雙容水箱液位控制系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)

PAGEPAGEIV內(nèi)蒙古科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文）題目：雙容水箱液位控制系統(tǒng)學(xué)生姓名：學(xué)號：專業(yè)：班級：指導(dǎo)教師：內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書雙容水箱液位控制系統(tǒng)摘要本設(shè)計(jì)以PCT-Ⅲ型過程控制實(shí)驗(yàn)裝置為基礎(chǔ)，對雙容水箱進(jìn)行對象特性測試及液位控制。通過對雙容水箱液位控制系統(tǒng)的分析建模，針對其對象特性，采用串級PID控制方式，構(gòu)成了以上水箱液位為副調(diào)節(jié)參數(shù)、下水箱液位為主調(diào)節(jié)參數(shù)的液位串級控制系統(tǒng)，有效地克服了二次干擾以及雙容水箱的容量滯后等問題，從而縮短了調(diào)節(jié)時(shí)間。利用北京亞控公司生產(chǎn)的組態(tài)王軟件實(shí)施上位機(jī)界面組態(tài)，對系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)地操作、監(jiān)控。在控制過程中不需要下位機(jī)，通過在組太王軟件工程瀏覽器中的命令語言編輯對話框里面輸入PID控制源程序，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)直接控制的方式，通過RS232/485轉(zhuǎn)換器和牛頓模塊實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與現(xiàn)場設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換。并利用變頻器使抽水泵工作在恒壓供水的狀態(tài)下，通過電動(dòng)調(diào)節(jié)閥來實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)。在對雙容水箱液位控制系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)整定時(shí)，以使調(diào)節(jié)過程穩(wěn)、準(zhǔn)、快為原則，從而得到適合的調(diào)節(jié)器參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對過程參數(shù)的無穩(wěn)態(tài)誤差控制，具有良好的穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能。關(guān)鍵詞:液位；串級控制；PID控制；組態(tài)軟件；參數(shù)整定DoubletankwaterlevelcontrolsystemAbstractThedesignisbasedonthePCT-Ⅲtypeofprocesscontroldeviceforthetestingobjectpropertiesandlevelcontrolonthetwo-tank.Throughanalysisandmodelingforthetwo-tankwaterlevelcontrolsystem,useofcascadePIDcontrolforitsobjectpropertiesandconstituteawaterlevelcontrolsystem,itsdeputyadjustableparameterispreviouswaterlevelandthemainadjustableparametersisunderthetank'sliquidlevelcascadecontrolsystem.Itovercomestheproblemseffectivelyaboutthesecondtwo-tankandcapacitylaggedbehindandreducestheadjustmenttime.UseConfigurationsoftwarewhichisgeneratedbyBeijingAsia'sPCtoimplementtheinterfaceconfiguration,operatewaterlevelreal-timeandmonitorthesystem.Inthecontrolprocessdoesnotrequirethenextcrew,editdialogboxtoenterthePIDcontrolinsidesourcethroughthesoftwareengineeringgroupinthebrowsercommandlanguagetoachievedirectcontrolofthecomputer,throughtheRS232/485converterandNewtonmoduleachievetheexchangeofdatabetweencomputerandfielddevices.Andusethedrivetoworkintheconstantpressurewatersupplypumpsinthestate,throughtheelectriccontrolvalvetoachievethecontrolobjectives.Intwo-tankwaterlevelcontrolsystemparametersadjustment,followtheprincipleofsteady,accurate,fastinadjustmentprocesstogetappropriateparameters.Theexperimentalresultsshowthatthesystemofprocessparameterstoachievesteady-stateerror-freecontrol,withgoodsteadystateperformanceanddynamicperformance.Keywords:Level;Cascadecontrol;PIDcontrol;configurationsoftware;parametertuning目錄摘要 IAbstract II第一章緒論 11.1課題研究背景及意義 11.2本文主要研究的內(nèi)容 2第二章PCT試驗(yàn)裝置介紹 32.1PCT實(shí)驗(yàn)裝置構(gòu)成簡介 32.1.1水箱 32.1.2液位傳感器 32.1.3電動(dòng)調(diào)節(jié)閥 42.1.4壓力傳感器 42.1.5變頻器 42.1.6三項(xiàng)磁力水泵 52.1.7牛頓模塊 52.2雙容水箱系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 62.3水箱液位實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)的用途 7第三章雙容水箱液位控制系統(tǒng)分析設(shè)計(jì) 83.1雙容水箱液位控制系統(tǒng)分析 83.1.1液位控制系統(tǒng)組成 83.1.2液位控制系統(tǒng)的控制目標(biāo) 93.1.3液位控制系統(tǒng)的模型分析 93.2雙容水箱液位控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 123.2.1控制方案的選定 123.2.2串級控制系統(tǒng)的特點(diǎn) 133.2.3串級控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 133.2.4計(jì)算機(jī)串級控制算法實(shí)施 173.2.5液位串級控制系統(tǒng)工作過程 183.3液位控制系統(tǒng)參數(shù)整定 193.3.1Kp、Ti、Td對控制質(zhì)量的影響 203.3.2幾種工程整定方法介紹 213.3.3串級控制系統(tǒng)的參數(shù)整定 24第四章組態(tài)軟件設(shè)計(jì) 274.1“組態(tài)王”簡介 274.2組態(tài)畫面的建立 284.2.1建立工程 284.2.2設(shè)備配置 294.2.3變量定義 314.2.4畫面設(shè)計(jì)與動(dòng)畫連接 334.2.5實(shí)時(shí)曲線和歷史曲線的建立 364.2.6手自動(dòng)切換和PID控制畫面的建立 38第五章雙容水箱液位控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn) 405.1實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備 405.2實(shí)驗(yàn)過程 405.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 42總結(jié) 43參考文獻(xiàn) 43附錄 45致謝 47PAGE48第一章緒論1.1課題研究背景及意義隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)工藝中的控制問題也日趨復(fù)雜。在人們的生活中以及某些化工和能源的生產(chǎn)過程中，常常涉及一些液位或流量控制的問題。在石油、化工、輕工和食品等工業(yè)生產(chǎn)過程中，有許多貯罐作為原料、半成品的貯液罐，前一道工序的成品或半成品不斷地流入下一道工序的貯液罐進(jìn)行加工和處理，為保證生產(chǎn)過程能連續(xù)地正常進(jìn)行，必須對貯罐的液位進(jìn)行控制。還比如居民生活用水的供應(yīng)，通常需要使用蓄水池，蓄水池中的液位需要維持合適的高度，還有一些水處理的過程也需要對蓄水池中的液位實(shí)施控制，另外涉及蓄液容器的生產(chǎn)過程也很多見，例如在核動(dòng)力蒸汽發(fā)生器工作過程中以及乙烯工程污水處理廠的自動(dòng)排水處理場等，因此，需要設(shè)計(jì)合適的控制器自動(dòng)調(diào)整容器的出入液流量，使得容器內(nèi)液位保持正常水平。特別地，在出入液流量較大的情況下，為了平抑液位的變化，實(shí)際生產(chǎn)中往往選用多個(gè)互相連通的蓄液容器。上述不同背景的實(shí)際問題都可以抽象為某種水箱的液位控制問題。由于工業(yè)生產(chǎn)的飛速發(fā)展，人們對生產(chǎn)過程的自動(dòng)化控制水平的要求也越來越高。每一個(gè)先進(jìn)、實(shí)現(xiàn)的控制算法的出現(xiàn)都對工業(yè)生產(chǎn)具有巨大的推動(dòng)作用。然而，當(dāng)前的學(xué)術(shù)研究成果與實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用技術(shù)水平并不是同步的，甚至相差幾十年。最近幾年，國內(nèi)一些控制領(lǐng)域已接近甚至超越了國際水平，然而，就先進(jìn)理論應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域的狀況來講，與發(fā)達(dá)國家相比卻存在較大差距。其原因固然是多方面的，但是，一個(gè)很明顯的原因就是在于理論研究尚缺乏實(shí)際背景的支持，理論的算法一旦應(yīng)用于現(xiàn)場就會遇到各種各樣的實(shí)際問題，制約了其應(yīng)用前景。在目前尚不具有在實(shí)驗(yàn)室中復(fù)現(xiàn)真實(shí)工業(yè)過程條件的今天，開發(fā)經(jīng)濟(jì)實(shí)用的具有典型對象特性的使用裝置無疑是一條探索將理論成果轉(zhuǎn)化為應(yīng)用技術(shù)的捷徑。在過程工業(yè)中，被控量通常有以下四種：液位、壓力、流量、溫度，而液位不僅是工業(yè)過程中的常見參數(shù)，且便于直接觀察，也容易測量。以液位過程構(gòu)成的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可靈活地進(jìn)行過程組態(tài)，實(shí)施各種不同的控制方案，它不僅能夠滿足實(shí)際現(xiàn)場的應(yīng)用要求，而且可以對新理論的研究論證提供強(qiáng)有力的平臺。液位控制裝置也是過程控制最常用的實(shí)驗(yàn)裝置，國外很多實(shí)驗(yàn)室有此類裝置，如瑞典LUND大學(xué)等，很多重要的研究報(bào)告、模擬仿真均出自此類裝置。因此，液位控制系統(tǒng)是過程控制的重要研究模型，對液位控制系統(tǒng)的研究具有顯著的理論和實(shí)際意義。1.2本文主要研究的內(nèi)容本課題主要以雙容水箱液位過程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)作為研究對象，介紹了其硬件構(gòu)成、系統(tǒng)建模并進(jìn)行相關(guān)控制方案及控制算法的分析、研究。利用PCT試驗(yàn)臺上的系列儀表和牛頓模塊結(jié)合計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，在組態(tài)軟件下編程并且通過調(diào)整和改進(jìn)控制算法，從而實(shí)現(xiàn)雙容水箱液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。通過利用調(diào)節(jié)器的工程整定方法，最后得到一組能穩(wěn)定、準(zhǔn)確、快速的達(dá)到控制要求的PID參數(shù)。通過本設(shè)計(jì)掌握串級控制系統(tǒng)的基本概念，了解串級控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，即主被控參數(shù)、副被控參數(shù)、主調(diào)節(jié)器、副調(diào)節(jié)器、主回路、副回路。掌握串級控制系統(tǒng)的特點(diǎn)、串級控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，掌握串級控制主、副控制回路的選擇。掌握串級控制系統(tǒng)參數(shù)整定方法，熟悉PID參數(shù)對控制系統(tǒng)質(zhì)量指標(biāo)的影響，用計(jì)算機(jī)進(jìn)行PID參數(shù)的調(diào)整和自動(dòng)控制的投運(yùn)。并將串級控制系統(tǒng)參數(shù)投運(yùn)到實(shí)驗(yàn)中。最后對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析總結(jié)，針對實(shí)驗(yàn)過程中的存在的一些問題進(jìn)行下一步的改進(jìn)。第二章PCT試驗(yàn)裝置介紹2.1PCT實(shí)驗(yàn)裝置構(gòu)成簡介實(shí)驗(yàn)臺主要由上水箱、中水箱、下水箱、儲水箱、溫控圓筒、加熱器、液位和壓力傳感器、壓力罐、濕度傳感器、工業(yè)PH計(jì)、電磁流量傳感器、孔板流量傳感器、渦輪流量傳感器、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、變頻器、水泵、加溫模塊、接線端子、電源總開關(guān)、電流指示表、比例器、DC24V開關(guān)電源以及上海萬迅智能調(diào)節(jié)儀表組成的掛箱。下面就本設(shè)計(jì)所用到的設(shè)備及模塊做簡單介紹。2.1.1水箱水箱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：采用兩槽結(jié)構(gòu)，主要分溢流緩沖槽、工作槽、溢流水管。溢流緩沖槽：是為了解決水流直接注入水箱造成被測液面波動(dòng)而設(shè)計(jì)的，當(dāng)水流注入水箱后經(jīng)過溢流緩沖槽緩沖，溢出水槽沿水槽壁流下達(dá)到減少被測液面波動(dòng)。工作槽：是為了我們做實(shí)驗(yàn)而用的，工作槽中有個(gè)排水口，這排水口在做實(shí)驗(yàn)時(shí)由一個(gè)有孔有機(jī)玻璃管插上，隨著工作槽水位的上升，工作槽的排水量也會增加，這樣就可以滿足一階、二階液位實(shí)驗(yàn)的要求。溢流水管：當(dāng)設(shè)備無人職守時(shí)有時(shí)會出現(xiàn)水箱的水位已經(jīng)到達(dá)最高水位，為了防止液位滿出水箱，則多出的水可以通過溢流排水管排出。水箱I（上位水箱）液位高度：0～280mm水箱II（下位水箱）液位高度：0～280mm水箱III（不銹鋼儲水箱）液位高度：0～500mm2.1.2液位傳感器液位傳感器連接水箱的底部，檢測水箱的液位，同時(shí)輸出4～20mA的電流信號。提供給計(jì)算機(jī)作為液位檢測信號。本套工業(yè)自動(dòng)化儀表實(shí)驗(yàn)采用掛箱式，組裝靈活，如果從新組裝了液位傳感器（例如改變了液位傳感器在網(wǎng)孔板上的位置或改變了所檢測的水箱），液位傳感器都要從新校正零點(diǎn)和量程。2.1.3電動(dòng)調(diào)節(jié)閥電動(dòng)調(diào)節(jié)閥為美國霍尼威爾的智能電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，具有精度高、技術(shù)先進(jìn)、體積小、重量輕、推動(dòng)力大、功能強(qiáng)、控制單元與電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)一體化，可靠性高、操作方便，并可與計(jì)算機(jī)配套使用，組成最佳調(diào)節(jié)回路。該電動(dòng)調(diào)節(jié)閥具有自反饋系統(tǒng)只需要在外部加4～20mA電流即可控制，4mA為全關(guān)狀態(tài)，20mA為全開狀態(tài)，在無輸入信號的情況下電動(dòng)調(diào)節(jié)閥處于全關(guān)狀態(tài)。使用時(shí)只需要將調(diào)節(jié)器輸出的4～20mA電流信號輸入到面板上的控制端口上即可。2.1.4壓力傳感器壓力傳感器結(jié)構(gòu)原理和液位傳感器完全相同，其測量范圍為0~100KP，具體調(diào)試方法與液位傳感器調(diào)試方法相同。其調(diào)節(jié)時(shí)可以通過變頻器調(diào)節(jié)水泵壓力，通過標(biāo)準(zhǔn)檢測儀表監(jiān)控壓力；壓力傳感器輸出的電流通過智能儀表監(jiān)測顯示，使智能儀表顯示數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)儀表顯示數(shù)據(jù)相同。如果有誤差可通過調(diào)節(jié)壓力傳感器零點(diǎn)調(diào)節(jié)和量程調(diào)節(jié)電位器調(diào)準(zhǔn)。2.1.5變頻器采用三菱FR-S500變頻器，4～20mA控制信號輸入，可對流量或壓力進(jìn)行控制。變頻器面板圖如圖2.1所示。圖2.1變頻器的基本操作：(1)合上控制對象上的電源(2)把PCT-ET-02面板上的內(nèi)外控開關(guān)打到內(nèi)控狀態(tài)，按下設(shè)置PU燈亮(3)設(shè)置參數(shù)如下：C5=15P21=3P30=1P39=80P53=1P59=1P60=4P61=4P62=4P63=4(4)按“PU/EXT”按鈕設(shè)置EXT燈亮，把PCT-ET-02面板上的內(nèi)/外控開關(guān)打到“外控”，狀態(tài)，在PCT-ET-02面板上變頻器輸入端子上輸入4～20mA電流即控制變頻器的頻率設(shè)定值。(5)停止外部控制，只要把PCT-ET-02面板上的內(nèi)/外控制開關(guān)打到內(nèi)控一端即可停止控制。(6)由外部控制切換到內(nèi)部控制步驟：=1\*GB3①PCT-ET-02面板上內(nèi)外控開關(guān)打到內(nèi)控一邊。=2\*GB3②按變頻器上PU使PU燈亮。=3\*GB3③按變頻器上“RUN”鍵使Run燈亮，旋動(dòng)變頻器上頻率設(shè)定電位器到合適值。(7)由內(nèi)部控制切換到外部控制步驟：=1\*GB3①按變頻器STOP鍵停止變頻器。=2\*GB3②按“PU/EXT”鍵使EXT燈亮。=3\*GB3③把PCT-ET-02面板上的內(nèi)/外控開關(guān)打到“外控”狀態(tài)，其變頻器就在外部控制信號下工作。2.1.6三項(xiàng)磁力水泵水泵選用上海凱士循環(huán)水泵，噪音低、壽命長、功耗小、AC380V供電。在水泵出口裝有壓力罐和壓力變送器，與變頻器一起構(gòu)成供水系統(tǒng)。2.1.7牛頓模塊本裝置在計(jì)算機(jī)控制和通訊上采用牛頓7000系列模塊，它是RS-232轉(zhuǎn)485通訊模塊，RS-232/RS-485雙向協(xié)議轉(zhuǎn)換。速度為300-115.200Kbps，一個(gè)RS-485網(wǎng)上可掛256個(gè)模塊，3000V隔離，支持多種速率多種數(shù)據(jù)格式。通訊距離：2.1公里/9600Kbps；2.7公里/4800Kbps；3.6公里/2400Kbps。8024是D/A模塊，4通道模擬輸出模塊。電流輸出：4～20mA，0～20mA；電壓輸出：+/-10V，0～10V，+/-5V。精度14Bit。8017是A/D模塊，8通道模擬輸入模塊。模擬輸入：1～5V，4～20mA；輸入范圍：+/-150mV，+/-500mV，+/-1V，+/-5V，+/-10V，+/-20mA。通道數(shù)量：6路差動(dòng)/2路單端或8差動(dòng)（跳線選擇）；采樣頻率10Hz。2.2雙容水箱系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)液位控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2.2所示。圖2.2液位控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖上水箱和下水箱的液位信號分別由兩壓力傳感器檢測，檢測到的液位信號經(jīng)液位變送器轉(zhuǎn)換成4-20mA的電流信號，串聯(lián)250歐姆標(biāo)準(zhǔn)電阻轉(zhuǎn)換為1-5V電壓信號，再通過A/D模塊(Nudam7017)將采集到的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，該數(shù)字信號經(jīng)RS485總線，再由RS232/485轉(zhuǎn)換器傳送給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)采集到的數(shù)字信號在組態(tài)軟件中由PID控制器進(jìn)行處理得出控制信號，控制信號再經(jīng)RS232/485轉(zhuǎn)換器及RS485總線送給D/A模塊(Nudam7024)，最后轉(zhuǎn)換得到的模擬信號驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作。2.3水箱液位實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)的用途水箱液位控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是PCT實(shí)驗(yàn)裝置中的重要組成部分，可單獨(dú)進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)的分析和研究，且它是一種非線性、強(qiáng)耦合、多變量和大滯后的復(fù)雜系統(tǒng)，是進(jìn)行控制理論與控制工程教學(xué)、實(shí)驗(yàn)和研究的理想平臺，具有強(qiáng)大的實(shí)驗(yàn)功能。它不僅可以實(shí)現(xiàn)一階對象、二階對象，還可以實(shí)現(xiàn)更高階對象的分析、研究，而且它還可以作為一種多功能型實(shí)驗(yàn)設(shè)備去驗(yàn)證各種新型算法。它易于在實(shí)驗(yàn)中操作，直觀性強(qiáng)，適用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)；可以模擬多種實(shí)際應(yīng)用故障。我們還可以通過經(jīng)典的PID控制器設(shè)計(jì)與調(diào)試，進(jìn)行智能控制教學(xué)實(shí)驗(yàn)與研究。各種控制器的控制效果通過水位的變化直觀地反映出來，同時(shí)通過液位傳感器對水位的精確檢測，方便地獲得瞬態(tài)響應(yīng)指標(biāo)，準(zhǔn)確評估控制性能。開放的控制器實(shí)驗(yàn)裝置，便于我們進(jìn)行自己的控制器設(shè)計(jì)，滿足創(chuàng)新研究的需要。液位控制實(shí)驗(yàn)裝置是過程控制中最常用的實(shí)驗(yàn)裝置，可在此裝置上探討、研究、開發(fā)各種新型控制算法，學(xué)習(xí)各種不同的控制方案，通過調(diào)試不同控制方案下的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，使我們能更清楚地了解工業(yè)過程控制中系統(tǒng)的投運(yùn)和整定方法。第三章雙容水箱液位控制系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)3.1雙容水箱液位控制系統(tǒng)分析對被控系統(tǒng)的分析，是設(shè)計(jì)過程控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)資料或基本依據(jù)。要對現(xiàn)代日益復(fù)雜和龐大的被控過程進(jìn)行研究分析、實(shí)施控制，尤其是進(jìn)行最優(yōu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須了解其工作過程及其數(shù)學(xué)模型等。因此，數(shù)學(xué)模型對過程控制系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的優(yōu)化校制具有極為重要的意義。被控對象的數(shù)學(xué)模型，是反映被控過程的輸出量與輸入量關(guān)系的數(shù)學(xué)描述?；蛘哒f是描述被控過程因輸人作用導(dǎo)致輸出量(被控變量)變化的數(shù)學(xué)表達(dá)式。被控過程可能既受控制輸人的作用，也受擾動(dòng)量影響?？刂戚斎肟偸橇D使被控過程按照某種期望的規(guī)律變化，而擾動(dòng)量一般總是影響被控過程偏離期望運(yùn)行狀態(tài)。但從系統(tǒng)角度來看，無論是控制輸人還是擾動(dòng)，都屬于輸入量，因?yàn)樗鼈兌紩绊戄敵龅淖兓?。工業(yè)過程動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的表達(dá)方式很多，其復(fù)雜程度相差懸殊。對于數(shù)學(xué)模型，應(yīng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況提出適當(dāng)?shù)囊?。一般說來，用于控制的數(shù)學(xué)模型并不要求十分準(zhǔn)確。閉環(huán)控制本身具有一定的魯棒性，模型本身的誤差可視為干擾，而閉環(huán)控制在某種程度上具有自動(dòng)消除干擾的能力。實(shí)際生產(chǎn)過程的動(dòng)態(tài)特性非常復(fù)雜，往往需要作很多近似處理。有些近似處理需要作線性化處理、降階處理等，但卻能滿足控制的要求。建立數(shù)學(xué)模型有兩個(gè)基本方法，即機(jī)理法和測試法。測試法一般只用于建立輸入輸出模型。是把被研究的工業(yè)過程視為一個(gè)黑匣子，完全從外部特性上測試和描述它的動(dòng)態(tài)性質(zhì)，因此不需要深入掌握其內(nèi)部機(jī)理。3.1.1液位控制系統(tǒng)組成該液位控制系統(tǒng)主要是基于PCT-Ⅲ型遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集過程控制裝置。系統(tǒng)的主要目的是控制上下水箱的液位。主要干擾源為隨機(jī)流入水箱中的水使水位上漲，超過警戒水位；同時(shí)出于某種考慮，不能使水位低于某個(gè)值。整個(gè)液位控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖3.1所示。它由計(jì)算機(jī)、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、上水箱、下水箱、液位變送器、變頻器和水泵模塊等組成。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥用于調(diào)節(jié)上水箱的進(jìn)水量的大小，液位變送器用于檢測上水箱和下水箱的液位。計(jì)算機(jī)的輸出量用于控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度。變頻器用于控制水泵進(jìn)行恒壓供水。圖3.1雙容水箱液位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3.1.2液位控制系統(tǒng)的控制目標(biāo)水箱的液位變化范圍為h=0-300mm，要求通過設(shè)計(jì)合適的控制器，能使被控對象(下水箱)的液位值穩(wěn)、準(zhǔn)、快地穩(wěn)定在所給定的液位值上，穩(wěn)態(tài)液位誤差不超過5mm。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生擾動(dòng)(正擾動(dòng)或負(fù)擾動(dòng))時(shí)，被控量能迅速恢復(fù)到系統(tǒng)原來所要求的液位值。3.1.3液位控制系統(tǒng)的模型分析在此利用解析法對雙容水箱進(jìn)行建模。解析法建模的一般步驟為：①明確過程的輸出變量、輸入變量和其他中間變量；②依據(jù)過程的內(nèi)在機(jī)理和有關(guān)定理、定律以及公式列寫靜態(tài)方程或動(dòng)態(tài)方程；③消去中間變量，求取輸入、輸出變量的關(guān)系方程；④將其簡化成控制要求的某種形式，如高階微分（差分）方程或傳遞函數(shù)（脈沖傳遞函數(shù)）等。雙容水箱模型如圖3.2所示。圖3.2雙容水箱模型圖根據(jù)動(dòng)態(tài)物料平衡關(guān)系，即在單位時(shí)間內(nèi)貯罐的液體流入量與單位時(shí)間內(nèi)貯罐的液體流出量之差應(yīng)等于貯罐中液體貯存量的變化率，可列出以下增量方程：式(2-1)式(2-2)式(2-3)式(2-4)由式(2-1)和式(2-3)消去得：式(2-5)將其轉(zhuǎn)換為傳遞函數(shù)形式得：式(2-6)其中。由式(2-2)和式(2-4)消去得：式(2-7)將其轉(zhuǎn)換為傳遞函數(shù)形式得：式(2-8)由式(2-6)和式(2-8)得：式(2-9)由于被控對象含有延遲特性，所以雙容水箱的模型最終可用一個(gè)二階慣性加純滯后環(huán)節(jié)來描述，即：式(2-10)3.2雙容水箱液位控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)首先要確定整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)化水平，然后才能進(jìn)行各個(gè)具體控制系統(tǒng)方案的討論確定。對于比較大的控制系統(tǒng)工程，更要從實(shí)際情況出發(fā)，反復(fù)多方論證，以避免大的失誤?？刂葡到y(tǒng)的方案設(shè)計(jì)是整個(gè)設(shè)計(jì)的核心，是關(guān)鍵的第一步。要通過廣泛的調(diào)研和反復(fù)的論證來確定控制方案，它包括被控變量的選擇與確認(rèn)、操縱變量的選擇與確認(rèn)、檢測點(diǎn)的初步選擇及系統(tǒng)組成、繪制出帶控制點(diǎn)的工藝流程圖和編寫初步控制方案設(shè)計(jì)說明書等。3.2.1控制方案的選定從上面的模型可知，該系統(tǒng)是一個(gè)有時(shí)間延遲的二階系統(tǒng)，自身不穩(wěn)定。若按單回路方法設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，則因作用于系統(tǒng)的擾動(dòng)要經(jīng)過一個(gè)滯后時(shí)間才能使被控量有所反應(yīng)，而調(diào)節(jié)器的控制作用又不能及時(shí)反映出來，因此將導(dǎo)致控制過頭，產(chǎn)生振蕩。理論分析表明，用單回路方法對上述過程進(jìn)行控制是難以奏效的。該分析結(jié)果，也得到實(shí)驗(yàn)證實(shí)，經(jīng)現(xiàn)場反復(fù)調(diào)試得知，在有干擾作用或給定值變化的情形下，系統(tǒng)是無法穩(wěn)定的。而且由于該串聯(lián)式雙容液位過程兩貯槽串聯(lián)而存在容量滯后，這些因素致使單回路控制方案難以實(shí)施。與單回路方案相比，串級控制系統(tǒng)具有明顯優(yōu)點(diǎn)，在克服容量滯后和純滯后對控制質(zhì)量的影響方面有其獨(dú)到之處，據(jù)此設(shè)計(jì)了如圖3.3所示的串級控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上形成了兩個(gè)閉環(huán)。一個(gè)閉環(huán)在里面，被稱為副回路；一個(gè)閉環(huán)在外面，被稱為主回路，以最終保證被調(diào)量滿足工藝要求。這種由兩個(gè)調(diào)節(jié)器串接在一起控制一個(gè)調(diào)節(jié)閥的系統(tǒng)就叫做串級控制系統(tǒng)。主調(diào)節(jié)器具有自己獨(dú)立的設(shè)定值，它的輸出作為副調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，而副調(diào)節(jié)器的輸出信號則是送到調(diào)節(jié)閥去控制生產(chǎn)過程。串級控制系統(tǒng)只比簡單控制系統(tǒng)增加了一個(gè)測量變送元件和一個(gè)調(diào)節(jié)器，但是控制效果卻有顯著的提高，具有較好的控制性能，能夠改善對象的動(dòng)態(tài)特性，提高系統(tǒng)的工作頻率，對負(fù)荷或操作條件的變化也有一定的自適應(yīng)能力。圖3.3串級控制系統(tǒng)方框圖3.2.2串級控制系統(tǒng)的特點(diǎn)串級控制系統(tǒng)適用于時(shí)間常數(shù)及純滯后較大的對象．串級系統(tǒng)與單回路系統(tǒng)的區(qū)別在于前者可獲得可測中間變量，并利用它構(gòu)成副反饋回路，對影響中間變量的干擾進(jìn)行預(yù)先調(diào)節(jié)，從而改善整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)．串級控制系統(tǒng)在提高系統(tǒng)控制質(zhì)量方面主要表現(xiàn)在：1)對進(jìn)人副回路的二次干擾有很強(qiáng)的克服能力；2)改善了被控過程的動(dòng)態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的工作頻率；3)串級控制系統(tǒng)減小了對象時(shí)間常數(shù)；4)對負(fù)荷或操作條件的變化有較強(qiáng)的適應(yīng)能力．串級控制系統(tǒng)的抗干擾能力、快速性、適應(yīng)性和控制質(zhì)量都比單回路要好，一般應(yīng)用在下列情況：1)控制通道純延遲時(shí)間較長；2)對象容量滯后大；3)負(fù)荷變化大，被控對象又具有非線性；4)系統(tǒng)存在變化劇烈的干擾．3.2.3串級控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)相比單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程，串級控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也較為簡單，其主要包括以下幾項(xiàng)：①主、副參數(shù)的選擇及主、副回路設(shè)計(jì)；②比例、積分及微分控制規(guī)律的選擇；③控制算法的確定。1.主、副參數(shù)和主、副回路的選擇串級控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是主、副參數(shù)的選擇和主、副回路的設(shè)計(jì)以及主、副回路關(guān)系的考慮。(1)主參數(shù)的選擇和主回路的設(shè)計(jì)主回路是一個(gè)定值控制系統(tǒng)，對于主參數(shù)的選擇和主回路的設(shè)計(jì)，基本上可以按照單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則進(jìn)行。凡直接或間接與生產(chǎn)過程運(yùn)行性能密切相關(guān)并可直接測量的工藝參數(shù)均可選擇作主參數(shù)。若條件許可，可以選用質(zhì)量指標(biāo)作為主參數(shù)，因?yàn)樗钪苯右沧钣行?。否則應(yīng)選用一個(gè)與產(chǎn)品質(zhì)量有單值函數(shù)關(guān)系的參數(shù)作為主參數(shù)。另外，對于選用的主參數(shù)必須具有足夠的靈敏度，并符合工藝過程的合理性。所以在此選擇下水箱液位高度為主參數(shù)，而由其所構(gòu)成的回路也即為主回路，如圖3.3中的外回路即為主回路。(2)副參數(shù)的選擇和副回路的設(shè)計(jì)串級控制系統(tǒng)副回路具有調(diào)節(jié)速度快、抑制擾動(dòng)能力強(qiáng)的特點(diǎn)。在副回路設(shè)計(jì)時(shí)，要充分發(fā)揮這一特點(diǎn)，把生產(chǎn)過程中的主要擾動(dòng)(并可能多的把其它一些擾動(dòng))包括在副回路中，以盡量減少對主參數(shù)的影響，提高主參數(shù)的控制質(zhì)量。在選擇副參數(shù)進(jìn)行副回路設(shè)計(jì)時(shí)，必須注意主、副過程時(shí)間常數(shù)的匹配問題。因?yàn)樗谴壙刂葡到y(tǒng)正常運(yùn)行的主要條件，是保證安全生產(chǎn)、防止共振的根本措施。所以在此選擇上水箱液位高度為副參數(shù)，而由其所構(gòu)成的回路也即為副回路，如圖3.3中的內(nèi)回路即為副回路。2．控制規(guī)律的選擇調(diào)節(jié)器控制規(guī)律通常指比例(P)、積分(I)、微分(D)控制規(guī)律。PID控制規(guī)律以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)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(shù)時(shí)，最適合用PID控制技術(shù)。以下就比例、積分、微分控制規(guī)律做簡要介紹。比例(P)控制：比例控制是一種最簡單的控制方式。對偏差進(jìn)行控制，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即就發(fā)生作用即調(diào)節(jié)控制輸出，使被控量朝著減小偏差的方向變化，偏差減小的速度取決于比例系數(shù)Kp，Kp越大偏差減小的越快，但是很容易引起振蕩，尤其是在遲滯環(huán)節(jié)比較大的情況下，Kp減小，發(fā)生振蕩的可能性減小但是調(diào)節(jié)速度變慢。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。積分(I)控制：控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。實(shí)質(zhì)上就是對偏差累積進(jìn)行控制，直至偏差為零。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(shí)間有關(guān)。在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。微分(D)控制：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(guān)系。自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后組件，它能預(yù)測誤差變化的趨勢，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。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)和增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但微分作用很容易放大高頻噪聲，降低系統(tǒng)的信噪比，從而使系統(tǒng)抑制干擾的能力下降。這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動(dòng)態(tài)特性。而在實(shí)際應(yīng)用時(shí)通常需要綜合各方面的因素去考慮各種控制規(guī)律的選擇，這樣才可達(dá)到既經(jīng)濟(jì)又實(shí)用的效果。雖然PID控制規(guī)律綜合了各種控制規(guī)律的優(yōu)點(diǎn)，具有較好的控制性能，但這并不意味著它在任何情況下都是最合適的。只有根據(jù)被控對象的特性，合理選擇比例度、積分時(shí)間和微分時(shí)間，才能獲得較高的控制質(zhì)量。各類生產(chǎn)過程常用的控制規(guī)律如下：液位：一般要求不高，用P或PI控制規(guī)律；流量：時(shí)間常數(shù)小，測量信息中雜有噪聲，用PI或加反微分控制規(guī)律；壓力：介質(zhì)為液體的時(shí)間常數(shù)小，介質(zhì)為氣體的時(shí)間常數(shù)中等，用P或則控制規(guī)律；溫度：容量滯后較大，用PID控制規(guī)律。在串級控制系統(tǒng)中，主、副控制器所起的作用是不同的，主控制器起定值控制作用，副控制器對主控制器輸出起隨動(dòng)控制作用，而對擾動(dòng)作用起定值控制作用。因此，主被控變量要求無余差，副被控變量卻允許在一定范圍內(nèi)變動(dòng)。這是選擇控制規(guī)律的基本出發(fā)點(diǎn)。一般主控制器可采用比例、積分兩作用或比例、積分、微分3作用控制規(guī)律，副控制器采用單比例作用或比例積分作用控制規(guī)律即可。而在雙容水箱液位控制系統(tǒng)中，又存在著一定的容量滯后，所以綜上所述在此系統(tǒng)中，主回路選擇比例、積分、微分控制規(guī)律，而副回路只需單純的比例控制即可。3.控制算法的確定(1)增量型PID算法增量型PID算法中調(diào)節(jié)器輸出的是一個(gè)變化量，是當(dāng)前計(jì)算值和上一次計(jì)算值得差，當(dāng)控制回路穩(wěn)定即偏差為零時(shí)控制器的輸出也為零，它一般被用于控制步進(jìn)電機(jī)。其具體表達(dá)式如下：式(3-1)式中，△u(k)對應(yīng)于兩次采樣時(shí)間間隔內(nèi)控制閥開度的變化量，可通過步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等累積機(jī)構(gòu)，將其轉(zhuǎn)換成模擬量。采用增量式PID控制算法時(shí)，可以從手動(dòng)時(shí)的u(k-1)出發(fā)，直接計(jì)算出投入自動(dòng)運(yùn)行時(shí)控制器應(yīng)有的輸出變化量△u(k)，從而方便了手動(dòng)自動(dòng)切換。另外，由于這種算法對偏差不加以累積，從而不會引起積分飽和現(xiàn)象。因此，在實(shí)際中較多使用該算法。(2)位置型PID算法在過程控制中通常選用位置型PID算法，其具體算法如下；式(3-2)式中，為積分系數(shù)，；為微分系數(shù)，；為采樣間隔時(shí)間(也常用Ts表示)。注意到，u(k)不是控制器的輸出的變化量，而是其實(shí)際的輸出，經(jīng)過數(shù)模(D/A)轉(zhuǎn)換后的模擬信號與閥門的位置一一對應(yīng)，故有位置式之稱；每次需計(jì)算閥的絕對位置；控制器輸出需與數(shù)字式控制閥連接，否則需經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換成模擬量，并需保持電路將輸出信號保持到下一采樣時(shí)刻；需采用必要措施來防止積分飽和及進(jìn)行手動(dòng)或自動(dòng)切換。在此，可以利用增量的概念對位置型算式作些改進(jìn)，即可得位置型PID控制算式的遞推算法。具體算法如下：式(3-3)此式即為最終所選定的PID控制算法。3.2.4計(jì)算機(jī)串級控制算法實(shí)施在選定控制算法后，便可設(shè)計(jì)串級PID控制算法，其計(jì)算順序是先主回路后副回路，計(jì)算步驟為：(1)計(jì)算主回路的偏差式(3-4)(2)計(jì)算主調(diào)節(jié)器的位置輸出式(3-5)(3)計(jì)算副回路的偏差式(3-6)(4)計(jì)算副調(diào)節(jié)器的位置輸出式(3-7)(5)在擾動(dòng)大的場合，可能導(dǎo)致計(jì)算機(jī)的輸出突然大范圍跳動(dòng)，超過執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作范圍，不利于安全操作。此時(shí)要考慮輸出限幅。在此將限制在0-1000的范圍內(nèi)。每個(gè)采樣周期計(jì)算一次，并將副調(diào)節(jié)器的輸出送D/A轉(zhuǎn)換器，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換成模擬信號驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，去控制被控對象。當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)可接受數(shù)字信號時(shí)，則可不必進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，直接將限幅后的送往執(zhí)行機(jī)構(gòu)。串級PID控制算法的具體流程如圖3.4所示。圖3.4串級PID控制算法流程圖3.2.5液位串級控制系統(tǒng)工作過程經(jīng)過對液位控制系統(tǒng)分析并確定了控制方案之后，可得到如圖3.5所示的液位串級控制系統(tǒng)工藝流程圖。液位串級控制系統(tǒng)是以實(shí)驗(yàn)室的水箱作為工業(yè)被控過程，其基本工作過程為，當(dāng)下水箱液位發(fā)生變化時(shí)，由液位變送器L2T檢測到該信號，并輸出1-5V標(biāo)準(zhǔn)電壓信號到主液位控制器L2C，再和給定值sp作比較，將比較后的偏差結(jié)果輸出作為副控制器L1C的設(shè)定值，而副液位變送器L1T將所檢測的上水箱的液位值輸出給副控制器，這樣在L1C中按照預(yù)定的控制規(guī)律運(yùn)算，最后輸出信號控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度，以實(shí)現(xiàn)水箱液位的控制控制。圖3.5液位控制系統(tǒng)工藝流程圖3.3液位控制系統(tǒng)參數(shù)整定調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定是過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容之一。它的目的是：根據(jù)被控過特性確定調(diào)節(jié)器的比例度、積分時(shí)間TI以及微分時(shí)間TD的大小。在簡單過程控制系統(tǒng)中、調(diào)節(jié)器參數(shù)整定通常以系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)的衰減率為＝0.75—0.9(對應(yīng)衰減比為4：1—10：1)為主要指標(biāo)，以保證系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定裕量(對于大多數(shù)過程控制系統(tǒng)來說，系統(tǒng)過渡過程的瞬態(tài)響應(yīng)曲線達(dá)到4：1的衰減比狀態(tài)時(shí)，則為最佳的過程曲線)；此外，在滿足4：1主要指標(biāo)的條件下，還應(yīng)盡量滿足系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差(又稱靜差、余差)、最大動(dòng)態(tài)偏差(超調(diào))和過渡過程時(shí)間等其它指標(biāo)。由于不同的過程控制系統(tǒng)對控制品質(zhì)的要求有不同的側(cè)重點(diǎn)，也有用系統(tǒng)響應(yīng)的平方誤差積分(ISE)、絕對誤差積分(IAE)、時(shí)間乘以絕對誤差的積分(ITAE)分別取極小作為指標(biāo)來整定調(diào)節(jié)器參數(shù)的。調(diào)節(jié)器參數(shù)整定的方法很多，概括起來可以分為兩大類：一是理論計(jì)算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，采用控制理論中的根軌跡法，頻率特性法等，經(jīng)過理論計(jì)算確定調(diào)節(jié)器參數(shù)的數(shù)值。這種方法不僅計(jì)算繁瑣，而且過分依賴數(shù)學(xué)模型，所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可直接用，還必須通過工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。因此，理論計(jì)算整定法除了有理論指導(dǎo)意義外，工程實(shí)際中較少采用：二是工程整定方法，它主要依靠工程經(jīng)驗(yàn)，直接在過程控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行，量方法簡單、易于掌握，相當(dāng)實(shí)用，從而在工程實(shí)際中被廣泛采用。調(diào)節(jié)器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例度法、反應(yīng)曲線法和衰減曲線法。3.3.1Kp、Ti、Td對控制質(zhì)量的影響(1)比例系數(shù)KP增大比例系數(shù)KP能加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，在有靜差系統(tǒng)中有利于減小靜差，但加大比例系數(shù)只能減小靜差，卻不能從根本上消除靜差。而且過大的比例系數(shù)會使系統(tǒng)產(chǎn)生超調(diào)，并產(chǎn)生振蕩或使振蕩次數(shù)增多，使調(diào)節(jié)時(shí)間加長，并使系統(tǒng)穩(wěn)定性變壞或使系統(tǒng)變得不穩(wěn)定。比例系數(shù)太小，又會使系統(tǒng)的動(dòng)作遲緩。(2)積分時(shí)間常數(shù)TI積分控制通常與比例控制或比例微分控制聯(lián)合使用，構(gòu)成PI或PID控制。增大積分時(shí)間常數(shù)TI(積分變?nèi)?有利于減小超調(diào)，減小振蕩，使系統(tǒng)更穩(wěn)定，但同時(shí)要延長系統(tǒng)消除靜差的時(shí)間。積分時(shí)間常數(shù)太小會降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性，增大系統(tǒng)的振蕩次數(shù)。(3)微分時(shí)間常數(shù)TD微分控制也和比例控制和比例積分控制聯(lián)合使用，組成PD或PID控制。微分控制可改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，如減小超調(diào)量，縮短調(diào)節(jié)時(shí)間，允許加大比例控制，使穩(wěn)態(tài)誤差減小，提高控制精度。但應(yīng)當(dāng)注意，微分時(shí)間常數(shù)TD偏大或偏小時(shí)，系統(tǒng)的超調(diào)量仍然較大，調(diào)節(jié)時(shí)間仍然較長，只有合適的微分時(shí)間常數(shù)，才能獲得比較滿意的過渡過程。此外，微分作用也使得系統(tǒng)對擾動(dòng)變得敏感。從PID控制器的三個(gè)參數(shù)的作用可以看出三個(gè)參數(shù)直接影響控制效果的好壞，所以要取得較好的控制效果，就必須對比例、積分、微分三種控制作用進(jìn)行調(diào)節(jié)?？傊壤饕糜谄畹摹按终{(diào)”，保證控制系統(tǒng)的“穩(wěn)”；積分主要用于偏差的“細(xì)調(diào)”，保證控制系統(tǒng)的“準(zhǔn)”；微分主要用于偏差的“細(xì)調(diào)”，保證控制系統(tǒng)的“快”。3.3.2幾種工程整定方法介紹1．臨界比例度法這是一種閉環(huán)整定方法。由于該方法直接在閉環(huán)系統(tǒng)中進(jìn)行，不需要測試過程的動(dòng)態(tài)特性，因而方法簡單，使用方便，獲得了廣泛的應(yīng)用。具體步驟如下：(1)先將調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間TI置于最大(TI=∞)，微分時(shí)間TD置零(TD＝0)，比例帶置為較大的數(shù)值，使系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行。(2)待系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，對設(shè)定值施加一個(gè)階躍擾動(dòng)，并減小δ，直到系統(tǒng)出現(xiàn)如圖5.1所示的等幅振蕩。記錄下此時(shí)的δk(臨界比例帶)和等幅振蕩周期Tk。(3)根據(jù)所記錄的的δk和Tk，按表5.1給出的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出調(diào)節(jié)器的P、TI及TD參數(shù)。圖3.5系統(tǒng)的臨界振蕩表圖3.5系統(tǒng)的臨界振蕩整定參數(shù)調(diào)調(diào)節(jié)規(guī)律（%）TITDP2PI2.20.85PID252．衰減曲線法這種方法與臨界比例度法相類似，所不同的是無需出現(xiàn)等幅振蕩過程。具體方法如下：(1)先置調(diào)節(jié)器積分時(shí)間TI=∞，微分時(shí)間TD＝0，比例帶置于較大數(shù)值，將系統(tǒng)投入運(yùn)行。(2)待系統(tǒng)工作穩(wěn)定后，對設(shè)定值作階躍擾動(dòng)，然后觀察系統(tǒng)的響應(yīng)?？傢憫?yīng)振蕩衰減太快，就減小比例帶；反之，則增大比例帶。如此反復(fù)，直到出現(xiàn)如圖3.6a所示的衰減比為4：1的振蕩過程、或者如圖3.6b所示的衰減比為10：1的振蕩過程時(shí)，記錄下此時(shí)的值(設(shè)為)，以及的值(如圖3.6a中所示)，或者值(如圖3.6b中所示)。圖3.6衰減曲線法參數(shù)整定曲線表3.2衰減曲線法整定計(jì)算公式衰減率整定參數(shù)調(diào)節(jié)規(guī)律（%）TITD0.75PPI1.20.5TSPID0.80.3TS0.1TS0.90PPI1.22TrPID0.81.2Tr0.4Tr(3)按表3.2中所給的經(jīng)驗(yàn)公，計(jì)算δ、TI及TD；Ts為衰減振蕩周期Tr為響應(yīng)上升時(shí)間。衰減曲線法對多數(shù)過程都適用該方法的最大缺點(diǎn)是較難推確確定4：1(或10：1)的衰減程度，從而較難得到準(zhǔn)確的δs值和Ts(或Tr)值。3.反應(yīng)曲線法這是一種開環(huán)整定方法，即利用系統(tǒng)廣義過程的階躍響應(yīng)特性曲線對調(diào)節(jié)器參數(shù)進(jìn)行整定。具體做法是：對圖3.7所示系統(tǒng)，先使系統(tǒng)處于開環(huán)狀態(tài)，再在調(diào)節(jié)閥Gv(S）的輸人端施加一個(gè)階躍信號，記錄下測量變送環(huán)節(jié)Gm（S）的輸出響應(yīng)曲線y(t)。根據(jù)這個(gè)階躍響應(yīng)試驗(yàn)曲線將廣義被控過程的傳遞函數(shù)近似表示如下圖所示。圖3.7求廣義過程階躍響應(yīng)曲線示意圖對于無自衡能力的廣義過程，傳遞函數(shù)可寫為對于有自衡能力的廣義過程、傳遞函數(shù)可寫為根據(jù)階躍響應(yīng)試驗(yàn)曲線得廣義過程的傳遞函數(shù)以后，可以分別按表3.3、表3.4中的近似經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算調(diào)節(jié)器的參數(shù)。a)無自衡能力過程b)有自謝能力過程圖3.8廣義過程的單位階躍響應(yīng)曲線表3.3ψ=0.75過程無自衡能力時(shí)的整定計(jì)算公式調(diào)節(jié)規(guī)律Gc（S）（%）TIPPI1.13.3PID0.852表3.4ψ=0.75過程有自衡能力時(shí)的整定計(jì)算公式調(diào)節(jié)規(guī)律Gc（S）τ/T0≤0.20.2≤τ/T0≤1.5δTITDδTITDPPI3.3τ0.8T0PID2τ0.5τ0.8T0+0.19τ0.25TI3.3.3串級控制系統(tǒng)的參數(shù)整定串級系統(tǒng)的整定比單回路復(fù)雜。因?yàn)閮蓚€(gè)調(diào)節(jié)器串在一起工作，各回路之間相互聯(lián)系，相互影響。改變主、副調(diào)節(jié)器中的任何一個(gè)整定參數(shù)，對主、副回路的過渡過程都有影響，這種影響程度取決于主、副對象的動(dòng)態(tài)特性、而且待整定的參數(shù)比單回路多，因此，串級系統(tǒng)的整定必然比較困難和繁瑣。串級控制系統(tǒng)常用的工程整定方法有：兩步整定法和一步整定法。以下做具體介紹。1．兩步整定法兩步整定法是第一步整定副回路的副調(diào)節(jié)器，第二步整定主回路的主調(diào)節(jié)器的串級系統(tǒng)整定方法。(1)先整定副回路。在系統(tǒng)工作狀況穩(wěn)定，主、副回路主調(diào)節(jié)器在純比例作用的條件下，將主調(diào)節(jié)器的比例帶δ置于100%處，按照單回路系統(tǒng)的整定方法來整定副回路。逐漸降低副調(diào)節(jié)器的比例帶，如用4：1衰減法來整定副回路，則求出副參數(shù)在4：1衰減時(shí)的副調(diào)節(jié)器比例帶δ2S和操作周期T20。(2)整定主回路。使副調(diào)節(jié)器比例帶置于δ2S的數(shù)值上，逐漸降低主調(diào)節(jié)器的比例帶δ1S，求出同樣衰減比時(shí)主回路的過渡過程曲線，記錄此時(shí)主調(diào)節(jié)器的比例帶δ1S和操作周期T10。將上述步驟中求出的δ1S、T10、δ2S、T20,根據(jù)選用的調(diào)節(jié)器類型，按照4：1衰減曲線的整定方法，求出主、副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)。(3)按照“先副后主、先比例次積分后微分”的原則，將計(jì)算得出的調(diào)節(jié)器參數(shù)置于各調(diào)節(jié)器之上。(4)加干擾實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，觀察過程參數(shù)值，直至記錄曲線符合控制要求為止。2．一步整定法(1)在系統(tǒng)工作狀況穩(wěn)定，主、副回路主調(diào)節(jié)器在純比例作用的條件下，按表3.1“一步法比例帶經(jīng)驗(yàn)值表”所列數(shù)值，將副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)到適當(dāng)?shù)慕?jīng)驗(yàn)值上。表3.5一步法比例帶經(jīng)驗(yàn)值表副參數(shù)比例帶δ2放大倍數(shù)KC2溫度20——605——1.7壓力30——703——1.4流量40——802.5——1.25液位20——805——1.25(2)利用單回路控制系統(tǒng)的參數(shù)整定方法來整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)。(3)加干擾試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，觀察過渡過程曲線，根據(jù)KC1、KC2相匹配的原理，適當(dāng)調(diào)整調(diào)節(jié)器參數(shù)，使主參數(shù)控制精度最好。(4)如果出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，只要適當(dāng)加大主、副調(diào)節(jié)器的任意一個(gè)比例帶，即可消除振蕩。第四章組態(tài)軟件設(shè)計(jì)組態(tài)軟件作為用戶可定制功能的軟件平臺工具，是隨著分布式控制系統(tǒng)（DCS）、PC總線控制機(jī)及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的日趨成熟而發(fā)展起來的。組態(tài)軟件是一種面向工業(yè)自動(dòng)化的通用數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控軟件，即SCADA（SupervisoryControlAndDataAcquisition）軟件，亦稱人機(jī)界面或HMI/MMI（HumMachineInterfac/ManMachineInterface）軟件，“組態(tài)(Configure)”的含義是“配置”、“設(shè)定”、“設(shè)置”等意思，是指用戶通過類似“搭積木”的簡單方式來完成自己所需要的軟件功能，而不需要編寫計(jì)算機(jī)程序，也就是所謂的“組態(tài)”。它有時(shí)候也稱為“二次開發(fā)”，組態(tài)軟件就稱為“二次開發(fā)平臺”?！氨O(jiān)控（SupervisoryControl）”，即“監(jiān)視和控制”，是指通過計(jì)算機(jī)信號對自動(dòng)化設(shè)備或過程進(jìn)行監(jiān)視、控制和管理。組態(tài)軟件能夠?qū)崿F(xiàn)對自動(dòng)化過程和裝備的監(jiān)視和控制。它能從自動(dòng)化過程和裝備中采集各種信息，并將信息以圖形化等更易于理解的方式進(jìn)行顯示，將重要的信息以各種手段傳送到相關(guān)人員，對信息執(zhí)行必要分析處理和存儲，發(fā)出控制指令等等。組態(tài)軟件提供了豐富的用于工業(yè)自動(dòng)化監(jiān)控的功能，用戶根據(jù)自己工程的需要進(jìn)行選擇、配置等較為簡單的工作來建立自己所需要的監(jiān)控系統(tǒng)。組態(tài)軟件和行業(yè)無關(guān),它可以廣泛應(yīng)用于機(jī)械、鋼鐵、汽車、包裝、礦山、水泥、造紙、水處理、環(huán)保監(jiān)測、石油化工、電力、紡織、冶金、智能建筑、交通、食品、智能樓宇、實(shí)驗(yàn)室等等凡是涉及自動(dòng)化監(jiān)控的任何場合。組態(tài)軟件既可以完成對小型的自動(dòng)化設(shè)備的集中監(jiān)控，也能由互相聯(lián)網(wǎng)的多臺計(jì)算機(jī)完成復(fù)雜的大型分布式監(jiān)控。還可以和工廠的管理信息系統(tǒng)有機(jī)整合起來，實(shí)現(xiàn)工廠的綜合自動(dòng)化和信息化。4.1“組態(tài)王”簡介“組態(tài)王”是在PC機(jī)上建立工業(yè)控制對象人機(jī)接口的一種智能軟件包，它Windows98/Windows2000/WindowsNT4.0中文操作系統(tǒng)作為其操作平臺，具有圖形功能完備，界面一致友好，易學(xué)易用的特點(diǎn)。該軟件包由工程管理器(ProjManager)、工程瀏覽器(TouchExplorer)、畫面運(yùn)行系統(tǒng)(TouchView)三部分組成。ProjManager用于新建工程、工程管理，并能對已有工程進(jìn)行搜索、備份及有效恢復(fù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)字典的導(dǎo)入和導(dǎo)出。TouchExplorer是“組態(tài)王”軟件的核心部分和管理開發(fā)系統(tǒng)，是應(yīng)用工程的開發(fā)環(huán)境，內(nèi)嵌畫面開發(fā)系統(tǒng)，可完成對畫面的設(shè)計(jì)、動(dòng)畫的連接等工作。TouchView是“組態(tài)王”軟件的實(shí)時(shí)運(yùn)行環(huán)境，用于顯示畫面開發(fā)系統(tǒng)中建立的動(dòng)畫圖形畫面，并負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)庫與I/O服務(wù)程序的數(shù)據(jù)交換,通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫管理從一組工業(yè)控制對象采集到的各種數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)的變化用動(dòng)畫的方式形象地表示出來，同時(shí)完成報(bào)警、歷史記錄、趨勢曲線等監(jiān)視功能，并可生成歷史數(shù)據(jù)文件。在TouchExplorer的畫面開發(fā)系統(tǒng)中設(shè)計(jì)開發(fā)的畫面應(yīng)用程序必須在TouchView運(yùn)行環(huán)境中才能運(yùn)行。4.2組態(tài)畫面的建立4.2.1建立工程單擊“開始”-“程序”-“組態(tài)王6.51”-“組態(tài)王”，在“組態(tài)王工程管理器”窗口中建立名稱為“雙容水箱液位控制系統(tǒng)”的工程，最后單擊“完成”按鈕，并且在出現(xiàn)的“是否將新建的工程設(shè)置為組態(tài)王當(dāng)前工程”的話框中單擊“是”按鈕，完成了工程的建立，如圖4.1所示。此時(shí)，組態(tài)王在d:根目錄下建立了一個(gè)“雙容水箱液位控制系統(tǒng)”子目錄，以后進(jìn)行的組態(tài)工作的所有數(shù)據(jù)都將儲存在這個(gè)目錄中。圖設(shè)備配置在組態(tài)王工程管理器中，雙擊已建立的“雙容水箱液位控制系統(tǒng)”工程，啟動(dòng)組態(tài)王的“工程瀏覽器”，如圖4.2所示。圖4.2雙擊工程目錄顯示區(qū)中“設(shè)備”大綱項(xiàng)下面的“COMl”成員名，然后在出現(xiàn)的窗口中輸入串行通信口COMl的通信參數(shù)(如圖4.3a所示)：波特率為9600b／s，無校驗(yàn)，7位數(shù)據(jù)位。1位停止位，RS232為通信方式，然后單擊“確定”按鈕，完成對COM1的通信參型配置，保證COMl同計(jì)算機(jī)的通信能夠正常進(jìn)行。ab圖4.3隨后雙擊目錄內(nèi)容顯示區(qū)中的“新建”圖標(biāo)，在出現(xiàn)的“設(shè)備配置向?qū)А敝袉螕簟爸悄苣K”—“牛頓7000系列”—“Nudam7017”—“串行口”。如（圖4.3b）。然后，再單擊“下一步”按鈕，在下一個(gè)窗口中給這個(gè)設(shè)備取一個(gè)名“IO模塊”，單擊“下一步”按鈕，在下一個(gè)出現(xiàn)的窗口中為設(shè)備指定所連接的串口“COM1”，單擊“下一步”按鈕，再在下一個(gè)窗口中為設(shè)備指定一個(gè)地址“0”，再單擊“下一步”按鈕，出現(xiàn)“通信故障恢復(fù)策略”設(shè)定窗口，使用默認(rèn)設(shè)置即可，再單擊“下一步”按鈕，出現(xiàn)“信息總結(jié)”窗口，檢查無誤后單擊“完成”按鈕，完成設(shè)備的配置。此時(shí)在工程瀏覽器的“目錄內(nèi)容顯示區(qū)”中出現(xiàn)了“IO模塊”圖標(biāo)。按同樣的方法在COM1下創(chuàng)建名為“DA”、“AD”的設(shè)備圖標(biāo)。如圖4.4。圖變量定義要在組態(tài)王中知道外部各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，以及能夠輸出相應(yīng)的控制信號，都需要建立相應(yīng)的變量。(1)單擊“數(shù)據(jù)庫”大綱項(xiàng)下面的“數(shù)據(jù)詞典”成員名，然后在目錄內(nèi)容顯示區(qū)中雙擊“新建”圖標(biāo)，出現(xiàn)“定義變量”窗口。在“基本屬性”頁中輸入變量名“水箱2液位”，變量類型設(shè)置為“I/O實(shí)數(shù)”，連接設(shè)備設(shè)置為“IO模塊”，寄存器設(shè)置為“AI1”，數(shù)據(jù)類型設(shè)置為“float”，讀寫屬性設(shè)置為“讀寫”，采集頻率設(shè)置為100毫秒，變化靈敏度設(shè)置為1，最小值為0，最大值為300，最小原始值為4，最大原始值為20。這樣就能夠把從配電器傳送過來的4—2mA電流信號通過250Ω標(biāo)準(zhǔn)電阻轉(zhuǎn)換為1-5V電壓，再轉(zhuǎn)換為實(shí)際的液位高度。如圖4.5所示。圖4.5(2)其他變量的定義。定義系統(tǒng)“啟動(dòng)”、“停止”內(nèi)存離散變量。為了實(shí)現(xiàn)對液位進(jìn)行實(shí)時(shí)控制及進(jìn)行PID運(yùn)算，還需建立相關(guān)的一系列“內(nèi)存實(shí)數(shù)”變量，例如：sp1、P1、I1、D1、sp2、P2、I2、D2、uk等。在組態(tài)王中，各變量可根據(jù)需要隨時(shí)定義，也可以隨時(shí)進(jìn)行變量的替換以及重命名。各變量定義完后如圖4.6所示。圖畫面設(shè)計(jì)與動(dòng)畫連接(1)畫面設(shè)計(jì)組態(tài)王提供了各種繪圖工具、圖庫來制作畫面，使得畫面能夠逼真地反映控制系統(tǒng)的工作狀況，并且可以通過畫面操作控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。在工程瀏覽器的工程目錄顯示區(qū)中單擊“文件”大綱項(xiàng)下面的“畫面”成員名，然后在目錄內(nèi)容顯示區(qū)中雙擊“新建”圖標(biāo)，出現(xiàn)“新畫面”對話框。在“畫面名稱”的編輯框中輸入“雙容水箱液位控制系統(tǒng)”，畫面寬度和高度分別設(shè)置為800和600，單擊“確定”按鈕，則返回工程瀏覽器，并且在目錄內(nèi)容顯示區(qū)中增加了“雙容水箱液位控制系統(tǒng)”的圖標(biāo)。雙擊此圖標(biāo)，進(jìn)入了組態(tài)王開發(fā)系統(tǒng)，并且已經(jīng)打開了“雙容水箱液位控制系統(tǒng)”主畫面。主畫面制作結(jié)果如圖4.7所示。圖4.7(2)畫面設(shè)計(jì)過程畫面的繪制基本包含以下內(nèi)容：①利用文本工具、字體工具、調(diào)色板工具輸入文本。畫面上的大多數(shù)文字均是利用“文本”工具產(chǎn)生的。具體方法是：用鼠標(biāo)單擊“工具箱”中的“文本”工具按鈕(或者利用“工具”—“文字”菜單命令)，然后將鼠標(biāo)移動(dòng)到畫面上適當(dāng)位置并單擊，此時(shí)光標(biāo)在屏幕上閃動(dòng)，用戶使可以打開中文輸入法輸入文字。輸入完畢后，用鼠標(biāo)在屏幕上單擊次，則文字輸入完畢。如果需要對文本的字體進(jìn)行修改，可以在選中該文本后，單擊“工具箱”中的“字體”按鈕，則彈出“字體”對話框，用戶可以在此對話拒中選擇文字的字體、字形和大小。選擇完畢后，擔(dān)擊“確定”按鈕，即完成字體的修改。如果需要修改文字的顏色，則可以在選中該文本后，單擊“工具箱”中的“顯示調(diào)色板”按鈕，然后在出現(xiàn)的“調(diào)色板”中單擊“字符色”按鈕，此時(shí)便可以在“調(diào)色板”下面的多個(gè)顏色按鈕中選擇適當(dāng)?shù)奈谋绢伾?。②利用按鈕工具制作按鈕。水位控制系統(tǒng)中要求在運(yùn)行當(dāng)中系統(tǒng)能夠及時(shí)的調(diào)出PID調(diào)節(jié)面板、實(shí)時(shí)曲線、歷史曲線等畫面，這可以通過一些按鈕來完成。單擊“工具箱“中的“按鈕”工具，然后將鼠標(biāo)移動(dòng)到畫面上的合適位置，拉出一個(gè)合適大小的方框，然后右鍵單擊這個(gè)按鈕，在彈出菜單中單擊“字符串替換”對話框，將名稱改為“實(shí)時(shí)曲線”，雙擊按鈕，彈出“按鈕屬性”對話框，再單擊“彈起時(shí)”選項(xiàng)，在相應(yīng)的對話框中輸入“showpicture‘實(shí)時(shí)曲線’”，再單擊“確定”按鈕，則“實(shí)時(shí)曲線”按鈕制作完成。用同樣方法可以制作出其他按鈕。③利用工具箱中工具繪制“水箱”和“管道”等圖素。首先用多邊形工具繪制三個(gè)平行四邊形，將其對接起來，組成一個(gè)具有立體效果的水箱，然后再對每一個(gè)四邊形進(jìn)行顏色填充，最后將其合成一個(gè)組合圖素，如此一個(gè)簡單的水箱就繪制完成。單擊“圖庫”，“打開圖庫”菜單項(xiàng)(或者按下鑲盤上的F2鍵)，出現(xiàn)“圖庫管理器”窗口，如圖4.8所示。選中“管道”類別中的一個(gè)。雙擊之后，將鼠標(biāo)移動(dòng)到畫面上適當(dāng)?shù)奈恢貌螕?，則管道出現(xiàn)在畫面上。用鼠標(biāo)將它的大小調(diào)整合適后，即完成了“管道”的繪制。圖4.8(3)動(dòng)畫連接以上繪制出的畫面，還不能真實(shí)反映出系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的情形，必須把各個(gè)圖素與數(shù)據(jù)庫中的相應(yīng)變量建立聯(lián)系，才能真正讓畫面“動(dòng)”起來。組態(tài)王中，把建立畫面圖素與數(shù)據(jù)庫變量對應(yīng)關(guān)系的過程稱為“動(dòng)畫連接”。建立動(dòng)畫連接后，根據(jù)數(shù)據(jù)庫中變量的變化，圖形對象可以按照動(dòng)畫連接的要求進(jìn)行變化。雙擊“PID設(shè)定”畫面中“Kp”后的“####”圖像，出現(xiàn)“動(dòng)畫連接”對話框，單擊“模擬值輸出”，則出現(xiàn)“命令語言”窗口，在其中輸入以下命令語言：“\\本站點(diǎn)\P2”，如圖4.9所示。單擊“確定”按鈕，返回到“動(dòng)畫連接”對話框，再單擊“確定”按鈕，則“Kp”的動(dòng)畫連接完成。圖4.9按照同樣的方法再依次完成其他對象的動(dòng)畫連接。4.2.5實(shí)時(shí)曲線和歷史曲線的建立進(jìn)行趨勢分析，是一個(gè)控制軟件必備的功能。在組態(tài)王中，趨勢曲線有實(shí)時(shí)趨勢曲線和歷史趨勢曲線兩種。實(shí)時(shí)趨勢曲線用于實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)的變化情況,在畫面運(yùn)行時(shí)，實(shí)時(shí)趨勢曲線對象由系統(tǒng)自動(dòng)完成更新。數(shù)據(jù)從趨勢的右邊進(jìn)入，從右向左移動(dòng)，移動(dòng)到畫面外的曲線將不會被看到。組態(tài)王圖庫中有一個(gè)已經(jīng)定義好各種功能按鈕的歷史趨勢曲線。只需要定義幾個(gè)相關(guān)變量，適當(dāng)調(diào)整曲線外觀。即可完成歷史趨勢曲線的復(fù)雜功能。通過歷史趨勢曲線，操作人員可以將存放在硬盤上的歷史數(shù)據(jù)取出顯示在畫面上。從而可以對過去相當(dāng)長時(shí)間范圍內(nèi)的過程狀況進(jìn)行分析。(1)建立實(shí)時(shí)曲線在組態(tài)王開發(fā)系統(tǒng)中，單擊“文件”一“新畫面”菜單命令，則出現(xiàn)“新畫面”對話框。在“畫面名稱”中輸入“實(shí)時(shí)曲線”，窗口高度和寬度分別為200和150，則新建立了一個(gè)實(shí)時(shí)曲線畫面。在“工具箱”中單擊“實(shí)時(shí)趨勢曲線”按鈕，將鼠標(biāo)移動(dòng)到畫面上，拖拉出一個(gè)適當(dāng)大小的矩形框，然后雙擊它，出現(xiàn)“實(shí)時(shí)趨勢曲線”對話框。在此對話框中，將“曲線1”的表達(dá)式設(shè)置為“\\本站點(diǎn)\水箱1液位”，顏色為紅色；將“曲線2”的表達(dá)式設(shè)置為\\本站點(diǎn)\水箱2液位；顏色為綠色；將“曲線3”的表達(dá)式設(shè)置為“”\\本站點(diǎn)\sp2，顏色為藍(lán)色，如圖4.10所示。圖4.10(2)建立歷史曲線在組態(tài)王開發(fā)系統(tǒng)中，單擊“文件”一“新畫面”菜單命令，則出現(xiàn)“新畫面”對話框。在“畫面名稱”中輸入“歷史曲線”，窗口高度和寬度分別為200和150。然后單擊“確定”按扭，則新建立了一個(gè)歷史曲線畫面。按下F2，出現(xiàn)“圖庫管理器”窗口。在此宙口中選中“歷史圖庫”圖標(biāo)，雙擊后在畫面上單擊，則畫面上出現(xiàn)了一個(gè)“歷史趨勢曲線”對象。用鼠標(biāo)將其大小調(diào)整到適當(dāng)程度。此歷史趨勢曲線需要有兩個(gè)變量來協(xié)助完成操作面板的操作。進(jìn)入工程瀏覽器，新建兩個(gè)內(nèi)存實(shí)數(shù)變量：“調(diào)整跨度”和“卷動(dòng)百分比”，其中“調(diào)整跨度”的最大值為99999，初始值為60；“卷動(dòng)百分比”的最大值為100，初始值為50；兩個(gè)變量均選中“保存數(shù)值”選項(xiàng)。然后，回到組態(tài)王開發(fā)系統(tǒng)中，雙擊剛才建立的“歷史趨勢曲線”對象．出現(xiàn)“歷史曲線”向?qū)?，在“曲線定義”頁面中“歷史趨勢曲線名”設(shè)置為“歷史趨勢”，“曲線1”變量名稱設(shè)置為“\\本站點(diǎn)\sp1”，線條顏色為“紅色”；“曲線2”變量名稱設(shè)置為“\\本站點(diǎn)\水箱2液位”，顏色為綠色；“曲線3”變量名稱設(shè)置為“\\本站點(diǎn)\uk0”，顏色為藍(lán)色。再單擊“操作面板和安全屬性”選項(xiàng)卡，將“操作面板關(guān)聯(lián)變量”中的“調(diào)整跨度”設(shè)置為“\\本站點(diǎn)\histdz”，“卷動(dòng)百分比”設(shè)置為“\\本站點(diǎn)\倦動(dòng)百分比”，如圖4.11和圖4.12。圖4.11圖手自動(dòng)切換和PID控制畫面的建立(1)手自動(dòng)切換在控制系統(tǒng)主畫面中在工具箱中點(diǎn)擊按鈕，在主畫面中拉出適當(dāng)?shù)拇笮?。在按鈕上點(diǎn)擊右鍵，點(diǎn)擊“字符竄替換”輸入“手動(dòng)”。按同樣的方法再做一個(gè)自動(dòng)的按鈕。將以上兩個(gè)按鈕疊在一起。在數(shù)據(jù)詞典中定義一內(nèi)存離散的“自動(dòng)開關(guān)”變量。再雙擊“自動(dòng)”按鈕在“動(dòng)畫連接”中點(diǎn)擊隱含，在“隱含連接”中輸入如圖所示語言。同樣的方法在“手動(dòng)”按鈕下的隱含連接中輸入“\\本站點(diǎn)\自動(dòng)開關(guān)==1；”語句。點(diǎn)擊確定，則組態(tài)畫面中手自動(dòng)切換制作完成。(2)PID控制畫面的建立在組態(tài)王開發(fā)系統(tǒng)中，單擊“文件”——“新畫面”菜單命令，則出現(xiàn)“新畫面”對話框。在“畫面名稱”中輸入“PID設(shè)置”，窗口設(shè)置為大小可調(diào)。然后單擊“確定”按扭。點(diǎn)擊工具箱中相關(guān)工具制作如圖4.13所示的畫面。然后再對每一項(xiàng)進(jìn)行動(dòng)畫連接。圖4.13第五章雙容水箱液位控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)5.1實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備在本實(shí)驗(yàn)中用到的設(shè)備有：水泵、壓力變送器、變頻器、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、上水箱、中水箱、上水箱液位變送器、中水箱液位變送器、牛頓模塊（輸入、輸出），如圖5.1所示。圖5.1雙容水箱液位控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備5.2實(shí)驗(yàn)過程(1)將雙容水箱液位串級控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)所用的設(shè)備，按系統(tǒng)框圖接好實(shí)驗(yàn)線路。實(shí)驗(yàn)接線原則是：先斷電、后接線；先檢查、后通電。具體接線時(shí)需注意：①液位傳感器和壓力變送器，內(nèi)部沒有電源，其檢測信號的輸出，需要外接24V電源才可以使用。使用時(shí)只要把該設(shè)備對應(yīng)的黑色航空插頭，和控制屏相應(yīng)的設(shè)備航空插座相連接即可使用，控制屏面板上對應(yīng)的輸出端口就有4~20mA電流輸出。②牛頓模塊7024的輸出端口需要外接24V電源才能有輸出信號，同時(shí)，輸出信號的負(fù)端已經(jīng)并在一起，所以只要一個(gè)接點(diǎn)與24V電源負(fù)端相連即可。牛頓模塊輸入端點(diǎn)不可以直接接24V電源，直接輸入24V電源會造成牛頓模塊輸入端口的穩(wěn)壓保護(hù)電路燒毀。牛頓模塊通訊是按照地址輪詢交換數(shù)據(jù)，所以正常工作時(shí)必須正確設(shè)置其工作地址，否則容易造成通訊混亂。(2)接通總電源，各儀表電源，使水泵工作在恒壓供水的狀態(tài)下。(3)采用兩部整定法整定調(diào)節(jié)器參數(shù)①在工作狀態(tài)穩(wěn)定下，主回路閉合，主副調(diào)節(jié)器都在純比例作用的條件下，主調(diào)節(jié)器的比例度置于100%，用單回路控制系統(tǒng)的衰減曲線法整定，求取副調(diào)節(jié)器比例度和操作周期。②將副調(diào)節(jié)器的比例度置于①中所求得的數(shù)值上，把副回路作為主回路的一個(gè)環(huán)節(jié)，用同樣的方法整定主回路，求取主回路的比例度和操作周期。③根據(jù)以上求得的數(shù)據(jù)，按單回路系統(tǒng)衰減曲線法整定公式計(jì)算主副調(diào)節(jié)器的比例度、積分時(shí)間和微分時(shí)間的數(shù)值。④按先副后主、先比例后積分、適當(dāng)加入微分的整定程序，設(shè)置主、副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，再觀察過渡過程曲線，必要時(shí)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整,直到系統(tǒng)質(zhì)量達(dá)到最佳為止。主副調(diào)節(jié)器參數(shù)整定結(jié)果如下：主調(diào)節(jié)器比例系數(shù)P=5，積分時(shí)間I=45，微分時(shí)間D=10；副調(diào)節(jié)器比例系數(shù)P=36。在遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，下水箱液位設(shè)定值為60mm，得到下水箱液位輸出響應(yīng)曲線如圖5.2所示。(4)采用一部整定法整定調(diào)節(jié)器參數(shù)①在系統(tǒng)工作狀況穩(wěn)定，主、副回路主調(diào)節(jié)器在純比例作用的條件下，按表3.1“一步法比例帶經(jīng)驗(yàn)值表”所列數(shù)值，將副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)到適當(dāng)?shù)慕?jīng)驗(yàn)值上。②利用單回路控制系統(tǒng)的衰減曲線整定方法來整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)。③如果出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，只要適當(dāng)加大主、副調(diào)節(jié)器的任意一個(gè)比例帶，即可消除振蕩。主副調(diào)節(jié)器參數(shù)整定結(jié)果如下：主調(diào)節(jié)器比例系數(shù)P=5，積分時(shí)間I=45，微分時(shí)間D=10；副調(diào)節(jié)器比例系數(shù)P=36。在遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，下水箱液位設(shè)定值為80mm，得到下水箱液位輸出響應(yīng)曲線如圖5.3所示。(5)待系統(tǒng)穩(wěn)定后，給定值（SP）加個(gè)階躍信號，其液位的變化曲線如。5.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析曲線的分析處理，對實(shí)驗(yàn)的記錄曲線分別進(jìn)行分析和處理，處理結(jié)果記錄于表格4-22。總結(jié)本設(shè)計(jì)是在實(shí)驗(yàn)室以PCT過程控制實(shí)驗(yàn)裝置為基礎(chǔ)進(jìn)行的，通過對雙容水箱建模，構(gòu)成以上水箱為副參數(shù)，下水箱為主參數(shù)的液位串級控制系統(tǒng)，利用組態(tài)軟件來實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)監(jiān)控，為工業(yè)現(xiàn)場中的液位控制提供了理論依據(jù)和實(shí)用的控制方法。在實(shí)驗(yàn)過程中還是存在一些不足之處，需做進(jìn)一步的改進(jìn)。例如，在過程的啟動(dòng)或大幅度增減給定值的短時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)輸出會產(chǎn)生很大偏差，以及系統(tǒng)有慣性和滯后，造成PID的積分累積，積分項(xiàng)的數(shù)值很大，