【正文】 ..... 36 變量的選擇 ........................................................................................ 36 主副控制器的控制規(guī)律 ..................................................................... 37 主副控制器正反作用的選擇 ............................................................ 37 串級控制系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用 ............................................................................ 38 本章小結(jié) ....................................................................................................... 38 總結(jié) .............................................................................................................................. 39 參考文獻(xiàn) ...................................................................................................................... 40 附錄 .............................................................................................................................. 41 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文） V 致謝 .............................................................................................................................. 43 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文） 1 第一章 緒論 選題背景及意義 液位是工業(yè)生產(chǎn)過程控制中很重要的被控變量。另外，在這些生產(chǎn)領(lǐng)域里，極容易出現(xiàn)操作失誤，引起事故，造成廠家的損失。所以，為了保證安全、方便操作，就必須研究開發(fā)先進(jìn)的液位控制方法和策略。在熱工生產(chǎn)與傳輸質(zhì)量或能量的過程中，存在著各種形式的容積和阻力，加上對象多具有分布參數(shù)，好像被不同的阻力和容積相互分隔著一樣。兩個串連的單容對象構(gòu)成的雙容對象就比較典型。液位控制系統(tǒng)一般指工業(yè)生產(chǎn)過程中自動控制系統(tǒng)的被控變量為液位的系統(tǒng)。液位的變化不但受到過程 控制過程中內(nèi)部干擾的影響，也受到外部的各種干擾的影響，而且影響液位變化的干擾一般不止一個，在過程控制中的作用也不同，這就增加了對變量進(jìn)行控制的復(fù)雜性，因此形成了過程控制的下列特點(diǎn) [3]： 1)對象存在滯后 熱工生產(chǎn)大多是在龐大的生產(chǎn)設(shè)備內(nèi)進(jìn)行，對象的儲存能力大，慣性也較大，設(shè)備內(nèi)介質(zhì)的流動或熱量傳遞都存在一定的阻力，并且往往具有自動轉(zhuǎn)向平衡的趨勢。 2)對象特性的非線性 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文） 2 對象特性大多是隨負(fù) 荷變化而變化，當(dāng)負(fù)荷改變時，動態(tài)特性有明顯的不同。 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)計都力求使生產(chǎn)過程平穩(wěn)，參數(shù)變化超出極限范圍，也不會產(chǎn)生振蕩，作為被控對象就具有非振蕩環(huán)節(jié)的特性。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象。 液位控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 目前在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用的液位控制系統(tǒng)，主要以傳統(tǒng)的 PID 控制算法為主。對于簡單的線性、時不變系統(tǒng)，采用PID 控制能夠取得滿意的控制效果。對于此類問題，傳統(tǒng)的 PID 控制方式顯得 無能為力。但由于其時滯性很大、具有時變性和非線性等因素，嚴(yán)重影響PID 控制的效果，目前，已經(jīng)開發(fā)出來的控制策略很多，但其中許多算法仍然只是停留在計算機(jī)仿真或?qū)嶒?yàn)裝置的驗(yàn)證上，真正能有效地應(yīng)用在工業(yè)過程中的并有發(fā)展?jié)摿Φ娜詾閿?shù)不多。近幾十年來，液位控制系統(tǒng)已被廣泛使用，在其研究和發(fā)展上也已趨于完備。而控制的概念更是應(yīng)用到周圍的許多的事物上，并且液位控制系統(tǒng)已是一般工業(yè)界所不可缺少的部分，如蓄水池，污水處理場等都需要液位控制系統(tǒng)的參與。 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，但國內(nèi)生產(chǎn)的液位控制器同國外的日本、美國、德國等先進(jìn)國家相比，仍然有差距。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。 本文的主要工作 第一章 緒論，主要介紹選題背景，液位控制的研究現(xiàn)狀，液位控制的主要控制策略，國內(nèi)外的發(fā)展形勢，并總結(jié)了國內(nèi)外在液位控制方面目前比較先進(jìn)的技術(shù)與儀器以及他們的原理，為接下來液位控制系統(tǒng)的設(shè)計打下良好的基礎(chǔ)。 第三章 針對單容水箱液位控制系統(tǒng)，對其在組態(tài)王中的開發(fā)進(jìn)行介紹，開發(fā)了系統(tǒng)總體監(jiān)控系統(tǒng)，設(shè)計開發(fā)了單容水箱的系統(tǒng)的總監(jiān)控界面，定義了外部變量，用于和研華板卡 PCI—1710 模塊的輸入輸出部分對應(yīng)，來實(shí)時顯示液位值的大小 ，建立的動畫連接，編寫了自動控制程序，實(shí)現(xiàn)了單容水箱控制系統(tǒng)的 自動控制，并且實(shí)現(xiàn)了液位值實(shí)時曲線歷史曲線和歷史數(shù)據(jù)的實(shí)時報警歷時報警的顯示。 第五 章 主要針對雙容水箱液位控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，對各種經(jīng)典控制進(jìn)行比較。為了使液位的控制達(dá)到一定內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文） 4 的精度，并且具有較好的動態(tài)性能，采用了區(qū)別于傳統(tǒng)控制方式的串級控制。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文） 5 第二章 控制對象及算法簡介 被控制變量的選擇 被控變量的選擇是控制系統(tǒng)的核心問題，被控變量選擇的正確與否會直接關(guān)系到生產(chǎn)的穩(wěn) 定性、產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量的提高以及生產(chǎn)安全與勞動條件的改善。 對于水箱液位控制系統(tǒng)，可直接選擇液位作為其被控變量?？刂葡到y(tǒng)的控制效果與執(zhí)行器的性能有著十分密切的關(guān)系。 [2] 本設(shè)計采用的是北京市樂維機(jī)電設(shè)備有限公的 ML7420A， 其特點(diǎn)為：安裝方便快速、無需連桿、標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)管式接線連接、無需調(diào)整、閥門定位準(zhǔn)確、低功耗、高的關(guān)斷壓力、終端推力限位開關(guān)、 0～ 10Vdc 或 2～ 10Vdc 信號輸入、帶位置反饋信號輸出、正反作用可選、同步馬達(dá)、防腐設(shè)計、免維護(hù)。傳感器的精度直接影響到系統(tǒng)的控制效果，所以應(yīng)根據(jù)不同的系統(tǒng)選擇最合適的傳感器是必要的 [9]。10%）、 12VDC 3）準(zhǔn)確度： 177。％ FS 4）介質(zhì)溫度：－ 20～ 70℃ 5）環(huán)境溫度：－ 10～ 60℃ 6）響應(yīng)時間： =100mS 7）負(fù)載能力：電流型 =600Ω（不帶顯示）， =300Ω（帶顯示）；電壓型 =3KΩ 8）可重復(fù)性： =177。％ FS/年 10)非線性： =％ FS 11)熱力零點(diǎn)溫漂： =％ FS/℃ 12）過載壓力： 2 倍量程 13）電氣連接：電纜連接 14）測量介質(zhì)：油、水、氣體及其他與 316 不銹鋼兼容介質(zhì) 實(shí)驗(yàn)室中采用端子型二線制電流輸出接線方式，其具體方式如圖 所示： 圖 端子型二線制接法 研華板卡 PCI1710L 簡介 研華（中國）公司生產(chǎn)的 PCI1710L 多功能數(shù)據(jù)采集卡是一款功能強(qiáng)大的低成本多功能 PCI 總線數(shù)據(jù)采集卡。使用時用 PCL10168 電纜將PCI1710L 板卡與 ADAM3968 接線端子板連接，這樣 PCL10168 的 68 個針腳和ADAM3968 的 68 個接線端子一一對應(yīng)。 圖 ADAM3968 接線端子板信號端子位置及功能 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文） 8 表 21 板卡對應(yīng)端口功能 信號名稱 參考端 方向 描述 AI0～ 15 AIGND Input 模擬量輸入通道： 0～ 15 AIGND 模擬量輸入地 AOGND 模擬量輸出地 DI0～ 15 DGND Input 數(shù)字量輸入通道： 0～ 15 DO0～ 15 DGND Output 數(shù)字量輸出通道： 0～ 15 DGND 數(shù)字地（輸入或輸出） +12V DGND Output +12V 直流電源輸出 +5V DGND Output +5V 直流電源輸出 模擬量輸入連接 PCI1710L 卡既支持 16 路單端模擬量輸入，又支持 8 路差分模擬量輸入。在過去，如果通過開關(guān)將一個通道設(shè)置為單端輸入，則其它通道也需設(shè)置為單端。 單端輸入配置只為每個通道提供 1 根信號線，且被測量的電壓以公共地為參考。將單端通道連接至浮動信號源尤為簡單。如下圖 所示。在控制理論和技術(shù)飛速發(fā)展的今天，工業(yè)過程控制中 95%以上的控制回路都具有 PID 結(jié)構(gòu)，并且許多高級控制都是以 PID 控制為基礎(chǔ)的。盡管自 1940 年以來，許多先進(jìn)控制方法不斷推出，但 PID 控制器以其結(jié)構(gòu)簡單，對模型誤差具有魯棒性及易于操作等優(yōu)點(diǎn)，仍被廣泛應(yīng)用于冶金、化工、電力、輕工和機(jī)械等工業(yè)過程控制中。 PID 的發(fā)展過程，很大程度上是它的參數(shù)整定方法和參數(shù)自適應(yīng)方法的研究過程。 1953 年 Cohen和 Coon 繼承和發(fā)展了 ZN 公 式，同時也提出了一種考慮被控過程時滯大 小的CohenCoon 整定公式 。按照發(fā)展階段劃分，可分為常 規(guī) PID 參數(shù)整定方法 及智能 PID 參數(shù) 整定方法：按照被控對象個數(shù)來劃分，可分為 單變量 PID 參數(shù)整 定方法及多 變量 PID 參數(shù)整定方法，前 者包括現(xiàn)有大多數(shù)整定方法，后者是最近研究的熱點(diǎn)及難點(diǎn)：按控制量的組合形式來劃分，可分為 線性 PID 參數(shù)整定 方法及 非線性 PID 參數(shù)整 定方法，前者用于 經(jīng)典 PID 調(diào)節(jié)器，后者用于 由非線性跟蹤微分器和非線性組合方式生成的 非線性 PID 控制器。液位控制是工業(yè)生產(chǎn)中典型的過程控制問題，對液位準(zhǔn)確的測量和有效的控制是一些設(shè)備優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗和安全生產(chǎn)的重要指標(biāo)。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文） 10 在工業(yè)過程控制系統(tǒng)中，目前采用最多的控制方 式依然是 PID 控制 。 PID 控制技術(shù) 經(jīng)歷了數(shù)十年的發(fā)展，從模 擬 PID 控 制發(fā)展到數(shù)字 PID控制，技 術(shù)不斷完善與成熟。 由于液體本身的屬性及控制機(jī)構(gòu)的摩擦、噪聲等的影響，控制對具有一定的純滯后和容量滯后的特點(diǎn)，液位上升的過程緩慢，呈非線性。本課題針對液位控制設(shè)計了一個由壓力傳感器 、 PLC、 電動調(diào)節(jié)閥等組成的系統(tǒng)，并采用了增量式 PID 算法對其控制。 PID 算法類型 [1] PID(Proportional Integral Derivative)調(diào)節(jié)是連續(xù)控制系統(tǒng)中應(yīng)用最多的一種控制調(diào)節(jié)規(guī)律。生產(chǎn)實(shí)際證明， PID控制能滿足絕大多數(shù)工業(yè)過程被控對象的控制要求 ， 至今仍然是一種最基本的控制方法。比例調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)節(jié)及時，反應(yīng)靈敏，當(dāng)偏差一旦出現(xiàn)，就能及時產(chǎn)生與之成比例的調(diào)節(jié)作用，偏差越大，調(diào)節(jié)作用越強(qiáng)，但單純的比例控制存在靜差不能被消除的缺點(diǎn)，因此就需要積分控制。積分控制作用始終施加指向給定值的作用力，有利于消除靜差，其效果不僅與偏差大小有關(guān)，而 且還與偏差持續(xù)的時間有關(guān)。 微分控制：它能敏感出誤差的變化趨勢，可在誤差信號出現(xiàn)之前就起到修正誤差的作用，有利于提高輸出響應(yīng)的快速性，減小被控量的超調(diào)，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文） 11 在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)慎用微分控制 。組態(tài)王軟件是在 PC 機(jī)上建立工業(yè)控制對象與人機(jī)接口的智能軟件包，他以 windows中文操作系統(tǒng)作為操作平臺，充分利用了 windows 操作系統(tǒng)的圖形完備，易學(xué)易用的特點(diǎn)。 具 體來說，組態(tài)王的主要特點(diǎn)有以下幾方面： 1）主畫面顯示功能。 3）豐富的功能模塊。 5）強(qiáng)大地 ODBC 功能。 7）系統(tǒng)安全性。其中，工程管理器用于新建工程、工程管理等。工程瀏覽器和畫面運(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；兩者又相互依存，在工程瀏覽器的畫面開發(fā)系統(tǒng)中設(shè)計開發(fā)的畫面應(yīng)用程 序必須在畫面運(yùn)行環(huán)境中才能運(yùn)行。 畫面制作系統(tǒng)是應(yīng)用工程的開發(fā)環(huán)境，可以在這個環(huán)境中完成畫面設(shè)計、動畫連接等工作。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文） 14 工程管理器是應(yīng)用程 序的管理系統(tǒng)。 畫面運(yùn)行系統(tǒng)是組態(tài)王軟件的實(shí)時運(yùn)行環(huán)境，在應(yīng)用工程的開發(fā)環(huán)境中建立的圖形畫面只有在畫面運(yùn)行環(huán)境中才能運(yùn)行。它還負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)的變化以動畫的方式形象的表示出來，同時可以完成變量報警、操作記錄、趨勢曲線等監(jiān)視工程，并按實(shí)際需求記錄在數(shù)據(jù)庫中。利用組態(tài)王開發(fā)系統(tǒng)編制過程時，需要注意以下幾個問題： 首先用戶希望怎樣的圖形畫面，也就是怎樣用抽象的圖形畫面來模擬實(shí)際的工業(yè)現(xiàn)場和相應(yīng)的工控設(shè)備。 最后了解數(shù)據(jù)和圖形畫面中的圖素的連接關(guān)系。 組態(tài)王與外部設(shè)備通信 組態(tài)王把每一臺與之通訊的設(shè)備看作是外部設(shè) 備，為實(shí)現(xiàn)組態(tài)王要和外部