双容水箱水位控制系统设计方案

PAGEI摘要双容水箱液位控制系统是采用先进的控制算法完成对过程液位的控制的控制系统，它在饮料、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均有广泛应用。在本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，采用动态仿真技术对控制系统的性能进行分析.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AbstractDoubletankwaterlevelcontrolsystemistheuseofadvancedcontrolalgorithmofprocessliquidlevelcontrolsystem，itisinthebeverage，foodprocessing，filteringsolution,chemicalproductionandotherindustriesintheproductionprocesshasbeenwidelyused.Inthedesignofthefulluseofautomationtechnology,computertechnology，communicationtechnologyandautomaticcontroltechnology，inordertoachievethewatertankliquidlevelcascadecontrol。Firstly，theobjectmodelisanalyzed，andtheexperimentalmodelingmethodformodeltransferfunction.Secondly,accordingtothecontrolledobjectmodelandthecontrolledprocesscharacteristicdesignofcascadecontrolsystem，usingdynamicsimulationtechnologytothecontrolsystemperformanceanalysis。Then,designandconstructionprocesscontrolinstrumentationsystem,throughtheintelligentcontrollerforliquidlevelcascadePIDcontrol。Finally,withthehelpofadataacquisitionmodule，MCGSconfigurationsoftwareanddigitalcontroller,designandestablishmentofaremotecomputerprocesscontrolsystem,completecontrolsystemexperimentandresultanalysisKeywords:liquidlevel，modelPIDcontrol，indicatorprocesscontrolsystem，computerprocesscontrolsystem目录_Toc106775327""摘要 Ⅰ”1绪论 1_Toc106775334”"2被控对象建模 2HYPERLINK”"）！setdevice（调节仪1，6，”write（0,0）”）!setdevice(调节仪1，6，”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〉20then下水箱液位PV1=20endifif上水箱液位PV1>20then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。参数：DevName，设备名，字符型;DevOp，设备操作码，数值型；CmdStr，设备命令字符串，只有当DevOp=6时CmdStr才有意义。DevOp取值范围及相应含义:1：启动设备开始工作。2:停止设备的工作使其处于停止状态.3:测试设备的工作状态。4：启动设备工作一次.5：改变设备的工作周期,CmdStr中包含新的工作周期,单位为ms。6:执行指定的设备命令，CmdStr中包含指定命令的格式4.2.4计算机设备窗口设置:表4。5AI-808P智能仪表设置设备名称:调节仪1调节仪2设备注释：宇光—AI808P仪表宇光—AI808P仪表初始工作状态：1-启动1-启动最小采集周期（ms）：500500模块地址：12设置小数点位数:1-1位小数1—1位小数输入范围:10—1～5V10—1～5V连接通道通道类型数据对象1数据对象20通讯状态mm1mm21PV值（液位测量值）pv1pv22SV值（液位给定值）sv1sv23MV值（调节器输出值)op1op218CTRL控制方式ctrl1ctrl223Sn输入规格sn1sn225dil下限显示dil1dil226dih上限显示dih1dih232CF系统功能cf1cf234通讯地址addr1addr2为了能够使计算机与智能仪表顺利通信，智能仪表的采样周期必须与串行接口有相同的采样周期,这里设定采样周期为500ms。4。3仪表过程控制系统PID参数整定在组建仪表系统设备构件，实现计算机与仪表系统通讯后,完成仪表液位控制系统的调试运行,完成PID参数的整定，完成仪表控制系统的实验。根据液位串级控制系统的设计原则和被控过程模型,主副被控过程的时间常数之比在4。5：1左右。主副回路的工作频率和操作周期相差较大，其动态联系很小可忽略不计。所以副调节器按单回路系统方法整定后，可以将副回路作为主回路的一个环节，按单回路控制系统的整定方法，整定主调节器的参数，而不再考虑主调节器参数变化对副回路的影响。而且在液位控制系统的设计中，对于主参数下水箱液位的质量指标要求较高,对副参数上水箱液位没有严格的要求。设置副参数的目的是为了进一步提高主参数的控制质量，只要通过主调节器参数整定保证主参数质量,副参数的控制质量可以牺牲一些。采用两步整定法整定调节仪表PID参数：（1)在工况稳定﹑主回路闭合、主副调节器都在纯比例作用的条件下,主调节器的比例度置于100％，用单回路控制系统的阻尼振荡法整定，求取副调节器比例度和操作周期。(2）将副调节器的比例度置于（1）中所求得的数值上，把副回路作为主回路的一个环节，用同样的方法整定主回路,求取主回路的比例度和操作周期。（3）根据以上求得的数据，按单回路系统阻尼振荡法整定公式计算主副调节器的比例度﹑积分时间和微分时间的数值。（4）按先副后主﹑先比例后积分﹑适当加入微分的整定程序，设置主﹑副调节器的参数，再观察过渡过程曲线，必要时进行适当调整，直到系统质量达到最佳为止。主副调节器参数整定结果如下：主调节器比例系数P=20,积分时间I=80，微分时间D=10；副调节器比例系数P=40。对仪表控制系统设置下水箱液位给定值为50mm，待系统稳定后，突加阶跃扰动型号,设定下水箱液位值为70mm，得到下水箱液位输出响应曲线.图4.2下水箱液位阶跃响应曲线5模拟计算机过程控制系统以下将设计组建远程数据采集过程控制系统实现对双容水箱液位系统的控制。虽然仍然是基于“THJ—2高级过程控制系统实验装置”组建，但是远程数据采集过程控制系统不同于以智能仪表带上位机监控为主的仪表过程控制系统.远程数据采集过程控制系统属于计算机DDC控制系统，它是将模拟量输入A/I模块和模拟量输出A/O模块，开关量输入/输出D/I,D/O模块置于计算机之外，计算机通过RS232/485通讯转换装置同ICP—7000系列采集模块（自带485通讯接口）通讯。ICP—7000系列采集模块的作用是将传感器检测到的被控参数标准信号通过A/D转换送入计算机,计算机同时也将通过控制运算发出的控制信号通过D/A转换发给执行机构(调节阀、变频器）。整个控制系统的控制算法及监控功能都在控制计算机中实现.5。1计算机过程控制系统硬件设计5。1.1信号采集为了实现计算机控制,需要对输入的模拟信号进行采样,转换为计算机可以利用的数字信号。应从技术和经济的角度综合考虑信号采集速度和信号数字化精度这两个问题。根据香农采样定理：对于一个具有有限频谱的连续信号进行采样，采样频率必须大于或等于信号所含最高频率的两倍,信号采样所得的数值才可以完全复现原来的信号。需要依据液位对象的特性﹑加入对象的扰动大小和频率和系统性能指标要求综合选择适当采样周期。5。1。2模拟量输入通道在计算机控制系统中，模拟量输入通道一般包括了I/V变换电路﹑多路转换器﹑采样保持器﹑A/D转换器﹑接口﹑控制逻辑。模拟量输入通道的任务是把通过压力变送器检测到的模拟信号（4～20标准电流信号),经过I/V变换转换成对应的1～5电压信号，在经过采样为离散的模拟信号并量化成为二进制的数字信号，经接口送到计算机中。在远程数据采集过程控制系统,将使用ICP—7017数据采集模块实现模拟量输入通道的功能。7017A/D转换模块：数据采集程序存储在EEPROM中,由内部控制器控制逻辑执行，控制转换开关在8路模拟信号间转换，模拟量送入A/D通道后,转换为数字信号并将其与模拟量输入通道号对应，等待计算机查询，数据通过RS—485接口传送至计算机。7017A/D转换模块技术指标：模拟输入类型：mV，V,mA.采样率：10次/s带宽：15。7Hz准确率:±0。1%零点漂移：20μV/℃波特率：9600bps量程：-10V~10V–5V～5V—1～1V–500mV~500Mv-150mV～150mV-20mA~20mA对应8000～7FFF电源输入：10～30VDC 电源功耗：1。3W。图5。17017内部示意图图5.27024内部示意图5.1.3模拟量输出通道在计算机控制系统中，模拟量输出通道一般包括接口电路﹑D/A转换器﹑V/I变换等。模拟量输出通道的任务是将计算机输出的数字量转换成模拟电压或电流信号，以便驱动相应的执行机构(电动调节阀）。在远程数据采集过程控制系统，将使用ICP—7024数据采集模块实现模拟量输入通道的功能。7024D/A转换模块：数据采集程序存储在EEPROM中,计算机将数据通过RS-485接口送给7024D/A转换模块，由内部控制器按控制程序将数据送入对应DAC通道，转换为模拟电压/电流输出。7024D/A转换模块技术指标：模拟量输出类型:V，mA.带宽：15.7Hz准确率：±0.1%波特率：9600bps零点漂移：±30μV/℃±20μA/℃量程:0～20mA4mA～20mA0V～10V-10V~10V0V～5V—5V~5V电源输入：10～30VDC 电源功耗:2。3W5。1。4计算机控制系统硬件电路设计：图5.3采集模块电路原理图5。2MCGS软件工程组态通过MCGS组态软件在控制计算机上构建一个人机交互界面，经过RS232/485转换器实现计算机与数据采集模块的通讯，将检测变送装置的信号传送到控制计算机中,从而在人机交互界面中可以对水箱液位对象进行监控﹑控制器设计改造﹑数据浏览和存储﹑记录实验曲线等。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MCGS组态软件的工作方式：(1）MCGS与设备通讯：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。（2）MCGS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，每一种动画属性都会产生一定的动画效果.所谓动画属性是反映图形大小、颜色、位置、可见度、闪烁性等状态的特征参数。在图形的每一种动画属性中都有一个“表达式”设定栏，其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。（3）当工业现场中测控对象的状态（如：水箱液位高度等）发生变化时，通过设备驱动程序将变化的数据采集到实时数据库的变量中，该变量是与动画属性相关的变量,数值的变化,使图形的状态产生相应的变化（如高低变化）。现场的数据是连续被采集进来的，这样就会产生逼真的动画效果(如水箱液面的升高和降低）。用户也可编写程序来控制动画界面，以达到满意的效果。(4)MCGS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，构成分布式网络测控系统，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。分布式网络测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。（5)MCGS控制工程运行流程：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，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.在MCGS组态环境下的工程组态流程如下5.2.1主控窗口设计主控窗口是工程的主窗口或主框架，是所有设备窗口和用户窗口的父窗口。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.并调度用户策略的运行。同时，主控窗口又是组态工程结构的主框架，可在主控窗口内建立菜单系统，创建各种菜单命令，展现工程的总体概貌和外观，设置系统运行流程及特征参数,方便用户的操作。在MCGS单机版中，一个应用系统只允许有一个主控窗口，主控窗口是作为一个独立的对象存在的，其强大的功能和复杂的操作都被封装在对象的内部，组态时只需对主控窗口的属性进行正确地设置即可.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.图5.4主控窗口组态结构图5.2。2设备窗口设计设备窗口是MCGS系统的重要组成部分，在设备窗口中建立系统与外部硬件设备的连接关系，使系统能够从外部设备读取数据并控制外部设备的工作状态，实现对工业过程的实时监控。在MCGS中，实现设备驱动的基本方法是：在设备窗口内配置不同类型的设备构件，并根据外部设备的类型和特征，设置相关的属性，将设备的操作方法如硬件参数配置、数据转换、设备调试等都封装在构件之中,以对象的形式与外部设备建立数据的传输通道连接。系统运行过程中，设备构件由设备窗口统一调度管理，通过通道连接,向实时数据库提供从外部设备采集到的数据,从实时数据库查询控制参数，发送给系统其它部分,进行控制运算和流程调度，实现对设备工作状态的实时检测和过程的自动控制。MCGS的这种结构形式使其成为一个“与设备无关”的系统，对于不同的硬件设备，只需定制相应的设备构件，放置到设备窗口中，并设置相关的属性,系统就可对这一设备进行操作，而不需要对整个系统结构作任何改动.MCGS设备中一般都包含有一个或多个用来读取或者输出数据的物理通道，MCGS把这样的物理通道称为设备通道,如：模拟量输入装置的输入通道、模拟量输出装置的输出通道、开关量输入输出装置的输入输出通道等等，这些都是设备通道.设备通道只是数据交换用的通路，而数据输入到哪儿和从哪儿读取数据以供输出，即进行数据交换的对象，则必须由用户指定和配置.（1）通用串口父设备设置通用串口父设备是提供串口通讯功能的父设备,下面可以挂接所有通过串口连接的设备,提供通过Modem进行远程采集或远程监听的功能。并可以在运行时动态改变拨出的电话号码.在基本属性页中,设置了串口的基本属性，包括端口号，通讯波特率，数据位位数，停止位位数，数据校验方式，这些设置可以按照设备的要求来设置.数据采集方式规定了串口父设备下的子设备的采集方式,使用同步采集时，所有子设备都按照父设备的采集周期依次采集。使用异步采集时，每个子设备可以设置自己的采集时间，在需要的时候采集。甚至子设备可以把采集时间设置为0，使得此子设备在一般情况下不采集，只在使用设备命令采集一次的时候才采集数据。在MCGS中父设备的含义：凡是使用计算机串口采集数据的设备（如PLC,仪表，变频器，智能模块等）都必须挂在父设备下面，统一由父设备来管理通信.表5。1串口父设备参数设置设备名称：通用串口父设备初始工作状态:1—启动最小采集周期:500ms串口端口号：1—COM2通讯波特率:6-6900数据位位数：1-8位停止位位数：0—1位数据校验方式：0—无校验位数据采集方式:1-异步采集(2）ICP-7017设备设置：表5。2ICP-7017设备参数设置设备名称：ICP—7017通道对应数据对象通道类型周期初始工作状态:1-启动0mm1通讯状态标志位1最小采集周期：500ms1PV1AD01设备地址:22PV2AD11数据格式：0—工程单位3PV3AD21是否要求校验：0—无校验滤波（3）ICP—7024设备设置：表5。3ICP-7024设备参数设置设备名称：ICP—7024通道对应数据对象通道类型周期初始工作状态：1-启动0通讯状态1最小采集周期：500ms1OP2DA01设备地址:12OP4DA11是否要求校验：0—无校验5.2。3用户窗口设计用户窗口主要用于设置工程中人机交互的界面,在用户窗口下通过MCGS组态的各种功能，可以实现以下子窗口的设计：（1)双容水箱液位串级控制窗口通过动画组态和属性设置完成人机对话主界面，实现模拟工程界面﹑数据显示﹑参数设置﹑报警显示﹑通讯状态显示﹑工程曲线显示﹑控制按钮等功能.（2）历史数据浏览窗口提供所需采样时刻对应的液位数据(下水箱PV2，下水箱PV1，下水箱SV，电动阀门OP）,可以实现实时数据浏览﹑数据存盘，用于工程分析计算。（3）历史曲线浏览窗口显示整个一段液位总体变化情况的曲线（下水箱PV2,下水箱SV，上水箱PV1，电动阀门OP对应的变化曲线），可以显示和保存长时间的变化曲线。（5）报警记录对液位的报警实施监控.图5.5用户窗口组态结构图利用MCGS软件设计计算机控制界面如下:图5.6计算机控制界面组态结构图5。2.4实时数据库设计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。实时数据库是MCGS的核心，各部分之间的数据交换均须通过实时数据库，所有的设备通道都必须与实时数据库连接。在MCGS中，数据不同于传统意义的数据或变量,以数据对象的形式来进行操作与处理。数据对象它不仅包含了数据变量的数值特征，还将与数据相关的其它属性（如数据的状态、报警限值等）以及对数据的操作方法(如存盘处理、报警处理等)封装在一起，作为一个整体,以对象的形式提供服务，这种把数值、属性和方法定义成一体的数据称为数据对象。在MCGS中，用数据对象来描述系统中的实时数据,用对象变量代替传统意义上的值变量，把数据库技术管理的所有数据对象的集合为实时数据库。开关型数据对象记录开关信号(0或非0），与外部设备的数字量输入输出通道连接，用来表示某一设备当前所处的状态.数值型数据对象存放数值及参与数值运算，提供报警信息，并能够与外部设备的模拟量输入输出通道相连接。数值型数据对象的数值范围是：负数是从—3。402823E38到—1.401298E-45，正数是从1.401298E-45到3.402823E38。数据组对象是MCGS引入的一种特殊类型的数据对象,类似于一般编程语言中的数组和结构体,用于把相关的多个数据对象集合在一起，作为一个整体来定义和处理。液位串级系统实时数据库：表5.4实时数据库参数设置inputETime字符型jf数值型inputSTime字符型lastwz数值型inputUser1字符型method数值型InputUser2字符型op数值型a数值型op1数值型b数值型op2数值型c数值型op3数值型d数值型q00数值型e数值型p数值型e0数值型p1数值型e1数值型pf数值型e2数值型pv开关型Com1数值型pv1数值型alarm开关型pv2数值型alarm1开关型Pv3数值型alarmsv数值型Pv4数值型df数值型组组对象difference数值型sv数值型t1数值型sv1数值型td数值型sv2数值型thisop数值型sv3数值型ti数值型ti1数值型ts数值型wz数值型Zlpid数值型存盘数据字符型方式显示字符型通信字符型5.2。5数字PID控制器设计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： 式（5.1）将积分与微分项分别改写为差分方程式（5。2)式（5.3）T:采样周期k：采样序号e（k—1），e(k）:第k—1和第k次采样所得偏差信号。得到数字PID控制器算式:式（5。4）u（k）:第k时刻的控制输出，则递推可的,从而得出增量式PID式(5.5）将模拟PID控制器的结构图改造为数字PID结构图得:输出值输出值Cf1(t)ei2ei1给定值RPIDPPD/AP调节阀P上水箱P下水箱P测量与变送器1A/DA/D测量与变送器2f2(t)图5。7数字PID控制结构图由于双容水箱液位控制系统中执行机构采用电动式调节阀，控制量对应阀门的开度，表征了执行机构的位置，在远程数据采集系统中采用上述形式的数字PID位置式控制算法.组态中脚本程序的流程图如下：(手动控制仅以上水箱为例)开始开始通讯是否正常正常指示正常指示通信失败手动控制？自动方式手动方式循环程序设定值等于测量值op=thisop副PID输出等于阀门开度报警液位偏差>设定值？NYNYYN图5。8控制流程图在MCGS组态环境的用户窗口中添加控制程序，实现PID算法.1.添加启动脚本程序！setdevice(7024，1，””）/启动7024数据采集模块!setdevice(7017，1，””)/启动7017数据采集模块sv1=0sv2=0set=0/初始运行状态下水箱pv2=0上水箱pv1=0下水箱sv=0OP=02。添加退出脚本程序!setdevice(7024，2,"”）/关闭7024数据采集模块！setdevice(7017,2,"")/关闭7017数据采集模块sv1=0sv2=0set=0下水箱pv2=0上水箱pv1=0下水箱sv=0op=03．添加循环脚本程序ifmethod=0then方式显示=”手动方式”sv1=pv1sv3=op/2.4pv=pv1a=99.16b=1。00c=2。45！setstgy（ZOP）pv1=pvelse方式显示="自动方式”sv3=svpv=pv2！setstgy（主PID）sv1=thisopsv3=sv1pv=pv1p=p1!setstgy(副PID）op=thisop/2。4e=opsv3=ea=99.16b=1.00c=2。45!setstgy（ZOP）pv1=pv/2。4sv3=pv1a=447.63b=1c=5。45!setstgy(ZOP)pv2=pv/2.4endifif!GetDevicestate(设备1)=1andcom1=0and！GetDevicestate(设备2）=1then通信="设备工作正常”else通信="设备停止状态"endifdifference=！abs(pv2—sv）ifdifference>=alarmsvthenalarm1=1elsealarm1=0endif!setdevice（设备1,6,"write（10,采样周期）”)！setdevice(设备2，6，”write(10,采样周期)”）op2=opsv2=svpv3=pv2op3=op1pv4=pv15。3组态软件调试根据采集系统电路原理图完成硬件电路接线工作，完成MCGS软件的调试运行工作。通过三相380V/10A交流电源向三相磁力泵和220/5A交流电源向电动调节阀供电。压力变送器输出的4～20mA标准电流信号（上下水箱液位检测信号)串联250Ω电阻，转变为1～5V的标准电压信号,分别送入智能采集模块ICP-7017的第一输入通道A/I0和第二输入通道A/I1,经A/D转化将液位参数送到计算机。智能采集模块ICP-7024接受计算机离散控制信号,经D/A转换为模拟信号，其第二输出通道的A/O1与24V开关电源，电动调节阀信号输入端口相串联，从而输出4～20mA标准电流信号（上下水箱液位控制信号）给电动调节阀，控制其开度。仍采用两步整定法整定调节仪表PID参数:（1）在工况稳定﹑主回路闭合，主副调节器都在纯比例作用的条件下，主调节器的比例度置于100%,用单回路控制系统的阻尼振荡法整定，求取副调节器比例度和操作周期。（2)将副调节器的比例度置于（1）中所求得的数值上，把副回路作为主回路的一个环节,用同样的方法整定主回路,求取主回路的比例度和操作周期。（3）根据以上求得的数据,按单回路系统阻尼振荡法整定公式计算主副调节器的比例度﹑积分时间和微分时间的数值。(4）按先副后主﹑先比例后积分﹑适当加入微分的整定程序,设置主﹑副调节器的参数,再观察过渡过程曲线，必要时进行适当调整,直到系统质量达到最佳为止。主副调节器参数整定结果如下：主调节器比例系数P=50，积分时间I=40，微分时间D=8；副调节器比例系数P=38。在远程数据采集系统中，设定下水箱液位设定值为50mm,等待系统稳定后，突加阶跃扰动（将设定值增加60%）将给定值加到80mm得到下水箱液位输出响应曲线。图5.9水箱液位阶跃响应曲线结果分析：计算机系统中的控制器工作方式为正作用，输入增大时，输出趋向越大.位置式PID算法，通过测量位置信号的采样反馈，与给定值相比较，调节偏差。根据PID控制的特性再调节参数,使系统达到较满意的状态。加阶跃信号后观察系统的动态性能,由曲线和响应数据得延迟时间Td=90s，峰值时间Tp=170s，调节时间Ts=700s,超调量为19%(最大峰值85.7mm),，衰减比3:1。通过增加比例系数克服扰动,但比例系数的加大会使上升速度加快，曲线变陡，造成调节阀动作幅度的加大，引起被调量的来回波动。因为在调节参数中加大了积分的作用，降低了系统的稳定程度，使得超调量加大，但对消除余差有较好效果。加入适当的微分作用,可以使系统超调减小，但加入过大微分作用，会造成整个系统的不稳定，陷入振荡中。在计算机中改变PID参数后，调节阀不能很快动作，特别是在上升到接近阶跃输入设定值时，调节阀输出值减少过慢，使液位超过设定值后仍在上升会造成超调增大。且调节阀本身存在死区，使得调节时间加长，系统不易稳定。6结论通过本次毕业设计,我将书本上学过的知识（自动控制原理、过程控制原理、微机控制技术等）应用于实际控制系统的组建之中，完成了仪表过程控制系统和计算机过程控制系统的组建,实现了对双容水箱液位的串级控制。在实际的工程实践中，我受益非浅，学习到了许多新的知识，掌握了实际操作的技能，特别是能够将书中的知识与实际设计联系起来，使对自动控制的理解上升到一个新的台阶。在设计中使用了MATLAB软件，利用这个软件可以对控制系统进行分析和建模。特别是利用SIMULINK工具箱可以便捷地对不同的控制系统进行仿真,通过对PID控制的仿真，可以清楚的比较不同控制方案的优劣，对在设计控制系统可能出现的问题在计算机中进行模拟，使对系统的设计方案更加明确。在组建计算机控制系统中使用了MCGS组态软件，利用这个软件可以轻松的建立起计算机控制界面，完成控制系统的计算机控制、数据交换、曲线输出、实时监测、报警设置、动画显示等功能，同时提供广泛的扩展工具，便利实现系统设计和组建。在实际控制系统的组建中,控制方案的设计是系统设计的核心，一个好的设计方案能够使系统的设计事半功倍，应当根据被控过程的特性和工程要求综合设计系统。对于设计的两种控制系统，可以做进一步的改进。在设计方案方面，由于是通过控制电动调节阀的开度以改变水箱液位,可以增加输入的水流量作为控制对象，使得对调节阀的控制更加直接。同时上下水箱间的输水阀和下水箱与总出水箱输水阀的开度大小也会对液位的控制造成影响,应当考虑如何对他们进行控制.在硬件设备方面，可以使用采集速度更快的仪表,加强控制器的调节能力,改善电动调节阀的工作性能。在条件允许的情况下，采用更高精度的采集模块。在控制器方面，可以对控制方法进行改善，虽然电动调节阀的控制信号是位置信号，但调节阀动作仍是通过控制电机改变阀位,可考虑能否采用增量算法直接控制电机，克服位置算法中因需要累加偏差而造成执行机构动作过大的缺点。在实际的工作岗位上，将要设计不同的控制系统，工业现场的过程控制系统不同于实验中的控制系统的设计，更不同于书本中的理论和公式，要根据工业生产的实际情况进行设计，将面临远比实验室复杂的多的现场环境，设计系统未必是最先进的、最现代化，但必须是有效、可行、可靠.参考文献［1］胡寿松。自动控制原理[M].北京：科学出版社,2001:18-99[2］姜秀英，张翠宣.过程控制系统实训[M]。北京:化学工业出版社,2007：20—45［3]劳深，付凯波,高国章.双容水箱液位控制系统的设计［J].交通科技,2011，（3）：160—162［4］杨旭，周悦,于广平.水箱液位控制系统的设计与研究［J]。制造业自动化,2011，33（8)：128—130[5］令朝霞.计算机液位控制系统的设计[J］.机械工程与自动化，2011，（4)：140-141［6］刘金琨。先进PID控制及MALAB仿真［M］。北京:电子工业出版社，2004:87—99［7］郑华，吕伟珍。基于组态王和Matlab的双容水箱液位控制[J］。中国农机化,2012,（2）：155—157[8］王海英，袁丽英，吴勃.控制系统的MATLAB仿真与设计[M］.北京:高等教育出版社，2009:122-149［9]张晓华。控制系统数字仿真与CAD［M]。北京:机械工业出版社，2003：160-236［10]QingdongZeng，GuanzhengTanOptimalDesignofPIDControllerUsingModifiedAntColonySystemAlgorithmNaturaComputation[J],2007.ICNC2007。ThirdInternationalConferenceOnNaturalComputation2007,5（8):436-440［11]M。D。Tong"Linearsystemtheoryanddesign”，UniversityofScienceandTechnologyofChinapress[M］，2004：69-88[12]曹辉，马栋萍，王暄，耿瑞芳。组态软件技术及应用［M].北京:电子工业出版社，2009：13—176［13］LutzeV.ReduceControlSystemComplexionwithFiledbustechnology.ControlEngineering［J],1995,42（11):55-79［14］AI系列仪表说明书[M].厦门：厦门宇电自动化科技有限公司.2005:30-56[15］I-7017/I—7024［M].上海:UserManualICPDAS,2000:10-23［16]吴文进，张杰。基于MCGS组态软件的PID液位控制系统[J]。安庆师范学院学报，2008，14（3）：50—53

［17］王志新，谷云东.双容水箱上的几种液位控制实验及被控对象的数学模［J].北京师范大学，2006,10(2）：126—130致谢经过几个月来的努力学习和刻苦钻研，这篇论文终于顺利完成,在此,谨向大学四年来帮助我、鼓励我的师长、朋友及同窗好友们致以最诚挚的谢意。首先要感谢我的指导老师任琦梅老师，是任老师的悉心指导和帮助，才使我的论文最终能顺利完成。从论文的选题，计划的制定，到论文的撰写，都始终倾注着任老师的心血.正是任老师的督促和教诲，使我领悟到无论做什么事都要静下心来，踏踏实实学习，多学多看多想，既要集众人之所长，又要有独立的见解和创新。在此向他致以最崇高的感谢！其次，电气与电子工程系各位领导和老师都给我了很大的帮助，在此一并表示感谢.同时谢谢各位朝夕相处的同学给我生活和学习上的帮助，为我能顺利完成论文都作了很大的帮助.最后再次感谢在论文的完成过程中帮助过我的人们。附录：程序清单1。副PID：e1=e0e0=sv3—pvpf=p＊（e1-e0）ti1=t1ifti1=0then