【正文】 微分作用，會(huì)造成整個(gè)系統(tǒng)的不穩(wěn)定，陷入振蕩中。參考文獻(xiàn)[1] [M].北京:科學(xué)出版社,2001:1899[2] 姜秀英，[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2007:2045[3] 勞深，付凱波，[J].交通科技, 2011,(3):160162[4] 楊旭，周悅，[J].制造業(yè)自動(dòng)化, 2011,33(8):128130[5] [J].機(jī)械工程與自動(dòng)化,2011,(4): 140141[6] [M].北京:電子工業(yè)出版社，2004:87 99[7] 鄭華，[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化, 2012,(2):155157 [8] 王海英，袁麗英，[M].北京:高等教育出版社,2009:122149[9] [M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003:160236[10] Qingdong Zeng,Guanzheng Tan Optimal Design of PID Controller Using Modified Ant Colony System Algorithm Natura Computation[J],2007. 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謝經(jīng)過幾個(gè)月來的努力學(xué)習(xí)和刻苦鉆研，這篇論文終于順利完成，在此，謹(jǐn)向大學(xué)四年來幫助我、鼓勵(lì)我的師長(zhǎng)、朋友及同窗好友們致以最誠(chéng)摯的謝意。在控制器方面，可以對(duì)控制方法進(jìn)行改善，雖然電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的控制信號(hào)是位置信號(hào)，但調(diào)節(jié)閥動(dòng)作仍是通過控制電機(jī)改變閥位，可考慮能否采用增量算法直接控制電機(jī)，克服位置算法中因需要累加偏差而造成執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作過大的缺點(diǎn)。通過增加比例系數(shù)克服擾動(dòng)，但比例系數(shù)的加大會(huì)使上升速度加快，曲線變陡，造成調(diào)節(jié)閥動(dòng)作幅度的加大，引起被調(diào)量的來回波動(dòng)。數(shù)據(jù)組對(duì)象是MCGS引入的一種特殊類型的數(shù)據(jù)對(duì)象，類似于一般編程語言中的數(shù)組和結(jié)構(gòu)體，用于把相關(guān)的多個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象集合在一起，作為一個(gè)整體來定義和處理。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。在MCGS組態(tài)環(huán)境下的工程組態(tài)流程如下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。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是由VB程序設(shè)計(jì)語言編寫的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)來或發(fā)送出去。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。設(shè)置副參數(shù)的目的是為了進(jìn)一步提高主參數(shù)的控制質(zhì)量，只要通過主調(diào)節(jié)器參數(shù)整定保證主參數(shù)質(zhì)量，副參數(shù)的控制質(zhì)量可以犧牲一些。需要在計(jì)算機(jī)的MCGS軟件的用戶窗口添加腳本程序以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對(duì)儀表系統(tǒng)的監(jiān)控，時(shí)在設(shè)備窗口中完成設(shè)備通道連接設(shè)置。由于其輸出的信號(hào)為4～20mA的電流信號(hào)，需要經(jīng)I/V轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化為1～5V電壓信號(hào)送到副調(diào)節(jié)儀的輸入端，與壓力變送器測(cè)定的上水箱液位值（電壓反饋信號(hào)）相比較后，輸出4～20mA的電流信號(hào)到電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制信號(hào)輸入端，控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度，消除下水箱液位的測(cè)量值與給定值的偏差。C過載極限：～3倍滿程溫度系數(shù):%/。它用結(jié)構(gòu)框圖代替程序智能化地建立和運(yùn)行仿真，適應(yīng)線性、非線性系統(tǒng)；連續(xù)、離散及混合系統(tǒng)；單任務(wù)，多任務(wù)離散事件系統(tǒng)。 (4) 控制器的選擇根據(jù)雙容水箱液位系統(tǒng)的過程特性和數(shù)學(xué)模型選擇控制器的控制規(guī)律。(4) 調(diào)節(jié)時(shí)間：從過渡過程開始到被控參數(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。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。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。1) 串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)進(jìn)入副回路的擾動(dòng)具有較強(qiáng)的克服能力。(0)= ,以此做切線交穩(wěn)態(tài)值于A點(diǎn),映射在t軸上的B點(diǎn)的值為T。 根據(jù)動(dòng)態(tài)物料平衡， Q1Q2=A(dh/dt) ；△Q1△Q2=A(d△h/dt) 在靜態(tài)時(shí)，Q1=Q2，dh/dt=0；當(dāng)Q1發(fā)生變化后，液位h隨之變化，水箱出口處的靜壓也隨之變化，Q2也發(fā)生變化。ICP7000系列采集模塊的作用是將傳感器檢測(cè)到的被控參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)通過A/D轉(zhuǎn)換送入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)是將控制運(yùn)算發(fā)出的控制信號(hào)通過D/A轉(zhuǎn)換發(fā)給執(zhí)行機(jī)構(gòu)（調(diào)節(jié)閥、變頻器）。在本設(shè)計(jì)中充分利用自動(dòng)化儀表技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)，通訊技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)水箱液位的串級(jí)控制。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)被控過程中的合適對(duì)象建立數(shù)學(xué)模型。R2:閥2的阻力 A:水箱截面積 T:液位過程的時(shí)間常數(shù)(T=R2C) K:液位過程的放大系數(shù)(K=R2) C:液位過程容量系數(shù)在本設(shè)計(jì)中將通過實(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)。)。除上述優(yōu)點(diǎn)外串級(jí)控制系統(tǒng)在有些場(chǎng)合應(yīng)用效果顯著，它主要應(yīng)用于以下4中場(chǎng)合。積分項(xiàng)對(duì)誤差的累積取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)越大。三種方法都是通過試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定。主調(diào)節(jié)器有自己獨(dú)立的設(shè)定值R，他的輸出m1作為副調(diào)節(jié)器的給定值，副調(diào)節(jié)器的輸出m2控制執(zhí)行器，將努力使系統(tǒng)的輸出響應(yīng)在穩(wěn)態(tài)時(shí)系統(tǒng)的被控制量等于給定值，實(shí)現(xiàn)無差調(diào)節(jié)，并且使系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能，較塊的響應(yīng)速度。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 2000/xp的MATLAB 。通過手動(dòng)切換開關(guān)（Manual Switch）可以實(shí)現(xiàn)副回路的引入與切除，以了解副回路對(duì)控制性能的影響,比較串級(jí)控制和非串級(jí)控制對(duì)雙容水箱液位的控制能力仿真框圖如下。其由QSL智能型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)與閥門組合構(gòu)成。調(diào)節(jié)儀1中ADDR=1；調(diào)節(jié)儀2中ADDR=2。返回值：=0：調(diào)用正常。（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。7017 A/D轉(zhuǎn)換模塊：數(shù)據(jù)采集程序存儲(chǔ)在EEPROM中，由內(nèi)部控制器控制邏輯執(zhí)行，控制轉(zhuǎn)換開關(guān)在8路模擬信號(hào)間轉(zhuǎn)換，模擬量送入A/D通道后，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并將其與模擬量輸入通道號(hào)對(duì)應(yīng)，等待計(jì)算機(jī)查詢，數(shù)據(jù)通過RS485接口傳送至計(jì)算機(jī)。(2)MCGS產(chǎn)生動(dòng)畫效果：MCGS為每一種基本圖形元素定義了不同的動(dòng)畫屬性，每一種動(dòng)畫屬性都會(huì)產(chǎn)生一定的動(dòng)畫效果。同時(shí)，主控窗口又是組態(tài)工程結(jié)構(gòu)的主框架，可在主控窗口內(nèi)建立菜單系統(tǒng)，創(chuàng)建各種菜單命令，展現(xiàn)工程的總體概貌和外觀，設(shè)置系統(tǒng)運(yùn)行流程及特征參數(shù)，方便用戶的操作。 串口父設(shè)備參數(shù)設(shè)置設(shè)備名稱：通用串口父設(shè)備初始工作狀態(tài)：1啟動(dòng)最小采集周期：500ms串口端口號(hào)：1COM2通訊波特率：66900數(shù)據(jù)位位數(shù)： 18位停止位位數(shù)： 01位數(shù)據(jù)校驗(yàn)方式：0無校驗(yàn)位數(shù)據(jù)采集方式：1異步采集 (2)ICP7017設(shè)備設(shè)置： ICP7017設(shè)備參數(shù)設(shè)置設(shè)備名稱：ICP7017通道對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)對(duì)象通道類型周期初始工作狀態(tài)：1啟動(dòng)0mm1通訊狀態(tài)標(biāo)志位1最小采集周期：500ms1PV1AD01設(shè)備地址：22PV2AD11數(shù)據(jù)格式：0工程單位3PV3AD21是否要求校驗(yàn)：0無校驗(yàn)濾波 (3)ICP7024設(shè)備設(shè)置： ICP7024設(shè)備參數(shù)設(shè)置設(shè)備名稱：ICP7024通道對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)對(duì)象通道類型周期初始工作狀態(tài)：1啟動(dòng)0通訊狀態(tài)1最小采集周期：500ms1　OP2DA01設(shè)備地址：12OP4DA11是否要求校驗(yàn):0無校驗(yàn)用戶窗口主要用于設(shè)置工程中人機(jī)交互的界面， 在用戶窗口下通過MCGS組態(tài)的各種功能，可以實(shí)現(xiàn)以下子窗口的設(shè)計(jì)：（1）雙容水箱液位串級(jí)控制窗口 通過動(dòng)畫組態(tài)和屬性設(shè)置完成人機(jī)對(duì)話主界面，實(shí)現(xiàn)模擬工程界面﹑數(shù)據(jù)顯示﹑參數(shù)設(shè)置﹑報(bào)警顯示﹑通訊狀態(tài)顯示﹑工程曲線顯示﹑控制按鈕等功能。通過三相380V/10A交流電源向三相磁力泵和220/5A交流電源向電動(dòng)調(diào)節(jié)閥供電。在計(jì)算機(jī)中改變PID參數(shù)后，調(diào)節(jié)閥不能很快動(dòng)作，特別是在上升到接近階躍輸入設(shè)定值時(shí)，調(diào)節(jié)閥輸出值減少過慢，使液位超過設(shè)定值后仍在上升會(huì)造成超調(diào)增大。首先要感謝我的指導(dǎo)老師任琦梅老師，是任老師的悉心指導(dǎo)和幫助，才使我的論文最終能順利完成。在條件允許的情況下，采用更高精度的采集模塊。加階躍信號(hào)后觀察系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，由曲線和響應(yīng)數(shù)據(jù)得延遲時(shí)間Td=90s,峰值時(shí)間Tp=170s,調(diào)節(jié)時(shí)間Ts=700s,超調(diào)量為19%()，,衰減比3：1。數(shù)值型數(shù)據(jù)對(duì)象的數(shù)值范圍是：負(fù)數(shù)是從 到 ，正數(shù)是從 到 。數(shù)據(jù)采集方式規(guī)定了串口父設(shè)備下的子設(shè)備的采集方式，使用同步采集時(shí)，所有子設(shè)備都按照父設(shè)備的采集周期依次采集。所有的操作均采用面向?qū)ο蟮闹庇^方式，避免了煩瑣的編程工作。包括數(shù)據(jù)采集和發(fā)送設(shè)備指令。需要依據(jù)液位對(duì)象的特性﹑加入對(duì)象的擾動(dòng)大小和頻率和系統(tǒng)性能指標(biāo)要求綜合選擇適當(dāng)采樣周期。而且在液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，對(duì)于主參數(shù)下水箱液位的質(zhì)量指標(biāo)要求較高，對(duì)副參數(shù)上水箱液位沒有嚴(yán)格的要求。采用AIBUS通訊協(xié)議，8個(gè)數(shù)據(jù)位，1/2個(gè)停止位，無校驗(yàn)位。調(diào)節(jié)器的給定值可由儀表控制面板或MCGS監(jiān)控界面設(shè)定，與反饋信號(hào)相比較后輸出調(diào)節(jié)信號(hào)。C零點(diǎn)溫度系數(shù)：%/。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。下水箱容量滯后與上水箱相比較大，而且控制下水箱液位是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心問題，所以選擇主對(duì)象為下水箱，副對(duì)象為上水箱。(3) 超調(diào)量：輸出響應(yīng)中過渡過程開始后，被控參數(shù)第一個(gè)波峰值與穩(wěn)態(tài)值之差，占穩(wěn)態(tài)值的百分比，用于衡量控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程的準(zhǔn)確性。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系，能較快克服擾動(dòng)，使系統(tǒng)穩(wěn)定下來。但是，串級(jí)控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上增加了一個(gè)隨動(dòng)的副回路，因此，與單回路相比有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。而斜率K為P(t)在t=0的導(dǎo)數(shù)P39。若Q1作為被控過程的輸入量，h為其輸出量，則該被控過程的數(shù)學(xué)模型就是h與Q1之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式。為了能夠使雙容水箱系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的檢測(cè)和控制，本文又進(jìn)一步的設(shè)計(jì)出計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)，利用ICP7017數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)現(xiàn)模擬量輸入通道的功能利用ICP7024數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)現(xiàn)模擬量輸入通道的功能（自帶485通訊接口），通過RS232/485完成通訊轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的通訊和控制。首先對(duì)被控對(duì)象的模型進(jìn)行分析，并采用實(shí)驗(yàn)建模法求取模型的傳遞函數(shù)。被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型是設(shè)計(jì)過程控制系統(tǒng)、確定控制方案、分析質(zhì)量指標(biāo)、整定調(diào)節(jié)器參數(shù)等的重要依據(jù)。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,改變上水箱/下水箱液位的給定量，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。在MATLAB中繪出曲線如下：注：圖中曲線為擬合曲線，圓點(diǎn)為原數(shù)據(jù)點(diǎn)。1) 對(duì)象的容量滯后比較大。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。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。當(dāng)有擾動(dòng)f1(t)作用于副對(duì)象時(shí)，副調(diào)節(jié)器能在擾動(dòng)影響主控參數(shù)之前動(dòng)作，及時(shí)克服進(jìn)入副回路的各種二次擾動(dòng)，當(dāng)擾動(dòng)f2(t)作用于主對(duì)象時(shí)，由于副回路的存在也應(yīng)使系統(tǒng)的響應(yīng)加快，使主回路控制作用加強(qiáng)。新的版本集中了日常數(shù)學(xué)處理中的各種功能，包括高效的數(shù)值計(jì)算、矩陣運(yùn)算、信號(hào)處理和圖形生成等功能。 SIMULINK仿真框圖在時(shí)間為0時(shí)對(duì)系統(tǒng)加入大小為30的階躍信號(hào)，設(shè)置主控制器PID參數(shù)KP=60 TI=50 TD=3 。通過將壓力變送器檢測(cè)到的電壓/電流信號(hào)輸入到QSL電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的智能放大器，和來自位置信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的開度信號(hào)相比較并放大后,向消除其偏差的方向驅(qū)動(dòng)并控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),以改變調(diào)節(jié)閥的開度,同時(shí)將閥門開度的隔離信號(hào)反饋給控制系統(tǒng)。(3)diH：輸入上限顯示值，用于定義線性輸入信號(hào)上限刻度值。0：調(diào)用不正常。（4）按先副后主﹑先比例后積分﹑適當(dāng)加入微分的整定程序，設(shè)置主﹑副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，再觀察過