水箱液位串級控制

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題目10水箱液位串級控制水箱液位串級控制（完整版）實用資料(可以直接使用，可編輯完整版實用資料，歡迎下載）一、課程設(shè)計主要任務(wù)及要求1、通過實驗了解水箱液位串級控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成與原理。2、掌握水箱液位串級控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定與投運方法。3、了解階躍擾動分別作用于副對象和主對象時對系統(tǒng)主控制量的影響。二、實驗設(shè)備1.THJ-FCS型高級過程控制系統(tǒng)實驗裝置。2.計算機(jī)及相關(guān)軟件。三、實驗原理本實驗為水箱液位的串級控制系統(tǒng),它是由主控、副控兩個回路組成。主控回路中的調(diào)節(jié)器稱主調(diào)節(jié)器,控制對象為中水箱,中水箱的液位為系統(tǒng)的主控制量。副控回路中的調(diào)節(jié)器稱副調(diào)節(jié)器,控制對象為上水箱,又稱副對象,上水箱的液位為系統(tǒng)的副控制量。主調(diào)節(jié)器的輸出作為副調(diào)節(jié)器的給定,因而副控回路是一個隨動控制系統(tǒng)。副調(diào)節(jié)器的的輸出直接驅(qū)動氣動調(diào)節(jié)閥,從而達(dá)到控制中水箱液位的目的。為了實現(xiàn)系統(tǒng)在階躍給定和階躍擾動作用下的無靜差控制,系統(tǒng)的主調(diào)節(jié)器應(yīng)為PI或PID控制。由于副控回路的輸出要求能快速、準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)主調(diào)節(jié)器輸出信號的變化規(guī)律,對副參數(shù)的動態(tài)性能和余差無特殊的要求,因而副調(diào)節(jié)器可采用P調(diào)節(jié)器。本實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和方框圖如圖5-2所示。圖5-2水箱液位串級控制系統(tǒng)(a結(jié)構(gòu)圖(b方框圖四、實驗控制系統(tǒng)流程圖本實驗控制系統(tǒng)流程圖如圖5-3所示。圖5-3實驗控制系統(tǒng)流程圖本實驗主要涉及三路信號,其中兩路是現(xiàn)場測量信號上水箱和中水箱液位,另外一路是控制閥門定位器的控制信號。上水箱和中水箱液位檢測信號LT1和LT2為標(biāo)準(zhǔn)的模擬信號,直接傳送到SIEMENS的模擬量輸入模塊SM331,SM331和分布式I/O模塊ET200M直接相連,ET200M掛接到PROFIBUS-DP總線上,PROFIBUS-DP總線上掛接有控制器CPU315-2DP(CPU315-2DP為PROFIBUS-DP總線上的DP主站,這樣就完成了現(xiàn)場測量信號到CPU的傳送。本實驗的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為帶PROFIBUS-PA通訊接口的閥門定位器,掛接在PROFIBUS-PA總線上,PROFIBUS-PA總線通過LINK和COUPLER組成的DP鏈路與PROFIBUS-DP總線交換數(shù)據(jù),PROFIBUS-DP總線上掛接有控制器CPU315-2DP,這樣控制器CPU315-2DP發(fā)出的控制信號就經(jīng)由PROFIBUS-DP總線到達(dá)PROFIBUS-PA總線來控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣動調(diào)節(jié)閥。五、實驗內(nèi)容與步驟本實驗選擇上水箱和中水箱串聯(lián)作為被控對象(也可選擇中水箱和下水箱。實驗之前先將儲水箱貯足水量,然后將閥門F1-1、F1-2、F1-6全開,將上水箱出水閥門F1-9、中水箱出水閥門F1-10開至適當(dāng)開度(要求閥F1-9稍大于閥F1-10,其余閥門均關(guān)閉。1、接通控制系統(tǒng)電源,打開用作上位監(jiān)控的的PC機(jī),進(jìn)入的實驗主界面2、在實驗主界面中選擇本實驗項即“水箱液位串級控制實驗”,系統(tǒng)進(jìn)入正常的測試狀態(tài),呈現(xiàn)的實驗界面如圖5-4所示。圖5-4實驗界面3、在上位機(jī)監(jiān)控界面中將輸出值設(shè)置為一個合適的值。4、合上三相電源空氣開關(guān),磁力驅(qū)動泵上電打水,適當(dāng)增加/減少主調(diào)節(jié)器的輸出量,使中水箱的液位平衡于設(shè)定值,且上水箱液位也穩(wěn)定于某一值(此值一般為3~5cm,以免超調(diào)過大,水箱斷流或溢流。5、整定調(diào)節(jié)器參數(shù),并按整定得到的參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)器設(shè)定。6、待液位穩(wěn)定于給定值時,將調(diào)節(jié)器切換到“自動”狀態(tài),待液位平衡后,通過以下幾種方式加干擾:(1突增(或突減設(shè)定值的大小,使其有一個正(或負(fù)階躍增量的變化;(2將閥F1-5、F1-12開至適當(dāng)開度(改變負(fù)載;(3將氣動調(diào)節(jié)閥的旁路閥F1-3或F1-4(同電磁閥開至適當(dāng)開度;以上幾種干擾均要求擾動量為控制量的5%~15%,干擾過大可能造成水箱中水溢出或系統(tǒng)不穩(wěn)定。加入干擾后,水箱的液位便離開原平衡狀態(tài),經(jīng)過一段調(diào)節(jié)時間后,水箱液位穩(wěn)定至新的設(shè)定值(后面兩種干擾方法仍穩(wěn)定在原設(shè)定值。記錄此時的設(shè)定值、輸出值和參數(shù),中水箱液位的響應(yīng)過程曲線將如圖5-5所示。圖5-5水箱液位的響應(yīng)過程曲線7、適量改變主、副控的PID參數(shù),重復(fù)步驟6,通過實驗界面下邊的切換按鈕,觀察計算機(jī)記錄不同參數(shù)時系統(tǒng)的響應(yīng)曲線。六、設(shè)計報告要求1、畫出水箱液位串級控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。2、用實驗方法確定調(diào)節(jié)器的相關(guān)參數(shù),并寫出整定過程。3、根據(jù)擾動分別作用于主、副對象時系統(tǒng)輸出的響應(yīng)曲線,分析系統(tǒng)在階躍擾動作用下的靜、動態(tài)性能。4、分析主、副調(diào)節(jié)器采用不同PID參數(shù)時對系統(tǒng)的性能產(chǎn)生的影響。二○一一～二○一二學(xué)年第一學(xué)期信息科學(xué)與工程學(xué)院自動化系課程設(shè)計報告書姓名：王芬學(xué)號：202101145036班級：自動化0805課程名稱：過程控制與集散系統(tǒng)課程設(shè)計指導(dǎo)教師：程磊2021年12月5日雙容水箱液位流量串級控制系統(tǒng)設(shè)計一、設(shè)計題目雙容水箱液位流量串級控制系統(tǒng)設(shè)計二、設(shè)計任務(wù)如圖1所示的兩個大容量水箱。要求水箱2水位穩(wěn)定在一定高度，水流量經(jīng)常波動，作為擾動量存在。試針對該雙容水箱系統(tǒng)設(shè)計一個液位流量串級控制方案。圖1系統(tǒng)示意圖三、設(shè)計任務(wù)分析系統(tǒng)建模基本方法有機(jī)理法建模和測試法建模兩種，機(jī)理法建模主要用于生產(chǎn)過程的機(jī)理已經(jīng)被人們充分掌握，并且可以比較確切的加以數(shù)學(xué)描述的情況；測試法建模是根據(jù)工業(yè)過程的實際情況對其輸入輸出進(jìn)行某些數(shù)學(xué)處理得到，測試法建模一般較機(jī)理法建模簡單，特別是在一些高階的工業(yè)生產(chǎn)對象。對于本設(shè)計而言，由于雙容水箱的數(shù)學(xué)模型已知，故采用機(jī)理法建模。在該液位控制系統(tǒng)中，建模參數(shù)如下：控制量：水流量Q；被控量：下水箱液位；主被控對象（水箱2水位）傳遞函數(shù)W1=1/(100s+1,副被控對象（流量）傳遞函數(shù)W2=1/(10s+1。檢測對象特性：Gm1（S）=1/（0.1S+1）（液位傳感器）；Gm2（S）=1/（0.1S+1）（流量傳感器）?？刂破鳎篜ID；執(zhí)行器：控制閥；干擾信號：在系統(tǒng)單位階躍給定下運行10s后，施加均值為0、方差為0.01的白噪聲。為保持水箱2液位的穩(wěn)定，設(shè)計中采用閉環(huán)系統(tǒng)，將水箱2液位信號經(jīng)水位檢測器送至控制器（PID），控制器將實際水位與設(shè)定值相比較，產(chǎn)生輸出信號作用于執(zhí)行器（控制閥），從而改變流量調(diào)節(jié)水位。當(dāng)對象是單水箱時，通過不斷調(diào)整PID參數(shù)，單閉環(huán)控制系統(tǒng)理論上可以達(dá)到比較好的效果，系統(tǒng)也將有較好的抗干擾能力。該設(shè)計對象屬于雙水箱系統(tǒng)，整個對象控制通道相對較長，如果采用單閉環(huán)控制系統(tǒng)，當(dāng)水箱2有干擾時，此干擾經(jīng)過控制通路傳遞到水箱2，會有很大的延遲，進(jìn)而是控制器響應(yīng)滯后，影響控制效果，在實際生產(chǎn)中，如果干擾頻繁出現(xiàn)，無論如何調(diào)整PID參數(shù)，都將無法得到滿意的效果?？紤]到串級控制可以使某些主要干擾提前被發(fā)現(xiàn)，及早控制，在內(nèi)環(huán)引入負(fù)反饋，檢測水箱1流量，將流量信號傳至副控制器，然后直接作用于控制閥，以此得到較好的控制效果。設(shè)計中，首先進(jìn)行單回路閉環(huán)系統(tǒng)的建模，系統(tǒng)框圖如下：雙容水箱單閉環(huán)實施方案圖如下圖在無干擾情況下，整定主控制器的PID參數(shù)，整定好參數(shù)后，分別改變P、I、D參數(shù)，觀察各參數(shù)的變化對系統(tǒng)性能的影響；然后加入干擾（白噪聲），比較有無干擾兩種情況下系統(tǒng)穩(wěn)定性的變化。然后，加入副回路、副控制器，在有無干擾的情況下，比較單回路控制、串級控制系統(tǒng)性能的變化，串級控制系統(tǒng)框圖如下：雙容水箱液位流量串級系統(tǒng)實施方案圖如圖四、設(shè)計內(nèi)容1）單回路PID控制的設(shè)計MATLAB仿真框圖如下（無干擾）：先對控制對象進(jìn)行PID參數(shù)整定，這里采用衰減曲線法，衰減比為10:1.A、將積分時間Ti調(diào)為最大值，即MATLAB中I參數(shù)為0，微分時間常數(shù)Td調(diào)為0，比例帶δ為較大值，即MATLAB中K為較小值。B、待系統(tǒng)穩(wěn)定后，做階躍響應(yīng)，系統(tǒng)衰減比為10:1時，階躍響應(yīng)如下圖：經(jīng)觀測，此時衰減比近似10:1，周期Ts=34s，K=40C、根據(jù)衰減曲線法整定計算公式，得到PID參數(shù)：K1=40*5/4=50，取50；Ti=1.2Ts=68s（注：MATLAB中I=1/Ti=0.01），Td=0.4Ts=27.2s使用以上PID整定參數(shù)得到階躍響應(yīng)曲線如下：觀察以上曲線可以初步看出，經(jīng)參數(shù)整定后，系統(tǒng)的性能有了很大的改善。現(xiàn)用控制變量法，分別改變P、I、D參數(shù)，觀察系統(tǒng)性能的變化，研究各調(diào)節(jié)器的作用。A、保持I、D參數(shù)為定值，改變P參數(shù)，階躍響應(yīng)曲線如下：比較不同P參數(shù)值下系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線可知，隨著K的增大，最大動態(tài)偏差增大，余差減小，衰減率減小，振蕩頻率增大。B、保持P、D參數(shù)為定值，改變I參數(shù)，階躍響應(yīng)曲線如下：比較不同I參數(shù)值下系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線可知，有I調(diào)節(jié)則無余差，而且隨著Ti的減小，最大動態(tài)偏差增大，衰減率減小，振蕩頻率增大。C、保持P、I參數(shù)為定值，改變D參數(shù)，階躍響應(yīng)曲線如下：比較不同D參數(shù)值下系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線可知，隨著D參數(shù)的增大，最大動態(tài)偏差減小，衰減率增大，震蕩頻率增大。現(xiàn)向控制系統(tǒng)中加入干擾，以檢測系統(tǒng)的抗干擾能力，系統(tǒng)的仿真框圖如下：階躍響應(yīng)曲線如下：觀察以上曲線，并與無干擾時的系統(tǒng)框圖比較可知，系統(tǒng)穩(wěn)定性下降較大，在干擾作用時，很難穩(wěn)定下來，出現(xiàn)了長時間的小幅震蕩，由此可見，單回路控制系統(tǒng)，在有干擾的情況下，很難保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性能，考慮串級控制。2）串級控制系統(tǒng)的設(shè)計主控制器的選擇：主被控變量（液位）是工藝操作的主要指標(biāo)，允許波動的范圍很小，一般要求無余差，所以主控制器應(yīng)選用PI控制規(guī)律副被控變量的設(shè)置是為了保證主被控變量的控制質(zhì)量，提高系統(tǒng)的反應(yīng)速度，提高控制質(zhì)量，可以允許在一定范圍內(nèi)變化，允許有一定的余差，因此副控制器可以采用P控制規(guī)律，因為主要為了提高響應(yīng)速度在工程實踐中，串及控制系統(tǒng)常用的整定的方法有以下三種:逐步逼近法，兩步整定法，一步整定法。本設(shè)計采用一步整定法一步整定法就是根據(jù)經(jīng)驗先確定副控制器的參數(shù)，然后將副回路作為主回路的一個環(huán)節(jié)，按單回路反饋控制系統(tǒng)的整定方法整定主調(diào)節(jié)器的參數(shù)，具體的方法是：（1）在工況穩(wěn)定，系統(tǒng)純?yōu)楸壤饔玫那闆r下，根據(jù)K02/δ2=0.5這一關(guān)系式，通過副過程放大系數(shù)K02，求取副調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù)δ2或按經(jīng)驗選取，并將其設(shè)置在副回路調(diào)節(jié)器上。（2）按照單回路控制系統(tǒng)的任一種參數(shù)整定方法來整定主調(diào)節(jié)器的參數(shù)，（3）改變給定值，觀察被控量的相應(yīng)曲線，根據(jù)主調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)K1和副調(diào)節(jié)器放大系數(shù)K2匹配原理，適當(dāng)調(diào)整調(diào)節(jié)器的參數(shù)，使主參數(shù)品質(zhì)最佳。（4）如果出現(xiàn)較大的振蕩現(xiàn)象，只要加大主調(diào)節(jié)器的比例度δ或增大積分時間常數(shù)T1，就可得到改善對于該溫度串級控制系統(tǒng)，在一定范圍內(nèi)，主、副控制器的增益可以相互匹配，根據(jù)下表，可以大致確定副控制器比例帶和增益Kc2根據(jù)題目要求先選擇Kc2=3.5然后在副回路已經(jīng)閉合的情況下按單回路控制器參數(shù)整定方法整定主控制器，本方案采用10：1衰減曲線法整定，衰減曲線法是在閉環(huán)系統(tǒng)中，先把調(diào)節(jié)器設(shè)置為純比例作用，然后把比例度由大逐漸減小，加階躍擾動觀察輸出響應(yīng)衰減過程，直道10：1衰減過程為止，這是的比例度為10：1衰減比例度用δs表示，相鄰兩波峰間的距離稱為10：1衰減周期TS，根據(jù)δs和TS，再由下表的經(jīng)驗公式，就可計算出調(diào)節(jié)器的預(yù)整定的參數(shù)值系統(tǒng)的MATLAB仿真框圖如下（有噪聲）：當(dāng)無噪聲時，系統(tǒng)的階躍響應(yīng)如下圖所示：比較單回路控制系統(tǒng)無干擾階躍響應(yīng)可知，串級控制降低了最大偏差，減小了振蕩頻率，大大縮短了調(diào)節(jié)時間?，F(xiàn)向系統(tǒng)中加入噪聲，觀察不同P、I條件下的系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線：P=20I=1P=45I=2觀察以上曲線可知，當(dāng)副回路控制器，調(diào)節(jié)時間都有所縮短，系統(tǒng)快速性增強(qiáng)了，在干擾作用下，系統(tǒng)穩(wěn)定性更高，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，最大偏差更小。可以取得令人滿意的控制效果。五、設(shè)計總結(jié)通過本次設(shè)計，學(xué)會了系統(tǒng)建模的一般步驟，掌握了分析簡單系統(tǒng)特性的一般方法，并對系統(tǒng)中的控制器、執(zhí)行器、控制對象等各個部分有了更加直觀的認(rèn)識。基本掌握了簡單系統(tǒng)模型的PID參數(shù)整定方法，對PID調(diào)節(jié)器中的P、I、D各個參數(shù)的功能、特性有了更加深刻的認(rèn)識，通過實驗驗證的方式，很多內(nèi)容印象非常深刻。通過仿真驗證了串級控制對干擾的強(qiáng)烈抑制能力，仿真過程中也熟悉了控制系統(tǒng)中MATLAB仿真的基本方法，相信對以后的學(xué)習(xí)會有所幫助。從設(shè)計內(nèi)容來講，或許學(xué)習(xí)的僅僅是過程控制，學(xué)習(xí)的僅僅是MATLAB的操作，但設(shè)計過程中，從設(shè)計思想，到研究方法，再到結(jié)論總結(jié)都培養(yǎng)了自己的學(xué)習(xí)研究能力，這也許更重要。再有，之前學(xué)習(xí)的都是課本知識，只是學(xué)習(xí)給你一個系統(tǒng)然后怎么分析，而課程設(shè)計則是一個綜合過程，需要分析系統(tǒng)性能要求，同時也要考慮實際實現(xiàn)過程，在做的過程中我就遇到了疑惑，就是在副回路的取哪的流量構(gòu)成閉環(huán)，不知是在水箱1,2間還是在水箱1之前的管道取流量，為此我問了兩個老師，才終于知道了，就算我們分析系統(tǒng)時還有一定的能力，可是動手能力還是比較欠缺的。現(xiàn)在就快要參加工作了，那就是實干，所以通過本次課程設(shè)計，讓我對之前學(xué)的知識能運用到實際工作中，雖然遇到了問題，但通過老師的幫助還是解決了，這是比較好的學(xué)習(xí)過程。內(nèi)蒙古科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）題目：水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計學(xué)生姓名：吳云鵬學(xué)號：專業(yè)：測控技術(shù)與儀器班級：測控指導(dǎo)教師：李20216711223108-2班剛助教水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計摘要液位是工業(yè)工程中的常見變量，在各種過程控制中的應(yīng)用越來越廣泛。例如在食品加工、溶液過濾、化工生產(chǎn)等多種行業(yè)的生產(chǎn)加工過程中，通常需要使用蓄液池，而蓄液池中的液位需要維持一定的高度，既不能太滿溢出造成危險，也不能過少而無法滿足生產(chǎn)需求。因此液位高度是工業(yè)控制過程中一個重要的參數(shù)，特別是在動態(tài)的狀態(tài)下，采用合適的方法對液位進(jìn)行檢測、控制，能收到很好的效果。本文以實驗室自制的雙容水箱作為液位控制研究對象，通過上位機(jī)、研華的PCI-1710L板卡、電動調(diào)節(jié)閥、壓力液位變送器組成的控制系統(tǒng)和壓力液位變送器、變頻器、水泵組成的控制系統(tǒng)分別實現(xiàn)了單容水箱的遠(yuǎn)程控制和就地控制，并在文章最后理論性的闡述了雙容水箱的控制方法。設(shè)計中以組態(tài)軟件--組態(tài)王為開發(fā)工具，開發(fā)了系統(tǒng)的監(jiān)視與控制界面，并且自己編程實現(xiàn)PID控制程序，使系統(tǒng)具備了對現(xiàn)場過程數(shù)據(jù)的動態(tài)監(jiān)視功能、歷史數(shù)據(jù)的歸檔功能、異常信號的報警功能以及現(xiàn)場操作的指導(dǎo)功能。關(guān)鍵詞：水箱液位；PID控制；組態(tài)王；變頻器；ThedesignofthetanklevelcontrolsystemAbstractTheliquidlevelisoneofthecommonvariablesinIndustrialEngineering,theprocesscontrolismoreandmorewidelyused.Forexample,intheproductionprocessoffoodprocessing,filteringsolution,chemicalproductionandotherindustries,liquidstoragetankisusuallyused,andmakingtheliquidlevelofliquidstoragetankatacertainheightisveryimportant,neithertoooverflowtorisknortooshortnottomeettheproductiondemand.Therefore,theheightofliquidlevelintheindustrialcontrolprocessisoneoftheimportantparameters,especiallyinthedynamiccondition.Ifadopttheappropriatemethodforthecontroloftheliquidleveldetection,wecangetgoodeffect.Theresearchobjectisbasedontheself-madedoubletanklevelcontrolsystem,throughthehostcomputer,theAdvantechPCI-1710Lcard,theelectriccontrolvalve,thepressureliquidleveltransmitter,thefrequencyconverterandthewaterpumpwegettwodifferentkindsofthecascadecontrolsystemforthesinglewatertankoftheliquidlevelcontrol,respectivelyrealizedtheeffectoftheremotecontrolandlocalcontrol.Andatlast,thisarticleexpoundsthetheoryofdoublewatertankcontrolmethod.Choosethedesignofconfigurationsoftware–Kingviewfordevelopmenttools,wehavehadthedevelopmentofthesystemtomonitorandcontrolinterface,andalsohaveprogrammedPIDcontrolproceduresthatmadethesystemhasafieldprocessdata,dynamicmonitoringhistoricaldataarchivingfunction,abnormalsignalofthealarmfunctionandtheguidancefunctionoftheon-siteoperation.Keywords:Tanklevel;PIDcontrol;Kingview;Frequencyconverter;目錄摘要.................................................................................................................................IAbstract..........................................................................................................................II第一章緒論..................................................................................................................11.1選題背景及意義..............................................................................................11.2液位控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀.............................................................................21.3本文的主要工作.............................................................................................3第二章控制對象及算法簡介......................................................................................52.1被控制變量的選擇..........................................................................................52.2執(zhí)行器的選擇.................................................................................................52.3壓力液位變送器的選擇.................................................................................52.4研華板卡PCI-1710L簡介...............................................................................62.4.1模擬量輸入連接....................................................................................82.5PID控制算法概述............................................................................................92.5.1PID控制器的應(yīng)用與發(fā)展......................................................................92.5.2PID算法類型[1].....................................................................................102.5.3PID兩種控制方式................................................................................11第三章基于組態(tài)王的單容水箱液位控制系統(tǒng)........................................................133.1組態(tài)王簡介[8].................................................................................................133.1.1組態(tài)王軟件的組成..............................................................................133.1.2制作工程的一般步驟.........................................................................143.1.3組態(tài)王與外部設(shè)備通信.....................................................................143.2控制方案選取................................................................................................153.3上位機(jī)組態(tài)軟件的開發(fā)...............................................................................163.3.1監(jiān)控畫面..............................................................................................163.3.2構(gòu)造數(shù)據(jù)庫..........................................................................................173.3.3數(shù)據(jù)通信..............................................................................................193.3.4命令語言的編寫.................................................................................203.3.5實時曲線.............................................................................................213.3.6歷史報警查詢[11].................................................................................213.3.7歷史曲線.............................................................................................233.4參數(shù)整定.......................................................................................................25第四章基于變頻器的單容液位控制系統(tǒng)................................................................264.1變頻調(diào)速基礎(chǔ)...............................................................................................264.2三菱通用變頻器FR-D700簡要介紹...........................................................274.2.1FR-D700簡介.....................................................................................274.2.2三菱變頻器FR-D740-1.5K-CHT常規(guī)介紹......................................284.2.3控制電路接線端極端子功能介紹.....................................................294.2.4操作面板及其功能介紹....................................................................314.3變頻器的作用...............................................................................................314.4控制系統(tǒng)調(diào)試...............................................................................................324.4.1操作步驟............................................................................................334.4.2參數(shù)整定............................................................................................33第五章雙容水箱液位控制系統(tǒng)................................................................................355.1串級控制........................................................................................................355.1.1串級控制概念....................................................................................355.1.2水箱液位控制方法............................................................................365.1.4串級控制的特點................................................................................365.2串級控制系統(tǒng)的設(shè)計...................................................................................365.2.1變量的選擇........................................................................................365.2.2主副控制器的控制規(guī)律.....................................................................375.2.3主副控制器正反作用的選擇............................................................375.3串級控制系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用............................................................................385.4本章小結(jié).......................................................................................................38總結(jié)..............................................................................................................................39參考文獻(xiàn)......................................................................................................................40附錄..............................................................................................................................41致謝..............................................................................................................................43第一章緒論1.1選題背景及意義液位是工業(yè)生產(chǎn)過程控制中很重要的被控變量。工業(yè)生產(chǎn)中的潤滑油、冷卻水、調(diào)速油、油質(zhì)加工、液態(tài)燃料供應(yīng)、廢油凈化、溶液加工與傳輸?shù)葓龊?，常需對容器中液位進(jìn)行有效可靠的控制，否則將不能使液體循環(huán)系統(tǒng)乃至整個機(jī)組正常運行。另外，在這些生產(chǎn)領(lǐng)域里，極容易出現(xiàn)操作失誤，引起事故，造成廠家的損失?？梢姡趯嶋H生產(chǎn)中，液位控制的準(zhǔn)確程度和控制效果直接影響工廠的生產(chǎn)成本、經(jīng)濟(jì)效益甚至設(shè)備的安全系數(shù)。所以，為了保證安全、方便操作，就必須研究開發(fā)先進(jìn)的液位控制方法和策略。工業(yè)生產(chǎn)過程中的液位系統(tǒng)通常是時變的，具有明顯的滯后特性。在熱工生產(chǎn)與傳輸質(zhì)量或能量的過程中，存在著各種形式的容積和阻力，加上對象多具有分布參數(shù)，好像被不同的阻力和容積相互分隔著一樣。生產(chǎn)實際中的被控對象往往是由多個容積和阻力構(gòu)成的多容對象。兩個串連的單容對象構(gòu)成的雙容對象就比較典型。人們生活以及工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)常涉及到液位的控制問題，因此液位是工業(yè)控制過程中一個重要的參數(shù)。液位控制系統(tǒng)一般指工業(yè)生產(chǎn)過程中自動控制系統(tǒng)的被控變量為液位的系統(tǒng)。在生產(chǎn)過程中，需要對液位的相關(guān)變量進(jìn)行控制，使其保持為一定值或按一定規(guī)律變化，以保證生產(chǎn)的質(zhì)量和安全。液位的變化不但受到過程控制過程中內(nèi)部干擾的影響，也受到外部的各種干擾的影響，而且影響液位變化的干擾一般不止一個，在過程控制中的作用也不同，這就增加了對變量進(jìn)行控制的復(fù)雜性，因此形成了過程控制的下列特點[3]：1對象存在滯后熱工生產(chǎn)大多是在龐大的生產(chǎn)設(shè)備內(nèi)進(jìn)行，對象的儲存能力大，慣性也較大，設(shè)備內(nèi)介質(zhì)的流動或熱量傳遞都存在一定的阻力，并且往往具有自動轉(zhuǎn)向平衡的趨勢。因此，當(dāng)流入(流出對象的質(zhì)量或能量發(fā)生變化時，由于存在容量、慣性、阻力，被控參數(shù)不可能立即產(chǎn)生響應(yīng)，這種現(xiàn)象叫做滯后。2對象特性的非線性對象特性大多是隨負(fù)荷變化而變化，當(dāng)負(fù)荷改變時，動態(tài)特性有明顯的不同。大多數(shù)生產(chǎn)過程都具有非線性，弄清非線性產(chǎn)生的原因及非線性的實質(zhì)是極為重要的。3控制系統(tǒng)較復(fù)雜從生產(chǎn)安全方面考慮，生產(chǎn)設(shè)備的設(shè)計都力求使生產(chǎn)過程平穩(wěn)，參數(shù)變化超出極限范圍，也不會產(chǎn)生振蕩，作為被控對象就具有非振蕩環(huán)節(jié)的特性。過程的穩(wěn)定被破壞后，往往具有自動趨向平衡的能力，即被控量發(fā)生變化時，對象本身能使被控量逐漸穩(wěn)定下來，這就具有慣性環(huán)節(jié)的特性。也有不能趨向平衡，被控量一直變化而不能穩(wěn)定下來的，這就是具有積分的對象。任何生產(chǎn)過程被控制的參數(shù)都不是一個，這些參數(shù)又各具有不同的特性，因此要針對這些不同的特性設(shè)計相應(yīng)不同的控制系統(tǒng)，而對水箱的液位的研究為以后過程控制方面的其他變量的研究打下了結(jié)實的基礎(chǔ)。1.2液位控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀目前在實際生產(chǎn)中應(yīng)用的液位控制系統(tǒng)，主要以傳統(tǒng)的PID控制算法為主。PID控制是以對象的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)的一種控制方式。對于簡單的線性、時不變系統(tǒng)，采用PID控制能夠取得滿意的控制效果。但對于復(fù)雜的大型系統(tǒng)，其數(shù)學(xué)模型往往難以獲得，通過簡化、近似等手段獲得的數(shù)學(xué)模型不能正確地反映實際系統(tǒng)的特性。對于此類問題，傳統(tǒng)的PID控制方式顯得無能為力。液位控制由于其應(yīng)用極其普遍，種類繁多，其中不乏一些大型的復(fù)雜系統(tǒng)。但由于其時滯性很大、具有時變性和非線性等因素，嚴(yán)重影響PID控制的效果，目前，已經(jīng)開發(fā)出來的控制策略很多，但其中許多算法仍然只是停留在計算機(jī)仿真或?qū)嶒炑b置的驗證上，真正能有效地應(yīng)用在工業(yè)過程中的并有發(fā)展?jié)摿Φ娜詾閿?shù)不多。隨著生產(chǎn)水平和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代控制系統(tǒng)的控制的規(guī)模日趨大型化，復(fù)雜化，對設(shè)備和被控系統(tǒng)的安全性、可靠性、有效性的要求也越來越高，為了確保工業(yè)生產(chǎn)過程能夠高效，安全的進(jìn)行，同時提高產(chǎn)品的質(zhì)量，對生產(chǎn)過程進(jìn)行在線監(jiān)測，及時準(zhǔn)確地把握生產(chǎn)運行狀況，已成為目前過程控制領(lǐng)域的一個研究熱點。近幾十年來，液位控制系統(tǒng)已被廣泛使用，在其研究和發(fā)展上也已趨于完備。在輕工行業(yè)中，液位控制的應(yīng)用非常普遍，從簡單的浮球液位開關(guān)、非接觸式的超聲波液位檢測到高精度的同位素液位檢測系統(tǒng)，他們都無時無刻在為液位控制服務(wù)。而控制的概念更是應(yīng)用到周圍的許多的事物上，并且液位控制系統(tǒng)已是一般工業(yè)界所不可缺少的部分，如蓄水池，污水處理場等都需要液位控制系統(tǒng)的參與。如果能通過一定的系統(tǒng)來自動維持液位的高度，那么操作人員便可輕易地在操作時獲知這個設(shè)備的儲水狀況，這樣不但降低了工作人員工作的危險性，同時更也提升了工作的效率。液位控制系統(tǒng)在國內(nèi)各行各業(yè)的應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛，但國內(nèi)生產(chǎn)的液位控制器同國外的日本、美國、德國等先進(jìn)國家相比，仍然有差距。目前，我國液位控制主要以常規(guī)的PID控制器為主，它只能適應(yīng)一般系統(tǒng)控制，難于實現(xiàn)對滯后、復(fù)雜、時變系統(tǒng)的控制。而適應(yīng)于較高控制場合的智能化、自適應(yīng)控制儀表，國內(nèi)技術(shù)還不十分成熟，形成商品化并廣泛應(yīng)用的控制儀表較少。由于工業(yè)過程控制的需要，特別是在微電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展以及自動控制理論和設(shè)計方法發(fā)展的推動下，國外液位控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，并在智能化、自適應(yīng)、參數(shù)自整定等方面取得成果，在這方面，以日本、美國、德國、瑞典等國技術(shù)領(lǐng)先，都生產(chǎn)出了一批商品化的、性能優(yōu)異的液位控制器及儀器儀表，并在各行業(yè)廣泛應(yīng)用。1.3本文的主要工作第一章緒論，主要介紹選題背景，液位控制的研究現(xiàn)狀，液位控制的主要控制策略，國內(nèi)外的發(fā)展形勢，并總結(jié)了國內(nèi)外在液位控制方面目前比較先進(jìn)的技術(shù)與儀器以及他們的原理，為接下來液位控制系統(tǒng)的設(shè)計打下良好的基礎(chǔ)。第二章根據(jù)設(shè)計要求我們對控制參數(shù)以及控制算法進(jìn)行分析，并對所需硬件進(jìn)行選型，使液位控制達(dá)到最佳的效果。第三章針對單容水箱液位控制系統(tǒng)，對其在組態(tài)王中的開發(fā)進(jìn)行介紹，開發(fā)了系統(tǒng)總體監(jiān)控系統(tǒng)，設(shè)計開發(fā)了單容水箱的系統(tǒng)的總監(jiān)控界面，定義了外部變量，用于和研華板卡PCI—1710模塊的輸入輸出部分對應(yīng)，來實時顯示液位值的大小，建立的動畫連接，編寫了自動控制程序，實現(xiàn)了單容水箱控制系統(tǒng)的自動控制，并且實現(xiàn)了液位值實時曲線歷史曲線和歷史數(shù)據(jù)的實時報警歷時報警的顯示。第四章針對單容水箱液位控制系統(tǒng)，對其在變頻器中的開發(fā)進(jìn)行了介紹，監(jiān)控界面可以用第二章已經(jīng)設(shè)計好的，本設(shè)計應(yīng)用的是日本三菱公司的D700系列的變頻器，通過在變頻器中設(shè)置PID參數(shù)以及控制目標(biāo)值等參數(shù)最終實現(xiàn)對單容水箱的液位實現(xiàn)穩(wěn)定控制。第五章主要針對雙容水箱液位控制系統(tǒng)的特點，對各種經(jīng)典控制進(jìn)行比較。在本文中，液位控制系統(tǒng)中的水箱為控制對象，液位為控制量。為了使液位的控制達(dá)到一定的精度，并且具有較好的動態(tài)性能，采用了區(qū)別于傳統(tǒng)控制方式的串級控制。這樣使控制系統(tǒng)能夠達(dá)到更好的控制要求，提高了系統(tǒng)的控制性能。第二章控制對象及算法簡介2.1被控制變量的選擇被控變量的選擇是控制系統(tǒng)的核心問題，被控變量選擇的正確與否會直接關(guān)系到生產(chǎn)的穩(wěn)定性、產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量的提高以及生產(chǎn)安全與勞動條件的改善。對于任何一個控制系統(tǒng)，如果被控變量選擇不當(dāng)，即便配備再好的自動化儀表，使用再復(fù)雜、先進(jìn)的控制規(guī)律也不能達(dá)到預(yù)期的控制效果。對于水箱液位控制系統(tǒng)，可直接選擇液位作為其被控變量。2.2執(zhí)行器的選擇執(zhí)行器在控制系統(tǒng)中起著控制動作執(zhí)行的作用?？刂葡到y(tǒng)的控制效果與執(zhí)行器的性能有著十分密切的關(guān)系。執(zhí)行器接收控制信號并通過改變本身閥門得開度最終實現(xiàn)對操縱變量的改變，從而使被控變量更加接近設(shè)定值。[2]本設(shè)計采用的是北京市樂維機(jī)電設(shè)備有限公的ML7420A，其特點為：安裝方便快速、無需連桿、標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)管式接線連接、無需調(diào)整、閥門定位準(zhǔn)確、低功耗、高的關(guān)斷壓力、終端推力限位開關(guān)、0～10Vdc或2～10Vdc信號輸入、帶位置反饋信號輸出、正反作用可選、同步馬達(dá)、防腐設(shè)計、免維護(hù)。圖2.1電動調(diào)節(jié)閥2.3壓力液位變送器的選擇傳感器是一種以一定精度把被測量轉(zhuǎn)換為與之有確定關(guān)系、便于應(yīng)用的某種物理量的測量裝置，其一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、轉(zhuǎn)換電路組成。傳感器的精度直接影響到系統(tǒng)的控制效果，所以應(yīng)根據(jù)不同的系統(tǒng)選擇最合適的傳感器是必要的[9]。本設(shè)計選用的是由北京昆侖海岸傳感技術(shù)中心研制生產(chǎn)的JYB-K型號的壓力液位變送器，其主要技術(shù)參數(shù)如下：1）輸出形式：4～20mADC、0～5VDC2）供電電源：24VDC（±10%）、12VDC3）準(zhǔn)確度：±0.5％FS、±0.25％FS4）介質(zhì)溫度：－20～70℃5）環(huán)境溫度：－10～60℃6）響應(yīng)時間：<=100mS7）負(fù)載能力：電流型<=600Ω（不帶顯示），<=300Ω（帶顯示）；電壓型>=3KΩ8）可重復(fù)性：<=±0.1％FS9）長期穩(wěn)定性：<=±0.1％FS/年10非線性：<=0.2％FS11熱力零點溫漂：<=0.03％FS/℃12）過載壓力：2倍量程13）電氣連接：電纜連接14）測量介質(zhì)：油、水、氣體及其他與316不銹鋼兼容介質(zhì)實驗室中采用端子型二線制電流輸出接線方式，其具體方式如圖2.2所示：圖2.2端子型二線制接法2.4研華板卡PCI-1710L簡介研華（中國）公司生產(chǎn)的PCI-1710L多功能數(shù)據(jù)采集卡是一款功能強(qiáng)大的低成本多功能PCI總線數(shù)據(jù)采集卡。用PCI-1710L板卡構(gòu)成的控制系統(tǒng)框圖如圖2.3所示。使用時用PCL-10168電纜將PCI-1710L板卡與ADAM-3968接線端子板連接，這樣PCL-10168的68個針腳和ADAM-3968的68個接線端子一一對應(yīng)。[7]圖2.3基于PCI-1710L板卡的控制系統(tǒng)框圖接線端子板各端子的位置及功能如圖2.4所示，信號描述如表2-1所示。圖2.4ADAM-3968接線端子板信號端子位置及功能2.4.1模擬量輸入連接PCI-1710L卡既支持16路單端模擬量輸入，又支持8路差分模擬量輸入。輸入通道的配置可通過軟件進(jìn)行選擇，這種方式比通過卡上的跳線選擇配置更為簡便。在過去，如果通過開關(guān)將一個通道設(shè)置為單端輸入，則其它通道也需設(shè)置為單端。但是PCI-1710L卡與之不同—即使通過軟件將一個通道設(shè)置為單端輸入，其它通道也可保留原有配置。單端輸入配置只為每個通道提供1根信號線，且被測量的電壓以公共地為參考。沒有接地端的信號源稱為“浮動信號源”。將單端通道連接至浮動信號源尤為簡單。在這種模式下，PCI-1710L板卡為外部浮動信號源提供一個參考地。如下圖2.5所示。圖2.5單端輸入通道連接2.5PID控制算法概述2.5.1PID控制器的應(yīng)用與發(fā)展在過去的幾十年里，控制器在工業(yè)控制中得到了廣泛應(yīng)用。在控制理論和技術(shù)飛速發(fā)展的今天，工業(yè)過程控制中95%以上的控制回路都具有PID結(jié)構(gòu)，并且許多高級控制都是以PID控制為基礎(chǔ)的。今天所熟知的控制器產(chǎn)生并發(fā)展于1915-1940年期間。盡管自1940年以來，許多先進(jìn)控制方法不斷推出，但PID控制器以其結(jié)構(gòu)簡單，對模型誤差具有魯棒性及易于操作等優(yōu)點，仍被廣泛應(yīng)用于冶金、化工、電力、輕工和機(jī)械等工業(yè)過程控制中。PID控制器作為最早實用化的控制器已有70多年歷史，它的算法簡單易懂、使用中參數(shù)容易整定，也正是由于這些優(yōu)點，PID控制器現(xiàn)在仍然是應(yīng)用最廣泛的工業(yè)控制器。PID的發(fā)展過程，很大程度上是它的參數(shù)整定方法和參數(shù)自適應(yīng)方法的研究過程。最早的參數(shù)工程整定方法是在1942年由Ziegler和Niehols提出的簡稱為Z-N的整定公式，盡管時間已經(jīng)過去半個世紀(jì)了，但至今還在工業(yè)控制中普遍應(yīng)用。1953年Cohen和Coon繼承和發(fā)展了Z-N公式，同時也提出了一種考慮被控過程時滯大小的Cohen-Coon整定公式。自Ziegler和Nichols提出參數(shù)整定方法起，有許多技術(shù)已經(jīng)被用于PID控制器的手動和自動整定。按照發(fā)展階段劃分，可分為常規(guī)PID參數(shù)整定方法及智能PID參數(shù)整定方法：按照被控對象個數(shù)來劃分，可分為單變量PID參數(shù)整定方法及多變量PID參數(shù)整定方法，前者包括現(xiàn)有大多數(shù)整定方法，后者是最近研究的熱點及難點：按控制量的組合形式來劃分，可分為線性PID參數(shù)整定方法及非線性PID參數(shù)整定方法，前者用于經(jīng)典PID調(diào)節(jié)器，后者用于由非線性跟蹤微分器和非線性組合方式生成的非線性PID控制器。液面高度是工業(yè)控制過程中一個重要的參數(shù)，特別是在動態(tài)的狀態(tài)下，采用適合的方法對液位進(jìn)行檢測、控制，能收到很好的效果。液位控制是工業(yè)生產(chǎn)中典型的過程控制問題，對液位準(zhǔn)確的測量和有效的控制是一些設(shè)備優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗和安全生產(chǎn)的重要指標(biāo)。由于它便于直接觀察、容易測量、獲取方便、過程時間常數(shù)一般比較小、價格低廉等特點，所以被廣泛應(yīng)用于工業(yè)測量。在工業(yè)過程控制系統(tǒng)中，目前采用最多的控制方式依然是PID控制。即使在美國、日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國家，PID控制的使用率仍達(dá)90%，可見PID控制在工業(yè)過程控制中占有異常重要的地位。PID控制技術(shù)經(jīng)歷了數(shù)十年的發(fā)展，從模擬PID控制發(fā)展到數(shù)字PID控制，技術(shù)不斷完善與成熟。尤其近十多年來，隨著微處理技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外對智能控制的理論研究和應(yīng)用研究十分活躍，智能控制技術(shù)發(fā)展迅速，如專家控制、自適應(yīng)控制、模糊控制等，現(xiàn)己成為工業(yè)過程控制的重要組成部分。由于液體本身的屬性及控制機(jī)構(gòu)的摩擦、噪聲等的影響，控制對具有一定的純滯后和容量滯后的特點，液位上升的過程緩慢，呈非線性。因此液位控制裝置的可靠性與控制方案的準(zhǔn)確性是影響整個系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。本課題針對液位控制設(shè)計了一個由壓力傳感器、PLC、電動調(diào)節(jié)閥等組成的系統(tǒng)，并采用了增量式PID算法對其控制。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在液位控制方面有很多不同的方法，而計算機(jī)控制技術(shù)在過程控制中占有十分重要的地位。2.5.2PID算法類型[1]PID(ProportionalIntegralDerivative調(diào)節(jié)是連續(xù)控制系統(tǒng)中應(yīng)用最多的一種控制調(diào)節(jié)規(guī)律。其本身根據(jù)控制對象的動態(tài)特性，按需要可以分解成P、PI、PD調(diào)節(jié)模塊，而且多數(shù)復(fù)雜控制(如串級調(diào)節(jié)，比值控制中均采用了PID控制規(guī)律。生產(chǎn)實際證明，PID控制能滿足絕大多數(shù)工業(yè)過程被控對象的控制要求，至今仍然是一種最基本的控制方法。比例控制：就是對偏差進(jìn)行控制，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即就發(fā)生作用即調(diào)節(jié)控制輸出，使被控量朝著減小偏差的方向變化，偏差減小的速度取決于比例系數(shù)Kp，Kp越大偏差減小的越快，但是很容易引起振蕩，尤其是在遲滯環(huán)節(jié)比較大的情況下；Kp減小，發(fā)生振蕩的可能性減小但是調(diào)節(jié)速度變慢。比例調(diào)節(jié)的優(yōu)點是調(diào)節(jié)及時，反應(yīng)靈敏，當(dāng)偏差一旦出現(xiàn)，就能及時產(chǎn)生與之成比例的調(diào)節(jié)作用，偏差越大，調(diào)節(jié)作用越強(qiáng)，但單純的比例控制存在靜差不能被消除的缺點，因此就需要積分控制。積分控制：實質(zhì)上就是對偏差累積進(jìn)行控制，直至偏差為零。積分控制作用始終施加指向給定值的作用力，有利于消除靜差，其效果不僅與偏差大小有關(guān)，而且還與偏差持續(xù)的時間有關(guān)。簡單來說就是把偏差積累起來，一起算總帳。微分控制：它能敏感出誤差的變化趨勢，可在誤差信號出現(xiàn)之前就起到修正誤差的作用，有利于提高輸出響應(yīng)的快速性，減小被控量的超調(diào)，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但微分作用很容易放大高頻噪聲，降低系統(tǒng)的信噪比，從而使系統(tǒng)抑制干擾的能力下降。因此，在實際應(yīng)用中，應(yīng)慎用微分控制。2.5.3PID兩種控制方式1）位置型控制?Tu(n=KP?e(n+TI?∑e(i+i=0n?TD[e(n-e(n-1]?+u0（2.1）T?2）增量型控制?u(n=u(n-u(n-1=KP[e(n-e(n-1]+KP（2.2）TTe(n+KPD[e(n-2e(n-1+e(n-2]TIT為了方便編程進(jìn)一步整理可得：?u(n=q1*e(n+q2*e(n-1+q3*e(n-2（2.3）其中：q1=Kp1+??TdTTd??2Td?；+?；q2=-Kp1+?；q3=KpTTiT?T??圖2.6位置型PID算法流程圖圖2.7增量型PID算法流程圖圖2.8PID程序流程圖第三章基于組態(tài)王的單容水箱液位控制系統(tǒng)3.1組態(tài)王簡介[8]組態(tài)王軟件由于其界面友好，使用簡單等優(yōu)勢，近年來成為很受歡迎的上層組態(tài)軟件。組態(tài)王軟件是在PC機(jī)上建立工業(yè)控制對象與人機(jī)接口的智能軟件包，他以windows中文操作系統(tǒng)作為操作平臺，充分利用了windows操作系統(tǒng)的圖形完備，易學(xué)易用的特點。由于其采用了PC機(jī)開發(fā)系統(tǒng)工程，因此，比使用工控機(jī)控制系統(tǒng)更具有通用性，減少了在重復(fù)性方面的工作量，可以方便進(jìn)行二次開發(fā)。具體來說，組態(tài)王的主要特點有以下幾方面：1）主畫面顯示功能。2）良好的開放性。3）豐富的功能模塊。4）強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫。5）強(qiáng)大地ODBC功能。6）可編程的命令語言。7）系統(tǒng)安全性。3.1.1組態(tài)王軟件的組成組態(tài)王軟件包由工程管理器、工程瀏覽器、畫面運行系統(tǒng)、三大部分組成。其中，工程管理器用于新建工程、工程管理等。工程瀏覽器內(nèi)嵌換面開發(fā)系統(tǒng)，及組態(tài)王開發(fā)系統(tǒng)。工程瀏覽器和畫面運行系統(tǒng)是各自獨立的windows應(yīng)用程序，均可單獨使用；兩者又相互依存，在工程瀏覽器的畫面開發(fā)系統(tǒng)中設(shè)計開發(fā)的畫面應(yīng)用程序必須在畫面運行環(huán)境中才能運行。在工程瀏覽器中可以查看工程的各個組成部分，也可以完成數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建、定義外部設(shè)備的等工作；工程瀏覽器內(nèi)嵌畫面管理系統(tǒng)，用于新工程的創(chuàng)建和已有工程的管理；畫面的開發(fā)和運行由工程瀏覽器調(diào)用畫面制作系統(tǒng)和畫面運行系統(tǒng)來完成。畫面制作系統(tǒng)是應(yīng)用工程的開發(fā)環(huán)境，可以在這個環(huán)境中完成畫面設(shè)計、動畫連接等工作。畫面制作系統(tǒng)具有先進(jìn)完善的圖形生成功能；數(shù)據(jù)庫提供多種數(shù)據(jù)的類型，能合理地提取控制對象的特性；對變量報警、趨勢曲線、過程記錄、安全防范等重要功能都有間接的操作。工程管理器是應(yīng)用程序的管理系統(tǒng)。它具有很強(qiáng)大的管理功能，可用于新工程的創(chuàng)建和刪除，并能對已有工程進(jìn)行搜索備份及有效恢復(fù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)詞典的導(dǎo)入導(dǎo)出。畫面運行系統(tǒng)是組態(tài)王軟件的實時運行環(huán)境，在應(yīng)用工程的開發(fā)環(huán)境中建立的圖形畫面只有在畫面運行環(huán)境中才能運行。畫面運行系統(tǒng)從控制設(shè)備中采集數(shù)據(jù)，并保存在實時數(shù)據(jù)庫中。它還負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)的變化以動畫的方式形象的表示出來，同時可以完成變量報警、操作記錄、趨勢曲線等監(jiān)視工程，并按實際需求記錄在數(shù)據(jù)庫中。3.1.2制作工程的一般步驟建立新的組態(tài)王的工程的一般過程為：設(shè)計圖形界面、定義設(shè)備、構(gòu)造數(shù)據(jù)庫、建立動畫連接和運行和調(diào)試。利用組態(tài)王開發(fā)系統(tǒng)編制過程時，需要注意以下幾個問題：首先用戶希望怎樣的圖形畫面，也就是怎樣用抽象的圖形畫面來模擬實際的工業(yè)現(xiàn)場和相應(yīng)的工控設(shè)備。其次怎樣用數(shù)據(jù)來描述工控對象的各種屬性也就是創(chuàng)建一個具體數(shù)據(jù)庫，此數(shù)據(jù)庫的變量反映了工控對象的各種屬性，比如壓力，溫度等。最后了解數(shù)據(jù)和圖形畫面中的圖素的連接關(guān)系。也就是畫面的圖素是怎樣的動畫來模擬現(xiàn)場設(shè)備的運行，以及怎樣讓操作者輸入控制設(shè)備的指令。3.1.3組態(tài)王與外部設(shè)備通信組態(tài)王把每一臺與之通訊的設(shè)備看作是外部設(shè)備，為實現(xiàn)組態(tài)王要和外部設(shè)備的通訊，組態(tài)王內(nèi)置了大量設(shè)備的驅(qū)動程序作為組態(tài)王和外部設(shè)備的接口，在開發(fā)過程中只需根據(jù)工程瀏覽器提供的設(shè)備配置向?qū)б徊讲酵瓿蛇B接過程，即可實現(xiàn)組態(tài)王和相應(yīng)外部設(shè)備驅(qū)動的連接。在運行期間，組態(tài)王就可通過驅(qū)動接口和外部設(shè)備交換數(shù)據(jù)，包括采集數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)。每一個驅(qū)動都是一個COM對象，這種方式使驅(qū)動和組態(tài)王構(gòu)成一個如圖3.1所示的完整的系統(tǒng)，既保證了運行系統(tǒng)的高效率，也使系統(tǒng)有很強(qiáng)的擴(kuò)展性。[4]組態(tài)王圖3.1組態(tài)王與外部設(shè)備通信圖3.2控制方案選取單容水箱控制系統(tǒng)實驗裝置是基于工業(yè)過程的物理模擬對象，它是集自動化儀表技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、自動控制技術(shù)為一體的多功能實驗裝置。根據(jù)自動化及其它相關(guān)專業(yè)教學(xué)的特點，吸收了同類實驗裝置的特點和長處后，經(jīng)過老師的精心設(shè)計，多次實驗和反復(fù)論證，推出了這一套全新的實驗裝置。該系統(tǒng)可實現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)辨識、單回路控制、串級控制等多種控制形式。單容水箱系統(tǒng)的水箱主體由蓄水容器和檢測元件兩大部分構(gòu)成。圖3.2液位控制方框圖圖3.2是液位控制系統(tǒng)的方框圖從圖可知，簡單控制系統(tǒng)由四個基本環(huán)節(jié)組成，即被控對象，測量變送裝置，控制器和執(zhí)行器。對于不同對象的簡單控制系統(tǒng)，盡管其具體裝置與變量不相同，但都可以用相同的方框圖來表示，這就便于對他們的共性進(jìn)行研究。還可以看出，在該系統(tǒng)中有著一條從系統(tǒng)的輸出端引向輸入端的反饋路線，也就是15說該系統(tǒng)中的控制器是根據(jù)被控變量的測量值與給定值的偏差來進(jìn)行的，這是反饋控制系統(tǒng)的又一特點。3.3上位機(jī)組態(tài)軟件的開發(fā)3.3.1監(jiān)控畫面監(jiān)控畫面是整個上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)中最為重要的部分，液位控制監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)了對整個液位控制流程實時動態(tài)模擬顯示。操作人員可以直接通過上位機(jī)查看液位變化過程的運行狀況，并且通過監(jiān)控畫面進(jìn)行實時控制。整個監(jiān)控系統(tǒng)的換面采用分層設(shè)計，頂層為系統(tǒng)初始畫面，下面包含若干個控制子圖。圖3.3上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖主監(jiān)控畫面包含了系統(tǒng)的重要設(shè)備，并按照控制流程組合在一起，顯示設(shè)備參數(shù)的變化和運行狀態(tài)開發(fā)的主監(jiān)控畫面如下圖所示，主監(jiān)控畫面不僅要顯示設(shè)備實時運行的狀態(tài)，還要控制整個控制過程的啟動、停止以及各個控制狀態(tài)的變化，實現(xiàn)各個子設(shè)備在手動和自動方面的切換。因此，在主畫面的右下方設(shè)置了【歷史曲線查詢】菜單、【報警歷史查詢】菜單、【報警確認(rèn)】菜單、【PID】設(shè)定菜單和【設(shè)定值】菜單。對于各個菜單，點擊菜單選項就會執(zhí)行菜單動畫命令語言。圖3.4主監(jiān)控主界面16圖3.5命令語言窗口在主畫面的右下方設(shè)置了切換按鈕，點擊按鈕，開始執(zhí)行按鈕動作語言，切換到與之相對應(yīng)的子畫面，其命令語言的編輯如圖3.5所示。3.3.2構(gòu)造數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫是“組態(tài)王”最核心的部分。在組態(tài)王運行時，工業(yè)現(xiàn)場的生產(chǎn)狀況要以動畫的形式反應(yīng)在屏幕上，同時工程人員在計算機(jī)前發(fā)布的指令也要迅速送達(dá)現(xiàn)場，所有這一切都是以實時數(shù)據(jù)庫為中介環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)庫是聯(lián)系上位機(jī)和下位機(jī)的橋梁。組態(tài)王中，變量的類型共有兩類：內(nèi)存變量、―I/O‖變量。―I/O‖變量指可與外部數(shù)據(jù)采集程序直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的變量。這種數(shù)據(jù)的交換是雙向的、動態(tài)的，在實際控制系統(tǒng)中，那些從下位機(jī)采集的數(shù)據(jù)以及發(fā)送給下位機(jī)的指令都需要寫成―I/O‖變量。內(nèi)存變量指那些不需要和其它應(yīng)用程序交換數(shù)據(jù)、也不需要從下位機(jī)得到數(shù)據(jù)，在組態(tài)王內(nèi)人工設(shè)定值的變量。―I/O‖變量通過―定義變量對話框‖來完成。在設(shè)置的過程中，加入了同外部設(shè)備寄存器連接的設(shè)置，如果外部設(shè)備寄存器中的數(shù)值不需要轉(zhuǎn)換，上位機(jī)可以直接使用，那么保持最大值和最大值原始值一致，最小值和最小原始值一致；否則，就要分別設(shè)置最大值和最小值來完成數(shù)值范圍的線性或非線性轉(zhuǎn)化。在液位控制系統(tǒng)中，寄存器中保存的是―I/O‖模塊采集液位值，寄存器范圍是O---1000，不是實際的液位范圍，這個時候就需要按照量程進(jìn)行轉(zhuǎn)換。本文根據(jù)液位控制系統(tǒng)實際需要，將需要的水箱液位值從下位機(jī)獲得數(shù)據(jù)，因此變量設(shè)置為―I/O‖類型變量，并且，在定義變量時設(shè)定其連接設(shè)備及寄存器地址，確定模擬量與數(shù)字量之間的對應(yīng)關(guān)系。17圖3.6―I/O‖變量定義示意圖對于內(nèi)存變量的定義同樣通過―定義變量對話框‖來完成。如圖3.6所示：在實際的液位控制系統(tǒng)中，需要定義多個內(nèi)存變量以完成算法的實現(xiàn)，因此，需要在組態(tài)王中定義內(nèi)存變量。由于內(nèi)存變量僅僅作為內(nèi)部算法實現(xiàn)的中間變量，不需要對下位機(jī)輸出，因此，可以不必對它進(jìn)行過多的轉(zhuǎn)換。圖3.7內(nèi)存變量定義示意圖18圖3.8數(shù)據(jù)詞典3.3.3數(shù)據(jù)通信水箱液位控制系統(tǒng)采用研華PCI-1710L智能模塊來實現(xiàn)與上位機(jī)的具體通信，所以需在上位機(jī)組態(tài)軟件中定義模塊的通信通道。組態(tài)王提供了研華PCI-1710L模塊的設(shè)備驅(qū)動程序，只需要按照如下配置向?qū)Ь涂梢酝瓿纱谠O(shè)備的配置，從而實現(xiàn)上位機(jī)與板卡模塊間的通信。具體步驟如下[12]：1）在工程瀏覽器的目錄顯示區(qū)單擊，繼而在右邊目錄顯示區(qū)雙擊，就會彈出―設(shè)備配置向?qū)А膶υ捒颍鐖D3.9所示：圖3.9選擇板卡2）點擊其中的智能化模塊，選擇其下的研華系列板卡，在其下選擇PCI-1710L板卡，點擊下一步。193）給安裝的設(shè)備指定唯一的邏輯名稱。4）為安裝的設(shè)備指定通信地址。通訊地址查詢方式如下：右擊我的電腦，選擇【管理】，點擊【設(shè)備管理】，在右側(cè)框內(nèi)選擇板卡右擊，【屬性】-【資源】，從這里可以詳細(xì)地看到板卡的輸入輸出范圍,如圖3.10所示。圖3.10查處板卡通訊地址5）輸入嘗試恢復(fù)時間、最長恢復(fù)時間，其含義為：當(dāng)上位機(jī)與設(shè)備斷開時多長時間嘗試恢復(fù)一次連接；當(dāng)時間超過多長時間就停止嘗試連接。點擊【下一步】，點擊【完成】。3.3.4命令語言的編寫組態(tài)王命令語言在語法上是一種類似于C語言的程序，開發(fā)人員可以利用這些程序來來處理和進(jìn)行操作。命令語言都是靠時間的觸發(fā)而執(zhí)行的，比如定時、數(shù)據(jù)變化等等。根據(jù)功能的不同，包括了應(yīng)用程序命令語言、數(shù)據(jù)改變命令語言、動畫連接命令語言和畫面命令語言。各種命令語言通過―命令語言編輯器‖進(jìn)行編輯輸入后在組態(tài)王運行系統(tǒng)中編譯執(zhí)行。其具體操作為：在工程瀏覽器目錄顯示區(qū)，選擇，雙擊【應(yīng)用程序命令語言】進(jìn)入命令語言編輯器，用戶可以在啟動時、運行時、停止時分別編寫程序。20圖3.11命令語言應(yīng)用程序命令語言是同系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的，只有一個。數(shù)據(jù)改變命令語言是當(dāng)連接的變量的值發(fā)生改變時，系統(tǒng)自動執(zhí)行的命令語言。數(shù)據(jù)改變命令語言是同變量相關(guān)聯(lián)的，可以按照需要定義多個。畫面命令語言是和畫面聯(lián)系在一起的，每個畫面對應(yīng)一個命令語言，畫面顯示時畫面命令語言按照指定時間間隔定時執(zhí)行。本文中的控制程序是由上面介紹的應(yīng)用程序命令語言構(gòu)成的。3.3.5實時曲線本設(shè)計根據(jù)實驗室具體情況對水箱液位最大值、最小值等參數(shù)進(jìn)行了設(shè)定，并繪制出實時曲線模塊，如圖3.4所示。用戶可以通過觀察曲線直觀的監(jiān)控水位的變化情況，同時在實時曲線下面還繪制了報警模塊，當(dāng)液位超過設(shè)定值時報警系統(tǒng)進(jìn)行報警，報警燈閃爍并伴有警告。在組態(tài)王中定義實時曲線畫面，在實時曲線名的編輯框中可輸入有效的變量名或者表達(dá)式，同時可定義變量的曲線顏色。本設(shè)計將液位曲線設(shè)置為綠色。在【標(biāo)識定義】中，定義曲線的數(shù)值軸與時間軸，設(shè)定曲線的標(biāo)識數(shù)目、曲線的更新頻率以及整個曲線的時間長度。3.3.6歷史報警查詢[11]組態(tài)王將報警信息自動保存到我的工程里的alarm文件中，但是用戶在查詢報警歷史查詢時去文件夾中尋找比較麻煩，本設(shè)計為了解決這一問題設(shè)計了報警歷史查詢模塊，此模塊中還有一個日歷控件和一個―KVADODBGridClass‖控件組成的時間模塊，為查詢時報警的時間選擇提供方便。接下來進(jìn)行數(shù)據(jù)庫以及ODBC數(shù)據(jù)源的建立：首先需21要在Access中建立一個空白數(shù)據(jù)庫，例如建立路徑為：D：\報警存儲與查詢\報警數(shù)據(jù)庫.mdb。之后在此數(shù)據(jù)庫中創(chuàng)建一個數(shù)據(jù)表：表的名稱為：Alarm，字段類型為文本類型。接下來按照下面的步驟進(jìn)行操作：1）設(shè)置ODBC數(shù)據(jù)源組態(tài)王通過ODBC數(shù)據(jù)源將報警信息存儲到數(shù)據(jù)庫中，因此必須先建立ODBC數(shù)據(jù)源。在【控制面板】-----【管理工具】----【ODBC數(shù)據(jù)源】中建立ODBC數(shù)據(jù)源，點擊【ODBC數(shù)據(jù)源】彈【ODBC數(shù)據(jù)源管理器】，如下圖3.12所示：在【用戶DSN】中點擊【添加】彈出【選擇數(shù)據(jù)源驅(qū)動程序】窗口，如下圖3.13所示：選擇【MicrosoftAccessDriver(*.mdb】驅(qū)動，點擊【完成】。彈出如圖3.14所示窗口，填寫ODBC數(shù)據(jù)源的名稱，根據(jù)需要對數(shù)據(jù)源進(jìn)行命名，如―報警‖，點擊【選擇(S】，如圖3.15所示。選擇前面定義的數(shù)據(jù)庫文件―D：\報警存儲與查詢\報警數(shù)據(jù)庫.mdb‖。點擊【確定】完成ODBC數(shù)據(jù)源的定義。其他數(shù)據(jù)庫如SQLServer的ODBC定義請參考相關(guān)文檔。圖3.12ODBC數(shù)據(jù)源管理器圖圖3.13選擇數(shù)據(jù)源的驅(qū)動程序圖3.14數(shù)據(jù)源定義圖3.15選擇數(shù)據(jù)庫223）報警配置數(shù)據(jù)庫以及ODBC數(shù)據(jù)源定義完成后，進(jìn)行報警配置中的數(shù)據(jù)庫配置。雙擊組態(tài)王工程瀏覽器的“系統(tǒng)配置”中的“報警配置”，其中要注意的是報警記錄的時間格式要是否則報警信息不予顯示。4）創(chuàng)建日歷控件在通用控件中選擇―MicrosoftDateandTimePickerControl‖，其下的腳本程序如下所示：全部保存運行可得到下面的結(jié)果。圖3.16歷史報警查詢3.3.7歷史曲線組態(tài)王的歷史數(shù)據(jù)可以通過曲線的形式顯示。在組態(tài)王中，內(nèi)置的曲線分為溫控曲線、趨勢曲線和超級X-Y曲線。歷史曲線是監(jiān)控系統(tǒng)中必不可少的部分，他可以使用戶通過曲線的方式來查詢控制系統(tǒng)的重要數(shù)據(jù)，從而更方便的完成參數(shù)的整定。使用歷史曲線時，需要對曲線做相關(guān)的配置，其中，主要為變量屬性的配置和歷史數(shù)據(jù)存放位置的配置。只有完成變量定義的記錄屬性設(shè)置以后，組態(tài)王才會自動按照設(shè)置的方式存儲歷史數(shù)據(jù)。變量屬性設(shè)置的對話框如圖3.17所示：23圖3.17設(shè)置記錄歷史數(shù)據(jù)歷史曲線是監(jiān)控系統(tǒng)必不可少的部分，操作人員以曲線的形式查詢重要歷史數(shù)據(jù)，分析控制過程，進(jìn)而調(diào)節(jié)控制參數(shù)。但是，歷史曲線本身并不保存變量的歷史數(shù)據(jù)，而僅僅是顯示歷史數(shù)據(jù)的一種方式。歷史數(shù)據(jù)的存儲主要由組態(tài)王提供的歷史庫來完成。本文采用組態(tài)王提供的歷史曲線控件來實現(xiàn)水箱液位歷史曲線的顯示。在組態(tài)王中右擊控件，點擊【控件屬性】，在―曲線‖目錄下點擊【歷史庫中添加】，在【坐標(biāo)系】、【游標(biāo)配置選項】中對記錄的時間格式游標(biāo)等進(jìn)行設(shè)置。系統(tǒng)運行時，歷史趨勢曲線控件自動連接歷史數(shù)據(jù)庫，把數(shù)據(jù)庫中保存的數(shù)據(jù)以曲線的形式顯示出來。圖3.18歷時曲線查詢用戶可根據(jù)液位控制的各個階段曲線的顯示來觀察液位控制情況，并根據(jù)觀察到的24情況來調(diào)整參數(shù)。在實際查看過程中，用戶可以通過調(diào)整曲線跨度和左右移動來查看曲線。在歷史曲線顯示模塊中，包含了歷史曲線控件及用以及用來查詢各個時刻記錄曲線的按鈕。用戶可以通過具體的時間來方便的查詢某一時間的歷史曲線。3.4參數(shù)整定連接設(shè)備，運行編寫的PID程序，通過不同的PID參數(shù)的設(shè)定觀察控制的實際效果，其中目標(biāo)值為200毫米，選出一組最為合適的參數(shù)對水箱液位進(jìn)行控制，其實際效果如下圖所示：圖3.20比例=0.5,積分=0.3圖3.21比例=0.5,積分=0.1圖3.22比例=0.5,積分=0.1,微分=5圖3.23比例=1,積分=0.1比較以上幾幅圖可知，當(dāng)比例=0.5，積分=0.1時控制效果最佳。第四章基于變頻器的單容液位控制系統(tǒng)4.1變頻調(diào)速基礎(chǔ)變頻調(diào)速是國際上各大電器公司在70年代末80年代末投入全力研制、開發(fā)的技術(shù)，通過幾十年的發(fā)展，國內(nèi)和國外在變頻調(diào)速技術(shù)上都已經(jīng)常熟。目前，變頻調(diào)速的控制法有恒壓頻比控制、轉(zhuǎn)差率控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等，其控制原理如下：根據(jù)異步電機(jī)的基本原理，異步電機(jī)轉(zhuǎn)速公式為：n=60f(1-s（4.1）p其中n為電動機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)，f為電源頻率，s為轉(zhuǎn)差率，p為定子旋轉(zhuǎn)磁場的極對數(shù)，所以從這個公式就可以看出，要想改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以改變f，s，p這三個中的任意一個，就能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)速，其中改變電源頻率f是比較方便和有效的方法，只要改變了電源頻率就能都改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。1）V/F控制原理：U=E=4.44f*N*K*Φ，其中U是電源電壓，E是定制繞組的感應(yīng)電動勢，f電源頻率，n為繞組線圈匝數(shù)，K為繞組分布系數(shù)，Φ為磁通量。從這個公式可以看出，如果減小f的話，電源頻率U還不變，那么Φ必然變大，因為電機(jī)的磁路設(shè)計都是按照一定的磁通量設(shè)計的，如果Φ增大，那么磁路有可能就進(jìn)入了飽和狀態(tài)，所以必須保證Φ為恒定，所以相應(yīng)的也應(yīng)該減小電源電壓U，同理，f增大，U也要增大，同時必須保證u/f為一個常量。2）矢量控制原理：矢量控制的基本原理是通過測量和控制異步電動機(jī)定子電流矢量，根據(jù)磁場定向原理分別對異步電動機(jī)的