【正文】 控制下水箱液位的目的。 （1）控制器該系統(tǒng)的控制裝置選用的的是西門子的S7200PLC，因?yàn)橄到y(tǒng)只需要兩個(gè)控制器，S7—200PLC（8個(gè)PID模塊）在內(nèi)存、掃描通信等方面都能滿足控制的要求。 （2）執(zhí)行機(jī)構(gòu) 該系統(tǒng)的執(zhí)行器使用的是QS智能型電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，其型號(hào)為：QSTP16K，所需的控制信號(hào)為4～20mA的電信號(hào)。該系統(tǒng)中的變送器的型號(hào)為：KYB18G01MIPXC2，該變送器測(cè)量的范圍為0～10KPa，電源為24V DC（由PLC主機(jī)提供）。單容過程分為自衡過程和非自衡過程，自衡過程是指在系統(tǒng)達(dá)到平衡之后，其輸入量發(fā)生變化，原平衡狀態(tài)被打破，在無任何外界因素的干預(yù)下，系統(tǒng)能通過自身的調(diào)整達(dá)到新的平衡狀態(tài)；非自衡過程則不能通過自身的調(diào)整達(dá)到新的平衡狀態(tài)。的大小則是取決于閥門2的開度以及水箱液位，液位越高，水箱底部的壓力越大，就越大。圖31 單容過程假設(shè)為被控過程的輸出量，則該過程的數(shù)學(xué)模型就是與之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式。與的關(guān)系經(jīng)過線性化處理之后，在工作區(qū)域內(nèi)，與成比列關(guān)系，而與閥門2的阻力成反比，即： （313）將式（212）、式（213）經(jīng)過拉氏變換后得： （314）由式（214）可得單容過程的傳遞函數(shù)為： （315）式中為單容水箱的時(shí)間常數(shù)，；為放大系數(shù)，；為水箱的容量系數(shù)。當(dāng)時(shí)。單容水箱的階躍響應(yīng)曲線在原點(diǎn)的斜率最大，在該點(diǎn)做切線，切線與穩(wěn)態(tài)值的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間就是時(shí)間常數(shù)T，由此便能求出單容水箱的傳遞函數(shù)。設(shè)該過程的被控量為下水箱的液位，輸入量為，當(dāng)閥門3的開度一定時(shí)，可求得該過程的數(shù)學(xué)模型。式（222）中的特性參數(shù)、可通過兩點(diǎn)法求得，首先放大系數(shù)可以通過式（218）求出，其次、可以通過階躍響應(yīng)曲線上的兩個(gè)點(diǎn)的位置求出，如圖34所示。 （223）第4章 實(shí)驗(yàn)法求取水箱參數(shù)由上一章可知雙容水箱的傳遞函數(shù)是在其階躍響應(yīng)曲線的基礎(chǔ)上計(jì)算出來的。 由于各種原因?qū)嶒?yàn)裝置中的傳感器、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥等都會(huì)存在一定的誤差。 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的實(shí)際開度與設(shè)定的開度不相等，采用手動(dòng)控制的方法設(shè)定調(diào)節(jié)閥的開度，同時(shí)記錄調(diào)節(jié)閥的實(shí)際開度。表41 調(diào)節(jié)閥開度特性設(shè)定開度（%）實(shí)際開度（%）設(shè)定開度（%）實(shí)際開度（%）設(shè)定開度（%）實(shí)際開度（%）003570540751045801550852055902560953065100調(diào)節(jié)閥開度特性曲線見圖41。在實(shí)驗(yàn)室之中對(duì)調(diào)節(jié)閥做出以下修正：① 開度在“0～30%”之間：不修正。 ③開度在“80%～100%”之間：由于誤差受到調(diào)節(jié)閥自身的限制，此處不予修正。上水箱的特性參數(shù)見表42。圖42 上水箱水位特性曲線由圖可知，在總體上來說上水箱水位的實(shí)際值與顯示值成線性關(guān)系。表43 下水箱水位特性參數(shù)實(shí)際值（cm）顯示值（cm）實(shí)際值顯示值實(shí)際值顯示值0 10202 1222414246162681828下水箱水位特性曲線見圖43。實(shí)驗(yàn)原理圖見圖44。實(shí)驗(yàn)時(shí)各手動(dòng)閥門的開度不能改變。因此在編寫PLC程序之時(shí)要把通過EM235模塊采集來的數(shù)據(jù)減去6400（消除偏移）之后再除以256便得到水箱的水位數(shù)據(jù)。利用MCGS軟件的“存盤數(shù)據(jù)策略”記錄雙容水箱的階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)，采集數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔為20秒。具體的方法是用MATLAB軟件繪出階躍響應(yīng)曲線，再運(yùn)用最小二乘法對(duì)曲線進(jìn)行四階多項(xiàng)式擬合，最后用擬合之后的曲線求取傳遞函數(shù)。Y=[0 ]。clm={39。, 39。, 39。}plot(X,Y,39。)hold on。lgd = { 39。 }。 plot(X,polyval(p,X),clm{i}) syms x y=sum(vpa(p,3).*x.^[n:1:0])。y = 39。endxlabel(39。)。y39。legend(lgd{:}, 4) 上水箱的階躍響應(yīng)曲線經(jīng)擬合后得到的曲線見圖45。
②在階躍響應(yīng)曲線變化速度最快（原點(diǎn)）處做切線L2，與切線L1相較于點(diǎn)A③在MATLAB命令窗口輸入指令：[x,y]=ginput(1)，得到點(diǎn)A的坐標(biāo)（，）
從而得到上水箱傳遞函數(shù)： (431)用與上一節(jié)相同的方法對(duì)下水箱的階躍響應(yīng)曲線進(jìn)行處理得到其擬合曲線，如圖46所示?？刂评碚摰暮芏嗫刂萍夹g(shù)都需要在被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)能夠清晰掌握，或能得到精確的數(shù)學(xué)模型的情況之下才能發(fā)揮其控制功能；而在實(shí)際的生產(chǎn)之中，很多控制過程的結(jié)構(gòu)、參數(shù)都不能完全掌握，也很難得到精確的數(shù)學(xué)模型，在這種情況下大多數(shù)的控制技術(shù)都難以采用。模擬PID控制原理圖見圖51。 模擬PID控制器的理想算式為： （411） 式中：為控制量（控制器輸出）；為比例增益；為積分時(shí)間常數(shù)； 為微分時(shí)間常數(shù)。 （413）式中：為第n采樣時(shí)刻的計(jì)算值；為第n采樣時(shí)刻的比例項(xiàng)值；第n采樣時(shí)刻的積分項(xiàng)值。 （414）式中：為增益；為第n采樣時(shí)刻的給定值；第n采樣時(shí)刻的過程變量值。 （416）式中：為第n采樣時(shí)刻的微分項(xiàng)值；為微分時(shí)間；為第采樣時(shí)刻的給定值；為第采樣時(shí)刻的過程變量值。其控制器把輸入的誤差信號(hào)乘以比例增益便得到輸出信號(hào)。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。對(duì)于一些控制系統(tǒng)，在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)之后往往會(huì)存在穩(wěn)態(tài)誤差，這個(gè)時(shí)候便可以引入積分控制以消除誤差。積分作用的加入會(huì)使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，使響應(yīng)時(shí)間變長(zhǎng)。積分作用常與另兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合，組成PI調(diào)節(jié)器或PID調(diào)節(jié)器。被控系統(tǒng)中如果存在較大的慣性環(huán)節(jié)，由于慣性環(huán)節(jié)具有抑制誤差的作用，會(huì)延遲誤差的變化，采用PI控制則會(huì)出現(xiàn)震蕩甚至系統(tǒng)不能達(dá)到穩(wěn)態(tài)，這時(shí)就應(yīng)當(dāng)引入微分控制。因此，可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。此外，微分反應(yīng)的是變化率，而當(dāng)輸入沒有變化時(shí)，微分作用輸出為零?？刂破鲄?shù)整定的方法很多，歸納起來可分為兩大類：（1） 理論計(jì)算整定法 它主要是在已知過程的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，依據(jù)控制理論，經(jīng)過理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。 （2）工程整定方法 它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)試驗(yàn)中進(jìn)行控制器參數(shù)整定，而且不需要知道過程完整的數(shù)學(xué)模型，使用者不需要具備理論計(jì)算所必須控制理論知識(shí)，因而方法簡(jiǎn)單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。在實(shí)際的工程之中，一般先通過理論計(jì)算得到控制參數(shù)作為工程整定方法的理論依據(jù)，再到控制現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行整定。如果采用PID單回路控制，當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，控制器通過控制進(jìn)水閥門的開度來消除擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的干擾，但是由于上下水箱之間存在液阻，要經(jīng)過一段時(shí)間之后才能控制下水箱的液位，這樣的系統(tǒng)反應(yīng)慢。（2）由于副回路的存在，明顯改善了對(duì)象的特性，提高了系統(tǒng)的工作效率。（4）提高了系統(tǒng)的魯棒性。在本次設(shè)計(jì)中采用串級(jí)控制技術(shù)，由于其超前的控制作用，可以大大克服雙容水箱普遍存在容積延遲問題。該系統(tǒng)根據(jù)雙容水箱的數(shù)學(xué)模型，采用串級(jí)控制技術(shù)、PLC控制器、MCGS軟件組態(tài)實(shí)現(xiàn)雙容液位的高精度控制實(shí)時(shí)顯示。圖52 串級(jí)系統(tǒng)控制框圖該控制系統(tǒng)由主控制回路與副控制回路兩個(gè)回路組成，主控制對(duì)象為下水箱，副控制對(duì)象為上水箱。當(dāng)有二次擾動(dòng)作用于上水箱之時(shí)，如果擾動(dòng)量不大，經(jīng)過副回路的及時(shí)控制一般不會(huì)影響到下水箱的液位；但是如果擾動(dòng)的幅值較大，仍然會(huì)改變下水箱的水位，這時(shí)就需要主回路進(jìn)一步調(diào)節(jié)。由上可知在系統(tǒng)中主調(diào)節(jié)器的任務(wù)是使被控參數(shù)等于給定值，起著定值控制的作用，所以本次設(shè)計(jì)主調(diào)節(jié)器采用PID調(diào)節(jié)。在工程實(shí)踐中，串級(jí)控制系統(tǒng)常用的整定方法有兩步整定法、逐步逼近法。（2）把副調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)定為上步得到的參數(shù)，閉合主回路，把主回路看做一個(gè)單回路控制系統(tǒng)，再對(duì)主回路的參數(shù)進(jìn)行整定。若得到的參數(shù)已達(dá)到工藝要求，則整定結(jié)束；若達(dá)不到要求則需要再次按照上述（1） ～（3）進(jìn)行整定知道符合要求為止。 MATLAB軟件簡(jiǎn)介美國(guó)The MathWorks公司推出的MATLAB語(yǔ)言一直是國(guó)際科學(xué)界應(yīng)用和影響最廣泛的三大計(jì)算機(jī)語(yǔ)言之一。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當(dāng)今國(guó)際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平。MATLAB程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言集成度高，語(yǔ)句簡(jiǎn)介，其程序可靠性高、易于維護(hù)，可以大大提高解決問的效率和水平。 (3)圖形圖像系統(tǒng) 這是MATLAB圖形系統(tǒng)的基礎(chǔ)，包括完成2D和3D數(shù)據(jù)圖示、圖像處理、動(dòng)畫生成、圖形顯示等功能的高層MATLAB命令，也包括用戶對(duì)圖形圖像等對(duì)象進(jìn)行特性控制的低層MATLAB命令，以及開發(fā)GUI應(yīng)用程序的各種工具。 (5)MATLAB應(yīng)用程序接口(API) 這是MATLAB為用戶提供的一個(gè)函數(shù)庫(kù)，使得用戶能夠在MATLAB環(huán)境中使用C程序或FORTRAN程序，包括從MATLAB中調(diào)用于程序(動(dòng)態(tài)鏈接)，讀寫MAT文件的功能。通過SIMULINK工具箱根據(jù)前文的水箱模型傳遞函數(shù)對(duì)串級(jí)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，模擬出被控系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線，再對(duì)主副調(diào)節(jié)器的PID參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，得到主、副控制器的初步整定參數(shù)。如圖53所示。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)測(cè)得當(dāng)=45時(shí)，其階躍響應(yīng)曲線比較理想，見圖54。整定好放大系數(shù)之后再整定積分時(shí)間，然后在整定微分時(shí)間。圖56 串級(jí)控制階躍響應(yīng)曲線（1）主回路抗干擾能力在系統(tǒng)的主回路之中加入階躍值為40的一次擾動(dòng)信號(hào)，主副調(diào)節(jié)器的參數(shù)不變，如圖57所示。 圖58 一次擾動(dòng)響應(yīng)曲線由圖可知在系統(tǒng)在受到一次擾動(dòng)信號(hào)的干擾之后，能夠很短的時(shí)間內(nèi)消除干擾，具有響應(yīng)時(shí)間快、超調(diào)量小、靜態(tài)偏差小的特點(diǎn)。圖59 加入一次擾動(dòng)仿真圖運(yùn)行之后得到響應(yīng)曲線見圖510。第6章 組態(tài)界面設(shè)計(jì)（1）工程的框架結(jié)構(gòu) 工程定義的名稱為“”工程文件。（2） 動(dòng)畫圖形的制作 水位控制窗口是一幅模擬系統(tǒng)真實(shí)工作流程并實(shí)施監(jiān)控操作的動(dòng)畫窗口，是打開工程時(shí)首先顯示的圖形窗口(啟動(dòng)窗口)。 ②水量的顯示：通過標(biāo)簽構(gòu)件實(shí)現(xiàn)。（3） 控制流程的實(shí)現(xiàn) 選用策略構(gòu)件箱中的“腳本程序”功能構(gòu)件，設(shè)置構(gòu)件的屬性，編制控制程序，實(shí)現(xiàn)水位、水泵、