【正文】 第 17 頁 系統(tǒng)硬件原理圖 圖 31硬件原理圖 液位變送器采用壓力傳感器、變送器，采用工業(yè)用的擴(kuò)散硅壓力變送器，含不銹鋼隔離膜片，同時(shí)采用信號(hào)隔離技術(shù)，對(duì)傳感器溫度漂移跟隨補(bǔ)償。主回路中的調(diào)節(jié)器稱主調(diào)節(jié)器，控制主對(duì)象（下水箱）。副回路中的調(diào)節(jié)器稱副調(diào)節(jié)器，控制副對(duì)象（中水箱）。 方案設(shè)計(jì) 中下水箱液位串級(jí) 設(shè)計(jì)建立的串級(jí)控制系統(tǒng)由主副兩個(gè)控制回路組成，每一個(gè)回路又有自己的調(diào)節(jié)器和控制對(duì)象。根據(jù)主調(diào)節(jié)器放大系數(shù) 1K 和副調(diào)節(jié)器放大系數(shù) 2K 的匹配原理，適當(dāng)調(diào)整調(diào)節(jié)器的參數(shù)，使主參數(shù)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)指標(biāo)最佳。 (2) 按照單回路控制系統(tǒng)的任一種參數(shù)整定方法來整定主調(diào)節(jié)器的參數(shù)。 一步整定法：一步整 定法，就是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)先確定副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，然后將副回路作為主回路的一個(gè)環(huán)節(jié)，按單回路反饋控制系統(tǒng)的整定方法整定主調(diào)節(jié)器的參數(shù)。 (3) 根據(jù)求取的 s1? 、 sT1 和 s2? 、 sT2 值，按單回路系 統(tǒng)衰減曲線法的整定公式，計(jì)算主、副調(diào)節(jié)器的比例度 ? 、積分時(shí)間 iT 和微分時(shí)間 dT 的數(shù)值。記下相應(yīng)的比例度和振蕩周期 sT2 。 兩步整定法：兩步整定法就是第一步整定副調(diào)節(jié)器參數(shù)，第二步整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)。而后，將主調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置在所求得的數(shù)值上，再進(jìn)行整定，求取第二次副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)值，然后再整定主調(diào)節(jié)器。在調(diào)節(jié)閥的輸入端加一階躍信號(hào)，記錄測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)。記錄下此時(shí)的 4： 1 衰減比例度 sP 和衰減周期 sT 。 在閉合控制系統(tǒng)中，把調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間 iT 置于最大，微分時(shí)間 dT 置零，比例度 ? 置于較大數(shù)值，把系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行，將調(diào)節(jié)器的比例度 ? 由大到小逐漸減小，得到臨界振蕩過程，記錄下此時(shí)的臨界比例度 k? 和臨界振蕩周期 mT 。三種 第 12 頁 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。 二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)試驗(yàn)中進(jìn)行控制器參數(shù)整定，且方法簡單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。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)。 PID 控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，應(yīng)根據(jù)被控過程的特性確定 PID 控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。 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)測誤差變化的趨勢，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)。其原因是由于存在有較大慣性環(huán)節(jié)或有滯后環(huán)節(jié)，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。 （ 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。但是過大的積分速度會(huì)降低系統(tǒng)的穩(wěn)定程度，出現(xiàn)發(fā)散的振蕩過程。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。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱此控制系統(tǒng)是有差系統(tǒng)。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。 PID 控制器問世至今已有近 70 年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一?，F(xiàn)在有利用 PID 控制實(shí)現(xiàn)的壓力、溫度、流量、液位控制器，能實(shí)現(xiàn) PID 控制功能的可編程控制器 (PLC)，還有可實(shí)現(xiàn) PID 控制的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等。 第 10 頁 PID 控制原理 目前，隨著控制理論的發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用， PID 控制技術(shù)日趨成熟。串級(jí)控制系統(tǒng)有兩個(gè)回路，主、副調(diào)節(jié)器作用方式的確定原則是要保證兩個(gè)回路均為負(fù)反饋。如果引入 I 控制，會(huì)延長控制過程，減弱副回路的快速控制作用；也沒有必要引入 D 控制，因?yàn)楦被芈凡捎? P 控制已經(jīng)起到了快速控制作用，引入 D 控制會(huì)使調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作過大，不利于整個(gè)系統(tǒng)的控制。系統(tǒng)對(duì)二個(gè)回路的要求有所不同。 （ 2）主、副調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律的匹配、選擇 在串級(jí)控制系統(tǒng)中，主、副調(diào)節(jié)器的作用是不同的。比值過高，即副回路的時(shí)間常數(shù)較主回路的時(shí)間常數(shù)小得太多，副回路反應(yīng)靈敏，控制作用快，但副回路中包含的擾動(dòng)數(shù)量過少，對(duì)于改善系統(tǒng)的控制性能不利；比值過低，副回路的時(shí)間常數(shù)接近主回路的時(shí)間常數(shù)，甚至大于 主回路的時(shí)間常數(shù)，副回路雖然對(duì)改善被控過程的動(dòng)態(tài)特性有益，但是副回路的控制作用缺乏快速性，不能及時(shí)有效地克服擾動(dòng)對(duì)被控量的影響。如果所有的擾動(dòng)都包括在副回路中，主調(diào)節(jié)器也就失去了控制作用。 3 主、副回路的匹配 （ 1）主、副回路中包含的擾動(dòng)數(shù)量、時(shí)間常數(shù)的匹配 設(shè)計(jì)中考慮使二次 回路中應(yīng)盡可能包含較多的擾動(dòng)，同時(shí)也要注意主、副回路擾動(dòng)數(shù)量的匹配問題。 在需要以流量實(shí)現(xiàn)精確跟蹤時(shí)，可選流量為副被控量。 副被控過程的滯后不能太大，以保持副回路的快速相應(yīng)特性。 歸納如下： 在設(shè)計(jì)中要將主要擾動(dòng)包括在副回路中。主要包括如何選取副被控參數(shù)、確定主、副回路的原則等問題。 串級(jí)系 統(tǒng)設(shè)計(jì) 主回路的設(shè)計(jì) 串級(jí)控制系統(tǒng)的主回路是定值控制，其設(shè)計(jì)單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)類似，設(shè)計(jì)過程可以按照簡單控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則進(jìn)行。在串級(jí)控制系統(tǒng)中，由于引入了一個(gè)副回路，不僅能及早克服進(jìn)入副回路的擾動(dòng)，而且又能改善過程特性。 一次擾動(dòng)作用在主被控過程上的，而不包括在副回路范圍內(nèi)的擾動(dòng)。整個(gè)系統(tǒng)包括兩個(gè)控制回路，主回路和副回路。串級(jí)控制系統(tǒng)采用兩套檢測變送器和兩個(gè)調(diào)節(jié)器，前一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出作為后一個(gè)調(diào)節(jié)器的設(shè)定，后一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出送往調(diào)節(jié)閥。接著對(duì)中水箱、下水箱、中下水箱、主管流量用階躍響應(yīng)曲線法進(jìn)行了建模與辨識(shí)，根據(jù)響應(yīng)曲線法中的 PID 整定公式進(jìn)行了調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定，完成了下水箱、中下水箱和主管流量單回路 PID 控制，最終本著先副后主的串級(jí)整定方法對(duì)中下水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)和主管流量下 水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)的主調(diào)節(jié)器參數(shù)進(jìn)行了整定，完成了算法對(duì)比研究。主要是看副控參數(shù)不同時(shí)其控制效果的變化，進(jìn)行對(duì)比研究。上位機(jī)采用 MCGS 組態(tài)軟件，用 STEP7 第 7 頁 軟件進(jìn)行編程，下位機(jī)采用西門子 S7200PLC。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)。 MATLAB 具有豐富的可用于控制系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)的函數(shù)， MATLAB 的控制系統(tǒng)工具箱 (Control System Toolbox)提供對(duì)線性系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)和建模的各種算法； MATLAB 的系統(tǒng)辨識(shí)工具箱（ System Identification Toolbox）可以對(duì)控制對(duì)象的未知對(duì)象進(jìn)行辨識(shí)和建模。 (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。 (3)圖形圖像系統(tǒng) 這是 MATLAB 圖形系統(tǒng)的基礎(chǔ)，包括完成 2D 和 3D數(shù)據(jù)圖示、圖像處理、動(dòng)畫生成、圖形顯示等功能的高層 MATLAB 命令，也包括用戶對(duì)圖形圖像等對(duì)象進(jìn)行特性控制的低層 MATLAB 命令，以及開發(fā) GUI 應(yīng)用程序的各種工具。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。 MATLAB 提供了一個(gè)人機(jī)交互的數(shù)學(xué)系統(tǒng)環(huán)境，該系統(tǒng)的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是復(fù)數(shù)矩陣，在生成矩陣對(duì)象時(shí)，不要求作明確的維數(shù)說明，使得工程應(yīng)用變得更加快捷和便利。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。 軟件 MATLAB 軟件是由美國 MathWorks 公司開發(fā)的，是目前國際上最流行、應(yīng)用最廣 泛的科學(xué)與工程計(jì)算軟件，它廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制、數(shù)學(xué)運(yùn)算、信號(hào)分析、計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖形圖象處理、語音處理、汽車工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)工程和航天工業(yè)等各行各業(yè)，也是國內(nèi)外高校和研究部門進(jìn)行許多科學(xué)研究的重要工具。此項(xiàng)操作在設(shè)備窗口內(nèi)進(jìn)行。 (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。 MCGS還為用戶提供了編程用的功能構(gòu)件，使用簡單的編程語言，編寫工程控制程序。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。 (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。編制菜單分兩步進(jìn)行，第一步首先搭建菜單的框架，第二步再對(duì)各級(jí)菜單命令進(jìn)行功能組態(tài)。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。 利用 MCGS 軟件組建工程的過程簡介： (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。 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” 。 軟件簡介 軟件 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)。而適應(yīng)于較高控制場合的智能化、自適應(yīng)控 制儀表，國內(nèi)技術(shù)還不十分成熟，形成商品化并廣泛應(yīng)用的控制儀表較少。 液位控制系統(tǒng)在國內(nèi)各行各業(yè)的應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛，但從國內(nèi)生產(chǎn)的液位控 制器來講，同國外的日本、美國、德國等先進(jìn)國家相比，仍然 有差距。開放的控制器平臺(tái) ， 便于用戶進(jìn)行自己的控制器設(shè)計(jì) ， 滿足創(chuàng)新研究的需要。用戶既可通過經(jīng)典的 PID 控制器設(shè)計(jì)與調(diào)試，完成經(jīng)典控制教學(xué)實(shí)驗(yàn)，也可通過模糊邏輯控制器的設(shè)計(jì)與調(diào)試，進(jìn)行智能控制教學(xué)實(shí)驗(yàn)與研究。 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 國內(nèi)也有一些廠家研制了水箱液位系統(tǒng) 。也有不能趨向平衡 ， 被控量一直變化而不能穩(wěn)定下來的，這就是具有積分的對(duì)象。 (3)控制系統(tǒng)較復(fù)雜從生產(chǎn)安全方面考慮 ， 生產(chǎn)設(shè)備的設(shè)計(jì)制造都力求生產(chǎn)過程進(jìn)行平穩(wěn)，參數(shù)變化不超出極限范圍，也不會(huì)產(chǎn)生振蕩，作為被控對(duì)象就具有非振蕩環(huán)節(jié)的特性。 (2)對(duì)象特性的非線性對(duì)象特性大多是隨負(fù)荷變化而變化，當(dāng)負(fù)荷改變時(shí)，動(dòng)態(tài)特性有明顯的不同。液位過程參數(shù)的變化不 但受到過程內(nèi)部條件的影響，也受外界條件的影響，而且影響生產(chǎn)過程的參數(shù)一般不止一個(gè) ， 在過程中的作用也不同 ， 這就增加了對(duì)過程參數(shù)進(jìn)行控制的復(fù)雜性， 或者控制起來相當(dāng)困難，因此形成了過程控制的下列特點(diǎn)： (1)對(duì)象存在滯后 熱工生產(chǎn)大多是在龐大的生產(chǎn)設(shè)備內(nèi)進(jìn)行，對(duì)象的儲(chǔ)存能力大，慣性也較大 ， 設(shè)備內(nèi)介質(zhì)的流動(dòng)或熱量傳遞都存在一定的阻力，并且往往具有自動(dòng)轉(zhuǎn)向平衡的 趨勢。液位控制系統(tǒng)一般指工業(yè)生產(chǎn)過程中自動(dòng)控制系統(tǒng)的被控變量為液位的系 第 3 頁 統(tǒng) 。 但是，由于德國 Amira 自動(dòng)化公司研制的雙容水箱系統(tǒng)價(jià)格太高，給購置這個(gè) 實(shí)驗(yàn)設(shè)備帶來很多困難。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 隨著人們生活質(zhì)量的提高和環(huán)境的變化， “水”已經(jīng)成為人們關(guān)注的對(duì)象！ 不管是生活用水，是工業(yè)用水，這都牽扯水的過程控制問題。在系統(tǒng)中，由于計(jì)算機(jī)只能處理數(shù)字信號(hào)，因而給定值和反饋量要先經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，才能輸入計(jì)算機(jī)。由于計(jì)算機(jī)具有運(yùn)算速度快﹑精度高﹑存儲(chǔ)量大﹑編程靈活以及具有很強(qiáng)的通信能力等特點(diǎn)，目前以微處理器﹑單片微處