【導(dǎo)讀】本論文的目的是設(shè)計(jì)雙容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)中充分利用自動(dòng)化。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)。對(duì)控制系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析。然后，設(shè)計(jì)并組建儀表過程控制系統(tǒng)，通過智能調(diào)

　　

【正文】 仿真框圖 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。 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 。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 第 3 章 系統(tǒng)控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與仿真 31 圖 MATLAB 不加入副回路仿真曲線 圖 為加入副回路時(shí)的仿真曲線： 圖 為切除副回路時(shí)的仿真曲線 . 由 和 兩圖對(duì)比可見，引入副回路組成雙 容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)后動(dòng)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(duì)被控對(duì)象的調(diào)節(jié)能力更強(qiáng)。 2．抗擾動(dòng)能力 維持初始階躍信號(hào)不變，并在副回路中加入擾動(dòng)信號(hào)，觀察響應(yīng)曲線 . 在410s 經(jīng)過慣性環(huán)節(jié)向副回路加入階躍值為 70 的擾動(dòng)信號(hào)?？刂破鲄?shù)不變。 圖 SIMULINK 仿真框圖 西安交通大學(xué)城市學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 32 圖 MATLAB 加入副回路仿真曲線 圖 MATLAB 不加入副回路仿真曲線 圖 為加入副回路時(shí)的仿真曲線： 圖 為切除副回路時(shí)的仿真曲線 . 由圖 和圖 對(duì)比可見 ，引入副回路組成雙容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)后能夠很好的克服進(jìn)入副回路的擾動(dòng) ,及時(shí)消除擾動(dòng)對(duì)主參數(shù)的影響 .在克服二次擾動(dòng)方面串級(jí)控制比不加副回路的非串級(jí)控制好。 綜上所述 ,選擇串級(jí) PID控制的設(shè)計(jì)方案完成對(duì)水箱液位的控制調(diào)節(jié)應(yīng)當(dāng)是可行的 .而且在改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性、抗擾動(dòng)能力等方面與非串級(jí)控制系統(tǒng)是較為有效的。但是仿真曲線只是在計(jì)算機(jī)上通過對(duì)實(shí)際系統(tǒng)仿真得到的較理想的模擬曲線 .實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)必須綜合考慮各方面的因素 ,不可能得到與計(jì)算機(jī)仿真一致的理想曲線和控制性能。 第 4 章 組態(tài)軟件的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析 33 第 4 章 組態(tài)軟件的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析 MCGS 組態(tài)軟件介紹 計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，為工業(yè)自動(dòng)化開辟了廣闊的發(fā)展空間，用戶可以方便快捷地組建優(yōu)質(zhì)高效的監(jiān)控系統(tǒng)，并且通過采用遠(yuǎn)程監(jiān)控及診斷等先進(jìn)技術(shù)，使系統(tǒng)更加安全可靠，在這方面 MCGS 工控組態(tài)軟件發(fā)揮著重要的作用 . MCGS (Monitor and Control Generated System) 軟件是一套幾基于 Windows平臺(tái)的 32 位工控組態(tài)軟件，集動(dòng)畫顯示、流程控制、數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制與輸出、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸、工程報(bào)表、數(shù)據(jù)與曲線等諸多強(qiáng)大功能于一身，并支持國內(nèi)外眾多數(shù)據(jù)采集 與輸出設(shè)備 ,廣泛應(yīng)用于石油、電力、化工、鋼鐵、冶金、紡織、航天、建筑、材料、制冷、通訊、水處理、環(huán)保、智能樓宇、實(shí)驗(yàn)室等多種 行業(yè)。 MCGS 組態(tài)軟件由 “MCGS 組態(tài)環(huán)境 ” 和 “MCGS 運(yùn)行環(huán)境 ” 兩個(gè)部分組成。MCGS 組態(tài)環(huán)境是生成用戶應(yīng)用系統(tǒng)的工作環(huán)境，由可執(zhí)行程序 支持，用戶在 MCGS 組態(tài)環(huán)境中完成動(dòng)畫設(shè)計(jì)、設(shè)備連接、編寫控制流程、編制工程打印報(bào)表等全部組態(tài)工作后，生成擴(kuò)展名為 .mcg 的工程文件，又稱為組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫，其與 MCGS 運(yùn)行環(huán)境一起，構(gòu)成了用戶應(yīng)用系統(tǒng)，統(tǒng)稱為“工程” 。 MCGS 運(yùn)行環(huán)境是用戶應(yīng)用系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境，由可執(zhí)行程序 支持 ,以用戶指定的方式運(yùn)行 ,并進(jìn)行各種處理 ,完成用戶組態(tài)設(shè)計(jì)的目標(biāo)和功能 。 利用 MCGS 軟件組建工程的過程簡(jiǎn)介： (1)工程項(xiàng)目系統(tǒng)分析：分析工程項(xiàng)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(cè)控對(duì)象的特征，明確監(jiān)控要求和動(dòng)畫顯示方式，分析工程中的設(shè)備采集及輸出通道與軟件中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫變量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，分清哪些變量是要求與設(shè)備連接的，哪些變量是軟件內(nèi)部用來傳遞數(shù)據(jù)及動(dòng)畫顯示的。 (2)工程立項(xiàng)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(dòng)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(shè)定動(dòng)畫刷新的周期。經(jīng)過此步操作，即在 MCGS 組態(tài)環(huán)境中，建立了由五部分組成的工程結(jié)構(gòu)框架。 (3)設(shè)計(jì)菜單基本體系：為了對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)及工作流程進(jìn)行有效地調(diào)度和控制，通常要在主控窗口內(nèi)編制菜單。編制菜單分兩步進(jìn)行，第一步首先搭建西安交通大學(xué)城市學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 34 菜單的框架，第二步再對(duì)各級(jí)菜單命令進(jìn)行功能組態(tài)。在組態(tài)過程中，可根據(jù)實(shí)際需要，隨時(shí)對(duì)菜單的內(nèi)容進(jìn)行增加或刪除，不斷完善工程的菜單。 (4)制作動(dòng)畫顯示畫面：動(dòng)畫制作分為靜態(tài)圖形設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)屬性設(shè)置兩個(gè)過程。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(dòng)畫構(gòu)件庫，在用戶窗口內(nèi)組合成各種復(fù)雜的畫面。后一部分則設(shè)置圖形的動(dòng)畫屬性，與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中定義的變量建立相關(guān)性的連接關(guān)系，作為動(dòng)畫圖形的驅(qū)動(dòng)源。 (5)編寫控制流程程序：在運(yùn)行策略窗口內(nèi)，從策略構(gòu)件箱中，選擇所需功能策略構(gòu)件，構(gòu)成各種功能模塊，由這些模塊實(shí)現(xiàn)各種人機(jī)交互操作。 MCGS 還為用戶提供了編程用的功能構(gòu)件，使用簡(jiǎn)單的編程語言，編寫工程控制程序。 (6)完善菜單按鈕功能：包括對(duì)菜單命令、監(jiān)控器件、操作按鈕的功能組態(tài)；實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、各種曲線、數(shù)據(jù) 報(bào)表、報(bào)警信息輸出等功能；建立工程安全機(jī)制等。 (7)編寫程序調(diào)試工程：利用調(diào)試程序產(chǎn)生的模擬數(shù)據(jù)，檢查動(dòng)畫顯示和控制流程是否正確。 (8)連接設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序：選定與設(shè)備相匹配的設(shè)備構(gòu)件，連接設(shè)備通道，確定數(shù)據(jù)變量的數(shù)據(jù)處理方式，完成設(shè)備屬性的設(shè)置。此項(xiàng)操作在設(shè)備窗口內(nèi)進(jìn)行。 (9)工程完工綜合測(cè)試：最后測(cè)試工程各部分的工作情況，完成整個(gè)工程的組態(tài)工作，實(shí)施工程交接。 MCGS 軟件工程組態(tài) 通過 MCGS組態(tài)軟件在控制計(jì)算機(jī)上構(gòu)建一個(gè)人機(jī)交互界面，經(jīng)過 RS232/485轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與數(shù)據(jù)采集模塊 的通訊，將檢測(cè)變送裝置的信號(hào)傳送到控制計(jì)算機(jī)中，從而在人機(jī)交互界面中可以對(duì)水箱液位對(duì)象進(jìn)行監(jiān)控﹑控制器設(shè)計(jì)改造﹑數(shù)據(jù)瀏覽和存儲(chǔ)﹑記錄實(shí)驗(yàn)曲線等。 MCGS 組態(tài)軟件所建立的工程由主控窗口、設(shè)備窗口、用戶窗口、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和運(yùn)行策略五部分構(gòu)成，每一部分分別進(jìn)行組態(tài)操作，完成不同的工作，具有不同的特性 MCGS 組態(tài)軟件的工作方式： 第 4 章 組態(tài)軟件的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析 35 (1)MCGS 與設(shè)備通訊： MCGS 通過設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序與外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。包括數(shù)據(jù)采集和發(fā)送設(shè)備指令。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）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。 MCGS 負(fù)責(zé)在運(yùn)行環(huán)境中調(diào)用相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，將數(shù)據(jù)傳送到工程中各個(gè)部分，完成整個(gè)系統(tǒng)的通訊過程。每個(gè)驅(qū)動(dòng)程序獨(dú)占一個(gè)線程，達(dá)到互不干擾的目的。 (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。所謂動(dòng)畫屬性是反映圖形大小、顏色、位置、可見度、閃爍性等狀態(tài)的特征參數(shù)。在圖形的每一種動(dòng)畫屬性中都有一個(gè)“表達(dá)式”設(shè)定欄，其中設(shè)定一個(gè)與圖形狀態(tài)相聯(lián)系的數(shù)據(jù)變量，連接到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù) 庫中，以此建立相應(yīng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系， MCGS 稱之為動(dòng)畫連接。 (3)當(dāng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中測(cè)控對(duì)象的狀態(tài)（如：水箱液位高度等）發(fā)生變化時(shí)，通過設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?qū)⒆兓臄?shù)據(jù)采集到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的變量中，該變量是與動(dòng)畫屬性相關(guān)的變量，數(shù)值的變化，使圖形的狀態(tài)產(chǎn)生相應(yīng)的變化（如高低變化）。現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)是連續(xù)被采集進(jìn)來的，這樣就會(huì)產(chǎn)生逼真的動(dòng)畫效果（如水箱液面的升高和降低）。用戶也可編寫程序來控制動(dòng)畫界面，以達(dá)到滿意的效果。 (4)MCGS 實(shí)施遠(yuǎn)程多機(jī)監(jiān)控： MCGS 提供了一套完善的網(wǎng)絡(luò)機(jī)制，可通過TCP/IP 網(wǎng)、 Modem 網(wǎng)和串口網(wǎng)將多臺(tái)計(jì) 算機(jī)連接在一起，構(gòu)成分布式網(wǎng)絡(luò)測(cè)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)同步、歷史數(shù)據(jù)同步和網(wǎng)絡(luò)事件的快速傳遞。同時(shí)，可利用 MCGS 提供的網(wǎng)絡(luò)功能，在工作站上直接對(duì)服務(wù)器中的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行讀寫操作。分布式網(wǎng)絡(luò)測(cè)控系統(tǒng)的每一臺(tái)計(jì)算機(jī)都要安裝一套 MCGS 工控組態(tài)軟件。 MCGS把各種網(wǎng)絡(luò)形式，以父設(shè)備構(gòu)件和子設(shè)備構(gòu)件的形式，供用戶調(diào)用，并進(jìn)行工作狀態(tài)、端口號(hào)、工作站地址等屬性參數(shù)的設(shè)置。 (5)MCGS 控制工程運(yùn)行流程： MCGS 開辟了專用的“運(yùn)行策略”窗口，建立用戶運(yùn)行策略。 MCGS 提供了豐富的功能構(gòu)件，供用戶選用，通過構(gòu)件配置 和屬性設(shè)置兩項(xiàng)組態(tài)操作，生成各種功能模塊 ,使系統(tǒng)能夠按照設(shè)定的順序和條件，操作實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)畫窗口的任意切換，控制系統(tǒng)的運(yùn)行流程和設(shè)備的工作狀態(tài)。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。 在 MCGS 組態(tài)環(huán)境下的工程組態(tài)流程如下 1. 主控窗口設(shè)計(jì) 西安交通大學(xué)城市學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 36 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。在主控窗口中可以放置一個(gè)設(shè)備窗口和多個(gè)用戶窗口，負(fù)責(zé)調(diào)度和管理這些窗口的打開或關(guān)閉。并調(diào)度用戶策略的運(yùn)行。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。在 MCGS 單機(jī)版中，一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)只允許有一個(gè)主控窗口，主控窗口是作為一個(gè)獨(dú)立的對(duì)象存在的，其強(qiáng)大的功能和復(fù)雜的操作都被封裝在對(duì)象的內(nèi)部，組態(tài)時(shí)只需對(duì)主控窗口的屬性進(jìn)行正確地設(shè)置即可。 主要的組態(tài)操作包括：定義工程的名稱，編制工程菜單，設(shè)計(jì)封面圖形，確定自動(dòng)啟動(dòng)的窗口，設(shè)定動(dòng)畫刷新周期，指定數(shù)據(jù)庫存盤文件名稱及存盤時(shí)間等。 圖 結(jié)構(gòu) 圖 2．設(shè)備窗口設(shè)計(jì) 設(shè)備窗口是 MCGS 系統(tǒng)的重要組成部分，在設(shè)備窗口中建立系 統(tǒng)與外部硬件設(shè)備的連接關(guān)系，使系統(tǒng)能夠從外部設(shè)備讀取數(shù)據(jù)并控制外部設(shè)備的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控。 在 MCGS 中，實(shí)現(xiàn)設(shè)備驅(qū)動(dòng)的基本方法是：在設(shè)備窗口內(nèi)配置不同類型的設(shè)備構(gòu)件，并根據(jù)外部設(shè)備的類型和特征，設(shè)置相關(guān)的屬性，將設(shè)備的操作方法如硬件參數(shù)配置、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、設(shè)備調(diào)試等都封裝在構(gòu)件之中，以對(duì)象的形式與外部設(shè)備建立數(shù)據(jù)的傳輸通道連接。系統(tǒng)運(yùn)行過程中，設(shè)備構(gòu)件由設(shè)備窗口統(tǒng)一調(diào)度管理，通過通道連接，向?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)庫提供從外部設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)，從實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫查詢控制參數(shù)，發(fā)送給系統(tǒng)其它部分，進(jìn)行控制運(yùn)算和流程 調(diào)度，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)檢測(cè)和過程的自動(dòng)控制。 第 4 章 組態(tài)軟件的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析 37 MCGS 的這種結(jié)構(gòu)形式使其成為一個(gè)“與設(shè)備無關(guān)”的系統(tǒng)，對(duì)于不同的硬件設(shè)備，只需定制相應(yīng)的設(shè)備構(gòu)件，放置到設(shè)備窗口中，并設(shè)置相關(guān)的屬性，系統(tǒng)就可對(duì)這一設(shè)備進(jìn)行操作，而不需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)作任何改動(dòng)。 MCGS 設(shè)備中一般都包含有一個(gè)或多個(gè)用來讀取或者輸出數(shù)據(jù)的物理通道，MCGS 把這樣的物理通道稱為設(shè)備通道，如：模擬量輸入裝置的輸入通道、模擬量輸出裝置的輸出通道、開關(guān)量輸入輸出裝置的輸入輸出通道等等，這些都是設(shè)備通道。 設(shè)備通道只是數(shù)據(jù)交換用的通路，而數(shù)據(jù)輸 入到哪兒和從哪兒讀取數(shù)據(jù)以供輸出，即進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的對(duì)象，則必須由用戶指定和配置。 圖 (1)通用串口父設(shè)備設(shè)置 通用串口父設(shè)備是提供串口通訊功能的父設(shè)備，下面可以掛接所有通過串口連接的設(shè)備，提供通過 Modem 進(jìn)行遠(yuǎn)程采集或遠(yuǎn)程監(jiān)聽的功能。并可以在運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)改變撥出的電話號(hào)碼。在基本屬性頁中，設(shè)置了串口的基本屬性，包括端口號(hào)，通訊波特率，數(shù)據(jù)位位數(shù)，停止位位數(shù)，數(shù)據(jù)校驗(yàn)方式，這些設(shè)置可以按照設(shè)備的要求來設(shè)置。 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。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。甚至子設(shè)備可以把采集時(shí)間設(shè)置為0，使得此子設(shè)備在一般情況下不采集，只在使用設(shè)備命令采集一次的時(shí)候才采集數(shù)據(jù)。 在 MCGS 中父設(shè)備的含義：凡是使用計(jì)算機(jī)串口采集數(shù)據(jù)的設(shè)備（如 PLC，西安交通大學(xué)城市學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 38 儀表，變頻器，智能模塊等）都必須掛在父設(shè)備下面 ,統(tǒng)一由父設(shè)備來管理通信。 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： 200ms 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 表 串口父設(shè)備參數(shù)設(shè)置 3．用戶窗口設(shè)