【正文】 。目前運(yùn)行在九千例控制工程項(xiàng)目中，在電力，化工、交通、機(jī)械，過(guò)程控制等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。 該設(shè)計(jì)充分利用了組態(tài)王最強(qiáng)大的功能 ——圖形編輯功能，結(jié)合 THJ2型儀表過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)備的實(shí)際情況，制作了多個(gè)控制界面。監(jiān)控和記錄各種報(bào)警信息 ， 繪制歷史曲線(xiàn)和實(shí)時(shí)曲線(xiàn)反映液位的情況 ， 打印報(bào)表和檢索數(shù)據(jù)庫(kù)等。 組態(tài)王軟件簡(jiǎn)介 組態(tài)王軟件是工業(yè)自動(dòng)化軟件的一種，是北京亞控科技發(fā)展有限公司的產(chǎn)品。組態(tài)王 (TouchExplorer)、工程管理器 (ProjManager)和畫(huà)面運(yùn)行系統(tǒng) (TouchVew)三部分組成。工程管理器內(nèi)嵌畫(huà)面管理系統(tǒng)，用于新工程的創(chuàng)建和已有工程的管理。 工程瀏覽器和畫(huà)面運(yùn)行系統(tǒng)是各自獨(dú)立的 Windows應(yīng)用程序，均可單獨(dú)使用；兩安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 第 3 頁(yè) 者又相互獨(dú)立，在工程瀏覽器的畫(huà)面開(kāi)發(fā)系統(tǒng)中設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的畫(huà)面應(yīng)用程序必須在畫(huà)面運(yùn)行系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境中才可能運(yùn)行。 TOUCHMAK是應(yīng)用工程的開(kāi)發(fā)環(huán)境，需要在這個(gè)環(huán)境中完成畫(huà)面設(shè)計(jì)、動(dòng)畫(huà)連接等工作。 PROJMANAGER是應(yīng)用程序的管理系統(tǒng)。 液位控制系統(tǒng)和 THJ2 型儀表過(guò)程控制 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)備概述本系統(tǒng)用來(lái)對(duì)水箱運(yùn)行系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)并具有自動(dòng)控制的功能，硬件部分為 THJ2型儀表過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置。 THJ2型高級(jí)過(guò)程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置是基于工業(yè)過(guò)程物理模擬對(duì)象，它集自動(dòng)化儀表技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)為一體的多功能實(shí)驗(yàn)裝置。本裝置還可根據(jù)用戶(hù)的需要設(shè)計(jì)構(gòu)成 DDC、 DCS、 PLC等各種控制系統(tǒng)。 “THJ一 2型高級(jí)過(guò)程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置 ”集多參數(shù)閉環(huán)控制為一體，由過(guò)程控制對(duì)象、智能儀表模塊、執(zhí)行器模塊、信號(hào)檢測(cè)模塊等組成，各個(gè)模塊間可以靈活組合，融合了工業(yè)上的主要控制手段，涉及了溫度、壓力、流量和液位等重要的過(guò)程控制參數(shù)。 (1)設(shè)計(jì)圖形界面； (2)定義設(shè)備；(3)構(gòu)造數(shù)據(jù)庫(kù)； (4)建立動(dòng)畫(huà)連接； (5)運(yùn)行和調(diào)試。圖形，用戶(hù)希望怎樣的圖形畫(huà)面 ?也就是怎樣用抽象的圖形畫(huà)面來(lái)模擬實(shí)際的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)和相應(yīng)的工控設(shè)備。 安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 第 4 頁(yè) 連接，數(shù)據(jù)和圖形畫(huà)面中圖素的連接關(guān)系是什么 ?也就是畫(huà)面上的圖素以怎樣的動(dòng)畫(huà)來(lái)模擬現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行，以及怎樣操作者輸入控制設(shè)備的指令。其制作過(guò)程不一一介紹，這里僅介紹大水箱液位控制實(shí)驗(yàn)控制界面的制作過(guò)程。在畫(huà)面設(shè)置中，設(shè)置左邊為 5，頂邊為 5，寬度為 1014，高度為 688。點(diǎn)擊調(diào)色板中的 “窗口色 ”按鈕，設(shè)置窗口顏色為暗藍(lán)色。這樣 一個(gè)畫(huà)面就完成了。在組態(tài)王運(yùn)行時(shí)，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)狀況要以動(dòng)畫(huà)的形式反映在屏幕上，同時(shí)工程人員在計(jì)算機(jī)前發(fā)布的指令也要迅速送達(dá)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，這一切都是以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)為中介環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)庫(kù)是聯(lián)系上位機(jī)和下位機(jī)的橋梁。 這里，共有 16個(gè)變量： set， opl，大水箱液位 pvl，大水箱液位 svl， svl,op2， k，ti， td， ei， mx， q0， ql， q2， pvx， a。 動(dòng)畫(huà)連接 定義動(dòng)畫(huà)連接是指在畫(huà)面的圖形對(duì)象與數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)變量之間建立一種關(guān)系，當(dāng)變量的值改變時(shí)，通過(guò) I／ O接 1:1，在畫(huà)面上以圖形對(duì)象的動(dòng)畫(huà)效果表示出來(lái)。在縮放連接中，設(shè)置最小時(shí)為 0。 安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 第 5 頁(yè) 系統(tǒng)趨勢(shì)曲線(xiàn) 趨勢(shì)分析是控制軟件必不可少的功能。趨勢(shì)曲線(xiàn)有實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線(xiàn)和歷史趨勢(shì)曲線(xiàn)兩種。本系統(tǒng)顯示大水箱液位 pvl變量和大水箱液位SVl變量?jī)蓷l曲線(xiàn)。 并 調(diào) 用ReportSetHistData2函數(shù)，在運(yùn)行環(huán)境時(shí)通過(guò)選擇記錄的變量，可以查閱被選的變量的各個(gè)時(shí)刻的值，實(shí)現(xiàn)報(bào)表功能。 圖 21 三容水箱硬件關(guān)系圖 主要由以下幾個(gè)部分組成： 1) 水箱底座 ； 2) 循環(huán)泵 ； 3) 比例電磁閥 ； 4) 液位傳感器 。 2) I/O 接口板 。 4) 開(kāi)關(guān)、指示燈等電氣元件 。 三容水箱的操作步驟 1) 向水箱中 注入清潔水。 3) 進(jìn)入演示和實(shí)驗(yàn)軟件的安裝目錄，運(yùn)行 Exe 目錄下的 。 5) 選擇菜單項(xiàng) “操作 開(kāi)始試驗(yàn) ”，開(kāi)始實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)開(kāi)始對(duì) AD/DA 的操作。 7) 選擇菜單項(xiàng) “操作 停止控制 ”，結(jié)束控制過(guò)程。 9) 退出程序。 第 4 章 PID 控制的理論基礎(chǔ) PID 控制原理 PID 控制器作為一種在生產(chǎn)過(guò)程中普遍采用的控制方法，已有 50 多年歷史，現(xiàn)在仍然是應(yīng)用最廣泛的工業(yè)控制器。 PID 控制，就是一種將偏差的比例 (P)、積分 (I)和微分 (D)通過(guò)線(xiàn)性組合構(gòu)成控制量對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制的方法，所以稱(chēng)為 PID 控制。 PID 控制的原理如下圖所示 : 安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 第 8 頁(yè) 圖 41 PID 控制原理 PID 控制器是一種線(xiàn)性控制器，它根據(jù)給定值 R(t)與實(shí)際輸出值 C(t)構(gòu)成控制偏差 : ( ) ( ) ( )e t R t C t?? （ 41） PID 控制規(guī)律為： ()1( ) ( ( ) ( ) )DPIT d e tu t k e t e t d tT d t? ? ?? （ 42） 寫(xiě)成傳遞函數(shù)的形式： ( ) 1( ) (1 )() PDIUsG s k T sE s T s? ? ? ? （ 43） PID 控制器各個(gè)校正環(huán)節(jié)的作用如下 : (l)比例環(huán)節(jié) kp:成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào) e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減小偏差。 (2)積分環(huán)節(jié) T1:主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度。積分作用過(guò)強(qiáng)，可能引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。微分作用過(guò)強(qiáng)，可能引起系統(tǒng)的振蕩。一般來(lái)說(shuō)，不同的偏差 e 和偏差變化率 ec對(duì) PID 控制器的參數(shù) kp、 T1和 TD 有不同的要求。 (2)當(dāng)誤差 |e|在中等大小時(shí)，為保證系統(tǒng)的相應(yīng)速度并控制超調(diào)， kp 應(yīng)減小， T1值應(yīng)增大， TD 應(yīng)適中。 雖然 PID 控制器有簡(jiǎn)單易懂、使用中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件的優(yōu)點(diǎn)，但它在控制非線(xiàn)性、時(shí)變、藕合及參數(shù)和結(jié)構(gòu)不確定的復(fù)雜過(guò)程時(shí)，控制效果并不是太好。而且，在確定 kp、 T1 和 TD 這三個(gè)參數(shù)時(shí)，如果不采用其他相關(guān)輔助技術(shù)，一般只能采用試湊法，需要不斷地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，直到湊出最優(yōu)參數(shù)，既浪費(fèi)資源又浪費(fèi)時(shí)間。擾動(dòng)作用在內(nèi)環(huán)，則雙環(huán)系統(tǒng)好于單環(huán)。三容水箱的擾動(dòng)作用主要體現(xiàn)在水箱三，整個(gè)系統(tǒng)的擾動(dòng)作用在外環(huán)。 如果三容水箱采用單閉環(huán)控制，其系統(tǒng)框架圖如下： 圖 45 單閉環(huán)控制系統(tǒng)框架圖 我們的系統(tǒng)采用單閉環(huán)控制， PID 的參數(shù) 整定用了兩種方法： ；（ 4:1 衰減比）。具體方法如下： 圖 46 衰減振蕩圖 具體方法如下： 采用臨界比例度法整定 PID 控制器參數(shù) 在閉環(huán)控制系統(tǒng)里，首先將控制器置于純比例作用下，從小到大逐漸增大控制安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 第 11 頁(yè) 器的比例增益 Kp，直到出現(xiàn)等幅振蕩曲線(xiàn)為止，如圖： 圖 47 尋找等幅振蕩圖 程序代碼如下： G0=tf(523500,[1 10470 0])。 hold on。 step(G)。 axis([0 0 2])。 P=[]。 for i=1:length(P) G=feedback(P(i)*G0,1)。 grid on。 end 圖 410 純比例控制振蕩曲線(xiàn) 然后令 kp=,Ti=,然后得到 PI 調(diào)節(jié)，其代碼為： clear all G0=tf(523500,[1 10470 0])。 Ti=[]。 hold on。 G=feedback(G0*Gc,1)。 grid on。 圖 411 PI 控制振蕩曲線(xiàn) 然后令 kp=,， Ti=， Td=；得到 PID 調(diào)節(jié)，其代碼為： clear all G0=tf(523500,[1 10470 0])。Ti=。 t=0::20。 for i=1:length(Td) Gc=tf(kp*[Ti*Td(i),Ti,1],[Ti,0])。 step(G,t)。 end axis([0 0 ])。 kp=。Ti=。 Gc=tf(kp*[Ti*Td,Ti,1]/Ti,[1,0])。 step(G)。 hold on。 dd=conv([Ti,0],[Td/N(i),1])。 G=feedback(G0*Gc,1)。grid on。 系統(tǒng)建模 圖 51 雙容水箱實(shí)際模型 如圖 1 所示，其中 12AA 分別為水箱的底面積， 1 2 3qqq 為水流量 ， 1 2 3RRR 為閥門(mén) 3 的阻力，稱(chēng)為液阻或流阻，經(jīng)線(xiàn)性化處理，有： ΔhΔq=R （ 51） 則 根據(jù)物料平衡對(duì)水箱 1 有： 11 2 1 dΔ hΔ q Δ q = A dt （ 52） 12 2ΔhΔq=R （ 53） 對(duì)水箱 2 有 ： 22 3 2 dΔ hΔ q Δ q = A dt （ 54） 安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 第 17 頁(yè) 23 3ΔhΔq=R （ 55） 定義輸入為 1q ， 輸出為 1h 、 h2 ，則系統(tǒng)的狀態(tài)方程 為： 1111 1222 2 2 31 0 1ARhh A= + q11 hhA R A R20??? ??????? ?? ???? ?? ????? ?????? ??????? （ 55） 12h10y=0 1 h???????????? （ 57） 在 參 考 各 種 資 料 和 數(shù) 據(jù) 的 基 礎(chǔ) 上 ， 可 設(shè) 定 該 雙 容 水 箱 的 參 數(shù)212A = A = ， 23R = R = 2，則系 統(tǒng)的狀態(tài)方程可具體化為： 11122hh 0 2= + q1 1 hh10??? ??? ? ? ??? ??? ? ? ???? ? ? ? ????? （ 58） 12h10y=0 1 h???????????? （ 59） 運(yùn)動(dòng)分析 為了更好的利用 Matlab 分析，我們可將系統(tǒng)的狀態(tài)方程的輸出分解為： ? ?112hy = 1 0h?????? （ 510） ? ? 122hy = 0 1h?????? （ 511） 在 Matlab 中輸入下列指令，可得到系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。1 1]。0]。 安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論