【文章內(nèi)容簡介】 k。根據(jù)以下經(jīng)驗公式計算調(diào)節(jié)器參數(shù)： 調(diào)節(jié)器參數(shù)控制規(guī)律δTITDP2δk PIkTK/ PIDkkk。在閉合控制系統(tǒng)中，把調(diào)節(jié)器的積分時間TI置于最大，微分時間TD置零，比例度δ置于較大數(shù)值反復(fù)做給定值擾動實驗，并逐漸減少比例度，直至記錄曲線出現(xiàn)4：1的衰減為止。記錄下此時的4：1衰減比例度δk和衰減周期Tk。根據(jù)以下經(jīng)驗公式計算調(diào)節(jié)器參數(shù)： 調(diào)節(jié)器參數(shù)控制規(guī)律δTITDPδS PISS PIDSSS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(yīng)特性進(jìn)行近似計算。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(yīng)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)。1．控制系統(tǒng)性能指標(biāo)(1) 靜態(tài)偏差：系統(tǒng)過渡過程終了時的給定值與被控參數(shù)穩(wěn)態(tài)值之差。(2) 衰減率：閉環(huán)控制系統(tǒng)被施加輸入信號后，輸出響應(yīng)中振蕩過程的衰減指標(biāo)，即振蕩經(jīng)過一個周期以后，波動幅度衰減的百分?jǐn)?shù)。為了保證系統(tǒng)足夠的穩(wěn)定程度。(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)動態(tài)過程的準(zhǔn)確性。(4) 調(diào)節(jié)時間：從過渡過程開始到被控參數(shù)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)值5%—+5%范圍所需的時間2．方案設(shè)計設(shè)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。主回路中的調(diào)節(jié)器稱主調(diào)節(jié)器，控制主對象。副回路中的調(diào)節(jié)器稱副調(diào)節(jié)器，控制副對象。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，以改變主參數(shù)c2.m2m1e1c1擾動f1(t)e2設(shè)定值Rc2擾動f2(t)主調(diào)節(jié)器副調(diào)節(jié)器執(zhí)行器副對象主對象測量與 變送器2測量與 變送器1通過針對雙容水箱液位被控過程設(shè)計串級控制系統(tǒng)，將努力使系統(tǒng)的輸出響應(yīng)在穩(wěn)態(tài)時系統(tǒng)的被控制量等于給定值，實現(xiàn)無差調(diào)節(jié)，并且使系統(tǒng)具有良好的動態(tài)性能，較塊的響應(yīng)速度。當(dāng)有擾動f1(t)作用于副對象時，副調(diào)節(jié)器能在擾動影響主控參數(shù)之前動作，及時克服進(jìn)入副回路的各種二次擾動，當(dāng)擾動f2(t)作用于主對象時，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)。(1) 被控參數(shù)的選擇 應(yīng)選擇被控過程中能直接反映生產(chǎn)過程能夠中的產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量，又易于測量的參數(shù)。在雙容水箱控制系統(tǒng)中選擇下水箱的液位為系統(tǒng)被控參數(shù)，因為下水箱的液位是整個控制作用的關(guān)鍵，要求液位維持在某給定值上下。如果其調(diào)節(jié)欠妥當(dāng)，會造成整個系統(tǒng)控制設(shè)計的失敗,且現(xiàn)在對于液位的測量有成熟的技術(shù)和設(shè)備，包括直讀式液位計、浮力式液位計、靜壓式液位計、電磁式液位計、超聲波式液位計等。(2) 控制參數(shù)的選擇從雙容水箱系統(tǒng)來看，影響液位有兩個量，一是通過上水箱流入系統(tǒng)的流量，二是經(jīng)下水箱流出系統(tǒng)的流量。調(diào)節(jié)這兩個流量都可以改變液位的高低。但當(dāng)電動調(diào)節(jié)閥突然斷電關(guān)斷時，后一種控制方式會造成長流水，導(dǎo)致水箱中水過多溢出，造成浪費(fèi)或事故。所以選擇流入系統(tǒng)的流量作為控制參數(shù)更合理一些。(3) 主副回路設(shè)計為了實現(xiàn)液位串級控制，使用雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)。副回路應(yīng)對于包含在其內(nèi)的二次擾動以及非線性參數(shù)、較大負(fù)荷變化有很強(qiáng)的抑制能力與一定的自適應(yīng)能力。主副回路時間常數(shù)之比應(yīng)在3到10之間，以使副回路既能反應(yīng)靈敏，又能顯著改善過程特性。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)計的核心問題，所以選擇主對象為下水箱，副對象為上水箱。 (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。為了實現(xiàn)液位串級控制，使用雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，主調(diào)節(jié)器選擇比例積分微分控制規(guī)律(PID)，對下水箱液位進(jìn)行調(diào)節(jié)，副調(diào)節(jié)器選擇比例控制率(P)，對上水箱液位進(jìn)行調(diào)節(jié)，并輔助主調(diào)節(jié)器對于系統(tǒng)進(jìn)行控制，整個回路構(gòu)成雙環(huán)負(fù)反饋系統(tǒng)。 控制系統(tǒng)仿真通過MATLAB中的SIMULINK工具箱可以動態(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，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)。下面根據(jù)前文的水箱模型傳遞函數(shù)對串級控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，以模擬實際中的階躍響應(yīng)曲線，考察串級系統(tǒng)的設(shè)計方案是否合理。1. 階躍響應(yīng)性能 SIMULINK仿真框圖通過手動切換開關(guān)（Manual Switch）可以實現(xiàn)副回路的引入與切除，以了解副回路對控制性能的影響,比較串級控制和非串級控制對雙容水箱液位的控制能力。在時間為0時對系統(tǒng)加入大小為30的階躍信號，設(shè)置主控制器PID參數(shù)KP=60 TI=50 TD=3 。副控制器P參數(shù)為KP=50，在初始點(diǎn)加40點(diǎn)階躍輸入量觀察階躍響應(yīng)曲線。 MATLAB加入副回路仿真曲線圖 MATLAB不加入副回路仿真曲線：.，引入副回路組成雙容水箱液位串級控制系統(tǒng)后動態(tài)特性比不加入副回路的控制系統(tǒng)有了很大的改善，提高了系統(tǒng)的工作頻率，對被控對象的調(diào)節(jié)能力更強(qiáng)。 2．抗擾動能力維持初始階躍信號不變，并在副回路中加入擾動信號，觀察響應(yīng)曲線. 在400s經(jīng)過慣性環(huán)節(jié)向副回路加入階躍值為70的擾動信號?？刂破鲄?shù)不變。 SIMULINK仿真框圖 MATLAB加入副回路仿真曲線 MATLAB不加入副回路仿真曲線：.，引入副回路組成雙容水箱液位串級控制系統(tǒng)后能夠很好的克服進(jìn)入副回路的擾動,。綜上所述,、抗擾動能力等方面與非串級控制系統(tǒng)是較為有效的。,不可能得到與計算機(jī)仿真一致的理想曲線和控制性能。4 建立儀表過程控制系統(tǒng)以下將基于THJ2高級過程控制實驗裝置和相關(guān)儀表儀器組建儀表過程控制系統(tǒng)，包括被控對象系統(tǒng)、智能儀表控制臺及監(jiān)控計算機(jī)三部分組成。1．檢測﹑變送裝置采用工業(yè)用的BP800型擴(kuò)散硅壓力變送器對水箱液位變化進(jìn)行測量，含不銹鋼隔離模片，同時采用信號隔離技術(shù)，對傳感器溫度漂移跟隨補(bǔ)償。當(dāng)水箱中注水導(dǎo)致液位變化時，BP800壓力變送器對被控過程中的流體壓力進(jìn)行測量,過程壓力通過壓力傳感器將壓力信號轉(zhuǎn)換成電信號,經(jīng)差分放大器、輸出放大器放大后,再經(jīng)過V/A轉(zhuǎn)換器,轉(zhuǎn)換為與輸入壓力成線性對應(yīng)關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)電流輸出信號。BP800型壓力變送器技術(shù)指標(biāo)如下：被測介質(zhì):液體機(jī)械保護(hù)：IP65測量范圍：100KPa～100MPa防爆等級：IaⅡCT5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。C 40～120。C零點(diǎn)溫度系數(shù)：%/。C過載極限：～3倍滿程溫度系數(shù):%/。C相對濕度:小于95%電源電壓：24DC二線制負(fù)載電阻：≤750歐姆2．執(zhí)行機(jī)構(gòu)（1）水泵采用16CQ－8P型磁力驅(qū)動泵,流量為32升/分,揚(yáng)程為8米,。（2）調(diào)節(jié)閥采用QSVP－16K型電動調(diào)節(jié)閥實現(xiàn)對雙容水箱液位系統(tǒng)進(jìn)水量的控制。其由QSL智能型電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)與閥門組合構(gòu)成。通過將壓力變送器檢測到的電壓/電流信號輸入到QSL電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的智能放大器，和來自位置信號發(fā)生器產(chǎn)生的開度信號相比較并放大后,向消除其偏差的方向驅(qū)動并控制電機(jī)轉(zhuǎn)動,以改變調(diào)節(jié)閥的開度,同時將閥門開度的隔離信號反饋給控制系統(tǒng)。當(dāng)其偏差值達(dá)到零時,電機(jī)停止轉(zhuǎn)動。閥開關(guān)形式：電開式動作速度：輸入控制信號：4～20mA DC/1～5V DC流量特性：直線輸出信號：4～20mA DC額定流量系數(shù)Kv：輸入阻抗：250Ω/500Ω介質(zhì)溫度：4～200。C輸出最大負(fù)載：500Ω死區(qū)：≤177。%電源：220V/50Hz回差：≤177。%公稱直徑：20mm可調(diào)范圍：50:1公稱壓力：防護(hù)等級：IP65行程：10mm功耗：5VA3．控制器在儀表過程控制系統(tǒng)中，使用智能調(diào)節(jié)儀表作為控制器。采用上海萬訊儀表有限公司的AI808型儀表，采用AI人工智能調(diào)節(jié)方式，內(nèi)含PID調(diào)節(jié)算法。其可以在誤差較大時運(yùn)用模糊算法進(jìn)行調(diào)節(jié)，以消除PID積分飽和現(xiàn)象；當(dāng)誤差趨小時，采用改進(jìn)后的PID算法調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)優(yōu)化效果。選用的AI808P型儀表技術(shù)指標(biāo)如下：熱電偶輸入：K﹑S﹑R﹑E﹑J等響應(yīng)時間：≤熱電阻輸入：Cu50﹑Pt100調(diào)節(jié)方式：位式調(diào)節(jié)方式/AI人工智能調(diào)節(jié)線性電壓輸入：0～5V輸出規(guī)格：4～20mA線性電流輸入：420mA報警功能：上限﹑下限﹑正負(fù)偏差測量范圍：1999～9999電源：100～240VAC/50Hz測量精度：環(huán)境溫度：0～50。C 智能儀表技術(shù)指標(biāo)AI808P引腳說明：引腳號引腳名稱引腳定義1Vin05V 15V輸入2Iexec+作為Vin的地3Sense+05V 15V輸入4Sense作為Sense+的地5Iout420mA輸出負(fù)端7Iout+420mA輸出正端9ACL電源火線10ACN電源地線11(13)AL1+(AL1)與AL1(AL2)構(gòu)成報警14(16)AL2+(AL2)與AL1+(AL2+)構(gòu)成報警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?(12)(15)無分別與5(13)(16)形成常閉觸點(diǎn) AI808P儀表引腳說明1．儀表控制系統(tǒng)電路設(shè)計：根據(jù)電路原理圖完成儀表控制臺的接線工作，實現(xiàn)儀表的串級PID負(fù)反饋控制。通過三相380V/10A交流電源向三相磁力泵和220/5A交流電源向調(diào)節(jié)儀表供電。壓力變送器測定的下水箱液位值（電壓反饋信號）送到主調(diào)節(jié)器(智能調(diào)節(jié)儀1)輸入端。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，與反饋信號相比較后輸出調(diào)節(jié)信號。由于其輸出的信號為4～20mA的電流信號，需要經(jīng)I/V轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化為1～5V電壓信號送到副調(diào)節(jié)儀的輸入端，與壓力變送器測定的上水箱液位值（電壓反饋信號）相比較后，輸出4～20mA的電流信號到電動調(diào)節(jié)閥控制信號輸入端，控制電動調(diào)節(jié)閥的開度，消除下水箱液位的測量值與給定值的偏差。 儀表系統(tǒng)電路原理圖2．儀表參數(shù)設(shè)定(1)Sn: 輸入規(guī)格 調(diào)節(jié)儀1中Sn=33 表示1~5V電壓輸入；調(diào)節(jié)儀2中Sn=32 ~1V電壓輸入。(2)ADDR：通訊地址 用于定義儀表地址，有效范圍是0~100。調(diào)節(jié)儀1中ADDR=1；調(diào)節(jié)儀2中ADDR=2。(3)diH：輸入上限顯示值，用于定義線性輸入信號下限刻度值。調(diào)節(jié)儀1中diH=50 ；調(diào)節(jié)儀2中diL=0。(4)diL：輸入下限顯示值 用于定義線性輸入信號下限刻度值。調(diào)節(jié)儀1中diH=50； 調(diào)節(jié)儀2中diL=0。(5)CF：系統(tǒng)功能選擇CF=A*1+B*2+C*4+D*8+E*16+F*32+G*64調(diào)節(jié)儀1中CF=0，表示A=0,調(diào)節(jié)儀1為反作用調(diào)節(jié)方式，輸入增大時，輸出趨向減??；B=0，儀表報警無上電；D=0，不允許外部給定，程序時間以分為單位；E=0，無分段頻率限制功能；F=0，儀表光柱指示輸出值；G=0，儀表為AI808P工作模式。調(diào)節(jié)儀2中CF=8，表示A=0,調(diào)節(jié)儀1為反作用調(diào)節(jié)方式，輸入增大時，輸出趨向減??；B=0，儀表報警無上電；D=1，允許外部給定，程序時間以秒為單位；E=0，無分段功率限制功能；F=0，儀表光柱指示輸出值；G=0，儀表為AI808P工作模式。(6)SV：下水箱液位給定值，根據(jù)需要設(shè)置。(7)P：調(diào)節(jié)器比例系數(shù)，根據(jù)需要設(shè)置。(8)I：調(diào)節(jié)器積分時間，根據(jù)需要設(shè)置。 (9)D：調(diào)節(jié)器微分時間，根據(jù)需要設(shè)置。 3．計算機(jī)與儀表通訊設(shè)置通過在AI808型儀表的內(nèi)部安裝RS485通訊接口模塊，可利用計算機(jī)實現(xiàn)對儀表的監(jiān)控和操作。采用AIBUS通訊協(xié)議，8個數(shù)據(jù)位，1/2個停止位，無校驗位。需要在計算機(jī)的MCGS軟件的用戶窗口添加腳本程序以實現(xiàn)計算機(jī)對儀表系統(tǒng)的監(jiān)控，　同時在設(shè)備窗口中完成設(shè)備通道連接設(shè)置。(1) 啟動腳本程序!setdevice(調(diào)節(jié)儀1,1, )!setdevice(調(diào)節(jié)儀1,6,write(0,0) )!setdevice(調(diào)節(jié)儀1,6,write(24,0))!setdevice(調(diào)節(jié)儀2,1, )!setdevice(調(diào)節(jié)儀2,6,write(0,0) )!setdevice(調(diào)節(jié)儀2,6,write(24,0))(2) 循環(huán)腳本程序下水箱液位SV1=SV1下水箱液位PV1=PV1上水箱液位SV1=20*OP1/100上水箱液位PV1=PV2if 下水箱液位PV120 then下水箱液位PV1=20endifif 上水箱液位PV120 then上水箱液位PV1=20(3) 退出腳本程序!SetDevice(調(diào)節(jié)儀1,2, )!SetDevice(調(diào)節(jié)儀2,2, )endif程序注釋：SetDevice(DevName，DevOp，CmdStr)函數(shù)意義：按照設(shè)備名字對設(shè)備進(jìn)行操作。返 回 值：數(shù)值型。返回值：=0：調(diào)用正常。0：調(diào)用不正常。參 數(shù)：DevName，設(shè)備名，字符型；DevOp，設(shè)備操作碼，數(shù)值型；CmdStr，設(shè)備命令字符串，只有當(dāng)DevOp=6時CmdStr才有意義。Dev