基于组态王6.5的串级PID液位控制系统设计(双容水箱)

基于组态王6.5的串级PID液位控制系统 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 (双容水箱) ##大学本科生毕业 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 (设计) 本科毕业论文(设计) 题 目:基于组态王6.5的串级PID液位控制系统设计 学 院: 自动化 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院 专 业: 自动化 姓 名: ### 指导教师: ### 2011年 6 月 5 日 ##大学本科生毕业论文(设计) Cascade level PID control system based on Kingview 6.5 ##大学本科生毕业论文(设计) 摘 要 开发经济实用的教学实验装置、开拓理论联系实际的实验内容，对提高课程教学实 验水平，具有重要的实际意义。 就高校学生的实验课程来讲，由于双容水箱液位控制系统本身具有的复杂性和对实 时性的高要求，使得在该系统上实现基于不同控制策略的实验内容，需要全面掌握自动 控制理论及相关知识。 本文通过对当前国内外液位控制系统现状的研究，选取了PID控制、串级PID控制 等策略对实验系统进行实时控制;通过对实验系统结构的研究，建立了单容水箱和双容 水箱实验系统的数学模型，并对系统的参数进行了辨识;利用工业控制软件组态王6.5， 并可通用于ADAM模块及板卡等的实现 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ，通过多种控制模块在该实验装置上实验实 现，验证了实验系统具有良好的扩展性和开放性。 关键词:双容水箱液位控制系统 串级PID控制算法 组态王6.5 智能调节仪 Abstract It is significant to develop applied experiment device and experiment content which combines theory and practice to improve experimental level of teaching. Based on the current situation of domestic and international level control system, selected the PID control, cascade PID control strategies such as real-time control of experiment system.Through the study of the structure of experimental system, a single let water tank and double let water tank experiment system mathematical model was founded, and the parameters of the system is identified.Industrial control software configuration king 6.5 is used in experiment, ADAM module and boards, etc can also be suitable for this experiment, through a variety of control module on the device in the experiment verified experimental realization, experimental system has good expansibility and openness. Key Word Double let water tank liquid level control system Cascade PID control algorithm Configuration king 6.5 Intelligent adjusting instrument ##大学本科生毕业论文(设计) 目 录 前 言 ................................................................................................................... 1 第一章 串级液位控制系统介绍 ................................................... 2 1.1 国内外研究现状 .............................................................................................................................. 2 1.1.1液位控制系统的发展现状 ....................................................................................................... 2 1.1.2液位控制系统算法的研究现状 ............................................................................................. 2 1.2 PID控制算法的介绍 .................................................................................................................... 3 1.2.1 PID控制算法的历史 ........................................................................................................... 3 1.2.2 PID控制各环节作用 ............................................................................................................. 4 1.3 串级控制系统介绍 ......................................................................................................................... 4 1.4 本文的主要工作 ............................................................................................................................ 4 第二章 水箱液位控制系统的建模 ............................................... 6 2.1 水箱液位控制系统的构成 ......................................................................................................... 6 2.2 水箱的建模过程 .............................................................................................................................. 7 2.2.1 单容水箱的建模过程............................................................................................................... 7 2.2.2 二阶双容水箱的对象特性 ................................................................................................... 8 2.3水箱液位控制参数辨识方法 ......................................................................................................... 11 2.3.1 单容上水箱的参数辨识 ........................................................................................................ 11 2.3.2 二阶双容水箱的下水箱对象参数辨识 ............................................................................. 12 2.4 水箱液位PID参数整定方法 ....................................................................................................... 14 2.4.1上水箱液位的PID整定 ......................................................................................................... 14 2.4.2 主回路和副回路的PID参数整定.................................................................................... 15 第三章 组态王6.5简介与操作界面的设计 .................................. 17 3.1 组态王6.5简介 ............................................................................................................................ 17 3.2基于组态王6.5的液位控制系统上位机部分设计 ................................................................ 18 3.2.1 建立新工程 ............................................................................................................................ 18 3.2.2定义外部设备 ........................................................................................................................... 19 3.2.3动画设计 .................................................................................................................................... 21 ##大学本科生毕业论文(设计) 3.2.3 组态王6.5的控件中选择历史曲线绘制 ..................................................................... 23 第四章 设计实验 ................................................................ 24 4.1 设备的连接和检查 ....................................................................................................................... 24 4.2 系统连线 ...................................................................................................................................... 24 4.3 实验步骤 ......................................................................................................................................... 26 第五章 总结与展望 ............................................................ 30 谢辞 ................................................................................. 31 参 考 文 献 ....................................................................... 32 ##大学本科生毕业论文(设计) 前 言 随着现代科学技术的迅猛发展，工业生产的规模越来越大，结构也越来越复杂，从而使控制对象、控制器以及控制任务和目的日益复杂，而对系统的精度、响应速度和稳定性的要求却越来越高。但是，当前的学术理论研究成果明显滞后于实际生产中的应用，两者相差甚远。在我国，看似成熟先进的控制理论，其研究往往仅局限于高校或科研机构这一狭小的范围内，而远离了实际生产这个广阔的实验平台，尤其是最近几年，国内一些控制领域的研究已接近甚至超过了国外同领域水平，然而就实际应用的状况来讲，与国外相比却存在明显差距。最重要的原因就是理论研究缺乏实际背景的支持，先进理论的算法一旦应用到实际工业生产就会出现各种各样的问题，制约了其进一步的发展与应用。在现阶段尚不具备在实验室中真实复现实际工业生产过程的条件下，利用具有典型对象特性的实验装置将是一件探索将理论成果转化为实际应用的有力武器。 课题研究的双容水箱液位控制系统实验装置是以水箱的液位为控制变量，来模拟实际工业控制领域中的过程控制系统，该实验装置在国内外很多高校的实验室都有配备，其价值在于可为学生的自动控制理论课程和毕业设计提供便捷的实验平台。同时，该系统也可为相关科研人员在复杂的控制系统研究方面提供实际的模拟对象。 在本论文中，智能调节仪模块也可换成是ADAM模块或者板卡，工控软件组态王6.5可有其他工控软件替代，使该实验装置实现了多种控制策略的实验，从而达到了增加该实验装置实验内容的目的;同时本课题中所提出的硬件和软件实现方法也具有较强的可移植性，可以应用推广到其他的教学实验装置的实验内容增加上，极具现实意义。 1 ##大学本科生毕业论文(设计) 第一章 串级液位控制系统介绍 1.1 国内外研究现状 1.1.1液位控制系统的发展现状 水箱液位控制系统实验装置最初的研发与生产是由德国Amira自动化公司完成的，由于当时该实验装置的价格太高，在国内只有少数高校引进了此设备，如哈尔滨工业大学，吉林大学、浙江大学等。现阶段伴随着我国科学技术水平和经济水平的不断提高，国内许多企业也能够自主生产该实验装置，如杭州言实公司研制的HDU3000-1型、河北德瑞特公司研制的RTGK-2型、深圳固高公司研制的GTW型等，它们的特点如下: 1、主要配件均采用工业级过程控制元件，保证系统最高的质量和可靠性。 2、实验和研究的理想平台，可以方便地构成模拟实际生产系统中的液位系统。 3、通过液位传感器对液位进行精确检测，得到实际水位的变化，方便地获得瞬态响应指标，直观反映出控制器的控制效果，准确判断控制性能。 1.1.2液位控制系统算法的研究现状 当前，常见的液位控制多数采用凭人工经验进行的参数整定P、PI、PID或串级控制策略。针对结构简单的液位系统，此种参数整定的方法还能达到预期的效果，一旦被控的液位对象结构复杂、自身机理特殊、各变量间关联耦合严重，常规的参数整定方法在便捷性和稳定性上就无从谈起。针对这种存在着非线性、大滞后、结构复杂等诸多不确定因素的液位控制系统，国内许多高校和科研单位研究提出了一些优化的控制方案和有效的控制算法。 中南大学的邓秋连等提出了采用RBF-ARX模型对水箱液位系统进行离线动态特性建模的研究。着重讨论了RBF-ARX模型结构的选取、模型参数辨识、RBF参数优化等问题。BF-ARX模型与ARX模型的进一步预测输出比较的结果证实了BF-ARX模型在非线性系统建模中的优越性。 吉林大学的高兴泉等提出了采用一种基于非线性静态反馈的解耦方法进行水箱液位系统控制，当系统满足一定条件时，可以寻找到一个输出与等效新输入之间的线性微分方程关系，然后再选择合适的状态反馈形式即可使该非线性系统解耦。经解耦，水箱液位控制系统就可以分解为两个相互独立的单输入单输出线性子系统，对每个子系统可采用PI控制，从而解决了系统的非线性。 内蒙古科技大学的崔桂梅等采用模糊-神经网络解耦控制技术，实现了对水箱液位 2 ##大学本科生毕业论文(设计) 系统的解耦以及液位控制。模糊-神经网络解耦技术结合了模糊控制鲁棒性好和神经网络对不确定对象有显著控制效果的特点，具有直接从输入输出数据中提取模糊规则的能力。 内蒙古工业大学的韩梅等提出了采用基于T-S模型的模糊PID控制策略，这种策略根据液位变化，通过适用度加权产生PD控制参数，可实现参数的平稳度过。有利于改善系统性能。 大连海事大学的孙红英等提出了设计一种参数自整定模糊PID控制器，可以实现PID参数的调整，使控制系统的响应速度快，超调量减少，过渡过程时间大大缩短，振荡次数减少，具有较强的鲁棒性和稳定性。 广西大学的梁颖杏等提出了用BP网络辨识水箱液位控制系统的方法。采用并联型辨识结构，训练网络采用Levenberg-Marquardt算法和BFGS拟牛顿算法，利用MATLAB软件平台，实现比较训练仿真，结果表明，采用LM算法和BFGS拟牛顿算法能较好的辨识水箱液位系统。 1.2 PID控制算法的介绍 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。 1.2.1 PID控制算法的历史 PID(比例-积分-微分)控制器作为最早实用化的控制器已有70多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器(仪表)已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的PID控制器产品，各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器 (intelligent regulator)，其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制 器，能实现PID控制功能的可编程逻辑控制器(PLC)，还有可实现PID控制的PC系统等等。 可编程控制器(PLC) 是利用其闭环控制模块来实现PID控制，而可编程控制器(PLC)可以直接与ControlNet相连，如Rockwell的PLC-5等。还有可以实现 PID控制功能的控制器，如Rockwell 的Logix产品系列，它可以直接与ControlNet相连，利用网络来实现其远程控制功能。 3 ##大学本科生毕业论文(设计) 1.2.2 PID控制各环节作用 1)比例(P)控制 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。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差(Steady-state error)。 2)积分(I)控制 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，则称这个控制系统是有稳态误差的 或简称有差系统(System with Steady-state Error)。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。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。因此，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(D)控制 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组件(环节)或有滞后(delay)组件，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。这就是说，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。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在 调节过程中的动态特性。 1.3 串级控制系统介绍 串级控制是指通过引入副回路，使系统控制品质相对于单回路控制系统提高。在系统的结构上说，串级控制系统有两个闭合回路:主回路和副回路，主副调节器串联工作，主调节器输出作为副调节器的设定值，系统通过副调节器输出控制执行器动作，实现对主参数的定值控制。船机系统的主回路是定值控制系统，副回路是随动控制系统，通过他们的协调工作，是主参数能够准确地控制在工艺规定的范围之内。 1.4 本文的主要工作 第一章主要介绍本课题的研究背景目的和意义;国内外的研究现状;模糊控制理论 4 ##大学本科生毕业论文(设计) 和人工神经网络的发展与特点;以及本课题所做的主要工作。 第二章在本论文中引入了组态王6.5及介绍了组态王6.5在本实验中的应用。 第三章介绍了水箱实验装置的结构，采用数学建模的方法建立水箱液位控制系统的数学模型，并对系统的参数进行辨识。 第四章介绍了基于组态王的远程监控系统设计，搭配ADAM IPC—7017系列I/O端口的设计，介绍了ADAM A/D转换模块与上位机的连接设计。 第五章介绍了整体实验的设计步骤。 5 ##大学本科生毕业论文(设计) 第二章 水箱液位控制系统的建模 2.1 水箱液位控制系统的构成 850，450，400mm水箱液位控制系统AE2000B由水箱体(不锈钢储水箱:、串接圆 ,250，370mm,250，270mm筒有机玻璃上水箱:、下水箱:、1个连接阀门、2个泄水阀门及1个调整进水阀门的步进电机和其他连接构件)、水位检测元件(压力传感器)、水泵、数据采集模块(ADAM IPC7017)及上位工控机(内有PCI总线插槽)构成，负责监测和变送和执行的元件包括液位传感器、涡轮流量计、压力表、电动调节阀等。总体结构的原图如下图所示。 图2.1 AE2000B实验设备图 V图中的两个玻璃容器T、T通过连接阀门依次连接。玻璃容器通过泄水阀门可以112 排出容器里的水，供水泵循环使用，水泵抽出的水通过进水阀门 进入容器T，这样就1构成了一个封闭的回路。 两个玻璃容器上各装有一个液位压力传感器作为测量元件，用来读出容器的实时液位值。进水阀门通过两个步进电机控制其开度，从而调节进入容器水量的大小。 液位压力传感器将容器中的水位值转换为相应的电信号传到数据采集模块，又由数据采集模块传给上位机，为各种控制算法提供实时的数据。这些数据通过相应的处理， 6 ##大学本科生毕业论文(设计) 生成恰当的控制信号，也需要经过数据采集卡给到步进电机，进一步控制阀门的开度，从而实现对各种控制算法的模拟和检验。泄水阀门可以保证实验结束后放掉容器中的水。 2.2 水箱的建模过程 2.2.1 单容水箱的建模过程 1)单容过程 单容过程就是指只有一个储蓄容量的过程，单容过程还可分为有自衡能力和无自衡能力两类，在此只介绍有自衡能力的过程。 2)自衡过程 所谓自衡过程，试制过程在扰动的作用下，其平衡状态被破坏后，不需要操作人员后仪表等敢于，依靠自身重新恢复平衡的过程。 QQ 下图所示位一个单容液位被控过程，其流入量，改变阀1的开度可以改变的大小，11 QQQ其流出量为，它取决于用户的需要改变阀2开度可以改变，液位h的变化反映了221QQ和不等而引起的储罐中蓄水或泄水的过程，如果作为被控过程的输入变量，h为其21 Q输出变量，则该被控过程的数学模型就是h与之间的数学表达式。 1 图2.2 单容被控过程 出水阀2固定于某一开度值，根据物料的动态平衡关系，所求的微分方程: 7 ##大学本科生毕业论文(设计) ,hd,hAQ,,C1Rdt2 在零初始状态条件下，对上式求拉氏变换，得: H(s)RK2Gs,,,，，Q(s)R,C,S，1Ts，112 h1( t ) h1(? ) 0.63h1(?) 0 T 图2.3 阶跃响应曲线 T,R,C2式中，T为谁想的时间常数(阀2的开度会直接影响到水箱的时间常数)，， R为过程的放大倍数，为阀2的液阻，C为水箱的容量系数(表征过程存储能力的K2 大小)。 容量系数:被控过程都具有一定的贮存物料或能量的能力，其贮存能力的大小，称为容量或容量系数。其物理意义是:引起单位被控量变化时被控过程贮存量变化的大小。 R从上述分析可知，液阻不仅影响过程的时间常数T，而且还能影响过程的放大系数，2 而容量系数C只能影响过程的时间常数。 在工业生产过程中，过程的纯滞后问题经常碰到，如皮带运输机的物料传输过程，管道输送，管道反应和管道的混合过程等。 2.2.2 二阶双容水箱的对象特性 在工业生产过程中，被控过程往往是有多个容积和阻力构成，这种过程成为多容过程。 以其有自衡能力的双容过程为例，来讨论其建立数学模型的方法。 8 ##大学本科生毕业论文(设计) 图2.4 双容水箱被控过程 h上图所示为两只水箱串联工作的双容过程，其被控量是第二只水箱的液位，输入量为2 Q。根据物料平衡关系可以列出下列方程: 2 dh,1QQC,,,, 121dt ,h1 ,Q,2R2 dh,2QQC ,,,232dt ,h2 ,Q,3R3 由上图可知，这是由两个一阶非周期惯性环节串联起来，被调量是第二水草的水位 h 2 ,Q当输入量有一个阶跃增加时，被调量变化的反应区县如图，是一个呈S型的一条曲1 Q线。由于多了一个容器，是调节对象的飞升特性在时间上又落后了一步。设流量为双1 h容水箱的输入量,下水箱的液位高度为为输出量，根据物料平衡关系，并考虑到液体2 9 ##大学本科生毕业论文(设计) 传输过程中的时延，其传递函数为: H(s)K,,s2,G(s),,e Q(s)(Ts，1)(Ts，1)112 RRVRV其中K=，，，和分别为阀和的液阻，分别为T,RCC和CT,RC3332223212121 上水箱和下水箱的容量系数。 h(t)2 h00( )2 B0.8h( )00 2 A0.4h( )002 0ttt21 图2.5 双容过程的阶跃响应曲线 当上水箱输入量有一个阶跃增量变化时，上水箱液位的响应曲线为图(a)所示一单调上升的指数曲线，而下水箱液位的响应曲线则呈如图(b)所示的曲线，即下水箱的液位响应滞后了。可通过试验测量确定出具体的K、T、τ的值，辨识方法将在下文中详述。 图2.6 单容与双容水箱阶跃响应图 10 ##大学本科生毕业论文(设计) 2.3水箱液位控制参数辨识方法 2.3.1 单容上水箱的参数辨识 单容上水箱的时间常数T的辨识方法: H(s)K在零初始条件下，对单容水箱有 G(s),,Q(s)Ts，11 图2.7 单容水槽的建模 V在式中，T为水箱的时间常数(的开度影响水箱的时间常数)，，为K,RT,R,C222 R0RQs(),过程的放大倍数，为2号阀门的液阻，C为水箱的容量系数。令流入流量，21S R为常量，则输出液位的高度为: 0 KRKRKR000H(s),,,，拉式反变换，即 1s(Ts1)s，s， T t,Th(t),KR(1,e) 0 由上式，当t=T时，有: 11 ##大学本科生毕业论文(设计) 1, h(T),KR(1,e),0.632KR,0.632h(t)00 t,,当时，，因而有 h(,),KR0 y(,),y(0),h()输出稳态值/阶跃输入，、y(0)分别是被控变量新的,,y(,)K,R0Q,Q10 QQ稳态值与原来的的稳态值;、分别是阶跃作用后与原来的操作变量的值。 01 t,Th(t),KR(1,e)此式表示一阶惯性环节的响应曲线是一条单调上升的指数函0 数 由实验求得该响应曲线后，该曲线上升到稳态值的63%所需的时间就是水箱的时间常数 T。 2.3.2 二阶双容水箱的下水箱对象参数辨识 图2.8 双容水槽的建模 由双容水箱的建模结果可知， 12 ##大学本科生毕业论文(设计) H(s)K,,s2,G(s),,e ， Q(s)(Ts，1)(Ts，1)112其中的可以从实验中求得的阶跃响应曲线中求出。具体做法是: K、T和T12 h(t)2 h00( )2 B0.8h( )002 A0.4h( )002 0 ttt21 图2.9 双容过程的阶跃响应曲线 1)响应曲线在阶跃响应曲线上取 h(t)稳态值的渐近线h(,);22 t2)时曲线上的点A和对应的时间; h(t),0.4h(,)12t,t21 t3)时曲线上的点B和对应的时间。 h(t),0.8h(,)22t,t22 TT然后，利用下面的近似公式计算参数K、和的值: 12 ,输入稳态值h()2,,K 阶跃输入量R0 t，ttt1121tt4)，对于始终的和的大小关系，。当=0.32时，为T，T,0.32,,0.4612122.16tt22 Kt1G(s),一阶环节，当=0.46时，过程的传递函数; 2(Ts，1)t2 TTt121,(1.74,0.55) 2(T，T)t122 13 ##大学本科生毕业论文(设计) 2.4 水箱液位PID参数整定方法 2.4.1上水箱液位的PID整定 图2.10 单回路控制系统结构框图 本系统索要保持的恒定参数就是液位的给定高度，即控制的任务是控制小上水箱液位等于给定值所需要的高度。根据控制框图，这是一个闭环反馈单回路液位控制。采用工业智能仪表控制。当控制方案确定后，接下来就是整定调节器的参数。在一个单回路系统设计安装就绪后，控制质量的好坏就取决于参数值的选择了。合适的控制参数，可以带来满意的控制效果。反之，控制其参数选择的不合适，就会使控制质量变坏，达不到预期的效果。因此，当一个单回路系统组成好以后，系统的投运和参数整定就变成了一项非常重要的工作。 一般而言，用比例调节器的系统是一个有差系统，比例度的大小不仅会影响到余差的, 大小，而且也与系统的动态性能密切相关。比例积分调节器由于积分的作用，不仅能够 T实现无余差，而且只要参数和合理，也能使系统具有良好的动态性能。比例积分微,i 分(PID)调节器实在PI调节器的基础上再引入微分D的作用，从而使系统既无余差存在，又能是系统的动态性能(快速性、稳定性等)得到改善。 关于比例(P)、积分(I)、微分(D)的调节顺序，一般如下: 整定步骤 整定步骤为"先比例，再积分，最后微分"。 (1)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。 (2)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50,80,，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 14 ##大学本科生毕业论文(设计) 较满意的响应，确定比例和积分的参数。 (3)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TD=0，逐渐加大TD，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。 2.4.2 主回路和副回路的PID参数整定 关于主回路与副回路的调节顺序，一般是先对副回路进行调节，然后对主回路进行调节。 (1) 主参数的选择和主回路的设计: 串级控制系统是由主回路和副回路组成。主回路是一个定值控制系统。对于主参数的选择和主回路的设计，基本上可以按照单回路控制系统的设计原则进行。凡直接或间接与生产过程运行性能密切相关并可直接测量的工艺参数均可以选择为主参数。再此我们选择双容水箱下水箱的液位高度作为主控制参数。 (2)副参数的选择和副回路的设计 1)副参数的选择 副回路应包括生产过程中的变化剧烈，频繁并且幅度很大的主要扰动，并要尽可能的多包含一些扰动。由于串级控制系统副回路具有调节速度快、抑制扰动能力强的特点。在副回路设计时，要充分发挥这一特点，把生产过程中的主要扰动(并要尽量的包含一些其他的扰动)包含在副回路中，一尽量减少对主参数的影响，提高主参数的控制质量。在双容水箱液位控制系统中，我们以下水箱的水位为主控参数以及上水箱水位作为副参数，就是考虑到上水箱的水位具有变化剧烈、频繁且幅度较大的特点。 (3)主副调节器控制规律的选择 在串级控制系统中，主副调节器所起的作用是不同的。主调节器起定值控制的作用，副调节器起到随动控制的作用，这是选择控制规律的基本出发点主参数是工艺操作的主要指标，允许的波动范围很小，一般要求无余差，因此主调节器应选PI或者PID控制规律。副参数的设置是为了保证主参数的控制质量，因此允许在一个较大的范围内变动，并允许有余差，因此副调节器只要选P控制规律进行比例调节即可，具有放大系数较大，控制作用强，余差小的特点。一般不引入积分控制规律，是因为积分控制规律会延长控制过程，减弱副回路的快速作用。并且一般也不引入微分控制作用，因为副回路本身起着快速的作用，再引入微分控制规律会使调节阀的动作过大，反而对控制不利。 (4)主、副调节器的调节器正、反作用方式的选择 15 ##大学本科生毕业论文(设计) 为了满足生产工艺的要求，确保串级控制系统正常运行，主、副调节器正反作用方式必须正确选择。在具体选择时，实在调节阀气开、气关形式;然后根据生产工艺条件和调节阀形式确定副调节器的正反作用方式;最后再根据主副回路参数的关系，决定主副调节器的正反作用方式。 对单回路控制系统来说，要是一个过程控制系统能够正常工作，系统必须为负反馈。对于串级控制系统来说，主副调节器正、反作用方式的选择原则是整个控制系统构成负反馈系统，即其主通道各环节的放大系数极性乘积必须为正值。 (5)串级控制系统主副调节器正反作用方式的确定 为了确保串级控制系统的正常运行，主、副调节器正反作用方式必须正确选择。在具体选择时，是在调节阀气开气关方式已经选定的基础上进行的。 16 ##大学本科生毕业论文(设计) 第三章 组态王6.5简介与操作界面的设计 3.1 组态王6.5简介 (1)组态王软件:组态王软件组态王开发监控系统软件，是新型的工业自动控制系统，它以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。 (2)组态王软件的特点:它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。尤其考虑三方面问题:画面、数据、动画。通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。而且，它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。 (3)组态王软件使用步骤: 使用组态王实现控制系统实验仿真的基本方法: 1) 图形界面的设计 2) 构造数据库 3) 建立动画连接 4) 运行和调试 (4)组态王软件特点: 使用组态王软件开发具有以下几个特点: 1)实验全部用软件来实现,只需利用现有的计算机就可完成自动控制系统课程的实验,从而大大减少购置仪器的经费。 2)该系统是中文界面,具有人机界面友好、结果可视化的优点。对用户而言,操作简单易学且编程简单,参数输入与修改灵活,具有多次或重复仿真运行的控制能力,可以实时地显示参数变化前后系统的特性曲线,能很直观地显示控制系统的实时趋势曲线,这些很强的交互能力使其在自动控制系统的实验中可以发挥理想的效果。 (5)在采用组态王开发系统编制应用程序过程中要考虑以下三个方面: 1) 图形,是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。 2) 数据,就是创建一个具体的数据库,并用此数据库中的变量描述工控对象的各属性,比如水位、流量等。 3) 连接,就是画面上的图素以怎样的动画来模拟现场设备的运行,以及怎样让操作 17 ##大学本科生毕业论文(设计) 者输入控制设备的指令。 3.2基于组态王6.5的液位控制系统上位机部分设计 3.2.1 建立新工程 启动“组态王”工程管理器，选择菜单“文件\新建工程”或单击“新建”按钮，弹出如图2示: 单击“下一步”继续。弹出“新建工程向导之二对话框”，在工程路径文本框中输入一个有效的工程路径，或单击“浏览„”按钮，在弹出的路径选择对话框中选择一个有效的路径。 单击“下一步”继续。弹出“新建工程向导之三对话框”，在工程名称文本框中输入工程的名称，该工程名称同时将被作为当前工程的路径名称。在工程描述文本框中输入对该工程的描述文字。单击“完成”完成工程的新建。进入“工程浏览器”。 图3.1 建立新的工程 18 ##大学本科生毕业论文(设计) 图3.2 建立画面 3.2.2定义外部设备 ICP—7017连接在计算机的COM1口。在组态王工程浏览器的左侧选中“ COM1”，在右侧双击“新建”，运行“设备配置向导”。选择ICP7017的“串行”项，单击“下一步”;为外部设备取一个名称，输入“IPC1”，单击“下一步”;为设备选择连接串口，假设为COM1，单击“下一步”;填写设备地址，假设为1，单击“下一步”;请检查各项设置是否正确，确认无误后，单击“完成”。设备定义完成后，你可以在工程浏览器的右侧看到新建的外部设备“ICP1”。在定义数据库变量时，只要把I/O变量连接到这台设备上，它就可以和组态王交换数据了，如下图。 19 ##大学本科生毕业论文(设计) 图3.3 选择I/O口变量 定义变量的方法 :将要建立的“监控中心”，需要从下位机采集下水箱液位高度的变化，所以需要在数据库中定义这个变量。因为该数据是通过驱动程序采集到的，所以三个变量的类型都是I/O实型变量。这个变量名为“下水箱液位高度”，定义方法如下:在工程浏览器的左侧选择“数据词典”，在右侧双击“新建”，弹出“变量属性”对话框;对话框设置为如图6:设置完成后，单击“确定”。用类似的方法建立其他变量。 20 ##大学本科生毕业论文(设计) 图3.4 定义变量 3.2.3动画设计 建立动画连接: 在画面上双击图形对象“下水箱”，弹出“动画连接”对话框。单击“填充”按钮，弹出“填充连接”对话框，对话框设置如图8。注意填充方向和填充色的选择。单击“确定”。单击“动画连接”对话框的“确定”。用同样的方法设置“上水箱”和“储水箱”的动画连接。在设置“储水箱”的动画连接时将“填充方向”改为“由上向下填充”。 21 ##大学本科生毕业论文(设计) 图3.5文本动画连接 选择MAKE菜单“文件\全部存”。只有保存画面上的改变以后，在VIEW中才能看到你的工作成果。启动画面运行程序VIEW 。VIEW启动后，选择菜单“画面\打开”，在弹出的对话框中选择“监控中心”。运行画面如下: 图3.6 动画连接效果 22 ##大学本科生毕业论文(设计) 3.2.3 组态王6.5的控件中选择历史曲线绘制 工具箱内点击 “插入通用控件”，选择其中“历史趋势曲线”即可在画面中绘制历史曲线。选择“控件属性”，对话框包括“曲线”和“坐标系”两部分。在“曲线”中点击“增加”添加需要的变量，“坐标系”使用默认值，单击对话框的“确定”按钮。为使趋势曲线能显示变量的变化情况，必须先对变量做如下设置:选择菜单“数据库/数据词典”，在变量列表中对相应变量进行设置，选中“ 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 定义”对话框中“数据变化记 录”选择框，使之有效。单击“保存”。 监控画面如下图 图3.7 水箱液位控制界面 23 ##大学本科生毕业论文(设计) 第四章 设计实验 4.1 设备的连接和检查 (1)将AE2000B 实验对象的储水箱灌满水(至最高高度)。 (2)打开以丹麦泵、电动调节阀、涡轮流量计组成的动力支路至上水箱的出水阀，关 闭动力支路上通往其他对象的切换阀。 (3)打开上水箱和下水箱的出水阀至适当开度。 (4)检查电源开关是否关闭。 图4.1 上水箱中水箱液位串级控制框图 4.2 系统连线 对操作面板按下图进行连线。 24 ##大学本科生毕业论文(设计) 图4.2 实验接线 1)将I/O信号接口板上的中水箱液位的钮子开关打到OFF位置，上水箱液位的钮子开关打到ON位置。 2)按上图所示连线。 3)将主调节仪的420mA输出接至I/O信号面板的温度变送器转换电阻上转换成~ 1~5V电压信号，再将此转换信号接至另一调节仪(副调节器)的1端和2端作为外部给定，上水箱液位信号转换为0.2~1V的信号后接入副调节器的3、2两端。调节器输出的4~20mA接电动调节阀的4~20mA控制信号两端。 启动实验装置: 1)将实验装置电源插头接到220V的单相电源上。 2)打开电源单带漏电保护空气开关，电压表指示220V。 3)打开总电源开关，即可开启电源。 25 ##大学本科生毕业论文(设计) 4.3 实验步骤 1)开启电动调节阀电源、24V电源、智能调节仪电源，根据仪表使用说明书和液位传感器使用说明调整好仪表各项参数和液位传感器的零位、增益。 2)启动计算机，进入组态王6.5的调节界面。 图4.3 上位机实验界面 3)设定主控参数和副控参数，设定中水箱液位为13cm。设定副控回路的相关参数为比例度10，积分时间为9999.99，微分时间为0。设定主控回路的相关参数为比例度10，积分时间100，微分时间为0。 4)对副控制回路的P进行整定。启动动力支路，待系统稳定后，在中水箱给一个阶跃信号，将水位设定值突然增加到15cm，观察软件的实时曲线的变化。由于在副控回 1路的比例度()为10时，可对干扰达到迅速、超调量较小的控制，因此将副回路的P 比例度设定为10. 5)对主回路的PID参数进行设定。由于主回路对中水箱的液位进行精确控制，因此主回路的比例度要比副回路的稍大，设定为15，此时超调量约为2.6cm，未超过15%，因此设定主回路的比例度设定为15是合适的。在主回路和副回路的比例度确定的情况下对积分时间进行整定。在副回路比例度10，主回路比例度15的情况下，是中水箱液 26 ##大学本科生毕业论文(设计) 位在13cm稳定时将设定值改为15cm，观察阶跃相应，得到: 图4.4 积分时间100时的阶跃响应 其中绿色曲线表示设定值变化，红色曲线表示阶跃响应曲线，黄色曲线表示副控回路的控制对象变化。 从图中可以看出，积分时间为100时，余差大约在1.3cm至1.5cm，余差过大，是实验目的所不能忍受的，因此对积分时间进行调节，设定为50，此时截取画面: 图4.5 积分时间为50时的阶跃相应 可见，在积分时间调节到50后，在曲线稳定后测量值与设定值吻合，此时调节余差为0cm，微分时间得以整定。 在上述步骤进行整定时，从开始加阶跃扰动到系统最终稳定的时间为7min，调节时间过长，因此需要外加微分环节。 在微分时间为0时，此时系统的超调量、最终余差都在可接受的范围内，因此只需对微分时间进行调节，将微分时间调节为2，如下图: 27 ##大学本科生毕业论文(设计) 图4.6 微分时间为2的系统阶跃响应 由上图可以看出，在微分时间增加后，系统的响应时间相应减少，为4.5min，相对比较迅速。 6) 经过对主副回路的PID调节，基本得到了超调量较小、余差为0、调节时间较短的串级液位控制系统，其中副回路的相关参数整定为:比例环节的比例度10，积分时间无限大，微分时间为0;主回路的相关参数整定为:比例环节的比例度15，积分时间为50，微分时间2。 28 ##大学本科生毕业论文(设计) 29 ##大学本科生毕业论文(设计) 第五章 总结与展望 本文以双容水箱液位控制系统中的下水箱为被控对象，研究了该控制系统的单容与双容对象模型，并针对两种对象模型建立了相应的数学模型，在建立合适数学模型的基础上，研究了针对双容水箱数学模型的控制算法，即串级PID控制算法，进行了基于组态王6.5上位机远程控制的实验实现。 在总结PID串级控制算法的同时，发现针对类似于水箱液位这种非线性、滞后系统， D算法控制、模糊—神经网络解耦控制、基于T还可以采用单神经元PI-S模型的模糊PID控制等控制方式。但是本文仍采用了最原始最可靠的PID串级控制，因为这种控制方法最可靠最简单和实用，而且这种控制方法既能应对工业控制扰动严重频繁的特点又能适应实时控制这一要求。本文所研究的这种控制算法结构简单，能适应不同的变化要求，因而在工程上有很大利用价值。 由于本人才疏学浅，实验装置的上位机使用了工控机，实验软件使用了组态王6.5。在阅读相关的文献后发现，如果改用S7—200 PLC或者单片机作为上位机的话，实验实现的手段可能还会有所丰富。在控制策略上可以选择模糊PID控制、模糊控制与神经网络相结合的方法等更为复杂的方式，能够更进一步的增添实验的内容。对于以上两点不足还有较大的改进空间。 通过一段时间辛苦的工作，本课题完成了基于液位控制系统的PID串级控制算法的研究与应用，在验证理论与算法的同时拓展了原有的教学实验平台，使得原有的教学实验装置的实验内容得到了丰富与充实，为今后可持续发展利用该教学实验平台打下了坚实的基础～ 30 ##大学本科生毕业论文(设计) 谢 辞 本论文设计在###老师的悉心指导和严格要求下业已完成，从课题选择到具体的写作过程，无不凝聚着###老师的心血和汗水，在我的毕业论文写作期间，#老师为我提供了种种专业知识上的指导和一些富于创造性的建议，没有这样的帮助和关怀，我不会这么顺利的完成毕业论文。同时一并感谢###老师提供实验室过程控制系统实验设备并给予我宝贵的指导，在此向#老师和#老师表示深深的感谢和崇高的敬意。 在临近毕业之际，我还要借此机会向在这四年中给予了我帮助和指导的各位专业课老师表示由衷的谢意，感谢他们四年来的辛勤栽培。不积跬步何以至千里，各位任课老师认真负责，在他们的悉心帮助和支持下，我能够很好的掌握和运用专业知识，并在设计中得以体现，顺利完成毕业论文。 同时，在论文写作过程中，我还参考了有关的书籍和论文，在这里一并向有关的作者表示谢意。 我还要感谢同组的各位同学，在毕业设计的这段时间里，你们给了我很多的启发，提出了很多宝贵的意见，对于你们帮助和支持，在此我表示深深地感谢。 31 ##大学本科生毕业论文(设计) 参 考 文 献 1(邵裕森,巴筱云.过程控制系统及仪表 .机械工业出版社,2003. 2( 方崇智,萧德云.过程辨识 .清华大学出版社,1988. 3( 邓秋连,彭辉. RBF-ARX模型在三容水箱液位控制系统建模中的应用 计算机应用,2007 4(高兴泉,刘淳,马苗苗,陈虹.基于非线性静态反馈解耦的三容系统PI控制 控制工程,2004 5( 崔桂梅,郝智红,赵利敏.三容系统的自适应-模糊神经网络解耦及液位控制 自动化仪表,2005 6( 韩梅,李俊芬,赵科,张计科.基于T-S模型三容水箱的模糊PID控 内蒙古工业大学学报,200 7( 孙红英,颜德文,李斌.基于参数自整定模糊PID的三容水箱液位控制 电气应用，2006 8( 梁颖杏,周永华,黄炜.三容系统的智能神经网络模糊控制研究 2007 9(吴贺荣(过程控制系统及仪表实验指导书(青岛大学自动化工程学院 10(周兵 林锦实 (现场总线技术及组态软件的应用 清华大学出版社 2008 11(王再英 刘淮霞 过程控制系统与仪表 机械工业出版社 2008 12( 郁有文 常建 程继红( 传感器技术及工程应用 西安电子科技大学出版社 2008 13( 胡寿松 自动控制原理 科学出版社 2009 14( 刘华波 何文雪 王雪 组态软件Wincc及其应用 机械工业出版社 2010 15.( 于海生 计算机控制技术 机械工业出版社 2007 16( 袁秀英 组态控制技术 电子工业出版社 2003 32