【正文】 想曲線和控制性能。 17 圖 SIMULINK 仿真框圖 圖 MATLAB 加入副回路仿真曲線 圖 MATLAB 不加入副回路仿真曲線 雙容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 18 圖 ： 圖 . 由圖 ，引入副回路組成雙容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)后能夠很好的克服進(jìn)入副回路的擾動(dòng) ,及時(shí)消除擾動(dòng)對(duì)主參數(shù)的影響 .在克服二次擾動(dòng)方面串級(jí)控制比不加副回路的非串級(jí)控制好 。 2．抗擾動(dòng)能力 維持初始階躍信號(hào)不變，并在副回路中加入擾動(dòng)信號(hào)，觀察響應(yīng)曲線 . 在 400s經(jīng)過(guò)慣性環(huán)節(jié)向副回路加入階 躍值為 70的擾動(dòng)信號(hào)。副控制器 P參數(shù)為 KP=50，在初始點(diǎn)加 40點(diǎn)階躍輸入量觀察階躍響應(yīng)曲線。 1. 階躍響應(yīng)性能 圖 SIMULINK 仿真框圖 通過(guò)手動(dòng)切換開(kāi)關(guān)（ Manual Switch）可以實(shí)現(xiàn)副回路的引入與切除，以了解副回路對(duì)控制性能的影響 ,比較串級(jí)控制和非串級(jí)控制對(duì)雙容水箱液位的控制能力。 控制系統(tǒng)仿真 通過(guò) MATLAB中的 SIMULINK工具箱可以動(dòng)態(tài)的模擬所的構(gòu)造系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，以控制框圖代替 了程序的編寫(xiě)，只需要選擇合適仿真設(shè)備，添加傳遞函數(shù)，設(shè)置仿真參數(shù)。 (4) 控制器的選擇 根據(jù)雙容水箱液位系統(tǒng)的過(guò)程特性和數(shù)學(xué)模型選擇控制器的控制規(guī)律。主副回路時(shí)間常數(shù)之比應(yīng)在 3到 10 之間，以使副回路既能反應(yīng)靈敏，又能顯著改善過(guò)程特性。 (3) 主副回路設(shè)計(jì) 為了實(shí)現(xiàn)液位串級(jí)控制，使用雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)。但當(dāng)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥突然斷電關(guān)斷時(shí)，后一種控制方式會(huì)造成長(zhǎng)流水，導(dǎo)致水箱中水過(guò)多溢出，造成浪費(fèi)或事故。 (2) 控制參數(shù)的選擇 從雙容水箱系統(tǒng)來(lái)看，影響液位 有兩個(gè)量，一是通過(guò)上水箱流入系統(tǒng)的流量，二是經(jīng)下水箱流出系統(tǒng)的流量。在雙容水箱控制系統(tǒng)中選擇下水箱的液位為系統(tǒng)被控參數(shù)，因?yàn)橄滤涞囊何皇钦麄€(gè)控制作用的關(guān)鍵，要求液位維持在某給定值上下。當(dāng)有擾動(dòng) f1(t)作用于副對(duì)象時(shí)，副調(diào)節(jié)器能在擾動(dòng)影響主控參數(shù)之前動(dòng)作，及時(shí)克服進(jìn)入副回路的各種二次擾動(dòng)，當(dāng)擾動(dòng) f2(t)作用于主對(duì)象時(shí)，由于副回路的存在 也應(yīng)使系統(tǒng)的響應(yīng)加快，使主回路控制作用加強(qiáng)。副回路中的調(diào)節(jié)器稱副調(diào)節(jié)器，控制副對(duì)象。 (4) 調(diào)節(jié)時(shí)間：從過(guò)渡過(guò)程開(kāi)始到被控參數(shù)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)值 5%— +5%范圍所需的時(shí)間 2．方案設(shè)計(jì) 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。為了保證系統(tǒng)足夠的穩(wěn)定程度，一般衰減率在 。 系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì) 1．控制系統(tǒng)性能指標(biāo) (1) 靜態(tài)偏差：系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程終了時(shí)的給定值與被 控參數(shù)穩(wěn)態(tài)值之差。根據(jù)以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算調(diào)節(jié)器參數(shù)： 雙容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 14 調(diào)節(jié)器參數(shù) 控制 規(guī)律 δ TI TD P δ S PI S PID S 表 阻尼振蕩整定計(jì)算公式 若被控對(duì)象為一階慣性環(huán)節(jié)或具有很小的純滯后，則可根據(jù)系統(tǒng)開(kāi)環(huán)廣義過(guò)程測(cè)量變送器階躍響應(yīng)特性進(jìn)行近似計(jì)算。 在閉合控制系統(tǒng)中，把調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間 TI 置于最大，微分時(shí)間 TD 置零，比例度δ置于較大數(shù)值反復(fù)做給定值擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)，并逐漸減少比例度，直至記錄曲線出現(xiàn) 4： 1 的衰減為止。 在閉合控制系統(tǒng)中，把調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間 TI 置于最大，微分時(shí)間 TD 置零，比例度δ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δ由大到小逐漸減小，得到臨界振蕩過(guò)程，記錄下此時(shí)的臨界比例度δ k和臨界振蕩周期 Tk。但無(wú)論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善。 PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減曲線法。由于實(shí)驗(yàn)測(cè)定的過(guò)程數(shù)學(xué)模型只能近似反映過(guò)程動(dòng)態(tài)特，理論計(jì)算的參數(shù)整定值可靠性不高，還必須通過(guò)工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。 PID控制器參數(shù)整定的方法分為兩大類： 一是理論計(jì)算整定法。特別對(duì)于有較大慣性或滯后環(huán)節(jié)的被控對(duì)象，比例積分控制 能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。自動(dòng)控制系統(tǒng)在克 服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。比例 +積分 (PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。 這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。但當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差 （ 2）積分控制（ I）：在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。 PID控制規(guī)律為： ])()(1)([)(0 dttdeTdteTiteKptU t ??? ? 或以傳遞函數(shù)形式表示： )11()( )()( T d sT iskpsE sUsG ???? 式中， KP:比例系數(shù) TI:積分時(shí)間常數(shù) TD:微分時(shí)間常數(shù) PID控制器各控制規(guī)律的作用如下： （ 1）比例控制（ P）：比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。 PID 控制器問(wèn)世至今已有近 70 年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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。 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。 圖 THJ2 高級(jí)過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置圖 雙容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 12 3 系統(tǒng)控制 方案設(shè)計(jì)與仿真 控制方案設(shè)計(jì)是過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心，需要以被控過(guò)程模型和系統(tǒng)性能要求為依據(jù)，合理選擇系統(tǒng)性能指標(biāo)，合理選擇被控參數(shù)，合理設(shè)計(jì)控制規(guī)律，選擇檢測(cè)、變送器和選擇執(zhí)行器。 11 圖 下水箱模型計(jì)算曲線 階躍響應(yīng)擾動(dòng)值為 10,靜態(tài)放大系數(shù)為階躍響應(yīng)曲線的穩(wěn)態(tài)值 )(?y 與階躍擾動(dòng)值 0x之比 0)(0 xyk ?? ，所以下水箱傳遞函數(shù)為 ?? SSG ）（ 。數(shù)據(jù)點(diǎn)與曲線基本擬合。)。 圖 上水箱模型計(jì)算曲線 階躍響應(yīng)擾動(dòng)值為 10,靜態(tài)放大系數(shù)為階躍響應(yīng)曲線的穩(wěn)態(tài)值 )(?y 與階躍擾動(dòng)值 0x雙容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 10 之比 0)(0 xyk ?? ，所以上水箱傳遞函數(shù)為 )(2 ?? ssG 在 MATLAB的命令窗口輸入曲線擬合指令： x=0: 30:1650； y=[0 ]； p=polyfit(x,y,4)； xi=0:3:1650； yi=polyval(p,xi)； plot(x,y,’ b:o’ xi,yi,39。而斜率 K為 P(t)在 t=0的導(dǎo)數(shù) P39。 如圖所示，利用四階多項(xiàng)式近似擬合上水箱的響應(yīng)曲線，得到多項(xiàng)式的表達(dá)式： P(t)≈ (009)t4+(006)++。 9 在 MATLAB中繪出曲線如下： 圖 上水箱擬合曲線 注：圖中曲線為擬合曲線，圓點(diǎn)為原數(shù)據(jù)點(diǎn)。r39。 兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中將階躍響應(yīng)初始點(diǎn)的值作為 Y軸坐標(biāo)零點(diǎn)，后面的數(shù)據(jù)依次減去初始值處理，作為 Y軸上的各階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)點(diǎn)；將對(duì)應(yīng) Y軸上階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)點(diǎn)的采集時(shí)間作為曲線上各 X點(diǎn)的值。 控制進(jìn)水量 供水 施加階躍輸入信號(hào) 階躍響應(yīng)輸出 電動(dòng)磁力泵 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥 上水箱 /下水箱 雙容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 8 圖 下水箱階躍響應(yīng)曲線 記錄階躍響應(yīng)參數(shù) (間隔 30s采集數(shù)據(jù) ): 1 13 25 37 49 2 14 26 38 50 3 15 27 39 51 4 16 28 40 52 5 17 29 41 53 6 18 30 42 54 7 19 31 43 55 8 20 32 44 56 9 21 33 45 57 10 22 34 46 58 11 23 35 47 59 12 24 36 48 60 表 下水箱階躍響應(yīng)數(shù)據(jù) 由于實(shí)驗(yàn)測(cè)定數(shù)據(jù)可能存在誤差，直接使用計(jì)算法求解水箱模型會(huì)使誤差增大。改變調(diào)節(jié)閥開(kāi)度至 OP2=50,即對(duì)上水箱輸入階躍信號(hào) ,使其液位離開(kāi)原平衡狀態(tài)。經(jīng)過(guò)一定調(diào)節(jié)時(shí)間后 ,水箱液位重新進(jìn)入平衡狀態(tài)。 圖 水箱模型測(cè)定原理圖 1．上水箱階躍響應(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(kāi)度 ,使初始開(kāi)度 OP1=50,等到水箱的液位處于平衡位置時(shí)。 在測(cè)定模型參數(shù)中可以通過(guò)以下兩種方法控制調(diào)節(jié)閥，對(duì)被控對(duì)象施加階躍信號(hào)： (1) 通過(guò)智能調(diào)節(jié)儀表改變調(diào)節(jié)閥開(kāi)度，增減水箱的流入水量 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。 R2:閥 2 的阻力 A:水箱截面積 T:液位過(guò)程的時(shí)間常數(shù) (T=R2C) K:液位過(guò)程的放大系數(shù) (K=R2) C:液位過(guò)程容量系數(shù) 階躍響應(yīng)曲線法建立模型 在本設(shè)計(jì)中將通過(guò)實(shí)驗(yàn)建模的方法，分別測(cè)定被控對(duì)象上水箱和下水箱在輸入階躍信號(hào)后的液位響應(yīng)曲線和相關(guān)參數(shù)。由流體力學(xué)可知，液位 h與流量之間為非線性關(guān)系。若 Q1作為被控過(guò)程的輸入量， h為其輸出量，則該被控過(guò)程的數(shù)學(xué)模型就是 h與 Q1之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式。液位 h 越高，水箱內(nèi)的靜壓力增大 ,Q2也越大。 水箱模型分析 圖 液位被控過(guò)程簡(jiǎn) 明原理圖 系統(tǒng)中上水箱和下水箱液位變化過(guò)程各是一個(gè)具有自衡能力的單容過(guò)程。上水箱尺寸為： d=25cm,h=20cm。上水箱和下水箱是系統(tǒng)的被控對(duì)象，必須通過(guò)測(cè)定和計(jì)算他們模型，來(lái)分析系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能、動(dòng)態(tài)特性，為其他的設(shè)計(jì)工作提供依據(jù)。 被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型（動(dòng)態(tài)特性）是指過(guò)程在各輸入量（包括控制量和擾動(dòng)量）作用下，其相應(yīng)輸出量（被控量）變化函數(shù)關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式。 雙容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 6 2 被控對(duì)象建模 在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作中，需要針對(duì)被控過(guò)程中的合適對(duì)象建立數(shù)學(xué)模型。此項(xiàng)操作在設(shè)備窗口內(nèi)進(jìn)行。 (7)編寫(xiě)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(huà)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(jiǎn)單的編程語(yǔ)言，編寫(xiě)工程控制程序。后一部分則設(shè)置圖形的動(dòng)畫(huà)屬性，與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中定義的變量建立相關(guān)性的連接關(guān)系，作為動(dòng)畫(huà)圖形的驅(qū)動(dòng)源。 (4)制作動(dòng)畫(huà)顯示畫(huà)面：動(dòng)畫(huà)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(guò)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(guò)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(guò)程簡(jiǎn)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(cè)控對(duì)象的特征，明確監(jiān)控要求和動(dòng)畫(huà)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(kù)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(lái)傳遞數(shù)據(jù)及動(dòng)畫(huà)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(huà)設(shè)計(jì)、設(shè)備連接、編寫(xiě)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(kù)，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” 。 MCGS 組態(tài)軟件介紹 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(kāi)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(guò)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(huà)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(guó)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)。 MATLAB 的仿真工具箱（ Simulink） 提供了交互式操作的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真、分析集成環(huán)境。 MATLAB還具有根強(qiáng)的功能擴(kuò)展能力，與它的主系統(tǒng)一起，可以配備各種各樣的工具箱，以完成一些特定的任務(wù)。 (4)MATLAB 數(shù)學(xué)函數(shù)庫(kù) 這是對(duì) MATLAB 使用的各種數(shù)學(xué)算法的總稱．包括各種初等函數(shù)的算法，也包括矩陣運(yùn)算、矩陣分析等高層次數(shù)學(xué)算法。 (2)MATLAB 工作環(huán)境