【正文】 在 MCGS中，用數(shù)據(jù)對(duì)象來描述系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，用對(duì)象變量代替?zhèn)鹘y(tǒng)意義上的值變量，把 數(shù)據(jù)庫技術(shù)管理的所有數(shù)據(jù)對(duì)象的集合為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫。在本窗口內(nèi)定義不同類型和名稱的變量，作為數(shù)據(jù)采集、處理、輸出控制、動(dòng)畫連接及設(shè)備驅(qū)動(dòng)的對(duì)象。 （ 3）歷史曲線瀏覽窗口 顯示整個(gè)一段液位總體變化情況的曲線（下水箱 PV，下水箱SV，上水箱 SV對(duì)應(yīng)的變化曲線），可以顯示和保存長(zhǎng)時(shí)間的變化曲線。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)。并可以在運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)改變撥出的電話號(hào)碼。 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)。 雙容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 28 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。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。 (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。 (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。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。 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。 20μ A/℃ 量程： 0～ 20mA 4mA～ 20mA 0V～10V 10V～ 10V 0V～ 5V 5V～ 5V 電源輸入： 10～ 30VDC 電源功耗： ： 圖 采集模塊電路原理圖 27 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。 7024D/A 轉(zhuǎn)換模塊： 數(shù)據(jù)采集程序存儲(chǔ)在 EEPROM中， 計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)通過 RS485接口送給 7024D/A 轉(zhuǎn)換模塊，由內(nèi)部控制器按控制程序?qū)?數(shù)據(jù)送入對(duì)應(yīng) DAC 通道，轉(zhuǎn)換為模擬電壓 /電流輸出。 % 零點(diǎn)漂移： 20μ V/℃ 波特率： 9600bps 量程： 10V～ 10V – 5V～ 5V 1～ 1V – 500mV～ 500mV 雙容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 26 150mV～ 150mV 20mA～ 20mA 對(duì)應(yīng) 8000～ 7FFF電源輸入： 10～ 30VDC 電源功耗： 。模擬量輸入通道的任務(wù)是把通過壓力變送器檢測(cè)到的模擬信號(hào)（ 4～ 20標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)），經(jīng)過 I/V變換轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的 1～ 5電壓信號(hào)，在經(jīng)過采樣為離散的模擬信號(hào)并量化成為二進(jìn)制的數(shù)字信號(hào)，經(jīng)接口送到計(jì)算機(jī)中。應(yīng)從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的角度綜合考慮信號(hào)采集速度和信號(hào)數(shù)字化精度這兩個(gè)問題。 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集過程控制系統(tǒng) 屬于計(jì)算機(jī) DDC控制系統(tǒng)，它是將模擬量輸入 A/I模塊和模擬量輸出 A/O模塊，開關(guān)量輸入 /輸出 D/I， D/O模塊置于計(jì)算機(jī)之外，計(jì)算機(jī)通過 RS232/485通訊轉(zhuǎn)換裝置同 ICP7000系列 采集 模塊（自帶 485通訊接口）通訊。通過增加比例系數(shù)克服擾動(dòng)，比例系數(shù)越小，調(diào)節(jié)器輸出越大，但比例調(diào)節(jié)仍有余差，所以引入積分調(diào)節(jié)，系統(tǒng)中由于積分作用偏強(qiáng)，造成曲線上升后恢復(fù)較慢，再略加入微分作用減小余差，加快系統(tǒng)響應(yīng)速度。 對(duì)儀表控制系統(tǒng)設(shè)置下水箱液位給定值為 4cm，等待系統(tǒng)穩(wěn)定后，突加階躍擾動(dòng)（將設(shè)定值增加 75%），設(shè)置下水箱液位給定值為 7cm，得到下水箱液位輸出響應(yīng)曲線。 （ 2）將副調(diào)節(jié)器的比例度置于（ 1）中所求得的數(shù)值上，把副回路作為主回路的一個(gè)環(huán)節(jié)，用同樣的方法整定主回路，求取主回路的比例度和操作周期。所以副調(diào)節(jié)器按單回路系統(tǒng)方法整定后，可以 將副回路作為主回路的一個(gè)環(huán)節(jié)，按單回路控制系統(tǒng)的整定方法，整定主調(diào)節(jié)器的參數(shù)，而不再考慮主調(diào)節(jié)器參數(shù)變化對(duì)副回路的影響。 6：執(zhí)行指定的設(shè)備命令， CmdStr中包含指定命令的格式。 2：停止設(shè)備的工作使其處于停止?fàn)顟B(tài)。返回值： =0：調(diào)用正常。采用 AIBUS通訊協(xié)議， 8個(gè)數(shù)據(jù)位， 1/2個(gè)停止位，無校驗(yàn)位。 (7)P：調(diào)節(jié)器比 例系數(shù)，根據(jù)需要設(shè)置。 調(diào)節(jié)儀 1中 diH=50； 調(diào)節(jié)儀 2中 diL=0。 調(diào)節(jié)儀 1中 ADDR=1；調(diào)節(jié)儀 2中 ADDR=2。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(hào)相比較后輸出調(diào)節(jié)信號(hào)。 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(shí)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(bào)警功能： 上限 ﹑ 下限 ﹑正負(fù)偏差 測(cè)量范圍： 1999～ 9999 電源： 100～ 240VAC/50Hz 測(cè)量精度： 級(jí) 環(huán)境溫度： 0～ 50。 % 電源： 220V/50Hz 回差： ≤ 177。通過將壓力變送器檢測(cè)到的電壓 /電流信號(hào)輸入到 QSL 電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的智能放大器，和來自位置信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的開度信號(hào)相比較并放大后 ,向消除其偏差的方向驅(qū)動(dòng)并控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng) ,以改變調(diào)節(jié)閥的開度 ,同時(shí)將閥門開度的隔離信號(hào)反饋給控制系統(tǒng)。 C 過載極限： 額定量程的 ～ 3倍 滿程溫度系數(shù) : 小于 %/。當(dāng)水箱中注水導(dǎo)致液位變化時(shí)，BP800 壓力變送器對(duì)被控過程中的流體壓力進(jìn)行測(cè)量 ,過程壓力通過壓力傳感器將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào) ,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(duì)應(yīng)關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)電流輸出信號(hào)。 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。 MATLAB 加入副回路仿真曲線圖 圖 MATLAB 不加入副回路仿真曲線 圖 ： 圖 . 由 ，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)。 下面根據(jù)前文的水箱模型傳遞函數(shù)對(duì)串級(jí)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，以模擬實(shí)際中的階躍響應(yīng)曲線，考察串級(jí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案是否合理。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(jì)的核心問題，所以選擇主對(duì)象為下水箱，副對(duì)象為上水箱。所以選擇流入系統(tǒng)的流量作為控制參數(shù)更合理一些。如果其調(diào)節(jié)欠妥當(dāng)，會(huì)造成整個(gè)系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)的失敗 ,且現(xiàn)在對(duì)于液位的測(cè)量有成熟的技術(shù)和設(shè)備，包括直讀式液位計(jì) 、 浮力式液位計(jì) 、 靜壓式液位計(jì) 、 電磁式液位計(jì) 、 超聲波式液位計(jì)等。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. 通過針對(duì)雙容水箱液位被控過程設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)，將努力使系統(tǒng)的輸出響應(yīng)在穩(wěn)態(tài)時(shí)系統(tǒng)的被控制量等于給定值，實(shí)現(xiàn)無差調(diào)節(jié)，并且使系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能，較塊的響應(yīng)速度。 (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(gè)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(dòng)態(tài)過程的準(zhǔn)確性。在調(diào)節(jié)閥的輸入端加一階躍信號(hào)，記錄測(cè)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(dòng)態(tài)特性參數(shù)。根據(jù)以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算調(diào)節(jié)器參數(shù)： 調(diào) 節(jié)器參數(shù) 控制規(guī)律 δ TI TD P 2δ k PI k TK/ PID k 表 臨界振蕩整定計(jì)算公式 。三種方法都是通過試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。 所以在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，這樣具有比例 +微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。 （ 3）微分控制（ D）：在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。積分項(xiàng)對(duì)誤差的累積取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)越大。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系，能較快克服擾動(dòng)，使系統(tǒng)穩(wěn)定下來。 在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例積分微分控制，簡(jiǎn)稱 PID控制，又稱 PID 調(diào)節(jié)。選擇正確的設(shè)計(jì)方案才能使先進(jìn)的過程儀表和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)過程中發(fā)揮良好的作用。 如圖所示，利用四階多項(xiàng)式近似擬合下水箱的響應(yīng)曲線，得到多項(xiàng)式的表達(dá)式 P(t)= (011)t4+(e008)t3 +. 根據(jù)曲線采用切線作圖法計(jì)算下水箱特性參數(shù)，當(dāng)階躍響應(yīng)曲線在輸入量 x(t)產(chǎn)生 階躍的瞬間，即 t=0時(shí)，其曲線斜率為最大，然后逐漸上升到穩(wěn)態(tài)值，該響應(yīng)曲線可用一階慣性環(huán)節(jié)近似描述，需確定 K和 K為 P(t)在 t=0的導(dǎo)數(shù) P`(0)=,以此做切線交穩(wěn)態(tài)值于 A點(diǎn) ,A點(diǎn)映射在 t軸上的 B點(diǎn)的值為 T。r39。 根據(jù)曲線采用切線作圖法計(jì)算上水箱特性參數(shù)，當(dāng)階躍響應(yīng)曲線在輸入量 x(t)產(chǎn)生 階躍的瞬間，即 t=0時(shí)，其曲線斜率為最大，然后逐漸上升到穩(wěn)態(tài)值，該響應(yīng)曲線可用一階慣性環(huán)節(jié)近似描述，需確定 K和 T。)。所以 使用 MATLAB軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)最小二乘法原理和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)響應(yīng)曲線 進(jìn)行最佳擬合后，再計(jì)算水箱模型。 圖 上水箱階躍響應(yīng)曲線 記錄階躍響應(yīng)參數(shù) (間隔 30s采集數(shù)據(jù) ): 1 7 13 19 2 8 14 20 3 9 15 21 4 10 16 22 5 11 17 23 6 12 18 24 表 上水箱階躍響應(yīng)數(shù)據(jù) 2．下水箱 階躍響應(yīng) 參數(shù)測(cè)定： 按圖連接實(shí)驗(yàn)線路 ,手動(dòng)操作調(diào)節(jié)器 ,控制調(diào)節(jié)閥開度 ,使初始開度 OP1=40,等到水箱的液位處于平衡位置時(shí)。 (2) 通過在 MCGS 監(jiān)控軟件組建人機(jī)對(duì)話窗口，改變調(diào)節(jié)閥開度 ,控制水箱進(jìn)水量的大小，從而改變水箱液位，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的階躍信號(hào)輸入。但為了簡(jiǎn) 便起見，做線性化處理得 Q2=△ h/R2，經(jīng)拉氏變換得單容液位過程的傳遞函數(shù)為 W0(s)=H(s)/Q1(s)=R2/(R2Cs+1)=K/(Ts+1) 注：△ Q1 ﹑△ Q2﹑△ h:分別為偏離某一個(gè)平衡狀態(tài) Q10﹑ Q20﹑ h0的增量。液位 h 的變化反映了 Q1和 Q2不等而導(dǎo)致水箱蓄水或?yàn)a水的過程。下水箱尺寸為： d=35cm,h=20cm，每個(gè)水箱分為三個(gè)槽：緩沖槽、工作槽、出水槽。 在液位串級(jí)控制系統(tǒng)中，我們所關(guān)心的是如何控制好水箱的液 位。 (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。 (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。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。 (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。 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 ,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 。它用結(jié)構(gòu)框圖代替程序智能化地建立和運(yùn)行仿真，適應(yīng)線性、非線性系統(tǒng)；連續(xù)、離散及混合系統(tǒng)；單任務(wù)，多任務(wù)離散事件系統(tǒng)。 (5)MATLAB 應(yīng)用程序接口 (API) 這是 MATLAB 為用戶提供的一個(gè)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(dòng)態(tài)鏈接 )，讀寫 MAT文件的功能。利用它既可以進(jìn)行小規(guī)模編程，完成算法設(shè)計(jì)和算法實(shí)驗(yàn)的基本任務(wù)，也可以進(jìn)行大規(guī)模編程，開發(fā)復(fù)雜的應(yīng)用程序。新的版本集中了日常數(shù)學(xué)處理中的各種功能，包括高效的數(shù)值計(jì)算、矩陣運(yùn)算、信號(hào)處理和圖形生成等功能。 在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的過程中，將利用到 MATLAB軟件和 MCGS組態(tài)軟件。通過控制計(jì)算機(jī)可以不斷監(jiān)控生產(chǎn)的運(yùn)行過程，即時(shí)地監(jiān)視或控制容器液位，保證產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。 （ 2）應(yīng)用程序由用戶根據(jù)要解決的控制問題而編寫的各種程序（如各種數(shù)據(jù)采集﹑濾波程序﹑控制量計(jì)算程序﹑生產(chǎn)過程監(jiān)控程序），應(yīng)用軟件的優(yōu)劣將影響到控制系統(tǒng)的功能﹑精度和效率。 （ 4） I/O接口和 I/O通道是計(jì)算機(jī)主機(jī)與外部連接的橋梁。 過程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成包括硬件和軟