【正文】 ....... 29 中下水箱參數(shù)辨識 ........................................ 31 主管流量參數(shù)辨識 ........................................ 32 6系統(tǒng)調(diào)試 ........................................................ 34 下水箱單回路 ................................................ 34 中下水箱單回路 .............................................. 34 中下水箱液位串級 ............................................ 35 第 III 頁 中水箱單回路 ............................................ 35 中下水箱液位串級 ........................................ 36 下水箱液位主管流量串級 ...................................... 38 主管流量單回路 .......................................... 38 下水箱液位主管流量串級 .................................. 38 7總結(jié) ............................................................ 42 致謝 .............................................................. 43 參考文獻(xiàn) .......................................................... 44 附錄 .............................................................. 45 第 1 頁 1 緒論 研究背景 隨著工業(yè)生產(chǎn)的飛速發(fā)展，人們對控制系統(tǒng)的控制精度、響應(yīng)速度、系統(tǒng)穩(wěn)定性與適應(yīng)能力的要求越來越高 。每一個先進(jìn)實用的控制算法的出現(xiàn)都對工業(yè)生產(chǎn)具有巨大的推動作用。 在我國 ， 越是高深的、先進(jìn)的控制理論，其研究越是局限于少數(shù)科研院所的狹小范圍內(nèi) ， 也越是遠(yuǎn)離了國民生產(chǎn)這個應(yīng)用基地。其原因固然是多方面的 。在目前尚不具有在實驗室中復(fù)現(xiàn)真實工業(yè)過程條件的今天 ， 開發(fā)經(jīng)濟(jì)實用的具有典型對象特性的實 驗裝置無疑是一條探索將理論成果轉(zhuǎn)化為應(yīng)用技術(shù)的捷徑。過程控制技術(shù)是自動化技術(shù)的重要組成部分，普遍運用于石油，化工，電力，冶金，輕工，紡織，建材等工業(yè)部門。其 后，串級控制，比值控制和前饋控制等復(fù)雜過程控制系統(tǒng)逐步應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，氣動和電動單元組合儀表也開始大量采用，同時電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)開始應(yīng)用于過程控制領(lǐng)域，實現(xiàn)了直接數(shù)字控制（ DDC）和設(shè)定值控制（ SPC）。同時新型的分布式控制系統(tǒng)（ DCS）集計算機(jī)技 第 2 頁 術(shù)、控制技術(shù)、通訊技術(shù)、故障診 斷技術(shù)和圖形顯示技術(shù)為一體，使工業(yè)自動化進(jìn)入控制管理一體化的新模式。 代化過程工業(yè)向著大型化和連續(xù)化的方向發(fā)展，生產(chǎn)過程也隨之日趨復(fù)雜，而對生產(chǎn)質(zhì)量﹑經(jīng)濟(jì)效益的要求，對生產(chǎn)的安全、可靠性要求以及對生態(tài)環(huán)境保護(hù)的要求卻越來越高。因此繼續(xù)采用常規(guī)的調(diào)節(jié)儀表（模擬式與數(shù)字式）已經(jīng)不能滿足對現(xiàn)代 化過程工業(yè)的控制要求。 在控制系統(tǒng)中引入計算機(jī)，可以充分利用計算機(jī)的運算﹑邏輯判斷和記憶等功能完成多種控制任務(wù)和實現(xiàn)復(fù)雜控制規(guī)律。當(dāng)計算機(jī)接受了給定值和反饋量后，依照偏差值，按某種控制規(guī)律（ PID）進(jìn)行運算，計算結(jié)果再經(jīng) D/A 轉(zhuǎn)換器，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而完成對系統(tǒng)的控制作用。將 PID 算法運用到水位控制系統(tǒng)中，不僅可以解決水塔的自動化給水問題而且還可以合理、安全、節(jié)約地使用水資源，進(jìn)而使居民安居樂業(yè)，使我國工業(yè)自動化不斷的向前發(fā)展！ 國外研究現(xiàn)狀 德國 Amira 自動化公司研制的水箱系統(tǒng)是著名的智能實驗設(shè)備之一 ， 在 國外很多大學(xué)和實驗室都已得到了廣泛的應(yīng)用，國內(nèi)也有包括清華大學(xué)、浙江大學(xué)、吉林大學(xué)等高校引進(jìn)了 Amira 公司研制的水箱過程控制實驗裝置 。也正是受其高價格的限制，目前，國內(nèi)只是少數(shù)高校的部分實驗室引進(jìn)了這個設(shè)備，給基于雙容水箱系統(tǒng)的算法研究和仿真帶來了困 難。 在生產(chǎn)過程中，對液位的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行控制，使其保持為一定值或按一定規(guī) 律變化，以保證質(zhì) 量和生產(chǎn)安全，使生產(chǎn)自動進(jìn)行下去。因此，當(dāng)流入 (流出 )對象的質(zhì)量或能量發(fā)生變化時，由于存在容量、慣性、阻力 ， 被控參數(shù)不可能立即產(chǎn) 生響應(yīng)，這種現(xiàn)象叫做滯后。大多數(shù)生產(chǎn)過程都具有非線性，弄清非線性產(chǎn)生的原因及非線性的實質(zhì)是極為重要的。過程的穩(wěn)定被破壞后 ， 往往具有自動趨向平衡的能力，即被控量發(fā)生變化時，對象本身能使被控量逐漸穩(wěn)定下來，這就具有慣性環(huán)節(jié)的特性。任何生產(chǎn)過程被控制的參數(shù)都不是一個，這些參數(shù)又各具有不同的特性，因此要針對這些不同的特性設(shè)計相應(yīng)不同的控制系統(tǒng)。 GWT 系列水箱液位控制實驗裝置由固高科技有限公司協(xié)同香港城市大學(xué)聯(lián)合研制開發(fā)而成，并經(jīng)過香港城市大學(xué) 多 年的實踐檢驗，充分證明了其教學(xué)、實驗和研究價值。各種控制器的控制效果既 通過水位的變化直觀地反映出來 ， 同時通過液位傳感器對水位的精確檢測 ， 方便地獲得瞬態(tài)響應(yīng)指標(biāo)，準(zhǔn)確評估控制性能。 THJS1 型雙容水箱對象系統(tǒng)實驗裝置由浙江天煌科技實業(yè)有限公司研制開發(fā)，它的出現(xiàn)為各大專院校，科研院所從事自動控制理論學(xué)習(xí)、研究及控制模型和算法探索的教師，科研人員及高年級本科生和研究生提供了一個具體的控制對象 。目前，我國液位控制主要以常規(guī)的 PID 控 第 4 頁 制器為主，它只能適應(yīng)一般系統(tǒng)控制，難于控制滯后 、 復(fù)雜、時變溫度系統(tǒng)控制。由于工業(yè)過程控制的需要，特別是在微電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展以及自動控制理論和設(shè)計方法發(fā)展的推動下，國外液位控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，并在智能化、自適應(yīng)、參數(shù)自整定等方面取得成果，在這方面 ， 以日本、美國、德國、瑞典等國技術(shù)領(lǐng)先，都生產(chǎn)出了一批商品化的、性能優(yōu)異的液位控制器及儀器儀表，并在 各行業(yè)廣泛應(yīng)用。 MCGS 組態(tài)軟件由“ MCGS 組態(tài)環(huán)境”和“ MCGS 運行環(huán)境”兩個部分組成。 MCGS 運行環(huán)境是用戶應(yīng)用系統(tǒng)的運行環(huán)境，由可執(zhí)行程序 支持 ,以用戶指定的方式運行 ,并進(jìn)行各種處理 ,完成用戶組態(tài)設(shè)計的目標(biāo)和功能。 第 5 頁 (2)工程立項搭建 框架：主要內(nèi)容包括：定義工程名稱、封面窗口名稱和啟動窗口名稱，指定存盤數(shù)據(jù)庫文件的名稱以及存盤數(shù)據(jù)庫，設(shè)定動畫刷新的周期。 (3)設(shè)計菜單基本體系：為了對系統(tǒng)運行的狀態(tài)及工作流程進(jìn)行有效地調(diào)度和控制，通常要在主控窗口內(nèi)編制菜單。在組態(tài)過程中，可根據(jù)實際需要，隨時對菜單的內(nèi)容進(jìn)行增加或刪除，不斷完善工程的菜單。前一部分用戶通過 MCGS 組態(tài)軟件中提供的基本圖形元素及動畫構(gòu)件庫，在用戶窗口內(nèi)組合成各種復(fù)雜的畫面。 (5)編寫控制流程程序：在運行策略窗口內(nèi)，從策略構(gòu)件箱中，選擇所需功能策略構(gòu)件，構(gòu)成各種功能模塊，由這些模塊實現(xiàn)各種人機(jī)交互操作。 (6)完善菜單按鈕功能：包括對菜單命令、監(jiān)控器件、操作按鈕的功能組態(tài)；實現(xiàn)歷 史數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)、各種曲線、數(shù)據(jù)報表、報警信息輸出等功能；建立工程安全機(jī)制等。 (8)連接設(shè)備驅(qū)動程序：選定與設(shè)備相匹配的設(shè)備構(gòu)件，連接設(shè)備通道，確定數(shù)據(jù)變量的數(shù)據(jù)處理方式，完成設(shè)備屬性的設(shè)置。 (9)工程完工綜合測試：最后測試工程各部分的工作情況，完成整個工程的組態(tài)工作，實施工程交接。 MATLAB 最早發(fā)行于 1984 年，經(jīng)過 10 余年的不斷改進(jìn)，現(xiàn)今已推出基于Windows 2021/xp 的 MATLAB 版本。在 第 6 頁 MATLAB 環(huán)境下，用戶可以集成地進(jìn)行程序設(shè)計、數(shù)值計算、圖形繪制、輸入輸出、文件 管理等各項操作。 MATLAB 系統(tǒng)由五個主要部分組成： (1)MATALB 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。 (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 M 文件的各種工具。 (4)MATLAB 數(shù)學(xué)函數(shù)庫 這是對 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，也包括矩陣運算、矩陣分析等高層次數(shù)學(xué)算法。 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)。 MATLAB的仿真工具箱（ Simulink）提供了交互式操作的動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真、分析集成環(huán)境。 論文主要研究內(nèi)容 本設(shè)計以過程控制實驗室的 TKJ2 型高級過程控制實驗設(shè)備為平臺，設(shè)計了基于 IPCPLC 的分布式控制系統(tǒng)。首先確定了中下水箱液位串級控制系統(tǒng)和主管流量下水箱液位串級控制系統(tǒng)兩種控制方案。然后完成了系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計，硬件主要是選型和原理圖的繪制，軟件是完成組態(tài)畫面的繪制、動畫連接和 PLC程序的編寫。 第 8 頁 2 系統(tǒng)控制方案設(shè)計 串級控制系統(tǒng) 串級系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu) 串級控制系統(tǒng)是兩個調(diào)節(jié)器串聯(lián)起來工作，其中一個調(diào)節(jié)器的輸出作為另一個調(diào)節(jié)器的給定值的系統(tǒng)。前一個調(diào)節(jié)器稱為主調(diào)節(jié)器，它所檢測和控制的變量稱主變量（主被控參數(shù)），即工藝控制指標(biāo)；后一個調(diào)節(jié)器稱為副調(diào)節(jié)器，它所檢測和控制的變量稱副變量（副被控參數(shù)），是為了穩(wěn)定 主變量而引入的輔助變量。副回路由副變量檢測變送、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥和副過程構(gòu)成；主回路由主變量檢測變送、主調(diào)節(jié)器、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥、副過程和主過程構(gòu)成 。二次擾動作用在副被控過程上的，即包括在副回路范圍內(nèi)的擾動。副調(diào)節(jié)器具有“粗調(diào)”的作用，主調(diào)節(jié)器具有“細(xì)調(diào)”的作用，從而使其控制品質(zhì)得到進(jìn)一步提高。這里主要解決串級控制系統(tǒng)中兩個回路的協(xié)調(diào)工作問題。 副回路的設(shè)計 由于副回路是隨動系統(tǒng)， 對包含在其中的二次擾動具有很強(qiáng)的抑制能力和自適應(yīng)能力，二次擾動通過主、副回路的調(diào)節(jié)對主被控量的影響很小，因此在選擇副回路時應(yīng)盡可能把被控過程中變化劇烈、頻繁、幅度大的主要擾動包括在副回路中，此外要盡可能包含較多的擾動。 第 9 頁 將更多的擾動包括在副回路中。 要將被控對象具有明顯非線性或時變特性的一部分歸于副對象中。 在這里要注意 (2)和 (3)存在明顯的矛盾，將更多的擾動包括在副回路中有可能導(dǎo)致副回路的滯后過大，這就會影響到副回路的快速控制作用的發(fā)揮，因此，在實際系統(tǒng)的設(shè)計中要兼顧 (2)和 (3)的綜合。副回路中如果包括的擾動越多，其通道就越長，時間常數(shù)就越大，副回路控制作用就不明顯了，其快速控制的效果就會降低。原則上，在設(shè)計中要保證主、副回路擾動數(shù)量、時間常數(shù)之比值在 3～ 10 之間。嚴(yán)重時會出現(xiàn)主、副回路“共振”現(xiàn)象，系統(tǒng)不能正常工作。主調(diào)節(jié)器是定值控制，副調(diào)節(jié)器是隨動控制。主回路一般要求無差，主調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律應(yīng)選取 PI 或 PID 控制規(guī)律；副回路要求起控制的快速性，可以有余差，一般情況選取 P 控制規(guī)律而不引入 I 或 D 控制。 （ 3）主、副調(diào)節(jié)器正反作用方式的確定 一個過程控制系統(tǒng)正常工作必須保證采用的反饋是負(fù)反饋。確定過程是首先判定為保證內(nèi)環(huán)是負(fù)反饋副調(diào)節(jié)器應(yīng)選用那種作用方式，然后再確定主調(diào)節(jié)器的作用方式。先進(jìn)的 PID 控制方案和智能 P