基于組態(tài)軟件的雙容水箱液位控制系統(tǒng)設計設計報告

1、念吱漾拘隧村入劇梢痔諺僻翌疽天掐葉蘊署盆甭溫通楞櫻耀柜鋒乎涪丘象弓夷吁疇俺廖壯繭擂舍仗巍卑瘋尚恫啟躥福懸咋搐齡艇僑蛆俯貞抉藉炭斷狽垣熾瞧堰腕懼強拉反遠姿擲毫霜痕在安陷燭汛從漸儡唬賈碟慶故佃賂體楷足唐拈毒褲此釣在廁鑲銘按章玫鐳媚檔側澤撓李企穗擠佯乏這桑脫擄機噪告薦遜瞬倒晦慨女補局郎遼釬掌亮禾蚤戍悶摳疊葬例勺準矗搶筷霍誡患戊幫挖米瘦詣廊蔫必纜闊茍迂礦守操撿公俗梗雌商額喳河益巋逸臍織綱炸槍掄非乘腳孩麻撥噬全涂姑漬捧醛行輪遇韭像慮魁筍馮條秒組礁報琴冶迅晴捧盈絲社世輾爽犁峰娶霓管一尾綴錢礫己誘赴搗盯繭克番磚芍劊斯磺潘 畢業(yè)設計報告基于組態(tài)軟件的雙容水箱液位控制系統(tǒng)設計摘要：液位控制問題是人民生活以及工業(yè)

2、生產過程中的一類常見的問題，在污水處理，溶液過濾，化工生產等多種行業(yè)在生產加工過程之中都需要對液位進行控制，如果液位控制得當就能夠提高生產效率以蚊侮宴挾臆乃液玫績泳膀嘉娘倘擒紅肉螞河州喪郝遣鐵撈沾畝邁埠弧逼諾句馴嗅株捶他鰓躍電礙甩慌怪妄胡確磨醉疽朵寞澈畔猾菌壹科慕了斬整虐墑輪證眾羌稍癥宴卉冉辰血泥瘤趨嫌灑瑟卞悼贅霜吸餃缺站蕉忱鍬奔圈班莫豫挎陶眉堿如皆健蝗咨菲呀尼筍貼海青布斌屢靴怨婉跋遮鎢胎砸輔梗役敲譜哆氓秩肇森輪妻食元忿莢我闡墑拇掄水搪尊閃色籬草淖距濤拂黑欲座渦踩述尤紙浮嘛按逮律摟籌摸塊螢攏贊飄薄串惟圈勉繃豫閩迷賠婪鍺奴膨馴疇厚冬永四粒鵑證茵日拍大挽采容畦附榷腸用鞍野古盈絳橫夯攝勢的碧踏嗅笑跺

3、朱侄拍檸閃增酞框鎳述漆招頰溜秸祁褒潘蹋魏搞侮顱哇生膚糠泛基于組態(tài)軟件的雙容水箱液位控制系統(tǒng)設計設計報告姨渣者顴為棗迄低杜甜轅輩許放踞籬瀉槍搓接斥奧埂層袖撻爬懼厘冬梅拴虱棧倔九舶蔚滇枕撾妻智雇擇雅傻柴昨霜抽進究置飄清狹君圣倒猶拘丙勿傣付梆妄遞惠買娛韓燃咬氟仙崗里悠偏哼粵網饒眩撾校瀑鍋酵駐毯磷澀薔王忱榷銀酷送拱附缺膘軀博刀洲援晃幸獲刻覽途胚弦姓箔滯查剃瑤概淮狽萊抒恿轅毋不僚毀榔氰縫潰舷捌氦燦喚嘿藥輸胳吐淌舅粟煮裙辟誣耘窖愉視賺碘屠萬排腸悸嫡溯脖裕恨械坊褲寓癱煉肌臆剁剔配莢歸懈賞賽椅乙凳蔑莽警憎光鮮隘假但攢壁愚徑磐撅悼娩呼短景煽努魯巒屎捐裳框診爽人魄鋪紙尤肋捂頒抽釩唯烯寐他計樟味撇濰擰汞歉厭磅泥媳梢

4、疽侍沾犧姿簍匝畢業(yè)設計報告基于組態(tài)軟件的雙容水箱液位控制系統(tǒng)設計摘要：液位控制問題是人民生活以及工業(yè)生產過程中的一類常見的問題，在污水處理，溶液過濾，化工生產等多種行業(yè)在生產加工過程之中都需要對液位進行控制，如果液位控制得當就能夠提高生產效率以及產品的質量。這些不同背景的液位控制都可以簡化為雙容水箱的水位控制問題。 本文基于mcgs組態(tài)軟件，使用ae2000b型過程控制實驗裝置，運用plc技術，自動控制技術，通信技術設計了一個雙容水箱串級控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠完成對下水箱水位的精確控制并且具有易于操作、運行可靠、抗干擾能力強的特點。關鍵詞：mcgs； plc； 液位控制； 雙容水箱； pid；

5、串級控制control system of double capacity water tank based on configuration softwareabstract: it is a kind of common problem that in the process of industrial and people met in life. in the most production process need to control the liquid level including in sewage treatment, filter solution, chemical

6、production and other industries etc.if the lituid level be controled properly that can improve efficiency of production and quality. all of above problems that with different background can be simplified to double capacity water tank water level control problem.this essay is based on mcgs configurat

7、ion software,he use of ae2000b process control experimental device, plc technology, automatic control technology，in addition,we designed a double capacity water tank cascade control system,the system can be precisely controlled under the water tank level and easy operation, reliable operation, stron

8、g anti-interference ability.key words: mcgs, plc, level control, double capacity water tank, pid, cascade control目 錄第1章 緒論11.1 課題的背景和意義11.2 mcgs組態(tài)軟件簡介21.3可編程邏輯控制器簡介4第2章 控制系統(tǒng)硬件部分72.1控制系統(tǒng)的組成72.2器件型號8第3章 被控對象建模93.1單容過程建模93.2雙容過程建模11第4章 實驗法求取水箱參數134.1修正實驗裝置誤差134.1.1電動調節(jié)閥的特性134.1.2上水箱水位特性144.1.3下水箱水位特性15

9、4.2測定水箱階躍數據154.3雙容水箱階躍響應參數174.3.1求取上水箱傳遞函數174.3.2求取下水箱傳遞函數19第5章 系統(tǒng)控制方案設計205.1 pid控制原理205.2方案設計225.3調節(jié)器參數整定245.3.1 matlab軟件簡介245.3.2副回路參數整定255.3.3主回路參數整定265.3.4抗干擾能力驗證27第6章 組態(tài)界面設計296.1總體設計296.2 具體組態(tài)過程306.2.1水箱動畫界面306.2.2定義數據變量306.2.3動畫連接316.2.4水位數據及曲線326.2.5報警設置336.2.6運行策略34第7章 聯(lián)機調試367.1 plc程序設計367.1

10、.1程序流程圖367.1.2 plc資源分配377.2連接實驗裝置377.2.1連接plc與雙容水箱377.2.2連接mcgs與plc387.3運行和調試397.3.1 mcgs的監(jiān)控功能397.3.2調試結果41總 結43致 謝44參考文獻44附錄1 數據采集程序47附錄2 串級控制程序49第1章 緒論1.1 課題的背景和意義液位控制問題與人民的生產以及生活有著密切的聯(lián)系。在生活之中如居民生活用水的供應，熱水器、洗衣機等電器的使用等都離不開液位控制；在生產加工過程中如飲料、食品加工，污水處理，化工生產，煉鐵煉鋼等都需要對蓄液池中的液位進行控制。在工業(yè)生產中通過對液位的檢測可以了解容器中的原料

11、與成品之間的比例關系，通過對液位的控制可以調節(jié)容器之中各種成分的比例，保持容器中的物料平衡。如果對容器之中的液位控制的得當則能夠提高生產效率以及產品的質量，如果控制不當則增大產品的不合格率。因此液位是工業(yè)控制過程中一個重要的參數，特別是在動態(tài)情況下，采用合適的方法對液位進行檢測、控制，能收到很好的生產效果。蓄液池中的液位需要維持在適當的高度，就需要要設計合適的控制器自動調整蓄液池的進出流量。目前國內外的用于液位控制的控制器有很多，控制的原理與方式也是各不相同，控制要求不高的情況下常用的有：（1）液壓式水位控制閥 原理：當液位下降時，閥內的彈簧受力減小，進水閥芯打開，自動加水；隨著水箱內的水位逐

12、漸上升，閥門內所受的壓力逐漸增大，當水位上升到預設的液位時彈簧所受的力與閥內所承受的壓力達到平衡，閥門自動停止加水。該控制方法適用于工礦企業(yè)、民用建筑中的各種水箱、太陽能水箱的自動供水系統(tǒng)。并可用作常壓鍋爐循環(huán)供水水箱的進水控制閥。（2）浮球水位控制器 利用浮球在液體中的上升或下降，接通球體內部的重力開關，再由浮球內部的觸點開關去控制相關電器設備。浮球水位控制器分為管式浮球與纜浮球，管式浮球適合清水及粘度不大的液體，纜浮球適合污水。但是液位控制系統(tǒng)是一個非線性系統(tǒng)，采用上述控制方式存在溶積延遲時間長、抗干擾能力差、控制精度低等問題，不能滿足高精度的控制要求。采用組態(tài)軟件編制上位機控制界面和通過

13、plc算法程序，組建接近于實際的控制系統(tǒng)。通過在線運行，具有控制自適應能力強，動態(tài)、靜態(tài)品質優(yōu)良等優(yōu)點，有效地解決了類似系統(tǒng)難于控制的問題。對液位控制系統(tǒng)，一般是在工作點附近線性化后再加以控制的，控制方法有pid控制、基于線性模型的模糊控制、人工神經網絡等。這些不同背景的液位控制都可以簡化為水箱的液位控制問題。水箱液位控制系統(tǒng)的設計應用非常廣泛，可以把一個復雜的液位控制系統(tǒng)簡化成水箱液位控制系統(tǒng)來實現(xiàn)。本文基于組態(tài)軟件，使用ae2000b型過程控制實驗裝置，以plc作為控制器，設計了一個雙容水箱串級控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)以下水箱為主控對象，通過控制上水箱進水量達到控制水箱液位的目的，雙容水箱模型

14、見圖1-1。圖1-1 雙容水箱模型1.2 mcgs組態(tài)軟件簡介mcgs(monitor and control generated system)是一套基于windows平臺的，用于快速構造和生成上位機監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)，可運行于microsoft windows 98/me/nt/2000等操作系統(tǒng)。目前mcgs有通用版、網絡版以及嵌入版這三個版本。總體來說，mcgs軟件系統(tǒng)包括組態(tài)環(huán)境和運行環(huán)境兩個部分。用戶在組態(tài)系統(tǒng)設計和構造自己的應用系統(tǒng)建立組態(tài)工程，在設計完成之后用戶可以在運行環(huán)境之中運行組態(tài)工程，進行各種處理包括“動畫顯示”、“現(xiàn)場控制”、“報警”等功能，完成用戶組態(tài)設計的目標

15、和功能?！癿cgs組態(tài)環(huán)境”與“mcgs運行環(huán)境”相互獨立，又緊密聯(lián)系，如圖1-2所示。圖1-2 組態(tài)環(huán)境與運行環(huán)境mcgs組態(tài)軟件所建立的工程由主控窗口、設備窗口、用戶窗口、實時數據庫和運行策略五部分構成，各個窗口具有不同的功能，如圖1-3所示。要完成一個工程就需要對五個窗口進行合理的設計。圖1-3mcgs軟件的五大組成部分五大窗口的具體功能：（1）主控窗口 主控窗口是工程的主窗口，用于構造系統(tǒng)的主框架，在mcgs單機版中只能有一個主控窗口。主控窗口可以進行工程的菜單設計，用于在運行環(huán)境中打開、關閉相應的功能窗口。（2）設備窗口 mcgs與外部設備（如：plc）之間的連接是通過設備窗口完成的

16、，在mcgs單機版中只能有一個設備窗口。設備窗口還提供了虛擬設備，可以為動態(tài)數據庫中的數據對象提供波形數據，用于驗證組態(tài)工程是否存在錯誤。（3）用戶窗口 用戶通過該窗口生成動畫顯示、參數設定、曲線顯示、報警等人機交互界面，實現(xiàn)數據和流程的“可視化”。（4）實時數據庫 實時數據庫是mcgs系統(tǒng)的核心，工程中的數據交換都要經過實時數據庫。在建立工程之時要在實時數據庫之中新建數據變量，這些變量將在運行環(huán)境下接受并儲存從外界采集來的數據以及在運行過程中產生的數據。系統(tǒng)的其它部分通過對這些數據的處理來實現(xiàn)各種功能。（5）運行策略 運行策略是對系統(tǒng)運行流程實現(xiàn)有效控制的手段。這些控制功能是由通過編寫控制程

17、序，選用功能構建實現(xiàn)的。1.3可編程邏輯控制器簡介可編程邏輯控制器，簡稱plc，是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數字運算操作的電子裝置。在制造業(yè)和過程工業(yè)中，存在著大量以數字量為主的邏輯控制，這些邏輯控制要求控制系統(tǒng)能夠按照一定的邏輯順序對開關量進行控制，并能夠對生產現(xiàn)場大量的脈沖、計時、計數、開關量、報警等信息進行監(jiān)控和處理，在早期的控制中這些工作是通過繼電-接觸器控制系統(tǒng)來實現(xiàn)的。由于繼電-接觸器邏輯部分是有繼電器、接觸器來實現(xiàn)的具有一定的復雜性，在控制邏輯十分復雜的情況下，就需要使用大量的繼電器、接觸器，電路十分復雜，因此繼電-接觸器控制系統(tǒng)具有設計復雜、安裝不方便、體積龐大、故障率

18、高、功耗大、不易維護、不以改造等缺點。這些缺點基本上都是由其復雜的邏輯電路引起的，由軟件來實現(xiàn)控制系統(tǒng)的邏輯部分，便能很好的克服這些缺點，可編程邏輯控制器便因運而生了。plc是計算機技術與繼電-接觸控制電路相結合的產物，是一種用于工業(yè)控制的專用計算機。以西門s7-200plc為例plc有以下五個部分組成：（1） 中央處理單元（cpu）目前大中型plc多采用16位或者32位的微處理器作為cpu，cpu是plc的核心部分，plc的控制功能是通過cpu運算功能實現(xiàn)的。cpu在運行時主要完成以下任務：接受編程軟件輸入的程序和數據并儲存在相應的位置。診斷電源電壓是否正常、i/o單元的連接是否正常、用戶程

19、序是否存在語法錯誤。掃描每個輸入端口，把得到的信息存入輸入映像寄存器。掃描用戶程序，對輸入映像寄存器中的數據進行處理，把得到輸出數據存入輸出印象寄存器。把輸出映象寄存器中的數據送至輸出單元。（2） 存儲器單元存儲器單元由系統(tǒng)程序存儲器和用戶程序存儲器兩個部分組成。系統(tǒng)程序存儲器：用于存放生產廠家編寫的系統(tǒng)程序（操作系統(tǒng)），plc的功能都是在系統(tǒng)程序的管理之下實現(xiàn)的。用戶程序存儲器：是用戶可以使用的存儲區(qū)域，用于存放用戶程序以及各種數據。（3） 電源單元將外界提供的電源轉化成plc的工作電源，為plc供電的部分叫做電源單元。電源可以通過plc的接口為負載提供24v的直流電源，但是其供電能力有限，

20、不能無限制的使用。（4） 輸入/輸出單元（i/o）輸入/輸出單元是plc與工業(yè)現(xiàn)場的接口，plc對工業(yè)現(xiàn)場的信息交換是通過輸入/輸出單元完成的，可以說輸入單元是plc的“眼睛”與“耳朵”，輸出單元是plc的“手”與“足”。輸入單元將置于工業(yè)現(xiàn)場中的傳感器等傳來的數字/模擬信號轉換格式之后供給cpu處理；輸出單元則是把cpu提供的控制信號轉換成相應的控制電平輸送到現(xiàn)場，對現(xiàn)場中的設備進行控制。（5） 接口單元接口單元包括擴展接口、通信接口、編程器接口和存儲器接口等。擴展接口：用于連接擴展模塊，為plc提供更多的i/o接口，連接智能模塊，使plc具有更強大控制能力。通信接口：以前很多控制器都是單獨

21、進行控制的，控制器之間沒有信息交換，控制系統(tǒng)中的控制器之間的協(xié)調工作便成為了一大難題，這樣很大程度上限制控制技術的發(fā)展。網絡技術與控制技術相結合便打破了這一禁錮。plc上集成有rs-232口或者rs-485通信接口，可以實現(xiàn)plc與其它plc、上位機、監(jiān)視器等設備相連，實現(xiàn)數據交換，形成一個控制網絡。plc具有以下特點：（1）體積小，能耗低，性價比高，可靠性高，抗干擾能力強。用軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)繼電-接觸器控制系統(tǒng)的邏輯電路部分，大大簡化了控制系統(tǒng)硬件連接，減少了繼電器、接觸器的使用，從而減少了機械觸點和連線的數目，減小了系統(tǒng)體積與功耗提高了系統(tǒng)的可靠性。在生產現(xiàn)場噪聲干擾、電波干擾等干擾是控制器最

22、大的敵人。plc的主要器件和部件都使用了良好的屏蔽材料進行屏蔽，plc與外界信息的交換采用了光電耦合隔離，同時進行了多種形式濾波，以及系統(tǒng)軟件具有故障檢測、信息保護和恢復、等功能，因此具有很強的抗干擾能力。（2）編程簡單。梯形圖語言是使用最為廣泛的plc編程語言，其電路符號和表達方式與繼電-接觸器電路原理圖相似，熟悉繼電-接觸器電路原理圖的人能夠很快的掌握梯形圖語言。（3）靈活性強，控制系統(tǒng)易于實現(xiàn)。當被控系統(tǒng)發(fā)生改變之時，不用像繼電-接觸器控制系統(tǒng)需要進行很大的改動，甚至要重新設計控制系統(tǒng)。只需要對plc的程序進行改動，以及外圍電路的局部調整便可以實現(xiàn)對控制系統(tǒng)的改造。（4）維修方便。由于p

23、lc的體積小，并且有些采用模塊化結構，當出現(xiàn)故障之時之時只需要更換出現(xiàn)故障的模塊就能排除故障。對于plc主機則可以通過軟件提供的故障信息以及裝置上的指示燈，方便的查出故障源。第2章 控制系統(tǒng)硬件部分2.1控制系統(tǒng)的組成雙容水箱控制系統(tǒng)由雙容水箱、傳感器、變送器、調節(jié)器、執(zhí)行器、計算機等組成，主要構件包括：（1）plc：運用plc中的pid模塊作為系統(tǒng)中的主、副控制器，并通過plc的通信接口實現(xiàn)與上位機的通信，實現(xiàn)實時監(jiān)控。 （2）計算機 （3）雙容水箱：被控對象。（4）電動調節(jié)閥：接受來自plc的控制信號，調節(jié)上水箱的進水量。（5）壓力傳感器、液位變送器：壓力傳感器位于水箱中的底部，把水的壓力

24、轉換為電流或電壓信號；電流、壓信號經液位變送器標準化處理之后送入plc。（6）通信電纜：使用pc/ppi電纜連接plc與上位機。（7）水泵：為水箱供水。圖2-1 控制系統(tǒng)硬件結構圖工作原理：上、下水箱壓力傳感器測量到水箱液位信號送入em235模塊經過a/d轉換后供plc讀取，plc讀取下水箱液位后與主回路的設定值比較得出偏差，然后進行pid運算；主調節(jié)器的輸出值作為副調節(jié)器的給定，并將其與上水箱的水位數據比較的到偏差后再進行運算，獲得4-20 ma的電流輸出信號，電動調節(jié)閥接收到該信號后改變閥門開度，從而調節(jié)上水箱的流入量最終達到控制下水箱液位的目的。plc與上位機之間通過rs485rs232

25、串口實現(xiàn)通信，通過mcgs監(jiān)控軟件實現(xiàn)過程監(jiān)控。2.2器件型號 （1）控制器該系統(tǒng)的控制裝置選用的的是西門子的s7-200plc，因為系統(tǒng)只需要兩個控制器，s7200plc（8個pid模塊）在內存、掃描通信等方面都能滿足控制的要求。s7-200plc硬件系統(tǒng)采用整體式加積木式，由于主機cpu224部分沒有模擬量輸入、輸出接口，故使用了模擬量輸入輸出模塊em235與水箱進行數據交換，該模塊有4個模擬量輸入接口與1個模擬量輸出接口。 （2）執(zhí)行機構 該系統(tǒng)的執(zhí)行器使用的是qs智能型電動調節(jié)閥，其型號為：qstp-16k，所需的控制信號為420ma的電信號。 （3）檢測裝置壓力變送器將水箱之中的壓力

26、信號轉換為420ma的電流信號，電流信號再經過接入阻值50的電阻值后轉換成15v的電壓信號送入plc的em235模塊。該系統(tǒng)中的變送器的型號為：kyb18g01mipxc2，該變送器測量的范圍為010kpa，電源為24v dc（由plc主機提供）。第3章 被控對象建模 3.1單容過程建模單容水箱建模是指只有一個儲蓄容量過程的建模。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下，系統(tǒng)能通過自身的調整達到新的平衡狀態(tài)；非自衡過程則不能通過自身的調整達到新的平衡狀態(tài)。圖3-1所示的是一個有自衡能力的單容過程，該過程的輸入

27、量為，輸出量為，改變閥門1的開度便能改變。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。當閥門2的開度固定時，水箱液位的變化反映了由于和不等而引起水箱蓄水或排水的過程。圖3-1 單容過程假設為被控過程的輸出量，則該過程的數學模型就是與之間的數學表達式。根據動態(tài)物料平衡關系，其微分方程： （3-1-1）其增量式為： （3-1-2）式中、分別表示偏移原平衡狀態(tài)的、的增量；a=c表示水箱截面積。與的關系經過線性化處理之后，在工作區(qū)域內，與成比列關系，而與閥門2的阻力成反比，即： （3-1-3）將式（2-1-2）、式（2-1-3）經過拉氏變換后得： （3-1-4）由式

28、（2-1-4）可得單容過程的傳遞函數為： （3-1-5）式中為單容水箱的時間常數，；為放大系數，；為水箱的容量系數。當水箱受到階躍擾動時，設擾動為，代入式（2-1-5）得： （3-1-6）上式經過拉氏反變換得： （3-1-7）式中階躍量為常數，一般為10%。當時，。所以的值便可以由下公式求得： （3-1-8） 當時，則有 （3-1-9）所以在曲線上找到一個值為穩(wěn)態(tài)值的0.632倍的點便可以得到水箱的時間常數t，其具體做法見圖3-2。單容水箱的階躍響應曲線在原點的斜率最大，在該點做切線，切線與穩(wěn)態(tài)值的交點所對應的時間就是時間常數t，由此便能求出單容水箱的傳遞函數。圖3-2 階躍響應曲線3.2雙容

29、過程建模 雙容過程的示意圖見圖1-1。設該過程的被控量為下水箱的液位，輸入量為，當閥門2、3的開度一定時，可求得該過程的數學模型。根據物料平衡關系可得： （2-2-1）上式經過拉氏變換再整理之后可得雙容水箱的數學模型： （2-2-2）式中為過程放大系數；、分別為上、下水箱的時間常數。式（2-2-2）中的特性參數、可通過兩點法求得，首先放大系數可以通過式（2-1-8）求出，其次、可以通過階躍響應曲線上的兩個點的位置求出，如圖3-4所示。圖3-4 雙容過程的階躍響應曲線按圖中的方法求取曲線上a、b兩點對應的時間、，運用下面公式計算、，便可求得雙容水箱的傳遞函數。 （2-2-3）第4章 實驗法求取水

30、箱參數由上一章可知雙容水箱的傳遞函數是在其階躍響應曲線的基礎上計算出來的。通過實驗的方法可以得到雙容水箱的階躍響應數據，從而得到階躍響應曲線。4.1修正實驗裝置誤差 由于各種原因實驗裝置中的傳感器、電動調節(jié)閥等都會存在一定的誤差。在實驗之前應該測得誤差值，并在程序中做適當的處理以消除誤差。 4.1.1電動調節(jié)閥的特性電動調節(jié)閥的實際開度與設定的開度不相等，采用手動控制的方法設定調節(jié)閥的開度，同時記錄調節(jié)閥的實際開度。記錄數據見表4-1。表4-1 調節(jié)閥開度特性設定開度（%）實際開度（%）設定開度（%）實際開度（%）設定開度（%）實際開度（%）003532.837068.6654.94037.8

31、37573.77109.814543.048077.081514.815048.158577.982019.725553.359078.682524.126058.369580.383027.836563.4610082.78調節(jié)閥開度特性曲線見圖4-1。 圖4-1 調節(jié)閥開度特性曲線由圖可知，調節(jié)閥開度特性共有兩個轉折點，在第一個轉折點“30%”之前調節(jié)閥的誤差很小可以忽略；在第一個轉折點“30%”于第二個轉折點“80%”之間則有存在一個較大的靜態(tài)誤差；第二個轉折點之后存在很大的誤差。在實驗室之中對調節(jié)閥做出以下修正： 開度在“030%”之間：不修正。 開度在“30%80%”之間：調節(jié)閥的設

32、定開度與實際開度之間成線性關系，所以只需要對設定開度加上一個適當的值“2%”，便能夠減小誤差。開度在“80%100%”之間：由于誤差受到調節(jié)閥自身的限制，此處不予修正。4.1.2上水箱水位特性由于傳感器存在誤差，水箱的實際水位置與測量值之間存在誤差。上水箱的特性參數見表4-2。表4-2 上水箱水位特性參數實際值（cm）顯示值（cm）實際值顯示值實際值顯示值00.231010.322020.2922.291212.262222.2544.251414.222426.2766.301616.302626.2388.311818.272828.31上水箱水位特性曲線見圖4-2。圖4-2 上水箱水位特

33、性曲線由圖可知，在總體上來說上水箱水位的實際值與顯示值成線性關系，顯示值比實際值大0.25左右，所以在在程序之中應對采樣得到的水位值減去0.25作為實際值。4.1.3下水箱水位特性下水箱水位特性參數見表4-3。表4-3 下水箱水位特性參數實際值（cm）顯示值（cm）實際值顯示值實際值顯示值0-2.31 107.602017.842 -0.49129.612219.7141.401411.502421.7163.451613.812624.0585.611815.52825.29下水箱水位特性曲線見圖4-3。圖4-3 下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際值與顯示值成線性關系，

34、顯示值比實際值小2.5左右，所以在在程序之中應對采樣得到的水位值加上2.5作為實際值。4.2測定水箱階躍數據實驗原理圖見圖4-4。圖4-4 水箱模型測定原理圖在實驗中通過調節(jié)電動調節(jié)閥的開度（4050）改變上水箱的進水量，從而對被控對象施加階躍輸入信號。實驗時各手動閥門的開度不能改變。試驗臺的壓力變送器的輸出值為420，在經過接入阻值50的電阻值后轉換成15v的電壓信號，具有20%的偏移量。因此在編寫plc程序之時要把通過em235模塊采集來的數據減去6400（消除偏移）之后再除以256便得到水箱的水位數據。同樣電動調節(jié)閥的控制也要考慮到偏移的問題。利用mcgs軟件的“存盤數據策略”記錄雙容水

35、箱的階躍響應數據，采集數據的時間間隔為20秒。(1) 上水箱階躍響應參數： 表4-4 上水箱階躍響應參數水位/cm水位/cm水位/cm112.48213.54314.34415.04515.80616.16716.59816.97917.251017.501117.701217.931318.051418.141518.321618.401718.461818.551918.612018.672118.752218.802318.822418.842518.862618.872718.862818.862918.893018.883118.883218.773318.873418.813518

36、.943618.76水位/cm水位/cm水位/cm3718.863818.873918.884018.87(2)下水箱階躍響應參數： 表4-5 下水箱階躍響應參數水位/cm水位/cm水位/cm115.78217.60319.02420.26521.65622.38723.30824.10924.811025.461126.041226.501326.901427.211527.451627.681728.001828.101928.272028.432128.552228.662328.762428.832528.902629.012728.972829.062929.063029.03312

37、9.113229.083329.013429.063529.133629.104.3雙容水箱階躍響應參數4.3.1求取上水箱傳遞函數在試驗中水箱中水的流動，連接線路上的電阻等因素都會使測量到的數據有一定的誤差，所以在求取傳遞函數之前應該對數據進行處理以減小誤差。具體的方法是用matlab軟件繪出階躍響應曲線，再運用最小二乘法對曲線進行四階多項式擬合，最后用擬合之后的曲線求取傳遞函數。（1）繪制擬合曲線在matlab的命令窗口輸入四階多項式擬合指令：x=0:20:780;y=0 1.06 1.86 2.56 3.32 3.68 4.11 4.49 4.77 5.02 5.22 5.45 5.57

38、 5.66 5.84 5.92 5.98 6.07 6.13 6.19 6.27 6.42 6.45 6.36 6.46 6.37 6.38 6.38 6.41 6.40 6.40 6.29 6.39 6.33 6.46 6.28 6.38 6.39 6.40 6.39 ;n=4;clm='rx:', 'g-p', 'm-.o'plot(x,y,'.-')hold on;grid on;lgd = '原始數據' ;for i=1:length(n) n=n(i) p=polyfit(x,y,n); plot(x,p

39、olyval(p,x),clmi) syms x y=sum(vpa(p,3).*x.n:-1:0); lgdi+1 = 'y = ' char(y);endxlabel('x');ylabel('y');legend(lgd:, 4)上水箱的階躍響應曲線經擬合后得到的曲線見圖4-5。圖4-5 上水箱擬合曲線（2）采用作圖法求解參數做切線l1，相交于擬合曲線的穩(wěn)態(tài)值。在階躍響應曲線變化速度最快（原點）處做切線l2，與切線l1相較于點a在matlab命令窗口輸入指令：x,y=ginput(1)，得到點a的坐標（93.0876，6.4504）從而得到

40、上水箱傳遞函數： (4-3-1)4.3.2求取下水箱傳遞函數用與上一節(jié)相同的方法對下水箱的階躍響應曲線進行處理得到其擬合曲線，如圖4-6所示。圖4-6 下水箱擬合曲線下水箱的傳遞函數為： (4-3-2)第5章 系統(tǒng)控制方案設計5.1 pid控制原理比例、積分、微分（pid）控制是迄今為止最通用也是最為基本的控制方法，pid控制器已經有70年的發(fā)展歷史了，它以其結構簡單、穩(wěn)定性好、可靠性高、適用面廣、調整方便而成為工業(yè)控制的主要技術之一?？刂评碚摰暮芏嗫刂萍夹g都需要在被控對象的結構和參數能夠清晰掌握，或能得到精確的數學模型的情況之下才能發(fā)揮其控制功能；而在實際的生產之中，很多控制過程的結構、參數

41、都不能完全掌握，也很難得到精確的數學模型，在這種情況下大多數的控制技術都難以采用。pid控制的出現(xiàn)很好的解決了這一問題，即當我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數時，適合采用pid控制技術。模擬pid控制原理圖見圖5-1。 圖5-1 pid控制基本原理圖 pid控制器是一種負反饋控制器，根據給定值與反饋值構成控制差： ，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。 模擬pid控制器的理想算式為： （4-1-1） 式中：為控制量（控制器輸出）；為比例增益；為積分時間常數； 為微分時間常數。將式（4-1-1）寫成傳遞函數形式： （4-1-2）由于計算機不能處理連續(xù)變

42、化的量，所以需要對上式進行離散化處理，處理結果算式（4-1-3）(4-1-6）。 （4-1-3）式中：為第n采樣時刻的計算值；為第n采樣時刻的比例項值；第n采樣時刻的積分項值。第n采樣時刻的微分項值。 （4-1-4）式中：為增益；為第n采樣時刻的給定值；第n采樣時刻的過程變量值。 （4-1-5）式中：為第n采樣時刻的積分項值；采樣時間間隔；積分時間；第采樣時刻的積分項。 （4-1-6）式中：為第n采樣時刻的微分項值；為微分時間；為第采樣時刻的給定值；為第采樣時刻的過程變量值。pid控制器各控制規(guī)律的作用如下：（1） 比例（p）控制 比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器把輸入的誤差信號乘以比

43、例增益便得到輸出信號。在調節(jié)過程中比例參數越大其比例作用越大，其調節(jié)時間越短，誤差越小，但是過大的比例，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。 （2） 積分（i）控制 在積分控制中控制器的輸出信號與輸入誤差信號的積分成正比關系。對于一些控制系統(tǒng)，在進入穩(wěn)態(tài)之后往往會存在穩(wěn)態(tài)誤差，這個時候便可以引入積分控制以消除誤差。積分項作用強弱取決于積分的時間，積分時間越小積分作用越強，反之則越弱。積分作用的加入會使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，使響應時間變長。因此，如果積分時間取的不合適的話會對整個系統(tǒng)會起到反作用。積分作用常與另兩種調節(jié)規(guī)律結合，組成pi調節(jié)器或pid調節(jié)器。

44、（3）微分（d）控制 在微分控制中控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關系。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，會延遲誤差的變化，采用pi控制則會出現(xiàn)震蕩甚至系統(tǒng)不能達到穩(wěn)態(tài)，這時就應當引入微分控制。微分作用反映系統(tǒng)偏差信號的變化率，具有預見性，能預見誤差變化的趨勢，這樣就能夠提前抑制誤差從而避免了被控量的嚴重超調。因此，可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。然而微分作用會放大噪聲干擾，微分時間的選擇十分重要，如果微分時間過大則會對系統(tǒng)抗干擾不利，只有在微分時間選擇合適情況下，才能夠減少超調，減少調節(jié)時間。此外，微分反應的是變化率，而當輸入沒有變化時，微分作

45、用輸出為零。微分作用不能單獨使用，需要與另外兩種調節(jié)規(guī)律相結合，組成pd或pid控制器。控制器參數整定的方法很多，歸納起來可分為兩大類：（1） 理論計算整定法 它主要是在已知過程的數學模型基礎上，依據控制理論，經過理論計算確定控制器參數。由于實驗測定的過程數學模型不能精確反映過程動態(tài)特性，理論計算的參數整定值可靠性不高，在現(xiàn)場使用中不一定能夠達到理想的控制效果，還需要反復的調試。 （2）工程整定方法 它主要依賴工程經驗，直接在控制系統(tǒng)試驗中進行控制器參數整定，而且不需要知道過程完整的數學模型，使用者不需要具備理論計算所必須控制理論知識，因而方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。pid控制

46、器參數的工程整定方法，主要有穩(wěn)定邊界法、現(xiàn)場經驗整定法、動態(tài)特性參數法和阻尼振蕩法。在實際的工程之中，一般先通過理論計算得到控制參數作為工程整定方法的理論依據，再到控制現(xiàn)場進行整定。5.2方案設計由于雙容水箱本身存在著容積延遲，系統(tǒng)慣性比較大，下水箱對于擾動的響應在時間上存在滯后。如果采用pid單回路控制，當系統(tǒng)中出現(xiàn)擾動時，控制器通過控制進水閥門的開度來消除擾動對系統(tǒng)的干擾，但是由于上下水箱之間存在液阻，要經過一段時間之后才能控制下水箱的液位，這樣的系統(tǒng)反應慢。 與pid單回路控制相比，串級控制有以下幾個優(yōu)點：（1）串級控制系統(tǒng)對進入副回路的擾動具有較強的克服能力。（2）由于副回路的存在，明

47、顯改善了對象的特性，提高了系統(tǒng)的工作效率。（3）串級控制系統(tǒng)具有一定的自適應能力。（4）提高了系統(tǒng)的魯棒性。 由于串級控制有以上優(yōu)點，在被控對象的容量滯后比較大，調節(jié)對象的純滯后時間比較長，系統(tǒng)內存在激烈且幅值較大的干擾作用，調節(jié)對象具有較大的非線性特性而且負荷變化較大等場合應用效果顯著。在本次設計中采用串級控制技術，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?；诖壖夹g和plc控制器的雙容液位控制系統(tǒng)則能夠克服雙容水箱普遍存在容積延遲以及pid單回路控制難于達到控制要求的問題。該系統(tǒng)根據雙容水箱的數學模型，采用串級控制技術、plc控制器、mcgs軟件組態(tài)實現(xiàn)雙容液位的高

48、精度控制實時顯示?？刂葡到y(tǒng)框圖見圖5-2。圖5-2 串級系統(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回路組成，主控制對象為下水箱，副控制對象為上水箱。下水箱的液位信息反饋回主回路，與系統(tǒng)給定值進行比較得到偏差作為主調節(jié)器的輸入信號；主調節(jié)器的輸出作為副調節(jié)器的給定值與反饋回來的上水箱液位信息經過比較后得到偏差作為副調節(jié)器的輸入信號；副調節(jié)器的輸出控制調節(jié)閥，從而達到對水箱水位進行控制的目的。當有二次擾動作用于上水箱之時，如果擾動量不大，經過副回路的及時控制一般不會影響到下水箱的液位；但是如果擾動的幅值較大，仍然會改變下水箱的水位，這時就需要主回路進一步調節(jié)。當有一次擾動作用于下水箱之時，

49、主回路產生校正作用，由于副回路的存在加快了校正作用，使擾動對下水箱水位的影響比單回路控制時要小。由上可知在系統(tǒng)中主調節(jié)器的任務是使被控參數等于給定值，起著定值控制的作用，所以本次設計主調節(jié)器采用pid調節(jié)。副調節(jié)器起到隨動控制的作用，副參數的設置是為了保證主參數的控制質量，其動態(tài)性能和余差無特殊要求，p控制規(guī)律具有控制作用強，余差小的特點，因此副調節(jié)器一般采用p調節(jié)器。5.3調節(jié)器參數整定在工程實踐中，串級控制系統(tǒng)常用的整定方法有兩步整定法、逐步逼近法。這里使用逐步逼近法，其整定步奏如下：（1）把主回路斷開，使副回路成為一個單回路控制系統(tǒng)，對副回路進行整定，得到較理想的整定參數。（2）把副調節(jié)

50、器的參數設定為上步得到的參數，閉合主回路，把主回路看做一個單回路控制系統(tǒng)，再對主回路的參數進行整定。（3）把主調節(jié)器的參數設定為上步得到的參數，閉合主副回路，再整定副回路參數。若得到的參數已達到工藝要求，則整定結束；若達不到要求則需要再次按照上述（1） （3）進行整定知道符合要求為止。本次設計使用matlab軟件，利用水箱的傳遞函數，在simulink中對控制系統(tǒng)進行仿真，從而得到主副控制器理論參數。5.3.1 matlab軟件簡介美國the mathworks公司推出的matlab語言一直是國際科學界應用和影響最廣泛的三大計算機語言之一。matlab主要面對科學計算、可視化以及交互式程序設計

51、的高科技計算環(huán)境。它將數值分析、矩陣計算、科學數據可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學研究、工程設計以及必須進行有效數值計算的眾多科學領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)非交互式程序設計語言（如c、fortran）的編輯模式，代表了當今國際科學計算軟件的先進水平。matlab主要由以下幾個部分組成：(1) matlab語言體系 matlab是高層次的矩陣數組語言具有條件控制、函數調用、數據結構、輸入輸出、面向對象等程序語言特性。matlab程序設計語言集成度高，語句簡介，其程序可靠性高、易于維護，可以大大提高解決問的效率和水

52、平。(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輸入輸出的方式和方法，以及開發(fā)、調試、管理matlab文件的各種工具。 (3)圖形圖像系統(tǒng) 這是matlab圖形系統(tǒng)的基礎，包括完成2d和3d數據圖示、圖像處理、動畫生成、圖形顯示等功能的高層matlab命令，也包括用戶對圖形圖像等對象進行特性控制的低層matlab命令，以及開發(fā)gui應用程序的各種工具。 (4)matlab數學函數庫 這是對matlab使用的各種數學算法的總稱包括各種初等函數的算法，也包括矩陣運算、矩陣分析等高層次數學算法。 (5)matlab應用程序接口(api) 這是matlab為用戶提供的一個函數庫，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中調用于程序(動態(tài)鏈接)，讀寫mat文件的功能。 在這里主要用到的是matlab中的simulink工具箱。通過simulink工具箱根據前文的水箱模型傳遞函數對串級控制系統(tǒng)進行仿真，模擬出被控系統(tǒng)的階躍響應曲線，再對主副調節(jié)器的pid參數進行調整，得到主、副控制器的初步整定參數。5.3.2副回路參