【文章內(nèi)容簡介】 便的開發(fā)各種用 型號(hào) 功能 I7107 模 擬 量 輸 入 分辨率 16bit 輸入通道 8 路差動(dòng) 采樣率 10Hz 電壓輸入 +/150mV +/500mV +/1mV +/5V +/10V 電流輸入 +/20mA 型號(hào) 功能 I7024 模 擬 量 輸 出 分辨率 14bit 輸出 通道 4 路差動(dòng) 電壓輸出 +/10V +/5V 0~10V 0~5V 電流輸出 0~20mA 4~20mA 基于模糊自適應(yīng) PID 算法的液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 8 于現(xiàn)場采集、數(shù)據(jù)處理和控制的設(shè)備。 同時(shí) MCGS能夠?qū)νㄟ^這些設(shè)備采集來現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并以畫面顯示，報(bào)表的輸出等多種方式向用戶提供各種能夠解決實(shí)際的工程問題的方案，在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。 MCGS 組態(tài)軟件的 特點(diǎn) (1) 操作界面簡單靈活，可視化，而且全中文，符合國人的使用習(xí)慣，入門容易。 (2) 實(shí)時(shí)性很強(qiáng)，且并行處理系統(tǒng)的性能良好。 (3) 多媒體畫面生動(dòng)、豐富，能夠?yàn)槭褂萌藛T及時(shí)的提供相關(guān)實(shí)時(shí)信息。 (4) 強(qiáng)大的安全機(jī)制，能夠?yàn)槎鄠€(gè)不同級(jí)別的用戶設(shè)定相應(yīng)的操作權(quán)限。 (5) 通訊良好，具有很強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能。 (6) 能夠支持各種用于現(xiàn)場采集、數(shù)據(jù)處理和控制的設(shè)備。 MCGS 組態(tài)軟件的構(gòu)成 MCGS組態(tài)系統(tǒng)由組態(tài)環(huán)境、運(yùn)行環(huán)境兩大 部分 組成 。 其中 文件 為 MCGS 組態(tài) 系統(tǒng)的組態(tài)環(huán)境，文件 為 MCGS 組態(tài) 系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境 [1]。 兩個(gè)環(huán)境的圖標(biāo)如圖 28 所示： 圖 28 MCGS 圖標(biāo) 用戶的一切 組態(tài) 的 配置過程都 需要 在 MCGS 的 組態(tài)環(huán)境中進(jìn)行，組態(tài)環(huán)境 就好比是相 一套完整的工具件，它 能夠幫助用戶設(shè)計(jì)并構(gòu)造自己想要的 應(yīng)用系統(tǒng) [1]。 運(yùn)行環(huán)境 的含義：它 是一個(gè)獨(dú)立的運(yùn)行系統(tǒng)，它是以組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫中用戶指定的方式進(jìn)行 處理，完成用戶組態(tài)設(shè)計(jì)的目標(biāo)和功能。運(yùn)行環(huán)境本身沒有任何意義，必須與組結(jié)果數(shù)據(jù)庫一起作為一個(gè)整體，才能構(gòu)成用戶應(yīng)用系統(tǒng)。一旦組態(tài)工作完成，運(yùn)行環(huán)境和組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫就可以離開組態(tài)環(huán)境而獨(dú)立運(yùn)行在監(jiān)控計(jì)算機(jī)上。 MCGS 系統(tǒng) 就是通過 組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫 ，完成了 從組態(tài)環(huán)境向運(yùn)行環(huán)境 的過渡 的過程 ，它們之間系如下圖 29 所示。 9 圖 29 MCGS 組態(tài) 系統(tǒng)的構(gòu)成關(guān)系 由 MCGS 系統(tǒng)生成的用戶應(yīng)用系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)主要由 主控窗口、 用戶窗口 、 設(shè)備窗口、實(shí) 時(shí) 數(shù)據(jù) 庫和運(yùn)行策略五個(gè)部分構(gòu)成 [1]，如下圖 210 所示。 圖 210 MCGS 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) MCGS 的設(shè)計(jì) 首先，建立一個(gè)新的工程，用鼠標(biāo)單擊“新建工程”選項(xiàng)，如果 MCGS 安裝在 D 盤根目錄下，則會(huì)在 D： \ MCGS\WORK\下自動(dòng)生成新建工程，如圖 211： MCGS 主控窗口 設(shè)備窗口 運(yùn)行策略 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫 用戶窗口 系統(tǒng)菜單 系統(tǒng)參數(shù) 啟動(dòng)參數(shù) 設(shè)備構(gòu)件n 設(shè)備構(gòu)件1 動(dòng)畫構(gòu)件 圖符 數(shù)據(jù)對象 圖元 退出策略 循環(huán)策略 啟動(dòng)策略 存盤處理 警報(bào)處理 自定義策略 組態(tài)環(huán)境 ： 組態(tài)生成 應(yīng)用系統(tǒng) 運(yùn)行環(huán)境： 解釋執(zhí)行 組態(tài)結(jié)果 組 態(tài)結(jié)果 數(shù)據(jù)庫 。 基于模糊自適應(yīng) PID 算法的液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 10 圖 211 主控窗口界面 其次，開始制作工程畫面， 雙擊新建的窗口，進(jìn)入組態(tài)畫面，如圖 212： 圖 212 系統(tǒng)元件庫 MCGS提供了 8種圖元對象、 27個(gè)圖符對象和 19個(gè)動(dòng)畫構(gòu)件，我們可以根據(jù)實(shí)際的需要及圖像 11 美觀性的要求畫出一個(gè)圖形界面，再對所選擇的元件設(shè)置屬性，與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中的變量建立，某些作為顯示輸出，某些作為控制信號(hào)寫入，這樣一個(gè)用戶窗口就完成了。我們可以根據(jù)自己不同的要求建立多個(gè)用戶窗口，來實(shí)現(xiàn)不同的功能。 接著是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的建立，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫是 MCGS工程的數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)處理中心。數(shù)據(jù)對象是構(gòu)成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的基本元件，建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的過程也就是定義數(shù)據(jù)庫對象的處理過程。定義數(shù)據(jù)對象的內(nèi)容主要包括： (1)指定數(shù)據(jù)變量的名稱、類型、初始值和數(shù)值范圍。（ 2）確定與數(shù)據(jù)變量存盤相關(guān)的參數(shù)，如存盤的周期、存盤的時(shí)間范圍和保存期限等。如圖 213 圖 213 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的建立 在完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)褲的創(chuàng)建之后，開始在運(yùn)行策略窗口里編寫腳本程序如圖 214： 基于模糊自適應(yīng) PID 算法的液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 12 圖 214 運(yùn)行策略窗口 最后進(jìn)行動(dòng)畫連接，對這些圖形對象進(jìn)行動(dòng)畫設(shè)計(jì)，真實(shí)的描述外界對象的狀態(tài)變化，達(dá)到過程實(shí) 時(shí)監(jiān)控的目的。 MATLAB 仿真軟件 MATLAB 是 MATrix LABoratory（矩陣實(shí)驗(yàn)室）的縮寫，它自從 1984 年由美國 Math Works公司推出以來，經(jīng)過不斷改進(jìn)和發(fā)展，現(xiàn)已成為國際公認(rèn)的優(yōu)秀的工程應(yīng)用開發(fā)環(huán)境。 其中，MATLAB 的主要優(yōu)勢 如下： （ 1）簡單移用的程序語言 [2] MATLAB 語言是 以現(xiàn)在最 流行的 一種語言， C++語言 為基礎(chǔ) 的，所以 語法 的表示 與 C++語言很相似，甚至 更加 的 簡單 、容易 ，更加 的符合使用人員對數(shù)學(xué)表達(dá)式的書寫習(xí)慣。使它能夠被更多的非計(jì)算機(jī)專業(yè)的人 使用 ，具有很廣泛的使用范圍 。 而且 MATLAB 語言 還具有很強(qiáng)的可移植性和極強(qiáng)的可擴(kuò)展性 ，這也 是 MATLAB 仿真軟件 之所以能夠 被廣泛的 深入到 各種的 科學(xué)研究 以 及 各種的工程計(jì)算當(dāng)中去 的 一個(gè)很 重要 的 原因。 （ 2） 具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和科學(xué)計(jì)算能力 [2] MATLAB 仿真軟件包含 600 多個(gè)工程 當(dāng) 中 經(jīng)常 要用的數(shù)學(xué)計(jì)算函數(shù)，可以 滿足 用戶所想要 的各種計(jì)算功能。 在 具有 相同的 計(jì)算要求的 情況下，使用 MATLAB 仿真軟件能夠大大減少使用人員的工作量 。 （ 3）模塊化的設(shè)計(jì)和系統(tǒng)仿真 [2] 自 MATLAB 面世以來，其應(yīng)用范圍越來越廣，軟件工具越來越完善，特別是 MATLAB 的控 13 制系統(tǒng)相關(guān)工具箱及 Simulink 的問世，給控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)帶來了極大的方便，現(xiàn)已成為風(fēng)行國際的、有力的控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助分析工具。 Simulink 是 MATLAB 的一個(gè) 重要 分支產(chǎn)品， 它的 主要 功能就是實(shí)現(xiàn)對工程的模型化以及對工程的 動(dòng)態(tài)仿真。在 當(dāng)前 模型化流行 的背景下， Simulink 正好體現(xiàn)了這種模塊化的設(shè)計(jì)思想，讓 建模和 仿真 變得十分簡單 。 Simulink 對仿真的實(shí)現(xiàn)可以應(yīng)用 很多的領(lǐng)域，例如在信號(hào)控制、金融財(cái)會(huì)等諸多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用 。 Simulink 庫包含許多控制系統(tǒng)方框圖所需的模塊，如輸入源（ Sources）、輸出方式（ Sinks）、連續(xù)系統(tǒng)模型（ Continuous）、數(shù)字運(yùn)算（ Math）等。根據(jù)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，用戶可以從輸入源、輸出方式、連續(xù)系統(tǒng)模型、數(shù)字運(yùn)算等模型庫中“拖入”各種模塊，按要求連接并修改各模塊的參數(shù)，即可完成系統(tǒng)模型的建立。 Simulink 提供 了 一個(gè)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的環(huán)境。在該環(huán)境中，通過簡單直觀的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。 同時(shí)， Simulink 具有結(jié)構(gòu)和流程清晰 、 仿真精細(xì)、適應(yīng)面廣、貼近實(shí)際、效率高 等優(yōu)點(diǎn)， 基于以上優(yōu)點(diǎn) Simulink 已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號(hào)處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計(jì)。 基于模糊自適應(yīng) PID 算法的液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 14 3 PID 控制系統(tǒng) PID 控制概述 在 實(shí)際 的工程 中， 比例 、 積分 、 微分 控制 是在工業(yè)工程當(dāng)中應(yīng)用最多的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律 ，簡稱PID控制，又稱 PID調(diào) 節(jié)。 PID控制器的提出到現(xiàn)在 已有近 70多 年 的 歷史 了，它憑借著 簡單 的結(jié)構(gòu)、良好的穩(wěn)定性和可靠性，而且 調(diào)整方便 等特點(diǎn)，使之 成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對象的結(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)場調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用 PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用 PID控制技術(shù)。 PID控制，實(shí)際中也有 PI和 PD控制。 PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、 微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。 作為經(jīng)典的控制理論， PID 控制仍然 在 當(dāng)今工 業(yè)控制行業(yè)中占據(jù)主導(dǎo)的地位，是最主要的控制方式 ，無論 要控制的系統(tǒng)是簡單還是復(fù)雜 ， PID 控制 一般都可以獲得很好的效果 ， 當(dāng)然 PID 參數(shù) 的選取必須恰當(dāng)，合適 ?？梢哉f，通過適當(dāng)?shù)?PID 參數(shù)， PID 控制可以得到各種輸出響應(yīng)特性，也就是說， 只要給定 PID參數(shù) 適當(dāng)、合適 ， PID控制都能很好的完成控制任務(wù) 。 PID控制具有以下的優(yōu)點(diǎn)： 1. 原理簡單， PID控制是有 P、 I、 D三個(gè)環(huán)節(jié)的通過不同的組合而成，可以單獨(dú)的使用 P 控制，也可以同時(shí)進(jìn)行 PI 控制或 PID 控 制。 2. 適應(yīng)性強(qiáng)，應(yīng)用廣泛，在化工、熱工、冶金、煤油 等各種生產(chǎn)部門 都以 PID控制為主 。 3. 魯棒性強(qiáng)，即其控制品質(zhì)對被控制對象特性的變化不大敏感。 比例 (P)調(diào)解 比例 （ P）控制是 最簡單的 一種 控制方式，當(dāng) 一個(gè) 系統(tǒng) 只存在比例控制時(shí)，其 輸出 往往存在穩(wěn)態(tài)誤差，其傳遞函數(shù) 為： Pc KsG ?)( ? ?13? 式中， kp 為比例系數(shù) ，有些傳統(tǒng)的控制器會(huì)經(jīng) 常用比例帶（ Proportional Band， PB）來取代比例系數(shù) kp，比例帶是比例系數(shù)的倒數(shù)，比例帶也稱為比例度 [6]。 比例（ P） 控制只改變系統(tǒng)的增益而不影響相位，它 主要對系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差和穩(wěn)定性產(chǎn)生影響 ，增大比例系數(shù) kp，使得系統(tǒng)的動(dòng)作靈敏，響應(yīng)速度加快，但會(huì)使振蕩次數(shù)增加，調(diào)節(jié)時(shí)間拉長，甚至使系統(tǒng)趨向不穩(wěn)定。對穩(wěn)態(tài)特性的影響，加大 kp，在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下可以減小靜差 Ess，提高控制精度，但不能消除靜差 。 因此，在系統(tǒng)校正和設(shè)計(jì)中 P 控制一般不單獨(dú)使用。 具有比例控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 31 所示。 15 圖 31 比例調(diào)節(jié)器控制框圖 其特征方程式為： 0)()(1)( ??? shsgksd P ? ?23? 積分（ I）調(diào)節(jié) 具有積分控制規(guī)律的控制稱為積分控制，即 I 控制， I 控制的傳遞函數(shù)為： sksg IC ?)( ? ?33? 其中， Ik 稱為積分系數(shù)。 控制器的輸出信號(hào)為： ?? tI dttektu 0 )()( ? ?43? 或者說，積分控制器輸出信號(hào) )(tu 的變化速率與輸入信號(hào) )(te 成正比，即： )()( tekdttdu I? ? ?53? 積分控制往往使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，積分時(shí)間 常數(shù) Ti變小，會(huì)使系統(tǒng)震蕩次數(shù)增加，甚至不穩(wěn)定，積分時(shí)間 常數(shù) Ti 變大，則對系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響減小。 對穩(wěn)態(tài)特性的影響，積分控制往往能 消除系統(tǒng)的靜差，提高系統(tǒng)的控制精度，但是如果積分時(shí)間常數(shù) Ti太大，會(huì)使積分作用太弱，就無法減少誤差。 因此，積分控制一般不單獨(dú)使用，通常結(jié)合比例控制器構(gòu)成比例積分 (PI)控制器 [6]。 比例積分（ PI）調(diào)節(jié) 具有比例積分 控制規(guī)律的控制稱為比例 積分微分控制，即 PI 控制， PI 控制的傳遞函數(shù)為： s TsKsTKKsG iPiPPc???????? ???? 11)( ? ?63? 其中， PK 為比例系數(shù)， iT 稱為積分時(shí)間常數(shù)，兩者都是可調(diào)的參數(shù)。 控制器的輸出信號(hào)為： kp g（ s） h(s) r(s) c(s) _ + 基于模糊自適應(yīng) PID 算法的液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 16 tdteTKteKtu iPP ??? t0 )()()( ? ?73? PI控制器可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。 所以 在實(shí)際工程中， PI控制器通常用來提高 系統(tǒng)的穩(wěn)定性能。 比例積分微分（ PID）調(diào)節(jié)