双容水箱液位控制系统毕业设计.doc

内蒙古科技大学毕业设计说明书双容水箱液位控制系统毕业设计目录摘要IAbstractII第一章 绪论11.1课题研究背景及意义11.2本文主要研究的内容2第二章PCT试验装置介绍32.1 PCT实验装置构成简介32.1.1水箱32.1.2液位传感器32.1.3电动调节阀42.1.4压力传感器42.1.5变频器42.1.6三项磁力水泵52.1.7牛顿模块52.2双容水箱系统硬件结构62.3 水箱液位实验控制系统的用途7第三章 双容水箱液位控制系统分析设计83.1双容水箱液位控制系统分析83.1.1液位控制系统组成83.1.2液位控制系统的控制目标93.1.3液位控制系统的模型分析93.2 双容水箱液位控制系统方案设计123.2.1控制方案的选定123.2.2串级控制系统的特点133.2.3串级控制系统的设计133.2.4计算机串级控制算法实施173.2.5液位串级控制系统工作过程183.3液位控制系统参数整定193.3.1Kp、Ti、Td对控制质量的影响203.3.2几种工程整定方法介绍213.3.3串级控制系统的参数整定24第四章 组态软件设计274.1“组态王”简介274.2组态画面的建立284.2.1建立工程284.2.2设备配置294.2.3变量定义314.2.4画面设计与动画连接334.2.5实时曲线和历史曲线的建立364.2.6手自动切换和PID控制画面的建立38第五章 双容水箱液位控制系统实验405.1实验所用设备405.2实验过程405.3实验结果分析42总结43参考文献43附录45致谢47第一章 绪论1.1课题研究背景及意义随着科学技术的发展，现代工业生产工艺中的控制问题也日趋复杂。在人们的生活中以及某些化工和能源的生产过程中，常常涉及一些液位或流量控制的问题。在石油、化工、轻工和食品等工业生产过程中，有许多贮罐作为原料、半成品的贮液罐，前一道工序的成品或半成品不断地流入下一道工序的贮液罐进行加工和处理，为保证生产过程能连续地正常进行，必须对贮罐的液位进行控制。还比如居民生活用水的供应，通常需要使用蓄水池，蓄水池中的液位需要维持合适的高度，还有一些水处理的过程也需要对蓄水池中的液位实施控制，另外涉及蓄液容器的生产过程也很多见，例如在核动力蒸汽发生器工作过程中以及乙烯工程污水处理厂的自动排水处理场等，因此，需要设计合适的控制器自动调整容器的出入液流量，使得容器内液位保持正常水平。特别地，在出入液流量较大的情况下，为了平抑液位的变化，实际生产中往往选用多个互相连通的蓄液容器。上述不同背景的实际问题都可以抽象为某种水箱的液位控制问题。由于工业生产的飞速发展，人们对生产过程的自动化控制水平的要求也越来越高。每一个先进、实现的控制算法的出现都对工业生产具有巨大的推动作用。然而，当前的学术研究成果与实际生产应用技术水平并不是同步的，甚至相差几十年。最近几年，国内一些控制领域已接近甚至超越了国际水平，然而，就先进理论应用于工业生产等领域的状况来讲，与发达国家相比却存在较大差距。其原因固然是多方面的，但是，一个很明显的原因就是在于理论研究尚缺乏实际背景的支持，理论的算法一旦应用于现场就会遇到各种各样的实际问题，制约了其应用前景。在目前尚不具有在实验室中复现真实工业过程条件的今天，开发经济实用的具有典型对象特性的使用装置无疑是一条探索将理论成果转化为应用技术的捷径。在过程工业中，被控量通常有以下四种：液位、压力、流量、温度，而液位不仅是工业过程中的常见参数，且便于直接观察，也容易测量。以液位过程构成的实验系统，可灵活地进行过程组态，实施各种不同的控制方案，它不仅能够满足实际现场的应用要求，而且可以对新理论的研究论证提供强有力的平台。液位控制装置也是过程控制最常用的实验装置，国外很多实验室有此类装置，如瑞典LUND大学等，很多重要的研究报告、模拟仿真均出自此类装置。因此，液位控制系统是过程控制的重要研究模型，对液位控制系统的研究具有显著的理论和实际意义。1.2本文主要研究的内容本课题主要以双容水箱液位过程控制实验系统作为研究对象，介绍了其硬件构成、系统建模并进行相关控制方案及控制算法的分析、研究。利用PCT试验台上的系列仪表和牛顿模块结合计算机控制技术，在组态软件下编程并且通过调整和改进控制算法，从而实现双容水箱液位控制系统的设计要求。通过利用调节器的工程整定方法，最后得到一组能稳定、准确、快速的达到控制要求的PID参数。通过本设计掌握串级控制系统的基本概念，了解串级控制系统的组成结构，即主被控参数、副被控参数、主调节器、副调节器、主回路、副回路。掌握串级控制系统的特点、串级控制系统的设计思想，掌握串级控制主、副控制回路的选择。掌握串级控制系统参数整定方法，熟悉PID参数对控制系统质量指标的影响，用计算机进行PID参数的调整和自动控制的投运。并将串级控制系统参数投运到实验中。最后对实验结果进行分析总结，针对实验过程中的存在的一些问题进行下一步的改进。第二章PCT试验装置介绍2.1 PCT实验装置构成简介实验台主要由上水箱、中水箱、下水箱、储水箱、温控圆筒、加热器、液位和压力传感器、压力罐、湿度传感器、工业PH计、电磁流量传感器、孔板流量传感器、涡轮流量传感器、电动调节阀、变频器、水泵、加温模块、接线端子、电源总开关、电流指示表、比例器、DC24V开关电源以及上海万迅智能调节仪表组成的挂箱。下面就本设计所用到的设备及模块做简单介绍。2.1.1水箱水箱的结构特点是：采用两槽结构，主要分溢流缓冲槽、工作槽、溢流水管。溢流缓冲槽：是为了解决水流直接注入水箱造成被测液面波动而设计的，当水流注入水箱后经过溢流缓冲槽缓冲，溢出水槽沿水槽壁流下达到减少被测液面波动。工作槽：是为了我们做实验而用的，工作槽中有个排水口，这排水口在做实验时由一个有孔有机玻璃管插上，随着工作槽水位的上升，工作槽的排水量也会增加，这样就可以满足一阶、二阶液位实验的要求。 溢流水管：当设备无人职守时有时会出现水箱的水位已经到达最高水位，为了防止液位满出水箱，则多出的水可以通过溢流排水管排出。水箱I（上位水箱）液位高度：0280mm水箱II（下位水箱）液位高度：0280mm水箱III（不锈钢储水箱）液位高度：0500mm2.1.2液位传感器液位传感器连接水箱的底部，检测水箱的液位，同时输出420mA的电流信号。提供给计算机作为液位检测信号。本套工业自动化仪表实验采用挂箱式，组装灵活，如果从新组装了液位传感器（例如改变了液位传感器在网孔板上的位置或改变了所检测的水箱），液位传感器都要从新校正零点和量程。2.1.3电动调节阀电动调节阀为美国霍尼威尔的智能电动调节阀，具有精度高、技术先进、体积小、重量轻、推动力大、功能强、控制单元与电动执行机构一体化，可靠性高、操作方便，并可与计算机配套使用，组成最佳调节回路。该电动调节阀具有自反馈系统只需要在外部加420mA电流即可控制，4mA为全关状态，20mA为全开状态，在无输入信号的情况下电动调节阀处于全关状态。使用时只需要将调节器输出的420mA电流信号输入到面板上的控制端口上即可。2.1.4压力传感器压力传感器结构原理和液位传感器完全相同，其测量范围为0100KP，具体调试方法与液位传感器调试方法相同。其调节时可以通过变频器调节水泵压力，通过标准检测仪表监控压力；压力传感器输出的电流通过智能仪表监测显示，使智能仪表显示数据与标准校准仪表显示数据相同。如果有误差可通过调节压力传感器零点调节和量程调节电位器调准。2.1.5变频器采用三菱FR-S500变频器，420mA控制信号输入，可对流量或压力进行控制。变频器面板图如图2.1所示。图2.1 变频器的基本操作：(1) 合上控制对象上的电源(2) 把PCT-ET-02面板上的内外控开关打到内控状态，按下设置PU灯亮(3) 设置参数如下：C5=15 P21=3 P30=1 P39=80 P53=1 P59=1 P60=4 P61=4 P62=4 P63=4(4) 按“PU/EXT”按钮设置EXT灯亮，把PCT-ET-02面板上的内/外控开关打到“外控”，状态，在PCT-ET-02面板上变频器输入端子上输入420mA电流即控制变频器的频率设定值。(5) 停止外部控制，只要把PCT-ET-02面板上的内/外控制开关打到内控一端即可停止控制。(6) 由外部控制切换到内部控制步骤： PCT-ET-02面板上内外控开关打到内控一边。 按变频器上PU使PU灯亮。 按变频器上“RUN”键使Run灯亮，旋动变频器上频率设定电位器到合适值。(7) 由内部控制切换到外部控制步骤： 按变频器STOP键停止变频器 。 按 “PU/EXT”键使EXT灯亮。 把PCT-ET-02面板上的内/外控开关打到“外控”状态，其变频器就在外部控制信号下工作。 2.1.6三项磁力水泵水泵选用上海凯士循环水泵，噪音低、寿命长、功耗小、AC380V供电。在水泵出口装有压力罐和压力变送器，与变频器一起构成供水系统。2.1.7牛顿模块本装置在计算机控制和通讯上采用牛顿7000系列模块，它是RS-232转485通讯模块，RS-232/RS-485双向协议转换。速度为300-115.200Kbps，一个RS-485网上可挂256个模块，3000V隔离，支持多种速率多种数据格式。通讯距离：2.1公里/9600Kbps；2.7公里/4800Kbps；3.6公里/2400Kbps。8024是D/A模块，4通道模拟输出模块。电流输出：420 mA，020 mA；电压输出：+/-10V，010V，+/-5V。精度14Bit。8017是A/D模块，8通道模拟输入模块。模拟输入：15V，420mA；输入范围：+/-150 mV，+/- 500mV，+/- 1V，+/- 5V，+/- 10V，+/- 20 mA。通道数量：6路差动/2路单端或8差动（跳线选择）；采样频率10Hz。2.2双容水箱系统硬件结构液位控制系统硬件结构如图2.2所示。图2.2 液位控制系统硬件结构图上水箱和下水箱的液位信号分别由两压力传感器检测，检测到的液位信号经液位变送器转换成4 - 20 mA 的电流信号，串联250欧姆标准电阻转换为1-5V电压信号，再通过A/ D 模块(Nudam7017)将采集到的模拟信号转换成数字信号，该数字信号经RS485 总线，再由RS232/485转换器传送给计算机，计算机采集到的数字信号在组态软件中由PID 控制器进行处理得出控制信号，控制信号再经RS232/485转换器及RS485总线送给D/ A 模块(Nudam7024)，最后转换得到的模拟信号驱动执行机构工作。2.3 水箱液位实验控制系统的用途水箱液位控制实验系统是PCT实验装置中的重要组成部分，可单独进行各种实验的分析和研究，且它是一种非线性、强耦合、多变量和大滞后的复杂系统，是进行控制理论与控制工程教学、实验和研究的理想平台，具有强大的实验功能。它不仅可以实现一阶对象、二阶对象，还可以实现更高阶对象的分析、研究，而且它还可以作为一种多功能型实验设备去验证各种新型算法。它易于在实验中操作，直观性强，适用于教学实验；可以模拟多种实际应用故障。我们还可以通过经典的PID控制器设计与调试，进行智能控制教学实验与研究。各种控制器的控制效果通过水位的变化直观地反映出来，同时通过液位传感器对水位的精确检测，方便地获得瞬态响应指标，准确评估控制性能。开放的控制器实验装置，便于我们进行自己的控制器设计，满足创新研究的需要。液位控制实验装置是过程控制中最常用的实验装置，可在此装置上探讨、研究、开发各种新型控制算法，学习各种不同的控制方案，通过调试不同控制方案下的实验系统，使我们能更清楚地了解工业过程控制中系统的投运和整定方法。第三章 双容水箱液位控制系统分析设计3.1双容水箱液位控制系统分析对被控系统的分析，是设计过程控制系统的基础资料或基本依据。要对现代日益复杂和庞大的被控过程进行研究分析、实施控制，尤其是进行最优设计时，必须了解其工作过程及其数学模型等。因此，数学模型对过程控制系统的分析设计、实现生产过程的优化校制具有极为重要的意义。被控对象的数学模型，是反映被控过程的输出量与输入量关系的数学描述。或者说是描述被控过程因输人作用导致输出量(被控变量)变化的数学表达式。被控过程可能既受控制输人的作用，也受扰动量影响。控制输入总是力图使被控过程按照某种期望的规律变化，而扰动量一般总是影响被控过程偏离期望运行状态。但从系统角度来看，无论是控制输人还是扰动，都属于输入量，因为它们都会影响输出的变化。工业过程动态数学模型的表达方式很多，其复杂程度相差悬殊。对于数学模型，应根据实际应用情况提出适当的要求。一般说来，用于控制的数学模型并不要求十分准确。闭环控制本身具有一定的鲁棒性，模型本身的误差可视为干扰，而闭环控制在某种程度上具有自动消除干扰的能力。实际生产过程的动态特性非常复杂，往往需要作很多近似处理。有些近似处理需要作线性化处理、降阶处理等，但却能满足控制的要求。建立数学模型有两个基本方法，即机理法和测试法。测试法一般只用于建立输入输出模型。是把被研究的工业过程视为一个黑匣子，完全从外部特性上测试和描述它的动态性质，因此不需要深入掌握其内部机理。3.1.1液位控制系统组成该液位控制系统主要是基于PCT-型远程数据采集过程控制装置。系统的主要目的是控制上下水箱的液位。主要干扰源为随机流入水箱中的水使水位上涨，超过警戒水位；同时出于某种考虑，不能使水位低于某个值。整个液位控制系统的结构图如图3.1所示。它由计算机、电动调节阀、上水箱、下水箱、液位变送器、变频器和水泵模块等组成。电动调节阀用于调节上水箱的进水量的大小，液位变送器用于检测上水箱和下水箱的液位。计算机的输出量用于控制电动调节阀的开度。变频器用于控制水泵进行恒压供水。图3.1 双容水箱液位控制系统结构图3.1.2液位控制系统的控制目标水箱的液位变化范围为h=0-300mm，要求通过设计合适的控制器，能使被控对象(下水箱)的液位值稳、准、快地稳定在所给定的液位值上，稳态液位误差不超过5mm。当系统发生扰动(正扰动或负扰动)时，被控量能迅速恢复到系统原来所要求的液位值。3.1.3液位控制系统的模型分析在此利用解析法对双容水箱进行建模。解析法建模的一般步骤为： 明确过程的输出变量、输入变量和其他中间变量； 依据过程的内在机理和有关定理、定律以及公式列写静态方程或动态方程； 消去中间变量，求取输入、输出变量的关系方程； 将其简化成控制要求的某种形式，如高阶微分（差分）方程或传递函数（脉冲传递函数）等。双容水箱模型如图3.2所示。图3.2 双容水箱模型图根据动态物料平衡关系，即在单位时间内贮罐的液体流入量与单位时间内贮罐的液体流出量之差应等于贮罐中液体贮存量的变化率，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)将其转换为传递函数形式得： 式(2-6)其中。由式(2-2)和式(2-4)消去得： 式(2-7)将其转换为传递函数形式得： 式(2-8)由式(2-6)和式(2-8)得： 式(2-9)由于被控对象含有延迟特性，所以双容水箱的模型最终可用一个二阶惯性加纯滞后环节来描述，即： 式(2-10)3.2 双容水箱液位控制系统方案设计首先要确定整个系统的自动化水平，然后才能进行各个具体控制系统方案的讨论确定。对于比较大的控制系统工程，更要从实际情况出发，反复多方论证，以避免大的失误。控制系统的方案设计是整个设计的核心，是关键的第一步。要通过广泛的调研和反复的论证来确定控制方案，它包括被控变量的选择与确认、操纵变量的选择与确认、检测点的初步选择及系统组成、绘制出带控制点的工艺流程图和编写初步控制方案设计说明书等。3.2.1控制方案的选定从上面的模型可知，该系统是一个有时间延迟的二阶系统，自身不稳定。若按单回路方法设计控制系统，则因作用于系统的扰动要经过一个滞后时间才能使被控量有所反应，而调节器的控制作用又不能及时反映出来，因此将导致控制过头，产生振荡。理论分析表明，用单回路方法对上述过程进行控制是难以奏效的。该分析结果，也得到实验证实，经现场反复调试得知，在有干扰作用或给定值变化的情形下，系统是无法稳定的。而且由于该串联式双容液位过程两贮槽串联而存在容量滞后，这些因素致使单回路控制方案难以实施。与单回路方案相比，串级控制系统具有明显优点，在克服容量滞后和纯滞后对控制质量的影响方面有其独到之处，据此设计了如图3.3所示的串级控制系统。该控制系统在结构上形成了两个闭环。一个闭环在里面，被称为副回路；一个闭环在外面，被称为主回路，以最终保证被调量满足工艺要求。这种由两个调节器串接在一起控制一个调节阀的系统就叫做串级控制系统。主调节器具有自己独立的设定值，它的输出作为副调节器的设定值，而副调节器的输出信号则是送到调节阀去控制生产过程。串级控制系统只比简单控制系统增加了一个测量变送元件和一个调节器，但是控制效果却有显著的提高，具有较好的控制性能，能够改善对象的动态特性，提高系统的工作频率，对负荷或操作条件的变化也有一定的自适应能力。图3.3串级控制系统方框图3.2.2串级控制系统的特点串级控制系统适用于时间常数及纯滞后较大的对象串级系统与单回路系统的区别在于前者可获得可测中间变量，并利用它构成副反馈回路，对影响中间变量的干扰进行预先调节，从而改善整个系统的动态品质串级控制系统在提高系统控制质量方面主要表现在：1)对进人副回路的二次干扰有很强的克服能力；2)改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率；3)串级控制系统减小了对象时间常数；4)对负荷或操作条件的变化有较强的适应能力串级控制系统的抗干扰能力、快速性、适应性和控制质量都比单回路要好，一般应用在下列情况：1)控制通道纯延迟时间较长；2)对象容量滞后大；3)负荷变化大，被控对象又具有非线性；4)系统存在变化剧烈的干扰 3.2.3串级控制系统的设计相比单回路控制系统的设计过程，串级控制系统的设计也较为简单，其主要包括以下几项：主、副参数的选择及主、副回路设计；比例、积分及微分控制规律的选择；控制算法的确定。1.主、副参数和主、副回路的选择串级控制系统的设计主要是主、副参数的选择和主、副回路的设计以及主、副回路关系的考虑。(1) 主参数的选择和主回路的设计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选择作主参数。若条件许可，可以选用质量指标作为主参数，因为它最直接也最有效。否则应选用一个与产品质量有单值函数关系的参数作为主参数。另外，对于选用的主参数必须具有足够的灵敏度，并符合工艺过程的合理性。所以在此选择下水箱液位高度为主参数，而由其所构成的回路也即为主回路，如图3.3中的外回路即为主回路。(2) 副参数的选择和副回路的设计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(并可能多的把其它一些扰动)包括在副回路中，以尽量减少对主参数的影响，提高主参数的控制质量。在选择副参数进行副回路设计时，必须注意主、副过程时间常数的匹配问题。因为它是串级控制系统正常运行的主要条件，是保证安全生产、防止共振的根本措施。所以在此选择上水箱液位高度为副参数，而由其所构成的回路也即为副回路，如图3.3中的内回路即为副回路。2控制规律的选择调节器控制规律通常指比例(P)、积分(I)、微分(D)控制规律。PID控制规律以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。以下就比例、积分、微分控制规律做简要介绍。比例(P)控制：比例控制是一种最简单的控制方式。对偏差进行控制，偏差一旦产生，控制器立即就发生作用即调节控制输出，使被控量朝着减小偏差的方向变化，偏差减小的速度取决于比例系数Kp，Kp越大偏差减小的越快，但是很容易引起振荡，尤其是在迟滞环节比较大的情况下，Kp减小，发生振荡的可能性减小但是调节速度变慢。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。积分(I)控制：控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。实质上就是对偏差累积进行控制，直至偏差为零。积分控制作用始终施加指向给定值的作用力，有利于消除静差，其效果不仅与偏差大小有关，而且还与偏差持续的时间有关。在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 微分(D)控制：控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后组件，它能预测误差变化的趋势，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。它能敏感出误差的变化趋势，可在误差信号出现之前就起到修正误差的作用，有利于提高输出响应的快速性，减小被控量的超调和增加系统的稳定性。但微分作用很容易放大高频噪声，降低系统的信噪比，从而使系统抑制干扰的能力下降。这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。而在实际应用时通常需要综合各方面的因素去考虑各种控制规律的选择，这样才可达到既经济又实用的效果。虽然PID控制规律综合了各种控制规律的优点，具有较好的控制性能，但这并不意味着它在任何情况下都是最合适的。只有根据被控对象的特性，合理选择比例度、积分时间和微分时间，才能获得较高的控制质量。各类生产过程常用的控制规律如下：液位：一般要求不高，用P或PI控制规律；流量：时间常数小，测量信息中杂有噪声，用PI或加反微分控制规律；压力：介质为液体的时间常数小，介质为气体的时间常数中等，用P或则控制规律；温度：容量滞后较大，用PID控制规律。 在串级控制系统中，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，副控制器对主控制器输出起随动控制作用，而对扰动作用起定值控制作用。因此，主被控变量要求无余差，副被控变量却允许在一定范围内变动。这是选择控制规律的基本出发点。一般主控制器可采用比例、积分两作用或比例、积分、微分3作用控制规律，副控制器采用单比例作用或比例积分作用控制规律即可。而在双容水箱液位控制系统中，又存在着一定的容量滞后，所以综上所述在此系统中，主回路选择比例、积分、微分控制规律，而副回路只需单纯的比例控制即可。3.控制算法的确定(1)增量型PID算法增量型PID算法中调节器输出的是一个变化量，是当前计算值和上一次计算值得差，当控制回路稳定即偏差为零时控制器的输出也为零，它一般被用于控制步进电机。其具体表达式如下： 式(3-1)式中，u(k)对应于两次采样时间间隔内控制阀开度的变化量，可通过步进电动机等累积机构，将其转换成模拟量。采用增量式PID控制算法时，可以从手动时的u(k-1)出发，直接计算出投入自动运行时控制器应有的输出变化量u(k)，从而方便了手动自动切换。另外，由于这种算法对偏差不加以累积，从而不会引起积分饱和现象。因此，在实际中较多使用该算法。(2)位置型PID算法在过程控制中通常选用位置型PID算法，其具体算法如下； 式(3-2)式中，为积分系数，；为微分系数，；为采样间隔时间(也常用Ts表示)。注意到，u(k)不是控制器的输出的变化量，而是其实际的输出，经过数模(D/A)转换后的模拟信号与阀门的位置一一对应，故有位置式之称；每次需计算阀的绝对位置；控制器输出需与数字式控制阀连接，否则需经D/A转换成模拟量，并需保持电路将输出信号保持到下一采样时刻；需采用必要措施来防止积分饱和及进行手动或自动切换。在此，可以利用增量的概念对位置型算式作些改进，即可得位置型PID控制算式的递推算法。具体算法如下： 式(3-3)此式即为最终所选定的PID控制算法。3.2.4计算机串级控制算法实施在选定控制算法后，便可设计串级PID控制算法，其计算顺序是先主回路后副回路，计算步骤为：(1)计算主回路的偏差 式(3-4)(2)计算主调节器的位置输出 式(3-5)(3)计算副回路的偏差 式(3-6)(4)计算副调节器的位置输出 式(3-7) (5) 在扰动大的场合，可能导致计算机的输出突然大范围跳动，超过执行机构的工作范围，不利于安全操作。此时要考虑输出限幅。在此将限制在0-1000的范围内。每个采样周期计算一次，并将副调节器的输出送D/A转换器，经D/A转换成模拟信号驱动执行机构，去控制被控对象。当执行机构可接受数字信号时，则可不必进行D/A转换，直接将限幅后的送往执行机构。串级PID控制算法的具体流程如图3.4所示。图3.4串级PID控制算法流程图3.2.5液位串级控制系统工作过程经过对液位控制系统分析并确定了控制方案之后，可得到如图3.5所示的液位串级控制系统工艺流程图。液位串级控制系统是以实验室的水箱作为工业被控过程，其基本工作过程为，当下水箱液位发生变化时，由液位变送器L2T检测到该信号，并输出1-5V标准电压信号到主液位控制器L2C，再和给定值sp作比较，将比较后的偏差结果输出作为副控制器L1C的设定值，而副液位变送器L1T将所检测的上水箱的液位值输出给副控制器，这样在L1C中按照预定的控制规律运算，最后输出信号控制电动调节阀的开度，以实现水箱液位的控制控制。图3.5液位控制系统工艺流程图3.3液位控制系统参数整定调节器参数的整定是过程控制系统设计的核心内容之一。它的目的是：根据被控过特性确定调节器的比例度、积分时间TI以及微分时间TD的大小。在简单过程控制系统中、调节器参数整定通常以系统瞬态响应的衰减率为0.750.9(对应衰减比为4：110：1)为主要指标，以保证系统具有一定的稳定裕量(对于大多数过程控制系统来说，系统过渡过程的瞬态响应曲线达到4：1的衰减比状态时，则为最佳的过程曲线)；此外，在满足4：1主要指标的条件下，还应尽量满足系统的稳态误差(又称静差、余差)、最大动态偏差(超调)和过渡过程时间等其它指标。由于不同的过程控制系统对控制品质的要求有不同的侧重点，也有用系统响应的平方误差积分(ISE)、绝对误差积分(IAE)、时间乘以绝对误差的积分(ITAE)分别取极小作为指标来整定调节器参数的。调节器参数整定的方法很多，概括起来可以分为两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，采用控制理论中的根轨迹法，频率特性法等，经过理论计算确定调节器参数的数值。这种方法不仅计算繁琐，而且过分依赖数学模型，所得到的计算数据未必可直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。因此，理论计算整定法除了有理论指导意义外，工程实际中较少采用：二是工程整定方法，它主要依靠工程经验，直接在过程控制系统的实验中进行，量方法简单、易于掌握，相当实用，从而在工程实际中被广泛采用。调节器参数的工程整定方法，主要有临界比例度法、反应曲线法和衰减曲线法。 3.3.1Kp、Ti、Td对控制质量的影响(1) 比例系数 KP增大比例系数KP能加快系统的响应速度，在有静差系统中有利于减小静差，但加大比例系数只能减小静差，却不能从根本上消除静差。而且过大的比例系数会使系统产生超调，并产生振荡或使振荡次数增多，使调节时间加长，并使系统稳定性变坏或使系统变得不稳定。比例系数太小，又会使系统的动作迟缓。(2) 积分时间常数 TI积分控制通常与比例控制或比例微分控制联合使用，构成PI或 PID控制。增大积分时间常数 TI(积分变弱)有利于减小超调，减小振荡，使系统更稳定，但同时要延长系统消除静差的时间。积分时间常数太小会降低系统的稳定性，增大系统的振荡次数。(3) 微分时间常数TD微分控制也和比例控制和比例积分控制联合使用，组成 PD或 PID控制。微分控制可改善系统的动态特性，如减小超调量，缩短调节时间，允许加大比例控制，使稳态误差减小，提高控制精度。但应当注意，微分时间常数TD 偏大或偏小时，系统的超调量仍然较大，调节时间仍然较长，只有合适的微分时间常数，才能获得比较满意的过渡过程。此外，微分作用也使得系统对扰动变得敏感。从PID控制器的三个参数的作用可以看出三个参数直接影响控制效果的好坏，所以要取得较好的控制效果，就必须对比例、积分、微分三种控制作用进行调节。总之，比例主要用于偏差的“粗调”，保证控制系统的“稳”；积分主要用于偏差的“细调”，保证控制系统的“准”；微分主要用于偏差的“细调”，保证控制系统的“快”。3.3.2几种工程整定方法介绍 1临界比例度法这是一种闭环整定方法。由于该方法直接在闭环系统中进行，不需要测试过程的动态特性，因而方法简单，使用方便，获得了广泛的应用。具体步骤如下：(1)先将调节器的积分时间TI置于最大(TI=)，微分时间TD置零(TD0)，比例带置为较大的数值，使系统投入闭环运行。(2)待系统运行稳定后，对设定值施加一个阶跃扰动，并减小，直到系统出现如图5.1所示的等幅振荡。记录下此时的k (临界比例带)和等幅振荡周期Tk。 (3)根据所记录的的k和Tk，按表5.1给出的经验公式计算出调节器的P、TI及TD参数。图3.5 系统的临界振荡表3.1 采用临界比例度法整定参数整定参数调 调节规律（%）TITDP2PI2.20.85PID1.70.50.1252衰减曲线法这种方法与临界比例度法相类似，所不同的是无需出现等幅振荡过程。具体方法如下：(1) 先置调节器积分时间TI=，微分时间TD0，比例带置于较大数值，将系统投入运行。(2) 待系统工作稳定后，对设定值作阶跃扰动，然后观察系统的响应。总响应振荡衰减太快，就减小比例带；反之，则增大比例带。如此反复，直到出现如图3.6a所示的衰减比为4：1的振荡过程、或者如图3.6b所示的衰减比为10：1的振荡过程时，记录下此时的值(设为)，以及的值(如图3.6a中所示)，或者值(如图3.6b中所示)。图3.6衰减曲线法参数整定曲线表3.2 衰减曲线法整定计算公式衰减率整定参数调节规律（%）TITD0.75PPI1.20.5TSPID0.80.3 TS0.1 TS0.90PPI1.22TrPID0.81.2Tr0.4 Tr(3) 按表3.2中所给的经验公，计算、TI及TD；Ts为衰减振荡周期Tr为响应上升时间。衰减曲线法对多数过程都适用该方法的最大缺点是较难推确确定4：1(或10：1)的衰减程度，从而较难得到准确的s值和Ts(或Tr)值。3.反应曲线法这是一种开环整定方法，即利用系统广义过程的阶跃响应特性曲线对调节器参数进行整定。具体做法是：对图3.7所示系统，先使系统处于开环状态，再在调节阀Gv(S）的输人端施加一个阶跃信号，记录下测量变送环节Gm（S）的输出响应曲线y(t)。根据这个阶跃响应试验曲线将广义被控过程的传递函数近似表示如下图所示。 图3.7求广义过程阶跃响应曲线示意图对于无自衡能力的广义过程，传递函数可写为 对于有自衡能力的广义过程、传递函数可写为根据阶跃响应试验曲线得广义过程的传递函数以后，可以分别按表3.3、表3.4中的近似经验公式计算调节器的参数。 a)无自衡能力过程 b)有自谢能力过程图3.8 广义过程的单位阶跃响应曲线表3.3 =0.75过程无自衡能力时的整定计算公式调节规律Gc（S）（%）TIPPI1.13.3PID0.852表3.4 =0.75过程有自衡能力时的整定计算公式调节规律Gc（S）/T00.20.2/T01.5TITDTITDPPI3.30.8T0PID20.50.8T0+0.190.25TI3.3.3串级控制系统的参数整定串级系统的整定比单回路复杂。因为两个调节器串在一起工作，各回路之间相互联系，相互影响。改变主、副调节器中的任何一个整定参数，对主、副回路的过渡过程都有影响，这种影响程度取决于主、副对象的动态特性、而且待整定的参数比单回路多，因此，串级系统的整定必然比较困难和繁琐。串级控制系统常用的工程整定方法有：两步整定法和一步整定法。以下做具体介绍。1两步整定法两步整定法是第一步整定副回路的副调节器，第二步整定主回路的主调节器的串级系统整定方法。(1) 先整定副回路。在系统工作状况稳定，主、副回路主调节器在纯比例作用的条件下，将主调节器的比例带置于100%处，按照单回路系统的整定方法来整定副回路。逐渐降低副调节器的比例带，如用4：1衰减法来整定副回路，则求出副参数在4：1衰减时的副调节器比例带2 S和操作周期T2 0。(2) 整定主回路。使副调节器比例带置于2 S的数值上，逐渐降低主调节器的比例带1 S，求出同样衰减比时主回路的过渡过程曲线，记录此时主调节器的比例带1 S和操作周期T1 0。将上述步骤中求出的1 S、T1 0、2 S、T2 0 ,根据选用的调节器类型，按照4：1衰减曲线的整定方法，求出主、副调节器的整定参数。(3) 按照“先副后主、先比例次积分后微分”的原则，将计算得出的调节器参数置于各调节器之上。(4) 加干扰实验进行验证，观察过程参数值，直至记录曲线符合控制要求为止。2一步整定法(1) 在系统工作状况稳定，主、副回路主调节器在纯比例作用的条件下，按表 3.1 “一步法比例带经验值表”所列数值，将副调节器调节到适当的经验值上。表3.5一步法比例带经验值表副参数比例带2放大倍数KC 2温度206051.7压力307031.4流量40802.51.25液位208051.25(2) 利用单回路控制系统的参数整定方法来整定主调节器参数。(3) 加干扰试验进行验证，观察过渡过程曲线，根据KC 1、KC 2相匹配的原理，适当调整调节器参数，使主参数控制精度最好。(4) 如果出现振荡现象，只要适当加大主、副调节器的任意一个比例带，即可消除振荡。第四章 组态软件设计组态软件作为用户可定制功能的软件平台工具，是随着分布式控制系统（DCS）、PC总线控制机及计算机控制技术的日趋成熟而发展起来的。组态软件是一种面向工业自动化的通用数据采集和监控软件，即SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）软件，亦称人机界面或HMI/MMI（Hum Machine Interfac/Man Machine Interface）软件，“组态(Configure)”的含义是“配置”、“设定”、“设置”等意思，是指用户通过类似“搭积木”的简单方式来完成自己所需要的软件功能，而不需要编写计算机程序，也就是所谓的“组态”。它有时候也称为“二次开发”，组态软件就称为“二次开发平台”。“监控（Supervisory Control）”，即“监视和控制”，是指通过计算机信号对自动化设备或过程进行监视、控制和管理。组态软件能够实现对自动化过程和装备的监视和控制。它能从自动化过程和装备中采集各种信息，并将信息以图形化等更易于理解的方式进行显示，将重要的信息以各种手段传送到相关人员，对信息执行必要分析处理和存储，发出控制指令等等。 组态软件提供了丰富的用于工业自动化监控的功能，用户根据自己工程的需要进行选择、配置等较为简单的工作来建立自己所需要的监控系统。组态软件和行业无关,它可以广泛应用于机械、钢铁、汽车、包装、矿山、水泥、造纸、水处理、环保监测、石油化工、电力、纺织、冶金、智能建筑、交通、食品、智能楼宇、实验室等等凡是涉及自动化监控的任何场合。组态软件既可以完成对小型的自动化设备的集中监控，也能由互相联网的多台计算机完成复杂的大型分布式监控。还可以和工厂的管理信息系统有机整合起来，实现工厂的综合自动化和信息化。4.1“组态王”简介“组态王”是在PC机上建立工业控制对象人机接口的一种智能软件包，它Windows98/Windows 2000/ Windows NT4.0中文操作系统作为其操作平台，具有图形功能完备，界面一致友好，易学易用的特点。该软件包由工程管理器(ProjManager)、工程浏览器(TouchExplorer)、画面运行系统(TouchView)三部分组成。ProjManager用于新建工程、工程管理，并能对已有工程进行搜索、备份及有效恢复，实现数据字典的导入和导出。TouchExplorer是“组态王”软件的核心部分和管理开发系统，是应用工程的开发环境，内嵌画面开发系统，可完成对画面的设计、动画的连接等工作。TouchView是“组态王”软件的实时运行环境，用于显示画面开发系统中建立的动画图形画面，并负责数据库与I/O服务程序的数据交换,通过实时数据库管理从一组工业控制对象采集到的各种数据，并把数据的变化用动画的方式形象地表示出来，同时完成报警、历史记录、趋势曲线等监视功能，并可生成历史数据文件。在TouchExplorer的画面开发系统中设计开发的画面应用程序必须在TouchView运行环境中才能运行。4.2组态画面的建立4.2.1建立工程单击“开始”-“程序”-“组态王6.51”-“组态王”，在“组态王工程管理器”窗口中建立名称为“双容水箱液位控制系统”的工程，最后单击“完成”按钮，并且在出现的“是否将新建的工程设置为组态王当前工程” 的话框中单击“是”按钮，完成了工程的建立，如图4.1所示。此时，组态王在d:根目录下建立了一个“双容水箱液位控制系统”子目录，以后进行的组态工作的所有数据都将储存在这个目录中。图4.14.2.2设备配置在组态王工程管理器中，双击已建立的“双容水箱液位控制系统”工程，启动组态王的“工程浏览器”，如图4.2所示。图4.2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(如图4.3a所示)：波特率为9600bs，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。 a b图4.3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”。如（图4.3 b）。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”，单击“下一步”按钮，在下一个出现的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4.4。图4.44.2.3变量定义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。(1) 单击“