基于MGCS的双容液位控制系统分析研发

题 目： 基于MCGS的双容 液位控制系统研究 目录1绪论21.1课题的提出21.2液位控制器的特点及作用21.2.1液位控制器的特点21.2.2液位控制器的作用21.3液位控制的意义及发展前景22 THSA-1型过控综合自动化控制系统简介32.1 概述32.2 系统总体说明32.2.1被控对象42.2.2检测装置52.2.3执行机构62.3系统实验平台62.3.1控制屏组件72.3.2智能仪表控制组件83 MCGS组态软件的介绍103.1 什么是MCGS组态软件103.2 MCGS组态软件的系统构成103.3 MCGS组态软件的功能和特点113.4 MCGS组态软件的工作方式123.5本章总结124 双容液位控制系统分析134.1 基于MCGS的双容液位控制实验原理134.2基于MCGS的双容液位控制系统建模134.3实验内容与步骤154.4 基于MCGS的双容液位控制系统实验截图164.5 实验结论185 系统的PID参数整定195.1 PID概述195.2 控制器参数整定195.3 PID参数的确定205.3.1选择参数205.3.2实验凑试法205.3.3整定比例控制215.3.4整定积分环节215.3.5整定微分环节215.4 系统特性测试225.5本章小结226 基于MCGS的双容液位控制系统研究结论236.1双容液位控制系统的特点236.2将来可能改进的方法23参考文献：24谢 辞25基于MCGS的双容液位控制系统研究 摘 要：在化学工业生产中，液位控制是一项非常重要的环节。本论文以过程综合自动化控制系统实验平台为研究背景，以智能仪表控制方法为主要工具，进行双容液位控制方法研究。随着科学技术的不断发展人们开始利用各种先进的仪器和技术组成计算机控制系统来代替人工复杂的控制操作，智能仪表控制便是其中一种非常好的控制方法。集自动控制技术、计算机技术、通信技术为一体的数字式控制智能控制一般具有极其丰富的运算功能，且使用灵活方便、图形或数字显示形象直观、运行安全可靠等优点，智能控制仪表越来越广泛的被应用于工业控制领域。 在控制算法方面，通过该实验平台并用智能仪表构成控制系统回路。然后根据系统具体的控制要求选择不同的控制算法，主回路选择PI调节器，副回路选择P调节器来实现对系统的整体控制，并通过工程整定法对调节器参数进行整定，使系统在正常工作的情况下很快进入稳定状态，达到令人满意的效果。 本课题的研究，有利于使我们掌握过程控制的一些基本知识和算法，为理论联系实际提供了良好的试验环境。关键词：液位控制 智能仪表控制 双容位液控制 PID控制Abstract:In the chemical industrial production, liquid level control is a very important link. This thesis to process integrated automation control system experimental platform for the research background, intelligent instrument control method for the main tools, carries on the double let level control method. Along with the science and technology unceasing development people began to use all sorts of advanced equipment and technology of computer control system to replace artificial complex control operation, intelligent instrument control is one of the very good control method. Integrating automatic control technology, computer technology, communication technology for the integration of digital control intelligent control is extremely rich operations commonly function and use agile and convenient, graphics or digital display image intuitive, safe and reliable operation, the intelligent control instrument advantages are widely applied in the industrial control area. At the appearance calculation road that control, has been should experiment the flat ground goes to offset the intelligence to appear to draw up to control the system behind of track .Then request to choose the different controlcalculation road according to the system of concrete control, the main part track choice PI modulator of behind, bad habit- the track choice the P modulator of behind arrive to complete all controls toward system, and carry on the back the long method of arrive to continue to open the exhibition to all of the modulator parameters to carry on the back the long through all of the engineering, make the system input the stable emergence very soon under the regular work of condition, attain the virtuous result. The research of this topic, is beneficial to make we control some basic knowledge and the calculation road that process controls, the contact arrives the supply for the sake of the theories good and try at court the environment body last.Key word: the control of the liquid; the string class control; the intelligence appears the control; the PID control1绪论1.1课题的提出人们生活以及工业生产经常涉及到液位和流量的控制问题，例如饮料、食品加工，居民生活用水的供应，溶液过滤，污水处理，化工生产等多种行业的生产加工过程，通常要使用蓄液池。蓄液池中的液位需要维持合适的高度，太满容易溢出造成浪费，过少则无法满足需求。因此，需要设计合理的控制器自动调整蓄液池的进出流量。这些不同背景的实际问题都可以简化为某种水箱的液位控制问题。因此液位是工业控制过程中一个重要的参数。液位控制是工业中常见的过程控制，它对生产的影响不容忽视。单容液位控制系统具有非线性，滞后，耦合等特征，能够很好的模拟工业过程特征。基于此，本论文提出并将对双容液位控制系统做一个系统研究。1.2液位控制器的特点及作用1.2.1液位控制器的特点外形小巧紧凑，适合柜内导轨安装。 就地液位控制或报警。 可以检测调节阀的工作状态，关闭严不严(有无泄漏)。用于给排水控制的双电极液位控制器 1.2.2液位控制器的作用进液控制 液位低于下限时,继电器吸合,红色报警灯亮；液位高于上限时,继电器断开,红色报警灯灭排液控制 液位高于上限时,继电器吸合,红色报警灯亮；液位低于下限时,继电器断开,红色报警灯灭1.3液位控制的意义及发展前景在动态的状态下，采用合适的方法对液位进行检测、控制，能收到很好的生产效果。随着电子技术及计算机技术的发展，液位检测的自动控制成为其今后的发展趋势，控制过程的自动化处理以及监控软件良好的人机界面，操作人员在监控计算机上能根据控制效果及时修改运行参数，这样能有效的减少工人的疲劳和失误，提高生产过程的实时性、安全性。 随着计算机控制技术应用的普及、可靠性的提高及价格的下降，液位检测的PID控制必将得到更加广泛的应用。2 THSA-1型过控综合自动化控制系统简介2.1 概述“THSA-1型过控综合自动化控制系统实验平台”是由实验控制对象、实验控制台及上位监控PC机三部分组成。本装置结合了当今工业现场过程控制的实际，是一套集自动化仪表技术、计算机技术、通讯技术、自动控制技术及现场总线技术为一体的多功能实验设备。该系统包括流量、温度、液位、压力等热工参数，可实现系统参数辨识，单回路控制，串级控制，前馈-反馈控制，滞后控制、比值控制，解耦控制等多种控制形式。具有如下特点：真实性、直观性、综合性强，控制对象组件全部来源于工业现场。被控参数全面，涵盖了连续性工业生产过程中的液位、压力、流量及温度等典型参数。具有广泛的扩展性和后续开发功能，所有I/O信号全部采用国际标准IEC信号。具有控制参数和控制方案的多样化。通过不同被控参数、动力源、控制器、执行器及工艺管路的组合可构成几十种过程控制系统实验项目。各种控制算法和调节规律在开放的实验软件平台上都可以实现。实验数据及图表在上位机软件系统中很容易存储及调用，以便实验者进行实验后的比较和分析。多种控制方式：可采用AI智能仪表控制、DCS分布式控制、S7-200或S7-300PLC可编程控制、DDC远程数据采集控制等多种控制方式。充分考虑了各大高校自动化专业的大纲要求，完全能满足教学实验、课程设计、毕业设计的需要，同时学生可自行设计实验方案，进行综合性、创造性过程控制系统实验的设计、调试、分析，培养学生的独立操作、独立分析问题和解决问题的能力。同时本实验装置具有如下安全保护体系：1三相四线制总电源输入经带漏电保护装置的三相四线制断路器进入系统电源之后又分为一个三相电源支路和三个不同相的单相支路，每一支路都带有各自三相、单相断路器。总电源设有三相通电指示灯和380V三相电压指示表，三相带灯熔断器作为断相指示。2控制屏上装有一套电压型漏电保护和一套电流型漏电保护装置。3控制屏设有服务管理器（即定时器兼报警记录仪），为学生实验技能的考核提供一个统一的标准。4各种电源及各种仪表均有可靠的自保护功能。5强电接线插头采用封闭式结构，以防止触电事故的发生。6强弱电连接线采用不同结构的插头、插座，防止强弱电混接。2.2 系统总体说明本实验装置1对象主要由水箱、锅炉和盘管三大部分组成。供水系统有两路：一路由三相（380V恒压供水）磁力驱动泵、电动调节阀、直流电磁阀、涡轮流量计及手动调节阀组成；另一路由变频器、三相磁力驱动泵（220V变频调速）、涡轮流量计及手动调节阀组成。 2-1 实验对象总貌图2.2.1被控对象由不锈钢储水箱、（上、中、下）三个串接有机玻璃水箱、4.5KW三相电加热模拟锅炉(由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭式锅炉夹套构成)、盘管和敷塑不锈钢管道等组成。水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和储水箱。上、中、下水箱采用淡蓝色优质有机玻璃，不但坚实耐用，而且透明度高，便于学生直接观察液位的变化和记录结果。上、中水箱尺寸均为：D=25cm，H=20cm；下水箱尺寸为：D=35cm，H=20cm。水箱结构独特，由三个槽组成，分别为缓冲槽、工作槽和出水槽，进水时水管的水先流入缓冲槽，出水时工作槽的水经过带燕尾槽的隔板流入出水槽，这样经过缓冲和线性化的处理，工作槽的液位较为稳定，便于观察。水箱底部均接有扩散硅压力传感器与变送器，可对水箱的压力和液位进行检测和变送。上、中、下水箱可以组合成一阶、二阶、三阶单回路液位控制系统和双闭环、三闭环液位串级控制系统。储水箱由不锈钢板制成，尺寸为：长宽高=68cm5243，完全能满足上、中、下水箱的实验供水需要。储水箱内部有两个椭圆形塑料过滤网罩，以防杂物进入水泵和管道。模拟锅炉：利用电加热管加热的常压锅炉，包括加热层（锅炉内胆）和冷却层（锅炉夹套），均由不锈钢精制而成，可利用它进行温度实验。做温度实验时，冷却层的循环水可以使加热层的热量快速散发，使加热层的温度快速下降。冷却层和加热层都装有温度传感器检测其温度，可完成温度的定值控制、串级控制，前馈-反馈控制，解耦控制等实验。模拟工业现场的管道输送和滞后环节，长37米（43圈），在盘管上有三个不同的温度检测点，它们的滞后时间常数不同，在实验过程中可根据不同的实验需要选择不同的温度检测点。盘管的出水通过手动阀门的切换既可以流入锅炉内胆，也可以经过涡轮流量计流回储水箱。它可用来完成温度的滞后和流量纯滞后控制实验。整个系统管道由敷塑不锈钢管连接而成，所有的手动阀门均采用优质球阀，彻底避免了管道系统生锈的可能性。有效提高了实验装置的使用年限。其中储水箱底部有一个出水阀，当水箱需要更换水时，把球阀打开将水直接排出。2.2.2检测装置压力传感器、变送器：三个压力传感器分别用来对上、中、下三个水箱的液位进行检测，其量程为05KP，精度为0.5级。采用工业用的扩散硅压力变送器，带不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。采用标准二线制传输方式，工作时需提供24V直流电源，输出：420mADC。温度传感器：装置中采用了六个Pt100铂热电阻温度传感器，分别用来检测锅炉内胆、锅炉夹套、盘管（有3个测试点）以及上水箱出口的水温。Pt100测温范围：-200+420。经过调节器的温度变送器，可将温度信号转换成420mA直流电流信号。Pt100传感器精度高，热补偿性较好。流量传感器、变送器：三个涡轮流量计分别用来对由电动调节阀控制的动力支路、由变频器控制的动力支路及盘管出口处的流量进行检测。它的优点是测量精度高，反应快。采用标准二线制传输方式，工作时需提供24V直流电源。流量范围：01.2m3/h；精度：1.0%；输出：420mADC。2.2.3执行机构电动调节阀：采用智能直行程电动调节阀，用来对控制回路的流量进行调节。电动调节阀型号为：QSVP-16K。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、操作方便等优点，电源为单相220V，控制信号为420mADC或15VDC，输出为420mADC的阀位信号，使用和校正非常方便。水泵：本装置采用磁力驱动泵，型号为16CQ-8P，流量为30升/分，扬程为8米，功率为180W。泵体完全采用不锈钢材料，以防止生锈，使用寿命长。本装置采用两只磁力驱动泵,一只为三相380V恒压驱动，另一只为三相变频220V输出驱动。电磁阀：在本装置中作为电动调节阀的旁路，起到阶跃干扰的作用。电磁阀型号为：2W-160-25 ；工作压力：最小压力为0Kg/2，最大压力为7Kg/2 ；工作温度：580；工作电压：24VDC。三相电加热管：由三根1.5KW电加热管星形连接而成，用来对锅炉内胆内的水进行加温，每根加热管的电阻值约为50左右。2.3系统实验平台“THSA-1型过控综合自动化控制系统实验平台”主要由控制屏组件、智能仪表控制组件、远程数据采集控制组件、DCS分布式控制组件、PLC控制组件等几部分组成。2.3.1控制屏组件 SA-01电源控制屏面板充分考虑人身安全保护，装有漏电保护空气开关、电压型漏电保护器、电流型漏电保护器。图1-2为电源控制屏示意图。合上总电源空气开关及钥匙开关，此时三只电压表均指示380V左右，定时器兼报警记录仪数显亮，停止按钮灯亮。此时打开照明开关、变频器开关及24V开关电源即可提供照明灯，变频器和24V电。按下启动按钮，停止按钮灯熄，启动按钮灯亮，此时合上三相电源、单相、单相、单相空气开关即可提供相应电源输出，作为其他设备的供电电源。图2-2 电源控制屏示意图 SA-02 I/O信号接口面板该面板的作用主要是通过航空插头（一端与对象系统连接）将各传感器检测信号及执行器控制信号同面板上自锁紧插孔相连，便于学生自行连线组成不同的控制系统。 SA-11交流变频控制挂件采用日本三菱公司的FR-S520S-0.4K-CH(R)型变频器，控制信号输入为420mADC或05VDC，交流220V变频输出用来驱动三相磁力驱动泵。有关变频器的使用请参考变频器使用手册中相关的内容。变频器常用参数设置：P 301；P 531；P 624；P 790三相移相SCR调压装置、位式控制接触器采用三相可控硅移相触发装置，输入控制信号为420mA标准电流信号，其移相触发角与输入控制电流成正比。输出交流电压用来控制电加热器的端电压，从而实现锅炉温度的连续控制。位式控制接触器和AI-708仪表一起使用，通过AI-708仪表输出继电器触点的通断来控制交流接触器的通断，从而完成锅炉水温的位式控制实验。2.3.2智能仪表控制组件 AI智能调节仪表挂件采用上海万迅仪表有限公司生产的AI系列全通用人工智能调节仪表，其中SA-12智能调节仪控制挂件为AI-818型，SA-13智能位式调节仪为AI-708型。AI-818型仪表为PID控制型，输出为420mADC信号；而AI-708型仪表为位式控制型，输出为继电器触点型开关量信号。AI系列仪表通过RS485串口通信协议与上位计算机通讯，从而实现系统的实时监控。AI仪表常用参数设置：CtrL：控制方式。CtrL0，采用位式控制；CtrL1，采用AI人工智能调节/PID调节；CtrL2，启动自整定参数功能；CtrL3，自整定结束。Sn：输入规格。Sn21，Pt100热电阻输入；Sn32，0.21VDC电压输入；Sn33，15VDC电压输入。DIL：输入下限显示值，一般DIL0。DIH：输入上限显示值。输入为液位信号时，DIH50.0；输入为热电阻信号时，DIH100；输入为流量信号时，DIH100。OP1：输出方式，一般OP14为420mA线性电流输出。CF：系统功能选择。CF0为内部给定，反作用调节；CF1为内部给定，正作用调节；CF8为外部给定，反作用调节；CF9为外部给定，正作用调节。Addr：通讯地址。单回路实验Addr1；串级实验主控为Addr1，副控为Addr2；三闭环实验主控为Addr1，副控为Addr2，内环为Addr3。实验中各仪表通讯地址不允许相同。P、I、D参数可根据实验需要调整，其他参数请参考默认设置。有关AI系列仪表的使用请参考说明书上相关的内容。 SA-14比值、前馈补偿及解耦装置挂件比值、前馈补偿装置同调节器一起使用，其原理如图1-3所示。上面一路作为比值器，输入电压经过电压跟随器、反相比例放大器、反相器输出05V电压，可以实现流量的单闭环比值、双闭环比值控制系统实验；当上面一路作为干扰输入，下面一路作为调节器输出时，两路相加或相减（通过钮子开关切换），再经过I/V变换输出420mA电流，这部分构成一个前馈补偿器，可以实现液位与流量、温度与流量的前馈-反馈控制系统实验。图2-3 比值、前馈补偿器原理图解耦装置同调节器一起使用，其原理如图1-4所示。上面一路的输入对输出的影响，以及下面一路的输入对输出的影响均为1：1的关系；两路之间相互的影响通过可调比例放大器及加法器实现。值得注意的是上面一路对下面一路的影响可通过钮子开关选择相加或相减，可以实现锅炉内胆与锅炉夹套的温度、上水箱液位与出口水温的解耦控制系统实验。图2-4 解耦装置原理图3 MCGS组态软件的介绍3.1 什么是MCGS组态软件MCGS(Monitor and Control Generated System)是一套基于Windows平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，可运行于Microsoft Windows 95/98/Me/NT/2000等操作系统。 MCGS为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台，能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出以及企业监控网络等功能。 使用MCGS，用户无须具备计算机编程的知识，就可以在短时间内轻而易举地完成一个运行稳定，功能全面，维护量小并且具备专业水准的计算机监控系统的开发工作。 MCGS具有操作简便、可视性好、可维护性强、高性能、高可靠性等突出特点，已成功应用于石油化工、钢铁行业、电力系统、水处理、环境监测、机械制造、交通运输、能源原材料、农业自动化、航空航天等领域，经过各种现场的长期实际运行，系统稳定可靠。 目前，MCGS组态软件已经成功推出了MCGS通用版组态软件、MCGSWWW网络版组态软件和MCGSE嵌入版组态软件。三类产品风格相同，功能各异，三者完美结合，融为一体，形成了整个工业监控系统的从设备采集、工作站数据处理和控制、上位机网络管理和web浏览的所有功能，很好的实现了自动控制一体化的功能。 3.2 MCGS组态软件的系统构成 MCGS组态软件的整体结构 MCGS软件系统包括组态环境和运行环境两个部分。组态环境相当于一套完整的工具软件，帮助用户设计和构造自己的应用系统。运行环境则按照组态环境中构造的组态工程，以用户指定的方式运行，并进行各种处理，完成用户组态设计的目标和功能。 MCGS组态软件（以下简称MCGS）由“MCGS组态环境”和“MCGS运行环境”两个系统组成。两部分互相独立，又紧密相关。 MCGS组态环境是生成用户应用系统的工作环境，由可执行程序McgsSet.exe支持，其存放于MCGS目录的Program子目录中。用户在MCGS组态环境中完成动画设计、设备连接、编写控制流程、编制工程打印报表等全部组态工作后，生成扩展名为.mcg的工程文件，又称为组态结果数据库，其与MCGS 运行环境一起，构成了用户应用系统，统称为“工程” 。 MCGS运行环境是用户应用系统的运行环境，由可执行程序McgsRun.exe支持，其存放于MCGS目录的Program子目录中。在运行环境中完成对工程的控制工作。 MCGS组态软件五大组成部分 MCGS组态软件所建立的工程由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分构成，每一部分分别进行组态操作，完成不同的工作，具有不同的特性。 l 主控窗口：是工程的主窗口或主框架。在主控窗口中可以放置一个设备窗口和多个用户窗口，负责调度和管理这些窗口的打开或关闭。主要的组态操作包括：定义工程的名称，编制工程菜单，设计封面图形，确定自动启动的窗口，设定动画刷新周期，指定数据库存盘文件名称及存盘时间等。 设备窗口：是连接和驱动外部设备的工作环境。在本窗口内配置数据采集与控制输出设备，注册设备驱动程序，定义连接与驱动设备用的数据变量。l l 用户窗口：本窗口主要用于设置工程中的人机交互界面，诸如：生成各种动画显示画面、报警输出、数据与曲线图表等。 l 实时数据库：是工程各个部分的数据交换与处理中心，它将MCGS工程的各个部分连接成有机的整体。在本窗口内定义不同类型和名称的变量，作为数据采集、处理、输出控制、动画连接及设备驱动的对象。 l 运行策略：本窗口主要完成工程运行流程的控制。包括编写控制程序（ifthen脚本程序），选用各种功能构件，如：数据提取、定时器、配方操作、多媒体输出等。 3.3 MCGS组态软件的功能和特点 与国内外同类产品相比，MCGS组态软件具有以下特点： 全中文、可视化、面向窗口的组态开发界面，符合中国人的使用习惯和要求，真正的32位程序，可运行于Microsoft Windows95/98/Me/NT/2000等多种操作系统。 l 庞大的标准图形库、完备的绘图工具、22种不同形式的渐进色填充功能以及丰富的多媒体支持，使您能够快速地开发出集图像、声音、动画等于一体的丰富多样、精美的工程画面。 l MCGS组态软件不仅增添了在运行环境下支持图形的旋转功能，使您的工程更加生动、逼真，而且在组态环境下也可以对图形进行任意角度的旋转，使您轻松完成难度较大的图形组态工作。 MCGS位图构件主要用于显示静态图像，位图构件不仅可以显示标准的Windows位图文件（即BMP文件），还增加了允许装载其它各种格式图片的功能；l 全新的ActiveX动画构件，包括存盘数据处理、条件曲线、计划曲线、相对曲线、通用棒图等，使您能够更方便、更灵活地处理、显示生产数据。l l 通用性强，支持目前绝大多数硬件设备，每个用户根据工程实际情况，利用通用组态软件提供的底层设备（PLC、智能仪表、智能模块、板卡、变频器等）的I/O Driver、开放式的数据库和画面制作工具，就能完成一个具有动画效果、实时数据处理、历史数据和曲线并存、具有多媒体功能和网络功能的工程，不受行业限制。 l 封装性好（易学易用），MCGS工控组态软件所能完成的功能都用一种方便用户使用的方法包装起来，对于用户，不需掌握太多的编程语言技术（甚至不需要编程技术），简单易学的类Basic脚本语言与丰富的MCGS策略构件，使您能够轻而易举地开发出复杂的流程控制系统。 强大的数据处理功能，能够对工业现场产生的数据以各种方式进行统计处理，使您能够在第一时间获得有关现场情况的第一手数据。l l 方便的报警设置、丰富的报警类型、报警存贮与应答、实时打印报警报表以及灵活的报警处理函数，使您能够方便、及时、准确地捕捉到任何报警信息。 l 完善的安全机制，允许用户自由设定菜单、按钮及退出系统的操作权限。此外，MCGS还提供了工程密码、锁定软件狗、工程运行期限等功能，以保护组态开发者的成果。 强大的网络功能，支持TCP/IP、Modem、485/422/232，以及各种无线网络和无线电台等多种网络体系结构。l l 良好的可扩充性，可通过OPC、DDE、ODBC、ActiveX等机制，方便地扩展MCGS组态软件的功能，并与其他组态软件、MIS系统或自行开发的软件进行连接。 延续性强，用MCGS组态软件开发的应用程序，当现场（包括硬件设备或系统结构）或用户需求发生改变时，不需作很多修改而方便地完成软件的更新和升级；l 采用PLC可编程逻辑控制器工业自动控制装置，它拥有体积小、功能强、程序设计简单、维护方便，所以它有更能适用恶劣工业环境的能力和它的高可靠性；l nTouch系列触模屏作为一种新型的人机界面，是专门面向PLC应用的，功能强大，使用方便，而且应用非常广泛，日益成为现代工业必不可少的设备之一；l 提供了WWW浏览功能，能够方便地实现生产现场控制与企业管理的集成。在整个企业范围内，只使用IE浏览器就可以在任意一台计算机上方便地浏览与生产现场一致的动画画面，实时和历史的生产信息，包括历史趋势，生产报表等等，并提供完善的用户权限控制 3.4 MCGS组态软件的工作方式 lMCGS如何与设备进行通讯：MCGS通过设备驱动程序与外部设备进行数据交换。包括数据采集和发送设备指令。设备驱动程序是由VB、VC程序设计语言编写的DLL（动态连接库）文件，设备驱动程序中包含符合各种设备通讯协议的处理程序，将设备运行状态的特征数据采集进来或发送出去。MCGS负责在运行环境中调用相应的设备驱动程序，将数据传送到工程中的各个部分，完成整个系统的通讯过程。每个驱动程序独占一个线程，达到互不干扰的目的。 l MCGS如何产生动画效果：MCGS为每一种基本图形元素定义了不同的动画属性，如：一个长方形的动画属性有可见度，大小变化，水平移动等，每一种动画属性都会产生一定的动画效果。所谓动画属性，实际上是反映图形大小、颜色、位置、可见度、闪烁性等状态的特征参数。然而，我们在组态环境中生成的画面都是静止的，如何在工程运行中产生动画效果呢？方法是：图形的每一种动画属性中都有一个“表达式”设定栏，在该栏中设定一个与图形状态相联系的数据变量，连接到实时数据库中，以此建立相应的对应关系，MCGS称之为动画连接。详细情况请参阅后面第四讲中的动画连接。 l MCGS如何实施远程多机监控：MCGS提供了一套完善的网络机制，可通过TCP/IP网、Modem网和串口网将多台计算机连接在一起，构成分布式网络监控系统，实现网络间的实时数据同步、历史数据同步和网络事件的快速传递。同时，可利用MCGS提供的网络功能，在工作站上直接对服务器中的数据库进行读写操作。分布式网络监控系统的每一台计算机都要安装一套MCGS工控组态软件。MCGS把各种网络形式，以父设备构件和子设备构件的形式，供用户调用，并进行工作状态、端口号、工作站地址等属性参数的设置。 l 如何对工程运行流程实施有效控制：MCGS开辟了专用的“运行策略”窗口，建立用户运行策略。MCGS提供了丰富的功能构件，供用户选用，通过构件配置和属性设置两项组态操作，生成各种功能模块（称为“用户策略”），使系统能够按照设定的顺序和条件，操作实时数据库，实现对动画窗口的任意切换，控制系统的运行流程和设备的工作状态。所有的操作均采用面向对象的直观方式，避免了烦琐的编程工作。 3.5本章总结在本讲中着重介绍MCGS组态软件的五大部分的概念，明确每一部分的功能，工程组态中的各个部分的实现应在软件哪一部分中完成。MCGS组态软件的运行机制，只需做一般性了解。4 双容液位控制系统分析4.1 基于MCGS的双容液位控制实验原理系统以中水箱与下水箱为被控对象，下水箱的液位高度为系统的被控制量。基于系统的给定量是一定值，要求被控制量在稳态时等于给定量所要求的值，所以调节器的控制规律为PID。本系统的执行元件既可采用电动调节阀，也可用变频调速磁力泵。采用电动调节阀作执行元件，则变频调速磁力泵支路中的手控阀F2-4或F2-5打开时可分别作为中水箱或下水箱的扰动。图4-1 双容液位定值控制系统结构图图4-2 双容液位定值控制系统方框图4.2基于MCGS的双容液位控制系统建模图4-3是两个串联单容水箱构成的双容水箱，其输入量为调节阀1产生的阀门开度变化 ，而输出量为第二个水箱的液位增量2。中详细推出了双容水箱的传递函数3： （4-2-1）图4-3 双容水箱其中 和。为两个水箱的传递系数。设计中通过实验方法测定被控对象中水箱和下水箱在输入阶跃信号后的液位响应曲线和相关参数。使用MATLAB软件对实验数据进行处理，根据最小二乘法原理对响应曲线进行最佳拟合，得到其多项式的表达式，在MATLAB的Workspace中可以查看到中水箱的响应曲线拟合函数为： （4-2-2）下水箱的响应曲线拟合函数为： （4-2-3）对于中水箱，t一次项的系数为0258 74，即函数在零点处( t=0)的切线斜率为k=0258 74。利用切线法，算出传递函数，其开环传递函数为： （4-2-4）对于下水箱，t的一次项的系数为0109 67，即函数在零点处的切线斜率为k=0109 67，利用切线法，算出传递函数，其开环传递函数为： （4-2-5）最终得出控制系统的模型为： （4-2-6）系统控制方案设计本系统控制结构如图4-2所示，主水箱(下水箱)液位具有较大的延迟，进水箱(中水箱)液位具有明显的导前作用，从而构成了以中水箱为副参数，下水箱为主参数的串级控制系统。系统中的副回路可以很快的消除作用于内回路中的各种扰动，当有扰动作用于副对象(中水箱)时，副调节器能在扰动影响主控参数之前动作，及时克服进入副回路扰动；当扰动作用于主对象(下水箱)时，由于副回路的存在也使系统的响应加快，消除扰动的影响，使主回路控制作用加强。根据双容水箱液位系统的过程特性和数学模型，选择控制器的控制规律如下4：主调节器选择比例积分微分控制规律(PID)，对下水箱液位进行调节；副调节器选择比例控制律(P)，对中水箱液位进行调节，并辅助主调节器对系统进行控制，整个回路构成双闭环负反馈系统(如图4-4)。4-4串级控制系统框图在双容水箱液位控制系统中，被控对象的液位变化是连续的，在远程数据采集系统中计算机利用的是离散的信号，所以要对模拟PID控制器进行离散化处理。在模拟控制系统中PID控制规律的表达式为： (4-2-7)将积分与微分项分别改写为差分方程得： (4-2-8)式中T为采样周期，k为采样序号，和为第k一1和第k次采样所得偏差信号，由此得到数字PID控制器算式为： (4-2-9)其中为第k时刻的控制输出。4.3实验内容与步骤1图4-1所示，完成实验系统的接线。2接通总电源和相关仪表的电源。3打开阀F1-1、 F1-2、F1-7、F1-10和F1-11，且使F1-10的开度大于F1-11的开度。4用临界比例度法或4：1衰减振荡法整定调节器的相关参数。5设置系统的给定值后，用手动操作调节器的输出，控制电动调节阀给中水箱打水，待中水箱液位基本稳定不变且下水箱的液位等于给定值时，把调节器切换为自动，使系统投入自动运行状态。6启动计算机，运行MCGS组态软件软件，并进行下列实验：1）当系统稳定运行后，突加阶跃（给定量增加5%15%），观察并记录系统的输出响应曲线。2）待系统进入稳态后，启运变频器调速的磁力泵支路，分别适量改变阀F2-4或阀F2-5的开度（加扰动），观察并记录被控制量液位的变化过程。7.通过反复多次调节PI的参数，使系统具有较满意的动态性能指标。用计算机记录此时系统的动态响应曲线。4.4 基于MCGS的双容液位控制系统实验截图4-5总貌图4-6实时状态图4-7 PID参数图4-8实验曲线图4.5 实验结论设计是在实验室以THSA一1高级过程控制实验装置为基础进行的，通过对双容水箱建模，构成以中水箱为副参数，下水箱为主参数的双容液位串级控制系统，利用MCGS组态软件来实现计算机监控，为工业现场中的液位控制提供了理论依据和实用的控制方法。5 系统的PID参数整定5.1 PID概述PID控制器（比例-积分-微分控制器），由比例单元 P、积分单元 I 和微分单元 D 组成。通过， 和三个参数的设定。PID控制器主要适用于基本线性和动态特性不随时间变化的系统。 PID 控制器是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件。这个控制器把收集到的数据和一个参考值进行比较，然后把这个差别用于计算新的输入值，这个新的输入值的目的是可以让系统的数据达到或者保持在参考值。和其他简单的控制运算不同，PID控制器可以根据历史数据和差别的出现率来调整输入值，这样可以使系统更加准确，更加稳定。可以通过数学的方法证明，在其他控制方法导致系统有稳定误差或过程反复的情况下，一个PID反馈回路却可以保持系统的稳定。图5-1 PID示意图5.2 控制器参数整定PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被 控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是 依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主 要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需 要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行 PID控制器参数的整定步骤如下：(1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；(2)仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡， 记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；(3)在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。 在实际调试中，只能先大致设定一个经验值，然后根据调节效果修改。 对于温度系统：P（%）20-60，I（分）3-10，D（分）0.5-3 对于流量系统：P（%）40-100，I（分）0.1-1 对于压力系统：P（%）30-70，I（分）0.4-3 对于液位系统：P（%）20-80，I（分）1-5 根据经验，有如下顺口溜便于我们记忆5：参数整定找最佳，从小到大顺序查 先是比例后积分，最后再把微分加 曲线振荡很频繁，比例度盘要放大 曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳 曲线偏离回复慢，积分时间往下降 曲线波动周期长，积分时间再加长 曲线振荡频率快，先把微分降下来 动差大来波动慢。微分时间应加长 理想曲线两个波，前高后低4比1 一看二调多分析，调节质量不会低 5.3 PID参数的确定 数字PID控制器控制参数的选择，可按连续-时间PID参数整定方法进行。 在选择数字PID参数之前，首先应该确定控制器结构。对允许有静差（或稳态误差）的系统，可以适当选择P或PD控制器，使稳态误差在允许的范围内。对必须消除稳态误差的系统，应选择包含积分控制的PI或PID控制器。一般来说，PI、PID和P控制器应用较多。对于有滞后的对象,往往都加入微分控制。 5.3.1选择参数控制器结构确定后，即可开始选择参数。参数的选择，要根据受控对象的具体特性和对控制系统的性能要求进行。工程上，一般要求整个闭环系统是稳定的，对给定量的变化能迅速响应并平滑跟踪，超调量小；在不同干扰作用下，能保证被控量在给定值；当环境参数发生变化时，整个系统能保持稳定，等等。这些要求，对控制系统自身性能来说，有些是矛盾的。我们必须满足主要的方面的要求，兼顾其他方面，适当地折衷处理。 PID控制器的参数整定，可以不依赖于受控对象的数学模型。工程上，PID控制器的参数常常是通过实验来确定，通过试凑，或者通过实验经验公式来确定。 5.3.2实验凑试法 实验凑试法是通过闭环运行或模拟，观察系统的响应曲线，然后根据各参数对系统的影响，反复凑试参数，直至出现满意的响应，从而确定PID控制参数。实验凑试法整定步骤 实验凑试法的整定步骤为先比例，再积分，最后微分。5.3.3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。5.3.4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5080，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，确定比例和积分的参数。5.3.5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=0，逐渐加大，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。实验经验法 扩充临界比例度法实验经验法调整PID参数的方法中较常用的是扩充临界比例度法,其最大的优点是，参数的整定不依赖受控对象的数学模型，直接在现场整定、简单易行。 扩充比例度法适用于有自平衡特性的受控对象，是对连续-时间PID控制器参数整定的临界比例度法的扩充。 整定步骤 扩充比例度法整定数字PID控制器参数的步骤是： 1、 预选择一个足够短的采样周期TS。2、 一般说TS应小于受控对象纯延迟时间的十分之一。2、用选定的TS使系统工作。这时去掉积分