基于PLC雙容水箱液位控制系統(tǒng)設計畢業(yè)論文.doc

畢 業(yè) 設 計課題名稱： 基于PLC雙容水箱液位控制系統(tǒng)設計 系 部： 電子信息工程系 班 級： * 姓 名： * 指導老師： * 摘 要雙容水箱液位控制系統(tǒng)是采用先進的控制算法完成對過程液位的控制的控制系統(tǒng)，它在飲料、食品加工、溶液過濾、化工生產等多種行業(yè)的生產加工過程中均有廣泛應用。在本設計中充分利用自動化儀表技術，計算機技術，通訊技術和自動控制技術，以實現(xiàn)對水箱液位的串級控制。首先對被控對象的模型進行分析，并采用實驗建模法求取模型的傳遞函數。其次，根據被控對象模型和被控過程特性設計串級控制系統(tǒng)，采用動態(tài)仿真技術對控制系統(tǒng)的性能進行分析。然后，設計并組建儀表過程控制系統(tǒng)，通過智能調節(jié)儀表實現(xiàn)對液位的串級PID控制。最后，借助數據采集模塊MCGS組態(tài)軟件和數字控制器，設計并組建遠程計算機過程控制系統(tǒng)，完成控制系統(tǒng)實驗和結果分析。關鍵詞： 液位,模型,PID控制,儀表過程控制系統(tǒng),計算機過程控制系統(tǒng)AbstractDouble tank water level control system is the use of advanced control algorithm of process liquid level control system, it is in the beverage, food processing, filtering solution, chemical production and other industries in the production process has been widely used. In the design of the full use of automation technology, computer technology, communication technology and automatic control technology, in order to achieve the water tank liquid level cascade control. Firstly, the object model is analyzed, and the experimental modeling method for model transfer function. Secondly, according to the controlled object model and the controlled process characteristic design of cascade control system, using dynamic simulation technology to the control system performance analysis. Then, design and construction process control instrumentation system, through the intelligent controller for liquid level cascade PID control. Finally, with the help of a data acquisition module, MCGS configuration software and digital controller, design and establishment of a remote computer process control system, complete control system experiment and result analysisKeywords: liquid level，model PID control，indicator process control system，computer process control system目 錄摘 要Abstract1 緒論12 被控對象建模22.1 水箱模型分析22.2 階躍響應曲線法建立模型33 系統(tǒng)控制方案設計與仿真73.1 液位串級控制系統(tǒng)介紹73.2 PID控制原理73.3 系統(tǒng)控制方案設計103.4 控制系統(tǒng)仿真124 建立儀表過程控制系統(tǒng)174.1 過程儀表介紹174.2 儀表過程控制系統(tǒng)的組建194.3 儀表過程控制系統(tǒng)PID參數整定235 模擬計算機過程控制系統(tǒng)255.1 計算機過程控制系統(tǒng)硬件設計255.2 MCGS軟件工程組態(tài)285.3 組態(tài)軟件調試386 結論40參考文獻41致謝42附錄431緒論雙容水箱系統(tǒng)是一種比較常見的工業(yè)現(xiàn)場液位系統(tǒng) ，在實際生產中 ，雙容水箱控制系統(tǒng)在石油、化工環(huán)保水處理冶金等行業(yè)尤為常見。通過液位的檢測與控制從而調節(jié)容器內的輸入輸出物料的平衡，以便保證生產過程中各環(huán)節(jié)的物料搭配得當。 經過比較和篩選，串級控制系統(tǒng)PID控制無論是從操作性、經濟性還是從系統(tǒng)的控制效果均有比較突出的特性，因此采用串級控制系統(tǒng)PID控制對雙榮水箱液位控制系統(tǒng)實現(xiàn)控制。論文以THJ-2高級過程控制實驗系統(tǒng)為基礎的實驗數據作為出發(fā)點，利用MATLAB的曲線擬合的方法分別仿真出系統(tǒng)中上水箱、下水箱的輸出響應曲線。對曲線進行處理求出各水箱的參數，用所求出的參數列寫出水箱的傳遞函數。采用復雜控制系統(tǒng)中的串級控制系統(tǒng)列寫出系統(tǒng)框圖，根據串級控制系統(tǒng)PID參數整定的方法整定出主控制器和副控制器的P、I、D的數值，從而滿足控制系統(tǒng)對各項性能的要求。對于控制器的選擇，從經濟以及控制效果考慮采用智能儀表實現(xiàn)控制，并應用組態(tài)軟件對系統(tǒng)實施監(jiān)控。為了能夠使雙容水箱系統(tǒng)能實現(xiàn)遠程的檢測和控制，本文又進一步的設計出計算機過程控制系統(tǒng)，利用ICP-7017數據采集模塊實現(xiàn)模擬量輸入通道的功能利用ICP-7024數據采集模塊實現(xiàn)模擬量輸入通道的功能（自帶485通訊接口），通過RS232/485完成通訊轉換實現(xiàn)與計算機的通訊和控制。ICP-7000系列采集模塊的作用是將傳感器檢測到的被控參數標準信號通過A/D轉換送入計算機，計算機是將控制運算發(fā)出的控制信號通過D/A轉換發(fā)給執(zhí)行機構（調節(jié)閥、變頻器）。整個控制系統(tǒng)的控制算法及監(jiān)控功能都在控制計算機中實現(xiàn)。對于計算機控制，采用的是組態(tài)軟件MCGS來實現(xiàn)的，通過對軟件進行編程使組態(tài)軟件模擬出雙容水箱液位控制系統(tǒng)的手動和自動兩種工作狀態(tài)。2被控對象建模在控制系統(tǒng)設計工作中，需要針對被控過程中的合適對象建立數學模型。被控對象的數學模型是設計過程控制系統(tǒng)、確定控制方案、分析質量指標、整定調節(jié)器參數等的重要依據。被控對象的數學模型（動態(tài)特性）是指過程在各輸入量（包括控制量和擾動量）作用下，其相應輸出量（被控量）變化函數關系的數學表達式。在液位串級控制系統(tǒng)中，我們所關心的是如何控制好水箱的液位。上水箱和下水箱是系統(tǒng)的被控對象，必須通過測定和計算他們模型，來分析系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能、動態(tài)特性，為其他的設計工作提供依據。上水箱和下水箱為THJ-2高級過程控制實驗裝置中上下兩個串接的有機玻璃圓筒形水箱，另有不銹鋼儲水箱負責供水與儲水。上水箱尺寸為：d=25cm,h=240mm;下水箱尺寸為：d=35cm,h=240mm，每個水箱分為三個槽：緩沖槽、工作槽、出水槽。2.1水箱模型分析 Q112Q2Ah圖2.1液位被控過程簡明原理圖系統(tǒng)中上水箱和下水箱液位變化過程各是一個具有自衡能力的單容過程。如圖，水箱的流入量為Q1，流出量為Q2，通過改變閥1的開度改變Q1值，改變閥2的開度可以改變Q2值。液位h越高，水箱內的靜壓力增大,Q2也越大。液位h的變化反映了Q1和Q2不等而導致水箱蓄水或瀉水的過程。若Q1作為被控過程的輸入量，h為其輸出量，則該被控過程的數學模型就是h與Q1之間的數學表達式。 根據動態(tài)物料平衡， Q1-Q2=A(dh/dt) ；Q1-Q2=A(dh/dt) 在靜態(tài)時，Q1=Q2，dh/dt=0；當Q1發(fā)生變化后，液位h隨之變化，水箱出口處的靜壓也隨之變化，Q2也發(fā)生變化。由流體力學可知，液位h與流量之間為非線性關系。但為了簡便起見，做線性化處理得 Q2=h/R2，經拉氏變換得單容液位過程的傳遞函數為W0(s)=H(s)/Q1(s)=R2/(R2Cs+1)=K/(Ts+1)注：Q1 Q2h:分別為偏離某一個平衡狀態(tài)Q10Q20h0的增量。R2:閥2的阻力 A:水箱截面積 T:液位過程的時間常數(T=R2C) K:液位過程的放大系數(K=R2) C:液位過程容量系數2.2階躍響應曲線法建立模型在本設計中將通過實驗建模的方法，分別測定被控對象上水箱和下水箱在輸入階躍信號后的液位響應曲線和相關參數。通過磁力驅動泵供水，手動控制電動調節(jié)閥的開度大小,改變上水箱/下水箱液位的給定量，從而對被控對象施加階躍輸入信號，記錄階躍響應曲線。在測定模型參數中可以通過以下兩種方法控制調節(jié)閥，對被控對象施加階躍信號：(1) 通過智能調節(jié)儀表改變調節(jié)閥開度，增減水箱的流入水量大小，從而改變水箱液位實現(xiàn)對被控對象的階躍信號輸入。施加階躍信號(2)改變調節(jié)閥開度,控制水箱進水量的大小，從而改變水箱液位，實現(xiàn)對被控對象的階躍信號輸入。控制進水量階躍響應輸出 上水箱/下水箱電動調節(jié)閥電動磁力泵供水圖2.1 水箱模型測定原理圖2.2.1上水箱階躍響應參數：記錄階躍響應參數(間隔30s采集數據):表2.1上水箱階躍響應數據123.62744.771347.761947.64230.50845.561447.872047.09335.25946.171547.892146.52438.691047.061647.282246.41541.321147.251747.012346.28643.311247.461847.152445.902.2.2下水箱階躍響應參數：記錄階躍響應參數(間隔30s采集數據): 表2.2下水箱階躍響應數據154.021384.612598.4537103.9349107.20257.191486.342699.1938104.3950107.28360.281587.712799.8339104.8451107.32463.531689.1828100.4340105.0652107.38566.561790.4429101.0141105.5353107.56669.521891.7630101.4242105.8054107.66772.261993.0431101.8143106.0855107.82874.792094.1132102.2644106.3356107.67977.002195.1833102.7945106.4157107.551079.072296.0434103.1946106.6158107.391180.872396.9635103.3647106.6559107.251282.882497.4936103.6548106.9460107.10由于實驗測定數據存在誤差，直接使用計算法求解水箱模型會使誤差增大。所以使用MATLAB軟件對實驗數據進行處理，根據最小二乘法對響應曲線進行最佳擬合后，再計算水箱模型。兩組實驗數據中將階躍響應初始點的值作為Y軸坐標零點，后面的數據依次減去初始值處理，作為Y軸上的各階躍響應數據點，采樣時間作為X軸1。2.2.3求取上水箱模型傳遞函數在MATLAB的命令窗口輸入曲線擬合指令： x=0:30:420； y=0 6.88 11.63 15.07 17.7 19.69 21.15 21.94 22.55 23.44 23.63 23.84 24.14 24.25 24.27 ； p=polyfit(x,y,4)； xi=0:3:420； yi=polyval(p,xi)； plot(x,y,b:oxi,yi,r)。 圖2.2上水箱擬合曲線注：圖中曲線為擬合曲線，圓點為原數據點。數據點與曲線基本擬合1：上述測量數據來源：姜秀英，張翠宣.過程控制系統(tǒng)實訓如圖所示，利用四階多項式近似擬合上水箱響應曲線，得到多項式的表達式：P(t)-1.8753e(-009)t4+2.2734e(-006)t3 -0.0010761t2+0.24707t+0.13991 式 (2.1)根據曲線采用切線作圖法計算上水箱特性參數，當階躍響應曲線在輸入量x(t)產生階躍的瞬間，即t=0時，其曲線斜率為最大，然后逐漸上升到穩(wěn)態(tài)值，該響應曲線可用一階慣性環(huán)節(jié)近似描述，需確定K和T。而斜率K為P(t)在t=0的導數P(0)= 0.24707,以此做切線交穩(wěn)態(tài)值于A點,映射在t軸上的B點的值為T。圖2.3上水箱模型計算曲線 階躍響應擾動值為10,靜態(tài)放大系數為階躍響應曲線的穩(wěn)態(tài)值與階躍擾動值之比，所以上水箱傳遞函數為 式（2.2）2.2.4下水箱模型建立在MATLAB的命令窗口輸入曲線擬合指令：x=0: 30:1650；y=0 3.17 6.26 9.51 12.54 15.5 18.4 20.77 22.98 25.05 26.85 28.86 30.59 32.32 33.69 35.16 36.42 37.74 39.02 40.09 41.16 42.02 42.94 43.47 44.43 45.17 45.81 46.41 46.99 47.4 47.79 48.24 48.77 49.17 49.34 49.65 49.91 50.37 50.82 51.04 51.51 51.78 52.06 52.31 52.39 52.59 52.63 52.92 53.18 53.26 53.3 53.36 53.54 53.64 53.8 53.8； p=polyfit(x,y,4)； xi=0:3:1650； yi=polyval(p,xi)； plot(x,y,b:oxi,yi,r)。在MATLAB中繪出曲線如下：圖2.4下水箱擬合曲線注：圖中曲線為擬合曲線，圓點為原數據點。數據點與曲線基本擬合如圖所示，利用四階多項式近似擬合下水箱的響應曲線，得到多項式的表達式P(t)= -1.1061e(-011)t4+5.7384(e-008)t3 -0.00011849t2 +0.12175t-0.31385 式（2.3）根據曲線采用切線作圖法計算下水箱特性參數，當階躍響應曲線在輸入量x(t)產生階躍的瞬間，即t=0時，其曲線斜率為最大，然后逐漸上升到穩(wěn)態(tài)值，該響應曲線可用一階慣性環(huán)節(jié)近似描述，需確定K和T.而斜率K為P(t)在t=0的導數P(0)=0.12175,以此做切線交穩(wěn)態(tài)值于A點,映射在t軸上的B點的值為T。圖2.5下水箱模型計算曲線 階躍響應擾動值為10,靜態(tài)放大系數為階躍響應曲線的穩(wěn)態(tài)值與階躍擾 動值之比 ，所以下水箱傳遞函數為 在實驗建模的過程中，實驗測取的被控對象為廣義的被控對象，其動態(tài)特性包括了調節(jié)閥和測量變送器，即廣義被控對象的傳遞函數為，為調節(jié)閥的傳遞函數，Gm(s)為測量變送器的傳遞函數。3系統(tǒng)控制方案設計與仿真控制方案設計是過程控制系統(tǒng)設計的核心，需要以被控過程模型和系統(tǒng)性能要求為依據，合理選擇系統(tǒng)性能指標，合理選擇被控參數，合理設計控制規(guī)律，選擇檢測、變送器和選擇執(zhí)行器。選擇正確的設計方案才能使先進的過程儀表和計算機系統(tǒng)在工業(yè)生產過程中發(fā)揮良好的作3.1液位串級控制系統(tǒng)介紹在工業(yè)實際生產中，液位是過程控制系統(tǒng)的重要被控量，在石油化工環(huán)保水處理冶金等行業(yè)尤為重要。在工業(yè)生產過程自動化中，常常需要對某些設備和容器的液位進行測量和控制。通過液位的檢測與控制，了解容器中的原料半成品或成品的數量，以便調節(jié)容器內的輸入輸出物料的平衡，保證生產過程中各環(huán)節(jié)的物料搭配得當。通過控制計算機可以不斷監(jiān)控生產的運行過程，即時地監(jiān)視或控制容器液位，保證產品的質量和數量。如果控制系統(tǒng)設計欠妥，會造成生產中對液位控制的不合理，導致原料的浪費產品的不合格，甚至造成生產事故，所以設計一個良好的液位控制系統(tǒng)在工業(yè)生產中有著重要的實際意義。 在液位串級控制系統(tǒng)的設計中采用THJ-2高級過程控制實驗系統(tǒng)的實驗數據作為基礎，展開設計控制系統(tǒng)及工程實現(xiàn)的工作。串級控制系統(tǒng)從總體上看，是定 值控制系統(tǒng)，因此主被控變量在擾動作用下的過度過程和單回路定值控制系統(tǒng)的過度過程，具有相同的品質指標和類似的形式。但是，串級控制系統(tǒng)在結構上增加了一個隨動的副回路，因此，與單回路相比有以下幾個優(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，明顯改善了對象的特性，提高了系統(tǒng)的工作頻率。3) 串級控制系統(tǒng)具有一定的自適應能力。除上述優(yōu)點外串級控制系統(tǒng)在有些場合應用效果顯著，它主要應用于以下4中場合。1) 對象的容量滯后比較大。2) 調節(jié)對象的純滯后比較長。3) 系統(tǒng)內存在激烈且幅值較大的干擾作用。4) 調節(jié)對象具有較大的非線性特性而且負荷變化較大。而雙容水箱均有上述缺點，因此可以看出串級控制系統(tǒng)很適合應用于雙容水箱液位控制系統(tǒng)的設計3.2 PID控制原理目前，隨著控制理論的發(fā)展和計算機技術的廣泛應用，PID控制技術日趨成熟。先進的PID控制方案和智能PID控制器（儀表）已經很多，并且在工程實際中得到了廣泛的應用。現(xiàn)在有利用PID控制實現(xiàn)的壓力、溫度、流量、液位控制器，能實現(xiàn)PID控制功能的可編程控制器(PLC)，還有可實現(xiàn)PID控制的計算機系統(tǒng)等。在工程實際中，應用最為廣泛的調節(jié)器控制規(guī)律為比例積分微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調節(jié)。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結構簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調整方便而成為工業(yè)控制的主要技術之一。+r(t) 比例P積分I微分D被控對象 y(t)圖3.1 PID控制基本原理圖PID控制器是一種線性負反饋控制器，根據給定值r(t)與實際值y(t)構成控制偏差： 式（3.1）控制規(guī)律為： 式（3.2）或以傳遞函數形式表示： 式（3.3）KP:比例系數 TI:積分時間常數 TD:微分時間常數。PID控制器各控制規(guī)律的作用如下：（1）比例控制（P）：比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系，能較快克服擾動，使系統(tǒng)穩(wěn)定下來。但當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（2）積分控制（I）：在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱此控制系統(tǒng)是有差系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差的累積取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會越大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。但是過大的積分速度會降低系統(tǒng)的穩(wěn)定程度，出現(xiàn)發(fā)散的振蕩過程。比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。（3）微分控制（D）：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。自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調節(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環(huán)節(jié)或有滯后環(huán)節(jié)，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應該是零。所以在控制器中僅引入“比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預測誤差變化的趨勢，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，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調。特別對于有較大慣性或滯后環(huán)節(jié)的被控對象，比例積分控制能改善系統(tǒng)在調節(jié)過程中動態(tài)特性。PID控制器的參數整定是控制系統(tǒng)設計的重要內容，應根據被控過程的特性確定PID控制器的比例系數、積分時間和微分時間的大小。PID控制器參數整定的方法分為兩大類：一是理論計算整定法。它主要是依據系統(tǒng)的數學模型，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只能近似反映過程動態(tài)特，理論計算的參數整定值可靠性不高，還必須通過工程實際進行調整和修改。二是工程整定方法，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，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。PID控制器參數的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應曲線法和衰減曲線法。三種方法都是通過試驗，然后按照工程經驗公式對控制器參數進行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數，都需要在實際運行中進行最后調整與完善。1.臨界比例法。在閉合控制系統(tǒng)中，把調節(jié)器的積分時間TI置于最大，微分時間TD置零，比例度置于較大數值，把系統(tǒng)投入閉環(huán)運行，將調節(jié)器的比例度由大到小逐漸減小，得到臨界振蕩過程，記錄下此時的臨界比例度k和臨界振蕩周期Tk。根據以下經驗公式計算調節(jié)器參數：表3.1臨界比例整定計算公式 調節(jié)器參數控制規(guī)律TITDP2k PI2.2kTK/1.2 PID1.6k0.5Tk0.25Tk2.阻尼振蕩法。在閉合控制系統(tǒng)中，把調節(jié)器的積分時間TI置于最大，微分時間TD置零，比例度置于較大數值反復做給定值擾動實驗，并逐漸減少比例度，直至記錄曲線出現(xiàn)4：1的衰減為止。記錄下此時的4：1衰減比例度和衰減周期Tk。根據以下經驗公式計算調節(jié)器參數：表3.2阻尼振蕩整定計算公式 調節(jié)器參數控制規(guī)律TITDPS PI1.2S0.5TS PID0.8S0.3TS0.1TS3.反應曲線法若被控對象為一階慣性環(huán)節(jié)或具有很小的純滯后，則可根據系統(tǒng)開環(huán)廣義過程測量變送器階躍響應特性進行近似計算。在調節(jié)閥的輸入端加一階躍信號，記錄測量變送器的輸出響應曲線，并根據該曲線求出代表廣義過程的動態(tài)特性參數。3.3系統(tǒng)控制方案設計3.3.1控制系統(tǒng)性能指標(1) 靜態(tài)偏差：系統(tǒng)過渡過程終了時的給定值與被控參數穩(wěn)態(tài)值之差。(2) 衰減率：閉環(huán)控制系統(tǒng)被施加輸入信號后，輸出響應中振蕩過程的衰減指標，即振蕩經過一個周期以后，波動幅度衰減的百分數。為了保證系統(tǒng)足夠的穩(wěn)定程度，一般衰減率在0.75-0.9。(3) 超調量：輸出響應中過渡過程開始后，被控參數第一個波峰值與穩(wěn)態(tài)值之差，占穩(wěn)態(tài)值的百分比，用于衡量控制系統(tǒng)動態(tài)過程的準確性。(4) 調節(jié)時間：從過渡過程開始到被控參數進入穩(wěn)態(tài)值-5%+5%范圍所需的時間3.3.2方案設計設計建立的串級控制系統(tǒng)由主副兩個控制回路組成，每一個回路又有自己的調節(jié)器和控制對象。主回路中的調節(jié)器稱主調節(jié)器，控制主對象。副回路中的調節(jié)器稱副調節(jié)器，控制副對象。主調節(jié)器有自己獨立的設定值R，他的輸出m1作為副調節(jié)器的給定值，副調節(jié)器的輸出m2控制執(zhí)行器，以改變主參數c2.通過針對雙容水箱液位被控過程設計串級控制系統(tǒng)，將努力使系統(tǒng)的輸出響應在穩(wěn)態(tài)時系統(tǒng)的被控制量等于給定值，實現(xiàn)無差調節(jié)，并且使系統(tǒng)具有良好的動態(tài)性能，較塊的響應速度。當有擾動f1(t)作用于副對象時，副調節(jié)器能在擾動影響主控參數之前動作，及時克服進入副回路的各種二次擾動，當擾動f2(t)作用于主對象時，由于副回路的存在也應使系統(tǒng)的響應加快，使主回路控制作用加強。 m2m1e1c1擾動f1(t)e2設定值Rc2擾動f2(t)主調節(jié)器副調節(jié)器執(zhí)行器副對象主對象測量與 變送器2測量與 變送器1圖3.2串級控制系統(tǒng)框圖(1) 被控參數的選擇應選擇被控過程中能直接反映生產過程能夠中的產品產量和質量，又易于測量的參數。在雙容水箱控制系統(tǒng)中選擇下水箱的液位為系統(tǒng)被控參數，因為下水箱的液位是整個控制作用的關鍵，要求液位維持在某給定值上下。如果其調節(jié)欠妥當，會造成整個系統(tǒng)控制設計的失敗,且現(xiàn)在對于液位的測量有成熟的技術和設備，包括直讀式液位計、浮力式液位計、靜壓式液位計、電磁式液位計、超聲波式液位計等。(2) 控制參數的選擇從雙容水箱系統(tǒng)來看，影響液位有兩個量，一是通過上水箱流入系統(tǒng)的流量，二是經下水箱流出系統(tǒng)的流量。調節(jié)這兩個流量都可以改變液位的高低。但當電動調節(jié)閥突然斷電關斷時，后一種控制方式會造成長流水，導致水箱中水過多溢出，造成浪費或事故。所以選擇流入系統(tǒng)的流量作為控制參數更合理一些。(3) 主副回路設計為了實現(xiàn)液位串級控制，使用雙閉環(huán)結構。副回路應對于包含在其內的二次擾動以及非線性參數、較大負荷變化有很強的抑制能力與一定的自適應能力。主副回路時間常數之比應在3到10之間，以使副回路既能反應靈敏，又能顯著改善過程特性。下水箱容量滯后與上水箱相比較大，而且控制下水箱液位是系統(tǒng)設計的核心問題，所以選擇主對象為下水箱，副對象為上水箱，。 (4) 控制器的選擇根據雙容水箱液位系統(tǒng)的過程特性和數學模型選擇控制器的控制規(guī)律。為了實現(xiàn)液位串級控制，使用雙閉環(huán)結構，主調節(jié)器選擇比例積分微分控制規(guī)律(PID)，對下水箱液位進行調節(jié)，副調節(jié)器選擇比例控制率(P)，對上水箱液位進行調節(jié)，并輔助主調節(jié)器對于系統(tǒng)進行控制，整個回路構成雙環(huán)負反饋系統(tǒng)。3.4控制系統(tǒng)仿真3.4.1 MATLAB軟件介紹MATLAB軟件是由美國MathWorks公司開發(fā)的，是目前國際上最流行、應用最廣泛的科學與工程計算軟件，它廣泛應用于自動控制、數學運算、信號分析、計算機技術、圖形圖象處理、語音處理、汽車工業(yè)、生物醫(yī)學工程和航天工業(yè)等各行各業(yè)，也是國內外高校和研究部門進行許多科學研究的重要工具。MATLAB最早發(fā)行于1984年，經過10余年的不斷改進，現(xiàn)今已推出基于Windows 2000/xp的MATLAB 7.0版本。新的版本集中了日常數學處理中的各種功能，包括高效的數值計算、矩陣運算、信號處理和圖形生成等功能。在MATLAB環(huán)境下，用戶可以集成地進行程序設計、數值計算、圖形繪制、輸入輸出、文件管理等各項操作。 MATLAB提供了一個人機交互的數學系統(tǒng)環(huán)境，該系統(tǒng)的基本數據結構是復數矩陣，在生成矩陣對象時，不要求作明確的維數說明，使得工程應用變得更加快捷和便利。MATLAB系統(tǒng)由五個主要部分組成：(1)MATALB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。利用它既可以進行小規(guī)模編程，完成算法設計和算法實驗的基本任務，也可以進行大規(guī)模編程，開發(fā)復雜的應用程序。 (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M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。 MATLAB還具有根強的功能擴展能力，與它的主系統(tǒng)一起，可以配備各種各樣的工具箱，以完成一些特定的任務。MATLAB具有豐富的可用于控制系統(tǒng)分析和設計的函數，MATLAB的控制系統(tǒng)工具箱(Control System Toolbox)提供對線性系統(tǒng)分析、設計和建模的各種算法；MATLAB的系統(tǒng)辨識工具箱（System Identification Toolbox）可以對控制對象的未知對象進行辨識和建模。MATLAB的仿真工具箱（Simulink）提供了交互式操作的動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真、分析集成環(huán)境。它用結構框圖代替程序智能化地建立和運行仿真，適應線性、非線性系統(tǒng)；連續(xù)、離散及混合系統(tǒng)；單任務，多任務離散事件系統(tǒng)。通過MATLAB中的SIMULINK工具箱可以動態(tài)的模擬所的構造系統(tǒng)的響應曲線，以控制框圖代替了程序的編寫，只需要選擇合適仿真設備，添加傳遞函數，設置仿真參數便可完成系統(tǒng)的仿真。下面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，以模擬實際中的階躍響應曲線，考察串級系統(tǒng)的設計方案是否合理。3.4.2階躍響應性能通過手動切換開關（Manual Switch）可以實現(xiàn)副回路的引入與切除，以了解副回路對控制性能的影響,比較串級控制和非串級控制對雙容水箱液位的控制能力仿真框圖如下。圖3.3 SIMULINK仿真框圖在時間為0時對系統(tǒng)加入大小為30的階躍信號，設置主控制器PID參數KP=60 TI=50 TD=3 ;副控制器P參數為KP=50，觀察階躍響應曲線如下。圖3.4 雙閉環(huán)階躍響應仿真曲線通過手動切換開關將副回路切除成單閉環(huán)可得其仿真圖像。圖3.5單閉環(huán)階躍響應仿真曲線由圖3.4和圖3.5相比較可以看出，引入副回路的雙閉環(huán)串級系統(tǒng)能夠更好的提高系統(tǒng)的響應速度，使系統(tǒng)更加的穩(wěn)定，穩(wěn)態(tài)誤差更小。3.4.3抗擾動能力維持初始階躍信號不變，并在副回路中加入擾動信號，觀察響應曲線. 在100s經過慣性環(huán)節(jié)向副回路加入階躍值為70的擾動信號?？刂破鲄挡蛔?。圖3.6 加入擾動后的SIMULINK仿真框圖圖3.7 加入擾動后的雙閉環(huán)階躍響應仿真曲線圖3.8 加入擾動后的單閉環(huán)階躍響應仿真曲線由圖3.7和圖3.8可以看出串級控制通過副回路能夠很有效的把干擾抑制到最小，能夠滿足系統(tǒng)各項參數的需要，同時也解決了雙容水箱大滯后的缺點，使系統(tǒng)穩(wěn)定快速的運行，同時也進一步驗證了選擇串級PID來控制雙容水箱能夠達到比較理想。4 建立儀表過程控制系統(tǒng)4.1過程儀表介紹4.1.1檢測變送裝置采用工業(yè)用的BP800型擴散硅壓力變送器對水箱液位變化進行測量，含不銹鋼隔離模片，同時采用信號隔離技術，對傳感器溫度漂移跟隨補償。當水箱中注水導致液位變化時，BP800壓力變送器對被控過程中的流體壓力進行測量,過程壓力通過壓力傳感器將壓力信號轉換成電信號,經差分放大器、輸出放大器放大后,再經過V/A轉換器,轉換為與輸入壓力成線性對應關系的標準電流輸出信號。BP800型壓力變送器技術指標如下：表4.1壓力變送器技術指標被測介質:液體機械保護：IP65測量范圍：-100KPa100MPa防爆等級：IaCT5輸出：420mA DC二線制關聯(lián)設備：EXZ231B安全柵準確度：0.5級溫度極限:-1080。C 40120。C零點溫度系數：小于0.02%/。C過載極限：額定量程的1.53倍滿程溫度系數:小于0.02%/。C相對濕度:小于95%電源電壓：24DC二線制負載電阻：750歐姆4.1.2執(zhí)行機構（1）水泵采用16CQ8P型磁力驅動泵,流量為32升/分,揚程為8米,功率為180W.為三相380恒壓供水輸入。（2）調節(jié)閥采用QSVP16K型電動調節(jié)閥實現(xiàn)對雙容水箱液位系統(tǒng)進水量的控制。其由QSL智能型電動執(zhí)行機構與閥門組合構成。通過將壓力變送器檢測到的電壓/電流信號輸入到QSL電動執(zhí)行機構的智能放大器，和來自位置信號發(fā)生器產生的開度信號相比較并放大后,向消除其偏差的方向驅動并控制電機轉動,以改變調節(jié)閥的開度,同時將閥門開度的隔離信號反饋給控制系統(tǒng)。當其偏差值達到零時,電機停表4.2電動調節(jié)閥技術指標閥開關形式：電開式動作速度：0.25mm/s輸入控制信號：420mA DC/15V DC流量特性：直線輸出信號：420mA DC額定流量系數Kv：1.2輸入阻抗：250/500介質溫度：-4200。C輸出最大負載：20 then下水箱液位PV1=20endifif 上水箱液位PV120 then上水箱液位PV1=20(3) 退出腳本程序!SetDevice(調節(jié)儀1,2, )!SetDevice(調節(jié)儀2,2, )endif程序注釋：SetDevice(DevName，DevOp，CmdStr)函數意義：按照設備名字對設備進行操作。返 回 值：數值型。返回值：=0：調用正常。0：調用不正常。參 數：DevName，設備名，字符型；DevOp，設備操作碼，數值型；CmdStr，設備命令字符串，只有當DevOp=6時CmdStr才有意義。DevOp取值范圍及相應含義：1：啟動設備開始工作。2：停止設備的工作使其處于停止狀態(tài)。3：測試設備的工作狀態(tài)。4：啟動設備工作一次。5：改變設備的工作周期，CmdStr中包含新的工作周期，單位為ms。6：執(zhí)行指定的設備命令，CmdStr中包含指定命令的格式4.2.4計算機設備窗口設置：表4.5 AI-808P智能儀表設置設備名稱：調節(jié)儀1調節(jié)儀2設備注釋：宇光-AI808P儀表宇光-AI808P儀表初始工作狀態(tài)：1-啟動1-啟動最小采集周期（ms）：500500模塊地址：12設置小數點位數：1-1位小數1-1位小數輸入范圍：10-15V10-15V連接通道通道類型數據對象1數據對象20通訊狀態(tài)mm1mm21PV值（液位測量值）pv1pv22SV值（液位給定值）sv1sv23MV值（調節(jié)器輸出值