双容水箱水位控制系统设计(论文)

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

Abstract

Double tank water level control system is the use of advanced control algorithm of process liquid level control system, it is in the beverage, food processing, filtering solution, chemical production and other industries in the production process has been widely used. In the design of the full use of automation technology, computer technology, communication technology and automatic control technology, in order to achieve the water tank liquid level cascade control. Firstly, the object model is analyzed, and the experimental modeling method for model transfer function. Secondly, according to the controlled object model and the controlled process characteristic design of cascade control system, using dynamic simulation technology to the control system performance analysis. Then, design and construction process control instrumentation system, through the intelligent controller for liquid level cascade PID control. Finally, with the help of a data acquisition module, MCGS configuration software and digital controller, design and establishment of a remote computer process control system, complete control system experiment and result analysis

Keywords: liquid level ，model PID control ，indicator process control system ，computer process control system

目 录

摘 要.............................................................. Ⅰ Abstract........................................................... Ⅱ 1 绪论.............................................................. 1 2 被控对象建模...................................................... 2

2.1 水箱模型分析 ................................................ 2 2.2 阶跃响应曲线法建立模型 ...................................... 3 3 系统控制方案设计与仿真............................................ 7

3.1 液位串级控制系统介绍 ........................................ 7 3.2 PID控制原理 ................................................. 7 3.3 系统控制方案设计 ........................................... 10 3.4 控制系统仿真 ............................................... 12 4 建立仪表过程控制系统............................................. 17

4.1 过程仪表介绍 ............................................... 17 4.2 仪表过程控制系统的组建 ..................................... 19 4.3 仪表过程控制系统PID 参数整定 ................................ 23 5 模拟计算机过程控制系统........................................... 25

5.1 计算机过程控制系统硬件设计 ................................. 25 5.2 MCGS软件工程组态 ........................................... 28 5.3 组态软件调试 ............................................... 38 6 结论............................................................. 40 参考文献........................................................... 41 致谢............................................................... 42 附录............................................................... 43

1绪论

双容水箱系统是一种比较常见的工业现场液位系统 ，在实际生产中 ，双容水箱控制系统在石油、化工﹑环保﹑水处理﹑冶金等行业尤为常见。通过液位的检测与控制从而调节容器内的输入输出物料的平衡，以便保证生产过程中各环节的物料搭配得当。

经过比较和筛选，串级控制系统PID 控制无论是从操作性、经济性还是从系统的控制效果均有比较突出的特性，因此采用串级控制系统PID 控制对双荣水箱液位控制系统实现控制。

论文以THJ-2高级过程控制实验系统为基础的实验数据作为出发点，利用MATLAB 的曲线拟合的方法分别仿真出系统中上水箱、下水箱的输出响应曲线。对曲线进行处理求出各水箱的参数，用所求出的参数列写出水箱的传递函数。采用复杂控制系统中的串级控制系统列写出系统框图，根据串级控制系统PID 参数整定的方法整定出主控制器和副控制器的P 、I 、D 的数值，从而满足控制系统对各项性能的要求。对于控制器的选择，从经济以及控制效果考虑采用智能仪表实现控制，并应用组态软件对系统实施监控。

为了能够使双容水箱系统能实现远程的检测和控制，本文又进一步的设计出计算机过程控制系统，利用ICP-7017数据采集模块实现模拟量输入通道的功能 利用ICP-7024数据采集模块实现模拟量输入通道的功能（自带485通讯接口），通过RS232/485完成通讯转换实现与计算机的通讯和控制。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，计算机是将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。对于计算机控制，采用的是组态软件MCGS 来实现的，通过对软件进行编程使组态软件模拟出双容水箱液位控制系统的手动和自动两种工作状态。

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=240mm;下水箱尺寸为：d=35cm,h=240mm，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

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Q 1，流出量为Q 2，通过改变阀1的开度改变Q 1值，改变阀2的开度可以改变Q 2值。液位h 越高，水箱内的静压力增大,Q 2也越大。液位h 的变化反映了Q 1和Q 2不等而导致水箱蓄水或泻水的过程。若Q 1作为被控过程的输根据动态物料平衡，

入量，h 为其输出量，则该被控过程的数学模型就是h 与Q 1之间的数学表达式。

Q 1-Q 2=A(dh/dt) ；△Q 1-△Q 2=A(d△h/dt)

在静态时，Q 1=Q2，dh/dt=0；当Q 1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，Q 2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W 0(s)=H(s)/Q1(s)=R2/(R2Cs+1)=K/(Ts+1)

注：△Q 1 ﹑△Q 2﹑△h:分别为偏离某一个平衡状态Q 10﹑Q 20﹑h 0的增量。R 2: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: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)改变调节阀开度, 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。

图2.1 水箱模型测定原理图

2.2.1上水箱阶跃响应参数：

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

2.2.2下水箱阶跃响应参数：

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

由于实验测定数据存在误差，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， 采样时间作为X 轴[1]。

2.2.3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:o’xi,yi,'r') 。

图2.2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

[1]：上述测量数据来源：姜秀英，张翠宣. 过程控制系统实训

如图所示，利用四阶多项式近似拟合上水箱响应曲线，得到多项式的表达式： P(t)≈-1.8753e(-009)t4+2.2734e(-006)t3

-0.0010761t 2+0.24707t+0.13991 式 (2.1)

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, 映射在t 轴上的B 点的值为T 。

图2.3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y (∞) 与阶跃扰

y (∞)

，所以上水箱传递函数为 x 0

2. 45

G 2(s ) = 式（2.2）

99. 16s +1动值x 0之比k 0=

2.2.4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 46.41 46.99 47.4 47.79 48.24 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:o’xi,yi,'r') 。

在MATLAB 中绘出曲线如下：

图2.4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 式（2.3） 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, 映射在t 轴上的B 点的值为T 。

图2.5下水箱模型计算曲线

5. 45y (∞)G （1S ）

=

k 0=动值x 0之比，所以下水箱传递函数为447. 63S +1在实验建x 0

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y (∞) 与阶跃扰

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调节阀的传递函数，Gm(s)

为测量变送器的传递函数。

和测量变送器，即广义被控对象的传递函数为Gp (s ) =Gv (s ) G (s ) Gm (s ) ，Gv (s ) 为

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

3.1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。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采用THJ-2高级过程控制实验系统的实验数据作为基础，展开设计控制系统及工程实现的工作。串级控制系统从总体上看，是定 值控制系统，因此主被控变量在扰动作用下的过度过程和单回路定值控制系统的过度过程，具有相同的品质指标和类似的形式。但是，串级控制系统在结构上增加了一个随动的副回路，因此，与单回路相比有以下几个优点。

1) 串级控制系统对进入副回路的扰动具有较强的克服能力。

2) 由于副回路的存在，明显改善了对象的特性，提高了系统的工作频率。 3) 串级控制系统具有一定的自适应能力。

除上述优点外串级控制系统在有些场合应用效果显著，它主要应用于以下4中场合。

1) 对象的容量滞后比较大。 2) 调节对象的纯滞后比较长。

3) 系统内存在激烈且幅值较大的干扰作用。

4) 调节对象具有较大的非线性特性而且负荷变化较大。

而双容水箱均有上述缺点，因此可以看出串级控制系统很适合应用于双容水箱液位控制系统的设计

3.2 PID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。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。

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r(t)与实际值y(t)构成控制偏差：

e (t ) =r (t ) -y (t ) 式（3.1）

控制规律为：

t

⎡de (t )⎤1

U (t )=Kp ⎢e (t )+e i +Td ()⎥

Ti ⎰dt ⎦0⎣

式（3.2） 或以传递函数形式表示：

式（3.3）

U (s ) 1

G (s ) = =kp (1++Tds )

E (s ) Tis

K P :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T I 置于最大，微分时间T D 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T k 。根据以下经验公式计算调节器参数：

表3.1临界比例整定计算公式

2. 阻尼振荡法。

在闭合控制系统中，把调节器的积分时间T I 置于最大，微分时间T D 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δ和衰减周期T k 。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

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。

3.3系统控制方案设计

3.3.1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：从过渡过程开始到被控参数进入稳态值-5%—+5%范围所需的时间

3.3.2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. 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、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。

3.4控制系统仿真

3.4.1 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Windows 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。

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，设置仿真参数便可完成系统的仿真。

下面根据前文的水箱模型传递函数对串级控制系统进行仿真，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。

3.4.2阶跃响应性能

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仿真框图如下。

图3.3 SIMULINK仿真框图

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K P =60 TI =50 TD =3 ;副控制器P 参数为K P =50，观察阶跃响应曲线如下。

图3.4 双闭环阶跃响应仿真曲线

通过手动切换开关将副回路切除成单闭环可得其仿真图像。

图3.5单闭环阶跃响应仿真曲线

由图3.4和图3.5相比较可以看出，引入副回路的双闭环串级系统能够更好的提高系统的响应速度，使系统更加的稳定，稳态误差更小。

3.4.3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100s 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 加入扰动后的SIMULINK 仿真框图

图3.7 加入扰动后的双闭环阶跃响应仿真曲线

图3.8 加入扰动后的单闭环阶跃响应仿真曲线

由图3.7和图3.8可以看出串级控制通过副回路能够很有效的把干扰抑制到最小，能够满足系统各项参数的需要，同时也解决了双容水箱大滞后的缺点，使系统稳定快速的运行，同时也进一步验证了选择串级PID 来控制双容水箱能够达到比较理想。

4 建立仪表过程控制系统

4.1过程仪表介绍 4.1.1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

4.1.2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380恒压供水输入。 （2）调节阀

采用QSVP －16K 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

表4.2电动调节阀技术指标

4.1.3．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：

表4.3 智能仪表技术指标

表4.4 AI-808P引脚说明

4.2仪表过程控制系统的组建

4.2.1仪表控制系统电路设计：

根据电路原理图可以连接出实际的仪表串级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，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4～20mA 的电流信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

4.2.2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上限刻度值。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。

4.2.3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，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,"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=PV2 if 下水箱液位PV1>20 then 下水箱液位PV1=20 endif

if 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。 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4.5 AI-808P智能仪表设置

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。7017 A/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。 7017 A/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5.1 7017内部示意图 图5.2 7024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：0～20mA 4mA～20mA 0V～10V -10V～10V 0V～5V -5V～5V 电源输入：10～30VDC 电源功耗：2.3W

5.1.4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

5.2 MCGS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

(2)ICP-7017设备设置：

表5.2 ICP-7017设备参数设置

(3)ICP-7024设备设置：

表5.3 ICP-7024设备参数设置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：

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： 将积分与微分项分别改写为差分方程

de (t ) e (k ) -e (k -1)

≈dt T Te (i ) e (t ) d t ≈

t ) =Kp [e (t ) +1U (

Ti

d e (t )

式（5.1） e (t ) +Td ]⎰d t 0

t

⎰

∑

i =0

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.

u (k )

⎡T

=Kp ⎢e (k )+

Ti ⎣

∑e (i )+Td

i =0

k

e (k )-e (k -1)⎤

⎥

T ⎦

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u (k -1) ，从而得出增量式PID

∆u (k ) =Kp [e (k ) -e (k -1) +

T

e (k ) +e (k ) -2e (k -1) +e (k -2)]Ti

式（5.5） 将模拟PID 控制器的结构图改造为数字PID 结构图得:

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)

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=0 sv2=0

set=0/初始运行状态 下水箱pv2=0 上水箱pv1=0 下水箱sv=0 OP=0

2. 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=0 sv2=0 set=0 下水箱pv2=0 上水箱pv1=0 下水箱sv=0 op=0

3．添加循环脚本程序 if method=0 then

方式显示="手动方式" sv1=pv1 sv3=op/2.4

pv=pv1

a=99.16 b=1.00 c=2.45 !setstgy(ZOP) pv1=pv else

方式显示="自动方式" sv3=sv pv=pv2

!setstgy(主PID) sv1=thisop sv3=sv1 pv=pv1 p=p1

!setstgy(副PID) op=thisop/2.4 e=op sv3=e a=99.16 b=1.00 c=2.45 !setstgy(ZOP) pv1=pv/2.4 sv3=pv1 a=447.63 b=1 c=5.45 !setstgy(ZOP) pv2=pv/2.4 endif

if !GetDevicestate(设备1)=1 and com1=0 and !GetDevicestate(设备2)=1 then

通信="设备工作正常" else

通信="设备停止状态" endif

difference=!abs(pv2-sv) if difference>=alarmsv then alarm1=1 else

alarm1=0

endif

!setdevice(设备1,6,"write(10,采样周期)")

!setdevice(设备2,6,"write(10,采样周期)")

op2=op

sv2=sv

pv3=pv2

op3=op1

pv4=pv1

5.3 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

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[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

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[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

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[11] M.D.Tong"Linear system theory and design",University of Science and Technology of China press[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

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[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=e0

e0=sv3-pv

pf=p*(e1-e0)

ti1=t1

if ti1=0 then

thisop=pf

else

jf=p*ts*e0/ti1

endif

zlpid=pf+jf

wz=lastwz+zlpid

if wz>=100 then wz=100

if wz

thisop=wz

lastwz=thisop

2. 主PID ：

e2=e1

e1=e0

e0=sv3-pv

pf=p*(e1-e0)

if ti=0 then

jf=0

else

jf=p*ts*e0/ti

endif

df=p*td*(e0-2*e1+e2)/ts

zlpid=pf+jf+df

wz=lastwz+zlpid

if wz>=999 then wz=999

if wz

thisop=wz

lastwz=thisop

3.ZOP 程序：

e2=e1

e1=e0

e0=sv3*c/a-pv*b/a

jf=ts*e0

zlpid=jf

wz=lastwz+zlpid

if wz>=240 then wz=240

if wz

pv=wz

lastwz=pv

4. 循环程序：

if method=0 then

方式显示="手动方式"

sv1=pv1

sv3=op/2.4

pv=pv1

a=99.16

b=1.00

c=2.45

!setstgy(ZOP)

pv1=pv

else

方式显示="自动方式"

sv3=sv

pv=pv2

!setstgy(主PID)

sv1=thisop

sv3=sv1

pv=pv1

p=p1

!setstgy(副PID)

op=thisop/2.4

e=op

sv3=e

a=99.16

b=1.00

c=2.45

!setstgy(ZOP)

pv1=pv/2.4

sv3=pv1

a=447.63

b=1

c=5.45

!setstgy(ZOP)

pv2=pv/2.4

endif

if !GetDevicestate(设备1)=1 and com1=0 and !GetDevicestate(设备2)=1 then

通信="设备工作正常"

else

通信="设备停止状态"

endif

difference=!abs(pv2-sv)

if difference>=alarmsv then

alarm1=1

else

alarm1=0

endif

!setdevice(设备1,6,"write(10,采样周期)")

!setdevice(设备2,6,"write(10,采样周期)")

op2=op

sv2=sv

pv3=pv2

op3=op1

pv4=pv1