【正文】 最后感謝所有在這次畢業(yè)論文中給予過我?guī)椭娜恕８兄x在整個畢業(yè)設(shè)計期間和我一起做設(shè)計的同學，和曾經(jīng)在各方面給予過我?guī)椭幕锇閭?，在大學生活即將結(jié)束的最后的日子里，我們通過努力把一個基本沒有接觸過的課題終于完成了。 這次畢業(yè)設(shè)計得到了很多老師、同學和朋友的幫助，其中我的指導老師邊娟鴿老師對我的關(guān)心和支持尤為重要，另外，感謝校方給予我這樣一次機會，能夠獨立地完成一個課題，并在這個過程給予我們各種方便，使我們在即將離校的最后一段時間里，能夠更多學習一些實踐應(yīng)用知識，增強了我們實踐操作和動手應(yīng)用能力。他們是我們的良師益友，是我們前進路上的指明燈，讓我們每天都在成長，每天都在進步，借此機會，對他們表示衷心的感謝。 因為是第一次 對自己的實踐進行嚴格檢驗，所以在設(shè)計中難免有出錯或者是不完整之處，還請邊老師多多指導，我會盡我最大的能力去修改、去完善。 這次畢業(yè)設(shè)計，我和蔡志斌兩個人分模塊化的設(shè)計方式，對每一個模塊進行分析和對比，參照學校提供的資料才讓我們在最后的調(diào)試中取得成功。本文對多溶液位 的研究只不過是基本雙溶液位的基礎(chǔ)之上，所涉及的也不過是多溶液位的基本，還有三溶乃至更多的液位控制沒有涉及。雙溶水箱的數(shù)學建模以及控制策略的研究對工業(yè)生產(chǎn)中液位控制系統(tǒng)的研究有積極的指導作用，為研究更加復雜的系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。 如圖 75 建立文字框： 鼠標點擊工具條中 “ 工具箱 ” 按鈕，打開系統(tǒng)圖符 工具箱。 如圖 74 圖 74 工具箱 的用應(yīng) 單擊工具條中的 “ 工具箱 ” 按鈕，則打開動 畫工具箱， 圖標 對應(yīng)于選擇器，用于在編輯圖形時選取用戶窗口中指定的圖形對象 . 常用圖符工具箱包括 27 種常用的圖符對象。在菜單“文件”中選 → “新建工程” .如圖 71 圖 71 建立新 畫面 在 MCGS組態(tài)平臺上，單擊 “ 用戶窗口 ” ，在 “ 用戶窗口 ” 中單擊 “ 新建窗口 ”按鈕， 則產(chǎn)生新 “ 窗口 0” ，即： 選中 “ 窗口 0” ， 如圖 72 圖 72 選中 “ 窗口 0” ,單擊 “ 窗口屬性 ” ，進入 “ 用戶窗口屬性設(shè)置 ” ，將 “ 窗口名稱 ” 改為：水位控制；將 “ 窗口標題 ” 改為：水位控制；在 “ 窗口位置 ” 中選中 “ 最大化顯 示 ” ，其它不變，單擊 “ 確認 ” 。 MCGS 交互界面設(shè)計流程 建立 MCGS 新工程 首先在計算機上安裝“ MCGS 組態(tài)軟件” ,在 Windows 桌面上，會有 “ Mcgs 組態(tài)環(huán)境”與“ Mcgs 運行環(huán)境” 圖標。副比例系數(shù)、副采樣時間、積分時間、微分時間通過實數(shù)傳送指令傳送到寄存器上，這部分是?？刂破鳌? 左 水箱液位比例積分微分調(diào)節(jié) 對左水箱進行比例積分微分調(diào)節(jié)即 PID 調(diào)節(jié)進行實驗。 右 水箱液位比例積分調(diào)節(jié) 當輸入 信號為階躍變化時，才用 PI 調(diào)節(jié)器的情況。在輸入的偏差信號 e? 為階躍信號。它采用模塊化設(shè)計，本系統(tǒng)主要包括 CPU 模塊、模擬量輸入模塊 、模擬量輸出模塊和電源模塊。在系統(tǒng)中， PLC 是控制的中心元件，它的選擇是控制單元設(shè)計的重要部分。電動調(diào)節(jié)閥還提供手動操作，它的上部有個手柄，和軸連在一起，在系統(tǒng)掉電時可進行手動控制，保證系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用。 來自 PLC 的模擬量輸出 DC420mA 信號 Ii與位置反饋信號 If 進行比較，其差值經(jīng)放大后，控制伺服電動機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，再經(jīng)減速器后，改變調(diào)節(jié)器的開度，同 時輸出軸的位移，經(jīng)位置發(fā)生器轉(zhuǎn)換成電流信號 If。 系統(tǒng)中用到的調(diào)節(jié)閥是 QS智能型調(diào)節(jié)閥，所用到的執(zhí)行機構(gòu)為電動執(zhí)行機構(gòu)，輸出為角行程，控制軸轉(zhuǎn)動。來自調(diào)節(jié)器的信號經(jīng)信號轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換信號制式后，與來 自執(zhí)行機構(gòu)的位置反饋信號比較，其信號差值輸入到執(zhí)行機構(gòu)，以確定執(zhí)行機構(gòu)作用的方向和大小，其輸出的力或位移控制調(diào)節(jié)閥的動作，改變調(diào)節(jié)閥的流通面積，從而改變被控介質(zhì)的流量。 執(zhí)行器的工作原理，由執(zhí)行機構(gòu)和調(diào)節(jié)機構(gòu)（調(diào)節(jié)閥）兩部分組成。系統(tǒng)中用到的液位變送器是浙江浙大中控自動化儀表有限公司生產(chǎn)的中控儀表 SP0018G 壓力變送器，屬于靜壓力式液位變送器，量程為 010KPa，精度為 ，由 24V 直流電源供電，可以從 PLC 的電源中獲得，輸出 為 420mA 直流。設(shè)計中涉及到液位的檢測和變送，以便系統(tǒng)根據(jù)檢測到的數(shù)據(jù)來調(diào)節(jié)通道中的水流量，控制水箱的液位。 檢測單元 在過程控制系統(tǒng)中，檢測環(huán)節(jié)是比較重要的一個環(huán)節(jié)。 PID1 為外環(huán)，控制下水箱的液位，它的輸出值作為 PID2 的設(shè)定值，PID2 控制上水箱的液位。 在這里，執(zhí)行機構(gòu)仍然是電動調(diào)節(jié)閥，依舊由 PLC 經(jīng)過 PID 算法后控制它的開度以控制水管里的水流量，控制兩個水箱的水位。這里的擾動主要是水箱的出水閥的擾動，有時是認為的因素，有時是機械的因素，擾動總是不可避免的。 左 水箱 右 水箱液位串級控制系統(tǒng) 左 水箱 右 水箱液位控制系統(tǒng)由于控制過程特性呈現(xiàn)大滯后，外界環(huán)境的擾動較大，要保持 左 水箱 右 水箱液位最后都保持設(shè)定值，用簡單的單閉環(huán)反饋控制不能實現(xiàn)很好的控制效果，所以采用串級閉環(huán)反饋系統(tǒng)。經(jīng)過運算后即輸出控制信號給電動調(diào)節(jié)閥，使其開度增大，以使通道里的水流量變大，增加水箱里的儲水量，液位升高。單相泵正常運行，打開閥 1，打開 倆 水箱 連通 閥，電動調(diào)節(jié)閥以一定的開度來控制進入水箱的水流量，調(diào)節(jié)手 段是通過將壓力變送器檢測到的電信號送入 PLC 中，經(jīng)過 A/D變換成數(shù)字信號，送入數(shù)字 PID 調(diào)節(jié)器中，經(jīng) PID 算法后將控制量經(jīng)過 D/A 轉(zhuǎn)換成與電動調(diào)節(jié)閥開度相對應(yīng)的電信號送入電動調(diào)節(jié)閥中控制通道中的水流量。 22 5 控制系統(tǒng)的設(shè)計 系統(tǒng)設(shè)計 水箱液位的自動調(diào)節(jié) 在這個部分中控制的是 左右 箱的液位。在實際運用中，這樣做的目的是找到由于積分項前值引起的問題。把積分項前值寫入回路表，以備在下次 PID 運算中使用。 21 其中： xM 是調(diào)整過的偏差的數(shù)值 ； nMP 是在采樣時間 n時回路輸出的比例項的數(shù)值 ； nMD 是在采樣時間 n 時回路輸出的微分項的數(shù)值 ； nM 是在采樣時間n時回路輸出的數(shù)值 ； 這樣調(diào)整積分前值，一旦輸出回到范圍后，可以提高系統(tǒng)的響應(yīng)性能。如果使用積分控制，積分項前值要根據(jù) PID 運算結(jié)果更新。輸出變量是由 PID 運算產(chǎn)生的，所以在每一次 PID 運算完成之后，需更新回路表中的輸出值， 輸出值被限定在 之間。 變量的范圍 過程變量和設(shè)定值是 PID 運算的輸入值。這一過程，是將 PV 和 SP 轉(zhuǎn)換為標準值的逆過程?；芈份敵鍪? 和 之間的一個標準化了的實數(shù)值。對于雙極性數(shù)值 (典型值 )為 64,000。 對于雙極性為 。 Rraw 是現(xiàn)實世界數(shù)值的未標準化的或原始的實數(shù)值表達式 。簡化算式是： 輸出 =比例項 +積分項 +微分項 ： )( 1????????? nnDxnInPn eeKMeKeKM 其中： nM 是在采樣時間 n 時，回路輸出的計算值 ； PK 是回路增益 ； ne 是采樣時刻 n的回路誤差值 ； 1?ne 是回路誤差的前一個數(shù)值 (在采樣時刻 n1)； IK是積分項的比例常數(shù) ； xM 是積分項的前一個數(shù)值 (在采樣時刻 n1)； DK 是微分項的比例常數(shù) ； :是將現(xiàn)實世界的值的實數(shù)值表達形式轉(zhuǎn)換成 之間的標準化值。由于計算機從第一次采樣開始，每有一個偏差采樣值必須計算一次輸出值，只需要保存偏差前值和積分項前值。微分項是當前采樣和前一次采樣的函數(shù)，比例項僅是當前采樣的函數(shù)。 輸出 =比例項 +積分項 +微分項 ： dtdeKM i n i t a le d tKeKMDIPt ?????? ?)( 其中： tM 是作為時間函數(shù)的回路輸出 ； K 是回路增益 ； e 是回路誤差 (設(shè)定值和過程變量之間的差 )； Minitial 是回路輸出的初始值 ； 為了能讓數(shù)字計算機處理這個控制算式，連續(xù)算式必須離散化為周期采樣偏差算式，才能用來計算輸出值。偏差 (e)是設(shè)定值 (SP)和過程變量 (PV)的差 。 當 X0=ON 時執(zhí)行 PID 指令，把 PID 控制回路的設(shè)定值存放在 D100D124 這 25個數(shù)據(jù)寄存器中，對 [S2]的當前值（ D1）和（ S1）的設(shè)定值（ D0）進行比較，通過 PID 回路處理數(shù)值之間的偏差后計算出一個調(diào)節(jié)值，此調(diào)節(jié)值存入目標操作數(shù)D150 中。 所以 PID 調(diào)節(jié)器的數(shù)學描述如公式 (4)可見： PID數(shù)學描述式 (4) 西門子 S7200 系列 PLC 中 PID 指令的使用 比例積分微分指令即 PID 指令其指令格式如下： 19 PID 指令用的算術(shù)表達式為： 輸出值 )( 1 ????? dtTdtdTKK IDDP ??? 上式中 ? 表示誤差。 微分部分的作用由微分時間常數(shù) Td 決定。微分作用的引入，將有助于減小超調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，特別對高階系統(tǒng)非常有利，它加快了系統(tǒng)的跟蹤速度。它是根據(jù)偏差值變化趨勢進行控制。為了實現(xiàn)這一作用，可在 PI 控制的基礎(chǔ)上加入微分環(huán)節(jié)，形成 PID 控制器。 實際的控制系統(tǒng)除了希望消除靜態(tài)誤差外，還要求加 快調(diào)節(jié)過程。當 Ti 較小時，則積分的作用較強，這時系統(tǒng)過渡時間中有可能產(chǎn)生振蕩，不過消除偏差所需的時間較短。積分常數(shù) Ti越大，積分的積累作用越弱，這時系統(tǒng)在過渡時不會產(chǎn)生振蕩 ?？梢?，積分部分可以消除系統(tǒng)的偏差。 18 故而，比例系數(shù) Kp 選擇必須恰當，才能過渡時間少，靜差小而又穩(wěn)定 的效果。偏差一旦產(chǎn)生控制器立即產(chǎn)生控制作用，使控制量向減少偏差的方向變化。 PID 控制規(guī)律特點 ； PID調(diào)節(jié)是連接系統(tǒng)理論中技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的控制方法，它的結(jié)構(gòu)靈活，不僅可實現(xiàn)常規(guī)的 PID 調(diào)節(jié)，而且還可根據(jù)系統(tǒng)的要求，采用 PI、PD、帶死區(qū)的 PID 控制等； ； 。在工程實際中，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，簡稱 PID控制，又稱 PID 調(diào)節(jié)。 ，有時兩個互相關(guān)聯(lián)的參數(shù)需要利用同一個介質(zhì)進行控制 鑒于串級控制方式所具有的這一優(yōu)勢，本設(shè)計最終采用串級控制方式來控制水箱液位。若采用串級控制，使等效對象的時間常數(shù)減小，以提高系統(tǒng)的工作效率，加快反映速度，可以得到較好的控制質(zhì)量。如串級控制系統(tǒng)能改善對象的動態(tài)特性、提高系統(tǒng)的控制質(zhì)量；能迅速克服進入副回路的二次擾動；能提高系統(tǒng)的工作頻率以及對負荷變化的適應(yīng)性較強等等。串級控制系統(tǒng)的主要優(yōu)點由： 發(fā)生在副回路的干擾，在影響主回路之前即可由副控制器加以校正； 副回路的存在，使副對象的相位滯后對控制系統(tǒng)的影響減小，從而改善了主回路的響應(yīng)速度； 串級系統(tǒng)對副對象及調(diào)節(jié)閥特性的變化具有較好的魯棒性； 16 副回路可以按照主回路的需要對于質(zhì)量流實施精確的控制。 圖 31串級控制系統(tǒng)方框圖 R主參數(shù)的給定值； C1被控的主參數(shù)； C2副參數(shù) f1(t)作用在主對象上的擾動 f2(t)作用在副對象上的擾動 串級控制系統(tǒng)的優(yōu)點 串級控制系統(tǒng)從總體上看，仍然是一個定值控制系統(tǒng)，因此，主變量在干擾作用下的過渡過程和單回路定值控制系統(tǒng)的過渡過程具有相同的品質(zhì)指標。 同理，無自衡多容過程的數(shù)學模型為 圖 2210無自衡能力的雙容過程 t t t 14 nTssTsW )1( 11)( 00 ?? （ 2212） 當然無自衡多容過程具有純時延時，則其數(shù)學模型為 stn eTssTsW 0)1( 11)(00??? （ 2213） 15 3 串級控制 串級控制系統(tǒng)概述 圖 31 是串級控制系統(tǒng)的方框圖。 2h 對擾動的響應(yīng)有他、一定的時延和慣性。對與無自衡能力的雙容過程，可見