【正文】 3) 串級控制系統(tǒng)具有一定的自適應(yīng)能力。1) 串級控制系統(tǒng)對進入副回路的擾動具有較強的克服能力。串級控制系統(tǒng)從總體上看，是定 值控制系統(tǒng)，因此主被控變量在擾動作用下的過度過程和單回路定值控制系統(tǒng)的過度過程，具有相同的品質(zhì)指標和類似的形式。如果控制系統(tǒng)設(shè)計欠妥，會造成生產(chǎn)中對液位控制的不合理，導致原料的浪費﹑產(chǎn)品的不合格，甚至造成生產(chǎn)事故，所以設(shè)計一個良好的液位控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中有著重要的實際意義。通過液位的檢測與控制，了解容器中的原料﹑半成品或成品的數(shù)量，以便調(diào)節(jié)容器內(nèi)的輸入輸出物料的平衡，保證生產(chǎn)過程中各環(huán)節(jié)的物料搭配得當。選擇正確的設(shè)計方案才能使先進的過程儀表和計算機系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)過程中發(fā)揮良好的作在工業(yè)實際生產(chǎn)中，液位是過程控制系統(tǒng)的重要被控量，在石油﹑化工﹑環(huán)保﹑水處理﹑冶金等行業(yè)尤為重要。 階躍響應(yīng)擾動值為10,靜態(tài)放大系數(shù)為階躍響應(yīng)曲線的穩(wěn)態(tài)值與階躍擾 動值之比 ，所以下水箱傳遞函數(shù)為 在實驗建模的過程中，實驗測取的被控對象為廣義的被控對象，其動態(tài)特性包括了調(diào)節(jié)閥和測量變送器，即廣義被控對象的傳遞函數(shù)為，為調(diào)節(jié)閥的傳遞函數(shù)，Gm(s)為測量變送器的傳遞函數(shù)。在MATLAB中繪出曲線如下：注：圖中曲線為擬合曲線，圓點為原數(shù)據(jù)點。r39。(0)= ,以此做切線交穩(wěn)態(tài)值于A點,映射在t軸上的B點的值為T。數(shù)據(jù)點與曲線基本擬合[1]：上述測量數(shù)據(jù)來源：姜秀英，如圖所示，利用四階多項式近似擬合上水箱響應(yīng)曲線，得到多項式的表達式：P(t)≈(009)t4+(006)t3 ++ 式 ()根據(jù)曲線采用切線作圖法計算上水箱特性參數(shù)，當階躍響應(yīng)曲線在輸入量x(t)產(chǎn)生階躍的瞬間，即t=0時，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。)。在MATLAB的命令窗口輸入曲線擬合指令： x=0:30:420； y=[0 ]； p=polyfit(x,y,4)； xi=0:3:420； yi=polyval(p,xi)； plot(x,y,’b:o’xi,yi,39。所以使用MATLAB軟件對實驗數(shù)據(jù)進行處理，根據(jù)最小二乘法對響應(yīng)曲線進行最佳擬合后，再計算水箱模型。施加階躍信號(2)改變調(diào)節(jié)閥開度,控制水箱進水量的大小，從而改變水箱液位，實現(xiàn)對被控對象的階躍信號輸入。通過磁力驅(qū)動泵供水，手動控制電動調(diào)節(jié)閥的開度大小,改變上水箱/下水箱液位的給定量，從而對被控對象施加階躍輸入信號，記錄階躍響應(yīng)曲線。但為了簡便起見，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:分別為偏離某一個平衡狀態(tài)Q10﹑Q20﹑h0的增量。 根據(jù)動態(tài)物料平衡， Q1Q2=A(dh/dt) ；△Q1△Q2=A(d△h/dt) 在靜態(tài)時，Q1=Q2，dh/dt=0；當Q1發(fā)生變化后，液位h隨之變化，水箱出口處的靜壓也隨之變化，Q2也發(fā)生變化。液位h的變化反映了Q1和Q2不等而導致水箱蓄水或瀉水的過程。如圖，水箱的流入量為Q1，流出量為Q2，通過改變閥1的開度改變Q1值，改變閥2的開度可以改變Q2值。下水箱尺寸為：d=35cm,h=240mm，每個水箱分為三個槽：緩沖槽、工作槽、出水槽。上水箱和下水箱為THJ2高級過程控制實驗裝置中上下兩個串接的有機玻璃圓筒形水箱，另有不銹鋼儲水箱負責供水與儲水。在液位串級控制系統(tǒng)中，我們所關(guān)心的是如何控制好水箱的液位。被控對象的數(shù)學模型是設(shè)計過程控制系統(tǒng)、確定控制方案、分析質(zhì)量指標、整定調(diào)節(jié)器參數(shù)等的重要依據(jù)。對于計算機控制，采用的是組態(tài)軟件MCGS來實現(xiàn)的，通過對軟件進行編程使組態(tài)軟件模擬出雙容水箱液位控制系統(tǒng)的手動和自動兩種工作狀態(tài)。ICP7000系列采集模塊的作用是將傳感器檢測到的被控參數(shù)標準信號通過A/D轉(zhuǎn)換送入計算機，計算機是將控制運算發(fā)出的控制信號通過D/A轉(zhuǎn)換發(fā)給執(zhí)行機構(gòu)（調(diào)節(jié)閥、變頻器）。對于控制器的選擇，從經(jīng)濟以及控制效果考慮采用智能儀表實現(xiàn)控制，并應(yīng)用組態(tài)軟件對系統(tǒng)實施監(jiān)控。對曲線進行處理求出各水箱的參數(shù)，用所求出的參數(shù)列寫出水箱的傳遞函數(shù)。 經(jīng)過比較和篩選，串級控制系統(tǒng)PID控制無論是從操作性、經(jīng)濟性還是從系統(tǒng)的控制效果均有比較突出的特性，因此采用串級控制系統(tǒng)PID控制對雙榮水箱液位控制系統(tǒng)實現(xiàn)控制。關(guān)鍵詞： 液位,模型,PID控制,儀表過程控制系統(tǒng),計算機過程控制系統(tǒng)AbstractDouble tank water level control system is the use of advanced control algorithm of process liquid level control system, it is in the beverage, food processing, filtering solution, chemical production and other industries in the production process has been widely used. In the design of the full use of automation technology, puter technology, munication technology and automatic control technology, in order to achieve the water tank liquid level cascade control. Firstly, the object model is analyzed, and the experimental modeling method for model transfer function. Secondly, according to the controlled object model and the controlled process characteristic design of cascade control system, using dynamic simulation technology to the control system performance analysis. Then, design and construction process control instrumentation system, through the intelligent controller for liquid level cascade PID control. Finally, with the help of a data acquisition module, MCGS configuration software and digital controller, design and establishment of a remote puter process control system, plete control system experiment and result analysisKeywords: liquid level，model PID control，indicator process control system，puter process control system目 錄摘 要 ⅠAbstract Ⅱ1 緒論 1　　2 被控對象建模 2 水箱模型分析 2 階躍響應(yīng)曲線法建立模型 33 系統(tǒng)控制方案設(shè)計與仿真 7 液位串級控制系統(tǒng)介紹 7 PID控制原理 7 系統(tǒng)控制方案設(shè)計 10 控制系統(tǒng)仿真 124 建立儀表過程控制系統(tǒng) 17 過程儀表介紹 17 儀表過程控制系統(tǒng)的組建 19 儀表過程控制系統(tǒng)PID參數(shù)整定 235 模擬計算機過程控制系統(tǒng) 25 計算機過程控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 25 MCGS軟件工程組態(tài) 28 組態(tài)軟件調(diào)試 386 結(jié)論 40參考文獻 41致謝 42附錄 431緒論雙容水箱系統(tǒng)是一種比較常見的工業(yè)現(xiàn)場液位系統(tǒng) ，在實際生產(chǎn)中 ，雙容水箱控制系統(tǒng)在石油、化工﹑環(huán)保﹑水處理﹑冶金等行業(yè)尤為常見。然后，設(shè)計并組建儀表過程控制系統(tǒng)，通過智能調(diào)節(jié)儀表實現(xiàn)對液位的串級PID控制。首先對被控對象的模型進行分析，并采用實驗建模法求取模型的傳遞函數(shù)。畢 業(yè) 設(shè) 計課題名稱： 基于PLC雙容水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計 系 部： 電子信息工程系 班 級： ************** 姓 名： ******** 指導老師： ******** 摘 要雙容水箱液位控制系統(tǒng)是采用先進的控制算法完成對過程液位的控制的控制系統(tǒng)，它在飲料、食品加工、溶液過濾、化工生產(chǎn)等多種行業(yè)的生產(chǎn)加工過程中均有廣泛應(yīng)用。在本設(shè)計中充分利用自動化儀表技術(shù)，計算機技術(shù)，通訊技術(shù)和自動控制技術(shù)，以實現(xiàn)對水箱液位的串級控制。其次，根據(jù)被控對象模型和被控過程特性設(shè)計串級控制系統(tǒng)，采用動態(tài)仿真技術(shù)對控制系統(tǒng)的性能進行分析。最后，借助數(shù)據(jù)采集模塊﹑MCGS組態(tài)軟件和數(shù)字控制器，設(shè)計并組建遠程計算機過程控制系統(tǒng)，完成控制系統(tǒng)實驗和結(jié)果分析。通過液位的檢測與控制從而調(diào)節(jié)容器內(nèi)的輸入輸出物料的平衡，以便保證生產(chǎn)過程中各環(huán)節(jié)的物料搭配得當。論文以THJ2高級過程控制實驗系統(tǒng)為基礎(chǔ)的實驗數(shù)據(jù)作為出發(fā)點，利用MATLAB的曲線擬合的方法分別仿真出系統(tǒng)中上水箱、下水箱的輸出響應(yīng)曲線。采用復雜控制系統(tǒng)中的串級控制系統(tǒng)列寫出系統(tǒng)框圖，根據(jù)串級控制系統(tǒng)PID參數(shù)整定的方法整定出主控制器和副控制器的P、I、D的數(shù)值，從而滿足控制系統(tǒng)對各項性能的要求。為了能夠使雙容水箱系統(tǒng)能實現(xiàn)遠程的檢測和控制，本文又進一步的設(shè)計出計算機過程控制系統(tǒng)，利用ICP7017數(shù)據(jù)采集模塊實現(xiàn)模擬量輸入通道的功能利用ICP7024數(shù)據(jù)采集模塊實現(xiàn)模擬量輸入通道的功能（自帶485通訊接口），通過RS232/485完成通訊轉(zhuǎn)換實現(xiàn)與計算機的通訊和控制。整個控制系統(tǒng)的控制算法及監(jiān)控功能都在控制計算機中實現(xiàn)。2被控對象建模在控制系統(tǒng)設(shè)計工作中，需要針對被控過程中的合適對象建立數(shù)學模型。被控對象的數(shù)學模型（動態(tài)特性）是指過程在各輸入量（包括控制量和擾動量）作用下，其相應(yīng)輸出量（被控量）變化函數(shù)關(guān)系的數(shù)學表達式。上水箱和下水箱是系統(tǒng)的被控對象，必須通過測定和計算他們模型，來分析系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能、動態(tài)特性，為其他的設(shè)計工作提供依據(jù)。上水箱尺寸為：d=25cm,h=240mm。 Q112Q2Ah系統(tǒng)中上水箱和下水箱液位變化過程各是一個具有自衡能力的單容過程。液位h越高，水箱內(nèi)的靜壓力增大,Q2也越大。若Q1作為被控過程的輸入量，h為其輸出量，則該被控過程的數(shù)學模型就是h與Q1之間的數(shù)學表達式。由流體力學可知，液位h與流量之間為非線性關(guān)系。R2:閥2的阻力 A:水箱截面積 T:液位過程的時間常數(shù)(T=R2C) K:液位過程的放大系數(shù)(K=R2) C:液位過程容量系數(shù)在本設(shè)計中將通過實驗建模的方法，分別測定被控對象上水箱和下水箱在輸入階躍信號后的液位響應(yīng)曲線和相關(guān)參數(shù)。在測定模型參數(shù)中可以通過以下兩種方法控制調(diào)節(jié)閥，對被控對象施加階躍信號：(1) 通過智能調(diào)節(jié)儀表改變調(diào)節(jié)閥開度，增減水箱的流入水量大小，從而改變水箱液位實現(xiàn)對被控對象的階躍信號輸入?？刂七M水量階躍響應(yīng)輸出 上水箱/下水箱電動調(diào)節(jié)閥電動磁力泵供水 水箱模型測定原理圖：記錄階躍響應(yīng)參數(shù)(間隔30s采集數(shù)據(jù)):171319281420391521410162251117236121824：記錄階躍響應(yīng)參數(shù)(間隔30s采集數(shù)據(jù)): 11325374921426385031527395141628405251729415361830425471931435582032445692133455710223