【正文】 .....................................................................................................................................46 0 第一章 前言 課題研究背景、意義和目的 在工業(yè)生產(chǎn)過程中，液位變量是最常見、最廣泛的過程參數(shù)之一。 在工程實際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱 PID 控制。微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，引起了儀表結(jié)構(gòu)的根本性變革，以微型計算機（單片機）為主體，將計算機技術(shù)和檢測技術(shù)有機結(jié)合，組成新一代“智能化儀表” ，在測量過程自動化、測量數(shù)據(jù)處理及功能多樣化方面與傳統(tǒng)儀表的常規(guī)測量電路相比較，取得了巨大進展。隨著科學(xué)技術(shù)的進一步發(fā)展，儀表的智能化程度將越來越高，不但能完成多種物理量的精確顯示，同時可以帶變送輸出、繼電器控制輸出、通訊、數(shù)據(jù)保持等多種功能。目前常用的可編程控制器中，西門子公司的 S7300PLC 以其編程軟件 STEP7 的簡潔易用和通信網(wǎng)絡(luò)的功能強大得到業(yè)內(nèi)人士的普遍認可。液位控制系統(tǒng)已是一般工業(yè)界所不可缺少 1 的，舉凡蓄水槽、污水處理廠等都需要液位元的控制。除了傳統(tǒng)的 PID 控制系統(tǒng)外，近年來隨著智能儀表和 PLC 的發(fā)展，加入智能型控制的系統(tǒng)也得以應(yīng)用。近幾十年來，在自動控制理論和設(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，美國、德國、日本等技術(shù)領(lǐng)先國家，生產(chǎn)開發(fā)出一系列性能優(yōu)異、實用性強的液位控制器以及相應(yīng)的儀器儀表，并廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活的各個領(lǐng)域。國外的液位控制器正朝著高精度、智能化等方向快速發(fā)展。國內(nèi)液位控制器仍以常規(guī)的 PID 控制器為主，無法適用于滯后、復(fù)雜、時變的液位系統(tǒng)控制。我國相關(guān)控制器大量依靠國外的成熟技術(shù)，這些都是必須正視的現(xiàn)實。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對液位控制系統(tǒng)的要求越來越高，特別是高精度、智能化、人性化的液位控制系統(tǒng)是國內(nèi)外液位控制系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。從整體上分析和研究了控制系統(tǒng)的硬件配置，控制對象數(shù)學(xué)模型的建立，控制算法的選擇和參數(shù)的整定，人機界面的設(shè)計等，具體有以下幾方面的內(nèi)容：第一章，對液位控制系統(tǒng)應(yīng)用的背景進行了闡述，并說明了智能儀表和 PLC 在 2 工業(yè)控制系統(tǒng)領(lǐng)域的發(fā)展狀況，指出了本文的研究意義所在。第三章，介紹了控制系統(tǒng)設(shè)計的基本步驟和方法，包括了硬件的配置，電路圖的設(shè)計，程序設(shè)計，系統(tǒng)的通信等內(nèi)容。采用 PID 控制算法以及臨界比例度法整定參數(shù)，最終完成控制器的設(shè)計。第六章，介紹了系統(tǒng)的測試及應(yīng)用。 3 第二章 智能儀表與可編程控制器基礎(chǔ) 智能儀表基礎(chǔ) 智能儀表的定義及發(fā)展現(xiàn)狀智能儀表是指儀表中配有微控制器，使其具有對數(shù)據(jù)、命令等進行存儲、運算、邏輯判斷及自動化操作等功能。新型智能儀表在測量過程自動化、測量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理以及功能的多樣化方面，都取得了巨大的進步 [3]。我國的智能儀表行業(yè)還遠遠不能滿足國民經(jīng)濟、科學(xué)研究、國防建設(shè)以及社會發(fā)展等各個方面日益增長的迫切需求。硬件部分包括微控制器及其接口電路、模擬量輸入輸出電路、開關(guān)量輸入輸出電路、數(shù)據(jù)通信接口電路、人機交互通道，以及其他外圍設(shè)備。智能儀表的軟件，包括監(jiān)控程序、中斷服務(wù)程序以及實現(xiàn)各種算法的功能模塊。對于模擬量信號，需經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再通過接口送入微控制器。還可通過串行接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，完成更復(fù)雜的測量和控制任務(wù)。 可編程控制器基礎(chǔ)PLC 即可編程邏輯控制器，英文全稱是 Programmable Logic Controller，是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運算操作的電子裝置。PLC 以其可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單、功能強大、性價比高、體積小、能耗低等顯著特點廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)。到 20 世紀 60 年代，汽車生產(chǎn)流水線的自動控制系統(tǒng)基本上都是由繼電器控制裝置構(gòu)成的。為改變這一狀況，美國通用汽車公司（GM）在 1968 年公開招標，要求用新的控制裝置取代繼電器控制裝置。這一新型工業(yè)控制裝置的出現(xiàn)，也受到了世界其他國家的高度重視。1973 年西歐國家也研制出它們的第一臺 PLC。目前比較著名的 PLC 生產(chǎn)廠家有日本的三菱公司、歐姆龍公司、富士電機、松下電工，德國的西門子，法國的 TE 公司、施耐德公司，韓國的三星公司、LG 公司和美國的 AB、通用（GE）公司。 6 PLC 的分類 對于 PLC 的分類通?？梢愿鶕?jù)他的結(jié)構(gòu)形式、容量或功能進行。PLC 的容量主要指其輸入/輸出點數(shù)。小型 PLC：I/O 點數(shù)一般在 256 點以下；大型 PLC：I/O 點數(shù)一般在 1024 點以上。當(dāng)然，上述分類的標準不是固定的，而是隨著 PLC 整體性能的提高不斷變化。PLC 的基本結(jié)構(gòu)圖如圖 22 所示。CPU 通過數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線與存儲單元、 7 輸入輸出接口電路相連接。PLC 中采用的 CPU 一般有三大類：通用微處理器；單片機芯片；位處理器。PLC 所用的存儲器基本上由 ROM（只讀存儲器）、EPROM（可擦除的只讀存儲器）及 RAM（隨機存儲器）組成。輸入/輸出單元從廣義上分包含兩部分：與被控設(shè)備相連接的接口電路；輸入輸出的映像寄存器。I/O 模塊集成了 PLC 的 I/O 電路，其輸入暫存器反映輸入信號狀態(tài)，輸出點反映輸出鎖存器狀態(tài)。梯形圖的使用直觀方便,可以建立與電器接線圖等價的梯形邏輯圖,而且在全世界范圍內(nèi)通用,因此,成為多數(shù) PLC 程序設(shè)計和維護人員的首選方法,在實際設(shè)計中有著廣泛的應(yīng)用。S7300PLC 是模塊式中小型 PLC，電源、CPU 和其他模塊都是獨立的，可以通過 U 形總線把電源（PS） 、CPU 和其他模塊緊密地固定在西門子 S7300 標準的導(dǎo)軌（Rail）上。 8 圖 23 S3300PLC 實物圖 圖 24 S7300PLC 主要結(jié)構(gòu)示意圖 9第三章 PID 控制器設(shè)計控制器的設(shè)計是基于模型控制設(shè)計過程中最重要的一步。然后根據(jù)所要求的性能指標確定控制器的參數(shù)值。PID 控制器早在一百年前就已經(jīng)出現(xiàn)，經(jīng)過長時間發(fā)展，已經(jīng)有許許多多改進形式的PID 控制器出現(xiàn)，但到目前為止沒有一個 PID 控制器能夠適用于所有控制場合。 PID 控制器的基本結(jié)構(gòu)最典型反饋控制系統(tǒng)的方塊圖如圖 31 所示，此系統(tǒng)為單位反饋，其中偏差值 e 為給定值與測量值的差值，u 為控制量，d 為系統(tǒng)中擾動量。cKiTdPID 控制器的另一種表示方式也比較常見，稱為并行結(jié)構(gòu)（Parallel form），如下所示：PID 被控對象給定值 被控參數(shù)+d+e uPVSV10sKsGdip??)( （32）其時域輸出方程為： dtetettuip )()()()(?（33）式（31）與式（32）實際上可以互相轉(zhuǎn)換，兩者參數(shù)間的關(guān)系如下所式：， ， （34）pcK?ciiTdcK?此時，模型的積分時間和微分時間也相應(yīng)改變，分別為： ，1iKd PID 控制器各參數(shù)的作用PID 控制器包括積分、比例、微分三個部分，分別代表過去，現(xiàn)在，還有未來的控制作用，相應(yīng)的控制參數(shù),以式（31）為例，比例增益 、積分時間cK、微分時間 的取值影響到系統(tǒng)控制效果的好壞。增大比例增益，可以提高系統(tǒng)的開環(huán)增益，減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，從而提高控制精度加快調(diào)節(jié)速度。(2) 積分作用引入積分作用是為了使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的無差度，以保證實現(xiàn)對設(shè)定值的無靜差跟蹤，改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù) 的大小， 越小，iTi積分作用越強，反之則積分作用弱。因此，實際中一般不單獨使用積分器，積分作用常與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合，組成 PI 或 PID 控制器。微分作用能反映系統(tǒng)偏差的變化律，預(yù)見偏差變化的趨勢，因此能產(chǎn)生超前的控制作用。因此，微分作用改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。dTd此外，微分作用反映的是變化率，當(dāng)偏差沒有變化時，微分作用的輸出為零。但是微分作用對噪聲干擾有放大作用，而這是我們在設(shè)計控制系統(tǒng)時不希望看到的。因此，微分器也不能單獨使用 [4]。K?T（1）飛升曲線法（階躍響應(yīng)法）將系統(tǒng)開環(huán)后（不加入控制環(huán)節(jié)） ，給其輸入一定幅值的階躍信號，可得如下圖所示的飛升曲線（即階躍響應(yīng)曲線） 。12K?TP圖 32 飛升曲線再根據(jù)飛升曲線法的經(jīng)驗公式可得控制器各參數(shù)。但是飛升曲線法存在一定的弊端。（2）臨界振蕩法（臨界比例度法）1942 年，Ziegler 和 Nichols 提出的另一種參數(shù)整定方法叫臨界比例度法。方法如下：在閉環(huán)的情況下，將 PID 控制器的積分和微分作用先去掉，僅留下比例作用，然后給系統(tǒng)輸入一個信號，如果系統(tǒng)響應(yīng)是衰減的，則需要增大控制器的比例增益 ，重做實驗；反之則需要減小 。然后再根據(jù)經(jīng)驗公式得出相應(yīng)uT的 PID 參數(shù) [4]。首先，對于參數(shù) 和 的獲取需要花費大量的調(diào)試時間；uKT13其次，現(xiàn)場實驗中存在的不確定影響會給試驗數(shù)據(jù)帶來一定甚至關(guān)鍵的噪聲，從影響最終的控制品質(zhì)；最后，對于那些不允許做臨界振蕩實驗的系統(tǒng)，臨界比例度法根本無法應(yīng)用，否則就會導(dǎo)致整個系統(tǒng)崩潰。為了將復(fù)雜的設(shè)計過程應(yīng)用于實際的 PID 自整定控制器，可以把 PID 控制器的設(shè)計結(jié)果表示為一些由過程的簡單模型參數(shù)或動態(tài)特性參數(shù)表示的整定公式。其中最為常見的是 ZieglerNichols 整定公式，最早的 ZN 公式是在 1942 年由Ziegler 和 Nichols 首先提出的，他們所使用的方法及其改進方法至今仍在廣泛應(yīng)用，上文所提到的飛升曲線法也是基于 ZN 公式的確定 PID 參數(shù)方法。系統(tǒng)傳遞函數(shù)可以表述為頻率的函數(shù): （36）????jGjAe???其中 為輸入到輸出的幅值增益， 是輸入信號與輸出信號之間的相移。曲線上相位為 的點的被稱為極限180?o點該點的頻率稱為臨界振蕩頻率 。調(diào)節(jié)比例增益使系統(tǒng)達到臨界14狀態(tài)時，這時控制信號與過程輸出都是正弦信號，相位相差 。則u=K*PV。由此方程可知uK()uGj??；谝陨显砼c方法，Ziegler 和 Nichols 提出了除利用階躍響應(yīng)法外的另一種 PID 參數(shù)整定方法——頻率響應(yīng)法。臨界比例度法的整定公式如下表 31 所示。 數(shù)學(xué)模型被控對象數(shù)學(xué)模型的建立通常采用下列二種方法。 圖34 單容自衡水箱特性測試系統(tǒng) （a）結(jié)構(gòu)圖 （b ）方框 圖 圖34所示為單容自衡水箱特性測試結(jié)構(gòu)圖及方框圖。液位h 的變化反映了Q1與Q2不等而引起水箱中蓄水或泄水的過程。根據(jù)動態(tài)物料平衡關(guān)系有 (37)將式(37)表示為增量形式 (38)dthAQ???21式中：ΔQ 1， ΔQ2， Δh分別為偏離某一平衡狀態(tài)的增量；。由流體力學(xué)可知，流體在紊流情況下，液位h 與流量之間為非線性關(guān)系。將式(38)、式(39)經(jīng)拉氏變換并消去中間變量Q 2，即可得到單容水箱的數(shù)學(xué)模型為 （310）1)(10 ???TsKRCsQHW式中T為水箱的時間常數(shù)，T＝RC ；K為放大系數(shù)，K＝R ；C為水箱的容量系數(shù)。也可由坐標原點對響應(yīng)曲線作切線OA，切線與穩(wěn)態(tài)值交點A 所對應(yīng)的時間就是該時間常數(shù)T，由響應(yīng)曲線求得K和T后，就能求得單容水箱的傳遞函數(shù)。圖中OB即為對象的滯后時間 ， BC為對象的時間常數(shù)T，所得的傳遞函數(shù)為：? （315）()1sKeH???? 其中 為系統(tǒng)滯后時間， T為時間常數(shù)，K為放大倍數(shù)。?第四章 控制系統(tǒng)設(shè)計 硬件配置 實驗使用“THSA1 型過控綜合自動化控制系統(tǒng)實驗平臺”，該實驗臺是由實驗控制對象、實驗控制臺及上位監(jiān)控PC 機三部分組成 智能儀表采用上海萬迅儀表有限公司生產(chǎn)的AI 系列全通用人工智能調(diào)節(jié)儀表，其中SA12 智能調(diào)節(jié)儀控制掛件為AI818 型，SA13 智能位式調(diào)節(jié)儀為AI708 型。AI 系列儀表通過RS485 串口通信協(xié)議與上位計算機通訊，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的實時監(jiān)控。P、I、D參數(shù)可根據(jù)實驗需要調(diào)整。18 圖41 儀表掛件 PLCS7 系列PLC 有很強的模擬量處理能力和數(shù)字運算功能，具有許多過去大型PLC才有的功能，其掃描速度甚至超過了許多大型的PLC，S7 系列 PLC功能強、速度快、擴展靈活，并具有緊湊的、無槽位限制的模塊化結(jié)構(gòu)，因而在國內(nèi)工控現(xiàn)場得到了廣泛的應(yīng)用。S7300是采用模塊化結(jié)