中國(guó)石油大學(xué)郭彥男畢業(yè)設(shè)計(jì)雙容水箱液位控制

1、單位代碼：11414學(xué) 號(hào)：2011011140題目過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置的雙容液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)院名稱地球物理與信息工程學(xué)院專業(yè)名稱自動(dòng)化學(xué)生姓名郭彥男指導(dǎo)教師孫琳起止時(shí)間： 2015年4月16日 至 2015年 6 月16日摘 要摘 要雙容水箱液位控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于食品生產(chǎn)、工業(yè)化工等各個(gè)領(lǐng)域。雙容液位控制系統(tǒng)具有非時(shí)變、滯后等特點(diǎn)，根據(jù)這一特點(diǎn)，分別應(yīng)用了PID控制、模糊控制等控制策略?；趯?duì)過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置的了解，建立了過(guò)程實(shí)驗(yàn)裝置與西門(mén)子PLC的硬件連接。然后，基于PLC實(shí)現(xiàn)了過(guò)程實(shí)驗(yàn)裝置雙容液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。在此基礎(chǔ)上，基于OPC接口技術(shù)，建立西門(mén)子PLC與

2、MATLAB軟件的數(shù)據(jù)通訊。進(jìn)而，采用模糊控制算法應(yīng)用MATLAB軟件中的模糊控制工具箱，實(shí)現(xiàn)了對(duì)過(guò)程實(shí)驗(yàn)裝置雙容液位的控制。最后，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，得出了模糊控制算法在雙容液位控制系統(tǒng)中應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞：雙容液位；PLC；PID控制；模糊控制- 5 -ABSTRACTProcess control device of Liquid Level Control System DesignABSTRACTTwin-tank water level control system is widely used in various fields such as food productio

3、n, industrial chemicals. Liquid Level control system with a non-time-varying characteristics of the lag, according to this feature, each application of the PID control, fuzzy control and other control strategies.Based on the process control device of understanding, the course of the experiment appar

4、atus connected to a Siemens PLC hardware. Then, based on PLC achieved during experimental apparatus Liquid Level Control System, and the experimental results were compared and analyzed. On this basis, based on the OPC interface technology, establish data communication Siemens PLC with MATLAB softwar

5、e. Furthermore, the use of the experimental device for Liquid Level Process Control Fuzzy Control MATLAB software fuzzy control toolbox achieved. Finally, the experimental results were compared and analyzed, we obtained advantages of fuzzy control algorithm in Liquid Level Control System.Key Words：L

6、iquid Level; PLC; PID Control; Fuzzy Control目 錄目 錄摘 要IABSTRACTII第1章 緒論11.1選題的背景及意義11.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀21.2.1過(guò)程控制系統(tǒng)研究現(xiàn)狀21.2.2雙容液位控制概論31.2.3模糊控制研究現(xiàn)狀41.3本文研究?jī)?nèi)容5第2章 過(guò)程實(shí)驗(yàn)裝置的雙容液位系統(tǒng)62.1裝置介紹62.2對(duì)象特性分析92.3控制需求分析9第3章 過(guò)程實(shí)驗(yàn)裝置的雙容液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)113.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)113.2 基于PLC的雙容液位控制123.2.1PLC控制程序133.2.2PID參數(shù)整定153.2.3 傳遞函數(shù)的求解與OPC的連接153.3

7、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析223.4小結(jié)25第4章 基于PID的Matlab和模糊控制仿真274.1數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)274.2基于 PID控制器的模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)294.2.1模糊控制器的編寫(xiě)294.2.2模糊控制器的編寫(xiě)304.2.3模糊控制仿真設(shè)計(jì)374.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析40第5章 總結(jié)44參 考 文 獻(xiàn)45附錄A 附錄內(nèi)容名稱46致 謝49中國(guó)石油大學(xué)（北京）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第1章 緒論1.1選題的背景及意義雙容水箱在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中極其常見(jiàn)，是工業(yè)生產(chǎn)常用的控制設(shè)備之一。它是由裝有閥門(mén)、變送器、傳感器的兩個(gè)水箱通過(guò)管道上下連接而成。在生產(chǎn)工程中，通常需要對(duì)下水箱液位進(jìn)行定值控制，與此同時(shí)選取上水箱

8、進(jìn)水流量為操縱變量，對(duì)下水箱液位進(jìn)行控制。對(duì)其液位的控制通常采用模擬儀表、計(jì)算機(jī)、PLC 等單回路控制。 雙容水槽一般表現(xiàn)出二階特性，廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活中。液位是工業(yè)生產(chǎn)中最常見(jiàn)的控制參數(shù)之一，而液位控制也是過(guò)程控制中的典型案例。液位控制得好壞直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量，甚至成為產(chǎn)品制造成敗的關(guān)鍵，所以液位控制具有廣泛的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和應(yīng)用前景1。液位的高低在生產(chǎn)中是一個(gè)重要的參數(shù)，應(yīng)用非常廣泛。生產(chǎn)中常需測(cè)量油罐等容器內(nèi)的液面高度以計(jì)算產(chǎn)品產(chǎn)量和原料消耗，作為經(jīng)濟(jì)核算的依據(jù)。蒸汽鍋爐運(yùn)行時(shí)，必須保證汽包水位有一定的高度，化工反應(yīng)塔內(nèi)，常需保持一定的液位也取得較高的生產(chǎn)率。單回路反饋控制原理以及PID控

9、制原理是計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的基礎(chǔ)?？刂茖?duì)象的動(dòng)態(tài)特性和數(shù)學(xué)模型是分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)資料和基本依據(jù)。對(duì)被控過(guò)程進(jìn)行研究分析、實(shí)施控制，尤其是進(jìn)行最優(yōu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須首先建立其數(shù)學(xué)模型，因此，數(shù)學(xué)模型對(duì)過(guò)程控制系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的優(yōu)化控制具有極為重要的意義。在對(duì)水箱建立PID控制之后，為了加強(qiáng)控制效果，本文增加了模糊控制這一先進(jìn)控制方案。模糊控制是一種以模糊集合論、模糊語(yǔ)言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)，它具有可控非線性、擬人思維、不拘泥于數(shù)學(xué)模型建立的特點(diǎn)。模糊控制可以應(yīng)用于控制難以取得相對(duì)準(zhǔn)確的機(jī)理模型的水箱液位，它本身是一種基于數(shù)學(xué)定義的控制策略，而且在控制時(shí)有著相

10、對(duì)的獨(dú)立性，在應(yīng)對(duì)一些因?yàn)槌霭l(fā)點(diǎn)和控制指標(biāo)出現(xiàn)較大差異的模型時(shí)，有著良好的效果。在現(xiàn)在的工業(yè)生產(chǎn)中，會(huì)出現(xiàn)很多難以具體確定模型的控制方案，在這個(gè)時(shí)候，不需要具體數(shù)學(xué)模型而只需要系統(tǒng)辨識(shí)的模糊控制可以派上相當(dāng)大的作用。也正因?yàn)槟：刂频囊陨咸攸c(diǎn)，使得各行各業(yè)對(duì)模糊控制的研究一直在進(jìn)行中，模糊控制器更是廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域。本文以雙容水箱為基礎(chǔ)，在參考了國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)之后，先確立了以PID控制為基礎(chǔ)的控制方案，在完成該控制方案之后又在MATLAB軟件上加入了先進(jìn)控制策略，并在Simulink上進(jìn)行了對(duì)照仿真實(shí)驗(yàn)，最終基本完成了畢業(yè)設(shè)計(jì)的任務(wù)。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀雙容水箱液位控制系統(tǒng)作為一種

11、十分基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)被作為一種教學(xué)模型廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)各大高校，以此為研究對(duì)象的大學(xué)就有清華大學(xué)、合肥工業(yè)大學(xué)、中國(guó)石油大學(xué)等多所理工科大學(xué)。在液位控制系統(tǒng)中，經(jīng)常得到應(yīng)用的是PID控制方案，但除此之外，隨著技術(shù)的發(fā)展，諸如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制、預(yù)測(cè)控制等先進(jìn)控制方案也得到了很快的發(fā)展，在統(tǒng)計(jì)中，大概有百分之八十以上是應(yīng)用的PID控制。也正因?yàn)槠鋺?yīng)用的廣泛性，所以使得國(guó)內(nèi)外各大廠家對(duì)其進(jìn)行不斷的研究與更新設(shè)備，客觀上帶動(dòng)了液位控制系統(tǒng)的發(fā)展。液位控制系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)經(jīng)常應(yīng)用于石油石化、化工、污水處理等各個(gè)領(lǐng)域，可以說(shuō)應(yīng)用廣泛，但客觀的評(píng)價(jià)，國(guó)內(nèi)的液位控制器跟世界一流水平還有著不小的差距，尤其是與國(guó)外發(fā)

12、達(dá)國(guó)家諸如美國(guó)、德國(guó)、日本等工業(yè)化自動(dòng)化先進(jìn)的國(guó)家相比較。目前，國(guó)內(nèi)液位控制還主要依靠的是PID控制，PID控制雖然很經(jīng)典，但也有著一定的局限性，比如說(shuō)它只能適應(yīng)一般的控制系統(tǒng)，對(duì)于要求控制精度較高、較細(xì)的控制場(chǎng)合還有著很大的區(qū)別?？偠灾?，在先進(jìn)控制領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)技術(shù)還不成熟，適用于先進(jìn)控制的商業(yè)控制儀表還難以形成品牌化。反觀之國(guó)外，在先進(jìn)控制領(lǐng)域已經(jīng)超過(guò)我國(guó)很多了，而且其先進(jìn)產(chǎn)品在自調(diào)、自整定、自開(kāi)車(chē)方面已經(jīng)相對(duì)成熟，液位控制領(lǐng)域發(fā)展迅速。其中德國(guó)、日本、美國(guó)等都有廠家生產(chǎn)出了一批商品化的、性能優(yōu)異的液位控制器以及液位儀表，在各大領(lǐng)域都得到了很廣泛的應(yīng)用，我國(guó)在液位控制領(lǐng)域還有著很長(zhǎng)的路要走。

13、1.2.1過(guò)程控制系統(tǒng)研究現(xiàn)狀過(guò)程控制的發(fā)展并不是一個(gè)孤立的過(guò)程，相反這一新興的學(xué)科是跟隨著控制理論、儀表專業(yè)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、化工生產(chǎn)、石油石化等多個(gè)相關(guān)學(xué)科一起發(fā)展的2。過(guò)程控制的發(fā)展大體上可以分為三個(gè)發(fā)展階段3：70年代以前可以看作是第一階段，它是以經(jīng)典控制理論為核心。第二階段則是70年代到80年代，它是以現(xiàn)代控制理論為核心。第三階段是90年代，是以控制論、信息論、系統(tǒng)論、人工智能等學(xué)科交叉，接下來(lái)本文將會(huì)簡(jiǎn)要介紹一下這三個(gè)階段。在第一階段中，這一階段的主要理論核心是經(jīng)典控制理論，它又被稱為自動(dòng)化孤島模式，蓋因?yàn)樗目刂颇繕?biāo)僅僅是保證生產(chǎn)的平穩(wěn)運(yùn)行：諸如在石化石油領(lǐng)域?qū)M(jìn)入物料多少、高低限、

14、安全問(wèn)題的實(shí)現(xiàn)大多運(yùn)用的就是對(duì)這一理論思想的實(shí)現(xiàn)。在第二階段中，出現(xiàn)了一個(gè)變革思想的新系統(tǒng)，它就是分布式工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（DCS），它的出現(xiàn)為先進(jìn)控制理論創(chuàng)造了條件與應(yīng)用環(huán)境.在這一系統(tǒng)下，諸如預(yù)測(cè)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制等先進(jìn)控制方法得到了新的發(fā)展與應(yīng)用，并使得工業(yè)流程的控制進(jìn)入了一個(gè)新的領(lǐng)域，為實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)低耗的控制目標(biāo)更進(jìn)了一步。在第三階段里，80年代后期工業(yè)，隨著新興工業(yè)的飛速發(fā)展，多學(xué)科的相互滲透，僅僅是先進(jìn)控制理論與分布式工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)不能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)目標(biāo)的要求。隨之興起的的人工智能、智能控制、信息庫(kù)的、大數(shù)據(jù)、計(jì)算機(jī)通訊技術(shù)與新型網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)也讓人們的視野更加的開(kāi)闊，為

15、實(shí)現(xiàn)更高水平的自動(dòng)控制提供了理論基礎(chǔ)和實(shí)踐手段。時(shí)至今日，過(guò)程控制系統(tǒng)仍然在不斷的發(fā)展著，現(xiàn)在的控制思路也隨著人們對(duì)可持續(xù)發(fā)展思路的變化而變化，為了滿足可持續(xù)發(fā)展的時(shí)代主題，工作人員與科研人員也開(kāi)始不斷研究既保證生產(chǎn)效率、少出事故、平穩(wěn)發(fā)展的生產(chǎn)要素，也要滿足保護(hù)環(huán)境、較少能耗、減少成本等多方面因素，最大程度上的在滿足市場(chǎng)需求的基礎(chǔ)上，發(fā)展技術(shù)，提高技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力。1.2.2雙容液位控制概論雙容液位控制作為一種典型的控制回路在上世紀(jì)50年代便開(kāi)始被人所研究。最開(kāi)始的控制思路是以經(jīng)典PID控制為基礎(chǔ)，發(fā)展而來(lái)的串級(jí)控制、均勻控制、前饋控制、比值控制等，一般稱之為復(fù)雜控制。在20世紀(jì)70年代中后期，隨

16、著可編程控制器PLC（Programmable Logic Controller）、分布式控制系統(tǒng)DCS（Distributed Control System）的出現(xiàn)，更是為雙容液位控制提供了新的硬件平臺(tái)。時(shí)間往后推移，20世紀(jì)80年代后期至今，隨著先進(jìn)控制理論的不斷發(fā)展，諸如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、預(yù)測(cè)控制等更適應(yīng)于各種環(huán)境的先進(jìn)控制策略應(yīng)運(yùn)而生。先進(jìn)控制的先進(jìn)性主要體現(xiàn)在當(dāng)常規(guī)控制無(wú)法解決的一些情況下，先進(jìn)控制可以對(duì)癥下藥，完成復(fù)雜的控制指標(biāo)，可以說(shuō)先進(jìn)控制將會(huì)成為未來(lái)過(guò)程控制的發(fā)展方向?，F(xiàn)今，我國(guó)過(guò)程控制系統(tǒng)主要使用的是分布式控制系統(tǒng)（DCS）、可編程控制器（PLC）、進(jìn)程間通信（IPC

17、）三種系統(tǒng)，其中DCS的主要設(shè)計(jì)思路是控制分散、管理集中，因?yàn)槠淇刂品稚⒌奶攸c(diǎn)，使得其安全性與之前的集中系統(tǒng)相比較得到了很大的提高，因此成為了大中型企業(yè)控制系統(tǒng)的首選方案。進(jìn)程間通信系統(tǒng)（IPC）作為一種配有各種輸入輸出接口和工業(yè)應(yīng)用軟件的溝通性過(guò)程控制系統(tǒng)，具有著開(kāi)放性、靈活性、聯(lián)網(wǎng)性、溝通性的優(yōu)點(diǎn)，再加上其擁有著極強(qiáng)的計(jì)算機(jī)處理能力與圖像顯示功能，使得它成為工業(yè)控制領(lǐng)域里的佼佼者。而本文用到的可編程邏輯控制器(PLC)則誕生于二十世紀(jì)中葉，應(yīng)工業(yè)發(fā)展的要求，這種功能強(qiáng)大的通用控制設(shè)備在之后的歲月里得到了廣泛的應(yīng)用4。在國(guó)內(nèi)很多的工業(yè)自動(dòng)生產(chǎn)線中和大小企業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，PLC都被首選為控

18、制程序軟件。PLC具有功能的多樣化與簡(jiǎn)便化的優(yōu)點(diǎn)，在可編程控制器中，我們既可以應(yīng)用大規(guī)模集成電路技術(shù)、數(shù)據(jù)采集與控制，又可以對(duì)進(jìn)行的工程進(jìn)行邏輯控制與過(guò)程控制，在此基礎(chǔ)上加上PLC本身具有著結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)行速度快、可靠性高（跟DCS一樣）的特點(diǎn)，這也使得PLC應(yīng)用廣泛。本文的雙容水箱液位控制在之后章節(jié)也將會(huì)應(yīng)用到西門(mén)子S7-200PLC編程的內(nèi)容。1.2.3模糊控制研究現(xiàn)狀模糊控制是以模糊集合論、模糊語(yǔ)言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)。1965年美國(guó)的扎德創(chuàng)立了模糊集合論,1973年,他給出了模糊邏輯控制的定義和相關(guān)的定理。1974年英國(guó)的Mamdani首先用模糊控制語(yǔ)句組成模

19、糊控制器,并把它用于鍋爐和蒸汽機(jī)的控制,在實(shí)驗(yàn)室獲得成功,這一開(kāi)拓性的工作標(biāo)志著模糊控制論的誕生5。模糊控制主要是模擬人的思維、推理和判斷的一種控制方法,它將人的經(jīng)驗(yàn)、常識(shí)等用自然語(yǔ)言的形式表達(dá)出來(lái),建立一種適用于計(jì)算機(jī)處理的輸入輸出過(guò)程模型,是智能控制的一個(gè)重要研究領(lǐng)域。從信息技術(shù)的觀點(diǎn)來(lái)看,模糊控制是一種基于規(guī)則的專家系統(tǒng)。從控制系統(tǒng)技術(shù)的觀點(diǎn)來(lái)看,模糊控制是一種普遍的非線性特征域控制器6。模糊控制具有以下特點(diǎn)：1.模糊控制采用語(yǔ)言性直接控制方法，其設(shè)計(jì)基礎(chǔ)是專家和實(shí)際科研人員本身的知識(shí)和實(shí)踐所得結(jié)論，在實(shí)際控制中并不需要精確的數(shù)學(xué)模型，而只需要通過(guò)系統(tǒng)辨識(shí)得到相關(guān)的函數(shù)就可以編寫(xiě)相應(yīng)的控

20、制規(guī)則。2.由于工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會(huì)遇到很多數(shù)學(xué)模型難以計(jì)算和求取的情況，所以在這個(gè)時(shí)候應(yīng)用模糊控制的方法就可以取得很好的效果，尤其對(duì)那些動(dòng)態(tài)不易掌握的被控對(duì)象非常適用。3.一般在模型計(jì)算中，常常因?yàn)槌霭l(fā)點(diǎn)和性能指標(biāo)的不同導(dǎo)致較大差異，但是類似模糊控制這一類的語(yǔ)言控制規(guī)則卻具有相對(duì)的獨(dú)立性，利用相應(yīng)控制之間的連接，將會(huì)更容易找到平衡點(diǎn)，且效果優(yōu)于常規(guī)控制器。模糊控制的研究主要體現(xiàn)在控制器的研究和開(kāi)發(fā)以及各類實(shí)際應(yīng)用中,目前模糊控制已經(jīng)應(yīng)用在各個(gè)行業(yè)。各類模糊控制器也非常多,模糊控制器的研究一直是控制界研究的熱點(diǎn)問(wèn)題7。1.3本文研究?jī)?nèi)容1.本文設(shè)計(jì)的雙容液位控制系統(tǒng)所用裝置使用的是AE混合溫度與液

21、位實(shí)驗(yàn)裝置，其由主體設(shè)備、PLC控制柜、Unical渦旋空氣壓縮機(jī)、儲(chǔ)氣罐及上位機(jī)組成。在選擇好本文所使用的液位回路后，根據(jù)機(jī)柜說(shuō)明書(shū)，對(duì)其正確接線。2.本文將對(duì)控制雙容水箱的PLC可編程控制器進(jìn)行著重研究，在PLC上進(jìn)行編程設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)液位的控制。3.在完成了以上內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)對(duì)水箱的PID控制之后，本文將研究MATLAB軟件，首先實(shí)現(xiàn)其與實(shí)驗(yàn)裝置的數(shù)據(jù)通訊，之后對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行辨識(shí)研究，最后將有數(shù)據(jù)得出的傳遞函數(shù)送入Simulink仿真中，依次在仿真實(shí)驗(yàn)里進(jìn)行PID、模糊控制實(shí)驗(yàn)，最后將結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，得出結(jié)論。第2章 過(guò)程實(shí)驗(yàn)裝置的雙容液位系統(tǒng)2.1裝置介紹AE裝置可根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，

22、通過(guò)各手動(dòng)球閥的開(kāi)閉進(jìn)行自由組合，形成適合不同實(shí)驗(yàn)要求的控制回路，該裝置有結(jié)構(gòu)緊湊、使用方便、功能齊全、綜合性能好等優(yōu)點(diǎn)。在混合溫度與液位實(shí)驗(yàn)裝置上能夠較好完成自動(dòng)化專業(yè)與過(guò)程控制課程相關(guān)的實(shí)踐項(xiàng)目。混合溫度與液位實(shí)驗(yàn)裝置主要由主體設(shè)備、PLC控制柜、Unical渦旋空氣壓縮機(jī)、儲(chǔ)氣罐及上位機(jī)（從左到右）組成?；旌蠝囟扰c液位實(shí)驗(yàn)裝置全貌圖如圖2.1所示：圖2.1混合溫度與液位實(shí)驗(yàn)裝置全貌圖FIG.2.1 The mixing temperature level experimental device up view混合溫度與液位實(shí)驗(yàn)裝置主體設(shè)備含冷水槽1個(gè)，熱水器1臺(tái)，混合水箱（TANK）1個(gè)

23、，熱交換器1臺(tái)，風(fēng)扇1臺(tái)，氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥5個(gè)，水泵3臺(tái)，手動(dòng)閥21個(gè)，儀表及管線若干。主體設(shè)備采用四層立式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，占地面積小，實(shí)驗(yàn)裝置布局合理，配置齊全，各工藝管線、容器、泵閥等設(shè)備標(biāo)識(shí)明確。通過(guò)調(diào)節(jié)手動(dòng)球閥的開(kāi)閉形成不同的控制回路，從而適應(yīng)不同的過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)要求，充分體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)裝置能夠適應(yīng)實(shí)驗(yàn)?zāi)康亩嘧冃?。以下是我們根?jù)AE的工藝流程繪制的管道儀表總流程圖，如圖2.2：圖2.2 AE工藝流程管道儀表總流程圖FIG.2.2 General flowchart process piping and instrumentation因?yàn)楸疚哪繕?biāo)為要能實(shí)現(xiàn)雙容水箱的液位控制，所以工藝流程為：水從泵P01進(jìn)

24、入，經(jīng)過(guò)閥門(mén)FV01進(jìn)入上水箱D01，上水箱D01液位由液位傳感器LI01送入電腦，隨后進(jìn)入D01的水經(jīng)過(guò)閥門(mén)FV05進(jìn)入下水箱D02，下水箱D02液位由液位傳感器LI02送入電腦，進(jìn)入DO2水箱的水最后從FV04流出。如圖2.3所示：圖2.3雙容水箱液位系統(tǒng)流程圖FIG.2.3 Twin- tank water system flow chart而根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行接線，如圖2.4所示：圖2.4 裝置接線圖FIG.2.4 Device wiring diagram 在過(guò)程控制系統(tǒng)中，閥門(mén)、閥門(mén)的選型都是至關(guān)重要。在選擇閥門(mén)、傳感器時(shí)，要充分考慮到工藝要求、所處環(huán)境、室內(nèi)常溫等條件，

25、并綜合安全、控制精度以及經(jīng)濟(jì)等原則，最終選出適合的型號(hào)。在本系統(tǒng)中，我們選擇使用的傳感器和閥門(mén)信號(hào)如下表四所示：表一 閥門(mén)傳感器選型序號(hào)儀表位號(hào)測(cè)點(diǎn)名稱信號(hào)類型型式量程單位1LI-01大水箱液位0-100%2LI-02小水箱液位0-100%3LIT-01大水箱液位4-20mA兩線制0-40cm4LIT-02小水箱液位4-20mA兩線制0-37.4cm5FT-01大水箱入口流量4-20mA兩線制L/h6FT-02大小水箱入口流量4-20mA兩線制L/h7FT-03水泵與小水箱入口流量4-20mA兩線制L/h2.2對(duì)象特性分析 在工業(yè)領(lǐng)域，雙容水箱是一個(gè)很常見(jiàn)但同樣很重要的設(shè)備。經(jīng)過(guò)2.1分析，可

26、以看出雙容水箱液位控制系統(tǒng)本身是一個(gè)復(fù)雜的控制對(duì)象，上水箱和下水箱之間的液位會(huì)互相影響。上水箱的輸入變量是由閥門(mén)FV01控制的輸入水量，輸出變量是由閥門(mén)FV05控制的輸出水量。而下水箱的輸入變量是由閥門(mén)FV05控制的輸入水量，輸出變量是流經(jīng)常開(kāi)閥門(mén)FV04(閥門(mén)開(kāi)度固定不變)的輸出水量。上下水箱的液位變化會(huì)互相影響：1.當(dāng)上水箱液位達(dá)到給定液位之后，輸入輸出流量相等，下水箱液位未達(dá)到給定值時(shí)，會(huì)影響到閥門(mén)FV05開(kāi)度變化，進(jìn)而導(dǎo)致上水箱輸入輸出流量不等且變化，進(jìn)而引起上水箱液位改變。2.當(dāng)下水箱液位達(dá)到給定液位之后，輸入輸出流量相等，上水箱液位未達(dá)到給定值時(shí)，因?yàn)橄滤漭敵隽髁繛槌ｉ_(kāi)且閥門(mén)開(kāi)度

27、不變的閥門(mén)FV04控制，所以會(huì)引起閥門(mén)FV05閥門(mén)開(kāi)度變化，進(jìn)而導(dǎo)致上水箱輸入輸出流量不等，從而使上水箱液位發(fā)生偏移，需要繼續(xù)調(diào)節(jié)。3.當(dāng)上水箱和下水箱液位都未達(dá)到給定值時(shí)，閥門(mén)FV01和閥門(mén)FV05會(huì)出現(xiàn)不間斷變化，直到兩個(gè)水箱都逐漸達(dá)到給定值并穩(wěn)定之后。由此可見(jiàn)：雙容液位水箱控制系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的控制系統(tǒng)，其數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)為二階線性模型。2.3控制需求分析根據(jù)任務(wù)書(shū)要求，對(duì)本文雙容水箱液位控制系統(tǒng)的控制目標(biāo)提出了以下的要求：1.應(yīng)用本專業(yè)所學(xué)的自動(dòng)控制理論、過(guò)程控制、可編程控制器等理論知識(shí)，研究對(duì)過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置雙容水箱液位系統(tǒng)的控制問(wèn)題，應(yīng)用控制算法對(duì)雙容液位進(jìn)行控制。2.實(shí)現(xiàn)西門(mén)子S7-2

28、00對(duì)雙容液位的控制。3.要能快速、穩(wěn)定、準(zhǔn)確的控制上水箱、下水箱的液位，在穩(wěn)定之后給出階躍擾動(dòng)之后仍能完成控制目標(biāo)。4，需要對(duì)比、分析控制效果。- 9 -中國(guó)石油大學(xué)（北京）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第3章 過(guò)程實(shí)驗(yàn)裝置的雙容液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)在過(guò)程控制系統(tǒng)中，一般習(xí)慣的將PID控制叫做基本控制，在國(guó)內(nèi)工業(yè)生產(chǎn)控制中，PID控制仍然占據(jù)了主導(dǎo)地位，這主要是因?yàn)镻ID控制實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，控制穩(wěn)定，具有良好的可適性。本文對(duì)雙容水箱液位系統(tǒng)的控制也將先從最基本的PID控制開(kāi)始，由簡(jiǎn)入難，步步為營(yíng)。當(dāng)今的閉環(huán)自動(dòng)控制技術(shù)都是基于反饋的概念以減少不確定性。反饋理論的要素包括三個(gè)部分：測(cè)量、比較和

29、執(zhí)行7。測(cè)量關(guān)心的是被控變量的實(shí)際值，與期望值相比較，用這個(gè)偏差來(lái)糾正系統(tǒng)的響應(yīng)，執(zhí)行調(diào)節(jié)控制。在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器（比例-積分-微分控制器）是一個(gè)在工業(yè)控制應(yīng)用中常見(jiàn)的反饋回路部件，由比例單元P、積分單元I和微分單元D組成。這個(gè)理論和應(yīng)用的關(guān)鍵是，做出正確的測(cè)量和比較后，如何才能更好地糾正系統(tǒng)。PID控制原理簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，對(duì)無(wú)時(shí)間延遲的單回路控制系統(tǒng)極為有效，到目前為止，我國(guó)大多數(shù)工業(yè)控制還沿用著PID控制算法。PID算法作為經(jīng)典控制理論推出的最為輝煌的理論成果之一最主要的特點(diǎn)是：綜合了各種控制器的優(yōu)

30、點(diǎn)，既能克服對(duì)象的容量滯后，減少動(dòng)態(tài)偏差，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度，又能消除系統(tǒng)的余差。如果能對(duì)三個(gè)參數(shù)（比例P、積分I、微分D）加以適當(dāng)?shù)恼ǎ梢允瓜到y(tǒng)獲得良好的控制性能。下面分別介紹P、I、D三種控制效果：P：比例控制。比例控制是最簡(jiǎn)單、最基本的控制規(guī)律，其能迅速有力的克服干擾的影響，或使被控變量能迅速跟蹤設(shè)定值的變化，但會(huì)存在余差。其偏差e(s)跟輸出u(s)的關(guān)系為：U(s)=Pe(s) (3.1)I：積分控制。在比例控制的基礎(chǔ)上加入積分控制，會(huì)減少系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度，是比例增益減小，過(guò)渡過(guò)程變慢，動(dòng)態(tài)偏差增大是其缺點(diǎn)，但是它可以消除余差，使控制更加精準(zhǔn)。其偏差e(s)跟輸出u(s)的關(guān)系為：

31、 U(s)= (3.2)D:微分控制。在比例積分控制的基礎(chǔ)上引入微分控制，可以增大系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度，使比例增益增加，從而加快過(guò)渡過(guò)程，減少動(dòng)態(tài)偏差和余差，并且對(duì)對(duì)象的容量滯后有著明顯的效果。缺點(diǎn)是：過(guò)強(qiáng)的微分作用會(huì)引起系統(tǒng)振蕩。其偏差e(s)跟輸出u(s)的關(guān)系為：U(s)= (3.3)綜合在一起，PID算法為: (3.4)因?yàn)樾枰刂频氖莾蓚€(gè)水箱，所以經(jīng)過(guò)觀察與查找資料，最終確定方案為：PID串級(jí)控制。采用不止一個(gè)控制器，而且控制器間相互連接，一個(gè)控制器的輸出作為另一個(gè)控制器的輸入的設(shè)定值的控制系統(tǒng)叫做串級(jí)控制系統(tǒng)。雙容水箱串級(jí)控制方框圖如下圖3.1所示：圖3.1 雙容水箱串級(jí)液位控制系統(tǒng)方框

32、圖FIG.3.1 Twin-tank cascade level control system block diagram如圖所示：準(zhǔn)備使用兩個(gè)PID控制器，一個(gè)PID控制器通過(guò)控制閥門(mén)FV01控制上水箱入水流量來(lái)控制水箱液位，另一個(gè)PID控制器通過(guò)控制閥門(mén)FV05控制下水箱入口流量來(lái)控制下水箱液位，閥門(mén)FV03常開(kāi)。在通過(guò)實(shí)際的操作之后，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)水箱的耦合并不嚴(yán)重，兩個(gè)PID控制可以實(shí)現(xiàn)單獨(dú)控制。3.2 基于PLC的雙容液位控制在決定了控制方案之后，雙容液位控制系統(tǒng)將以PLC為平臺(tái)進(jìn)行控制，即在西門(mén)子S7-200PLC編程軟件中編寫(xiě)相應(yīng)的控制程序，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水箱的液位控制。3.2.1PLC控

33、制程序根據(jù)第二章的介紹，本次實(shí)驗(yàn)需要控制上下兩個(gè)水箱，而要想控制水箱液位就需要對(duì)控制流量進(jìn)出的閥門(mén)進(jìn)行控制。所以本文的設(shè)定便是：通過(guò)閥門(mén)1控制上水箱液位，通過(guò)閥門(mén)5控制下水箱液位，控制閥門(mén)4使其常開(kāi)（常開(kāi)流量均小于上下水箱閥門(mén)全開(kāi)時(shí)的最大流量）。 所以本文的S7-200 PLC編程中，在對(duì)三個(gè)閥門(mén)進(jìn)行編程控制之后，使用PID控制面板設(shè)置了兩個(gè)PID控制器分別控制閥門(mén)1和閥門(mén)5，具體程序如圖3.2,圖3.3，圖3.4所示：圖3.2 PLC閥門(mén)量編程FIG.3.2 Valve amount PLC programming圖3.3閥門(mén)開(kāi)度編程FIG.3.3 Valve opening degree

34、program圖3.4兩個(gè)PID控制器編程FIG.3.4 Two PID controller programming3.2.2PID參數(shù)整定參數(shù)整定是通過(guò)調(diào)整控制器參數(shù)，改善系統(tǒng)動(dòng)靜態(tài)特性，從而實(shí)現(xiàn)最佳控制的一種常用方法。在本文中，PLC的PID調(diào)節(jié)面板里，有著自動(dòng)控制和手動(dòng)控制兩種。當(dāng)我們使用手動(dòng)控制的時(shí)候，運(yùn)用的方法是參數(shù)整定里的逐步逼近法。逐步逼近法是指在主回路斷開(kāi)的情況下，求取副控制器的整定參數(shù)，然后將求得的數(shù)值寫(xiě)入副回路控制器（這個(gè)時(shí)候保持副回路控制器數(shù)值不變），然后讓整個(gè)串級(jí)系統(tǒng)閉合，再求主回路控制器的PID參數(shù)。具體步驟如下所示：斷開(kāi)主回路，閉合副回路，用求取單回路控制系統(tǒng)的整

35、定方法（例如控制器參數(shù)經(jīng)驗(yàn)方法、臨界比例度法、衰減曲線法、反應(yīng)曲線法等）整定副控制器參數(shù)。閉合整個(gè)串級(jí)系統(tǒng)，將上一步求取的副控制器參數(shù)寫(xiě)入，整定主控制器參數(shù)。閉合整個(gè)串級(jí)系統(tǒng)，將求取的主控制器參數(shù)寫(xiě)入，重新調(diào)整副控制器參數(shù)。將求得的主、副控制器參數(shù)寫(xiě)入，驗(yàn)證控制品質(zhì)，如果達(dá)成目標(biāo)則整定結(jié)束。如未達(dá)到整定目標(biāo)，則返回步驟2重新開(kāi)始。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：下水箱的整定參數(shù)為：P=50，I=3， D=0 上水箱的整定參數(shù)為：P=0.5，I=0.5, D=03.2.3 傳遞函數(shù)的求解與OPC的連接在完成了PID參數(shù)整定之后，下一步需要求取系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。在對(duì)所用水箱進(jìn)行了實(shí)地觀測(cè)和測(cè)量后，因?yàn)樗浔旧泶嬖诤穸龋?/p>

36、為多邊不規(guī)則柱體，兼因?yàn)槠浞胖帽容^高，所以很難實(shí)地準(zhǔn)確的測(cè)量其容量和高度，故放棄機(jī)理建模方法，改用系統(tǒng)辨識(shí)的方法來(lái)計(jì)算它的傳遞函數(shù)。求取傳遞函數(shù)的基本流程可以概括為：使用OPC完成MATLAB軟件與PLC程序的連接，繼而將在PLC程序中得到的數(shù)據(jù)圖像通過(guò)設(shè)置的OPC標(biāo)簽（item）傳入到MATLAB里，隨后將數(shù)據(jù)放置入MATLAB的工作空間，使用辨識(shí)工具箱對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析辨識(shí)，最后得出傳遞函數(shù)。傳遞函數(shù)求解的具體步驟如下：打開(kāi)PC ACESS，在PC ACESS中設(shè)置項(xiàng)目，新建標(biāo)簽（ITEM）并運(yùn)行。故在PC ACESS中設(shè)置寫(xiě)入進(jìn)度、進(jìn)水流量、進(jìn)水閥門(mén)開(kāi)度、SP（設(shè)定值）、PV（液位高度）

37、標(biāo)簽如圖3.5所示:圖3.5PC ACESS設(shè)置標(biāo)簽圖FIG.3.5 PC ACCESS Settings tab Figure打開(kāi)MATLAB，新建Simulink，打開(kāi)OPC工具箱，將工具箱里的OPC READ和OPC 拖入Simulink里，隨后將示波器Scope拖入Simulink，并連接Scope和Opc read。如圖3.6所示：圖3.6 Simulink設(shè)置與實(shí)時(shí)讀取數(shù)據(jù)圖FIG.3.6 Simulink set and read real-time data graphs 3.通過(guò)OPC完成了PLC程序和Simulink的連接，接著打開(kāi)PLC程序，將正副控制器參數(shù)寫(xiě)入（參數(shù)整定

38、已完成），隨后在PLC程序中寫(xiě)入給定值。運(yùn)行PLC程序，打開(kāi)PID控制面板，觀察給定值和輸入值的變化，等到給定值與輸入值相等且平穩(wěn)時(shí)停止。如圖3.7、3.8所示：圖3.7 PLC控制運(yùn)行程序FIG.3.7 PLC control to run the program圖3.8 PID控制面板FIG.3.8 PID control panel在PID控制面板上數(shù)值穩(wěn)定后，調(diào)整給定值數(shù)值，給系統(tǒng)一個(gè)階躍響應(yīng)，觀察曲線變化，直到輸入曲線平穩(wěn)，就可以結(jié)束控制了。隨后將會(huì)在MATLAB里進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫(xiě)，并辨識(shí)曲線。在完成了以上的數(shù)據(jù)導(dǎo)入之后，可以重新選取需要的數(shù)據(jù)進(jìn)行定義（因?yàn)橐髠鬟f函數(shù)只需要取其中從階躍

39、開(kāi)始到輸入值穩(wěn)定的這一部分，故需要去除其余部分，以保證傳遞函數(shù)的準(zhǔn)確性。）如圖3.9所示，分別定義數(shù)據(jù)x,y。在這里先打開(kāi)的數(shù)據(jù)是LO3數(shù)據(jù)，其中x為閥門(mén)開(kāi)度，y為液位高度。圖3.9 設(shè)置所得數(shù)據(jù)量FIG.3.9 The resulting data set4.隨后在命令窗口輸入：ident，即打開(kāi)辨識(shí)工具箱。5.在打開(kāi)的辨識(shí)工具箱中，找到import data,點(diǎn)開(kāi)下滑菜單欄，選擇Time domain data，在緊接著彈出的import data 中的Workspace variable的input（輸入量）中填入x1(即之前設(shè)置的工作空間里的橫軸變量)，在output（輸出量）中填入y

40、1（即之前設(shè)置的工作空間里的縱軸變量），隨后點(diǎn)擊下面的import。如圖3.10所示:圖3.10 辨識(shí)工具箱的應(yīng)用FIG.3.10 Identification Toolbox application 6.接下來(lái)在Estimate中的Transfers Function Model中選擇預(yù)期的傳函格式，因?yàn)殡p容液位水箱的傳遞函數(shù)可能是一階傳函，也可能是二階傳函，所以在對(duì)比了兩種傳函的擬合曲線后，最后本文選定的雙容水箱格式為二階無(wú)零點(diǎn)，并在顯示圖像上打鉤（可以出現(xiàn)相應(yīng)的傳遞曲線。）如圖3.11所示，為一階傳遞函數(shù)和二階傳遞函數(shù)以及實(shí)際曲線的擬合圖，根據(jù)下圖可以很容易看出，下水箱辨識(shí)曲線圖更接近于

41、二階擬合曲線： 圖3.11 一階二階擬合曲線比較圖FIG.3.11 First-order second-order fitting curve comparison chart而且，相應(yīng)的擬合度在圖3.12中可見(jiàn)分別為68.61%和-1398%，故而可以認(rèn)定傳遞函數(shù)為二階傳遞函數(shù)。進(jìn)一步單獨(dú)對(duì)二階擬合曲線進(jìn)行求取，可得圖3.13和圖3.14結(jié)果：圖3.12 一階二階擬合曲線擬合度比較圖FIG.3.12 Fitting a second-order curve fit order comparison chart圖3.13下水箱二階傳遞函數(shù)FIG.3.13 Under second-order

42、 transfer function tank圖3.14 下水箱二階擬合曲線FIG.3.14 Under second-order curve fitting tank如圖3.13所示，粗實(shí)線為辨識(shí)曲線，細(xì)虛線為實(shí)際曲線，傳遞函數(shù)的最后結(jié)果為（下水箱傳遞函數(shù)），擬合度為68.61%。隨后根據(jù)以上，可求得上水箱傳遞函數(shù)，如圖3.15所示：圖3.15 上水箱一階二階三階擬合曲線對(duì)比圖FIG.3.15 First Order 2nd and 3rd order on the tank fitting curve comparison chart從上圖可以看出二階擬合曲線與原圖線最為接近，且一階二階三

43、階的擬合度比較如圖3.16所示：圖3.16一階二階三階擬合曲線擬合度對(duì)比圖FIG.3.16 First Order of 2nd and 3rd order fitting curve fitting comparison chart所以可以認(rèn)為上水箱傳遞函數(shù)為二階傳遞函數(shù)，傳遞函數(shù)的最后結(jié)果為：，擬合度為57.57%。傳遞函數(shù)如圖3.17所示：圖3.17 上水箱二階傳遞函數(shù)FIG.3.17 UP-Water tank second-order transfer function至此，上下水箱的傳遞函數(shù)都已經(jīng)辨識(shí)出來(lái)。 3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析在雙容水箱液位控制系統(tǒng)中，對(duì)系統(tǒng)本身的調(diào)節(jié)性能的分析，

44、一般可以從動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能兩方面來(lái)進(jìn)行結(jié)果分析。穩(wěn)定被認(rèn)為是控制系統(tǒng)能夠運(yùn)行的首要條件，所以只有當(dāng)動(dòng)態(tài)過(guò)程收斂時(shí)，研究系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能才有其實(shí)際意義。而為了研究系統(tǒng)本身動(dòng)態(tài)性能的好壞，一般情況下會(huì)使用階躍響應(yīng)來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)，因?yàn)殡A躍輸入對(duì)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是最嚴(yán)峻的工作狀態(tài)7，如果在階躍函數(shù)的作用下還能滿足對(duì)動(dòng)態(tài)性能的要求，那么系統(tǒng)在其他形式的函數(shù)作用下，其動(dòng)態(tài)性能可以滿足其他各種形式下的函數(shù)要求。除了動(dòng)態(tài)性能，在液位系統(tǒng)中，一般對(duì)穩(wěn)態(tài)性能的性能指標(biāo)指定為穩(wěn)態(tài)誤差。穩(wěn)態(tài)誤差是系統(tǒng)控制精度或者抗干擾能力的一種測(cè)量量。綜上所述，為了對(duì)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能進(jìn)行測(cè)試和評(píng)估，會(huì)先對(duì)控制系統(tǒng)施加階躍函數(shù)效果，即

45、改變給定值大小。在完成階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試后，會(huì)進(jìn)一步增加擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)，即改變穩(wěn)定狀態(tài)下的常開(kāi)閥門(mén)開(kāi)度，從而觀察其重新穩(wěn)定時(shí)間等各項(xiàng)參數(shù)，對(duì)比數(shù)據(jù)指標(biāo)，評(píng)估控制系統(tǒng)品質(zhì)。1.當(dāng)液位穩(wěn)定且在給定值附近上下波動(dòng)時(shí)（波動(dòng)極?。?，改變給定值數(shù)值，在實(shí)際效果上等同于階躍響應(yīng)，則上下水箱PID調(diào)節(jié)曲線圖如下圖3.18圖3.18 下水箱給定值階躍響應(yīng)后的PID調(diào)節(jié)曲線圖FIG.3.18 PID regulator graph under the tank setpoint step response after由圖3.18所示的下水箱給定值階躍響應(yīng)的PID調(diào)節(jié)曲線圖可得出以下數(shù)據(jù)：延遲時(shí)間：125S 上升時(shí)間：14

46、0S 超調(diào)量：0.5% 峰值時(shí)間：400S 調(diào)節(jié)時(shí)間：420S 穩(wěn)態(tài)誤差：0.2根據(jù)以上數(shù)據(jù)，基本可以認(rèn)為：下水箱液位控制系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間較快，阻尼系數(shù)較小，超調(diào)量符合標(biāo)準(zhǔn)，穩(wěn)態(tài)誤差很小。圖3.19 上水箱階躍響應(yīng)后的PID調(diào)節(jié)曲線圖FIG.3.19 PID regulator on the tank after the step response graph同上，上水箱也進(jìn)行階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)，如圖，虛線為上水箱給定液位值，實(shí)線為實(shí)際液位值，可得上水箱控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)：延遲時(shí)間：40S 上升時(shí)間：90S 超調(diào)量：0.87%峰值時(shí)間：130S 調(diào)節(jié)時(shí)間：160S 穩(wěn)態(tài)誤差：0.34根據(jù)以上數(shù)據(jù)，基本可以任務(wù)

47、：上水箱液位控制系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間較下水箱控制系統(tǒng)更快，但阻尼系數(shù)比之更大，超調(diào)量符合標(biāo)準(zhǔn)，穩(wěn)態(tài)誤差較小?？梢哉f(shuō)階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)下的液位控制系統(tǒng)總體來(lái)說(shuō)響應(yīng)時(shí)間較快，阻尼系數(shù)很小，超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)誤差都很小，基本實(shí)現(xiàn)預(yù)期效果。在雙容水箱液位穩(wěn)定之后，通過(guò)改變閥門(mén)開(kāi)度，對(duì)控制系統(tǒng)施加擾動(dòng)，以觀察其控制效果。圖3.20、圖3.21分別為上水箱、下水箱施加擾動(dòng)后的控制效果：圖3.20 下水箱擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)圖FIG.3.20 Under tanks disturbance experiment Figure下水箱控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)：延遲時(shí)間：120S 上升時(shí)間：200S 超調(diào)量：0.83%峰值時(shí)間：250S 調(diào)節(jié)時(shí)間：500S

48、 穩(wěn)態(tài)誤差：0.012根據(jù)數(shù)據(jù)所得：在調(diào)整了閥門(mén)開(kāi)度之后，系統(tǒng)本身超調(diào)與波動(dòng)都不大，但是調(diào)節(jié)時(shí)間較階躍響應(yīng)要長(zhǎng)一些，整體動(dòng)態(tài)性能基本達(dá)到預(yù)期，穩(wěn)態(tài)誤差較階躍要更小，說(shuō)明系統(tǒng)抗擾動(dòng)能力很強(qiáng)。圖3.21 上水箱擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)圖FIG.3.21 FIG perturbation experiments on water tank上水箱控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)：延遲時(shí)間：100S 上升時(shí)間：190S 超調(diào)量：0.67%峰值時(shí)間：270S 調(diào)節(jié)時(shí)間：600S 穩(wěn)態(tài)誤差：0.056根據(jù)數(shù)據(jù)所得：上水箱擾動(dòng)控制系統(tǒng)較下水箱的調(diào)節(jié)時(shí)間要略長(zhǎng)一些，但整體抗干擾能力類似，都算是很強(qiáng)，超調(diào)量也很小，基本保證了水箱液位的穩(wěn)定控制。在依

49、次進(jìn)行了階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)和擾動(dòng)響應(yīng)試驗(yàn)之后，可以得出以下結(jié)論：1.基于雙容水箱液位控制系統(tǒng)的PID控制控制效果顯著，控制速度較快，且穩(wěn)態(tài)誤差較小，動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能都達(dá)到了預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)。這說(shuō)明PID控制在液位控制系統(tǒng)中的應(yīng)用很成功，魯棒性好，應(yīng)用簡(jiǎn)單，操作方便。2.基于雙容水箱液位控制系統(tǒng)的PID控制的缺點(diǎn)主要在于遇到干擾時(shí)，雖然穩(wěn)態(tài)誤差很小，超調(diào)量也很小，但是調(diào)節(jié)時(shí)間較長(zhǎng)，而且上下水箱會(huì)出現(xiàn)相互影響的情況。這也說(shuō)明了在遇到突發(fā)狀況以及控制方案改變的時(shí)候，PID控制會(huì)出現(xiàn)調(diào)節(jié)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)且可能會(huì)難以滿足更為細(xì)致和嚴(yán)苛的控制目標(biāo)。3.4小結(jié)在這一章中，本文主要設(shè)計(jì)了PID串級(jí)控制方案，通過(guò)PLC編程，實(shí)現(xiàn)對(duì)

50、閥門(mén)開(kāi)度的控制，進(jìn)而對(duì)水箱液位實(shí)現(xiàn)了控制。在水箱穩(wěn)定之后，對(duì)其設(shè)定值進(jìn)行改變，從而得到階躍變化下的水箱數(shù)據(jù)，并將其傳入MATLAB中，使用辨識(shí)工具箱進(jìn)行分析后分別得出兩個(gè)水箱的傳遞函數(shù)。在完成了以上控制目標(biāo)之后，本文又進(jìn)行了對(duì)PID串級(jí)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能的實(shí)驗(yàn)，依次進(jìn)行了階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)和擾動(dòng)響應(yīng)實(shí)驗(yàn)，并得出了以下結(jié)論： 從現(xiàn)場(chǎng)傳出的控制圖像上看，PID控制實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，控制方便，魯棒性強(qiáng)，穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能都很好，可以說(shuō)PID控制基本符合控制預(yù)期，能夠?qū)崿F(xiàn)控制目標(biāo)。但是，從擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)的調(diào)節(jié)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)可以看出，當(dāng)控制目標(biāo)和突發(fā)狀況發(fā)生時(shí)，PID控制就可能會(huì)出現(xiàn)難以快速調(diào)節(jié)的情況，或者說(shuō)PID控制

51、對(duì)某些控制精度有著更高要求的工業(yè)流程時(shí)會(huì)出現(xiàn)一定偏差。- 27 -中國(guó)石油大學(xué)（北京）碩士學(xué)位論文第4章 基于PID的Matlab和模糊控制仿真4.1數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng) 本次試驗(yàn)的數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)是由集散控制系統(tǒng)（DCS）、組態(tài)王6.50版和MATLAB2012A版組成。其中DCS集散控制系統(tǒng)是以過(guò)程控制和過(guò)程監(jiān)控為組成，以通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶的控制系統(tǒng)。在本文中，選用的DCS硬件設(shè)備是西門(mén)子過(guò)程控制系統(tǒng)，軟件部分是西門(mén)子S7-200 PLC編程軟件。西門(mén)子過(guò)程控制系統(tǒng)是在一臺(tái)緊湊設(shè)計(jì)的工控機(jī)中整合了一個(gè)最優(yōu)秀過(guò)程控制系統(tǒng)(DCS)的所有組件，諸如可視化系統(tǒng)、工程師站、現(xiàn)場(chǎng)總線、基于SQL的歸檔系統(tǒng)以及集成的

52、硬件控制器?？刂葡到y(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)根據(jù)可靠性高和開(kāi)放性好的原則進(jìn)行選擇。DCS是本次設(shè)計(jì)的主要控制系統(tǒng)，而組態(tài)王則是一款開(kāi)發(fā)監(jiān)控的自動(dòng)化軟件，是一款將工業(yè)計(jì)算機(jī)軟硬件結(jié)合在一起的集成系統(tǒng)。通過(guò)組態(tài)王，可以建立自己的工業(yè)流程畫(huà)面，并設(shè)定需要監(jiān)控或者修改的變量，組態(tài)王最大的優(yōu)點(diǎn)就是可以更加直觀的看到數(shù)據(jù)的變化與趨勢(shì)。本文使用的組態(tài)王版本是6.5版本，即動(dòng)畫(huà)效果還不太完善的版本。因?yàn)楸疚淖罱K是通過(guò)MATLAB直接控制PLC程序模塊并間接控制雙容水箱液位控制系統(tǒng)（見(jiàn)第三章），所以組態(tài)王的人機(jī)畫(huà)面就只設(shè)計(jì)了監(jiān)控報(bào)警界面、動(dòng)畫(huà)連接界面、實(shí)時(shí)報(bào)表界面、實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線和歷史趨勢(shì)曲線。如圖4.1、圖4.2和圖4.3

53、所示：在使用了以上軟件之后，為了進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，本文就使用了MATLAB這一數(shù)學(xué)軟件。MATLAB是美國(guó)MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，主要用于算法開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語(yǔ)言和交互式環(huán)境。其主體部分包括MATLAB和Simulink兩大部分，本文主要使用的是simulink仿真部分，目標(biāo)通過(guò)simulink進(jìn)行先進(jìn)控制與PID控制的比較得出結(jié)論（將在第五章重點(diǎn)介紹）。本文使用的simulink版本為MATLAB2013b（用于仿真的版本）與MATLAB2012R a版本（用于控制PLC）。圖4.1 組態(tài)王界面FIG.4.1 Kingview interf

54、ace圖4.2 組態(tài)王控制主界面（已開(kāi)啟監(jiān)控）FIG.4.2 Kingview control of the main interface (monitor is turned on)圖4.3 組態(tài)王實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線FIG.4.3 Kingview real-time trend curve4.2基于 PID控制器的模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過(guò)第三章系統(tǒng)辨識(shí)的方法后，可以分別得出上下水箱的傳遞函數(shù)。整理手頭得到的數(shù)據(jù)，便可以使用simulink進(jìn)行仿真。根據(jù)第二章控制方案所得到的控制方框圖，可以建立simulink相應(yīng)的仿真圖。本次仿真將先對(duì)PID控制方案進(jìn)行仿真模擬，以驗(yàn)證得到的PID參數(shù)可以穩(wěn)定快速準(zhǔn)

55、確的控制液位。隨后將會(huì)根據(jù)之前編寫(xiě)的模糊規(guī)則制作模糊PID控制器，從而使用先進(jìn)控制進(jìn)一步對(duì)控制方案進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到控制目標(biāo)。4.2.1模糊控制器的編寫(xiě)在完成了PID控制方案之后，通過(guò)下幾章的具體實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)PID控制有效且平穩(wěn)，是很不錯(cuò)的方案。不過(guò)，為了加強(qiáng)控制效果，在PID控制的基礎(chǔ)上，增加了新的先進(jìn)控制方案，即模糊控制。模糊控制是應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)里的知識(shí)，對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)里變量過(guò)多、影響因素過(guò)多的現(xiàn)象進(jìn)行簡(jiǎn)化，通過(guò)模糊數(shù)學(xué)建立相應(yīng)的模糊規(guī)則，從而快速準(zhǔn)確的完成控制任務(wù)。本文通過(guò)MATLAB里的模糊工具箱來(lái)設(shè)定之前設(shè)置好的模糊規(guī)則，建立FIS格式的模糊文件，從而可以在之后的simulink仿真的時(shí)候進(jìn)行調(diào)用。本文設(shè)定的模糊規(guī)則是專門(mén)為PID控制器所編寫(xiě)的