双容水箱液位串级控制系统的设计

1、双容水箱液位串级控制系统的设计摘 要： 本论文的目的是设计双容水箱液位串级控制系统。在设计中充分利用自动化仪表技术，计算机技术，通讯技术和自动控制技术，以实现对水箱液位的串级控制。首先对被控对象的模型进行分析，并采用实验建模法求取模型的传递函数。其次，根据被控对象模型和被控过程特性设计串级控制系统，然后，设计并组建仪表过程控制系统，通过智能调节仪表实现对液位的串级PID控制。最后，借助数据采集模块MCGS组态软件和数字控制器，设计并组建远程计算机过程控制系统，完成控制系统实验和结果分析。关键词： 液位 模型 PID控制 仪表过程控制系统 计算机过程控制系统Abstract:Keywords:

2、liquid level PID control indicator process control system computer process control system 1 概述1.1过程控制介绍1工业过程控制的发展概况自本世纪30年代以来，伴随着自动控制理论的日趋成熟，自动化技术不断地发展并获得了惊人的成就，在工业生产和科学发展中起着关键性的作用。过程控制技术是自动化技术的重要组成部分，普遍运用于石油，化工，电力，冶金，轻工，纺织，建材等工业部门。初期的过程控制系统采用基地式仪表和部分单元组合仪表，过程控制系统结构大多是单输入，单输出系统，过程控制理论是以频率法和根轨迹法为主体的经

3、典控制理论，以保持被控参数温度，液位，压力，流量的稳定和消除主要扰动为控制目的过程。其后，串级控制，比值控制和前馈控制等复杂过程控制系统逐步应用于工业生产中，气动和电动单元组合仪表也开始大量采用，同时电子技术和计算机技术开始应用于过程控制领域，实现了直接数字控制（DDC）和设定值控制（SPC）。之后，以最小二乘法为基础的系统辨识，以极大值和动态规划为主要方法的最优控制和以卡尔曼滤波理论为核心的最佳估计所组成的现代控制理论，开始应用于解决过程控制生产中的非线性，耦合性和时变性等问题，使得工业过程控制有了更好的理论基础。同时新型的分布式控制系统（DCS）集计算机技术、控制技术、通讯技术、故障诊断技

4、术和图形显示技术为一体，使工业自动化进入控制管理一体化的新模式。现今工业自动化己进入计算机集成过程系统（CIPS）时代，并依托人工智能，控制理论和运筹学相结合的智能控制技术向工厂综合自动化的方向发展。2过程计算机控制系统现代化过程工业向着大型化和连续化的方向发展，生产过程也随之日趋复杂，而对生产质量经济效益的要求，对生产的安全、可靠性要求以及对生态环境保护的要求却越来越高。不仅如此，生产的安全性和可靠性，生产企业的经济效益都成为衡量当今自动控制水平的重要指标。因此继续采用常规的调节仪表（模拟式与数字式）已经不能满足对现代化过程工业的控制要求。由于计算机具有运算速度快精度高存储量大编程灵活以及具

5、有很强的通信能力等特点，目前以微处理器单片微处理器为核心的工业控制几与数字调节器过程计算机设备，正逐步取代模拟调节器，在过程控制中得到十分广泛的作用。在控制系统中引入计算机，可以充分利用计算机的运算逻辑判断和记忆等功能完成多种控制任务和实现复杂控制规律。在系统中，由于计算机只能处理数字信号，因而给定值和反馈量要先经过A/D转换器将其转换为数字量，才能输入计算机。当计算机接受了给定值和反馈量后，依照偏差值，按某种控制规律（PID）进行运算，计算结果再经D/A转换器，将数字信号转换成模拟信号输出到执行机构，从而完成对系统的控制作用。过程计算机控制系统的组成包括硬件和软件（除了被控对象检测与执行装置

6、外）。1过程计算机系统的硬件部分：（1）由中央处理器时钟电路内存储器构成的计算机主机是组成计算机控制系统的核心部分，进行数据采集数据处理逻辑判断控制量计算越限报警等，通过接口电路向系统发出各种控制命令，指挥系统安全可靠的协调工作。（2）包括各种控制开关数字键功能键指示灯声讯器和数字显示器等的控制台是人机对话的联系纽带，操作人员可以通过操作台向计算机输入和修改控制参数，发出操作命令；计算机向操作人员显示系统运行状态，发出报警信号。（3）通用外围设备包括打印机记录仪图形显示器闪存等，它们用来显示存储打印记录各种数据。（4）I/O接口和I/O通道是计算机主机与外部连接的桥梁。I/O通道有模拟量通道和

7、数字量通道。模拟量I/O通道将有传感变送器得到的工业对象的生产过程参数（标准电信号）变换成二进制代码传送给计算机；同时将计算机输出的数字控制量变换为控制操作执行机构的模拟信号，实现对生产过程的控制。2过程计算机系统的软件部分：（1）系统软件由计算机及过程控制系统的制造厂商提供，用来管理计算机本身资源，方便用户使用计算机。（2）应用程序由用户根据要解决的控制问题而编写的各种程序（如各种数据采集滤波程序控制量计算程序生产过程监控程序），应用软件的优劣将影响到控制系统的功能精度和效率。1.2液位串级控制系统介绍在工业实际生产中，液位是过程控制系统的重要被控量，在石油化工环保水处理冶金等行业尤为重要。

8、在工业生产过程自动化中，常常需要对某些设备和容器的液位进行测量和控制。通过液位的检测与控制，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，即时地监视或控制容器液位，保证产品的质量和数量。如果控制系统设计欠妥，会造成生产中对液位控制的不合理，导致原料的浪费产品的不合格，甚至造成生产事故，所以设计一个良好的液位控制系统在工业生产中有着重要的实际意义。 在液位串级控制系统的设计中将以THJ-2高级过程控制实验系统为基础，展开设计控制系统及工程实现的工作。虽然是采用传统的串级PID控制的方法，但是将

9、利用智能调节仪表数据采集模块和计算机控制来实现控制系统的组建，努力使系统具有良好的静态性能，改善系统的动态性能。 在设计控制系统的过程中，将利用到MATLAB软件和MCGS组态软件。以下将对它们的主要内容进行说明。1.3 MATLAB软件介绍MATLAB软件是由美国MathWorks公司开发的，是目前国际上最流行、应用最广泛的科学与工程计算软件，它广泛应用于自动控制、数学运算、信号分析、计算机技术、图形图象处理、语音处理、汽车工业、生物医学工程和航天工业等各行各业，也是国内外高校和研究部门进行许多科学研究的重要工具。MATLAB最早发行于1984年，经过10余年的不断改进，现今已推出基于Win

10、dows 2000/xp的MATLAB 7.0版本。新的版本集中了日常数学处理中的各种功能，包括高效的数值计算、矩阵运算、信号处理和图形生成等功能。在MATLAB环境下，用户可以集成地进行程序设计、数值计算、图形绘制、输入输出、文件管理等各项操作。 MATLAB提供了一个人机交互的数学系统环境，该系统的基本数据结构是复数矩阵，在生成矩阵对象时，不要求作明确的维数说明，使得工程应用变得更加快捷和便利。MATLAB系统由五个主要部分组成：(1)MATALB语言体系 MATLAB是高层次的矩阵数组语言具有条件控制、函数调用、数据结构、输入输出、面向对象等程序语言特性。利用它既可以进行小规模编程，完成

11、算法设计和算法实验的基本任务，也可以进行大规模编程，开发复杂的应用程序。 (2)MATLAB工作环境 这是对MATLAB提供给用户使用的管理功能的总称包括管理工作空间中的变量据输入输出的方式和方法，以及开发、调试、管理M文件的各种工具。 (3)图形图像系统 这是MATLAB图形系统的基础，包括完成2D和3D数据图示、图像处理、动画生成、图形显示等功能的高层MATLAB命令，也包括用户对图形图像等对象进行特性控制的低层MATLAB命令，以及开发GUI应用程序的各种工具。 (4)MATLAB数学函数库 这是对MATLAB使用的各种数学算法的总称包括各种初等函数的算法，也包括矩阵运算、矩阵分析等高层

12、次数学算法。 (5)MATLAB应用程序接口(API) 这是MATLAB为用户提供的一个函数库，使得用户能够在MATLAB环境中使用c程序或FORTRAN程序，包括从MATLAB中调用于程序(动态链接)，读写MAT文件的功能。 MATLAB还具有根强的功能扩展能力，与它的主系统一起，可以配备各种各样的工具箱，以完成一些特定的任务。MATLAB具有丰富的可用于控制系统分析和设计的函数，MATLAB的控制系统工具箱(Control System Toolbox)提供对线性系统分析、设计和建模的各种算法；MATLAB的系统辨识工具箱（System Identification Toolbox）可以对

13、控制对象的未知对象进行辨识和建模。MATLAB的仿真工具箱（Simulink）提供了交互式操作的动态系统建模、仿真、分析集成环境。它用结构框图代替程序智能化地建立和运行仿真，适应线性、非线性系统；连续、离散及混合系统；单任务，多任务离散事件系统。1.4 MCGS组态软件介绍计算机技术和网络技术的飞速发展，为工业自动化开辟了广阔的发展空间，用户可以方便快捷地组建优质高效的监控系统，并且通过采用远程监控及诊断等先进技术，使系统更加安全可靠，在这方面MCGS工控组态软件发挥着重要的作用.MCGS (Monitor and Control Generated System) 软件是一套几基于Windo

14、ws平台的32位工控组态软件，集动画显示、流程控制、数据采集、设备控制与输出、网络数据传输、工程报表、数据与曲线等诸多强大功能于一身，并支持国内外众多数据采集与输出设备,广泛应用于石油、电力、化工、钢铁、冶金、纺织、航天、建筑、材料、制冷、通讯、水处理、环保、智能楼宇、实验室等多种行业。MCGS组态软件由“MCGS组态环境”和“MCGS运行环境”两个部分组成。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，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

15、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,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。利用MCGS软件组建工程的过程简介：(1)工程项目系统分析：分析工程项目的系统构成、技术要求和工艺流程，弄清系统的控制流程和测控对象的特征，明确监控要求和动画显示方式，分析工程中的设备采集及输出通道与软件中实时数据库变量的对应关系，分清哪些变量是要求与设备连接的，哪些变量是软件内部用来传递数据及动画显示的。(2)工程立项搭建框架：主要内容包括：定义工程名称、封面窗口名称和启动窗口名称

16、，指定存盘数据库文件的名称以及存盘数据库，设定动画刷新的周期。经过此步操作，即在MCGS组态环境中，建立了由五部分组成的工程结构框架。(3)设计菜单基本体系：为了对系统运行的状态及工作流程进行有效地调度和控制，通常要在主控窗口内编制菜单。编制菜单分两步进行，第一步首先搭建菜单的框架，第二步再对各级菜单命令进行功能组态。在组态过程中，可根据实际需要，随时对菜单的内容进行增加或删除，不断完善工程的菜单。(4)制作动画显示画面：动画制作分为静态图形设计和动态属性设置两个过程。前一部分用户通过MCGS组态软件中提供的基本图形元素及动画构件库，在用户窗口内组合成各种复杂的画面。后一部分则设置图形的动画属

17、性，与实时数据库中定义的变量建立相关性的连接关系，作为动画图形的驱动源。(5)编写控制流程程序：在运行策略窗口内，从策略构件箱中，选择所需功能策略构件，构成各种功能模块，由这些模块实现各种人机交互操作。MCGS还为用户提供了编程用的功能构件，使用简单的编程语言，编写工程控制程序。(6)完善菜单按钮功能：包括对菜单命令、监控器件、操作按钮的功能组态；实现历史数据、实时数据、各种曲线、数据报表、报警信息输出等功能；建立工程安全机制等。(7)编写程序调试工程：利用调试程序产生的模拟数据，检查动画显示和控制流程是否正确。(8)连接设备驱动程序：选定与设备相匹配的设备构件，连接设备通道，确定数据变量的数

18、据处理方式，完成设备属性的设置。此项操作在设备窗口内进行。(9)工程完工综合测试：最后测试工程各部分的工作情况，完成整个工程的组态工作，实施工程交接。2被控对象建模在控制系统设计工作中，需要针对被控过程中的合适对象建立数学模型。被控对象的数学模型是设计过程控制系统、确定控制方案、分析质量指标、整定调节器参数等的重要依据。被控对象的数学模型（动态特性）是指过程在各输入量（包括控制量和扰动量）作用下，其相应输出量（被控量）变化函数关系的数学表达式。在液位串级控制系统中，我们所关心的是如何控制好水箱的液位。上水箱和下水箱是系统的被控对象，必须通过测定和计算他们模型，来分析系统的稳态性能、动态特性，为

19、其他的设计工作提供依据。上水箱和下水箱为THJ-2高级过程控制实验装置中上下两个串接的有机玻璃圆筒形水箱，另有不锈钢储水箱负责供水与储水。上水箱尺寸为：d=25cm,h=20cm;下水箱尺寸为：d=35cm,h=20cm，每个水箱分为三个槽：缓冲槽、工作槽、出水槽。2.1水箱模型分析Q112Q2Ah 图2.1液位被控过程简明原理图系统中上水箱和下水箱液位变化过程各是一个具有自衡能力的单容过程。如图，水箱的流入量为Q1，流出量为Q2，通过改变阀1的开度改变Q1值，改变阀2的开度可以改变Q2值。液位h越高，水箱内的静压力增大,Q2也越大。液位h的变化反映了Q1和Q2不等而导致水箱蓄水或泻水的过程。

20、若Q1作为被控过程的输入量，h为其输出量，则该被控过程的数学模型就是h与Q1之间的数学表达式。 根据动态物料平衡， Q1-Q2=A(dh/dt) ；Q1-Q2=A(dh/dt) 在静态时，Q1=Q2，dh/dt=0；当Q1发生变化后，液位h随之变化，水箱出口处的静压也随之变化，Q2也发生变化。由流体力学可知，液位h与流量之间为非线性关系。但为了简便起见，做线性化处理得 Q2=h/R2，经拉氏变换得单容液位过程的传递函数为W0(s)=H(s)/Q1(s)=R2/(R2Cs+1)=K/(Ts+1)注：Q1 Q2h:分别为偏离某一个平衡状态Q10Q20h0的增量。R2:阀2的阻力 A:水箱截面积 T

21、:液位过程的时间常数(T=R2C) K:液位过程的放大系数(K=R2) C:液位过程容量系数2.2阶跃响应曲线法建立模型在本设计中将通过实验建模的方法，分别测定被控对象上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。通过磁力驱动泵供水，手动控制电动调节阀的开度大小,改变上水箱/下水箱液位的给定量，从而对被控对象施加阶跃输入信号，记录阶跃响应曲线。 在测定模型参数中可以通过以下两种方法控制调节阀，对被控对象施加阶跃信号：(1) 通过智能调节仪表改变调节阀开度，增减水箱的流入水量大小，从而改变水箱液位实现对被控对象的阶跃信号输入。(2) 通过在MCGS监控软件组建人机对话窗口，改变调节阀开

22、度,控制水箱进水量的大小，从而改变水箱液位，实现对被控对象的阶跃信号输入。控制进水量供水施加阶跃输入信号阶跃响应输出电动磁力泵电动调节阀上水箱/下水箱 图2.2 水箱模型测定原理图 1上水箱阶跃响应参数测定：按图连接实验线路,手动操作调节器,控制调节阀开度,使初始开度OP1=50,等到水箱的液位处于平衡位置时。改变调节阀开度至OP2=60,即对上水箱输入阶跃信号,使其液位离开原平衡状态。经过一定调节时间后,水箱液位重新进入平衡状态。图2.3上水箱阶跃响应曲线记录阶跃响应参数(间隔30s采集数据):123.62744.771347.761947.64230.50845.561447.872047

23、.09335.25946.171547.892146.52438.691047.061647.282246.41541.321147.251747.012346.28643.311247.461847.152445.90表2.1上水箱阶跃响应数据2下水箱阶跃响应参数测定：按图连接实验线路,手动操作调节器,控制调节阀开度,使初始开度OP1=40,等到水箱的液位处于平衡位置时。改变调节阀开度至OP2=50,即对上水箱输入阶跃信号,使其液位离开原平衡状态。经过一定调节时间后,水箱液位重新进入平衡状态。 图2.4下水箱阶跃响应曲线记录阶跃响应参数(间隔30s采集数据): 154.021384.6125

24、98.4537103.9349107.20257.191486.342699.1938104.3950107.28360.281587.712799.8339104.8451107.32463.531689.1828100.4340105.0652107.38566.561790.4429101.0141105.5353107.56669.521891.7630101.4242105.8054107.66772.261993.0431101.8143106.0855107.82874.792094.1132102.2644106.3356107.67977.002195.1833102.794

25、5106.4157107.551079.072296.0434103.1946106.6158107.391180.872396.9635103.3647106.6559107.251282.882497.4936103.6548106.9460107.10表2.2下水箱阶跃响应数据由于实验测定数据可能存在误差，直接使用计算法求解水箱模型会使误差增大。所以使用MATLAB软件对实验数据进行处理，根据最小二乘法原理和实验数据对响应曲线进行最佳拟合后，再计算水箱模型。两组实验数据中将阶跃响应初始点的值作为Y轴坐标零点，后面的数据依次减去初始值处理，作为Y轴上的各阶跃响应数据点；将对应Y轴上阶跃响应

26、数据点的采集时间作为曲线上各X点的值。3求取上水箱模型传递函数在MATLAB的命令窗口输入曲线拟合指令：>> 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')。 在MATLAB中绘出曲线如下：图2.

27、5上水箱拟合曲线注：图中曲线为拟合曲线，圆点为原数据点。数据点与曲线基本拟合。如图所示，利用四阶多项式近似拟合上水箱的响应曲线，得到多项式的表达式：P(t)-1.8753e(-009)t4+2.2734e(-006)t3-0.0010761t2+0.24707t+0.13991。根据曲线采用切线作图法计算上水箱特性参数，当阶跃响应曲线在输入量x(t)产生阶跃的瞬间，即t=0时，其曲线斜率为最大，然后逐渐上升到稳态值，该响应曲线可用一阶惯性环节近似描述，需确定K和T。而斜率K为P(t)在t=0的导数P'(0)= 0.24707,以此做切线交稳态值于A点,A点映射在t轴上的B点的值为T。图

28、2.6上水箱模型计算曲线阶跃响应扰动值为10,静态放大系数为阶跃响应曲线的稳态值与阶跃扰动值之比，所以上水箱传递函数为 4.下水箱模型建立在MATLAB的命令窗口输入曲线拟合指令：>>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 46.4146.99 47.4 47.79 48.2

29、4 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中绘出曲线如下：图2.7下水箱拟合曲线注：图中曲线为拟合曲线，圆点为原数据点

30、。数据点与曲线基本拟合。如图所示，利用四阶多项式近似拟合下水箱的响应曲线，得到多项式的表达式P(t)= -1.1061e(-011)t4+5.7384(e-008)t3 -0.00011849t2 +0.12175t-0.31385.根据曲线采用切线作图法计算下水箱特性参数，当阶跃响应曲线在输入量x(t)产生阶跃的瞬间，即t=0时，其曲线斜率为最大，然后逐渐上升到稳态值，该响应曲线可用一阶惯性环节近似描述，需确定K和T.而斜率K为P(t)在t=0的导数P(0)=0.12175,以此做切线交稳态值于A点,A点映射在t轴上的B点的值为T。图2.8下水箱模型计算曲线阶跃响应扰动值为10,静态放大系数

31、为阶跃响应曲线的稳态值与阶跃扰动值之比，所以下水箱传递函数为。在实验建模的过程中，实验测取的被控对象为广义的被控对象，其动态特性包括了调节阀和测量变送器，即广义被控对象的传递函数为，为调节阀的传递函数，Gm(s)为测量变送器的传递函数。图2.9 THJ-2高级过程控制实验装置图3系统控制方案设计与仿真控制方案设计是过程控制系统设计的核心，需要以被控过程模型和系统性能要求为依据，合理选择系统性能指标，合理选择被控参数，合理设计控制规律，选择检测、变送器和选择执行器。选择正确的设计方案才能使先进的过程仪表和计算机系统在工业生产过程中发挥良好的作用。3.1 PID控制原理目前，随着控制理论的发展和计

32、算机技术的广泛应用，PID控制技术日趋成熟。先进的PID控制方案和智能PID控制器（仪表）已经很多，并且在工程实际中得到了广泛的应用。现在有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器，能实现PID控制功能的可编程控制器(PLC)，还有可实现PID控制的计算机系统等。在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例积分微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。y(t)+r(t) 比例P积分I微分D被控对象图3.1 PID控制基本原理图PID控制器是一种线性负反馈控制器，根据给定值

33、r(t)与实际值y(t)构成控制偏差：。PID控制规律为：或以传递函数形式表示：式中，KP:比例系数 TI:积分时间常数 TD:微分时间常数 PID控制器各控制规律的作用如下：（1）比例控制（P）：比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系，能较快克服扰动，使系统稳定下来。但当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（2）积分控制（I）：在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称此控制系统是有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差的累积取决于时间的积分，随着时间的增加，积分

34、项会越大。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。但是过大的积分速度会降低系统的稳定程度，出现发散的振荡过程。比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。（3）微分控制（D）：在微分控制中，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环节或有滞后环节，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。所以在控制器中仅引入“比例

35、”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，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。特别对于有较大惯性或滞后环节的被控对象，比例积分控制能改善系统在调节过程中的动态特性。PID控制器的参数整定是控制系统设计的重要内容，应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，经过理论计算确定控制器参数。由于实验测定的过程数学模型只能近似反映过程动态特，理论计算的参数整定

36、值可靠性不高，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，直接在控制系统试验中进行控制器参数整定，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、反应曲线法和衰减曲线法。三种方法都是通过试验，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。1.临界比例法。在闭合控制系统中，把调节器的积分时间TI置于最大，微分时间TD置零，比例度置于较大数值，把系统投入闭环运行，将调节器的比例度由大到小逐渐减小，得到临界振荡过程，记录下此时的临界比例度k和临界振荡周

37、期Tk。根据以下经验公式计算调节器参数： 调节器参数控制规律TITDP2k PI2.2kTK/1.2 PID1.6k0.5Tk0.25Tk表3.1临界振荡整定计算公式2.阻尼振荡法。在闭合控制系统中，把调节器的积分时间TI置于最大，微分时间TD置零，比例度置于较大数值反复做给定值扰动实验，并逐渐减少比例度，直至记录曲线出现4：1的衰减为止。记录下此时的4：1衰减比例度k和衰减周期Tk。根据以下经验公式计算调节器参数： 调节器参数控制规律TITDPS PI1.2S0.5TS PID0.8S0.3TS0.1TS表3.2阻尼振荡整定计算公式3.反应曲线法若被控对象为一阶惯性环节或具有很小的纯滞后，则

38、可根据系统开环广义过程测量变送器阶跃响应特性进行近似计算。在调节阀的输入端加一阶跃信号，记录测量变送器的输出响应曲线，并根据该曲线求出代表广义过程的动态特性参数。3.2系统控制方案设计1控制系统性能指标(1) 静态偏差：系统过渡过程终了时的给定值与被控参数稳态值之差。(2) 衰减率：闭环控制系统被施加输入信号后，输出响应中振荡过程的衰减指标，即振荡经过一个周期以后，波动幅度衰减的百分数。为了保证系统足够的稳定程度，一般衰减率在0.75-0.9。(3) 超调量：输出响应中过渡过程开始后，被控参数第一个波峰值与稳态值之差，占稳态值的百分比，用于衡量控制系统动态过程的准确性。(4) 调节时间：从过渡

39、过程开始到被控参数进入稳态值-5%+5%范围所需的时间2方案设计设计建立的串级控制系统由主副两个控制回路组成，每一个回路又有自己的调节器和控制对象。主回路中的调节器称主调节器，控制主对象。副回路中的调节器称副调节器，控制副对象。主调节器有自己独立的设定值R，他的输出m1作为副调节器的给定值，副调节器的输出m2控制执行器，以改变主参数c2.m2m1e1c1扰动f1(t)e2设定值Rc2扰动f2(t)主调节器副调节器执行器副对象主对象测量与 变送器2测量与 变送器1通过针对双容水箱液位被控过程设计串级控制系统，将努力使系统的输出响应在稳态时系统的被控制量等于给定值，实现无差调节，并且使系统具有良好

40、的动态性能，较块的响应速度。当有扰动f1(t)作用于副对象时，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的各种二次扰动，当扰动f2(t)作用于主对象时，由于副回路的存在也应使系统的响应加快，使主回路控制作用加强。图3.2串级控制系统框图(1) 被控参数的选择应选择被控过程中能直接反映生产过程能够中的产品产量和质量，又易于测量的参数。在双容水箱控制系统中选择下水箱的液位为系统被控参数，因为下水箱的液位是整个控制作用的关键，要求液位维持在某给定值上下。如果其调节欠妥当，会造成整个系统控制设计的失败,且现在对于液位的测量有成熟的技术和设备，包括直读式液位计、浮力式液位计、静压式液位计、

41、电磁式液位计、超声波式液位计等。(2) 控制参数的选择从双容水箱系统来看，影响液位有两个量，一是通过上水箱流入系统的流量，二是经下水箱流出系统的流量。调节这两个流量都可以改变液位的高低。但当电动调节阀突然断电关断时，后一种控制方式会造成长流水，导致水箱中水过多溢出，造成浪费或事故。所以选择流入系统的流量作为控制参数更合理一些。(3) 主副回路设计为了实现液位串级控制，使用双闭环结构。副回路应对于包含在其内的二次扰动以及非线性参数、较大负荷变化有很强的抑制能力与一定的自适应能力。主副回路时间常数之比应在3到10之间，以使副回路既能反应灵敏，又能显著改善过程特性。下水箱容量滞后与上水箱相比较大，而

42、且控制下水箱液位是系统设计的核心问题，所以选择主对象为下水箱，副对象为上水箱，。 (4) 控制器的选择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。为了实现液位串级控制，使用双闭环结构，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率(P)，对上水箱液位进行调节，并辅助主调节器对于系统进行控制，整个回路构成双环负反馈系统。3.2 控制系统仿真通过MATLAB中的SIMULINK工具箱可以动态的模拟所的构造系统的响应曲线，以控制框图代替了程序的编写，只需要选择合适仿真设备，添加传递函数，设置仿真参数。下面根据前文的水箱模型传递函数对串级控制

43、系统进行仿真，以模拟实际中的阶跃响应曲线，考察串级系统的设计方案是否合理。1. 阶跃响应性能图3.3 SIMULINK仿真框图通过手动切换开关（Manual Switch）可以实现副回路的引入与切除，以了解副回路对控制性能的影响,比较串级控制和非串级控制对双容水箱液位的控制能力。在时间为0时对系统加入大小为30的阶跃信号，设置主控制器PID参数KP=60 TI=50 TD=3 ;副控制器P参数为KP=50，在初始点加40点阶跃输入量观察阶跃响应曲线。3.4 MATLAB加入副回路仿真曲线图图3.5 MATLAB不加入副回路仿真曲线图3.4为加入副回路时的仿真曲线：图3.5为切除副回路时的仿真曲

44、线.由3.4和3.5两图对比可见，引入副回路组成双容水箱液位串级控制系统后动态特性比不加入副回路的控制系统有了很大的改善，提高了系统的工作频率，对被控对象的调节能力更强。 2抗扰动能力维持初始阶跃信号不变，并在副回路中加入扰动信号，观察响应曲线. 在400s经过惯性环节向副回路加入阶跃值为70的扰动信号。控制器参数不变。图3.6 SIMULINK仿真框图图3.7 MATLAB加入副回路仿真曲线图3.8 MATLAB不加入副回路仿真曲线图3.7为加入副回路时的仿真曲线：图3.8为切除副回路时的仿真曲线.由图3.7和图3.8对比可见，引入副回路组成双容水箱液位串级控制系统后能够很好的克服进入副回路

45、的扰动,及时消除扰动对主参数的影响.在克服二次扰动方面串级控制比不加副回路的非串级控制好。综上所述,选择串级PID控制的设计方案完成对水箱液位的控制调节应当是可行的.而且在改善系统的动态特性、抗扰动能力等方面与非串级控制系统是较为有效的。但是仿真曲线只是在计算机上通过对实际系统仿真得到的较理想的模拟曲线.实际系统设计现场必须综合考虑各方面的因素,不可能得到与计算机仿真一致的理想曲线和控制性能。4 建立仪表过程控制系统以下将基于THJ-2高级过程控制实验装置和相关仪表仪器组建仪表过程控制系统，包括4.1过程仪表介绍1检测变送装置采用工业用的BP800型扩散硅压力变送器对水箱液位变化进行测量，含不

46、锈钢隔离模片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。当水箱中注水导致液位变化时，BP800压力变送器对被控过程中的流体压力进行测量,过程压力通过压力传感器将压力信号转换成电信号,经差分放大器、输出放大器放大后,再经过V/A转换器,转换为与输入压力成线性对应关系的标准电流输出信号。BP800型压力变送器技术指标如下：表4.1压力变送器技术指标2执行机构（1）水泵采用16CQ8P型磁力驱动泵,流量为32升/分,扬程为8米,功率为180W.为三相380恒压供水输入。（2）调节阀采用QSVP16K型电动调节阀实现对双容水箱液位系统进水量的控制。其由QSL智能型电动执行机构与阀门组合构成。通过

47、将压力变送器检测到的电压/电流信号输入到QSL电动执行机构的智能放大器，和来自位置信号发生器产生的开度信号相比较并放大后,向消除其偏差的方向驱动并控制电机转动,以改变调节阀的开度,同时将阀门开度的隔离信号反馈给控制系统。当其偏差值达到零时,电机停止转动。阀开关形式：电开式动作速度：0.25mm/s输入控制信号：420mA DC/15V DC流量特性：直线输出信号：420mA DC额定流量系数Kv：1.2输入阻抗：250/500介质温度：-4输出最大负载：<500死区：±1.0%电源：220V/50Hz回差：±1.0%公称直径：20mm可调范围：50:1公称压力：1.6

48、MPa防护等级：IP65行程：10mm功耗：5VA表4.2电动调节阀技术指标3控制器在仪表过程控制系统中，使用智能调节仪表作为控制器。采用上海万讯仪表有限公司的AI-808型仪表，采用AI人工智能调节方式，内含PID调节算法。其可以在误差较大时运用模糊算法进行调节，以消除PID积分饱和现象；当误差趋小时，采用改进后的PID算法调节，调节优化效果。选用的AI-808P型仪表技术指标如下：热电偶输入：KSREJ等响应时间：热电阻输入：Cu50Pt100调节方式：位式调节方式/AI人工智能调节线性电压输入：0输出规格：420mA线性电流输入：4报警功能：上限下限正负偏差测量范围：-1999电源：10

49、0测量精度：0.2级环境温度：0表4.3 智能仪表技术指标AI-808P引脚说明：引脚号引脚名称引脚定义1Vin0-5V 1-5V输入2Iexec+作为Vin的地3Sense+0-5V 1-5V输入4Sense-作为Sense+的地5Iout-4-20mA输出负端7Iout+4-20mA输出正端9ACL电源火线10ACN电源地线11(13)AL1+(AL1-)与AL1-(AL2-)构成报警14(16)AL2+(AL2-)与AL1+(AL2+)构成报警18(17)Data+(Data-)RS-485接口数据线19(20)I/V变换内接电阻将电流变为电压6(12)(15)无分别与5(13)(16)

50、形成常闭触点表4.4 AI-808P仪表引脚说明4.2仪表过程控制系统的组建1仪表控制系统电路设计：根据电路原理图完成仪表控制台的接线工作，实现仪表的串级PID负反馈控制。通过三相380V/10A交流电源向三相磁力泵和220/5A交流电源向调节仪表供电。压力变送器测定的下水箱液位值（电压反馈信号）送到主调节器(智能调节仪1)输入端。调节器的给定值可由仪表控制面板或MCGS监控界面设定，与反馈信号相比较后输出调节信号。由于其输出的信号为420mA的电流信号，需要经I/V转换电路转化为15V电压信号送到副调节仪的输入端，与压力变送器测定的上水箱液位值（电压反馈信号）相比较后，输出420mA的电流信

51、号到电动调节阀控制信号输入端，控制电动调节阀的开度，消除下水箱液位的测量值与给定值的偏差。图4.1 仪表系统电路原理图2仪表参数设定(1)Sn: 输入规格 调节仪1中Sn=33 表示15V电压输入；调节仪2中Sn=32 表示0.21V电压输入。(2)ADDR：通讯地址 用于定义仪表地址，有效范围是0100。调节仪1中ADDR=1；调节仪2中ADDR=2。(3)diH：输入上限显示值，用于定义线性输入信号下限刻度值。调节仪1中diH=50 ；调节仪2中diL=0。(4)diL：输入下限显示值 用于定义线性输入信号下限刻度值。调节仪1中diH=50； 调节仪2中diL=0。(5)CF：系统功能选择

52、CF=A*1+B*2+C*4+D*8+E*16+F*32+G*64调节仪1中CF=0，表示A=0,调节仪1为反作用调节方式，输入增大时，输出趋向减小；B=0，仪表报警无上电；D=0，不允许外部给定，程序时间以分为单位；E=0，无分段频率限制功能；F=0，仪表光柱指示输出值；G=0，仪表为AI-808P工作模式。调节仪2中CF=8，表示A=0,调节仪1为反作用调节方式，输入增大时，输出趋向减小；B=0，仪表报警无上电；D=1，允许外部给定，程序时间以秒为单位；E=0，无分段功率限制功能；F=0，仪表光柱指示输出值；G=0，仪表为AI-808P工作模式。(6)SV：下水箱液位给定值，根据需要设置。

53、(7)P：调节器比例系数，根据需要设置。(8)I：调节器积分时间，根据需要设置。(9)D：调节器微分时间，根据需要设置。通过在AI808型仪表的内部安装RS485通讯接口模块，可利用计算机实现对仪表的监控和操作。采用AIBUS通讯协议，8个数据位，1/2个停止位，无校验位。需要在计算机的MCGS软件的用户窗口添加脚本程序以实现计算机对仪表系统的监控，同时在设备窗口中完成设备通道连接设置。(1) 启动脚本程序!setdevice(调节仪1,1," ")!setdevice(调节仪1,6,"write(0,0) ")!setdevice(调节仪1,6,&qu

54、ot;write(24,0)")!setdevice(调节仪2,1," ")!setdevice(调节仪2,6,"write(0,0) ")!setdevice(调节仪2,6,"write(24,0)")(2) 循环脚本程序下水箱液位SV1=SV1下水箱液位PV1=PV1上水箱液位SV1=20*OP1/100上水箱液位PV1=PV2if 下水箱液位PV1>20 then下水箱液位PV1=20endifif 上水箱液位PV1>20 then上水箱液位PV1=20(3) 退出脚本程序!SetDevice(调节仪1,2," " )!SetDevice(调节仪2,2," " )endif程序注释：SetDevice(DevName，DevOp，CmdStr)函数意义：按照设备名字对设备进行操作。返 回 值：数值型。返回值：=0：调用正常。<>0：调用不正常