电气工程及其自动化-三容水箱液位控制系统的matlab仿真设计

PAGEPAGEIII三容水箱液位控制系统的matlab仿真设计摘要锅炉是在工业应用中经常见到的蓄液装置，本文设计了一种数字式三容水箱液位控制系统，给出了硬件原理图和软件流程图及其相关的程序。本文设计三容水箱液位串级控制系统。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，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：三容水箱；液位控制系统；matlab

abstractBoilerisaliquidstoragedeviceoftenseeninindustrialapplications.Thispaperdesignsadigitalthree-tankliquidlevelcontrolsystem.Thehardwareschematicdiagram,softwareflowchartandrelatedprogramsaregiven.Thispaperdesignsacascadecontrolsystemforthelevelofthree-tankwatertank.Inthedesign,automaticinstrumenttechnology,computertechnology,communicationtechnologyandautomaticcontroltechnologyarefullyutilizedtorealizecascadecontrolofboilerlevel.Firstly,themodelofthecontrolledobjectisanalyzed,andthetransferfunctionofthemodelisobtainedbyexperimentalmodelingmethod.Secondly,cascadecontrolsystemisdesignedaccordingtothemodelofcontrolledobjectandthecharacteristicsofcontrolledprocess,andtheperformanceofcontrolsystemisanalyzedbydynamicsimulationtechnology.Then,theinstrumentprocesscontrolsystemisdesignedandconstructed,andthecascadePIDcontrolofliquidlevelisrealizedbyintelligentadjustinginstrument.Finally,withthehelpofdataacquisitionmodule,MCGSconfigurationsoftwareanddigitalcontroller,aremotecomputerprocesscontrolsystemisdesignedandbuilttocompletethecontrolsystemexperimentandresultanalysis.Keywords:three-tankwatertank;liquidlevelcontrolsystem;matlab

目录摘要 Iabstract II第一章绪论 11.1研究背景及意义 11.2国内外研究现状 1第二章系统建模分析 32.1水箱模型分析 32.2阶跃响应曲线法建立模型 4第三章系统控制方案设计与仿真 103.1PID控制原理 103.2系统控制方案设计 123.2控制系统仿真 14第四章建立仪表过程控制系统 184.1过程仪表介绍 184.2仪表过程控制系统的组建 204.3仪表过程控制系统调试运行 24第五章建立计算机过程控制系统 265.1计算机过程控制系统硬件设计 265.2MCGS软件工程组态 285.3计算机过程控制系统调试运行 41结论 44参考文献 45致谢 46PAGE32第一章绪论1.1研究背景及意义随着中西部地区的不断发展，我国锅炉行业也迎来了新的发展空间，对锅炉系统技术也提出了更高的要求。液位控制技术作为锅炉系统控制技术的重要组成部分，也已成为衡量锅炉公司技术含量的一项指标。传统的液位控制不能进行远距离集中控制，自动化程度低，调节精度差等，不能单靠手工操作来适应。随着科学技术的不断进步，控制系统改造的必要性，被控对象越复杂，对控制精度的要求就越高。由于被控对象和过程的非线性、时变性,多参数间的强耦合、随机干扰等因素,使得建立被控对象的精确数学模型变得很困难。在这些复杂的系统面前,传统的控制方法无法满足控制精度,而且系统稳定性差。锅炉最好能自动控制。同时，随着单片机技术和自动控制技术的飞速发展，利用单片机及其外围芯片实现锅炉液位控制已成为可能，也成为一种发展趋势。具有体积小、安装方便、功能齐全等特点，性价比高，具有广阔的应用前景，同时有助于识别可能出现的故障。通过微机对锅炉的燃烧和供水系统进行自动控制和调节，保证锅炉的正常运行。供气、供水，保持系统稳定，确保安全、经济运行。随着科技的不断攀升，现在的锅炉控制基本上都能实现全自动化，且在安全性、实用性、经济性上都给予了充分的考虑，此设计在全面考虑各方面要求的基础上，利用单片机系统的小巧便利可行实惠做出了三容水箱液位控制系统。1.2国内外研究现状在以前锅炉控制多是人工控制，直接用人眼读取液位，针对各量的变化直接用手去操作来做出措施，这样不但浪费人力资源而且不准不快，危险性高，花费高。采用单片机小系统后，就不需要人工在那24小时守着它，同时不需要人工太多的操作，且针对危急时刻它能在1秒内给予最有效的措施来缓解或者解决。当然还有做的更好的，能够更高精度的抽象出出气进水的非线性关系，能较高的防止各方面的干扰而得出较准确的液位。这能做到更准更快更安全更实用。针对此课题，有各方面的研究：1．一般情况下，1台锅炉运行时，只开1台给水泵裕量较大，而2台锅炉同时运行且用汽量较大时，只开1台给水泵无法满足需要，而开2台给水泵后，相对单台锅炉运行时，裕量更大，针对这一问题，对给水系统采用了变频操作，可以用一台变频器控制多台水泵合理给水。变频调速技术有着节能、环保、方便、工作效率高等优点2．液位控制过程具有大滞后、时变和非线性等特点。3．汽包液位控制采用串级的三冲量控制方案，它能有效的消除“虚假液位”的出现，还能克服液包液位产生的静差，使给水流量跟蒸汽流量基本达成一致，较准确的给出液体高度，同时对给水流量跟蒸汽流量不一致时较快的进行调节，避免危险发生。

第二章系统建模分析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QQ112Q2Ah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。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(d△h/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﹑△Q2﹑△h:分别为偏离某一个平衡状态Q10﹑Q20﹑h0的增量。R2:阀2的阻力A:水箱截面积T:液位过程的时间常数(T=R2C)K:液位过程的放大系数(K=R2)C: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。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)在MCGS监控软件中设置了人机对话窗口，以改变调节阀的开度和进入水箱的进水口的尺寸，从而改变水箱的液位，并实现控制装置的步进信号输入。控制进水量控制进水量供水施加阶跃输入信号阶跃响应输出电动调节阀上水箱/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):表2.1上水箱阶跃响应数据123.62744.771347.761947.64230.50845.561447.872047.09335.25946.171547.892146.52438.691047.061647.282246.41541.321147.251747.012346.28643.311247.461847.152445.902．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):表2.2下水箱阶跃响应数据154.021384.612598.4537103.9349107.20257.191486.342699.1938104.3950107.28360.281587.712799.8339104.8451107.32463.531689.1828100.4340105.0652107.38566.561790.4429101.0141105.5353107.56669.521891.7630101.4242105.8054107.66772.261993.0431101.8143106.0855107.82874.792094.1132102.2644106.3356107.67977.002195.1833102.7945106.4157107.551079.072296.0434103.1946106.6158107.391180.872396.9635103.3647106.6559107.251282.882497.4936103.6548106.9460107.10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=[06.8811.6315.0717.719.6921.1521.9422.5523.4423.6323.8424.1424.2524.27]；>>p=polyfit(x,y,4)；>>xi=0:3:420；>>yi=polyval(p,xi)；>>plot(x,y,’b:o’xi,yi,'r')。在MATLAB中绘出曲线如下：图2.5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=[03.176.269.5112.5415.518.420.7722.9825.0526.8528.8630.5932.3233.6935.1636.4237.7439.0240.0941.1642.0242.9443.4744.4345.1745.8146.4146.9947.447.7948.2448.7749.1749.3449.6549.9150.3750.8251.0451.5151.7852.0652.3152.3952.5952.6352.9253.1853.2653.353.3653.5453.6453.853.8]；>>p=polyfit(x,y,4)；>>xi=0:3:1650；>>yi=polyval(p,xi)；>>plot(x,y,’b:o’xi,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。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。

第三章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。3.1PID控制原理目前，随着控制理论的发展和计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。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。y(t)y(t)++r(t)比例P积分I微分D被控对象图3.1PID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”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。由于该过程的实验数学模型只能近似过程动力学，理论上计算的参数整定值不高，必须通过工程实践进行调整和修改。二是工程整定法。它主要依靠工程经验，在控制系统测试中直接调整控制器参数。该方法简单易行，在工程实践中得到了广泛的应用。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δ置于较大数值，把系统投入闭环运行，将调节器的比例度δ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δk和临界振荡周期Tk。根据以下经验公式计算调节器参数：表3.1临界振荡整定计算公式调节器参数控制规律δTITDP2δkPI2.2δkTK/1.2PID1.6δk0.5Tk0.25Tk2.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δ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δk和衰减周期Tk。根据以下经验公式计算调节器参数：表3.2阻尼振荡整定计算公式调节器参数控制规律δTITDPδSPI1.2δS0.5TSPID0.8δS0.3TS0.1TS3.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：将输入信号应用于闭环控制系统后，响应中振荡过程的衰减指数为输出，即振荡经过一个周期后波动幅度的百分比。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：输出响应过渡过程开始后，通过被控参数的第一个峰值与稳态值的差值，即稳态值的百分比，来测量控制系统动态过程的精度。(4)调节时间：从过渡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.m2m2m1e1c1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图3.2串级控制系统通过设计的三容水箱液位串级控制系统的控制过程,将努力使输出响应的系统在稳定状态下,系统的控制量等于给定的值,并调整没有任何区别,所以,系统具有良好的动态性能。当扰动f1(t)作用于二次对象时，二次调节器可以在扰动影响主控参数之前起作用，及时克服进入二次回路的各种二次扰动。当扰动f2(t)作用于一次对象时，由于二次回路的存在，应加快系统响应，强化主回路控制功能。(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。在三容水箱控制系统中，由于下水箱液位是整个控制的关键，要求保持在给定值，所以选择下水箱液位作为系统控制参数。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、电磁式液位计、超声波式液位计等。(2)控制参数的选择从三容水箱系统来看，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。下罐容积滞后大于上罐容积，控制下罐液位是系统设计的核心问题。因此，主要对象是下罐，次要对象是上罐。(4)控制器的选择根据三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,主要监管机构选择比例积分微分(PID)控制律,调整下水箱的液位,比例控制率(P)二级调节器的选择上水箱的液位。通过调节，辅助主调节器对系统进行控制，整个回路构成双回路负反馈系统。3.3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。阶跃响应性能图3.3SIMULINK仿真框图可以通过手动开关（ManualSwitch）来实现二次回路的引入和拆除，以了解二次回路对控制性能的影响，并比较级联控制和非级联控制对液体的控制能力三级水箱的水位。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=60TI=50TD=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。3.4MATLAB加入副回路仿真曲线图图3.5MATLAB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线.从两个图3.4和3.5的比较可以看出，与引入二次回路的控制系统相比，引入二次回路后的三容量水箱级联控制系统的动态特性有了很大的改善，从而提高了系统的运行频率并受到控制。2．抗扰动能力保持初始阶跃信号不变，将干扰信号加入二次回路观察响应曲线。在400秒时，一个阶跃值为70的干扰信号通过惯性回路加到二次回路中。控制器参数不变。图3.6SIMULINK仿真框图图3.7MATLAB加入副回路仿真曲线图3.8MATLAB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.可以看出对比图3.7和图3.8,二次电路的引入形成了三容液位串级控制系统可以克服干扰进入二次电路和消除干扰的影响的主要参数。液位控制优于无二次回路的非级联控制。综上所述，选择串级PID控制设计来完成油箱液位的控制和调节是可行的。它对提高系统和非级联控制系统的动态特性和抗干扰能力也是有效的。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。

第四章建立仪表过程控制系统4.1过程仪表介绍1．检测﹑变送装置工业用BP800扩散硅压力变送器测量水箱液位的变化，包括不锈钢隔离模，采用信号隔离技术补偿传感器的温度漂移。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被测介质:液体机械保护：IP65测量范围：-100KPa～100MPa防爆等级：IaⅡCT5输出：4～20mADC二线制关联设备：EXZ231B安全栅准确度：0.5级温度极限:-10～80。C40～120。C零点温度系数：小于0.02%/。C过载极限：额定量程的1.5～3倍满程温度系数:小于0.02%/。C相对湿度:小于95%电源电压：24DC二线制负载电阻：≤750欧姆2．执行机构（1）水泵采用16CQ－8P型磁力驱动泵,流量为32升/分,扬程为8米,功率为180W.为三相（2）调节阀采用QSVP－16K型电动调节阀实现对三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。表4.2电动调节阀技术指标阀开关形式：电开式动作速度：0.25mm/s输入控制信号：4～20mADC/1～5VDC流量特性：直线输出信号：4～20mADC额定流量系数Kv：1.2输入阻抗：250Ω/500Ω介质温度：-4～200。C输出最大负载：<500Ω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：1.6MPa防护等级：IP65行程：10mm功耗：5VA3．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：表4.3智能仪表技术指标热电偶输入：K﹑S﹑R﹑E﹑J等响应时间：≤0.5s热电阻输入：Cu50﹑Pt100调节方式：位式调节方式/AI人工智能调节线性电压输入：0～5V输出规格：4～20mA线性电流输入：420mA报警功能：上限﹑下限﹑正负偏差测量范围：-1999～9999电源：100～240VAC/50Hz测量精度：0.2级环境温度：0～50。CAI-808P引脚说明：表4.4AI-808P仪表引脚说明引脚号引脚名称引脚定义1Vin0-5V1-5V输入2Iexec+作为Vin的地3Sense+0-5V1-5V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)形成常闭触点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4～20mA的电流信号，需要经I/V转换电路转化为1～5V电压信号送到副调节仪的输入端，后与上水箱液位值(电压反馈信号)的压力变送器,4-20毫安的电流信号输出到电动调节阀控制信号输入端,和电动调节阀的开度控制消除储油槽的水平。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1~5V电压输入；调节仪2中Sn=32表示0.2~1V电压输入。(2)ADDR：通讯地址用于定义仪表地址，有效范围是0~100。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。(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。3．计算机与仪表通讯设置通过在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MCGS软件的用户窗口中添加一个脚本程序，实现计算机对仪器系统的监控，并在设备窗口中完成设备通道的连接设置。(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,"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．计算机设备窗口设置：（实现计算机对调节仪表的监控）AI-808P智能调节仪设备设置：表4.6调节仪设备窗口参数设置设备名称：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）：10001000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addr1addr24.3仪表过程控制系统调试运行设置好仪器系统组件，实现计算机与仪器系统的通信后，完成了仪器液位控制系统的调试运行，设定PID参数，完成了仪器控制系统的实验。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。因此，在按照单回路系统方法设置子调节器后，可以将二次回路作为主回路的一个环节，并根据单回路的设置方法设置主调节器的参数。回路控制系统不再考虑主要调节器参数的变化。此外，在液位控制系统的设计中，主要参数下的液位质量指标较高，对次要参数下的液位没有严格的要求。设置次级参数的目的是进一步提高主要参数的控制质量。只要通过主调节器参数调整来确保主要参数质量，就可以牺牲辅助参数的控制质量。采用两步整定法整定调节仪表PID参数：（1）在稳定的工作状态,主电路是闭合的,主要和辅助监管机构都是纯比例作用的条件下,主要监管机构设置的比例为100%,与单回路控制系统的阻尼振荡方法用于确定副调节器比例度和操作周期。（2）将子调节器的比例设置为式(1)中得到的值，利用二次回路作为主回路的链路，同样设置主回路，得到主回路的比例和运行周期。（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4cm，等待系统稳定后，突加阶跃扰动（将设定值增加75%），设置下水箱液位给定值为7cm，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结果分析：仪表系统中的调节仪表为反作用调节方式，输入增大时，输出趋向减小。根据PID控制的特性再调节参数，使系统达到较满意的状态。加阶跃输入后观察系统的动态性能，由曲线和响应数据得延迟时间Td=31s,峰值时间Tp=160s,调节时间Ts=300s,超调量为13.3%(最大峰值7.4cm)，余差为0。通过增加比例系数克服扰动，比例系数越小，调节器输出越大，但比例调节仍有余差，所以引入积分调节，系统中由于积分作用偏强，造成曲线上升后恢复较慢，再略加入微分作用减小余差，加快系统响应速度。仪表系统采样时间为1s，采样时间较长，调节器作用的速度略慢，特别是接近稳态值时总是抖动较大，不能很快的到达稳态。

第五章建立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三容水箱液位系统的控制。远程数据采集过程控制系统虽然仍以“THJ-2先进过程控制系统实验装置”为基础，但与基于上位机监控的智能仪表过程控制系统不同。远程数据采集过程控制系统属于计算机DDC控制系统。它是模拟输入A/I模块和模拟输出A/O模块，数字输入/输出D/I和D/O模块置于计算机外部。计算机通过RS232/485通讯转换装置与ICP-7000系列采集模块(485通讯接口)通讯。ICP-7000系列采集模块的功能是通过A/D转换将传感器检测到的受控标准信号发送到计算机。计算机还通过D/A转换将控制操作发出的控制信号发送给执行机构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：对于有限频谱的连续信号，采样频率必须大于或等于信号最高频率的两倍，通过信号采样得到的值可以完全重现原始信号。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。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。模拟输入通道的任务是将压力变送器检测到的模拟信号(4-20标准电流信号)通过I/V转换转换为相应的1~5电压信号，并对离散模拟信号进行采样。并量化成二进制数字信号，通过接口发送给计算机。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。图5.17017A/D模块图图5.27024D/A模块图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。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：2.3W4.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。该设备驱动程序是用VB编程语言编写的DLL(动态链接库)文件。设备驱动程序包括符合各种设备通信协议的处理程序，收集或发送设备运行状态的特征数据。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。在图形的每个动画属性中，都有一个“表达式”设置栏，其中设置一个与图形状态相关的数据变量，并将其连接到实时数据库中，建立相应的对应关系，这个过程称为动画连接。(3)当工业现场测控对象的状态(如罐位高度)发生变化时，通过设备驱动程序将变化后的数据收集到实时数据库的变量中。变量是一个与animation属性相关的变量，值会发生变化。使图形的状态发生相应的变化(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实现远程多机监控:MCGS提供了完整的网络机制，可以通过TCP/IP网络、调制解调器网络和串行网络连接多台计算机，形成分布式网络测控系统，实现网络间实时数据。同步、历史数据同步和网络事件的快速交付。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。(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提供了大量用户选择的功能组件。通过组件配置和属性生成配置两个配置操作，生成各种功能模块。因此，系统可以根据一组实时的数据库顺序和条件实现动画窗口的任意切换。控制系统控制装置的运行过程和工作状态。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，主控制窗口是组态工程结构的主框架。在主控窗口可以建立菜单系统，创建各种菜单命令，显示项目的整体概况和外观，设置系统运行流程和特征参数，方便用户使用。操作。在MCGS独立版本中，应用程序系统只允许一个主控制窗口。主控制窗口作为一个单独的对象存在。它强大的功能和复杂的操作被封装在对象中。只需正确设置主控窗口的属性。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，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实现设备驱动程序的基本方法是配置设备窗口不同类型的设备组件,并设置相关属性根据外部设备的类型和特点,如硬件参数配置、数据转换、设备调试、等,包装组件,数据传输。通道建立一个连接到外部设备的对象。的操作系统,设备组件的安排和管理设备窗口,和收集到的数据从外部设备连接到实时数据库通过通道,提供了控制参数的实时数据库的查询,并发送给系统的其他部分进行控制操作。实时检测设备的工作状态并自动控制过程。MCGS的这种结构使其成为一个“与设备无关”的系统。对于不同的硬件设备，您只需要定制相应的设备组件，将它们放在设备窗口中，并设置相关属性。该系统可以使设备在不改变整个系统结构的情况下运行。MCGS设备通常包含一个或多个用于读取或输出数据的物理通道。MCGS是指设备通道等物理通道，如模拟输入设备的输入通道和模拟输出设备的输出通道。数字输入输出设备的输入输出通道等。这些是设备通道。图5.5设备窗口组态结构图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、通信波特率、数据比特数、停止比特数和数据验证模式。这些设置可以根据设备的要求进行设置。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：200ms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：200ms1PV1AD01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：200ms1OP2DA01设备地址：12OP4DA11是否要求校验:0-无校验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）三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）实时数据浏览窗口提供所需采样时刻对应的液位数据（下水箱PV，下水箱SV，上水箱SV），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PV，下水箱SV，上水箱SV对应的变化曲线），可以显示和保存长时间的变化曲线。（4）实时曲线浏览窗口显示一段时期液位变化的曲线（下水箱PV，下水箱SV，上水箱SV对应的变化曲线）。（5）系统退出指示窗口对话框显示退出指令。图5.6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5.7计算机控制界面组态结构图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。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op2数值型inputSTime字符型op4数值型inputUser1字符型opx数值型InputUser2字符型pv1数值型ei数值型pv2数值型ei1数值型pvx数值型op1数值型q0数值型k数值型q00数值型k1数值型q000数值型k2数值型q1数值型ma数值型q2数值型ma1数值型set开关型mid数值型sv1数值型mm1开关型sv2数值型mm5开关型td数值型mx数值型ti数值型下水箱PV数值型液位串级组组对象下水箱SV数值型上水箱PV数值型主要数据对象属性设置：(1)液位串级组：组对象，用于历史数据、历史曲线、报表输出等功能。(2)下水箱SV：下水箱液位设定值(3)下水箱PV：下水箱液位测量值(4)上水箱PV：上水箱液位测量值(1)液位串级组对象图5.8液位串级组基本属性设置图5.9液位串级组存盘属性设置图5.10液位串级组对象成员设置(2)下水箱SV(下水箱液位设定值)图5.11下水箱SV基本属性设置图5.12下水箱SV液位存盘属性设置(3)下水箱PV(下水箱液位测量值)图5.13下水箱PV基本属性设置图5.14下水箱PV液位存盘属性设置图5.15上水箱PV基本属性设置图5.16上水箱PV液位存盘属性设置5.数字PID控制器设计在三容水箱水位控制系统中，被控对象的液位变化是连续的。在远程数据采集系统中，计算机采用离散信号，对模拟PID控制器进行离散化。在模拟控制系统中PID控制规律的表达式为：将积分与微分项分别改写为差分方程得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：u(k):第k时刻的控制输出，将模拟PID控制器的结构图改造为数字PID结构图：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PA/DA/Df2(t)图5.17数字PID控制结构图由于三容水位控制系统中的执行机构采用电动调节阀，控制量与阀门的开度相对应，并对执行机构的位置进行表征。远程数据采集系统采用上述形式的数字PID位置控制算法。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pv=0上水箱pv=0下水箱sv=0op2=4op4=42.添加退出脚本程序!setdevice(7024,2,"")/启动7024数据采集模块!setdevice(7017,2,"")/启动7017数据采集模块sv1=0sv2=0set=0下水箱pv=0上水箱pv=0下水箱sv=0op2=4op4=43．添加循环脚本程序（PID控制器）当K、Ti、Td都为0时，PID主调节器没有输出。K、Ti不为0时，比例运算结果送变量q0，积分运算结果送变量mx并限幅,防止积分过强，如果Ti=0则mx送0，再将mx累加入q1，微分运算结果送变量q2。控制算法可表示为U(k)=q0+q1+q2。当K1为0时，副调节器没有输出。K1不为0时，比例运算结果送q00。ifset=1then/开始运行时下水箱sv=sv1/给予下水箱设定值下水箱pv=(pv1-1)*125/计算下水箱测量值上水箱pv=(pv2-1)*125/计算上水箱测量值ei=(sv1/125+1)-pv1/计算下水箱给定值与测量值的偏差量ifk=0andti=0andtd=0/PID参数为0，主调节器无输出thenq0=0q1=0mx=0q2=0endif/结束if条件指令ifk<>0andti<>0then/<>表示不等于/主调节器动作q0=k*ei/将偏差值按比例放大后送到q0mx=k*0.5*ei/ti/积分限幅q2=k*td*(PVX-PV1)/0.5/计算微分量送到q2endififti=0then/ti为0时，mx送0，q1送0，只有比例微分作用q0=k*eiq1=0mx=0q2=k*td*(PVX-PV1)/0.5/计算微分调节量endififmx>5then/积分限幅mx=5endififmx<-5thenmx=-5endifq1=q1+mxpvx=pv1op1=q0+q1+q2/主调节器输出量ifop1>=100then/主调节器输出限幅op1=100endififop1<=0thenop1=0endifmid=op1/自手动切换ifma1=1thenop1=maendifsv2=op1/25+1/下水箱液位动态给定ei1=sv2-pv2/副调节器输入偏差ifk1<>0then/副调节器动作q00=k1*ei1opx=q00/副调节器输出值elseopx=0endififopx>=100then/副调节器输出值限幅opx=100endififopx<=0thenopx=0endifif下水箱pv>200then/下水箱液位测量值超过200mm水己溢出下水箱pv=200endifif下水箱pv<0then下水箱pv=0endifif上水箱pv>200then/上水箱液位测量值超过200mm水己溢出上水箱pv=200endifif上水箱pv<0then上水箱pv=0endifop4=(opx+25)/6.25/运算值输出值opx在0-100之间，对应控制信号output为4~20mA电流，与op4对应转换/ifop4<4then/op4：副调节器输出转换为电流信号，控制电动调节阀/op4=4endififop4>20thenop4=20endifelseop4=4endif/程序结束5.3计算机过程控制系统调试运行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。4-20mA标准电流信号(上、下水箱液位检测信号)压力变送器的输出连接到250Ω电阻串联,并转换为1~5v的标准电压信号,这是分别发送到第一个输入通道/智能采集模块的ICP-7017。I0和第二输入通道A/I1，通过A/D转换将液位参数发送到计算机。智能采集模块ICP-7024接收计算机离散控制信号，通过D/A将其转换为模拟信号。其第二输出通道A/O1与24V开关电源和电控阀信号输入端口连接，输出4~20mA标准。将电流信号(上、下罐液位控制信号)给电动调节阀，控制其开启。两步优化的方法仍然是用来调整PID参数调节仪表：(1)条件下的稳定工作状态,主电路是闭合的,主要和辅助监管机构都是纯比例作用的情况下,主调节器的比例被放置在100%,与单一的阻尼振荡方法循环控制系统设置,比例和操作周期。（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