基于组态王的二阶液位控制系统设计--职业学院毕业论文

成都理工大学工程技术学院毕业论文 基于组态王的二阶液位 控制系统设计 作者姓名 李苡臣 专业名称 测控技术与仪器 指导教师 王洋工程师 基于组态王的二阶液位控制系统设计 I 摘要摘要 过程控制是自动化技术的重要应用领域 它是指对液位 温度 流量 等过程变量进行控制 在冶金 机械 化工 电力等方面得到 广泛应用 在实际生产中 液位控制的准确程度和控制效果直接影响 到工厂的生产成本 经济效益甚至设备的安全系数 所以 为了保证 安全条件 方便操作 就必须研究开发先进的液位控制方法和策略 在本设计中以液位控制系统的水箱作为研究对象 水箱的液位为 被控制量 选择了出水阀门作为控制系统的执行机构 建立了串级液 位控制算法 虽然 PID 控制是控制系统中应用最为广泛的一种控制算 法 但是要想取得良好的控制效果 必须合理的确定 PID 的控制参 数 使之具有合理的数学模型 本次毕业设计的主题主要是基于组态王的液位控制系统的设计 控制对象为水箱液位 而通过 matlab 软件来模拟仿真 液位控制在现 代工业中占有重要的分量 它对生产的影响不容忽视 为了保证安全 生产以及产品的质量和数量 对液位进行及时有效的控制是非常必要 的 关键词 液位控制 PID 控制 串级控制 matlab 基于组态王的二阶液位控制系统设计 II Abstract Processcontrolis animportantapplicationfieldof automatic technology it is to point to the level temperature flow control process variables such as in metallurgy machinery chemical electric power etc can be widely used in actual production liquid level control accuracy and control effects directly affect the factory production cost and economic benefit of safety coefficient Even equipment so in order to ensure safety convenient operation you have to research the development of advanced level control methods and strategies In the design of the tank as a research object in liquid level control system amount of liquid level in the tank to be controlled selected the outlet valve bodies in the implementation of a control system Establishment of the PID control algorithm of liquid level Although the PID control is one of the most widely used in control systems control algorithms But to get good control of effects the determination of PID control parameters must be reasonable so that it has a reasonable mathematical model The graduation design topic is the liquid level control system based on kingview control Among them was controlled object for tank level matlab is mainly used in the simulation test In modern industry level control of important component it influence upon production not allow to ignore in order to ensure safety in production and the product quality and quantity the level and perform effective control is very necessary KEYWORDS liquid level control PID control cascade control matlab 基于组态王的二阶液位控制系统设计 III 目录目录 摘要 I Abstract II 目录 III 1 绪论 5 1 1 研究背景 目的和意义 5 1 2 过程控制的特点 5 1 3 液位控制系统的发展现状 6 1 4 本论文内容安排 7 2 数学模型的建立 8 2 1 二阶液位系统简介 8 2 2 数学模型的建立 8 2 2 1 数学建模的基本概念 8 2 2 2 数学建模的过程 9 2 3 参数辨识及参数整定 12 2 3 1 水箱液位控制参数辨识方法 12 2 3 2 水箱液位 PID 参数整定方法 15 2 4 本章小结 17 3 系统仿真 18 3 1MATLAB 软件介绍 18 3 2PID 系统仿真 18 3 3串级控制仿真 23 3 4本章小结 26 4 组态界面的设计 27 4 1 组态王简介 27 4 2 组态画面的建立 28 4 2 1 设备配置 28 4 2 2 定义变量 30 基于组态王的二阶液位控制系统设计 IV 4 2 3 画面设计 32 4 3 本章小结 39 5 总结 40 致谢 41 参考文献 42 基于组态王的二阶液位控制系统设计 5 1 绪论绪论 1 1 研究背景 目的和意义研究背景 目的和意义 在工业生产飞速发展的今天 人们对于生产过程自动化控制水平 及工业产品质量的要求越来越高 任何一个先进实用的控制算法的出 现都会对工业生产产生积极推动作用 但是 目前控制领域内面临的 最大问题是当前的学术研究成果与实际应用技术水平并不同步 通常 情况下 实际生产中应用的算法要比理论方面的研究滞后 其主要的 原因在于理论研究缺乏实际背景的支持 因此开发经济实用且具有典 型对象特性的实验装置无疑是一条探索将理论成果快速转换为实际应 用技术的捷径 二阶液位的控制系统是过程控制中的一种典型控制对 象 在实际生产中有着非常广泛的应用背景 液位控制技术也在国民 生活 生产中发挥了重要作用 工业生产过程中的液位系统通常是时 变的 具有明显的滞后特性 在热工生产与传输质量或能量的过程 中 存在着各种形式的容积和阻力 加上很多被控对象具有分布参 数 好像被不同的阻力和容积相互分隔着一样 生产实际中的被控对 象往往是由多个容积和阻力构成的多容对象 两个串连的单容对象构 成的双容对象就比较典型 通过液位的检测与控制 可以了解容器中 的原料 半成品或成品的数量 以便调节容器内的输入输出物料的平 衡 保证生产过程中各环节的物料搭配得当 通过控制计算机可以不 断监控生产的运行过程 即时显示容器的液位 保证产品的质量和数 量 水箱液位控制系统已经成为检验 开发控制策略的一个开放式平 台 1 2 过程控制的特点过程控制的特点 液位控制系统一般指工业生产过程中自动控制系统的被控变量为 液位的系统 在生产过程中 对液位的相关参数进行控制 使其保持 为一定值或按一定规律变化 以保证质量和生产安全 使生产自动进 行下去 液位过程参数的变化不但受到过程内部条件的影响 也受外 基于组态王的二阶液位控制系统设计 6 界条件的影响 而且影响生产过程的参数一般不止一个 在过程中的 作用也不同 这就增加了对过程参数进行控制的复杂性 或者控制起 来相当困难 因此形成了过程控制的下列特点 1 对象存在滞后 热工生产大多是在庞大的生产设备内进行 对象的储存能力大 惯性也较大 设备内介质的流动或热量传递都存在一定的阻力 并且 往往具有自动转向平衡的趋势 因此 当流入 流出 对象的质量或能 量发生变化时 由于存在容量 惯性 阻力 被控参数不可能立即产 生响应 这种现象叫做滞后 2 对象特性的非线性 对象特性大多是随负荷变化而变化 当负荷改变时 动态特性有 明显的不同 大多数生产过程都具有非线性 弄清非线性产生的原因 及非线性的实质是极为重要的 3 控制系统较复杂 从生产安全方面考虑 生产设备的设计制造都力求生产过程进行 平稳 参数变化不超出极限范围 也不会产生振荡 作为被控对象就 具有非振荡环节的特性 过程的稳定被破坏后 往往具有自动趋向平 衡的能力 即被控量发生变化时 对象本身能使被控量逐渐稳定下 来 这就具有惯性环节的特性 也有不能趋向平衡 被控量一直变化 而不能稳定下来的 这就是具有积分的对象 任何生产过程被控制的 参数都不是一个 这些参数又各具有不同的特性 因此要针对这些不 同的特性设计相应不同的控制系统 1 3 液位控制系统的发展现状液位控制系统的发展现状 目前在实际生产中应用的液位控制系统 主要以传统的 PID 控制 算法为主 PID 控制是以对象的数学模型为基础的一种控制方式 对 于简单的线性 时不变系统 数学模型容易建立 采用 PID 控制能够 取得满意的控制效果 但对于复杂的大型系统 其数学模型往往难以 获得 通过简化 近似等手段获得数学模型不能正确地反映实际系统 的特性 对于此类问题 传统的 PID 控制方式显得无能为力 液位控 制由于其应用极其普遍 种类繁多 其中不乏一些大型的复杂系统 但由于其时滞性很大 具有时变性和非线性等因素 严重影响 PID 控 基于组态王的二阶液位控制系统设计 7 制的效目前 已经开发出来的控制策略 算法 很多 但其中许多算 法仍然只是停留在计算机仿真或实验装置的验证上 真正能有效地应 用在工业过程中的并有发展潜力的仍为数不多 随着生产水平和科学技术的发展 现代控制系统的控制的规模日 趋大型化 复杂化 对设备和被控系统的安全性 可靠性 有效性的 要求也越来越高 为了确保工业生产过程高效 安全的进行 保证并 提高产品的质量 对生产过程进行在线监测 及时准确地把握生产运行 状况 已成为目前过程控制领域的一个研究热点 近几十年来 液位控 制系统已被广泛使用 在其研究和发展上也已趋于完备 在国内各行 各业的应用也已经十分广泛 但从国内生产的液位控制器来讲 同国 外的日本 美国 德国等先进国家相比 仍然有差距 目前 我国液 位控制主要以常规的 PID 控制器为主 它只能适应一般系统控制 难 于控制滞后 复杂 时变温度系统控制 而适应于较高控制场合的智 能化 自适应控制仪表 国内技术还不十分成熟 形成商品化并广泛 应用的控制仪表较少 由于工业过程控制的需要 特别是在微电子技 术和计算机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动 下 国外液位控制系统发展迅速 并在智能化 自适应 参数自整定 等方面取得成果 在这方面 以日本 美国 德国 瑞典等国技术领 先 都生产出了一批商品化的 性能优异的液位控制器及仪器仪表 并在各行业广泛应用 1 4 本论文内容安排本论文内容安排 首先论文第 1 章对二阶液位进行介绍 简述其特点 研究的意义及现 状 然后第 2 至 4 章开始对论文的设计及实验 第 2 章讲述本论文的 第一步 即是数学模型的建立 数学建模是一个复杂的步骤 有两种 方法可以实现 机理法与测试法 而本论文会用机理法进行数学建模 论文第 3 章是组态界面的设计 再介绍完组态软件后 利用软件对控 制画面进行设计 第 4 章是用 MATLAB 对实验的仿真 先对 PID 系 统进行仿真 再对串级控制系统仿真 最后是整篇论文的总结 基于组态王的二阶液位控制系统设计 8 2 2 数学模型的建立数学模型的建立 2 1 二阶液位系统简介二阶液位系统简介 二阶液位即是双容液位 二阶液位系统是一个两级液位串连系 统 如图 2 1 所示 通过上水泵给上水箱供水 用电磁阀 VA1 控制水 流量 Q1 通过电磁阀 VA2 控制上 下水箱之间的水流量 Q2 通过电磁 阀 VA3 控制下水箱的出水量 Q3 通过液位计 LT1 LT2 采集水位信号 作为反馈信号 通过电磁阀的开度反馈信号来确定阀的实时开度 最 终通过控制器控制各阀的开度 调节两个水箱的水位 实现水位的自 动控制 图 2 1 二阶液位系统流程示意图 2 2 数学模型的建立数学模型的建立 2 2 1 数学建模的基本概念数学建模的基本概念 数学模型 Mathematical Model 是一种模拟 是用数学符号 数 学式子 程序 图形等对实际课题本质属性的抽象而又简洁的刻画 它或能解释某些客观现象 或能预测未来的发展规律 或能为控制某 基于组态王的二阶液位控制系统设计 9 一现象的发展提供某种意义下的最优策略或较好策略 数学模型一般 并非现实问题的直接翻版 它的建立常常既需要人们对现实问题深入 细微的观察和分析 又需要人们灵活巧妙地利用各种数学知识 这种 应用知识从实际课题中抽象 提炼出数学模型的过程就称为数学建模 Mathematical Modeling 不论是用数学方法在科技和生产领域解决哪类实际问题 还是与 其它学科相结合形成交叉学科 首要的和关键的一步是建立研究对象 的数学模型 并加以计算求解 数学建模和计算机技术在知识经济时 代的作用可谓是如虎添翼 2 2 2 数学建模的过程数学建模的过程 般说来建立数学模型的方法大体上可分为两大类 一类是机理 分析方法 一类是测试分析方法 机理分析是根据对现实对象特性的 认识 分析其因果关系 找出反映内部机理的规律 建立的模型常有明 确的物理或现实意义 测试分折将研究对象视为一个 黑箱 系统 内 部机理无法直接寻求 可以测量系统的输人输出数据 并以此为基础 运用统计分析方法 按照事先确定的准则在某一类模型中选出一个与 数据拟合得最好的模型 只含有一个储能部件的对象 称为单容对象 含有两个储能部 件 称为双容对象 含有两个以上的储能部件的对象 称为多容对 象 最简单的一种形式 是仅有一个储能部件的单容对象 由于实验 条件的限制 本论文只用机理法建模 1 单容水箱数学模型的建立 单容液位过程控制如下 图 2 2 单容液位控制图 此容器的流出阀为手动阀门 流量 1 Q只与容器 1 的液位 h 有关 基于组态王的二阶液位控制系统设计 10 水槽的平衡方程 1i dh QQA dt 2 1 此时出口物料流量 1 Q可以写成 1 h Q R 2 2 将 2 2 带入 2 1 可得 i dh ARhRQ dt 2 3 将 2 3 进行拉式变换后可得传递函数 1 1 h sR Q sARs 2 4 令 AR T R K H Y Q1 X 可得单容液位对象的数学模型 即传递函 数为 1 Ts K sX sY 2 5 实际上 水槽底面积越大 对液体的容量也越大 相同流量的改 变造成的液位变化也越小 上述流程中由于只有一个水槽 且输出参 数为液位 所以称为单容液位对象 2 双容水箱数学模型的建立 二阶液位过程如下所示 图 2 3 二阶液位控制图 基于组态王的二阶液位控制系统设计 11 两容器的流出阀均为手动阀门 流量 1 Q只与容器 1 的液位 1 h有 关 与容器 2 的液位 2 h无关 容器 2 的液位也不会影响容器 1 的液 位 两容器无相互影响 由于两容器的流出阀均为手动阀门 故有 1 11i dh QQA dt 2 6 且 2 122 dh QQA dt 2 7 其对应的拉式变化为 111 i Q sQ sAsh s 2 8 1222 Q sQ sA sh s 2 9 令容器 1 容器 2 相应的阀门液阻分别为 1 R和 2 R 其中 1 1 1 h s Q s R 2 10 2 2 2 h s Q s R 2 11 将 2 8 和 2 9 带入 2 6 和 2 7 可得 2 sQ sh i 1 2211 2 2211 2 sRARAsRARA R 2 12 令 111 TAR 222 TA R 可得 1 21 2 21 22 sTTsTT R sQ sh i 2 13 可见 虽然容器 1 的液位会影响容器 2 的液位 但容器 2 的液位 不会影响容器 1 二者不存在相互影响 过程的传递函数相当于两个 容器分别独立时的传递函数相乘 但过程增益为两个独立传递函数相 乘的 1 1 R倍 令 i Qku 对液位 h 则控制系统过程传递函数为 基于组态王的二阶液位控制系统设计 12 22 12 11 h SkR G s u sTsT s 2 14 由上述分析可知 该过程传递函数为二阶惯性环节 相当于两个 具有稳定趋势的一阶自平衡系统的串联 因此也是一个具有自平衡能 力的过程 其中时间常数的大小决定了系统反应的快慢 时间常数越 小 系统对输入的反应越快 反之 若时间常数较大 即容器面积较 大 则反应较慢 由于该过程为两个一阶环节的串联 过程等效时 间常数 12 max TT T 故总体反应要较单一的一阶环节慢的多 3 确定被控参数及控制变量 在该液位控制系统中 建模参数如下 控制变量 水流量 Q 被控参数 下水箱液位 控制器 PID 执行器 控制阀 控制对象特性 1 0 48 s 28 1 P G s 上水箱传递函数 2 0 48 s 82 1 p G s 下水箱传递函数 2 3 参数辨识及参数整定参数辨识及参数整定 2 3 1 水箱液位控制参数辨识方法水箱液位控制参数辨识方法 1 单容上水箱的时间常数 T 的辨识方法 在零初始条件下 对单容水箱有 1 1 Ts K sQ sH sG 2 15 在式中 T 为水箱的时间常数 2 V的开度影响水箱的时间常 基于组态王的二阶液位控制系统设计 13 数 CRT 2 2 RK 为过程的放大倍数 2 R为 2 号阀门的液 阻 C 为水箱的容量系数 令流入流量 S R sQ 0 1 0 R为常量 则输出 液位的高度 T s KR s KR Tss KR sH 1 1 000 拉式反变换 即 1 0 T t eKRth 由上式 当 t T 时 有 632 0632 0 1 0 1 0 thKReKRTh 当 t时 0 KRh 因而有 0 R h K输出稳态值 阶跃输入 01 0 QQ yy y y 0 分别 是被控变量新的稳态值与原来的的稳态值 1 Q 0 Q分别是阶跃作用后 与原来的操作变量的值 1 0 T t eKRth 此式表示一阶惯性环节的响应曲线是一条单调上 升的指数函数 由实验求得该响应曲线后 该曲线上升到稳态值的 63 所需的时间就 是水箱的时间常数 T 2 二阶双容水箱的下水箱对象参数辨识 由双容水箱的建模结果可知 s e sTsT K sG sQ sH 1 1 211 2 2 16 其中的 21 TTK和 可以从实验中求得的阶跃响应曲线中求出 具体 做法是 1 响应曲线在阶跃响应曲线上取 22 hth稳态值的渐近线 基于组态王的二阶液位控制系统设计 14 2 4 0 22 1 hth tt 时曲线上的点 A 和对应的时间 1 t 3 8 0 22 2 hth tt 时曲线上的点 B 和对应的时间 2 t 图 2 4 双容过程的阶跃响应曲线 然后 利用下面的近似公式计算参数 K 1 T和 2 T的值 阶跃输入量 输入稳态值 0 2 R h K 4 16 2 21 21 tt TT 对于始终的 1 t和 2 t的大小关系 46 032 0 2 1 t t 当 2 1 t t 0 32 时 为一阶环节 当 2 1 t t 0 46 时 过程的传递函数 2 1 Ts K sG 2 17 55 074 1 2 1 2 21 21 t t TT TT 2 18 t h t 0 0 4 0 8 2 0 0 h0 0 h 0 0 1 t2 B A h 2 2 t 2 基于组态王的二阶液位控制系统设计 15 2 3 2 水箱液位水箱液位 PID 参数整定方法参数整定方法 图 2 5单回路控制系统结构框图 本系统所要保持的恒定参数就是液位的给定高度 即控制的任务 是控制小上水箱液位等于给定值所需要的高度 根据控制框图 这是 一个闭环反馈单回路液位控制 采用工业智能仪表控制 当控制方案 确定后 接下来就是整定调节器的参数 在一个单回路系统设计安装 就绪后 控制质量的好坏就取决于参数值的选择了 合适的控制参 数 可以带来满意的控制效果 反之 控制其参数选择的不合适 就 会使控制质量变坏 达不到预期的效果 因此 当一个单回路系统组 成好以后 系统的投运和参数整定就变成了一项非常重要的工作 一般而言 用比例调节器的系统是一个有差系统 比例度 的大小不 仅会影响到余差的大小 而且也与系统的动态性能密切相关 比例积 分调节器由于积分的作用 不仅能够实现无余差 而且只要参数 和 i T合理 也能使系统具有良好的动态性能 比例积分微分 PID 调节 器实在 PI 调节器的基础上再引入微分 D 的作用 从而使系统既无余差 存在 又能是系统的动态性能 快速性 稳定性等 得到改善 关于比例 P 积分 I 微分 D 的调节顺序 一般如下 整定步骤 整定步骤为 先比例 再积分 最后微分 1 整定比例控制 将比例控制作用由小变到大 观察各次响应 直 至得到反应快 超调小的响应曲线 2 整定积分环节若在比例控制下稳态误差不能满足要求 需加入积 分控制 先将步骤 1 中选择的比例系数减小为原来的 50 80 再将积分时间置一个较大值 观测响应曲线 然后减小积分时间 加 大积分作用 并相应调整比例系数 反复试凑至得到较满意的响应 控制器 执行机构 双容水箱 液位检测 输入 干扰 输出 基于组态王的二阶液位控制系统设计 16 确定比例和积分的参数 3 整定微分环节 若经过步骤 2 PI 控制只能消除稳态误差 而动态过程不能令 人满意 则应加入微分控制 构成 PID 控制 先置微分时间 TD 0 逐渐加大 TD 同时相应地改变比例系数和积分时间 反复试凑至获得 满意的控制效果和 PID 控制参数 主回路和副回路的 PID 参数整定 关于主回路与副回路的调节顺序 一般是先对副回路进行调节 然后对主回路进行调节 1 主参数的选择和主回路的设计 串级控制系统是由主回路和副回路组成 主回路是一个定值控制系 统 对于主参数的选择和主回路的设计 基本上可以按照单回路控制 系统的设计原则进行 凡直接或间接与生产过程运行性能密切相关并 可直接测量的工艺参数均可以选择为主参数 再此我们选择双容水箱 下水箱的液位高度作为主控制参数 2 副参数的选择和副回路的设计 1 副参数的选择 副回路应包括生产过程中的变化剧烈 频繁并且幅度很大的主要扰 动 并要尽可能的多包含一些扰动 由于串级控制系统副回路具有调 节速度快 抑制扰动能力强的特点 在副回路设计时 要充分发挥这 一特点 把生产过程中的主要扰动 并要尽量的包含一些其他的扰 动 包含在副回路中 一尽量减少对主参数的影响 提高主参数的控 制质量 在双容水箱液位控制系统中 我们以下水箱的水位为主控参 数以及上水箱水位作为副参数 就是考虑到上水箱的水位具有变化剧 烈 频繁且幅度较大的特点 2 主副调节器控制规律的选择 在串级控制系统中 主副调节器所起的作用是不同的 主调节器 起定值控制的作用 副调节器起到随动控制的作用 这是选择控制规 律的基本出发点主参数是工艺操作的主要指标 允许的波动范围很 小 一般要求无余差 因此主调节器应选PI或者PID控制规律 副参 数的设置是为了保证主参数的控制质量 因此允许在一个较大的范围 基于组态王的二阶液位控制系统设计 17 内变动 并允许有余差 因此副调节器只要选 P 控制规律进行比例调 节即可 具有放大系数较大 控制作用强 余差小的特点 一般不引 入积分控制规律 是因为积分控制规律会延长控制过程 减弱副回路 的快速作用 并且一般也不引入微分控制作用 因为副回路本身起着 快速的作用 再引入微分控制规律会使调节阀的动作过大 反而对控 制不利 2 主 副调节器的调节器正 反作用方式的选择 为了满足生产工艺的要求 确保串级控制系统正常运行 主 副 调节器正反作用方式必须正确选择 在具体选择时 实在调节阀气 开 气关形式 然后根据生产工艺条件和调节阀形式确定副调节器的 正反作用方式 最后再根据主副回路参数的关系 决定主副调节器的 正反作用方式 对单回路控制系统来说 要是一个过程控制系统能够正常工作 系统必须为负反馈 对于串级控制系统来说 主副调节器正 反作用 方式的选择原则是整个控制系统构成负反馈系统 即其主通道各环节 的放大系数极性乘积必须为正值 3 串级控制系统主副调节器正反作用方式的确定 为了确保串级控制系统的正常运行 主 副调节器正反作用方式 必须正确选择 在具体选择时 是在调节阀气开气关方式已经选定的 基础上进行的 2 4 本章小结本章小结 本章主要是建立双容水箱的数学模型 由于实验条件的限制及本 人能力的有限 本章只采用机理建模法对双容水箱进行纯理论分析 再建立其一般的数学模型 先对单容水箱的数学模型进行建立后再进 行对双容水箱的数学模型的建立 基于组态王的二阶液位控制系统设计 18 3 3 系统仿真系统仿真 3 1MATLAB 软件介绍软件介绍 MATLAB 是由美国 mathworks 公司发布的主要面对科学计算 可 视化以及交互式程序设计的高科技计算环境 它是数值分析 矩阵计 算 科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功 能集成在一个易于使用的视窗环境中 为科学研究 工程设计以及必 须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案 并 在很大程度上摆脱了传统非交互式程序语言的编辑模式 代表了当今 国际科学计算软件的先进水平 MATLAB 的基本数据单位是矩阵 它的指令表达式与数学 工程中常用的形式十分相似 故用 MATLAB 来解算问题要比用 C FORTRAN 等语言完成相同的事情简捷得多 并且 MATLAB 也吸收了像 Maple 等软件的优点 使 MATLAB 成为一个强大的数 学软件 MATLAB 有以下软件优势 1 友好的工作平台和编程环境 2 简单易用的程序语言 3 强大的科学计算机数据处理能力 4 出色的图形处理功能 5 应用广泛的模块集合工具箱 6 实用的程序接口和发布平台 7 应用软件开发 因此 本论文选用 MATLAB 软件进行试验仿真 3 2PID 系统仿真系统仿真 1 无干扰的 PID 仿真 仿真框图 基于组态王的二阶液位控制系统设计 19 图 3 1无干扰 PID 仿真框图 仿真结果 使用 PID 整定参数得到阶跃响应曲线如下 参数 K 20 Ti 0 1 Td 300 图 3 2 无干扰 PID 仿真曲线 由图 3 2 得出 系统的超调量 2 调整时间 Ts 200s 现用控制变量法 分别改变 P I D 参数 观察系统性能的变 化 研究各调节器的作用 保持 I D 参数为定值 改变 P 参数 阶跃响应曲线如下 参数 K 50Ti 0 1Td 300 基于组态王的二阶液位控制系统设计 20 图 3 3P 值不同的无干扰 PID 仿真曲线 由图 3 3 得出 系统的超调量 23 调整时间 Ts 250s 经图 3 3 与图 3 2 比较可知 a 不同 P 参数值下系统阶跃响应曲线 随着 K 的增大 最大动 态偏差增大 余差减小 衰减率减小 振荡频率增大 b 保持 P D 参数为定值 改变 I 参数 阶跃响应曲线如下 参数 K 20 Ti 0 01 Td 300 由图 3 4 得出 系统的超调量 23 调整时间 Ts 经图 3 4 与图 3 2 比较可知 不同 I 参数值下系统阶跃响应曲线 有 I 调节则无余差 而且随着 Ti 的减小 最大动态偏差增大 衰减率 减小 振荡频率增大 c 保持 P I 参数为定值 改变 D 参数 阶跃响应曲线如下 参数 K 20 Ti 0 1 Td 200 基于组态王的二阶液位控制系统设计 21 图 3 4I 值不同的无干扰 PID 仿真曲线 图 3 5D 值不同的无干扰 PID 仿真曲线 由图 3 5 得出 系统的超调量 33 调整时间 Ts 经图 3 5 与图 3 2 比较可知 不同 D 参数值下系统阶跃响应曲 基于组态王的二阶液位控制系统设计 22 线 而且随着 D 参数的增大 最大动态偏差减小 衰减率增大 振荡 频率增大 2 PID 系统加入干扰仿真 仿真框图 图 3 6 加干扰 PID 仿真框图 仿真结果 参数 K 20 Ti 0 1 Td 300 图 3 7加干扰的 PID 仿真曲线 由图 3 7 得出 系统的超调量 28 调整时间 Ts 观察图 3 7 与图 3 2 并将无干扰时的系统框图 3 1 比较可知 系 统稳定性下降较大 在干扰作用时 很难稳定下来 出现了长时间的 基于组态王的二阶液位控制系统设计 23 小幅震荡 由此可见 单回路控制系统 在有干扰的情况下 很难保 持系统的稳定性能 考虑串级控制 3 3 串级控制仿真串级控制仿真 1 无干扰串级控制仿真 仿真框图 图 3 8无干扰串级控制仿真框图 仿真结果 参数 K1 20 Ti1 0 1 Td1 300 K2 3 Ti2 0 1 Td2 2 图 3 9无干扰串级控制仿真曲线 基于组态王的二阶液位控制系统设计 24 由图 3 9 得出 系统的超调量 0 调整时间 Ts 230s 经图 3 9 与图 3 2 比较可知 串级控制降低了最大偏差 减小了 振荡频率 缩短了调节时间 2 有干扰的串级控制仿真 图 3 10加干扰串级控制仿真框图 现向系统中加入噪声 观察不同 P 副回路 条件下的系统阶跃 响应曲线 仿真结果 a 参数 K1 20 Ti1 0 1 Td1 300 K2 3 Ti2 0 1 Td2 2 图 3 11加干扰串级控制仿真曲线图 基于组态王的二阶液位控制系统设计 25 由图 3 11 得出 系统的超调量 50 调整时间 Ts b 参数 K1 20 Ti1 0 1 Td1 300 K2 5 Ti2 0 1 Td2 2 图 3 12K2 5 时的加干扰串级控制仿真图 由图 3 12 得出 系统的超调量 0 调整时间 Ts 300s c 参数 K1 20 Ti1 0 1 Td1 300 K2 7 Ti2 0 1 Td2 2 图 3 13K2 7 时的加干扰串级控制仿真图 基于组态王的二阶液位控制系统设计 26 由图 3 12 得出 系统的超调量 0 调整时间 Ts 250s 观察以上曲线图 3 11 3 12 3 13 可知 当副回路控制器 调节时间 都有所缩短 系统快速性增强了 在干扰作用下 当增益相同时 系 统稳定性更高 提高了系统的抗干扰能力 最大偏差更小 可以取得 令人满意的控制效果 3 4 本章小结本章小结 本章使用 matlab Simulink仿真软件对二阶液位系统进行了 PID 控 制和串级控制无干扰及有干扰情况下的仿真实验 并对其仿真结果的 各项性能指标进行了分析总结 基于组态王的二阶液位控制系统设计 27 4 4 组态界面的设计组态界面的设计 4 1 组态王简介组态王简介 1 组态王软件 组态王软件组态王开发监控系统软件 是新型的 工业自动控制系统 它以标准的工业计算机软 硬件平台构成的集成 系统取代传统的封闭式系统 2 组态王软件的特点 它具有适应性强 开放性好 易于扩展 经济 开发周期短等优点 通常可以把这样的系统划分为控制层 监 控层 管理层三个层次结构 其中监控层对下连接控制层 对上连接 管理层 它不但实现对现场的实时监测与控制 且在自动控制系统中 完成上传下达 组态开发的重要作用 尤其考虑三方面问题 画面 数据 动画 通过对监控系统要求及实现功能的分析 采用组态王对 监控系统进行设计 组态软件也为试验者提供了可视化监控画面 有 利于试验者实时现场监控 而且 它能充分利用 Windows 的图形编辑 功能 方便地构成监控画面 并以动画方式显示控制设备的状态 具 有报警窗口 实时趋势曲线等 可便利的生成各种报表 它还具有丰 富的设备驱动程序和灵活的组态方式 数据链接功能 3 组态王软件使用步骤 使用组态王实现控制系统实验仿真的基本方法 1 图形界面的设计 2 构造数据库 3 建立动画连接 4 运行和调对用户而言 操作简单易学且编程简单 参数输入与 修改灵活 具有多次或重复仿真运行的控制能力 可以实时地显示参数 变化前后系统的特性曲线 能很直观地显示控制系统的实时趋势曲线 这些很强的交互能力使其在自动控制系统的实验中可以发挥理想的效 果 4 组态王软件特点 1 实验全部用软件来实现 只需利用现有的计算机就可完成自动 基于组态王的二阶液位控制系统设计 28 控制系统课程的实验 从而大大减少购置仪器的经费 2 该系统是中文界面 具有人机界面友好 结果可视化的优点 4 2 组态画面的建立组态画面的建立 4 2 1 设备配置设备配置 首先要建立一个新工程 启动 组态王 工程管理器 选择菜单 文件 新建工程 或单击 新建 按钮 弹出窗口后 单击 下一 步 继续 弹出 新建工程向导之二 选择工程的所在路径 对话 框 在工程路径文本框中输入一个有效的工程路径 或单击 浏 览 按钮 在弹出的路径选择对话框中选择一个有效的路径作为组 态文件的存放位置 再单击 下一步 继续 弹出 新建工程向导之 三对话框 在工程名称文本框中输入工程的名称 该工程名称同时 将被作为当前工程的路径名称 在工程描述文本框中输入对该工程的 描述文字 其过程 最后点击 完成 并确定讲新建立的工程设为 当前工程 在组态王工程管理器中 双击已建立的 二阶液位控制系统界 面 工程 启动组态王的 工程浏览器 如图 4 1 所示 双击工程 目录显示区中 设备 大纲项下面的 COMl 成员名 然后在出现的 窗口中输入串行通信口 COMl 的通信参数 波特率为 9600b s 无校 验 7 位数据位 1 位停止位 RS232 为通信方式 然后单击 确定 按钮 完成对 COM1 的通信参型配置 保证 COMl 同计算机的通信能 够正常进行 如图 4 2 所示 基于组态王的二阶液位控制系统设计 29 图 4 1 组态王工程浏览器界面 图 4 2 设置串口 COM1 随后双击目录内容显示区中的 新建 图标 在出现的 设备配 置向导 中单击 智能模块 牛顿 7000 系列 Nudam7017 串行口 然后 再单击 下一步 按钮 在下一个窗口中给这个 设备取一个名 IO 模块 再单击 下一步 按钮 在下一个出现的 基于组态王的二阶液位控制系统设计 30 窗口中为设备指定所连接的串口 COM1 单击 下一步 按钮 再在下一个窗口中为设备指定一个地址 0 再单击 下一步 按 钮 出现 通信故障恢复策略 设定窗口 使用默认设置即可 再单 击 下一步 按钮 出现 信息总结 窗口 检查无误后单击 完 成 按钮 完成设备的配置 此时在工程浏览器的 目录内容显示 区 中出现了 IO 模块 图标 按同样的方法在 COM1 下创建名为 DA AD 的设备图标 如图 4 3 图 4 3 设备 COM1 下创建设备图标 4 2 2 定义变量定义变量 要在组态王中知道外部各设备的运行状态 以及能够输出相应的 控制信号 都需要建立相应的变量 单击 数据库 大纲项下面的 数据词典 成员名 然后在目录 内容显示区中双击 新建 图标 出现 定义变量 窗口 在 基本 属性 页中输入变量名 上水箱液位 变量类型设置为 I O 实 数 连接设备设置为 IO 模块 寄存器设置为 AI0 数据类 型设置为 FLOAT 读写属性设置为 读写 采集频率设置为 1000 毫秒 变化灵敏度设置为 1 最小值为 0 最大值为 300 最小原 始值为 1 最大原始值为 5 如图 4 4 所示 同理 可参照相关资料 基于组态王的二阶液位控制系统设计 31 对其他单回路控制引入变量进行定义 再对串级控制算法相关的变量 定义 定义系统 启动 停止 内存离散变量 为了实现对液位 进行实时控制及进行 PID 运算 还需建立相关的一系列 内存实数 变量 例如 sp1 P1 I1 D1 sp2 P2 I2 D2 uk 等 在组态王 中 各变量可根据需要随时定义 也可以随时进行变量的替换以及重 命名 各变量定义完后如图 4 5 4 6 所示 图 4 4 数据词典定义变量 图 4 5 各相关变量定义 基于组态王的二阶液位控制系统设计 32 图 4 6 内存实数变量定义 4 2 3 画面设计画面设计 1 画面设计 组态王提供了各种绘图工具 图库来制作画面 使得画面能够逼 真地反映控制系统的工作状况 并且可以通过画面操作控制系统的运 行状况 在工程浏览器的工程目录显示区中单击 文件 大纲项下面的 画面 成员名 然后在目录内容显示区中双击 新建 图标 出现 新画面 对话框 在 画面名称 的编辑框中输入 双容水箱液位 控制系统 可任意选择设定适当大小 单击 确定 按钮 则返回 工程浏览器 并且在目录内容显示区中增加了 双容水箱液位控制系 统 的图标 双击此图标 进入了组态王开发系统 并且已经打开了 双容水箱液位控制系统 主画面 主画面制作结果如图 4 7 所示 基于组态王的二阶液位控制系统设计 33 图 4 7 双容水箱液位控制系统主画面 2 画面设计过程 画面的绘制基本包含以下内容 利用文本工具 字体工具 调色板工具输入文本 画面上的大 多数文字均是利用 文本 工具产生的 具体方法是 用鼠标单击 工具箱 中的 文本 工具按钮 或者利用 工具 文字 菜单 命令 然后将鼠标移动到画面上适当位置并单击 此时光标在屏幕上 闪动 用户使可以打开中文输入法输入文字 输入完毕后 用鼠标在 屏幕上单击次 则文字输入完毕 如果需要对文本的字体进行修改 可以在选中该文本后 单击 工具箱 中的 字体 按钮 则弹出 字体 对话框 用户可以在 此对话拒中选择文字的字体 字形和大小 选择完毕后 担击 确 定 按钮 即完成字体的修改 如果需要修改文字的颜色 则可以在 选中该文本后 单击 工具箱 中的 显示调色板 按钮 然后在出 现的 调色板 中单击 字符色 按钮 此时便可以在 调色板 下 基于组态王的二阶液位控制系统设计 34 面的多个颜色按钮中选择适当的文本颜色了 利用按钮工具制作按钮 水位控制系统中要求在运行当中系统 能够及时的调出 PID 调节面板 实时曲线 历史曲线等画面 这可以 通过一些按钮来完成 单击 工具箱 中的 按钮 工具 然后将鼠 标移动到画面上的合适位置 拉出一个合适大小的方框 然后右键单 击这个按钮 在弹出菜单中单击 字符串替换 对话框 将名称改为 实时曲线 双击按钮 弹出 按钮属性 对话框 再单击 弹起 时 选项 在相应的对话框中输入 showpicture 实时曲线 再 单击 确定 按钮 则 实时曲线 按钮制作完成 用同样方法可以 制作出其他按钮 利用工具箱中工具绘制 水箱 和 管道 等图素 首先用多 边形工具绘制三个平行四边形 将其对接起来 组成一个具有立体效 果的水箱 然后再对每一个四边形进行颜色填充 最后将其合成一个 组合图素 如此一个简单的水箱就绘制完成 单击 图库 打开 图库 菜单项 或者按下镶盘上的 F2 键 出现 图库管理器 窗口 选中 管道 类别中的一个 双击之后 将鼠标移动到画面上适当的 位置并单击 则管道出现在画面上 用鼠标将它的大小调整合适后 即完成了 管道 的绘制 3 动画连接 以上绘制出的画面 还不能真实反映出系统运行时的情形 必须 把各个图素与数据库中的相应变量建立联系 才能真正让画面 动 起来 组态王中 把建立画面图素与数据库变量对应关系的过程称为 动画连接 建立动画连接后 根据数据库中变量的变化 图形对 象可以按照动画连接的要求进行变化 双击 PID 设定 画面中 Kp 后的 图像 出现 动画 连接 对话框 单击 模拟值输出 则出现 命令语言 窗口 在 其中输入以下命令语言 本站点 P2 如图 4 8 所示 单击 确 定 按钮 返回到 动画连接 对话框 再单击 确定 按钮 则 Kp 的动画连接完成 基于组态王的二阶液位控制系统设计 35 图 4 8 动画连接命令语言 按照同样的方法再依次完成其他对象的动画连接 接下来进行实时曲线和历史曲线的建立 进行趋势分析 是一个 控制软件必备的功能 在组态王中 趋势曲线有实时趋势曲线和历史 趋势曲线两种 实时趋势曲线用于实时显示数据的变化情况 在画面运行时 实 时趋势曲线对象由系统自动完成更新 数据从趋势的右边进入 从右 向左移动 移动到画面外的曲线将不会被看到 组态王图库中有一个已经定义好各种功能按钮的历史趋势曲线 只需要定义几个相关变量 适当调整曲线外观 即可完成历史趋势曲 线的复杂功能 通过历史趋势曲线 操作人员可以将存放在硬盘上的 历史数据取出显示在画面上 从而可以对过去相当长时间范围内的过 程状况进行分析 1 建立实时曲线 在组态王开发系统中 单击 文件 一 新画面 菜单命令 则 出现 新画面 对话框 在 画面名称 中输入 实时曲线 窗口 高度和宽度分别为 200 和 150 则新建立了一个实时曲线画面 在 工具箱 中单击 实时趋势曲线 按钮 将鼠标移动到画面 上 拖拉出一个适当大小的矩形框 然后双击它 出现 实时趋势曲 线 对话框 在此对话框中 将 曲线 1 的表达式设置为 本站点 水箱 1 液位 颜色为红色 将 曲线 2 的表达式设置为 本站点 水 箱 2 液位 颜色为绿色 将 曲线 3 的表达式设置为 本站点 基于组态王的二阶液位控制系统设计 36 sp2 颜色为蓝色 如图 4 9 所示 图 4 9 实时曲线 基于组态王的二阶液位控制系统设计 37 2 建立历史曲线 在组态王开发系统中 单击 文件 一 新画面 菜单命令 则 出现 新画面 对话框 在 画面名称 中输入 历史曲线 窗口 高度和宽度分别为 200 和 150 然后单击 确定 按扭 则新建立了 一个历史曲线画面 按下 F2 出现 图库管理器 窗口 在此宙口中选中 历史图 库 图标 双击后在画面上单击 则画面上出现了一个 历史趋势曲 线 对象 用鼠标将其大小调整到适当程度 此历史趋势曲线需要有 两个变量来协助完成操作面板的操作 进入工程浏览器 新建两个内 存实数变量 调整跨度 和 卷动百分比 其中 调整跨度 的 最大值为 99999 初始值为 60 卷动百分比 的最大值为 100 初 始值为 50 两个变量均选中 保存数值 选项 然后 回到组态王开发系统中 双击刚才建立的 历史趋势曲 线 对象 出现 历史曲线 向导 在 曲线定义 页面中 历史趋 势曲线名 设置为 历史趋势 曲线 1 变量名称设置为 本站 点 sp1 线条颜色为 红色 曲线 2 变量名称设置为 本站 点 水箱 2 液位 颜色为绿色 曲线 3 变量名称设