬調(diào)節(jié)器，在過程控制中得到十分廣泛的作用。然而，當前的學術(shù)研究成果與實際生產(chǎn)應用技術(shù)水 平并不是同步的，甚至相差幾十年 。上位機采用 MCGS 組態(tài)軟件，用 STEP7軟件進行編程，下位機采用西門子 S7200PLC。過程控制技術(shù)是自動化技術(shù)的重要組成部分，普遍運用于石油，化工，電力，冶金，輕工，紡織，建材等工業(yè)部門。也正是受其高價格的限制，目前，國內(nèi)只是少數(shù)高校的部分實驗室引進了這個設備，給基于雙容水箱系統(tǒng)的算法研究和仿真帶來了困 難。 THJS1 型雙容水箱對象系統(tǒng)實驗裝置由浙江天煌科技實業(yè)有限公司研制開發(fā)，它的出現(xiàn)為各大專院校，科研院所從事自動控制理論學習、研究及控制模型和算法探索的教師，科研人員及高年級本科生和研究生提供了一個具體的控制對象 。前一部分用戶通過 MCGS 組態(tài)軟件中提供的基本圖形元素及動畫構(gòu)件庫，在用戶窗口內(nèi)組合成各種復雜的畫面。 (2)MATLAB 工作環(huán)境 這是對 MATLAB 提供給用戶 使用的管理功能的總稱．包括管理工作空間中的變量據(jù)輸入輸出的方式和方法，以及開發(fā)、調(diào)試、管理 M 文件的各種工具。前一個調(diào)節(jié)器稱為主調(diào)節(jié)器，它所檢測和控制的變量稱主變量（主被控參數(shù)），即工藝控制指標；后一個調(diào)節(jié)器稱為副調(diào)節(jié)器，它所檢測和控制的變量稱副變量（副被控參數(shù)），是為了穩(wěn)定 主變量而引入的輔助變量。 在這里要注意 (2)和 (3)存在明顯的矛盾，將更多的擾動包括在副回路中有可能導致副回路的滯后過大，這就會影響到副回路的快速控制作用的發(fā)揮，因此，在實際系統(tǒng)的設計中要兼顧 (2)和 (3)的綜合。先進的 PID 控制方案和智能 PID 控制器（儀表）已經(jīng)很多，并且在工程實際中得到了廣泛的應用。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，抑制誤差的作用就應該是零。 表 23反應曲線法整定公式 第 13 頁 調(diào)節(jié)器參數(shù) 控制規(guī)律 P iT dT P 000PT? PI 00 PT? ? PID PT? 02? ? 串級 系統(tǒng) PID 整定方法 在工程實踐中，串級控制系統(tǒng)常用的整定方法有以下三種： 逐步逼近法：在主回路斷開的情況下，按照單回路的整定方法求取副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)，把副調(diào)節(jié)器的參數(shù)設置在所求的數(shù)值上，然后使主回路閉合，仍按單回路整定方法求取主調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)。主回路中的調(diào)節(jié)器稱主調(diào)節(jié)器，控制主對象（下水箱）。 圖 51 水箱模型測定原理圖 被控對象參數(shù)辨識 中水箱參數(shù)辨識 按圖連接線路 ,手動操作調(diào)節(jié)器 ,控制調(diào)節(jié)閥開度 ,使初始開度 OP1=40,等到水箱的液位處于平衡位置時。改變調(diào)節(jié)閥開度至 OP2=50,即對中水箱輸入階躍信號 ,使其液位離開原平衡狀態(tài)。,x,y1,39。 圖 510 主管流量階躍響應曲線 M 文件如下： x=0:2:52。 y=y/20。渦輪流量計型號： LWGY10，流量范圍： 0～ ，精度：%。 (4) 按“先副后主”，“先比例后積分最后微分”的整定程序，設置主、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?shù)卣{(diào)整，直到過程的動態(tài)品質(zhì)達到滿意為止。 PID 控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應曲線法和衰減曲線法。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。主調(diào)節(jié)器是定值控制，副調(diào)節(jié)器是隨動控制。這里主要解決串級控制系統(tǒng)中兩個回路的協(xié)調(diào)工作問題。 論文主要研究內(nèi)容 本設計以過程控制實驗室的 TKJ2 型高級過程控制