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矩阵理论在控制系统中的应用矩阵理论在控制系统中的应用-济南大学（完整版）实用资料(可以直接使用，可编辑完整版实用资料，欢迎下载）崔士军学院：控制学院专业：控制理论与控制工程学号：2021011摘要：本文主要介绍矩阵理论在控制领域中的应用，主要介绍了连续时间线性时不变系统零输入响应运动分析，即给定线性定常系统的自治方程，如何利用数学模型，求解线性定常系统的零输入响应问题。是矩阵理论中约当标准形和对角线标准形在线性系统理论中的一个很典型的应用。一.问题的提出：为了定量地和精确地确定出控制系统运动的变化规律，以便为系统的实际运动过程作出估计。需要从其数学模型出发，分析系统运动过程和状态。1.线性系统状态方程：从数学的角度上，就是相对于给定的初绐状态x0和外输入u，来求解方程（1）和（2）的解，即系统响应。解的存在性和唯一条件如果系统A(t)、B(t)的所有元在时间定义区间[]上均为t的实值连续函数，而输入u(t)的元在时间定义区间[]上是连续实函数，则其状态方程的解x(t)存在且唯一。2.连续时间线性时不变系统零输入响应运动分析给定线性定常系统的自治方程：并称其为矩阵指数函数。由（1）所描述的线性定常系统的零输入响应的表达式为：3.解的含义：（1）如果将t取为某个固定值，那么零输入响应,即为状态空间中由初始状态经线性变换所导出的一个变换点。因此系统的自由运动就是由初态出发，并由的各时刻的变换点所组成的一条轨迹。（2）自由运动轨迹的形态，即零输入响应形态，是由矩阵指数函数所唯一地决定。（3）如果当时，自由运动轨迹最终趋向于系统的平衡状态x=0,则称系统是渐近稳定的。线性定常系统渐近稳定充分必要条件为：当且仅当矩阵A的特征值均具有负实部时，上式成立4.矩阵指数函数的性质推论：若A经过非奇异变换变为对角线阵，即二.问题的求解：综上可知，求解问题的关键，就是已知矩阵A，如何求解矩阵指数函数的问题。下面介绍1.无穷级数法（定义法）根据定义直接计算辞职无穷级数2.拉氏变换法（预解矩阵法）(2)约当标准形法当A阵具有n重特征值时，可通过非奇异变换化为约当标准形J。当A阵同时具有重特征值和互异特征值时，可利用上述（1）、（2）原则求出。求解出矩阵指数函数以后，线性定常系统的零输入响应的表达式为：将矩阵指数函数代入即为所求。三.应用小结：1.用到的矩阵论相关知识：矩阵指数函数的定义和性质对角线标准形和约当标准型矩阵的运算法则，包括矩阵加法和乘法运算和求逆运算矩阵特征值和特征向量计算以及可逆变换矩阵的求解矩阵的可逆变换2.解题思路：给定线性定常系统的自治方程的一般形式：要求解线性定常系统的零输入响应的表达式时，可以做相似变换：将A化为对角线标准形或约当标准型，而对角线标准形和约当标准形的矩阵指数函数很容易求出来，为得到原系统的矩阵指数函数，只需要再做一下逆变换：就可以得到。这样是求解过程得以简化。四.注释：状态方程：状态方程是对连续时间线性时不变系统的状态空间描述。时不变系统：就是系统的参数不随时间而变化线性系统：满足叠加原理的系统具有线性特性零输入响应：若输入的激励信号为零，仅有储能元件的初始储能所激发的响应，称为零输入响应。自治方程：在一个方程中，如果其自变量没有显示的在方程中出现，则称此方程是自治的（autonomous)。矩阵论大作业学院：控制学院姓名：崔士军班级：研0904学号：2021011内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书（毕业论文）题目：水箱液位控制系统设计学生姓名：吴云鹏学号：专业：测控技术与仪器班级：测控指导教师：李20216711223108-2班刚助教水箱液位控制系统设计摘要液位是工业工程中的常见变量，在各种过程控制中的应用越来越广泛。例如在食品加工、溶液过滤、化工生产等多种行业的生产加工过程中，通常需要使用蓄液池，而蓄液池中的液位需要维持一定的高度，既不能太满溢出造成危险，也不能过少而无法满足生产需求。因此液位高度是工业控制过程中一个重要的参数，特别是在动态的状态下，采用合适的方法对液位进行检测、控制，能收到很好的效果。本文以实验室自制的双容水箱作为液位控制研究对象，通过上位机、研华的PCI-1710L板卡、电动调节阀、压力液位变送器组成的控制系统和压力液位变送器、变频器、水泵组成的控制系统分别实现了单容水箱的远程控制和就地控制，并在文章最后理论性的阐述了双容水箱的控制方法。设计中以组态软件--组态王为开发工具，开发了系统的监视与控制界面，并且自己编程实现PID控制程序，使系统具备了对现场过程数据的动态监视功能、历史数据的归档功能、异常信号的报警功能以及现场操作的指导功能。关键词：水箱液位；PID控制；组态王；变频器；ThedesignofthetanklevelcontrolsystemAbstractTheliquidlevelisoneofthecommonvariablesinIndustrialEngineering,theprocesscontrolismoreandmorewidelyused.Forexample,intheproductionprocessoffoodprocessing,filteringsolution,chemicalproductionandotherindustries,liquidstoragetankisusuallyused,andmakingtheliquidlevelofliquidstoragetankatacertainheightisveryimportant,neithertoooverflowtorisknortooshortnottomeettheproductiondemand.Therefore,theheightofliquidlevelintheindustrialcontrolprocessisoneoftheimportantparameters,especiallyinthedynamiccondition.Ifadopttheappropriatemethodforthecontroloftheliquidleveldetection,wecangetgoodeffect.Theresearchobjectisbasedontheself-madedoubletanklevelcontrolsystem,throughthehostcomputer,theAdvantechPCI-1710Lcard,theelectriccontrolvalve,thepressureliquidleveltransmitter,thefrequencyconverterandthewaterpumpwegettwodifferentkindsofthecascadecontrolsystemforthesinglewatertankoftheliquidlevelcontrol,respectivelyrealizedtheeffectoftheremotecontrolandlocalcontrol.Andatlast,thisarticleexpoundsthetheoryofdoublewatertankcontrolmethod.Choosethedesignofconfigurationsoftware–Kingviewfordevelopmenttools,wehavehadthedevelopmentofthesystemtomonitorandcontrolinterface,andalsohaveprogrammedPIDcontrolproceduresthatmadethesystemhasafieldprocessdata,dynamicmonitoringhistoricaldataarchivingfunction,abnormalsignalofthealarmfunctionandtheguidancefunctionoftheon-siteoperation.Keywords:Tanklevel;PIDcontrol;Kingview;Frequencyconverter;目录摘要.................................................................................................................................IAbstract..........................................................................................................................II第一章绪论..................................................................................................................11.1选题背景及意义..............................................................................................11.2液位控制系统的发展现状.............................................................................21.3本文的主要工作.............................................................................................3第二章控制对象及算法简介......................................................................................52.1被控制变量的选择..........................................................................................52.2执行器的选择.................................................................................................52.3压力液位变送器的选择.................................................................................52.4研华板卡PCI-1710L简介...............................................................................62.4.1模拟量输入连接....................................................................................82.5PID控制算法概述............................................................................................92.5.1PID控制器的应用与发展......................................................................92.5.2PID算法类型[1].....................................................................................102.5.3PID两种控制方式................................................................................11第三章基于组态王的单容水箱液位控制系统........................................................133.1组态王简介[8].................................................................................................133.1.1组态王软件的组成..............................................................................133.1.2制作工程的一般步骤.........................................................................143.1.3组态王与外部设备通信.....................................................................143.2控制方案选取................................................................................................153.3上位机组态软件的开发...............................................................................163.3.1监控画面..............................................................................................163.3.2构造数据库..........................................................................................173.3.3数据通信..............................................................................................193.3.4命令语言的编写.................................................................................203.3.5实时曲线.............................................................................................213.3.6历史报警查询[11].................................................................................213.3.7历史曲线.............................................................................................233.4参数整定.......................................................................................................25第四章基于变频器的单容液位控制系统................................................................264.1变频调速基础...............................................................................................264.2三菱通用变频器FR-D700简要介绍...........................................................274.2.1FR-D700简介.....................................................................................274.2.2三菱变频器FR-D740-1.5K-CHT常规介绍......................................284.2.3控制电路接线端极端子功能介绍.....................................................294.2.4操作面板及其功能介绍....................................................................314.3变频器的作用...............................................................................................314.4控制系统调试...............................................................................................324.4.1操作步骤............................................................................................334.4.2参数整定............................................................................................33第五章双容水箱液位控制系统................................................................................355.1串级控制........................................................................................................355.1.1串级控制概念....................................................................................355.1.2水箱液位控制方法............................................................................365.1.4串级控制的特点................................................................................365.2串级控制系统的设计...................................................................................365.2.1变量的选择........................................................................................365.2.2主副控制器的控制规律.....................................................................375.2.3主副控制器正反作用的选择............................................................375.3串级控制系统的工业应用............................................................................385.4本章小结.......................................................................................................38总结..............................................................................................................................39参考文献......................................................................................................................40附录..............................................................................................................................41致谢..............................................................................................................................43第一章绪论1.1选题背景及意义液位是工业生产过程控制中很重要的被控变量。工业生产中的润滑油、冷却水、调速油、油质加工、液态燃料供应、废油净化、溶液加工与传输等场合，常需对容器中液位进行有效可靠的控制，否则将不能使液体循环系统乃至整个机组正常运行。另外，在这些生产领域里，极容易出现操作失误，引起事故，造成厂家的损失。可见，在实际生产中，液位控制的准确程度和控制效果直接影响工厂的生产成本、经济效益甚至设备的安全系数。所以，为了保证安全、方便操作，就必须研究开发先进的液位控制方法和策略。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，加上对象多具有分布参数，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。人们生活以及工业生产经常涉及到液位的控制问题，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，需要对液位的相关变量进行控制，使其保持为一定值或按一定规律变化，以保证生产的质量和安全。液位的变化不但受到过程控制过程中内部干扰的影响，也受到外部的各种干扰的影响，而且影响液位变化的干扰一般不止一个，在过程控制中的作用也不同，这就增加了对变量进行控制的复杂性，因此形成了过程控制的下列特点[3]：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，生产设备的设计都力求使生产过程平稳，参数变化超出极限范围，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，而对水箱的液位的研究为以后过程控制方面的其他变量的研究打下了结实的基础。1.2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，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、近似等手段获得的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控制的效果，目前，已经开发出来的控制策略很多，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能够高效，安全的进行，同时提高产品的质量，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。在轻工行业中，液位控制的应用非常普遍，从简单的浮球液位开关、非接触式的超声波液位检测到高精度的同位素液位检测系统，他们都无时无刻在为液位控制服务。而控制的概念更是应用到周围的许多的事物上，并且液位控制系统已是一般工业界所不可缺少的部分，如蓄水池，污水处理场等都需要液位控制系统的参与。如果能通过一定的系统来自动维持液位的高度，那么操作人员便可轻易地在操作时获知这个设备的储水状况，这样不但降低了工作人员工作的危险性，同时更也提升了工作的效率。液位控制系统在国内各行各业的应用已经十分广泛，但国内生产的液位控制器同国外的日本、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，难于实现对滞后、复杂、时变系统的控制。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。1.3本文的主要工作第一章绪论，主要介绍选题背景，液位控制的研究现状，液位控制的主要控制策略，国内外的发展形势，并总结了国内外在液位控制方面目前比较先进的技术与仪器以及他们的原理，为接下来液位控制系统的设计打下良好的基础。第二章根据设计要求我们对控制参数以及控制算法进行分析，并对所需硬件进行选型，使液位控制达到最佳的效果。第三章针对单容水箱液位控制系统，对其在组态王中的开发进行介绍，开发了系统总体监控系统，设计开发了单容水箱的系统的总监控界面，定义了外部变量，用于和研华板卡PCI—1710模块的输入输出部分对应，来实时显示液位值的大小，建立的动画连接，编写了自动控制程序，实现了单容水箱控制系统的自动控制，并且实现了液位值实时曲线历史曲线和历史数据的实时报警历时报警的显示。第四章针对单容水箱液位控制系统，对其在变频器中的开发进行了介绍，监控界面可以用第二章已经设计好的，本设计应用的是日本三菱公司的D700系列的变频器，通过在变频器中设置PID参数以及控制目标值等参数最终实现对单容水箱的液位实现稳定控制。第五章主要针对双容水箱液位控制系统的特点，对各种经典控制进行比较。在本文中，液位控制系统中的水箱为控制对象，液位为控制量。为了使液位的控制达到一定的精度，并且具有较好的动态性能，采用了区别于传统控制方式的串级控制。这样使控制系统能够达到更好的控制要求，提高了系统的控制性能。第二章控制对象及算法简介2.1被控制变量的选择被控变量的选择是控制系统的核心问题，被控变量选择的正确与否会直接关系到生产的稳定性、产品产量和质量的提高以及生产安全与劳动条件的改善。对于任何一个控制系统，如果被控变量选择不当，即便配备再好的自动化仪表，使用再复杂、先进的控制规律也不能达到预期的控制效果。对于水箱液位控制系统，可直接选择液位作为其被控变量。2.2执行器的选择执行器在控制系统中起着控制动作执行的作用。控制系统的控制效果与执行器的性能有着十分密切的关系。执行器接收控制信号并通过改变本身阀门得开度最终实现对操纵变量的改变，从而使被控变量更加接近设定值。[2]本设计采用的是北京市乐维机电设备有限公的ML7420A，其特点为：安装方便快速、无需连杆、标准导管式接线连接、无需调整、阀门定位准确、低功耗、高的关断压力、终端推力限位开关、0～10Vdc或2～10Vdc信号输入、带位置反馈信号输出、正反作用可选、同步马达、防腐设计、免维护。图2.1电动调节阀2.3压力液位变送器的选择传感器是一种以一定精度把被测量转换为与之有确定关系、便于应用的某种物理量的测量装置，其一般由敏感元件、转换元件、转换电路组成。传感器的精度直接影响到系统的控制效果，所以应根据不同的系统选择最合适的传感器是必要的[9]。本设计选用的是由北京昆仑海岸传感技术中心研制生产的JYB-K型号的压力液位变送器，其主要技术参数如下：1）输出形式：4～20mADC、0～5VDC2）供电电源：24VDC（±10%）、12VDC3）准确度：±0.5％FS、±0.25％FS4）介质温度：－20～70℃5）环境温度：－10～60℃6）响应时间：<=100mS7）负载能力：电流型<=600Ω（不带显示），<=300Ω（带显示）；电压型>=3KΩ8）可重复性：<=±0.1％FS9）长期稳定性：<=±0.1％FS/年10非线性：<=0.2％FS11热力零点温漂：<=0.03％FS/℃12）过载压力：2倍量程13）电气连接：电缆连接14）测量介质：油、水、气体及其他与316不锈钢兼容介质实验室中采用端子型二线制电流输出接线方式，其具体方式如图2.2所示：图2.2端子型二线制接法2.4研华板卡PCI-1710L简介研华（中国）公司生产的PCI-1710L多功能数据采集卡是一款功能强大的低成本多功能PCI总线数据采集卡。用PCI-1710L板卡构成的控制系统框图如图2.3所示。使用时用PCL-10168电缆将PCI-1710L板卡与ADAM-3968接线端子板连接，这样PCL-10168的68个针脚和ADAM-3968的68个接线端子一一对应。[7]图2.3基于PCI-1710L板卡的控制系统框图接线端子板各端子的位置及功能如图2.4所示，信号描述如表2-1所示。图2.4ADAM-3968接线端子板信号端子位置及功能2.4.1模拟量输入连接PCI-1710L卡既支持16路单端模拟量输入，又支持8路差分模拟量输入。输入通道的配置可通过软件进行选择，这种方式比通过卡上的跳线选择配置更为简便。在过去，如果通过开关将一个通道设置为单端输入，则其它通道也需设置为单端。但是PCI-1710L卡与之不同—即使通过软件将一个通道设置为单端输入，其它通道也可保留原有配置。单端输入配置只为每个通道提供1根信号线，且被测量的电压以公共地为参考。没有接地端的信号源称为“浮动信号源”。将单端通道连接至浮动信号源尤为简单。在这种模式下，PCI-1710L板卡为外部浮动信号源提供一个参考地。如下图2.5所示。图2.5单端输入通道连接2.5PID控制算法概述2.5.1PID控制器的应用与发展在过去的几十年里，控制器在工业控制中得到了广泛应用。在控制理论和技术飞速发展的今天，工业过程控制中95%以上的控制回路都具有PID结构，并且许多高级控制都是以PID控制为基础的。今天所熟知的控制器产生并发展于1915-1940年期间。尽管自1940年以来，许多先进控制方法不断推出，但PID控制器以其结构简单，对模型误差具有鲁棒性及易于操作等优点，仍被广泛应用于冶金、化工、电力、轻工和机械等工业过程控制中。PID控制器作为最早实用化的控制器已有70多年历史，它的算法简单易懂、使用中参数容易整定，也正是由于这些优点，PID控制器现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID的发展过程，很大程度上是它的参数整定方法和参数自适应方法的研究过程。最早的参数工程整定方法是在1942年由Ziegler和Niehols提出的简称为Z-N的整定公式，尽管时间已经过去半个世纪了，但至今还在工业控制中普遍应用。1953年Cohen和Coon继承和发展了Z-N公式，同时也提出了一种考虑被控过程时滞大小的Cohen-Coon整定公式。自Ziegler和Nichols提出参数整定方法起，有许多技术已经被用于PID控制器的手动和自动整定。按照发展阶段划分，可分为常规PID参数整定方法及智能PID参数整定方法：按照被控对象个数来划分，可分为单变量PID参数整定方法及多变量PID参数整定方法，前者包括现有大多数整定方法，后者是最近研究的热点及难点：按控制量的组合形式来划分，可分为线性PID参数整定方法及非线性PID参数整定方法，前者用于经典PID调节器，后者用于由非线性跟踪微分器和非线性组合方式生成的非线性PID控制器。液面高度是工业控制过程中一个重要的参数，特别是在动态的状态下，采用适合的方法对液位进行检测、控制，能收到很好的效果。液位控制是工业生产中典型的过程控制问题，对液位准确的测量和有效的控制是一些设备优质、高产、低耗和安全生产的重要指标。由于它便于直接观察、容易测量、获取方便、过程时间常数一般比较小、价格低廉等特点，所以被广泛应用于工业测量。在工业过程控制系统中，目前采用最多的控制方式依然是PID控制。即使在美国、日本等工业发达国家，PID控制的使用率仍达90%，可见PID控制在工业过程控制中占有异常重要的地位。PID控制技术经历了数十年的发展，从模拟PID控制发展到数字PID控制，技术不断完善与成熟。尤其近十多年来，随着微处理技术的发展，国内外对智能控制的理论研究和应用研究十分活跃，智能控制技术发展迅速，如专家控制、自适应控制、模糊控制等，现己成为工业过程控制的重要组成部分。由于液体本身的属性及控制机构的摩擦、噪声等的影响，控制对具有一定的纯滞后和容量滞后的特点，液位上升的过程缓慢，呈非线性。因此液位控制装置的可靠性与控制方案的准确性是影响整个系统性能的关键。本课题针对液位控制设计了一个由压力传感器、PLC、电动调节阀等组成的系统，并采用了增量式PID算法对其控制。随着科学技术的发展，在液位控制方面有很多不同的方法，而计算机控制技术在过程控制中占有十分重要的地位。2.5.2PID算法类型[1]PID(ProportionalIntegralDerivative调节是连续控制系统中应用最多的一种控制调节规律。其本身根据控制对象的动态特性，按需要可以分解成P、PI、PD调节模块，而且多数复杂控制(如串级调节，比值控制中均采用了PID控制规律。生产实际证明，PID控制能满足绝大多数工业过程被控对象的控制要求，至今仍然是一种最基本的控制方法。比例控制：就是对偏差进行控制，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。比例调节的优点是调节及时，反应灵敏，当偏差一旦出现，就能及时产生与之成比例的调节作用，偏差越大，调节作用越强，但单纯的比例控制存在静差不能被消除的缺点，因此就需要积分控制。积分控制：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。简单来说就是把偏差积累起来，一起算总帐。微分控制：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，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。因此，在实际应用中，应慎用微分控制。2.5.3PID两种控制方式1）位置型控制⎧Tu(n=KP⎨e(n+TI⎩∑e(i+i=0n⎫TD[e(n-e(n-1]⎬+u0（2.1）T⎭2）增量型控制∆u(n=u(n-u(n-1=KP[e(n-e(n-1]+KP（2.2）TTe(n+KPD[e(n-2e(n-1+e(n-2]TIT为了方便编程进一步整理可得：∆u(n=q1*e(n+q2*e(n-1+q3*e(n-2（2.3）其中：q1=Kp1+⎛⎝TdTTd⎫⎛2Td⎫；+⎪；q2=-Kp1+⎪；q3=KpTTiT⎭T⎭⎝图2.6位置型PID算法流程图图2.7增量型PID算法流程图图2.8PID程序流程图第三章基于组态王的单容水箱液位控制系统3.1组态王简介[8]组态王软件由于其界面友好，使用简单等优势，近年来成为很受欢迎的上层组态软件。组态王软件是在PC机上建立工业控制对象与人机接口的智能软件包，他以windows中文操作系统作为操作平台，充分利用了windows操作系统的图形完备，易学易用的特点。由于其采用了PC机开发系统工程，因此，比使用工控机控制系统更具有通用性，减少了在重复性方面的工作量，可以方便进行二次开发。具体来说，组态王的主要特点有以下几方面：1）主画面显示功能。2）良好的开放性。3）丰富的功能模块。4）强大的数据库。5）强大地ODBC功能。6）可编程的命令语言。7）系统安全性。3.1.1组态王软件的组成组态王软件包由工程管理器、工程浏览器、画面运行系统、三大部分组成。其中，工程管理器用于新建工程、工程管理等。工程浏览器内嵌换面开发系统，及组态王开发系统。工程浏览器和画面运行系统是各自独立的windows应用程序，均可单独使用；两者又相互依存，在工程浏览器的画面开发系统中设计开发的画面应用程序必须在画面运行环境中才能运行。在工程浏览器中可以查看工程的各个组成部分，也可以完成数据库的构建、定义外部设备的等工作；工程浏览器内嵌画面管理系统，用于新工程的创建和已有工程的管理；画面的开发和运行由工程浏览器调用画面制作系统和画面运行系统来完成。画面制作系统是应用工程的开发环境，可以在这个环境中完成画面设计、动画连接等工作。画面制作系统具有先进完善的图形生成功能；数据库提供多种数据的类型，能合理地提取控制对象的特性；对变量报警、趋势曲线、过程记录、安全防范等重要功能都有间接的操作。工程管理器是应用程序的管理系统。它具有很强大的管理功能，可用于新工程的创建和删除，并能对已有工程进行搜索备份及有效恢复，实现数据词典的导入导出。画面运行系统是组态王软件的实时运行环境，在应用工程的开发环境中建立的图形画面只有在画面运行环境中才能运行。画面运行系统从控制设备中采集数据，并保存在实时数据库中。它还负责把数据的变化以动画的方式形象的表示出来，同时可以完成变量报警、操作记录、趋势曲线等监视工程，并按实际需求记录在数据库中。3.1.2制作工程的一般步骤建立新的组态王的工程的一般过程为：设计图形界面、定义设备、构造数据库、建立动画连接和运行和调试。利用组态王开发系统编制过程时，需要注意以下几个问题：首先用户希望怎样的图形画面，也就是怎样用抽象的图形画面来模拟实际的工业现场和相应的工控设备。其次怎样用数据来描述工控对象的各种属性也就是创建一个具体数据库，此数据库的变量反映了工控对象的各种属性，比如压力，温度等。最后了解数据和图形画面中的图素的连接关系。也就是画面的图素是怎样的动画来模拟现场设备的运行，以及怎样让操作者输入控制设备的指令。3.1.3组态王与外部设备通信组态王把每一台与之通讯的设备看作是外部设备，为实现组态王要和外部设备的通讯，组态王内置了大量设备的驱动程序作为组态王和外部设备的接口，在开发过程中只需根据工程浏览器提供的设备配置向导一步步完成连接过程，即可实现组态王和相应外部设备驱动的连接。在运行期间，组态王就可通过驱动接口和外部设备交换数据，包括采集数据和发送数据。每一个驱动都是一个COM对象，这种方式使驱动和组态王构成一个如图3.1所示的完整的系统，既保证了运行系统的高效率，也使系统有很强的扩展性。[4]组态王图3.1组态王与外部设备通信图3.2控制方案选取单容水箱控制系统实验装置是基于工业过程的物理模拟对象，它是集自动化仪表技术、计算机技术、通讯技术、自动控制技术为一体的多功能实验装置。根据自动化及其它相关专业教学的特点，吸收了同类实验装置的特点和长处后，经过老师的精心设计，多次实验和反复论证，推出了这一套全新的实验装置。该系统可实现系统参数辨识、单回路控制、串级控制等多种控制形式。单容水箱系统的水箱主体由蓄水容器和检测元件两大部分构成。图3.2液位控制方框图图3.2是液位控制系统的方框图从图可知，简单控制系统由四个基本环节组成，即被控对象，测量变送装置，控制器和执行器。对于不同对象的简单控制系统，尽管其具体装置与变量不相同，但都可以用相同的方框图来表示，这就便于对他们的共性进行研究。还可以看出，在该系统中有着一条从系统的输出端引向输入端的反馈路线，也就是15说该系统中的控制器是根据被控变量的测量值与给定值的偏差来进行的，这是反馈控制系统的又一特点。3.3上位机组态软件的开发3.3.1监控画面监控画面是整个上位机监控系统开发中最为重要的部分，液位控制监控系统实现了对整个液位控制流程实时动态模拟显示。操作人员可以直接通过上位机查看液位变化过程的运行状况，并且通过监控画面进行实时控制。整个监控系统的换面采用分层设计，顶层为系统初始画面，下面包含若干个控制子图。图3.3上位机监控系统结构图主监控画面包含了系统的重要设备，并按照控制流程组合在一起，显示设备参数的变化和运行状态开发的主监控画面如下图所示，主监控画面不仅要显示设备实时运行的状态，还要控制整个控制过程的启动、停止以及各个控制状态的变化，实现各个子设备在手动和自动方面的切换。因此，在主画面的右下方设置了【历史曲线查询】菜单、【报警历史查询】菜单、【报警确认】菜单、【PID】设定菜单和【设定值】菜单。对于各个菜单，点击菜单选项就会执行菜单动画命令语言。图3.4主监控主界面16图3.5命令语言窗口在主画面的右下方设置了切换按钮，点击按钮，开始执行按钮动作语言，切换到与之相对应的子画面，其命令语言的编辑如图3.5所示。3.3.2构造数据库数据库是“组态王”最核心的部分。在组态王运行时，工业现场的生产状况要以动画的形式反应在屏幕上，同时工程人员在计算机前发布的指令也要迅速送达现场，所有这一切都是以实时数据库为中介环节，数据库是联系上位机和下位机的桥梁。组态王中，变量的类型共有两类：内存变量、―I/O‖变量。―I/O‖变量指可与外部数据采集程序直接进行数据交换的变量。这种数据的交换是双向的、动态的，在实际控制系统中，那些从下位机采集的数据以及发送给下位机的指令都需要写成―I/O‖变量。内存变量指那些不需要和其它应用程序交换数据、也不需要从下位机得到数据，在组态王内人工设定值的变量。―I/O‖变量通过―定义变量对话框‖来完成。在设置的过程中，加入了同外部设备寄存器连接的设置，如果外部设备寄存器中的数值不需要转换，上位机可以直接使用，那么保持最大值和最大值原始值一致，最小值和最小原始值一致；否则，就要分别设置最大值和最小值来完成数值范围的线性或非线性转化。在液位控制系统中，寄存器中保存的是―I/O‖模块采集液位值，寄存器范围是O---1000，不是实际的液位范围，这个时候就需要按照量程进行转换。本文根据液位控制系统实际需要，将需要的水箱液位值从下位机获得数据，因此变量设置为―I/O‖类型变量，并且，在定义变量时设定其连接设备及寄存器地址，确定模拟量与数字量之间的对应关系。17图3.6―I/O‖变量定义示意图对于内存变量的定义同样通过―定义变量对话框‖来完成。如图3.6所示：在实际的液位控制系统中，需要定义多个内存变量以完成算法的实现，因此，需要在组态王中定义内存变量。由于内存变量仅仅作为内部算法实现的中间变量，不需要对下位机输出，因此，可以不必对它进行过多的转换。图3.7内存变量定义示意图18图3.8数据词典3.3.3数据通信水箱液位控制系统采用研华PCI-1710L智能模块来实现与上位机的具体通信，所以需在上位机组态软件中定义模块的通信通道。组态王提供了研华PCI-1710L模块的设备驱动程序，只需要按照如下配置向导就可以完成串口设备的配置，从而实现上位机与板卡模块间的通信。具体步骤如下[12]：1）在工程浏览器的目录显示区单击，继而在右边目录显示区双击，就会弹出―设备配置向导‖的对话框，如图3.9所示：图3.9选择板卡2）点击其中的智能化模块，选择其下的研华系列板卡，在其下选择PCI-1710L板卡，点击下一步。193）给安装的设备指定唯一的逻辑名称。4）为安装的设备指定通信地址。通讯地址查询方式如下：右击我的电脑，选择【管理】，点击【设备管理】，在右侧框内选择板卡右击，【属性】-【资源】，从这里可以详细地看到板卡的输入输出范围,如图3.10所示。图3.10查处板卡通讯地址5）输入尝试恢复时间、最长恢复时间，其含义为：当上位机与设备断开时多长时间尝试恢复一次连接；当时间超过多长时间就停止尝试连接。点击【下一步】，点击【完成】。3.3.4命令语言的编写组态王命令语言在语法上是一种类似于C语言的程序，开发人员可以利用这些程序来来处理和进行操作。命令语言都是靠时间的触发而执行的，比如定时、数据变化等等。根据功能的不同，包括了应用程序命令语言、数据改变命令语言、动画连接命令语言和画面命令语言。各种命令语言通过―命令语言编辑器‖进行编辑输入后在组态王运行系统中编译执行。其具体操作为：在工程浏览器目录显示区，选择，双击【应用程序命令语言】进入命令语言编辑器，用户可以在启动时、运行时、停止时分别编写程序。20图3.11命令语言应用程序命令语言是同系统相关联的，只有一个。数据改变命令语言是当连接的变量的值发生改变时，系统自动执行的命令语言。数据改变命令语言是同变量相关联的，可以按照需要定义多个。画面命令语言是和画面联系在一起的，每个画面对应一个命令语言，画面显示时画面命令语言按照指定时间间隔定时执行。本文中的控制程序是由上面介绍的应用程序命令语言构成的。3.3.5实时曲线本设计根据实验室具体情况对水箱液位最大值、最小值等参数进行了设定，并绘制出实时曲线模块，如图3.4所示。用户可以通过观察曲线直观的监控水位的变化情况，同时在实时曲线下面还绘制了报警模块，当液位超过设定值时报警系统进行报警，报警灯闪烁并伴有警告。在组态王中定义实时曲线画面，在实时曲线名的编辑框中可输入有效的变量名或者表达式，同时可定义变量的曲线颜色。本设计将液位曲线设置为绿色。在【标识定义】中，定义曲线的数值轴与时间轴，设定曲线的标识数目、曲线的更新频率以及整个曲线的时间长度。3.3.6历史报警查询[11]组态王将报警信息自动保存到我的工程里的alarm文件中，但是用户在查询报警历史查询时去文件夹中寻找比较麻烦，本设计为了解决这一问题设计了报警历史查询模块，此模块中还有一个日历控件和一个―KVADODBGridClass‖控件组成的时间模块，为查询时报警的时间选择提供方便。接下来进行数据库以及ODBC数据源的建立：首先需21要在Access中建立一个空白数据库，例如建立路径为：D：\报警存储与查询\报警数据库.mdb。之后在此数据库中创建一个数据表：表的名称为：Alarm，字段类型为文本类型。接下来按照下面的步骤进行操作：1）设置ODBC数据源组态王通过ODBC数据源将报警信息存储到数据库中，因此必须先建立ODBC数据源。在【控制面板】-----【管理工具】----【ODBC数据源】中建立ODBC数据源，点击【ODBC数据源】弹【ODBC数据源管理器】，如下图3.12所示：在【用户DSN】中点击【添加】弹出【选择数据源驱动程序】窗口，如下图3.13所示：选择【MicrosoftAccessDriver(*.mdb】驱动，点击【完成】。弹出如图3.14所示窗口，填写ODBC数据源的名称，根据需要对数据源进行命名，如―报警‖，点击【选择(S】，如图3.15所示。选择前面定义的数据库文件―D：\报警存储与查询\报警数据库.mdb‖。点击【确定】完成ODBC数据源的定义。其他数据库如SQLServer的ODBC定义请参考相关文档。图3.12ODBC数据源管理器图图3.13选择数据源的驱动程序图3.14数据源定义图3.15选择数据库223）报警配置数据库以及ODBC数据源定义完成后，进行报警配置中的数据库配置。双击组态王工程浏览器的“系统配置”中的“报警配置”，其中要注意的是报警记录的时间格式要是否则报警信息不予显示。4）创建日历控件在通用控件中选择―MicrosoftDateandTimePickerControl‖，其下的脚本程序如下所示：全部保存运行可得到下面的结果。图3.16历史报警查询3.3.7历史曲线组态王的历史数据可以通过曲线的形式显示。在组态王中，内置的曲线分为温控曲线、趋势曲线和超级X-Y曲线。历史曲线是监控系统中必不可少的部分，他可以使用户通过曲线的方式来查询控制系统的重要数据，从而更方便的完成参数的整定。使用历史曲线时，需要对曲线做相关的配置，其中，主要为变量属性的配置和历史数据存放位置的配置。只有完成变量定义的记录属性设置以后，组态王才会自动按照设置的方式存储历史数据。变量属性设置的对话框如图3.17所示：23图3.17设置记录历史数据历史曲线是监控系统必不可少的部分，操作人员以曲线的形式查询重要历史数据，分析控制过程，进而调节控制参数。但是，历史曲线本身并不保存变量的历史数据，而仅仅是显示历史数据的一种方式。历史数据的存储主要由组态王提供的历史库来完成。本文采用组态王提供的历史曲线控件来实现水箱液位历史曲线的显示。在组态王中右击控件，点击【控件属性】，在―曲线‖目录下点击【历史库中添加】，在【坐标系】、【游标配置选项】中对记录的时间格式游标等进行设置。系统运行时，历史趋势曲线控件自动连接历史数据库，把数据库中保存的数据以曲线的形式显示出来。图3.18历时曲线查询用户可根据液位控制的各个阶段曲线的显示来观察液位控制情况，并根据观察到的24情况来调整参数。在实际查看过程中，用户可以通过调整曲线跨度和左右移动来查看曲线。在历史曲线显示模块中，包含了历史曲线控件及用以及用来查询各个时刻记录曲线的按钮。用户可以通过具体的时间来方便的查询某一时间的历史曲线。3.4参数整定连接设备，运行编写的PID程序，通过不同的PID参数的设定观察控制的实际效果，其中目标值为200毫米，选出一组最为合适的参数对水箱液位进行控制，其实际效果如下图所示：图3.20比例=0.5,积分=0.3图3.21比例=0.5,积分=0.1图3.22比例=0.5,积分=0.1,微分=5图3.23比例=1,积分=0.1比较以上几幅图可知，当比例=0.5，积分=0.1时控制效果最佳。第四章基于变频器的单容液位控制系统4.1变频调速基础变频调速是国际上各大电器公司在70年代末80年代末投入全力研制、开发的技术，通过几十年的发展，国内和国外在变频调速技术上都已经常熟。目前，变频调速的控制法有恒压频比控制、转差率控制、矢量控制、直接转矩控制等，其控制原理如下：根据异步电机的基本原理，异步电机转速公式为：n=60f(1-s（4.1）p其中n为电动机的转数，f为电源频率，s为转差率，p为定子旋转磁场的极对数，所以从这个公式就可以看出，要想改变电动机的转速，可以改变f，s，p这三个中的任意一个，就能够实现调速，其中改变电源频率f是比较方便和有效的方法，只要改变了电源频率就能都改变电动机的转速。1）V/F控制原理：U=E=4.44f*N*K*Φ，其中U是电源电压，E是定制绕组的感应电动势，f电源频率，n为绕组线圈匝数，K为绕组分布系数，Φ为磁通量。从这个公式可以看出，如果减小f的话，电源频率U还不变，那么Φ必然变大，因为电机的磁路设计都是按照一定的磁通量设计的，如果Φ增大，那么磁路有可能就进入了饱和状态，所以必须保证Φ为恒定，所以相应的也应该减小电源电压U，同理，f增大，U也要增大，同时必须保证u/f为一个常量。2）矢量控制原理：矢量控制的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为矢量控制方式。矢量控制方式又有基于转差频率控制的矢量控制方式、无速度传感器矢量控制方式和有速度传感器的矢量控制方式等。①基于转差频率控制的矢量控制其同样是在进行U/f恒定控制的基础上，通过检测异步电动机的实际速度n，并得到对应的控制频率f，然后根据希望得到的转矩，分别控制定子电流矢量及两个分量间的相位，对通过变频器的输出频率进行控制的。基于转差频率的矢量控制方式的最大特点是，可以消除动态过程中的转矩电流的波动，从而提高了通用变频器的动态性能。早期的矢量控制通用变频器基础上都是采用的基于转差频率控制的矢量控制方式。②无速度传感器的矢量控制方式是基于磁场定向控制理论发展而的。实现精确的磁场定向矢量控制需要在异步电动机内安装磁通检测装置，要在异步电动机内安装磁通检测装置是很困难的，但人们发现，即使不在异步电动机中直接安装磁通检测装置，也可以在通用变频器内部得到与磁通相应的量，并由此得到了所谓的无速度传感器的矢量控制方式。它的基本思想是根据出入的电动机的铭牌参数，按照一定的关系分别对作为基本控制量的励磁电流和转矩电流的指令值和检测值达到一致，并输出转矩，从而实现矢量控制。③采用矢量控制方式的通用变频器不仅可在调速范围上与直流电动机相匹配，而且可以控制异步电动机产生的转矩。由于矢量控制方式所依据的是准确的被控异步电动机的参数，有的通用变频器在使用时需要准确的输入异步电动机的参数，有的通用变频器需要使用速度传感器和编码器，并需要使用厂商指定的变频器专用电动机进行控制，否则难以达到理想的控制效果。目前新矢量控制通用变频器中已经具备异步电动机参数自动识别、自适应功能，带有这种功能的通用变频器在驱动异步电动机进行日常运转之前可以自动地进行对异步电动机的参数进行识别，并根据便是结果调整控制算法中的参数，从而对普通的异步电动机进行有效的矢量控制。除了上述的无速度传感器矢量控制和转矩矢量控制等，可提高异步电动机转矩控制性能的技术外，目前的新技术还包括异步电动机控制常数的调节及与机械系统匹配的适应性控制等以提高异步电动机应用性能的技术。为了防止异步电动机转速偏差以及在低速区域获得较理想的平滑转速，应用大规模集成电路并采用专用数组时自动电压调整控制技术的控制方式，以实用化并取得良好效果。4.2三菱通用变频器FR-D700简要介绍4.2.1FR-D700简介FR-D700系列的变频器是具有变频调速器和经济型高性能的变频器，其功率范围：0.1～15KW。本系统用的变频器是FR-D740-1.5K-CHT。在三菱变频器系列产品中它是一种理想的小功率，低价位变频器。FR-D740-1.5K-CHT变频器特别适合作为水泵和风机的驱动装置，或者作为各种工业设备的驱动装置，例如，食品工业，纺织工业和包装工业，以及传送带驱动系统，工厂大门和车库大门传动链的驱动，还可以作为移动是广告牌的驱动装置。图4.1FR-D740-1.5K-CHT变频器的外观图4.2.2三菱变频器FR-D740-1.5K-CHT常规介绍主电路接线端：图4.2主电路接线端4.2.3控制电路接线端极端子功能介绍图4.3接线端子介绍图4.4接线端子功能部分的端子可以通过Pr.178～Pr.182、Pr.190、Pr.192（输入输出端子功能选择）选择端子功能。请正确设定Pr267和电压/电流输入切换开关，输入与设定相符的模拟信号。若将电压/电流输入切换开关设为“I”进行电压输入，将开关设为“V”进行电流输入，则可导致变频器或外部设备的模拟电路发生故障。4.2.4操作面板及其功能介绍图4.5操作面板4.3变频器的作用变频器调速能够应用在大部分的电机拖动场合，由于它能够提供精确的速度控制，因此可以方便地控制机械传动的上升、下降和变速运行。变频器应用还可以大大地提高工艺的高效性，同时可以比原来的定速运行的电动机更加节能。变频器主要有以下作用：（1）控制电动机的启动电流。变频调速可以在零速零电压启动，一旦频率和电压的关系建立，变频器就可以按照V/F或矢量控制方式带动伏在进行工作。使用变频器调速能充分减低启动电流，提高绕组承受能力，用户最直接的好处就是电动机维护成本将进一步降低、电动机的寿命则相应增加。（2）降低电力线路电压波动。采用变频调速，由于能在零频零压时逐步启动，则能在最大程度上消除电压下降。（3）启动时需要的功率更低。电动机功率与电压和电流的乘积成正比，那么通过工频直接启动的电动机消耗的功率将大大高于变频启动所需要的频率。（4）可控的加速功能。变频器调速能在零速启动并按照用户的需要进行光滑地加速，而且其加速曲线也可以选择。（5）可调的运行速度。通过变频器素能优化工艺过程，并能根据工艺工程迅速改变，还能通过远程的PLC或其它控制器来实现速度变化。（6）可调速的转矩极限。通过变频器速度后。能够设置相应的转矩极限来保护机械不致损坏，从而保证工艺过程的连续性和产品的可靠性。（7）受控的停止方式。在变频调速中，停止方式可以受控，并且有不同的停止方式可以选择，同样可能减少对机械部件和电动加的冲击，从而使整个系统更加靠谱，寿命也会相应增加。（8）节能。离心风机或水泵采用变频器后都能大幅度地降低能耗，由于最终的能耗是与电动机的转速成立方比，所以采用变频后投资回报更快，厂家也乐意接受。（9）可逆运行控制。在变频控制中，要实现可逆运行控制无需额外的可逆控制装置，只需要改变输出电压的相序即可，这样可降低维护成本和节省安装空间。（10）减少机械传动部件。运行直接变频传动系统可降低成本和空间，提高设备的性价比。4.4控制系统调试本设计选用变频器，水泵，压力液位变送器对液位高度进行实时控制，其接线如图4.6所示：图4.6外部接线图液位变送器输出4～20mA电流信号，经过串联其中的250欧姆电阻之后转换为1～5V电压信号，电阻两端的电压信号输入到变频器中，变频器通过内部的PID运算得出输出值，进而对水泵的转速进行实时控制，最终达到控制液位的目的。4.4.1操作步骤1）待接线完毕后首先设置变频器的频率范围：在变频器中，设置最大频率的编号为1，最小频率的编号为2。实验室的水泵转速频率最高为50Hz，最小为13Hz，当超过或低于这两个值时，水泵空转。之后设置变频器的工作方式：将其设置为内置的PID工作方式，而这个设置的编号为127，选择完之后，将其设置为30Hz，其含义为当水泵转速达到30Hz时，变频器会自动切换到内置的PID自动运行控制方式中。接下来要设置编号128的数据即PID动作选择数据，变频器提供了多种动作方式，而本设计中选用的是负反馈的工作方式，所以将其代码设置为20，即为负反馈工作方式。编号129表示的是比例带，Kp=1/比例带，在这里设置比例带为40%，编号130表示积分时间，这里设置为80s，编号133为PID动作目标值，可以从这里设置不同的目标值，从而实现不同的液位控制目标，其实际情况如下表所示：表4.1动作目标值与各物理量对应关系实验中当突然有干扰时，变频器马上使水泵的转速达到20.89左右，当突然有二次干扰时，变频器会维持水泵的转速达到16.89左右。还有需要注意的是如果在变频器运行的时候改变比例带可能导致变频器的频率降低到最小值而导致空转。因此，如果想重新设置PI，最好停止运行变频器后再重新设置各个参数。4.4.2参数整定不同的PID参数所实现的控制效果不同，那么我们如何选择出最为合适的一组PID值呢？本设计通过不同的PID参数的设定通过组态王软件得到并观察实时曲线走势，最后比较几组数据的控制效果，从而得出最合适的PID参数。图4.7比例P=30，积分I=20图4.8比例P=30，积分I=60图4.9比例P=30，积分I=82图4.10比例P=10，积分I=60通过以上几组不同的PID参数比较可得最合适的比例P=10，积分I=60，微分不需要引入。第五章双容水箱液位控制系统单回路控制系统在一般情况下都能满足正常生产需求，但是当对象的容量滞后较大，负荷或干扰变化比较剧烈、比较频繁，或是工艺对产品质量提出的要求很高时，采用单回路的控制方法就不再有效了，于是就出现了所谓的串级系统。液位串级是复杂的过程控制系统，由主、副两个回路组成，每个回路中有各自的调节器和被控对象，即主回路中的调节器称主调节器，被控对象为下水槽，作为系统的主被控对象，下水槽的液位值为主被控变量。副回路中的调节器称副调节器，被控对象为上水槽，为系统副被控对象，上水槽液位值为副被控变量。串级控制系统的目的是使系统具有良好的动态性能和稳态性能，确保主被控量的控制质量，实现无差调节。当有扰动出现于副回路时，由于主被控对象的时间常数大于副被控对象的时间常数，因而当主被控变量未做出反应时，副回路已做出快速响应，及时地消除了扰动对主被控量的影响。此外，如果扰动作用于主被控对象，由于副回路的存在，使副被控对象的时间常数大大减小，从而加快了系统的响应速度，改善了动态性能。5.1串级控制5.1.1串级控制概念串级控制系统是由其结构上的特征而得名的。它是由主、副两个控制器串接工作的。主控制器的输出作为副控制器的给定值，副控制器的输出去操纵控制阀，以实现对变量的定值控制。图5.1串级控制结构框图串级控制系统-----两只调节器串联起