1、<p>　　基于組態(tài)軟件的雙容水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　摘要：液位控制問題是人民生活以及工業(yè)生產(chǎn)過程中的一類常見的問題，在污水處理，溶液過濾，化工生產(chǎn)等多種行業(yè)在生產(chǎn)加工過程之中都需要對液位進行控制，如果液位控制得當就能夠提高生產(chǎn)效率以及產(chǎn)品的質(zhì)量。這些不同背景的液位控制都可以簡化為雙容水箱的水位控制問題。</p><p>　　本文基于MCGS組態(tài)軟件，使用AE2

2、000B型過程控制實驗裝置，運用PLC技術(shù)，自動控制技術(shù)，通信技術(shù)設(shè)計了一個雙容水箱串級控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠完成對下水箱水位的精確控制并且具有易于操作、運行可靠、抗干擾能力強的特點。</p><p>　　關(guān)鍵詞：MCGS； PLC； 液位控制； 雙容水箱； PID； 串級控制</p><p>　　Control System of Double Capacity Water Tank<

3、;/p><p>　　Based on Configuration Software</p><p>　　Abstract: It is a kind of common problem that in the process of industrial and people met in life. In the most production process need to control

4、the liquid level including In sewage treatment, filter solution, chemical production and other industries etc.if the lituid level be controled properly that can improve efficiency of production and quality. All of above

5、problems that with different background can be simplified to double capacity water tank water level control problem.</p><p>　　This essay is based on MCGS configuration software,he use of AE2000B process cont

6、rol experimental device, PLC technology, automatic control technology，in addition,we designed a Double Capacity Water Tank Cascade Control System,the system can be precisely controlled under the water tank level and easy

7、 operation, reliable operation, strong anti-interference ability.</p><p>　　Key words: MCGS, PLC, Level control, Double Capacity Water Tank, PID, cascade control</p><p><b>　　目 錄</b>

8、;</p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1.1 課題的背景和意義1</p><p>　　1.2 MCGS組態(tài)軟件簡介2</p><p>　　1.3可編程邏輯控制器簡介4</p><p>　　第2章 控制系統(tǒng)硬件部分7</p><

9、p>　　2.1控制系統(tǒng)的組成7</p><p><b>　　2.2器件型號8</b></p><p>　　第3章 被控對象建模9</p><p>　　3.1單容過程建模9</p><p>　　3.2雙容過程建模11</p><p>　　第4章 實驗法求取水箱參數(shù)13</

10、p><p>　　4.1修正實驗裝置誤差13</p><p>　　4.1.1電動調(diào)節(jié)閥的特性13</p><p>　　4.1.2上水箱水位特性14</p><p>　　4.1.3下水箱水位特性15</p><p>　　4.2測定水箱階躍數(shù)據(jù)15</p><p>　　4.3雙容水箱階躍響應參數(shù)

11、17</p><p>　　4.3.1求取上水箱傳遞函數(shù)17</p><p>　　4.3.2求取下水箱傳遞函數(shù)19</p><p>　　第5章 系統(tǒng)控制方案設(shè)計20</p><p>　　5.1 PID控制原理20</p><p>　　5.2方案設(shè)計22</p><p>　　5.3調(diào)節(jié)

12、器參數(shù)整定24</p><p>　　5.3.1 MATLAB軟件簡介24</p><p>　　5.3.2副回路參數(shù)整定25</p><p>　　5.3.3主回路參數(shù)整定26</p><p>　　5.3.4抗干擾能力驗證27</p><p>　　第6章 組態(tài)界面設(shè)計29</p><p&g

13、t;　　6.1總體設(shè)計29</p><p>　　6.2 具體組態(tài)過程30</p><p>　　6.2.1水箱動畫界面30</p><p>　　6.2.2定義數(shù)據(jù)變量30</p><p>　　6.2.3動畫連接31</p><p>　　6.2.4水位數(shù)據(jù)及曲線32</p><p>　　

14、6.2.5報警設(shè)置33</p><p>　　6.2.6運行策略34</p><p>　　第7章 聯(lián)機調(diào)試36</p><p>　　7.1 PLC程序設(shè)計36</p><p>　　7.1.1程序流程圖36</p><p>　　7.1.2 PLC資源分配37</p><p>　　7.2

15、連接實驗裝置37</p><p>　　7.2.1連接PLC與雙容水箱37</p><p>　　7.2.2連接MCGS與PLC38</p><p>　　7.3運行和調(diào)試39</p><p>　　7.3.1 MCGS的監(jiān)控功能39</p><p>　　7.3.2調(diào)試結(jié)果41</p><p&g

16、t;<b>　　總 結(jié)43</b></p><p><b>　　致 謝44</b></p><p><b>　　參考文獻44</b></p><p>　　附錄1 數(shù)據(jù)采集程序47</p><p>　　附錄2 串級控制程序49</p><p&

17、gt;<b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　1.1 課題的背景和意義</p><p>　　液位控制問題與人民的生產(chǎn)以及生活有著密切的聯(lián)系。在生活之中如居民生活用水的供應，熱水器、洗衣機等電器的使用等都離不開液位控制；在生產(chǎn)加工過程中如飲料、食品加工，污水處理，化工生產(chǎn)，煉鐵煉鋼等都需要對蓄液池中的液位進行控制。在工業(yè)生產(chǎn)中通過對液位的檢測可以了解容器

18、中的原料與成品之間的比例關(guān)系，通過對液位的控制可以調(diào)節(jié)容器之中各種成分的比例，保持容器中的物料平衡。如果對容器之中的液位控制的得當則能夠提高生產(chǎn)效率以及產(chǎn)品的質(zhì)量，如果控制不當則增大產(chǎn)品的不合格率。因此液位是工業(yè)控制過程中一個重要的參數(shù)，特別是在動態(tài)情況下，采用合適的方法對液位進行檢測、控制，能收到很好的生產(chǎn)效果。蓄液池中的液位需要維持在適當?shù)母叨龋托枰O(shè)計合適的控制器自動調(diào)整蓄液池的進出流量。</p><p&g

19、t;　　目前國內(nèi)外的用于液位控制的控制器有很多，控制的原理與方式也是各不相同，控制要求不高的情況下常用的有：</p><p>　?。?）液壓式水位控制閥 原理：當液位下降時，閥內(nèi)的彈簧受力減小，進水閥芯打開，自動加水；隨著水箱內(nèi)的水位逐漸上升，閥門內(nèi)所受的壓力逐漸增大，當水位上升到預設(shè)的液位時彈簧所受的力與閥內(nèi)所承受的壓力達到平衡，閥門自動停止加水。該控制方法適用于工礦企業(yè)、民用建筑中的各種水箱、太陽能水箱的自

20、動供水系統(tǒng)。并可用作常壓鍋爐循環(huán)供水水箱的進水控制閥。</p><p>　?。?）浮球水位控制器 利用浮球在液體中的上升或下降，接通球體內(nèi)部的重力開關(guān)，再由浮球內(nèi)部的觸點開關(guān)去控制相關(guān)電器設(shè)備。浮球水位控制器分為管式浮球與纜浮球，管式浮球適合清水及粘度不大的液體，纜浮球適合污水。</p><p>　　但是液位控制系統(tǒng)是一個非線性系統(tǒng)，采用上述控制方式存在溶積延遲時間長、抗干擾能力差、控制

21、精度低等問題，不能滿足高精度的控制要求。采用組態(tài)軟件編制上位機控制界面和通過PLC算法程序，組建接近于實際的控制系統(tǒng)。通過在線運行，具有控制自適應能力強，動態(tài)、靜態(tài)品質(zhì)優(yōu)良等優(yōu)點，有效地解決了類似系統(tǒng)難于控制的問題。對液位控制系統(tǒng)，一般是在工作點附近線性化后再加以控制的，控制方法有PID控制、基于線性模型的模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。</p><p>　　這些不同背景的液位控制都可以簡化為水箱的液位控制問題。水箱液

22、位控制系統(tǒng)的設(shè)計應用非常廣泛，可以把一個復雜的液位控制系統(tǒng)簡化成水箱液位控制系統(tǒng)來實現(xiàn)。本文基于組態(tài)軟件，使用AE2000B型過程控制實驗裝置，以PLC作為控制器，設(shè)計了一個雙容水箱串級控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)以下水箱為主控對象，通過控制上水箱進水量達到控制水箱液位的目的，雙容水箱模型見圖1-1。</p><p>　　圖1-1 雙容水箱模型</p><p>　　1.2 MCGS組態(tài)軟件簡介&l

23、t;/p><p>　　MCGS(Monitor and Control Generated System)是一套基于Windows平臺的，用于快速構(gòu)造和生成上位機監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)，可運行于Microsoft Windows 98/Me/NT/2000等操作系統(tǒng)。目前MCGS有通用版、網(wǎng)絡(luò)版以及嵌入版這三個版本。</p><p>　　總體來說，MCGS軟件系統(tǒng)包括組態(tài)環(huán)境和運行環(huán)境兩個部分

24、。用戶在組態(tài)系統(tǒng)設(shè)計和構(gòu)造自己的應用系統(tǒng)建立組態(tài)工程，在設(shè)計完成之后用戶可以在運行環(huán)境之中運行組態(tài)工程，進行各種處理包括“動畫顯示”、“現(xiàn)場控制”、“報警”等功能，完成用戶組態(tài)設(shè)計的目標和功能?！癕CGS組態(tài)環(huán)境”與“MCGS運行環(huán)境”相互獨立，又緊密聯(lián)系，如圖1-2所示。</p><p>　　圖1-2 組態(tài)環(huán)境與運行環(huán)境</p><p>　　MCGS組態(tài)軟件所建立的工程由主控窗口、設(shè)備窗

25、口、用戶窗口、實時數(shù)據(jù)庫和運行策略五部分構(gòu)成，各個窗口具有不同的功能，如圖1-3所示。要完成一個工程就需要對五個窗口進行合理的設(shè)計。</p><p>　　圖1-3MCGS軟件的五大組成部分</p><p>　　五大窗口的具體功能：</p><p>　?。?）主控窗口 主控窗口是工程的主窗口，用于構(gòu)造系統(tǒng)的主框架，在MCGS單機版中只能有一個主控窗口。主控窗口可以進

26、行工程的菜單設(shè)計，用于在運行環(huán)境中打開、關(guān)閉相應的功能窗口。</p><p>　?。?）設(shè)備窗口 MCGS與外部設(shè)備（如：PLC）之間的連接是通過設(shè)備窗口完成的，在MCGS單機版中只能有一個設(shè)備窗口。設(shè)備窗口還提供了虛擬設(shè)備，可以為動態(tài)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)對象提供波形數(shù)據(jù)，用于驗證組態(tài)工程是否存在錯誤。</p><p>　　（3）用戶窗口 用戶通過該窗口生成動畫顯示、參數(shù)設(shè)定、曲線顯示、報警

27、等人機交互界面，實現(xiàn)數(shù)據(jù)和流程的“可視化”。</p><p>　?。?）實時數(shù)據(jù)庫 實時數(shù)據(jù)庫是MCGS系統(tǒng)的核心，工程中的數(shù)據(jù)交換都要經(jīng)過實時數(shù)據(jù)庫。在建立工程之時要在實時數(shù)據(jù)庫之中新建數(shù)據(jù)變量，這些變量將在運行環(huán)境下接受并儲存從外界采集來的數(shù)據(jù)以及在運行過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的其它部分通過對這些數(shù)據(jù)的處理來實現(xiàn)各種功能。</p><p>　　（5）運行策略 運行策略是對系統(tǒng)運行流

28、程實現(xiàn)有效控制的手段。這些控制</p><p>　　功能是由通過編寫控制程序，選用功能構(gòu)建實現(xiàn)的。</p><p>　　1.3可編程邏輯控制器簡介</p><p>　　可編程邏輯控制器，簡稱PLC，是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設(shè)計的數(shù)字運算操作的電子裝置。</p><p>　　在制造業(yè)和過程工業(yè)中，存在著大量以數(shù)字量為主的邏輯控制，這些邏輯

29、控制要求控制系統(tǒng)能夠按照一定的邏輯順序?qū)﹂_關(guān)量進行控制，并能夠?qū)ιa(chǎn)現(xiàn)場大量的脈沖、計時、計數(shù)、開關(guān)量、報警等信息進行監(jiān)控和處理，在早期的控制中這些工作是通過繼電-接觸器控制系統(tǒng)來實現(xiàn)的。由于繼電-接觸器邏輯部分是有繼電器、接觸器來實現(xiàn)的具有一定的復雜性，在控制邏輯十分復雜的情況下，就需要使用大量的繼電器、接觸器，電路十分復雜，因此繼電-接觸器控制系統(tǒng)具有設(shè)計復雜、安裝不方便、體積龐大、故障率高、功耗大、不易維護、不以改造等缺點。這些缺

30、點基本上都是由其復雜的邏輯電路引起的，由軟件來實現(xiàn)控制系統(tǒng)的邏輯部分，便能很好的克服這些缺點，可編程邏輯控制器便因運而生了。</p><p>　　PLC是計算機技術(shù)與繼電-接觸控制電路相結(jié)合的產(chǎn)物，是一種用于工業(yè)控制的專用計算機。以西門S7-200PLC為例PLC有以下五個部分組成：</p><p>　　中央處理單元（CPU）</p><p>　　目前大中型PLC多

31、采用16位或者32位的微處理器作為CPU，CPU是PLC的核心部分，PLC的控制功能是通過CPU運算功能實現(xiàn)的。CPU在運行時主要完成以下任務(wù)：①接受編程軟件輸入的程序和數(shù)據(jù)并儲存在相應的位置。②診斷電源電壓是否正常、I/O單元的連接是否正常、用戶程序是否存在語法錯誤。③掃描每個輸入端口，把得到的信息存入輸入映像寄存器。④掃描用戶程序，對輸入映像寄存器中的數(shù)據(jù)進行處理，把得到輸出數(shù)據(jù)存入輸出印象寄存器。⑤把輸出映象寄存器中的數(shù)據(jù)送至輸出

32、單元。</p><p><b>　　存儲器單元</b></p><p>　　存儲器單元由系統(tǒng)程序存儲器和用戶程序存儲器兩個部分組成。</p><p>　　系統(tǒng)程序存儲器：用于存放生產(chǎn)廠家編寫的系統(tǒng)程序（操作系統(tǒng)），PLC的功能都是在系統(tǒng)程序的管理之下實現(xiàn)的。</p><p>　　用戶程序存儲器：是用戶可以使用的存儲區(qū)域，

33、用于存放用戶程序以及各種數(shù)據(jù)。</p><p><b>　　電源單元</b></p><p>　　將外界提供的電源轉(zhuǎn)化成PLC的工作電源，為PLC供電的部分叫做電源單元。電源可以通過PLC的接口為負載提供24V的直流電源，但是其供電能力有限，不能無限制的使用。</p><p>　　輸入/輸出單元（I/O）</p><p>

34、;　　輸入/輸出單元是PLC與工業(yè)現(xiàn)場的接口，PLC對工業(yè)現(xiàn)場的信息交換是通過輸入/輸出單元完成的，可以說輸入單元是PLC的“眼睛”與“耳朵”，輸出單元是PLC的“手”與“足”。</p><p>　　輸入單元將置于工業(yè)現(xiàn)場中的傳感器等傳來的數(shù)字/模擬信號轉(zhuǎn)換格式之后供給CPU處理；輸出單元則是把CPU提供的控制信號轉(zhuǎn)換成相應的控制電平輸送到現(xiàn)場，對現(xiàn)場中的設(shè)備進行控制。</p><p>&

35、lt;b>　　接口單元</b></p><p>　　接口單元包括擴展接口、通信接口、編程器接口和存儲器接口等。</p><p>　　擴展接口：用于連接擴展模塊，為PLC提供更多的I/O接口，連接智能模塊，使PLC具有更強大控制能力。</p><p>　　通信接口：以前很多控制器都是單獨進行控制的，控制器之間沒有信息交換，控制系統(tǒng)中的控制器之間的協(xié)調(diào)

36、工作便成為了一大難題，這樣很大程度上限制控制技術(shù)的發(fā)展。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與控制技術(shù)相結(jié)合便打破了這一禁錮。PLC上集成有RS-232口或者RS-485通信接口，可以實現(xiàn)PLC與其它PLC、上位機、監(jiān)視器等設(shè)備相連，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，形成一個控制網(wǎng)絡(luò)。</p><p>　　PLC具有以下特點：</p><p>　　（1）體積小，能耗低，性價比高，可靠性高，抗干擾能力強。用軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)繼電-接觸器控制系統(tǒng)

37、的邏輯電路部分，大大簡化了控制系統(tǒng)硬件連接，減少了繼電器、接觸器的使用，從而減少了機械觸點和連線的數(shù)目，減小了系統(tǒng)體積與功耗提高了系統(tǒng)的可靠性。</p><p>　　在生產(chǎn)現(xiàn)場噪聲干擾、電波干擾等干擾是控制器最大的敵人。PLC的主要器件和部件都使用了良好的屏蔽材料進行屏蔽，PLC與外界信息的交換采用了光電耦合隔離，同時進行了多種形式濾波，以及系統(tǒng)軟件具有故障檢測、信息保護和恢復、等功能，因此具有很強的抗干擾能力。

38、</p><p>　?。?）編程簡單。梯形圖語言是使用最為廣泛的PLC編程語言，其電路符號和表達方式與繼電-接觸器電路原理圖相似，熟悉繼電-接觸器電路原理圖的人能夠很快的掌握梯形圖語言。</p><p>　　（3）靈活性強，控制系統(tǒng)易于實現(xiàn)。當被控系統(tǒng)發(fā)生改變之時，不用像繼電-接觸器控制系統(tǒng)需要進行很大的改動，甚至要重新設(shè)計控制系統(tǒng)。只需要對PLC的程序進行改動，以及外圍電路的局部調(diào)整便可

39、以實現(xiàn)對控制系統(tǒng)的改造。</p><p>　?。?）維修方便。由于PLC的體積小，并且有些采用模塊化結(jié)構(gòu)，當出現(xiàn)故障之時之時只需要更換出現(xiàn)故障的模塊就能排除故障。對于PLC主機則可以通過軟件提</p><p>　　供的故障信息以及裝置上的指示燈，方便的查出故障源。</p><p>　　第2章 控制系統(tǒng)硬件部分</p><p>　　2.1控制

40、系統(tǒng)的組成</p><p>　　雙容水箱控制系統(tǒng)由雙容水箱、傳感器、變送器、調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器、計算機等組成，主要構(gòu)件包括：</p><p>　?。?）PLC：運用PLC中的PID模塊作為系統(tǒng)中的主、副控制器，并通過PLC的通信接口實現(xiàn)與上位機的通信，實現(xiàn)實時監(jiān)控。</p><p><b>　?。?）計算機</b></p><p

41、>　?。?）雙容水箱：被控對象。</p><p>　　（4）電動調(diào)節(jié)閥：接受來自PLC的控制信號，調(diào)節(jié)上水箱的進水量。</p><p>　?。?）壓力傳感器、液位變送器：壓力傳感器位于水箱中的底部，把水的壓力轉(zhuǎn)換為電流或電壓信號；電流、壓信號經(jīng)液位變送器標準化處理之后送入PLC。</p><p>　?。?）通信電纜：使用PC/PPI電纜連接PLC與上位機。&l

42、t;/p><p>　　（7）水泵：為水箱供水。</p><p>　　圖2-1 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　工作原理：上、下水箱壓力傳感器測量到水箱液位信號送入EM235模塊經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后供PLC讀取，PLC讀取下水箱液位后與主回路的設(shè)定值比較得出偏差，然后進行PID運算；主調(diào)節(jié)器的輸出值作為副調(diào)節(jié)器的給定，并將其與上水箱的水位數(shù)據(jù)比較的到偏差后再進行運算

43、，獲得4--20 mA的電流輸出信號，電動調(diào)節(jié)閥接收到該信號后改變閥門開度，從而調(diào)節(jié)上水箱的流入量最終達到控制下水箱液位的目的。PLC與上位機之間通過RS485—RS232串口實現(xiàn)通信，通過MCGS監(jiān)控軟件實現(xiàn)過程監(jiān)控。</p><p><b>　　2.2器件型號</b></p><p><b>　　（1）控制器</b></p>&

44、lt;p>　　該系統(tǒng)的控制裝置選用的的是西門子的S7-200PLC，因為系統(tǒng)只需要兩個控制器，S7—200PLC（8個PID模塊）在內(nèi)存、掃描通信等方面都能滿足控制的要求。S7-200PLC硬件系統(tǒng)采用整體式加積木式，由于主機CPU224部分沒有模擬量輸入、輸出接口，故使用了模擬量輸入輸出模塊EM235與水箱進行數(shù)據(jù)交換，該模塊有4個模擬量輸入接口與1個模擬量輸出接口。</p><p><b>　

45、?。?）執(zhí)行機構(gòu)</b></p><p>　　該系統(tǒng)的執(zhí)行器使用的是QS智能型電動調(diào)節(jié)閥，其型號為：QSTP-16K，所需的控制信號為4～20mA的電信號。</p><p><b>　?。?）檢測裝置</b></p><p>　　壓力變送器將水箱之中的壓力信號轉(zhuǎn)換為4～20mA的電流信號，電流信號再經(jīng)過接入阻值50的電阻值后轉(zhuǎn)換成1

46、～5V的電壓信號送入PLC的EM235模塊。該系統(tǒng)中的變送器的型號為：KYB18G01MIPXC2，該變送器測量的范圍為0～10KPa，</p><p>　　電源為24V DC（由PLC主機提供）。</p><p>　　第3章 被控對象建模 </p><p><b>　　3.1單容過程建模</b></p><p>　　

47、單容水箱建模是指只有一個儲蓄容量過程的建模。單容過程分為自衡過程和非自衡過程，自衡過程是指在系統(tǒng)達到平衡之后，其輸入量發(fā)生變化，原平衡狀態(tài)被打破，在無任何外界因素的干預下，系統(tǒng)能通過自身的調(diào)整達到新的平衡狀態(tài)；非自衡過程則不能通過自身的調(diào)整達到新的平衡狀態(tài)。</p><p>　　圖3-1所示的是一個有自衡能力的單容過程，該過程的輸入量為，輸出量為，改變閥門1的開度便能改變。的大小則是取決于閥門2的開度以及水箱液位

48、，液位越高，水箱底部的壓力越大，就越大。當閥門2的開度固定時，水箱液位的變化反映了由于和不等而引起水箱蓄水或排水的過程。</p><p><b>　　圖3-1 單容過程</b></p><p>　　假設(shè)為被控過程的輸出量，則該過程的數(shù)學模型就是與之間的數(shù)學表達式。根據(jù)動態(tài)物料平衡關(guān)系，其微分方程：</p><p><b>　　（3-1

49、-1）</b></p><p><b>　　其增量式為：</b></p><p><b>　　（3-1-2）</b></p><p>　　式中、、分別表示偏移原平衡狀態(tài)的、、的增量；A=C表示水箱截面積。</p><p>　　與的關(guān)系經(jīng)過線性化處理之后，在工作區(qū)域內(nèi)，與成比列關(guān)系，而與閥

50、門2的阻力成反比，即：</p><p><b>　　（3-1-3）</b></p><p>　　將式（2-1-2）、式（2-1-3）經(jīng)過拉氏變換后得：</p><p><b>　?。?-1-4）</b></p><p>　　由式（2-1-4）可得單容過程的傳遞函數(shù)為：</p><

51、p><b>　?。?-1-5）</b></p><p>　　式中為單容水箱的時間常數(shù)，；為放大系數(shù)，；為水箱的容量系數(shù)。</p><p>　　當水箱受到階躍擾動時，設(shè)擾動為，代入式（2-1-5）得：</p><p><b>　?。?-1-6）</b></p><p>　　上式經(jīng)過拉氏反變換得：

52、</p><p><b>　?。?-1-7）</b></p><p>　　式中階躍量為常數(shù)，一般為10%。</p><p>　　當時，。所以的值便可以由下公式求得：</p><p><b>　　（3-1-8） </b></p><p><b>　　當時，則有<

53、/b></p><p><b>　?。?-1-9）</b></p><p>　　所以在曲線上找到一個值為穩(wěn)態(tài)值的0.632倍的點便可以得到水箱的時間常數(shù)T，其具體做法見圖3-2。單容水箱的階躍響應曲線在原點的斜率最大，在該點做切線，切線與穩(wěn)態(tài)值的交點所對應的時間就是時間常數(shù)T，由此便能求出單容水箱的傳遞函數(shù)。</p><p>　　圖3-2

54、 階躍響應曲線</p><p><b>　　3.2雙容過程建模</b></p><p>　　雙容過程的示意圖見圖1-1。</p><p>　　設(shè)該過程的被控量為下水箱的液位，輸入量為，當閥門2、3的開度一定時，可求得該過程的數(shù)學模型。</p><p>　　根據(jù)物料平衡關(guān)系可得：</p><p>

55、　　（2-2-1）上式經(jīng)過拉氏變換再整理之后可得雙容水箱的數(shù)學模型：</p><p><b>　?。?-2-2）</b></p><p>　　式中為過程放大系數(shù)；、分別為上、下水箱的時間常數(shù)。</p><p>　　式（2-2-2）中的特性參數(shù)、、可通過兩點法求得，首先放大系數(shù)可以通過式（2-1-8）求出，其次、可以通過階躍響應曲線上的兩個點的

56、位置求出，如圖3-4所示。</p><p>　　圖3-4 雙容過程的階躍響應曲線</p><p>　　按圖中的方法求取曲線上A、B兩點對應的時間、，運用下面公式計算、，便可求得雙容水箱的傳遞函數(shù)。</p><p><b>　?。?-2-3）</b></p><p>　　第4章 實驗法求取水箱參數(shù)</p>

57、<p>　　由上一章可知雙容水箱的傳遞函數(shù)是在其階躍響應曲線的基礎(chǔ)上計算出來的。通過實驗的方法可以得到雙容水箱的階躍響應數(shù)據(jù)，從而得到階躍響應曲線。</p><p>　　4.1修正實驗裝置誤差</p><p>　　由于各種原因?qū)嶒炑b置中的傳感器、電動調(diào)節(jié)閥等都會存在一定的誤差。在實驗之前應該測得誤差值，并在程序中做適當?shù)奶幚硪韵`差。 </p><p>

58、;　　4.1.1電動調(diào)節(jié)閥的特性</p><p>　　電動調(diào)節(jié)閥的實際開度與設(shè)定的開度不相等，采用手動控制的方法設(shè)定調(diào)節(jié)閥的開度，同時記錄調(diào)節(jié)閥的實際開度。記錄數(shù)據(jù)見表4-1。</p><p>　　表4-1 調(diào)節(jié)閥開度特性</p><p>　　調(diào)節(jié)閥開度特性曲線見圖4-1。</p><p>　　圖4-1 調(diào)節(jié)閥開度特性曲線</p>

59、<p>　　由圖可知，調(diào)節(jié)閥開度特性共有兩個轉(zhuǎn)折點，在第一個轉(zhuǎn)折點“30%”之前調(diào)節(jié)閥的誤差很小可以忽略；在第一個轉(zhuǎn)折點“30%”于第二個轉(zhuǎn)折點“80%”之間則有存在一個較大的靜態(tài)誤差；第二個轉(zhuǎn)折點之后存在很大的誤差。</p><p>　　在實驗室之中對調(diào)節(jié)閥做出以下修正：</p><p>　　開度在“0～30%”之間：不修正。</p><p>　　開

60、度在“30%～80%”之間：調(diào)節(jié)閥的設(shè)定開度與實際開度之間成線性</p><p>　　關(guān)系，所以只需要對設(shè)定開度加上一個適當?shù)闹怠?%”，便能夠減小誤差。</p><p>　?、坶_度在“80%～100%”之間：由于誤差受到調(diào)節(jié)閥自身的限制，此處不予修正。</p><p>　　4.1.2上水箱水位特性</p><p>　　由于傳感器存在誤差，水

61、箱的實際水位置與測量值之間存在誤差。上水箱的特性參數(shù)見表4-2。</p><p>　　表4-2 上水箱水位特性參數(shù)</p><p>　　上水箱水位特性曲線見圖4-2。</p><p>　　圖4-2 上水箱水位特性曲線</p><p>　　由圖可知，在總體上來說上水箱水位的實際值與顯示值成線性關(guān)系，顯示值比實際值大0.25左右，所以在在程序之中

62、應對采樣得到的水位值減去0.25作為實際值。</p><p>　　4.1.3下水箱水位特性</p><p>　　下水箱水位特性參數(shù)見表4-3。</p><p>　　表4-3 下水箱水位特性參數(shù)</p><p>　　下水箱水位特性曲線見圖4-3。</p><p>　　圖4-3 下水箱水位特性曲線</p>&

63、lt;p>　　由圖可知，在總體上來說上水箱水位的實際值與顯示值成線性關(guān)系，顯示值比實際值小2.5左右，所以在在程序之中應對采樣得到的水位值加上2.5作為實際值。</p><p>　　4.2測定水箱階躍數(shù)據(jù)</p><p>　　實驗原理圖見圖4-4。</p><p>　　圖4-4 水箱模型測定原理圖</p><p>　　在實驗中通過調(diào)節(jié)電

64、動調(diào)節(jié)閥的開度（4050）改變上水箱的進水量，從而對被控對象施加階躍輸入信號。實驗時各手動閥門的開度不能改變。</p><p>　　試驗臺的壓力變送器的輸出值為4～20，在經(jīng)過接入阻值50的電阻值后轉(zhuǎn)換成1～5V的電壓信號，具有20%的偏移量。因此在編寫PLC程序之時要把通過EM235模塊采集來的數(shù)據(jù)減去6400（消除偏移）之后再除以256便得到水箱的水位數(shù)據(jù)。同樣電動調(diào)節(jié)閥的控制也要考慮到偏移的問題。</

65、p><p>　　利用MCGS軟件的“存盤數(shù)據(jù)策略”記錄雙容水箱的階躍響應數(shù)據(jù)，采集數(shù)據(jù)的時間間隔為20秒。</p><p>　　上水箱階躍響應參數(shù)：</p><p>　　表4-4 上水箱階躍響應參數(shù)</p><p>　　(2)下水箱階躍響應參數(shù)：</p><p>　　表4-5 下水箱階躍響應參數(shù)</p>&l

66、t;p>　　4.3雙容水箱階躍響應參數(shù)</p><p>　　4.3.1求取上水箱傳遞函數(shù)</p><p>　　在試驗中水箱中水的流動，連接線路上的電阻等因素都會使測量到的數(shù)據(jù)有一定的誤差，所以在求取傳遞函數(shù)之前應該對數(shù)據(jù)進行處理以減小誤差。具體的方法是用MATLAB軟件繪出階躍響應曲線，再運用最小二乘法對曲線進行四階多項式擬合，最后用擬合之后的曲線求取傳遞函數(shù)。</p>

67、<p><b>　?。?）繪制擬合曲線</b></p><p>　　在MATLAB的命令窗口輸入四階多項式擬合指令：</p><p>　　X=0:20:780;Y=[0 1.06 1.86 2.56 3.32 3.68 4.11 4.49 4.77 5.02 5.22 5.45 5.57 5.66 5.84 5.92 5.98 6.07 6.13 6.1

68、9 6.27 6.42 6.45 6.36 6.46 6.37 6.38 6.38 6.41 6.40 6.40 6.29 6.39 6.33 6.46 6.28 6.38 6.39 6.40 6.39 ];</p><p><b>　　N=[4];</b></p><p>　　clm={'rx:', 'g--p', 'm-.o

69、'}plot(X,Y,'.-')hold on;</p><p>　　grid on;lgd = { '原始數(shù)據(jù)' };for i=1:length(N) n=N(i) p=polyfit(X,Y,n); plot(X,polyval(p,X),clm{i}) syms x y=sum(vpa(p,3).*x.^[n:-1:0

70、]); lgd{i+1} = ['y = ' char(y)];endxlabel('x');ylabel('y');legend(lgd{:}, 4)</p><p>　　上水箱的階躍響應曲線經(jīng)擬合后得到的曲線見圖4-5。</p><p>　　圖4-5 上水箱擬合曲線</p><p>　?。?）采用作

71、圖法求解參數(shù)</p><p>　?、僮銮芯€L1，相交于擬合曲線的穩(wěn)態(tài)值。②在階躍響應曲線變化速度最快（原點）處做切線L2，與切線L1相較于點A</p><p>　　③在MATLAB命令窗口輸入指令：[x,y]=ginput(1)，得到點A的坐標（93.0876，6.4504）從而得到上水箱傳遞函數(shù)：</p><p><b>　　(4-3-1)<

72、/b></p><p>　　4.3.2求取下水箱傳遞函數(shù)</p><p>　　用與上一節(jié)相同的方法對下水箱的階躍響應曲線進行處理得到其擬合曲線，如圖4-6所示。</p><p>　　圖4-6 下水箱擬合曲線</p><p>　　下水箱的傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　　(4-3-2)</b

73、></p><p>　　第5章 系統(tǒng)控制方案設(shè)計</p><p>　　5.1 PID控制原理</p><p>　　比例、積分、微分（PID）控制是迄今為止最通用也是最為基本的控制方法，PID控制器已經(jīng)有70年的發(fā)展歷史了，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、可靠性高、適用面廣、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一?？刂评碚摰暮芏嗫刂萍夹g(shù)都需要在被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)能夠

74、清晰掌握，或能得到精確的數(shù)學模型的情況之下才能發(fā)揮其控制功能；而在實際的生產(chǎn)之中，很多控制過程的結(jié)構(gòu)、參數(shù)都不能完全掌握，也很難得到精確的數(shù)學模型，在這種情況下大多數(shù)的控制技術(shù)都難以采用。PID控制的出現(xiàn)很好的解決了這一問題，即當我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象﹐或不能通過有</p><p>　　效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，適合采用PID控制技術(shù)。模擬PID控制原理圖見圖5-1。 </p><

75、;p>　　圖5-1 PID控制基本原理圖</p><p>　　PID控制器是一種負反饋控制器，根據(jù)給定值與反饋值構(gòu)成控制差： ，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。</p><p>　　模擬PID控制器的理想算式為：</p><p><b>　　（4-1-1）</b></p><p>　　式中：為控制量（控

76、制器輸出）；為比例增益；為積分時間常數(shù)； 為微分時間常數(shù)。</p><p>　　將式（4-1-1）寫成傳遞函數(shù)形式：</p><p><b>　?。?-1-2）</b></p><p>　　由于計算機不能處理連續(xù)變化的量，所以需要對上式進行離散化處理，處理結(jié)果算式（4-1-3）～(4-1-6）。</p><p><

77、b>　?。?-1-3）</b></p><p>　　式中：為第n采樣時刻的計算值；為第n采樣時刻的比例項值；第n采樣時刻的積分項值。第n采樣時刻的微分項值。</p><p><b>　?。?-1-4）</b></p><p>　　式中：為增益；為第n采樣時刻的給定值；第n采樣時刻的過程變量值。</p><p

78、><b>　?。?-1-5）</b></p><p>　　式中：為第n采樣時刻的積分項值；采樣時間間隔；積分時間；第采樣時刻的積分項。</p><p><b>　?。?-1-6）</b></p><p>　　式中：為第n采樣時刻的微分項值；為微分時間；為第采樣時刻的給定值；為第采樣時刻的過程變量值。</p>

79、;<p>　　PID控制器各控制規(guī)律的作用如下：</p><p>　　比例（P）控制 比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器把輸入的誤差信號乘以比例增益便得到輸出信號。在調(diào)節(jié)過程中比例參數(shù)越大其比例作用越大，其調(diào)節(jié)時間越短，誤差越小，但是過大的比例，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。 </p><p>　　積分（I）控制 在

80、積分控制中控制器的輸出信號與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。對于一些控制系統(tǒng)，在進入穩(wěn)態(tài)之后往往會存在穩(wěn)態(tài)誤差，這個時候便可以引入積分控制以消除誤差。積分項作用強弱取決于積分的時間，積分時間越小積分作用越強，反之則越弱。積分作用的加入會使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，使響應時間變長。因此，如果積分時間取的不合適的話會對整個系統(tǒng)會起到反作用。積分作用常與另兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合，組成PI調(diào)節(jié)器或PID調(diào)節(jié)器。（3）微分（D）控制 在微分控制中控制器的輸出

81、與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。被控系統(tǒng)中如果存在較大的慣性環(huán)節(jié)，由于慣性環(huán)節(jié)具有抑制誤差的作用，會延遲誤差的變化，采用PI控制則會出現(xiàn)震蕩甚至系統(tǒng)不能達到穩(wěn)態(tài)，這時就應當引入微分控制。微分作用反映系統(tǒng)偏差信號的變化率，具有預見性，能預見誤差變化的趨勢，這樣就能夠提前抑制誤差從而避免了被控量的嚴重超調(diào)。因此，可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。然而微分作用會放大噪聲干擾，微分時間的選擇十分重要，如果微分時間過大則會對系統(tǒng)抗干擾不利

82、，只有在微分時間選擇合適情況下，才能夠減少超調(diào)，減少調(diào)節(jié)時間。此外，微分反應的是變化率，而當輸入沒有</p><p>　　控制器參數(shù)整定的方法很多，歸納起來可分為兩大類：</p><p>　　理論計算整定法 它主要是在已知過程的數(shù)學模型基礎(chǔ)上，依據(jù)控制理論，經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)。由于實驗測定的過程數(shù)學模型不能精確反映過程動態(tài)特性，理論計算的參數(shù)整定值可靠性不高，在現(xiàn)場使用中不一定能

83、夠達到理想的控制效果，還需要反復的調(diào)試。</p><p>　　（2）工程整定方法 它主要依賴工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)試驗中進行控制器參數(shù)整定，而且不需要知道過程完整的數(shù)學模型，使用者不需要具備理論計算所必須控制理論知識，因而方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有穩(wěn)定邊界法、現(xiàn)場經(jīng)驗整定法、動態(tài)特性參數(shù)法和阻尼振蕩法。</p><p>　　在實際

84、的工程之中，一般先通過理論計算得到控制參數(shù)作為工程整定方法的理論依據(jù)，再到控制現(xiàn)場進行整定。</p><p><b>　　5.2方案設(shè)計</b></p><p>　　由于雙容水箱本身存在著容積延遲，系統(tǒng)慣性比較大，下水箱對于擾動的響應在時間上存在滯后。如果采用PID單回路控制，當系統(tǒng)中出現(xiàn)擾動時，控制器通過控制進水閥門的開度來消除擾動對系統(tǒng)的干擾，但是由于上下水箱之間

85、存在液阻，要經(jīng)過一段時間之后才能控制下水箱的液位，這樣的系統(tǒng)反應慢。</p><p>　　與PID單回路控制相比，串級控制有以下幾個優(yōu)點：</p><p>　?。?）串級控制系統(tǒng)對進入副回路的擾動具有較強的克服能力。</p><p>　?。?）由于副回路的存在，明顯改善了對象的特性，提高了系統(tǒng)的工作效率。</p><p>　?。?）串級控制系

86、統(tǒng)具有一定的自適應能力。</p><p>　?。?）提高了系統(tǒng)的魯棒性。</p><p>　　由于串級控制有以上優(yōu)點，在被控對象的容量滯后比較大，調(diào)節(jié)對象的純滯后時間比較長，系統(tǒng)內(nèi)存在激烈且幅值較大的干擾作用，調(diào)節(jié)對象具有較大的非線性特性而且負荷變化較大等場合應用效果顯著。</p><p>　　在本次設(shè)計中采用串級控制技術(shù)，由于其超前的控制作用，可以大大克服雙容水箱

87、普遍存在容積延遲問題?；诖壖夹g(shù)和PLC控制器的雙容液位控制系統(tǒng)則能夠克服雙容水箱普遍存在容積延遲以及PID單回路控制難于達到控制要求的問題。該系統(tǒng)根據(jù)雙容水箱的數(shù)學模型，采用串級控制技術(shù)、PLC控制器、MCGS軟件組態(tài)實現(xiàn)雙容液位的高精度控制實時顯示。控制系統(tǒng)框圖見圖5-2。</p><p>　　圖5-2 串級系統(tǒng)控制框圖</p><p>　　該控制系統(tǒng)由主控制回路與副控制回路兩個回路

88、組成，主控制對象為下水箱，副控制對象為上水箱。下水箱的液位信息反饋回主回路，與系統(tǒng)給定值進行比較得到偏差作為主調(diào)節(jié)器的輸入信號；主調(diào)節(jié)器的輸出作為副調(diào)節(jié)器的給定值與反饋回來的上水箱液位信息經(jīng)過比較后得到偏差作為副調(diào)節(jié)器的輸入信號；副調(diào)節(jié)器的輸出控制調(diào)節(jié)閥，從而達到對水箱水位進行控制的目的。當有二次擾動作用于上水箱之時，如果擾動量不大，經(jīng)過副回路的及時控制一般不會影響到下水箱的液位；但是如果擾動的幅值較大，仍然會改變下水箱的水位，這時就需

89、要主回路進一步調(diào)節(jié)。當有一次擾動作用于下水箱之時，主回路產(chǎn)生校正作用，由于副回路的存在加快了校正作用，使擾動對下水箱水位的影響比單回路控制時要小。由上可知在系統(tǒng)中主調(diào)節(jié)器的任務(wù)是使被控參數(shù)等于給定值，起著定值控制的作用，所以本次設(shè)計主調(diào)節(jié)器采用PID調(diào)節(jié)。副調(diào)節(jié)器起到隨動控制的作用，副參數(shù)的設(shè)置是為了保證主參數(shù)的控制質(zhì)量，其動態(tài)性能和余差無特殊要求，P控制規(guī)律具有控制作用強，余差小的特點，因此副調(diào)節(jié)器一般采用P調(diào)節(jié)器。</p>

90、;<p>　　5.3調(diào)節(jié)器參數(shù)整定</p><p>　　在工程實踐中，串級控制系統(tǒng)常用的整定方法有兩步整定法、逐步逼近法。</p><p>　　這里使用逐步逼近法，其整定步奏如下：</p><p>　?。?）把主回路斷開，使副回路成為一個單回路控制系統(tǒng)，對副回路進行整定，得到較理想的整定參數(shù)。</p><p>　?。?）把副調(diào)節(jié)

91、器的參數(shù)設(shè)定為上步得到的參數(shù)，閉合主回路，把主回路看做一個單回路控制系統(tǒng)，再對主回路的參數(shù)進行整定。</p><p>　?。?）把主調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)定為上步得到的參數(shù)，閉合主副回路，再整定副回路參數(shù)。</p><p>　　若得到的參數(shù)已達到工藝要求，則整定結(jié)束；若達不到要求則需要再次按照上述（1） ～（3）進行整定知道符合要求為止。</p><p>　　本次設(shè)計使用M

92、ATLAB軟件，利用水箱的傳遞函數(shù)，在SIMULINK中對控制系統(tǒng)進行仿真，從而得到主副控制器理論參數(shù)。</p><p>　　5.3.1 MATLAB軟件簡介</p><p>　　美國The MathWorks公司推出的MATLAB語言一直是國際科學界應用和影響最廣泛的三大計算機語言之一。MATLAB主要面對科學計算、可視化以及交互式程序設(shè)計的高科技計算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計算、科學數(shù)

93、據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學研究、工程設(shè)計以及必須進行有效數(shù)值計算的眾多科學領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當今國際科學計算軟件的先進水平。MATLAB主要由以下幾個部分組成：</p><p>　　MATLAB語言體系 MATLAB是高層次的矩陣／數(shù)組語言．具有條件控

94、制、函數(shù)調(diào)用、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、輸入輸出、面向?qū)ο蟮瘸绦蛘Z言特性。MATLAB程序設(shè)計語言集成度高，語句簡介，其程序可靠性高、易于維護，可以大大提高解決問的效率和水平。</p><p>　　MATLAB工作環(huán)境 這是對MATLAB提供給用戶使用的管理功能的總稱．包括管理工作空間中的變量據(jù)輸入輸出的方式和方法，以及開發(fā)、調(diào)試、管理MATLAB文件的各種工具。</p><p>　　(3)圖形圖像系統(tǒng)

95、 這是MATLAB圖形系統(tǒng)的基礎(chǔ)，包括完成2D和3D數(shù)據(jù)圖示、圖像處理、動畫生成、圖形顯示等功能的高層MATLAB命令，也包括用戶對圖形圖像等對象進行特性控制的低層MATLAB命令，以及開發(fā)GUI應用程序的各種工具。 </p><p>　　(4)MATLAB數(shù)學函數(shù)庫 這是對MATLAB使用的各種數(shù)學算法的總稱．包括各種初等函數(shù)的算法，也包括矩陣運算、矩陣分析等高層次數(shù)學算法。 </p><

96、;p>　　(5)MATLAB應用程序接口(API) 這是MATLAB為用戶提供的一個函數(shù)庫，使得用戶能夠在MATLAB環(huán)境中使用C程序或FORTRAN程序，包括從MATLAB中調(diào)用于程序(動態(tài)鏈接)，讀寫MAT文件的功能。 </p><p>　　在這里主要用到的是MATLAB中的SIMULINK工具箱。通過SIMULINK工具箱根據(jù)前文的水箱模型傳遞函數(shù)對串級控制系統(tǒng)進行仿真，模擬出被控系統(tǒng)的階躍響應曲線，

97、再對主副調(diào)節(jié)器的PID參數(shù)進行調(diào)整，得到主、副控制器的初步整定參數(shù)。</p><p>　　5.3.2副回路參數(shù)整定</p><p>　　打開MATLAB軟件點擊SIMULINK圖標彈出SIMULINK工具箱，在SIMULINK工具箱之中點擊新建，創(chuàng)建一個新的窗口，在SIMULINK工具箱中選擇階躍信號模塊、PID模塊、示波器模塊、傳遞函數(shù)模塊、輸出模塊拖放至窗口之中，搭建出系統(tǒng)的副回路，把

98、躍信號模塊設(shè)置為在時間為0時對系統(tǒng)加入大小為10的階躍信號，在傳遞函數(shù)模塊之中輸入上水箱傳遞函數(shù)。如圖5-3所示。</p><p>　　圖5-3 副回路仿真圖</p><p>　　根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)在液位中PID參數(shù)的取值范圍為：P=20~80%，T=60~300s，把參數(shù)P的值由小到大進行設(shè)定并比較系統(tǒng)的階躍曲線，在階躍響應曲線較理想的情況之下盡量選擇較小的P參數(shù)。經(jīng)過反復試驗測得當=45時，

99、其階躍響應曲線比較理想，見圖5-4。</p><p>　　圖5-4 副回路階躍響應曲線</p><p>　　5.3.3主回路參數(shù)整定</p><p>　　在上述副回路的基礎(chǔ)之上加入主回路，形成串級控制系統(tǒng)，如下圖所示：</p><p>　　圖5-5 串級控制系統(tǒng)仿真圖</p><p>　　把副控制器的放大系數(shù)設(shè)置為45

100、，主控制器的積分時間、微分時間都設(shè)置為零，然后對放大系數(shù)進行整定。整定好放大系數(shù)之后再整定積分時間，然后在整定微分時間。經(jīng)過反復試驗得到=45，=30，=10時階躍響應曲線比較理想，見圖5-6。</p><p>　　圖5-6 串級控制階躍響應曲線</p><p>　　5.3.4抗干擾能力驗證</p><p>　?。?）主回路抗干擾能力</p><

101、p>　　在系統(tǒng)的主回路之中加入階躍值為40的一次擾動信號，主副調(diào)節(jié)器的參數(shù)不變，如圖5-7所示。</p><p>　　圖5-7 加入一次擾動仿真圖</p><p>　　運行之后得到響應曲線見圖5-8。 </p><p>　　圖5-8 一次擾動響應曲線</p><p>　　由圖可知在系統(tǒng)在受到一次擾動信號

102、的干擾之后，能夠很短的時間內(nèi)消除干擾，具有響應時間快、超調(diào)量小、靜態(tài)偏差小的特點。</p><p>　?。?）副回路抗干擾能力</p><p>　　在系統(tǒng)的副回路之中加入階躍值為40的二次擾動信號，主副調(diào)節(jié)器的參數(shù)不變，如圖5-9所示。</p><p>　　圖5-9 加入一次擾動仿真圖</p><p>　　運行之后得到響應曲線見圖5-10。

103、</p><p>　　圖5-10 二次擾動響應曲線</p><p>　　由圖可知相同大小的干擾信號加入到副回路之時，對系統(tǒng)輸出的影響遠小于加入到主回路，說明系統(tǒng)的副回路具有良好的抗干擾能力，大大降低了二次擾動對整個系統(tǒng)的影響。</p><p>　　第6章 組態(tài)界面設(shè)計</p><p><b>　　6.1總體設(shè)計</b>

104、;</p><p>　?。?）工程的框架結(jié)構(gòu) </p><p>　　工程定義的名稱為“雙容水箱水位控制系統(tǒng).mcg”工程文件。根據(jù)設(shè)計的要</p><p>　　求總共建立了兩個用戶窗口，分別用于水位控制以及各種數(shù)據(jù)的顯示；四個主菜</p><p>　　單：控制顯示、報警數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)顯示、水箱歷史數(shù)據(jù)，構(gòu)成了該工程的基本骨架。</p

105、><p>　　動畫圖形的制作 </p><p>　　水位控制窗口是一幅模擬系統(tǒng)真實工作流程并實施監(jiān)控操作的動畫窗口，是</p><p>　　打開工程時首先顯示的圖形窗口(啟動窗口)。包括：</p><p>　　①水位控制系統(tǒng)：由水泵、上水箱、下水箱和閥門組成，這些元件由“對象元件庫管理”調(diào)入；儲水水箱則是由標簽表示；管道通過流動塊勾

106、畫再經(jīng)過動畫屬性設(shè)置賦予其動畫功能。</p><p>　?、谒康娘@示：通過標簽構(gòu)件實現(xiàn)。</p><p>　?、蹐缶瘎赢嬶@示：由“對象元件庫管理”調(diào)入。</p><p>　　控制流程的實現(xiàn) </p><p>　　選用策略構(gòu)件箱中的“腳本程序”功能構(gòu)件，設(shè)置構(gòu)件的屬性，編制控制程序，實現(xiàn)水位、水泵、電動調(diào)節(jié)閥有效控制。</

107、p><p>　　（4）各種功能的實現(xiàn) </p><p>　　該工程應該實現(xiàn)：歷史曲線、歷史數(shù)據(jù)的顯示，報警顯示，調(diào)節(jié)器PID參</p><p><b>　　數(shù)在線修改等功能。</b></p><p>　?、贇v史曲線：選用歷史曲線構(gòu)件實現(xiàn)；</p><p>　?、跉v史數(shù)據(jù)：選用歷史表格構(gòu)件實

108、現(xiàn)；</p><p>　?、蹐缶@示：選用報警顯示構(gòu)件實現(xiàn)；</p><p>　　④調(diào)節(jié)器PID參數(shù)在線修改：通過按鈕輸入實現(xiàn)；</p><p>　?、菔謩优c自動控制方式的選擇，PLC運行狀態(tài)的控制都是由按鈕操作實現(xiàn)。</p><p>　?、薰こ虉蟊恚簹v史數(shù)據(jù)選用存盤數(shù)據(jù)瀏覽策略構(gòu)件實現(xiàn)，報警歷史數(shù)據(jù)選用報警信息瀏覽策略構(gòu)件實現(xiàn)，實時報表選用

109、自由表格構(gòu)件實現(xiàn)，歷史報表選用歷史表格構(gòu)件實現(xiàn)。</p><p>　　6.2 具體組態(tài)過程</p><p>　　6.2.1水箱動畫界面</p><p>　　進入MCGS組態(tài)界面新建一個工程，定義工程的名稱為“雙容水箱水位控制系統(tǒng).mcg”并保存。在工作臺中點擊“用戶窗口”中的“新建窗口”建立兩個新窗口并分別命名為“水位控制”“數(shù)據(jù)顯示”如圖。水位控制窗口主要由雙容水

110、箱動畫界面，報警裝置，PID參數(shù)顯示等部分組成；數(shù)據(jù)顯示窗口完成水箱水位的實時顯示。</p><p>　　雙擊“水位控制”窗口建立水箱動畫，雙容水箱動畫界面由一個水泵、上水箱、下水箱和4個閥門組成，管道通過流動塊勾畫。其主要的工作流程為水泵將水箱中的“水”抽出來經(jīng)過調(diào)節(jié)閥送入上水箱中，上水箱中的“水”通過手動閥3流入下水箱，下水箱的“水”經(jīng)過手動閥4流入儲水水箱中。手動閥2的主要作用是為下水箱添加擾動。調(diào)節(jié)閥的開

111、度可以通過PLC進行控制，通過控制調(diào)節(jié)閥的開度便可以控制上水箱入水的流量從而控制水箱水位。其整體畫面如圖6-1所示。</p><p>　　圖6-1 水箱動畫界面</p><p>　　6.2.2定義數(shù)據(jù)變量</p><p>　　實時數(shù)據(jù)庫是MCGS工程的數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)處理中心，MCGS對水箱的監(jiān)控都是通過對實時數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行控制來實現(xiàn)的。</p>&

112、lt;p>　　在實時數(shù)據(jù)庫中新建數(shù)據(jù)對象，按照表6-1對這些變量進行定義。</p><p>　　表6-1 數(shù)據(jù)變量一覽表</p><p><b>　　6.2.3動畫連接</b></p><p>　　由圖形原件搭建出來的圖形界面并非動態(tài)的，要整個界面動起來則需要把界面中的各個器件與實時數(shù)據(jù)庫中的相應數(shù)據(jù)連接起來，器件把它所對應的數(shù)據(jù)變化通過

113、一定的方式顯現(xiàn)出來。下面以數(shù)據(jù)庫中液位1以及流動塊的變量連接為例說明動畫連接過程。</p><p>　　雙擊水箱動畫界面中的上水箱便會彈出單元屬性設(shè)置窗口，在動畫連接一欄中點擊“折線”標志進入動畫組態(tài)屬性設(shè)置窗口，在大小變化中點擊“問號”選擇液位1，表達式的值設(shè)置為33，其它不變，點擊確定之后，變量連接完成。水泵、閥門的連接與此相似。</p><p><b>　　圖6-2 變量連

114、接</b></p><p>　　流動塊的動態(tài)連接則與此不同，雙擊水箱動畫界面中的流動快便會彈出流動塊構(gòu)建屬性設(shè)置窗口，在流動屬性一欄中需要填寫流動塊的表達式。該表達式是流動快動態(tài)連接的關(guān)鍵，該表達是需要根據(jù)流動塊在界面之中的具體位置來確定。如上水箱下面的流動塊的表達式應該為：手動閥3=1，其意義為當手動閥3打開時流動塊流動表示有水流通過。</p><p>　　6.2.4水位數(shù)據(jù)