【導(dǎo)讀】位控制得當(dāng)就能夠提高生產(chǎn)效率以及產(chǎn)品的質(zhì)量。這些不同背景的液位控制都可以簡。化為雙容水箱的水位控制問題。本文基于MCGS組態(tài)軟件，使用AE2020B型過程控制實驗裝置，運用PLC技術(shù)，箱水位的精確控制并且具有易于操作、運行可靠、抗干擾能力強的特點。雙容水箱階躍響應(yīng)參數(shù)........

　　

【正文】 已達(dá)到工藝要求，則整定結(jié)束；若達(dá)不到要求則需要再次按照上述（ 1） ～ （ 3） 進(jìn)行整定知道符合要求為止。 本次設(shè)計使用 MATLAB 軟件，利用水箱的傳遞函數(shù)，在 SIMULINK 中對控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，從而得到主副控制器理論參數(shù)。 MATLAB 軟件簡介 美國 The MathWorks 公司推出的 MATLAB 語言一直是國際科學(xué)界應(yīng)用和影響最廣泛的三大計算機語言之一。 MATLAB 主要面對科學(xué)計算、可視化以及交互式 程序設(shè)計 的高科技計算環(huán)境。它將 數(shù)值分析 、 矩陣計算 、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非 線性 動態(tài)系統(tǒng)的 建模 和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計以及必須進(jìn)行有效 數(shù)值計算 的眾多科學(xué) 領(lǐng)域 提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式 程序設(shè)計語言 （如 C、 Fortran）的編輯模式，代表了當(dāng)今國際科學(xué)計算軟件的先進(jìn)水平 ]15[ 。 MATLAB 主要由以下幾個部分組成： (1)MATLAB 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。 MATLAB 程序設(shè)計語言集成度高，語句簡介，其程序可靠性高、易于維護，可以大大提高解決問的效率和 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 25 水平。 (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 MATLAB文件的各種工具。 (3)圖形圖像系統(tǒng) 這是 MATLAB 圖形系統(tǒng)的基礎(chǔ)，包括完成 2D 和 3D 數(shù)據(jù)圖示、圖像處理、動畫生成、圖形顯示等功能的高層 MATLAB 命令，也包括用戶對圖形圖像等對象進(jìn)行特性控制的低層 MATLAB 命令，以 及開發(fā) GUI 應(yīng)用程序的各種工具。 (4)MATLAB 數(shù)學(xué)函數(shù)庫 這是對 MATLAB 使用的各種數(shù)學(xué)算法的總稱．包括各種初等函數(shù)的算法，也包括矩陣運算、矩陣分析等高層次數(shù)學(xué)算法。 (5)MATLAB 應(yīng)用程序接口 (API) 這是 MATLAB 為用戶提供的一個函數(shù)庫，使得用戶能夠在 MATLAB 環(huán)境中使用 C 程序或 FORTRAN 程序，包括從 MATLAB 中調(diào)用于程序 (動態(tài)鏈接 )，讀寫 MAT 文件的功能。 在這里主要用到的是 MATLAB 中的 SIMULINK 工具箱 ]17[ 。通過 SIMULINK 工具箱根據(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，模擬出被控系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線，再對主副調(diào)節(jié)器的 PID 參數(shù)進(jìn)行調(diào)整， 得到主、副控制器的初步整定參數(shù)。 副回路參數(shù)整定 打開 MATLAB 軟件點擊 SIMULINK 圖標(biāo)彈出 SIMULINK 工具箱，在 SIMULINK工具箱之中點擊新建，創(chuàng)建一個新的窗口，在 SIMULINK 工具箱中選擇階躍信號模塊、 PID 模塊、示波器模塊、傳遞函數(shù)模塊、輸出模塊拖放至窗口之中，搭建出系統(tǒng)的副回路，把躍信號模塊設(shè)置為在時間為 0 時對系統(tǒng)加入大小為 10 的階躍信號，在傳遞函數(shù)模塊之中輸入上水箱傳遞函數(shù)。如圖 53 所示。 圖 53 副回路仿真圖 根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)在液位中 PID 參數(shù)的取值范圍為： P=20~80%， T=60~300s，把參數(shù)P 的值由小到大進(jìn)行設(shè)定并比較系統(tǒng)的階躍曲線，在階躍響應(yīng)曲線較理想的情況之下盡量選擇較小的 P 參數(shù)。經(jīng)過反復(fù)試驗測得當(dāng) PK =45 時，其階躍響應(yīng)曲線比較理想， 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 26 見圖 54。 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10012345678910 圖 54 副回路階躍響應(yīng)曲線 主回路參數(shù)整定 在上述副回路的基礎(chǔ)之上加入主回路，形成串級控制系統(tǒng)，如下圖所示： 圖 55 串級控制系統(tǒng)仿真圖 把副控制器的放大系數(shù)設(shè)置為 45，主控制器的積分時間、微分時間都設(shè)置為零，然后對放大系數(shù)進(jìn)行整定。整定好放大系數(shù)之后再整定積分時間，然后在整定微分時間。經(jīng)過反復(fù)試驗得到 pK =45， IT =30， DT =10 時階躍響應(yīng)曲線比較理想，見圖 56。 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 2002468101214 圖 56 串級控制階躍響應(yīng)曲線 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 27 抗干擾能力驗證 （ 1）主回路抗干擾能力 在系統(tǒng)的主回路之中加入階躍值為 40 的一次擾動信號，主副調(diào)節(jié)器的參數(shù)不變，如圖 57 所示。 圖 57 加入一次擾動仿真圖 運行之后得到響應(yīng)曲線見圖 58。 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 2002468101214 圖 58 一次擾動響應(yīng)曲線 由 圖可知在系統(tǒng)在 受到一次擾動信號的干擾之后，能夠很短的時間內(nèi)消除干擾，具有 響應(yīng)時間快、超調(diào)量小、靜態(tài)偏差小的特點。 （ 2）副回路抗干擾能力 在系統(tǒng)的副回路之中加入階躍值為 40 的二次擾動信號，主副調(diào)節(jié)器的參數(shù)不變，如圖 59 所示。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 28 圖 59 加入一次擾動仿真圖 運行之后得到響應(yīng)曲線見圖 510。 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 2002468101214 圖 510 二次擾動響應(yīng)曲線 由圖可知相同大小的干擾信號加入到副回路之時，對系統(tǒng)輸出的影響遠(yuǎn)小于加入到主回路，說明系統(tǒng)的副回路具有良好的抗干擾能力，大大降低了二次擾動對整個系統(tǒng)的影響。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 29 第 6 章 組態(tài)界面設(shè)計 總 體設(shè)計 （ 1）工程的框架結(jié)構(gòu) 工程定義的名稱為 “ 雙容水箱水位控制系統(tǒng) .mcg” 工程文件。根據(jù)設(shè)計的要 求總共建立了兩個用戶窗口，分別用于水位控制以及各種數(shù)據(jù)的顯示；四個主菜 單：控制顯示、報警數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)顯示、水箱歷史數(shù)據(jù)，構(gòu)成了該工程的基本骨架。 （ 2） 動畫圖形的制作 水位控制窗口是一幅模擬系統(tǒng)真實工作流程并實施監(jiān)控操作的動畫窗口，是 打開工程時首先顯示的圖形窗口 (啟動窗口 )。包括： ① 水位控制系統(tǒng)：由 水泵、上水箱、下水箱和閥門組成，這些元件由 “ 對象元件庫管理 ” 調(diào) 入；儲水水箱則是由標(biāo)簽表示；管道通過流動塊勾畫再經(jīng)過動畫屬性設(shè)置賦予其動畫功能。 ② 水量的顯示：通過標(biāo)簽構(gòu)件實現(xiàn)。 ③ 報警動畫顯示： 由 “ 對象元件庫管理 ” 調(diào)入。 （ 3） 控制流程的實現(xiàn) 選用策略構(gòu)件箱中的 “ 腳本程序 ” 功能構(gòu)件，設(shè)置構(gòu)件的屬性，編制控制程序，實現(xiàn)水位、水泵、電動調(diào)節(jié)閥有效控制。 （ 4）各種功能的實現(xiàn) 該工程應(yīng)該實現(xiàn)：歷史曲線、歷史數(shù)據(jù)的顯示，報警顯示，調(diào)節(jié)器 PID 參 數(shù)在線修改等功能。 ① 歷史曲線：選用歷史曲線構(gòu)件實現(xiàn)； ② 歷史數(shù)據(jù)： 選用歷史表格構(gòu)件實現(xiàn)； ③ 報警顯示：選用報警顯示構(gòu)件實現(xiàn)； ④ 調(diào)節(jié)器 PID 參數(shù)在線修改：通過按鈕輸入實現(xiàn)； ⑤ 手動與自動控制方式的選擇， PLC 運行狀態(tài)的控制都是由按鈕操作實現(xiàn)。 ⑥ 工程報表：歷史數(shù)據(jù)選用存盤數(shù)據(jù)瀏覽策略構(gòu)件實現(xiàn)，報警歷史數(shù)據(jù)選用報警信息瀏覽策略構(gòu)件實現(xiàn)，實時報表選用自由表格構(gòu)件實現(xiàn)，歷史報表選用歷史表格構(gòu)件實現(xiàn)。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 30 具體組態(tài)過程 水箱動畫界面 進(jìn)入 MCGS 組態(tài)界面新建一個工程，定義工程的名稱為 “ 雙容水箱水位控制系統(tǒng) .mcg” 并保存。在工作臺中點擊 “ 用戶窗口 ” 中的 “ 新建窗口 ” 建立兩個新窗口并分別命名為 “ 水位控制 ”“ 數(shù)據(jù)顯示 ” 如圖。水位控制窗口主要由雙容水箱動畫界面，報警裝置， PID 參數(shù)顯示等部分組成；數(shù)據(jù)顯示窗口完成水箱水位的實時顯示。 雙擊 “ 水位控制 ” 窗口建立水箱動畫，雙容水箱動畫界面 由一個 水泵、上水箱、下水箱和 4 個閥門組成，管道通過流動塊勾畫。其主要的工作流程為水泵將水箱中的“ 水 ” 抽出來經(jīng)過調(diào)節(jié)閥送入上水箱中，上水箱中的 “ 水 ” 通過手動閥 3 流入下水箱，下水箱的 “ 水 ” 經(jīng)過手動閥 4 流入儲水水箱中。手動閥 2 的主要作用是為下水箱添加擾動。調(diào)節(jié)閥的開度可以通過 PLC 進(jìn)行控制， 通過控制調(diào)節(jié)閥的開度便可以控制上水箱入水的流量從而控制水箱水位。其整體畫面如圖 61 所示。 圖 61 水箱動畫界面 定義數(shù)據(jù)變量 實時數(shù)據(jù)庫是 MCGS 工程的數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)處理中心， MCGS 對水箱的監(jiān)控都是通過對實時數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行控制來實現(xiàn)的。 在實時數(shù)據(jù)庫中新建數(shù)據(jù)對象，按照表 61 對這些變量進(jìn)行定義。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 31 表 61 數(shù)據(jù)變量一覽表 變量名稱 類 型 注 釋 水泵 開 關(guān) 型 控制水泵 “ 啟動 ” 、 “ 停止 ” 的變量 調(diào)節(jié)閥 開關(guān) 型 控制調(diào)節(jié)閥 “ 打開 ” 、 “ 關(guān)閉 ” 的變量 手動閥 1 開 關(guān) 型 控制手動閥 1“ 打開 ” 、 “ 關(guān)閉 ” 的變量 手動閥 2 開 關(guān) 型 控制手動閥 2“ 打開 ” 、 “ 關(guān)閉 ” 的變量 手動閥 3 開 關(guān) 型 控制手動閥 3“ 打開 ” 、 “ 關(guān)閉 ” 的變量 手動閥 4 開 關(guān) 型 控制手動閥 4“ 打開 ” 、 “ 關(guān)閉 ” 的變量 液位 1 數(shù) 值 型 上水箱的水位高度 液位 2 數(shù) 值 型 下水箱的水位高度 液位組 組 對 象 用于歷史數(shù)據(jù)、歷史曲線、報表輸出等功能構(gòu)件 副調(diào)節(jié)器 P 數(shù) 值 型 用于副調(diào)節(jié)器增益的讀取、設(shè)定 副回路測量值 PV 數(shù) 值 型 用于讀取串級控制副回路的測量值 PV 副回路輸出值 OP 數(shù) 值 型 用于讀取串級控制副調(diào)節(jié)器的輸出值ＯＰ 手動、自動 開 關(guān) 型 用于系統(tǒng)手動、自動控制的切換 手動輸出值 OP 數(shù) 值 型 系統(tǒng)手動輸出狀態(tài)時控制調(diào)節(jié)閥的開度。 主調(diào)節(jié)器 P 數(shù) 值 型 用于主調(diào)節(jié)器增益的讀取、設(shè)定 主調(diào)節(jié)器 I 數(shù) 值 型 用于主調(diào)節(jié)器積分時間的讀取、設(shè)定 主調(diào)節(jié)器 D 數(shù) 值 型 用于主調(diào)節(jié)器微分時間的讀取、設(shè)定 主回路測量值 PV 數(shù) 值 型 用于讀取串級控制主回路的測量值 PV 主回路輸出值 OP 數(shù) 值 型 用于讀取串級控制主調(diào)節(jié)器的輸出值 ＯＰ 動畫連接 由圖形原件搭建出來的圖形界面并非動態(tài)的，要整個界面動起來則需要把界面中的各個器件與實時數(shù)據(jù)庫中的相應(yīng)數(shù)據(jù)連接起來，器件把它所對應(yīng)的數(shù)據(jù)變化通過一定的方式顯現(xiàn)出來。 下面以數(shù)據(jù)庫中液位 1 以及流動塊的變量連接為例說明動畫連接過程。 雙擊水箱動畫界面中的上水箱便會彈出單元屬性設(shè)置窗口，在動畫連接一欄中點擊 “ 折線 ” 標(biāo)志 進(jìn)入動畫組態(tài)屬性設(shè)置窗口，在大小變化中點擊 “ 問號 ” 選擇液位 1，表達(dá)式的值設(shè)置為 33，其它不變，點擊確定之后，變量連接完成。水泵、閥門 的連接與此相似。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 32 圖 62 變量連接 流動塊的動態(tài)連接則與此不同，雙擊 水箱動畫界面中的流動快便會彈出流動塊構(gòu)建屬性設(shè)置窗口，在流動屬性一欄中需要填寫流動塊的表達(dá)式。該表達(dá)式是流動快動態(tài)連接的關(guān)鍵，該表達(dá)是需要根據(jù)流動塊在界面之中的具體位置來確定。如上水箱下面的流動塊的表達(dá)式應(yīng)該為：手動閥 3=1，其意義為當(dāng)手動閥 3 打開時流動塊流動表示有水流通過。 水位數(shù)據(jù)及曲線 在水位控制中各水箱數(shù)據(jù)的實時顯示以及水位走向曲線是十分重要的 ，通過這些曲線我們可以對整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)控制中所存在的問題。在組態(tài)界面中建立了一個數(shù)據(jù)顯示窗口來顯示水位的歷史數(shù)據(jù)及其曲線。 （ 1）歷史數(shù)據(jù) 在工具箱中單擊 “ 歷史表格 ” 圖標(biāo)，在桌面上的光標(biāo)便會變成一個十字，點下鼠標(biāo)的左鍵把表格拖放至適當(dāng)大小。雙擊歷史表格，在表格的第一行中輸入 “ 采集時間 ” ，“ 液位 1” ， “ 液位 2” ；點擊鼠標(biāo)右鍵選擇連接。 雙擊表格中有反斜杠的的地方，彈出數(shù)據(jù)庫連接設(shè)置窗口，在該窗口中完成 “ 基本屬性 ” 、 “ 數(shù)據(jù)來源 ” 的設(shè)置，按“ 確定 ” 鍵退出。完成之后便能在運行環(huán)境之下記錄并且顯示 水位數(shù)據(jù)了。 （ 2）實時曲線 實時曲線是把采集到的也為數(shù)據(jù)以曲線的形式顯示出來，把液位的變化情況直觀的顯示出來。 在 MCGS 的 “ 用戶窗口 ” 中雙擊 “ 數(shù)據(jù)顯示 ” 進(jìn)入，在工具箱中選中實時曲線，在桌面上的光標(biāo)便會變成一個十字，點下鼠標(biāo)的左鍵把框圖拖放至適當(dāng)大小。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)