【導(dǎo)讀】通過(guò)對(duì)雙容水箱液位控制系統(tǒng)的分析建模，針對(duì)其對(duì)象特性，采。題，從而縮短了調(diào)節(jié)時(shí)間。利用北京亞控公司生產(chǎn)的組態(tài)王軟件實(shí)施上位機(jī)界面。組態(tài)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)地操作、監(jiān)控。在控制過(guò)程中不需要下位機(jī)，通過(guò)在組太。并利用變頻器使抽水泵工作在恒壓供水的狀態(tài)下，通過(guò)電動(dòng)調(diào)節(jié)。在對(duì)雙容水箱液位控制系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)整定時(shí)，以使調(diào)節(jié)過(guò)程。穩(wěn)、準(zhǔn)、快為原則，從而得到適合的調(diào)節(jié)器參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)。過(guò)程參數(shù)的無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差控制，具有良好的穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能。

　　

【正文】 系統(tǒng)廣義過(guò)程的階躍響應(yīng)特性曲線對(duì)調(diào)節(jié)器參數(shù)進(jìn)行整定。具體做法是：對(duì) 圖 所示系統(tǒng)，先使系統(tǒng)處于開(kāi)環(huán)狀態(tài) ， 再在調(diào)節(jié)閥 Gv(S）的輸人端施加一個(gè)階躍信號(hào)，記錄下測(cè)量變送環(huán)節(jié) Gm（ S）的輸出響應(yīng)曲線 y(t)。根據(jù)這個(gè)階躍響應(yīng)試驗(yàn)曲線將廣義被控過(guò)程的傳遞函數(shù)近似表示如下 圖所示。 圖 對(duì)于無(wú)自衡能力的 廣義過(guò)程，傳遞函數(shù)可寫為 seSSG ?? ??)(0 對(duì)于有自衡能力的廣義過(guò)程、傳遞函數(shù)可寫為 ss eSpeSSG ?? ?? ???????0000 1 /11)( 根據(jù)階躍響應(yīng)試驗(yàn)曲線得廣義過(guò)程的傳遞函數(shù)以后，可以分別按表 、表 中的近似經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算調(diào)節(jié)器的參數(shù)。 a)無(wú)自衡能力過(guò)程 b)有自謝能力過(guò)程 圖 廣義過(guò)程的單位階躍響應(yīng)曲線 表 ψ = 調(diào)節(jié)規(guī)律 Gc（ S） ? （ %） TI P ?/1 ?? PI ?/)/11( SI?? ?? ? PID ?/)/11( SS DI ???? ?? 2? 表 ψ = 過(guò)程有自衡能力時(shí)的整定計(jì)算公式 調(diào)節(jié)規(guī)律 Gc（ S） τ/T0≤ ≤τ/T0≤ δ TI TD δ TI TD P ?/1 0.1??? 00 ??????? PI ?/)/11( SI?? ??? .00??????? PID ?/)/11( SS DI ???? ??? 2τ .00??????? + TI 串級(jí)系統(tǒng)的整定比單回路 復(fù)雜 。 因?yàn)閮?個(gè)調(diào)節(jié)器串在一起工作，各回路之間相互聯(lián)系，相互影響。 改變主、副調(diào)節(jié)器中的任何一個(gè)整定參數(shù)，對(duì)主、副回路的過(guò)渡過(guò)程都有影響，這種影響程度取決于主、副對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性、而且待整定的參數(shù)比單回路多，因此，串級(jí)系統(tǒng)的整定必然比較困難和繁瑣 。 串級(jí)控制系統(tǒng)常用的工程整定方法有： 兩步整定法和一步整定法 。 以下做具體介紹。 1．兩步整定法 兩步整定法是第一步整定副回路的副調(diào)節(jié)器，第二步整定主回路的主調(diào)節(jié)器的串級(jí)系統(tǒng)整定方法。 (1) 先整定副回路。在系統(tǒng)工作狀況穩(wěn)定，主、副回路主調(diào)節(jié)器在純比例作用的條件下，將主調(diào)節(jié)器的比例帶 δ 置于 100%處，按照單回路系統(tǒng)的整定方法來(lái)整定副回路。 逐漸降低副調(diào)節(jié)器的比例帶，如用 4： 1 衰減法來(lái)整定副回路，則求出副參數(shù)在 4： 1 衰減時(shí)的副調(diào)節(jié)器比例帶 δ 2 S和操作周期 T2 0。 (2) 整定主回路。使副調(diào)節(jié)器比例帶置于δ 2 S的數(shù)值上，逐漸降低主調(diào)節(jié)器的比例帶δ 1 S，求出同樣衰減比時(shí)主回路的過(guò)渡過(guò)程曲線，記錄此時(shí)主調(diào)節(jié)器的比例帶δ 1 S和操作周期 T1 0。 將上述步驟中求出的δ 1 S、 T1 0、δ 2 S、 T2 0 ,根據(jù)選用的調(diào)節(jié)器類型，按照 4：1衰減曲線的整定方法，求出主、副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)。 (3) 按照“先副后主、先比例次積分后微分”的原則，將計(jì)算得出的調(diào)節(jié)器參數(shù)置于各調(diào)節(jié)器之上。 (4) 加干擾實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，觀察過(guò)程參數(shù)值，直至記錄曲線符合控制要求為止。 2． 一步整定法 (1) 在系統(tǒng)工作狀況穩(wěn)定，主、副回路主調(diào)節(jié)器在純比例作用的條件下， 按表 “一步法比例帶經(jīng)驗(yàn)值表”所列數(shù)值，將副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)到適當(dāng)?shù)慕?jīng)驗(yàn)值上。 表 副參數(shù) 比例帶δ 2 放大倍數(shù) KC 2 溫度 20—— 60 5—— 壓力 30—— 70 3—— 流量 40—— 80 —— 液位 20—— 80 5—— (2) 利用單回路控制系統(tǒng)的參數(shù)整定方法來(lái)整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)。 (3) 加干擾試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，觀察過(guò)渡過(guò)程曲線，根據(jù) KC KC 2相匹配的原理，適當(dāng)調(diào)整調(diào)節(jié)器參數(shù)，使主參數(shù)控制精度最好。 (4) 如果出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，只要適當(dāng)加大主、副調(diào)節(jié)器的任意一個(gè)比例帶，即可消除振蕩。 第 四 章 組態(tài) 軟件 設(shè)計(jì) 組態(tài)軟件作為用戶可定制功能的軟件平臺(tái)工具，是隨著分布式控制系統(tǒng)（ DCS）、 PC 總線控制機(jī)及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的日趨成熟 而發(fā)展起來(lái)的。 組態(tài)軟件是一種面向工業(yè)自動(dòng)化的通用數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控軟件，即 SCADA（ Supervisory Control And Data Acquisition）軟件，亦稱人機(jī)界面或 HMI/MMI（ Hum Machine Interfac/Man Machine Interface）軟件， “ 組態(tài) (Configure)” 的含義是 “ 配置 ” 、 “ 設(shè)定 ” 、 “ 設(shè)置 ” 等意思，是指用戶通過(guò)類似 “ 搭積木 ” 的簡(jiǎn)單方式來(lái)完成自己所需要的軟件功能，而不需要編寫計(jì)算機(jī)程序，也就是所謂的 “ 組態(tài) ”。 它有時(shí)候也稱為 “ 二次開(kāi)發(fā) ” ，組態(tài)軟件 就稱為 “ 二次開(kāi)發(fā)平臺(tái) ” 。 “ 監(jiān)控（ Supervisory Control） ” ，即 “ 監(jiān)視和控制 ” ，是指通過(guò)計(jì)算機(jī)信號(hào)對(duì)自動(dòng)化設(shè)備或過(guò)程進(jìn)行監(jiān)視、控制和管理。組態(tài)軟件能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)自動(dòng)化過(guò)程和裝備的監(jiān)視和控制。它能從自動(dòng)化過(guò)程和裝備中采集各種信息，并將信息以圖形化等更易于理解的方式進(jìn)行顯示，將重要的信息以各種手段傳送到相關(guān)人員，對(duì)信息執(zhí)行必要分析處理和存儲(chǔ)，發(fā)出控制指令等等。 組態(tài)軟件提供了豐富的用于工業(yè)自動(dòng)化監(jiān)控的功能，用戶根據(jù)自己工程的需要進(jìn)行選擇、配置等較為簡(jiǎn)單的工作來(lái)建立自己所需要的監(jiān)控系統(tǒng)。組態(tài)軟件和行業(yè)無(wú) 關(guān) ,它可以廣泛應(yīng)用于機(jī)械、鋼鐵、汽車、包裝、礦山、水泥、造紙、水處理、環(huán)保監(jiān)測(cè)、石油化工、電力、紡織、冶金、智能建筑、交通、食品、智能樓宇、實(shí)驗(yàn)室等等凡是涉及自動(dòng)化監(jiān)控的任何場(chǎng)合。組態(tài)軟件既可以完成對(duì)小型的自動(dòng)化設(shè)備的集中監(jiān)控，也能由互相聯(lián)網(wǎng)的多臺(tái)計(jì)算機(jī)完成復(fù)雜的大型分布式監(jiān)控。還可以和工廠的管理信息系統(tǒng)有機(jī)整合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)工廠的綜合自動(dòng)化和信息化。 “組態(tài)王” 簡(jiǎn)介 “ 組態(tài)王 ” 是在 PC 機(jī)上建立工業(yè)控制對(duì)象人機(jī)接口的一種智能軟件包，它Windows98/Windows 2020/ Windows 中文操作系統(tǒng)作為其操作平臺(tái)，具有圖形功能完備，界面一致友好，易學(xué)易用的特點(diǎn)。該軟件包由工程管理器(ProjManager)、工程瀏覽器 (TouchExplorer)、畫面運(yùn)行系統(tǒng) (TouchView)三部分組 成。 ProjManager 用于新建工程、工程管理，并能對(duì)已有工程進(jìn)行搜索、備份及有效恢復(fù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)字典的導(dǎo)入和導(dǎo)出。 TouchExplorer 是 “組態(tài)王 ”軟件的核心部分和管理開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，是應(yīng)用工程的開(kāi)發(fā)環(huán)境，內(nèi)嵌畫面開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，可完成對(duì)畫面的設(shè)計(jì)、動(dòng)畫的連接等工作。 TouchView 是 “組態(tài)王 ”軟件的實(shí)時(shí) 運(yùn)行環(huán)境，用于顯示畫面開(kāi)發(fā)系統(tǒng)中建立的動(dòng)畫圖形畫面，并負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)庫(kù)與 I/O 服務(wù)程序的數(shù)據(jù)交換 ,通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)管理從一組工業(yè)控制對(duì)象采集到的各種數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)的變化用動(dòng)畫的方式形象地表示出來(lái)，同時(shí)完成報(bào)警、歷史記錄、趨勢(shì)曲線等監(jiān)視功能，并可生成歷史數(shù)據(jù)文件。在 TouchExplorer 的畫面開(kāi)發(fā)系統(tǒng)中設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的畫面應(yīng)用程序必須在 TouchView 運(yùn)行環(huán)境中才能運(yùn)行。 組態(tài)畫面的建立 建立工程 單擊“開(kāi)始” “程序” “組態(tài)王 ” “組態(tài)王”，在“組態(tài)王工程管理器”窗口中建立名稱為“雙容水箱 液位 控制系統(tǒng)”的工程，最后單擊“完 成”按鈕，并且在出現(xiàn)的“是否將新建的工程設(shè)置為組態(tài)王當(dāng)前工程” 的 話框中單擊“是”按鈕，完成了工程的建立，如圖 所示。此時(shí)，組態(tài)王在 d:根目錄下建立了一個(gè)“ 雙容水箱液位 控制 系統(tǒng) ”子目錄，以后進(jìn)行的組態(tài)工作的所有數(shù)據(jù)都將儲(chǔ)存在這個(gè)目錄中。 圖 設(shè)備配置 在組態(tài)王工程管理器中，雙擊已建立的“雙容水箱液位控制系統(tǒng) ”工程，啟動(dòng)組態(tài)王的“工程瀏覽器”，如圖 所示。 圖 雙擊工程目錄顯示區(qū)中“設(shè)備”大綱項(xiàng)下面的“ COMl” 成員名，然后在出現(xiàn)的窗口中輸入串行通信口 COMl 的通信參數(shù) (如圖 所示 )：波特率為 9600b／ s，無(wú) 校驗(yàn)， 7 位數(shù)據(jù)位。 1 位停止位， RS232 為通信方式，然后單擊“確定”按鈕，完成對(duì) COM1 的通信參型配置，保證 COMl 同計(jì)算機(jī)的通信能夠正常進(jìn)行。 a b 圖 隨后雙擊目錄內(nèi)容顯示區(qū)中的“新建”圖標(biāo)，在出現(xiàn)的“設(shè)備配置向?qū)А敝袉螕簟爸悄苣K” — “牛頓 7000 系列” — “ Nudam7017” — “串行口”。如（圖 b）。然后，再單擊“下一步”按鈕，在下一個(gè)窗口中給這個(gè)設(shè)備取一個(gè)名 “ IO 模塊 ”，單擊“下一步”按鈕，在下一個(gè)出現(xiàn)的窗口中為設(shè)備指定所連接的串口“ COM1”，單擊“下一步”按鈕，再在下一個(gè)窗口中為設(shè)備指定一個(gè)地址“ 0”，再單擊“下一步”按鈕，出現(xiàn)“通信故障恢復(fù)策略” 設(shè)定窗口，使用默認(rèn)設(shè)置即可，再單擊“下一步”按鈕，出現(xiàn)“信息總結(jié)”窗口，檢查無(wú)誤后單擊“完成”按鈕，完成設(shè)備的配置。此時(shí)在工程瀏覽器的“目錄內(nèi)容顯示區(qū)”中出現(xiàn)了“ IO 模塊 ”圖 標(biāo)。按同樣的方法在 COM1 下創(chuàng)建名為“ DA”、“ AD”的 設(shè)備圖標(biāo)。如圖 。 圖 變量定義 要在組態(tài)王中知道外部各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，以及能夠輸出相應(yīng)的控制信號(hào)，都需要建立相應(yīng)的變量。 (1) 單擊“數(shù)據(jù)庫(kù)”大綱項(xiàng)下 面的 “數(shù)據(jù)詞典”成員名，然后在目錄內(nèi)容顯示區(qū)中雙擊“新建”圖標(biāo)，出現(xiàn)“ 定義變量”窗口。在“基本屬性”頁(yè)中輸入變量名“水箱 2 液位 ”，變量類型設(shè)置為“ I/O 實(shí)數(shù)”，連接設(shè)備設(shè)置為“ IO 模塊 ”，寄存器設(shè)置為“ AI1”，數(shù)據(jù)類型設(shè)置為“ float”，讀寫屬性設(shè)置為“讀寫 ”，采集頻率設(shè)置為 100 毫秒， 變化靈敏度設(shè)置為 1， 最小值為 0，最 大值為 300，最小原始值為 4，最大原始值為 20。這樣就能夠把從配電器傳送過(guò)來(lái)的 4— 2mA 電流信號(hào)通過(guò) 250Ω標(biāo)準(zhǔn)電阻轉(zhuǎn)換為 15V電壓，再轉(zhuǎn)換為 實(shí)際的液位高度 。 如圖 所示。 圖 (2) 其他變量的定義。 定義 系統(tǒng) “ 啟動(dòng)” 、 “停止”內(nèi)存離散變量。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)液位 進(jìn)行 實(shí)時(shí) 控制及進(jìn)行 PID 運(yùn)算，還需 建立相關(guān)的一系列“內(nèi)存實(shí)數(shù)”變量 ，例如： sp P ID sp P I D uk 等。在組態(tài)王中，各 變量可根據(jù)需要隨時(shí)定義，也可以隨時(shí)進(jìn)行變量的替換以及重命名。 各變量定義完后如圖 所示。 圖 畫面設(shè)計(jì) 與動(dòng)畫連接 (1) 畫面設(shè)計(jì) 組態(tài)王提供了各種繪圖工具、圖庫(kù)來(lái)制作畫面，使得畫面能夠逼真地反映控制系統(tǒng)的工作狀況，并且可 以通過(guò)畫面操作控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。 在工程瀏覽器的工程目錄顯示區(qū)中單擊“文件”大綱項(xiàng)下面的“畫面”成員名，然后在目錄內(nèi)容顯示區(qū)中雙擊“新建 ”圖標(biāo)，出現(xiàn)“新畫面”對(duì)話框。在“畫面名稱”的編輯框中輸入“雙容水箱液位 控制系統(tǒng)”， 畫面寬度和高度分別設(shè)置為 800 和 600，單擊“確定”按鈕，則返回工程瀏覽器，并且在目錄內(nèi)容顯示區(qū)中增加 了“雙容水箱液位 控制系統(tǒng)” 的圖標(biāo)。雙擊此圖標(biāo)，進(jìn)入了組態(tài)王開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，并且已經(jīng)打開(kāi)了“雙容水箱液位 控制系統(tǒng)”主畫面。 主畫面 制作 結(jié)果 如圖 所示。 圖 (2) 畫面設(shè)計(jì)過(guò)程 畫面的繪制基本包含以下內(nèi)容： ① 利用文本工具、字體工具、 調(diào)色板工具輸入文本。畫面上的大多數(shù)文字均是利用“文本”工具產(chǎn)生的 。具體方法是：用鼠標(biāo)單擊“工具箱”中的“文本”工具按鈕 (或者利用“工具” — “文字”菜單命令 )，然后將鼠標(biāo)移動(dòng)到畫面上適當(dāng)位置并 單擊，此時(shí)光標(biāo)在屏幕上閃動(dòng)，用戶使可以打開(kāi)中文輸入法輸入文字。輸入完畢后，用鼠標(biāo)在屏幕上單擊次，則文字輸入完畢。 如果需要對(duì)文本的字體進(jìn)行修改，可以在選中該文本后，單擊“工具箱”中的“字體” 按鈕，則彈出“字體”對(duì)話框，用戶可以在此對(duì)話拒中選擇文字的字體、字形和大小。選擇完畢后，擔(dān)擊“確定”按鈕，即完成字體的修改。如果需要修改文字的顏色，則可以在選中該文本后，單擊“工具箱”中的“顯示調(diào)色板” 按鈕，然后在出現(xiàn)的“調(diào)色板”中單擊“字符色”按鈕，此時(shí)便可以在“調(diào)色板”下面的多個(gè)顏色按鈕中選擇適當(dāng)?shù)奈谋绢伾恕? ② 利用按鈕工具制作按鈕。水位控制系統(tǒng)中要 求在運(yùn)行當(dāng)中 系統(tǒng) 能夠及時(shí)的調(diào)出 PID 調(diào)節(jié)面板、實(shí)時(shí)曲線、歷史曲線等畫面，這 可以通過(guò)一 些 按鈕來(lái)完成 。單擊“工具箱“中的“按鈕”工具，然 后將鼠標(biāo)移動(dòng)到畫面上的合適位置，拉出一