【正文】 通過本次設(shè)計我學到了很多東西，我不僅對以前學過的知識有了更深一步的了解，同時還學到了很多新的知識，掌握了設(shè)計的基本方法與思路，為我以后的工作和學習打下了一個堅實的基礎(chǔ)。在本次設(shè)計之中我遇到了不少問題，首先是我的理論知識很不扎實，尤其是過程控制方面的知識，在設(shè)計的過程中需要經(jīng)常翻閱相關(guān)的書籍；其次便是不熟悉設(shè)計所要使用到的軟件，如：MATLAB軟件、PLC編程軟件、MCGS組態(tài)軟件；最后便是自己的動手、應(yīng)變能力不強，在現(xiàn)場調(diào)試的過程中遇到的上位機連接不上，傳感器誤差大等問題都為我?guī)砹撕艽蟮穆闊?。本次設(shè)計首先通過查閱圖書館、數(shù)據(jù)庫文獻等方式收集到相關(guān)資料，然后對收集到的資料進行整理、閱讀、分析得到了一個完整的設(shè)計思路。 總 結(jié)液位控制問題是人民生活以及生產(chǎn)過程中經(jīng)常遇到的問題，這些液位控制問題可以簡化成為雙容水箱水位的控制問題。由于上下水箱的供水閥門都與同一個水泵連接，所以上水箱也受到了一個階躍擾動信號，其相應(yīng)曲線見圖77。圖76 液位曲線上水箱水位的毛刺是由于水箱的傳感器在工作一段時間之后（該時間為隨機數(shù)，無法確定）便會出現(xiàn)輸出不穩(wěn)定的現(xiàn)象引起的。④由于壓力傳感器在工作一段時間之后就會出現(xiàn)輸出值震蕩的現(xiàn)象，如果加入微分控制則會使系統(tǒng)不穩(wěn)定，故不加入微分控制。在經(jīng)過反復調(diào)試之后求得主調(diào)節(jié)器的參數(shù)為：=45，=30，=0，副調(diào)節(jié)器：=3時控制系統(tǒng)具有良好的動態(tài)性能。選擇自動控制模式，在系統(tǒng)的主、副調(diào)節(jié)器輸入通過MATLAB軟件所得到的“最佳參數(shù)”。圖75 數(shù)據(jù)顯示界面如圖75所示，歷史數(shù)據(jù)、實時曲線、歷史曲線三個部分都能正常顯示，所以數(shù)據(jù)顯示界面功能符合要求。 圖74 控制顯示界面由圖54可知，手動控制時主副調(diào)節(jié)器的輸出都是手動設(shè)定的值，水箱水位顯示正常，報警顯示正常，并且能夠讀取到主副調(diào)節(jié)器的參數(shù)。然而模擬設(shè)備與實際控制系統(tǒng)是有很大的區(qū)別的，所以還應(yīng)當在實際控制系統(tǒng)中進行驗證。連接是否成功可以通過設(shè)備調(diào)試窗口得知，如果通信狀態(tài)標志的值為0的話，MCGS與PLC變連接成功了，如圖72所示；如果不為0則連接不成功，這可能是由屬性設(shè)置錯誤或COM口被其他軟件占用等原因造成的。再點擊基本屬性頁面的內(nèi)部屬性選項，進入通道屬性設(shè)置界面，在該界面中按照表71增加通道，MCGS就是通過這些通道讀取PLC中的數(shù)據(jù)。本次設(shè)計的屬性設(shè)置見表72。具體的鏈接方法如下： （1）在設(shè)備窗口通過設(shè)備工具箱添加“通用串口父設(shè)備”，然后在“通用串口父設(shè)備”之下添加“西門子S7200PPI”。圖72 接線圖 完成上述接線之后變送器送出信號便能夠被PLC采集到，同時PLC的輸出信號也能夠控制電動調(diào)節(jié)閥了。驗證程序完整無誤且能夠達到控制要求之后便可以連接MCGS軟件了。表71 PLC資源分配表輸入信號上水箱壓力變送器AIW0下水箱壓力變送器AIW2輸出信號電動調(diào)節(jié)閥AQW0 PID模塊主回路測量值PVVD0主調(diào)節(jié)器輸出值OPVD8主調(diào)節(jié)器增益VD12主調(diào)節(jié)器積分時間VD20主調(diào)節(jié)器微分時間VD24副回路測量值PVVD158副調(diào)節(jié)器輸出值OPVD166副回路增益VD170其它手動、自動方式液位1VD282液位2VD278手動輸出值VD700PLC程序編寫完成之后下載至PLC，在不連接上位機的情況之下對水箱系統(tǒng)進行控制。圖71 程序流程圖 PLC資源分配在編寫PLC程序之前應(yīng)該對PLC的內(nèi)存進行分配，這樣不僅能夠使合理得利用PLC的內(nèi)存資源，還能夠在編程過程中不會出現(xiàn)內(nèi)存不合理的重復占用情況，也使修改程序的操作更為方便。根據(jù)PLC所需要完成的任務(wù)，繪制出如圖71所示的程序流程圖。自動控制時PLC根據(jù)上位機設(shè)定的PID參數(shù)對采集到的水箱液位信息進行運算得到控制信號，從而控制調(diào)節(jié)閥的開度；手動控制之時不進行PID運算，調(diào)節(jié)閥的開度由用戶手動調(diào)節(jié)。第7章 聯(lián)機調(diào)試 PLC程序設(shè)計在該系統(tǒng)之中PLC要完成的任務(wù)：（1）采集變送器傳來的水箱液位信號，經(jīng)過標準化運算之后得到水箱的實際水位值，并儲存起來，供MCGS軟件讀取。由此一個良好的“循環(huán)策略”是十分重要的?！皥缶畔g覽”策略用于查看保存的報警信息，“存盤數(shù)據(jù)瀏覽”策略則是用于查看存盤的水位歷史數(shù)據(jù)，“按鈕輸入”策略用于在運行環(huán)境之下的按鈕輸入操作。 運行策略主要完成工程運行流程的而控制，適當?shù)牡牟呗钥梢院喕M態(tài)過程，大大提高工作效率，優(yōu)化控制過程。圖64 報警顯示（3）報警動畫 在“用戶窗口”中雙擊“水位控制”，然后在元件庫之中選擇兩個指示燈，放置于組態(tài)界面之中并縮放至適當大小。在水位控制窗口中，選擇工具箱中的報警顯示，之后光標便會變成十字型，按下鼠標的左鍵把報警顯示表格拖動到適當?shù)拇笮。鐖D所示。在存盤屬性中，選擇“自動保存產(chǎn)生的報警信息”，這樣就可以通過報警數(shù)據(jù)瀏覽策略查看保存報警數(shù)據(jù)。這里以液位1為例說明如何定義報警的。為此在MCGS界面中進行了報警設(shè)置。 “數(shù)據(jù)顯示”界面的整體畫面見圖63。 （3）歷史趨勢運行時，歷史曲線構(gòu)件能夠把在一段時間內(nèi)的水位曲線記錄并顯示出來得出趨勢效果圖。在MCGS的“用戶窗口”中雙擊“數(shù)據(jù)顯示”進入，在工具箱中選中實時曲線，在桌面上的光標便會變成一個十字，點下鼠標的左鍵把框圖拖放至適當大小。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。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”；點擊鼠標右鍵選擇連接。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。如上水箱下面的流動塊的表達式應(yīng)該為：手動閥3=1，其意義為當手動閥3打開時流動塊流動表示有水流通過。 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式。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”標志進入動畫組態(tài)屬性設(shè)置窗口，在大小變化中點擊“問號”選擇液位1，表達式的值設(shè)置為33，其它不變，點擊確定之后，變量連接完成。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。在實時數(shù)據(jù)庫中新建數(shù)據(jù)對象，按照表61對這些變量進行定義。其整體畫面如圖61所示。手動閥2的主要作用是為下水箱添加擾動。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。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。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)。（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。③報警動畫顯示：由“對象元件庫管理”調(diào)入。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。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。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。（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。 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。經(jīng)過反復試驗得到=45，=30，=10時階躍響應(yīng)曲線比較理想，見圖56。圖54 副回路階躍響應(yīng)曲線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)進行整定。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)。打開MATLAB軟件點擊SIMULINK圖標彈出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)。 在這里主要用到的是MATLAB中的SIMULINK工具箱。 (4)MATLAB數(shù)學函數(shù)庫 這是對MATLAB使用的各種數(shù)學算法的總稱．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)學算法。(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。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主要面對科學計算、可視化以及交互式程序設(shè)計的高科技計算環(huán)境。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)進行仿真，從而得到主副控制器理論參數(shù)。（3）把主調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)定為上步得到的參數(shù)，閉合主副回路，再整定副回路參數(shù)。這里使用逐步逼近法，其整定步奏如下：（1）把主回路斷開，使副回路成為一個單回路控制系統(tǒng)，對副回路進行整定，得到較理想的整定參數(shù)。副調(diào)節(jié)器起到隨動控制的作用，副參數(shù)的設(shè)置是為了保證主參數(shù)的控制質(zhì)量，其動態(tài)性能和余差無特殊要求，P控制規(guī)律具有控制作用強，余差小的特點，因此副調(diào)節(jié)器一般采用P調(diào)節(jié)器。當有一次擾動作用于下水箱之時，主回路產(chǎn)生校正作用，由于副回路的存在加快了校正作用，使擾動對下水箱水位的影響比單回路控制時要小。下水箱的液位信息反饋回主回路，與系統(tǒng)給定值進行比較得到偏差作為主調(diào)節(jié)器的輸入信號；主調(diào)節(jié)器的輸出作為副調(diào)節(jié)器的給定值與反饋回來的上水箱液位信息經(jīng)過比較后得到偏差作為副調(diào)節(jié)器的輸入信號；副調(diào)節(jié)器的輸出控制調(diào)節(jié)閥，從而達到對水箱水位進行控制的目的?？刂葡到y(tǒng)框圖見圖52?；诖壖夹g(shù)和PLC控制器的雙容液位控制系統(tǒng)則能夠克服雙容水箱普遍存在容積延遲以及PID單回路控制難于達到控制要求的問題。 由于串級控制有以上優(yōu)點，在被控對象的容量滯后比較大，調(diào)節(jié)對象的純滯后時間比較長，系統(tǒng)內(nèi)存在激烈且幅值較大的干擾作用，調(diào)節(jié)對象具有較大的非線性特性而且負荷變化較大