摘要 Abstract: 21概述 1.1過程控制介紹 1.2液位串級(jí)控制系統(tǒng)介紹 1.3MATLAB軟件介紹 1.4MCGS組態(tài)軟件介紹 2被控對(duì)象建模 2.1水箱模型分析 2.2階躍響應(yīng)曲線法建立模型 3系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)和仿真 3.1PID控制原理 3.2系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì) 3.2控制系統(tǒng)仿真 4建立儀表過程控制系統(tǒng) 4.1過程儀表介紹 4.2儀表過程控制系統(tǒng)的組建 4.3儀表過程控制系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)行 5建立計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng) 5.1計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 5.2MCGS軟件工程組態(tài) 5.3計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)行 6結(jié)論 雙容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)摘要:本論文的目的是設(shè)計(jì)雙容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)中充分利用自動(dòng)化儀表技術(shù),計(jì)算機(jī)技術(shù),通訊技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù),以實(shí)現(xiàn)對(duì)水箱液位的串級(jí)控制。首先對(duì)被控對(duì)象的模型進(jìn)行分析,并采用實(shí)驗(yàn)建模法求取模型的傳遞函數(shù)。其次,根據(jù)被控對(duì)象模型和被控過程特性設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng),采用動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)對(duì)控制系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析。然后,設(shè)計(jì)并組建儀表過程控制系統(tǒng),通過智能調(diào)節(jié)儀表實(shí)現(xiàn)對(duì)液位的串級(jí)PID控制。最后,借助數(shù)據(jù)采集模塊、MCGSS態(tài)軟件和數(shù)字控制器,設(shè)計(jì)并組建遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng),完成控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和結(jié)果分析。關(guān)鍵詞:液位模型PID控制儀表過程控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)1.2液位串級(jí)控制系統(tǒng)介紹在工業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中,液位是過程控制系統(tǒng)的重要被控量,在石油、化工、環(huán)保、水處理、冶金等行業(yè)尤為重要。在工業(yè)生產(chǎn)過程自動(dòng)化中,常常需要對(duì)某些設(shè)備和容器的液位進(jìn)行測(cè)量和控制。通過液位的檢測(cè)和控制,了解容器中的原料、半成品或成品的數(shù)量,以便調(diào)節(jié)容器內(nèi)的輸入輸出物料的平衡,保證生產(chǎn)過程中各環(huán)節(jié)的物料搭配得當(dāng)。通過控制計(jì)算機(jī)可以不斷監(jiān)控生產(chǎn)的運(yùn)行過程,即時(shí)地監(jiān)視或控制容器液位,保證產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。如果控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)欠妥,會(huì)造成生產(chǎn)中對(duì)液位控制的不合理,導(dǎo)致原料的浪費(fèi)、產(chǎn)品的不合格,甚至造成生產(chǎn)事故,所以設(shè)計(jì)一個(gè)良好的液位控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中有著重要的實(shí)際意義。在液位串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中將以THJ-2高級(jí)過程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為基礎(chǔ),展開設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)及工程實(shí)現(xiàn)的工作。雖然是采用傳統(tǒng)的串級(jí)PID控制的方法,但是將利用智能調(diào)節(jié)儀表、數(shù)據(jù)采集模塊和計(jì)算機(jī)控制來實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的組建,努力使系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)性能,改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。2被控對(duì)象建模在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作中,需要針對(duì)被控過程中的合適對(duì)象建立數(shù)學(xué)模型。被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型是設(shè)計(jì)過程控制系統(tǒng)、確定控制方案、分析質(zhì)量指標(biāo)、整定調(diào)節(jié)器參數(shù)等的重要依據(jù)。被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型(動(dòng)態(tài)特性)是指過程在各輸入量(包括控制量和擾動(dòng)量)作用下,其相應(yīng)輸出量(被控量)變化函數(shù)關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式。在液位串級(jí)控制系統(tǒng)中,我們所關(guān)心的是如何控制好水箱的液位。上水箱和下水箱是系統(tǒng)的被控對(duì)象,必須通過測(cè)定和計(jì)算他們模型,來分析系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能、動(dòng)態(tài)特性,為其他的設(shè)計(jì)工作提供依據(jù)。上水箱和下水箱為THJ-2高級(jí)過程控制實(shí)驗(yàn)裝置中上下兩個(gè)串接的有機(jī)玻璃圓筒形水箱,另有不銹鋼儲(chǔ)水箱負(fù)責(zé)供水和儲(chǔ)水。上水箱尺寸為:d=25cm,h=20cm;下水箱尺寸為:d=35cm,h=20cm,每個(gè)水箱分為三個(gè)槽:緩沖槽、工作槽、出水槽。2.1水箱模型分析Qi圖2.1液位被控過程簡明原理圖系統(tǒng)中上水箱和下水箱液位變化過程各是一個(gè)具有自衡能力的單容過程。如圖,水箱的流入量為Q,流出量為Q,通過改變閥1的開度改變Q值,改變閥2的開度可以改變Q值。液位h越高,水箱內(nèi)的靜壓力增大,Q2也越大。液位h的變化反映了Q和Q不等而導(dǎo)致水箱蓄水或?yàn)a水的過程。若Q作為被控過程的輸入量,h為其輸出量,則該被控過程的數(shù)學(xué)模型就是h和Q之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式。根據(jù)動(dòng)態(tài)物料平衡,Q-Q2=A(dh/dt);△Q-△Q=A(d△h/dt)在靜態(tài)時(shí),Q=Q,dh/dt=0;當(dāng)Q發(fā)生變化后,液位h隨之變化,水箱出口處的靜壓也隨之變化,Q也發(fā)生變化。由流體力學(xué)可知,液位h和流量之間為非線性關(guān)系。但為了簡便起見,做線性化處理得Q2=Ah/R2,經(jīng)拉氏變換得單容液位過程的傳遞函數(shù)為W(s)=H(s)/Qi(s)=R2/(R2CS+1)=K/(TS+1)注:△Q、△Q、△h:分別為偏離某一個(gè)平衡狀態(tài)Qo、Qo、he的增量。甩閥2的阻力A:水箱截面積T:液位過程的時(shí)間常數(shù)(T=R2C)K:液位過程的放大系數(shù)(K=Rz)C:液位過程容量系數(shù)圖2.2水箱模型測(cè)定原理圖3?求取上水箱模型傳遞函數(shù)在MATLAB的命令窗口輸入曲線擬合指令:>>x=0:30:420;>>y=[06.8811.6315.0717.719.6921.1521.9422.5523.4423.6323.8424.1424.2524.27];>>p=polyfit(x,y,4);>>xi=0:3:420;>>yi=polyval(p,xi);>>plot(x,y,'b:o'xi,yi,'r')。在MATLAB^繪出曲線如下:圖2.5上水箱擬合曲線注:圖中曲線為擬合曲線,圓點(diǎn)為原數(shù)據(jù)點(diǎn)。數(shù)據(jù)點(diǎn)和曲線基本擬合。如圖所示,利用四階多項(xiàng)式近似擬合上水箱的響應(yīng)曲線,得到多項(xiàng)式的表達(dá)式:P(t)-1.8753e(-009)t4+2.2734e(-006)t3-0.0010761t2+0.24707t+0.13991。根據(jù)曲線采用切線作圖法計(jì)算上水箱特性參數(shù),當(dāng)階躍響應(yīng)曲線在輸入量x(t)產(chǎn)生階躍的瞬間,即t=0時(shí),其曲線斜率為最大,然后逐漸上升到穩(wěn)態(tài)值,該響應(yīng)曲線可用一階慣性環(huán)節(jié)近似描述,需確定K和T。而斜率K為P(t)在t=0的導(dǎo)數(shù)P'(0)=0.24707,以此做切線交穩(wěn)態(tài)值于A點(diǎn),A點(diǎn)映射在t軸上的B點(diǎn)的值為To圖2.6上水箱模型計(jì)算曲線階躍響應(yīng)擾動(dòng)值為10,靜態(tài)放大系數(shù)為階躍響應(yīng)曲線的穩(wěn)態(tài)值y(::)x0v(°°)245之比k0,所以上水箱傳遞函數(shù)為G2(s)二x099.16S+14.下水箱模型建立在MATLAB的命令窗口輸入曲線擬合指令:>>x=0:30:1650;>>y=[03.176.269.5112.5415.518.420.7722.9825.0526.8528.8630.5932.3233.6935.1636.4237.7439.0240.0941.1642.0242.9443.4744.4345.1745.8146.4146.9947.447.7948.2448.7749.1749.3449.6549.9150.3750.8251.0451.5151.7852.0652.3152.3952.5952.6352.9253.1853.2653.353.3653.5453.6453.853.8];>>p=polyfit(x,y,4);>>xi=0:3:1650;>>yi=polyval(p,xi);>>plot(x,y,'b:o'xi,yi,'r')。在MATLAB中繪出曲線如下:圖2.7下水箱擬合曲線注:圖中曲線為擬合曲線,圓點(diǎn)為原數(shù)據(jù)點(diǎn)。數(shù)據(jù)點(diǎn)和曲線基本擬合。如圖所示,利用四階多項(xiàng)式近似擬合下水箱的響應(yīng)曲線,得到多項(xiàng)式的表達(dá)式432P(t)=-1.1061e(-011)t+5.7384(e-008)t-0.00011849t+0.12175t-0.31385.根據(jù)曲線采用切線作圖法計(jì)算下水箱特性參數(shù),當(dāng)階躍響應(yīng)曲線在輸入量x(t)產(chǎn)生階躍的瞬間,即t=0時(shí),其曲線斜率為最大,然后逐漸上升到穩(wěn)態(tài)值,該響應(yīng)曲線可用一階慣性環(huán)節(jié)近似描述,需確定K和T.而斜率K為P(t)在t=0的導(dǎo)數(shù)P'(0)=0.12175,以此做切線交穩(wěn)態(tài)值于A點(diǎn),A點(diǎn)映射在t軸上的B點(diǎn)的值為T。圖2.8下水箱模型計(jì)算曲線545之比kO二yCil,所以下水箱傳遞函數(shù)為G(—。xO447.63S+1在實(shí)驗(yàn)建模的過程中,實(shí)驗(yàn)測(cè)取的被控對(duì)象為廣義的被控對(duì)象,其動(dòng)態(tài)特性包括了調(diào)節(jié)閥和測(cè)量變送器,即廣義被控對(duì)象的傳遞函數(shù)為Gp(s)二Gv(s)G(s)Gm(s),Gv(s)為調(diào)階躍響應(yīng)擾動(dòng)值為10,靜態(tài)放大系數(shù)為階躍響應(yīng)曲線的穩(wěn)態(tài)值y(::)x0節(jié)閥的傳遞函數(shù),Gm(s)為測(cè)量變送器的傳遞函數(shù)。3系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)和仿真*?比例Pr(y(t)r(積分1—?X+被控對(duì)象3.1PID控制原理圖3.1PID控制基本原理圖PID控制器是一種線性負(fù)反饋控制器,根據(jù)給定值r(t)和實(shí)際值y(t)構(gòu)成控制偏差:e(t)=r(t)-y(t)PID控制規(guī)律為:1r+U=Kpdt微分D或以傳遞函數(shù)形式表示:G(?冷p(1TsTds)式中,?比例系數(shù)TI:積分時(shí)間常數(shù)TD:微分時(shí)間常數(shù)PID控制器各控制規(guī)律的作用如下:(1)比例控制(P):比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出和輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系,能較快克服擾動(dòng),使系統(tǒng)穩(wěn)定下來。但當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差(2)積分控制(I):在積分控制中,控制器的輸出和輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng),如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差,則稱此控制系統(tǒng)是有差系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差,在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差的累積取決于時(shí)間的積分,隨著時(shí)間的增加,積分項(xiàng)會(huì)越大。這樣,即便誤差很小,積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大,它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小,直到等于零。但是過大的積分速度會(huì)降低系統(tǒng)的穩(wěn)定程度,出現(xiàn)發(fā)散的振蕩過程。比例+積分(PI)控制器,可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。(3)微分控制(D):在微分控制中,控制器的輸出和輸入誤差信號(hào)的微分(即誤差的變化率)成正比關(guān)系。自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性環(huán)節(jié)或有滯后環(huán)節(jié),具有抑制誤差的作用,其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”,即在誤差接近零時(shí),抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。所以在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠的,比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值,而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”,它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì),這樣具有比例+微分的控制器,就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零,甚至為負(fù)值,從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。特別對(duì)于有較大慣性或滯后環(huán)節(jié)的被控對(duì)象,比例積分控制能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動(dòng)態(tài)特性。PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容,應(yīng)根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。1?臨界比例法。在閉合控制系統(tǒng)中,把調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間T置于最大,微分時(shí)間TD置零,比例度3置于較大數(shù)值,把系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行,將調(diào)節(jié)器的比例度3由大到小逐漸減小,得到臨界振蕩過程,記錄下此時(shí)的臨界比例度3k和臨界振蕩周期Tk。根據(jù)以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算調(diào)節(jié)器參數(shù):調(diào)節(jié)器參數(shù)控制規(guī)律3TITDP23kPI2.23kTK/1.2PID1.63k0.5Tk0.25Tk表3.1臨界振蕩整定計(jì)算公式2.阻尼振蕩法。在閉合控制系統(tǒng)中,把調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間TI置于最大,微分時(shí)間TD置零,比例度3置于較大數(shù)值反復(fù)做給定值擾動(dòng)實(shí)驗(yàn),并逐漸減少比例度,直至記錄曲線出現(xiàn)4:1的衰減為止。記錄下此時(shí)的4:1衰減比例度3k和衰減周期Tk。根據(jù)以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算調(diào)節(jié)器參數(shù):調(diào)節(jié)器參數(shù)控制規(guī)律3TITDP3SPI1.23S0.5TSPID0.83S0.3TS0.1TS表3.2阻尼振蕩整定計(jì)算公式3.反應(yīng)曲線法若被控對(duì)象為一階慣性環(huán)節(jié)或具有很小的純滯后,則可根據(jù)系統(tǒng)開環(huán)廣義過程測(cè)量變送器階躍響應(yīng)特性進(jìn)行近似計(jì)算。在調(diào)節(jié)閥的輸入端加一階躍信號(hào),記錄測(cè)量變送器的輸出響應(yīng)曲線,并根據(jù)該曲線求出代表廣義過程的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)。3.2系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)1?控制系統(tǒng)性能指標(biāo)(1)靜態(tài)偏差:系統(tǒng)過渡過程終了時(shí)的給定值和被控參數(shù)穩(wěn)態(tài)值之差。(2)衰減率:閉環(huán)控制系統(tǒng)被施加輸入信號(hào)后,輸出響應(yīng)中振蕩過程的衰減指標(biāo),即振蕩經(jīng)過一個(gè)周期以后,波動(dòng)幅度衰減的百分?jǐn)?shù)。為了保證系統(tǒng)足夠的穩(wěn)定程度,一般衰減率在0.75-0.9。(3)超調(diào)量:輸出響應(yīng)中過渡過程開始后,被控參數(shù)第一個(gè)波峰值和穩(wěn)態(tài)值之差,占穩(wěn)態(tài)值的百分比,用于衡量控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程的準(zhǔn)確性。(4)調(diào)節(jié)時(shí)間:從過渡過程開始到被控參數(shù)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)值-5%—+5%范圍所需的時(shí)間2.方案設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)建立的串級(jí)控制系統(tǒng)由主副兩個(gè)控制回路組成,每一個(gè)回路又有自己的調(diào)節(jié)器和控制對(duì)象。主回路中的調(diào)節(jié)器稱主調(diào)節(jié)器,控制主對(duì)象。副回路中的調(diào)節(jié)器稱副調(diào)節(jié)器,控制副對(duì)象。主調(diào)節(jié)器有自己獨(dú)立的設(shè)定值R,他的輸出ml作為副調(diào)節(jié)器的給定值,副調(diào)節(jié)器的輸出m2控制執(zhí)行器,以改變主參數(shù)c2.通過針對(duì)雙容水箱液位被控過程設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng),將努力使系統(tǒng)的輸出響應(yīng)在穩(wěn)態(tài)時(shí)系統(tǒng)的被控制量等于給定值,實(shí)現(xiàn)無差調(diào)節(jié),并且使系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能,較塊的響應(yīng)速度。當(dāng)有擾動(dòng)f1(t)作用于副對(duì)象時(shí),副調(diào)節(jié)器能在擾動(dòng)影響主控參數(shù)之前動(dòng)作,及時(shí)克服進(jìn)入副回路的各種二次擾動(dòng),當(dāng)擾動(dòng)f2(t)作用于主對(duì)象時(shí),由于副回路的存在也應(yīng)使系統(tǒng)的響應(yīng)加快,使主回路控制作用加強(qiáng)。圖3.2串級(jí)控制系統(tǒng)框圖(1)被控參數(shù)的選擇應(yīng)選擇被控過程中能直接反映生產(chǎn)過程能夠中的產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量,又易于測(cè)量的參數(shù)。在雙容水箱控制系統(tǒng)中選擇下水箱的液位為系統(tǒng)被控參數(shù),因?yàn)橄滤涞囊何皇钦麄€(gè)控制作用的關(guān)鍵,要求液位維持在某給定值上下。如果其調(diào)節(jié)欠妥當(dāng),會(huì)造成整個(gè)系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)的失敗,且現(xiàn)在對(duì)于液位的測(cè)量有成熟的技術(shù)和設(shè)備,包括直讀式液位計(jì)、浮力式液位計(jì)、靜壓式液位計(jì)、電磁式液位計(jì)、超聲波式液位計(jì)等。(2)控制參數(shù)的選擇從雙容水箱系統(tǒng)來看,影響液位有兩個(gè)量,一是通過上水箱流入系統(tǒng)的流量,二是經(jīng)下水箱流出系統(tǒng)的流量。調(diào)節(jié)這兩個(gè)流量都可以改變液位的高低。但當(dāng)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥突然斷電關(guān)斷時(shí),后一種控制方式會(huì)造成長流水,導(dǎo)致水箱中水過多溢出,造成浪費(fèi)或事故。所以選擇流入系統(tǒng)的流量作為控制參數(shù)更合理一些。(3)主副回路設(shè)計(jì)為了實(shí)現(xiàn)液位串級(jí)控制,使用雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)。副回路應(yīng)對(duì)于包含在其內(nèi)的二次擾動(dòng)以及非線性參數(shù)、較大負(fù)荷變化有很強(qiáng)的抑制能力和一定的自適應(yīng)能力。主副回路時(shí)間常數(shù)之比應(yīng)在3到10之間,以使副回路既能反應(yīng)靈敏,又能顯著改善過程特性。下水箱容量滯后和上水箱相比較大,而且控制下水箱液位是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心問題,所以選擇主對(duì)象為下水箱,副對(duì)象為上水箱,。(4)控制器的選擇根據(jù)雙容水箱液位系統(tǒng)的過程特性和數(shù)學(xué)模型選擇控制器的控制規(guī)律。為了實(shí)現(xiàn)液位串級(jí)控制,使用雙閉環(huán)結(jié)構(gòu),主調(diào)節(jié)器選擇比例積分微分控制規(guī)律(PID),對(duì)下水箱液位進(jìn)行調(diào)節(jié),副調(diào)節(jié)器選擇比例控制率(P),對(duì)上水箱液位進(jìn)行調(diào)節(jié),并輔助主調(diào)節(jié)器對(duì)于系統(tǒng)進(jìn)行控制,整個(gè)回路構(gòu)成雙環(huán)負(fù)反饋系統(tǒng)。3.2控制系統(tǒng)仿真通過MATLAB^的SIMULINK工具箱可以動(dòng)態(tài)的模擬所的構(gòu)造系統(tǒng)的響應(yīng)曲線,以控制框圖代替了程序的編寫,只需要選擇合適仿真設(shè)備,添加傳遞函數(shù),設(shè)置仿真參數(shù)。下面根據(jù)前文的水箱模型傳遞函數(shù)對(duì)串級(jí)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真,以模擬實(shí)際中的階躍響應(yīng)曲線,考察串級(jí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案是否合理。2.^5IO2.^5IO6.46QQ.liBs+lriarwTerFenTransferFcfil1.階躍響應(yīng)性能k1jn>uJISwitch圖3.3SIMULINK仿真框圖通過手動(dòng)切換FItranualSwitch)可以實(shí)現(xiàn)副回路的引入和切除,以了解副回路對(duì)控制性能的影響,比較串級(jí)控制和非串級(jí)控制對(duì)雙容水箱液位的控制能力。在時(shí)間為0時(shí)對(duì)系統(tǒng)加入大小為30的階躍信號(hào),設(shè)置主控制器PID參數(shù)K=60TI=50TD=3;副控制器P參數(shù)為&=50,在初始點(diǎn)加40點(diǎn)階躍輸入量觀察階躍響應(yīng)曲線。圖3.5MATLAB不加入副回路仿真曲線圖3.4為加入副回路時(shí)的仿真曲線:圖3.5為切除副回路時(shí)的仿真曲線.由3.4和3.5兩圖對(duì)比可見,引入副回路組成雙容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)后動(dòng)態(tài)特性比不加入副回路的控制系統(tǒng)有了很大的改善,提高了系統(tǒng)的工作頻率,對(duì)被控對(duì)象的調(diào)節(jié)能力更強(qiáng)。2?抗擾動(dòng)能力維持初始階躍信號(hào)不變,并在副回路中加入擾動(dòng)信號(hào),觀察響應(yīng)曲線.在400s經(jīng)過慣性環(huán)節(jié)向副回路加入階躍值為70的擾動(dòng)信號(hào)?？刂破鲄?shù)不變。圖3.6SIMULINK仿真框圖%%F皿D圖3.7MATLAB加入副回路仿真曲線圖3.8MATLAB不加入副回路仿真曲線圖3.7為加入副回路時(shí)的仿真曲線:圖3.8為切除副回路時(shí)的仿真曲線.由圖3.7和圖3.8對(duì)比可見,引入副回路組成雙容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)后能夠很好的克服進(jìn)入副回路的擾動(dòng),及時(shí)消除擾動(dòng)對(duì)主參數(shù)的影響.在克服二次擾動(dòng)方面串級(jí)控制比不加副回路的非串級(jí)控制好。綜上所述,選擇串級(jí)PID控制的設(shè)計(jì)方案完成對(duì)水箱液位的控制調(diào)節(jié)應(yīng)當(dāng)是可行的.而且在改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性、抗擾動(dòng)能力等方面和非串級(jí)控制系統(tǒng)是較為有效的。但是仿真曲線只是在計(jì)算機(jī)上通過對(duì)實(shí)際系統(tǒng)仿真得到的較理想的模擬曲線.實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)必須綜合考慮各方面的因素,不可能得到和計(jì)算機(jī)仿真一致的理想曲線和控制性能。4建立儀表過程控制系統(tǒng)以下將基于THJ-2高級(jí)過程控制實(shí)驗(yàn)裝置和相關(guān)儀表儀器組建儀表過程控制系統(tǒng),包括被控對(duì)象系統(tǒng)、智能儀表控制臺(tái)及監(jiān)控計(jì)算機(jī)三部分組成。4.1過程儀表介紹1?檢測(cè)、變送裝置采用工業(yè)用的BP800型擴(kuò)散硅壓力變送器對(duì)水箱液位變化進(jìn)行測(cè)量,含不銹鋼隔離模片,同時(shí)采用信號(hào)隔離技術(shù),對(duì)傳感器溫度漂移跟隨補(bǔ)償。當(dāng)水箱中注水導(dǎo)致液位變化時(shí),BP800壓力變送器對(duì)被控過程中的流體壓力進(jìn)行測(cè)量,過程壓力通過壓力傳感器將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào),經(jīng)差分放大器、輸出放大器放大后,再經(jīng)過V/A轉(zhuǎn)換器,轉(zhuǎn)換為和輸入壓力成線性對(duì)應(yīng)關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)電流輸出信號(hào)。BP800型壓力變送器技術(shù)指標(biāo)如下:被測(cè)介質(zhì):液體機(jī)械保護(hù):IP65測(cè)量范圍:-100KPa一100MPa防爆等級(jí):IanCT5輸出:420mADC二線制關(guān)聯(lián)設(shè)備:EXZ231B安全柵準(zhǔn)確度:0.5級(jí)溫度極限:-10一80。C40一120。C零點(diǎn)溫度系數(shù):小于0.02%/°C過載極限:額疋量程的1.5一3倍滿程溫度系數(shù):小于0.02%/。C相對(duì)濕度:小于95%電源電壓:24DC二線制負(fù)載電阻:<750歐姆表4.1壓力變送器技術(shù)指標(biāo)2?執(zhí)行機(jī)構(gòu)(1)水泵采用16CQ-8P型磁力驅(qū)動(dòng)泵,流量為32升/分,揚(yáng)程為8米,功率為180W.為三相380恒壓供水輸入。(2)調(diào)節(jié)閥采用QSVP-16K型電動(dòng)調(diào)節(jié)閥實(shí)現(xiàn)對(duì)雙容水箱液位系統(tǒng)進(jìn)水量的控制。其由QSL智能型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和閥門組合構(gòu)成。通過將壓力變送器檢測(cè)到的電壓/電流信號(hào)輸入到QSL電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的智能放大器,和來自位置信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的開度信號(hào)相比較并放大后,向消除其偏差的方向驅(qū)動(dòng)并控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),以改變調(diào)節(jié)閥的開度,同時(shí)將閥門開度的隔離信號(hào)反饋給控制系統(tǒng)。當(dāng)其偏差值達(dá)到零時(shí),電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。閥開關(guān)形式:電開式動(dòng)作速度:0.25mm/s輸入控制信號(hào):4一20mADC/1一5VDC流量特性:直線輸出信號(hào):4一20mADC額定流量系數(shù)Kv:1.2輸入阻抗:250Q/500Q介質(zhì)溫度:-4一200。C輸出最大負(fù)載:<500Q死區(qū):<±1.0%電源:220V/50Hz回差:<±1.0%公稱直徑:20mm可調(diào)范圍:50:1公稱壓力:1.6MPa防護(hù)等級(jí):IP65行程:10mm功耗:5VA表4.2電動(dòng)調(diào)節(jié)閥技術(shù)指標(biāo)3?控制器在儀表過程控制系統(tǒng)中,使用智能調(diào)節(jié)儀表作為控制器。采用上海萬訊儀表有限公司的AI-808型儀表,采用AI人工智能調(diào)節(jié)方式,內(nèi)含PID調(diào)節(jié)算法。其可以在誤差較大時(shí)運(yùn)用模糊算法進(jìn)行調(diào)節(jié),以消除PID積分飽和現(xiàn)象;當(dāng)誤差趨小時(shí),采用改進(jìn)后的PID算法調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)優(yōu)化效果。選用的AI-808P型儀表技術(shù)指標(biāo)如下:熱電偶輸入:K、S、R、E、J等響應(yīng)時(shí)間:<0.5s熱電阻輸入:Cu50、Pt100調(diào)節(jié)方式::線性電壓輸入:05V輸出規(guī)格:4一20mA線性電流輸入:420mA報(bào)警功能:上限、下限、正負(fù)偏差測(cè)量范圍:-1999一9999電源:100一240VAC/50HZ測(cè)量精度:0.2級(jí)環(huán)境溫度:0一50表4.3智能儀表技術(shù)指標(biāo)AI-808P引腳說明:引腳號(hào)引腳名稱引腳定義1Vin0-5V1-5V輸入2lexec+作為Vin的地3Sense+0-5V1-5V輸入4Sense-作為Sense+的地5lout-4-20mA輸出負(fù)端7lout+4-20mA輸出正端9ACL電源火線10ACN電源地線11(13)AL1+(AL1-)和AL1-(AL2-)構(gòu)成報(bào)警14(16)AL2+(AL2-)和AL1+(AL2+)構(gòu)成報(bào)警18(17)Data+(Data-)RS-485接口數(shù)據(jù)線19(20)I/V變換內(nèi)接電阻將電流變?yōu)殡妷?(12)(15)無分別和5(13)(16)形成常閉觸點(diǎn)表4.4AI-808P儀表引腳說明4.2儀表過程控制系統(tǒng)的組建1?儀表控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì):根據(jù)電路原理圖完成儀表控制臺(tái)的接線工作,實(shí)現(xiàn)儀表的串級(jí)PID負(fù)反饋控制。通過三相380V/10A交流電源向三相磁力泵和220/5A交流電源向調(diào)節(jié)儀表供電。壓力變送器測(cè)定的下水箱液位值(電壓反饋信號(hào))送到主調(diào)節(jié)器(智能調(diào)節(jié)儀1)輸入端。調(diào)節(jié)器的給定值可由儀表控制面板或MCG監(jiān)控界面設(shè)定,和反饋信號(hào)相比較后輸出調(diào)節(jié)信號(hào)。由于其輸出的信號(hào)為4一20mA的電流信號(hào),需要經(jīng)I/V轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化為1一5V電壓信號(hào)送到副調(diào)節(jié)儀的輸入端,和壓力變送器測(cè)定的上水箱液位值(電壓反饋信號(hào))相比較后,輸出4一20mA的電流信號(hào)到電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制信號(hào)輸入端,控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度,消除下水箱液位的測(cè)量值和給定值的偏差。圖4.1儀表系統(tǒng)電路原理圖2.儀表參數(shù)設(shè)定(1)Sn:輸入規(guī)格調(diào)節(jié)儀1中Sn=33表示1~5V電壓輸入;調(diào)節(jié)儀2中Sn=32表示0.2~1V電壓輸入。(2)ADDR:通訊地址用于定義儀表地址,有效范圍是0~100。調(diào)節(jié)儀1中ADDR=1調(diào)節(jié)儀2中ADDR=2(3)diH:輸入上限顯示值,用于定義線性輸入信號(hào)下限刻度值。調(diào)節(jié)儀1中diH=50;調(diào)節(jié)儀2中diL=0。(4)diL:輸入下限顯示值用于定義線性輸入信號(hào)下限刻度值。調(diào)節(jié)儀1中diH=50;調(diào)節(jié)儀2中diL=0。(5)CF:系統(tǒng)功能選擇CF=A*1+B*2+C*4+D*8+E*16+F*32+G*64調(diào)節(jié)儀1中CF=Q表示A=0,調(diào)節(jié)儀1為反作用調(diào)節(jié)方式,輸入增大時(shí),輸出趨向減小;B=0,儀表報(bào)警無上電;D=0,不允許外部給定,程序時(shí)間以分為單位;E=0,無分段頻率限制功能;F=0,儀表光柱指示輸出值;G=0,儀表為AI-808P工作模式。調(diào)節(jié)儀2中CF=8表示A=0,調(diào)節(jié)儀1為反作用調(diào)節(jié)方式,輸入增大時(shí),輸出趨向減小;B=0,儀表報(bào)警無上電;D=1,允許外部給定,程序時(shí)間以秒為單位;E=0,無分段功率限制功能;F=0,儀表光柱指示輸出值;G=0,儀表為AI-808P工作模式。(6)SV:下水箱液位給定值,根據(jù)需要設(shè)置。(7)P:調(diào)節(jié)器比例系數(shù),根據(jù)需要設(shè)置。(8)I:調(diào)節(jié)器積分時(shí)間,根據(jù)需要設(shè)置。(9)D:調(diào)節(jié)器微分時(shí)間,根據(jù)需要設(shè)置。3.計(jì)算機(jī)和儀表通訊設(shè)置通過在AI808型儀表的內(nèi)部安裝RS485通訊接口模塊,可利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)儀表的監(jiān)控和操作。采用AIBUS通訊協(xié)議,8個(gè)數(shù)據(jù)位,1/2個(gè)停止位,無校驗(yàn)位。需要在計(jì)算機(jī)的MCGS軟件的用戶窗口添加腳本程序以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對(duì)儀表系統(tǒng)的監(jiān)控,同時(shí)在設(shè)備窗口中完成設(shè)備通道連接設(shè)置。(1)啟動(dòng)腳本程序!setdevice(調(diào)節(jié)儀1,1,"")!setdevice(調(diào)節(jié)儀1,6,"write(0,0)")!setdevice(調(diào)節(jié)儀1,6,"write(24,0)")!setdevice(調(diào)節(jié)儀2,1,"")!setdevice(調(diào)節(jié)儀2,6,"write(0,0)")!setdevice(調(diào)節(jié)儀2,6,"write(24,0)")(2)循環(huán)腳本程序下水箱液位SV1=SV1下水箱液位PV1=PV1上水箱液位SV1=20*OP1/100上水箱液位PV1=PV2if下水箱液位PV1>20then下水箱液位PV1=20endifif上水箱液位PV1>20then上水箱液位PV1=20(3)退出腳本程序!SetDevice(調(diào)節(jié)儀1,2,"")!SetDevice(調(diào)節(jié)儀2,2,"")endif程序注釋:SetDevice(DevName,DevOpCmdStr)函數(shù)意義:按照設(shè)備名字對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作。返回值:數(shù)值型。返回值:=0:調(diào)用正常。<>0:調(diào)用不正常。參數(shù):DevName設(shè)備名,字符型;DevOp設(shè)備操作碼,數(shù)值型;CmdStr,設(shè)備命令字符串,只有當(dāng)DevOp=6時(shí)CmdStr才有意義。DevOp取值范圍及相應(yīng)含義:1:啟動(dòng)設(shè)備開始工作。2:停止設(shè)備的工作使其處于停止?fàn)顟B(tài)。3:測(cè)試設(shè)備的工作狀態(tài)。4:啟動(dòng)設(shè)備工作一次。5:改變?cè)O(shè)備的工作周期,CmdStr中包含新的工作周期,單位為ms6:執(zhí)行指定的設(shè)備命令,CmdStr中包含指定命令的格式。4?計(jì)算機(jī)設(shè)備窗口設(shè)置:(實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對(duì)調(diào)節(jié)儀表的監(jiān)控)AI-808P智能調(diào)節(jié)儀設(shè)備設(shè)置:設(shè)備名稱:調(diào)節(jié)儀1調(diào)節(jié)儀2設(shè)備注釋:宇光-AI808P儀表宇光-AI808P儀表初始工作狀態(tài):1-啟動(dòng)1-啟動(dòng)最小采集周期(ms):10001000模塊地址:12設(shè)置小數(shù)點(diǎn)位數(shù):1-1位小數(shù)1-1位小數(shù)輸入范圍:10-1一5V10-1一5V連接通道通道類型數(shù)據(jù)對(duì)象1數(shù)據(jù)對(duì)象20通訊狀態(tài)mm1mm21PV值(液位測(cè)量值)pv1pv22SV值(液位給定值)sv1sv23MV值(調(diào)節(jié)器輸出值)op1op218CTRL控制方式ctrl1ctrl223Sn輸入規(guī)格sn1sn225dil下限顯示dil1dil226dih上限顯示dih1dih232CF系統(tǒng)功能cf1cf234通訊地址addr1addr2表4.6調(diào)節(jié)儀設(shè)備窗口參數(shù)設(shè)置4.3儀表過程控制系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)行在組建儀表系統(tǒng)設(shè)備構(gòu)件,實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)和儀表系統(tǒng)通訊后,完成儀表液位控制系統(tǒng)的調(diào)試運(yùn)行,完成PID參數(shù)的整定,完成儀表控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)。根據(jù)液位串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則和被控過程模型,主副被控過程的時(shí)間常數(shù)之比在4.5:1左右。主副回路的工作頻率和操作周期相差較大,其動(dòng)態(tài)聯(lián)系很小可忽略不計(jì)。所以副調(diào)節(jié)器按單回路系統(tǒng)方法整定后,可以將副回路作為主回路的一個(gè)環(huán)節(jié),按單回路控制系統(tǒng)的整定方法,整定主調(diào)節(jié)器的參數(shù),而不再考慮主調(diào)節(jié)器參數(shù)變化對(duì)副回路的影響。而且在液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,對(duì)于主參數(shù)下水箱液位的質(zhì)量指標(biāo)要求較高,對(duì)副參數(shù)上水箱液位沒有嚴(yán)格的要求。設(shè)置副參數(shù)的目的是為了進(jìn)一步提高主參數(shù)的控制質(zhì)量,只要通過主調(diào)節(jié)器參數(shù)整定保證主參數(shù)質(zhì)量,副參數(shù)的控制質(zhì)量可以犧牲一些。采用兩步整定法整定調(diào)節(jié)儀表PID參數(shù):(1)在工況穩(wěn)定、主回路閉合,主副調(diào)節(jié)器都在純比例作用的條件下,主調(diào)節(jié)器的比例度置于100%用單回路控制系統(tǒng)的阻尼振蕩法整定,求取副調(diào)節(jié)器比例度和操作周期。(2)將副調(diào)節(jié)器的比例度置于(1)中所求得的數(shù)值上,把副回路作為主回路的一個(gè)環(huán)節(jié),用同樣的方法整定主回路,求取主回路的比例度和操作周期。(3)根據(jù)以上求得的數(shù)據(jù),按單回路系統(tǒng)阻尼振蕩法整定公式計(jì)算主副調(diào)節(jié)器的比例度、積分時(shí)間和微分時(shí)間的數(shù)值。(4)按先副后主、先比例后積分、適當(dāng)加入微分的整定程序,設(shè)置主、副調(diào)節(jié)器的參數(shù),再觀察過渡過程曲線,必要時(shí)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整,直到系統(tǒng)質(zhì)量達(dá)到最佳為止。主副調(diào)節(jié)器參數(shù)整定結(jié)果如下:主調(diào)節(jié)器比例系數(shù)P=20,積分時(shí)間1=80,微分時(shí)間D=10;副調(diào)節(jié)器比例系數(shù)P=40。對(duì)儀表控制系統(tǒng)設(shè)置下水箱液位給定值為4cm等待系統(tǒng)穩(wěn)定后,突加階躍擾動(dòng)(將設(shè)定值增加75%),設(shè)置下水箱液位給定值為7cm得到下水箱液位輸出響應(yīng)曲線。圖4.2下水箱液位階躍響應(yīng)曲線結(jié)果分析:儀表系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)儀表為反作用調(diào)節(jié)方式,輸入增大時(shí),輸出趨向減小。根據(jù)PID控制的特性再調(diào)節(jié)參數(shù),使系統(tǒng)達(dá)到較滿意的狀態(tài)。加階躍輸入后觀察系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能,由曲線和響應(yīng)數(shù)據(jù)得延遲時(shí)間Td=31s,峰值時(shí)間Tp=160s,調(diào)節(jié)時(shí)間Ts=300s,超調(diào)量為13.3%(最大峰值7.4cm),余差為0。通過增加比例系數(shù)克服擾動(dòng),比例系數(shù)越小,調(diào)節(jié)器輸出越大,但比例調(diào)節(jié)仍有余差,所以引入積分調(diào)節(jié),系統(tǒng)中由于積分作用偏強(qiáng),造成曲線上升后恢復(fù)較慢,再略加入微分作用減小余差,加快系統(tǒng)響應(yīng)速度。儀表系統(tǒng)采樣時(shí)間為1s,采樣時(shí)間較長,調(diào)節(jié)器作用的速度略慢,特別是接近穩(wěn)態(tài)值時(shí)總是抖動(dòng)較大,不能很快的到達(dá)穩(wěn)態(tài)。-150mV一150mV-20mA一20mA對(duì)應(yīng)8000一7FFF電源輸入:10一30VDC電源功耗:1.3W。3?模擬量輸出通道在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中,模擬量輸出通道一般包括接口電路、D/A轉(zhuǎn)換器、V/I變換等。模擬量輸出通道的任務(wù)是將計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬電壓或電流信號(hào),以便驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)(電動(dòng)調(diào)節(jié)閥)。在遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集過程控制系統(tǒng),將使用ICP-7024數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)現(xiàn)模擬量輸入通道的功能。7024D/A轉(zhuǎn)換模塊:數(shù)據(jù)采集程序存儲(chǔ)在EEPRO中,計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)通過RS-485接口送給7024D/A轉(zhuǎn)換模塊,由內(nèi)部控制器按控制程序?qū)?shù)據(jù)送入對(duì)應(yīng)DAC通道,轉(zhuǎn)換為模擬電壓/電流輸出。7024D/A轉(zhuǎn)換模塊技術(shù)指標(biāo):模擬量輸出類型:V,mA.帶寬:15.7Hz準(zhǔn)確率:土0.1%波特率:9600bps零點(diǎn)漂移:土30卩V/C±20卩A/C量程:0一20mA4mA-20mA0V一10V-10V一10V0V一5V-5V一5V電源輸入:10一30VDC電源功耗:2.3W4.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì):圖5.3采集模塊電路原理圖5.2MCGS軟件工程組態(tài)通過MCG組態(tài)軟件在控制計(jì)算機(jī)上構(gòu)建一個(gè)人機(jī)交互界面,經(jīng)過現(xiàn)計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)采集模塊的通訊,將檢測(cè)變送裝置的信號(hào)傳送到控制計(jì)算機(jī)RS232/485轉(zhuǎn)換器實(shí)中,從而在人機(jī)交互界面中可以對(duì)水箱液位對(duì)象進(jìn)行監(jiān)控、控制器設(shè)計(jì)改造、數(shù)據(jù)瀏覽和存儲(chǔ)、記錄實(shí)驗(yàn)曲線等。MCGS組態(tài)軟件所建立的工程由主控窗口、設(shè)備窗口、用戶窗口、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和運(yùn)行策略五部分構(gòu)成,每一部分分別進(jìn)行組態(tài)操作,完成不同的工作,具有不同的特性MCG組態(tài)軟件的工作方式:(1)MCGS和設(shè)備通訊:MCG通過設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。包括數(shù)據(jù)采集和發(fā)送設(shè)備指令。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是由VB程序設(shè)計(jì)語言編寫的DLL(動(dòng)態(tài)連接庫)文件,設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中包含符合各種設(shè)備通訊協(xié)議的處理程序,將設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的特征數(shù)據(jù)采集進(jìn)來或發(fā)送出去。MCGS負(fù)責(zé)在運(yùn)行環(huán)境中調(diào)用相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序,將數(shù)據(jù)傳送到工程中各個(gè)部分,完成整個(gè)系統(tǒng)的通訊過程。每個(gè)驅(qū)動(dòng)程序獨(dú)占一個(gè)線程,達(dá)到互不干擾的目的。(2)MCGS產(chǎn)生動(dòng)畫效果:MCG為每一種基本圖形元素定義了不同的動(dòng)畫屬性,每一種動(dòng)畫屬性都會(huì)產(chǎn)生一定的動(dòng)畫效果。所謂動(dòng)畫屬性是反映圖形大小、顏色、位置、可見度、閃爍性等狀態(tài)的特征參數(shù)。在圖形的每一種動(dòng)畫屬性中都有一個(gè)“表達(dá)式”設(shè)定欄,其中設(shè)定一個(gè)和圖形狀態(tài)相聯(lián)系的數(shù)據(jù)變量,連接到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中,以此建立相應(yīng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系,MCGS稱之為動(dòng)畫連接。(3)當(dāng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中測(cè)控對(duì)象的狀態(tài)(如:水箱液位高度等)發(fā)生變化時(shí),通過設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?qū)⒆兓臄?shù)據(jù)采集到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的變量中,該變量是和動(dòng)畫屬性相關(guān)的變量,數(shù)值的變化,使圖形的狀態(tài)產(chǎn)生相應(yīng)的變化(如高低變化)。現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)是連續(xù)被采集進(jìn)來的,這樣就會(huì)產(chǎn)生逼真的動(dòng)畫效果(如水箱液面的升高和降低)。用戶也可編寫程序來控制動(dòng)畫界面,以達(dá)到滿意的效果。(4)MCGS實(shí)施遠(yuǎn)程多機(jī)監(jiān)控:MCG提供了一套完善的網(wǎng)絡(luò)機(jī)制,可通過TCP/IP網(wǎng)、Modem網(wǎng)和串口網(wǎng)將多臺(tái)計(jì)算機(jī)連接在一起,構(gòu)成分布式網(wǎng)絡(luò)測(cè)控系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)同步、歷史數(shù)據(jù)同步和網(wǎng)絡(luò)事件的快速傳遞。同時(shí),可利用MCGSt供的網(wǎng)絡(luò)功能,在工作站上直接對(duì)服務(wù)器中的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行讀寫操作。分布式網(wǎng)絡(luò)測(cè)控系統(tǒng)的每一臺(tái)計(jì)算機(jī)都要安裝一套MCG工控組態(tài)軟件。MCGS巴各種網(wǎng)絡(luò)形式,以父設(shè)備構(gòu)件和子設(shè)備構(gòu)件的形式,供用戶調(diào)用,并進(jìn)行工作狀態(tài)、端口號(hào)、工作站地址等屬性參數(shù)的設(shè)置。(5)MCGS控制工程運(yùn)行流程:MCG肝辟了專用的“運(yùn)行策略”窗口,建立用戶運(yùn)行策略。MCGS提供了豐富的功能構(gòu)件,供用戶選用,通過構(gòu)件配置和屬性設(shè)置兩項(xiàng)組態(tài)操作,生成各種功能模塊,使系統(tǒng)能夠按照設(shè)定的順序和條件,操作實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫,實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)畫窗口的任意切換,控制系統(tǒng)的運(yùn)行流程和設(shè)備的工作狀態(tài)。所有的操作均采用面向?qū)ο蟮闹庇^方式,避免了煩瑣的編程工作。在MCGS1態(tài)環(huán)境下的工程組態(tài)流程如下1.主控窗口設(shè)計(jì)主控窗口是工程的主窗口或主框架,是所有設(shè)備窗口和用戶窗口的父窗口。在主控窗口中可以放置一個(gè)設(shè)備窗口和多個(gè)用戶窗口,負(fù)責(zé)調(diào)度和管理這些窗口的打開或關(guān)閉。并調(diào)度用戶策略的運(yùn)行。同時(shí),主控窗口又是組態(tài)工程結(jié)構(gòu)的主框架,可在主控窗口內(nèi)建立菜單系統(tǒng),創(chuàng)建各種菜單命令,展現(xiàn)工程的總體概貌和外觀,設(shè)置系統(tǒng)運(yùn)行流程及特征參數(shù),方便用戶的操作。在MCG單機(jī)版中,一個(gè)使用系統(tǒng)只允許有一個(gè)主控窗口,主控窗口是作為一個(gè)獨(dú)立的對(duì)象存在的,其強(qiáng)大的功能和復(fù)雜的操作都被封裝在對(duì)象的內(nèi)部,組態(tài)時(shí)只需對(duì)主控窗口的屬性進(jìn)行正確地設(shè)置即可。主要的組態(tài)操作包括:定義工程的名稱,編制工程菜單,設(shè)計(jì)封面圖形,確定自動(dòng)啟動(dòng)的窗口,設(shè)定動(dòng)畫刷新周期,指定數(shù)據(jù)庫存盤文件名稱及存盤時(shí)間等。圖5.4主控窗口組態(tài)結(jié)構(gòu)圖2?設(shè)備窗口設(shè)計(jì)設(shè)備窗口是MCG系統(tǒng)的重要組成部分,在設(shè)備窗口中建立系統(tǒng)和外部硬件設(shè)備的連接關(guān)系,使系統(tǒng)能夠從外部設(shè)備讀取數(shù)據(jù)并控制外部設(shè)備的工作狀態(tài),實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控。在MCGS中,實(shí)現(xiàn)設(shè)備驅(qū)動(dòng)的基本方法是:在設(shè)備窗口內(nèi)配置不同類型的設(shè)備構(gòu)件,并根據(jù)外部設(shè)備的類型和特征,設(shè)置相關(guān)的屬性,將設(shè)備的操作方法如硬件參數(shù)配置、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、設(shè)備調(diào)試等都封裝在構(gòu)件之中,以對(duì)象的形式和外部設(shè)備建立數(shù)據(jù)的傳輸通道連接。系統(tǒng)運(yùn)行過程中,設(shè)備構(gòu)件由設(shè)備窗口統(tǒng)一調(diào)度管理,通過通道連接,向?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)庫提供從外部設(shè)備采集到的數(shù)據(jù),從實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫查詢控制參數(shù),發(fā)送給系統(tǒng)其它部分,進(jìn)行控制運(yùn)算和流程調(diào)度,實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)檢測(cè)和過程的自動(dòng)控制。MCGS的這種結(jié)構(gòu)形式使其成為一個(gè)“和設(shè)備無關(guān)”的系統(tǒng),對(duì)于不同的硬件設(shè)備,只需定制相應(yīng)的設(shè)備構(gòu)件,放置到設(shè)備窗口中,并設(shè)置相關(guān)的屬性,系統(tǒng)就可對(duì)這一設(shè)備進(jìn)行操作,而不需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)作任何改動(dòng)。MCG設(shè)備中一般都包含有一個(gè)或多個(gè)用來讀取或者輸出數(shù)據(jù)的物理通道,MCGS巴這樣的物理通道稱為設(shè)備通道,如:模擬量輸入裝置的輸入通道、模擬量輸出裝置的輸出通道、開關(guān)量輸入輸出裝置的輸入輸出通道等等,這些都是設(shè)備通道。設(shè)備通道只是數(shù)據(jù)交換用的通路,而數(shù)據(jù)輸入到哪兒和從哪兒讀取數(shù)據(jù)以供輸出,即進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的對(duì)象,則必須由用戶指定和配置。圖5.5設(shè)備窗口組態(tài)結(jié)構(gòu)圖(1)通用串口父設(shè)備設(shè)置通用串口父設(shè)備是提供串口通訊功能的父設(shè)備,下面可以掛接所有通過串口連接的設(shè)備,提供通過Modems行遠(yuǎn)程采集或遠(yuǎn)程監(jiān)聽的功能。并可以在運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)改變撥出的電話號(hào)碼。在基本屬性頁中,設(shè)置了串口的基本屬性,包括端口號(hào),通訊波特率,數(shù)據(jù)位位數(shù),停止位位數(shù),數(shù)據(jù)校驗(yàn)方式,這些設(shè)置可以按照設(shè)備的要求來設(shè)置。數(shù)據(jù)采集方式規(guī)定了串口父設(shè)備下的子設(shè)備的采集方式,使用同步采集時(shí),所有子設(shè)備都按照父設(shè)備的采集周期依次采集。使用異步采集時(shí),每個(gè)子設(shè)備可以設(shè)置自己的采集時(shí)間,在需要的時(shí)候采集。甚至子設(shè)備可以把采集時(shí)間設(shè)置為0,使得此子設(shè)備在一般情況下不采集,只在使用設(shè)備命令采集一次的時(shí)候才采集數(shù)據(jù)。在MCG沖父設(shè)備的含義:凡是使用計(jì)算機(jī)串口采集數(shù)據(jù)的設(shè)備(如PLC儀表,變頻器,智能模塊等)都必須掛在父設(shè)備下面,統(tǒng)一由父設(shè)備來管理通信。設(shè)備名稱:通用串口父設(shè)備初始工作狀態(tài):1-啟動(dòng)最小采集周期:200ms串口端口號(hào)1-COM2通訊波特率6-6900數(shù)據(jù)位位數(shù)1-8位停止位位數(shù)0-1位數(shù)據(jù)校驗(yàn)方式:0-無校驗(yàn)位數(shù)據(jù)采集方式:1-異步采集表5.1串口父設(shè)備參數(shù)設(shè)置(2)ICP-7017設(shè)備設(shè)置:設(shè)備名稱:ICP-7017通道對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)對(duì)象通道類型周期初始工作狀態(tài):1-啟動(dòng)0mm1通訊狀態(tài)標(biāo)志位1最小采集周期:200ms1PV1AD1設(shè)備地址:22PV2AD1數(shù)據(jù)格式:0-工程單位3PV3AD1是否要求校驗(yàn):0-無校驗(yàn)濾波表5.2ICP-7017設(shè)備參數(shù)設(shè)置⑶ICP-7024設(shè)備設(shè)置:設(shè)備名稱:ICP-7024通道對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)對(duì)象通道類型周期初始工作狀態(tài):1-啟動(dòng)0通訊狀態(tài)1最小采集周期:200ms1OP2DA1設(shè)備地址:12OP4DA1是否要求校驗(yàn):0-無校驗(yàn)表5.3ICP-7024設(shè)備參數(shù)設(shè)置3.用戶窗口主要用于設(shè)置工程中人機(jī)交互的界面,在用戶窗口下通過MCGS&態(tài)的各種功能,可以實(shí)現(xiàn)以下子窗口的設(shè)計(jì):(1)雙容水箱液位串級(jí)控制窗口通過動(dòng)畫組態(tài)和屬性設(shè)置完成人機(jī)對(duì)話主界面,實(shí)現(xiàn)模擬工程界面、數(shù)據(jù)顯示、參數(shù)設(shè)置、報(bào)警顯示、通訊狀態(tài)顯示、工程曲線顯示、控制按鈕等功能。(2)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)瀏覽窗口提供所需采樣時(shí)刻對(duì)應(yīng)的液位數(shù)據(jù)(下水箱PV,下水箱SV,上水箱SV),可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)瀏覽、數(shù)據(jù)存盤,用于工程分析計(jì)算。F24F24(3)歷史曲線瀏覽窗口顯示整個(gè)一段液位總體變化情況的曲線(下水箱PV,下水箱SV,上水箱SV對(duì)應(yīng)的變化曲線),可以顯示和保存長時(shí)間的變化曲線。(4)實(shí)時(shí)曲線瀏覽窗口顯示一段時(shí)期液位變化的曲線(下水箱PV下水箱SV上水箱SV對(duì)應(yīng)的變化曲線)。(5)系統(tǒng)退出指示窗口對(duì)話框顯示退出指令。l-|g|x-|Q|X□□JJ44廚a=輔Id H輔Id H%3311孌時(shí)利用MCG11孌時(shí)II|C■汨Sfl百耳境-[踰P機(jī)志咖處搭哉應(yīng)申毘控制□左件?KSCfi]ZA(DXX:UP4.:fisv:UP實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫是工程各個(gè)部分的數(shù)據(jù)交換和處a理llill中心,它將漩分時(shí):G工程的各個(gè)部分連接成有機(jī)的整體。在本窗口內(nèi)定義不同類型和名稱的變量,作為數(shù)據(jù)采集、處理、輸出控制、動(dòng)畫連接及設(shè)備驅(qū)動(dòng)的對(duì)象。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫是MCGS勺核心,各部分之間的數(shù)據(jù)交換均須通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫,所有的設(shè)備通道都必須和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫連接。在MCGSK數(shù)據(jù)不同于傳統(tǒng)意義的數(shù)據(jù)或變-調(diào),節(jié)器秦歟整數(shù)-據(jù)對(duì)象的形式來進(jìn)行操作和處理?！?;■-數(shù)據(jù)對(duì)象它不僅包含了數(shù)據(jù)變量的數(shù)值特征,還將和數(shù)據(jù)相關(guān)的其它屬性(如數(shù)據(jù)的狀態(tài)、報(bào)警限值■-等)以及對(duì)數(shù)據(jù)的操作方法(如存盤處理、報(bào)警處理等)封裝在一起,作為一個(gè)整體,以對(duì)象的形式提供服務(wù),這種把數(shù)值、屬性和方法定義成一體的數(shù)據(jù)稱為數(shù)據(jù)對(duì)象。在MCG伸,用數(shù)據(jù)對(duì)象來描述系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),用對(duì)象變量代替?zhèn)鹘y(tǒng)意義上的值變量,把數(shù)據(jù)庫技術(shù)管理的所有數(shù)據(jù)對(duì)象的集合為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫。開關(guān)型數(shù)據(jù)對(duì)象記錄開關(guān)信號(hào)(0或非0),和外部設(shè)備的數(shù)字量輸入輸出通道連接,用來表示某一設(shè)備當(dāng)前所處的狀態(tài)。數(shù)值型數(shù)據(jù)對(duì)象存放數(shù)值及參和數(shù)值運(yùn)算,提供報(bào)警信息,并能夠和外部設(shè)備的模擬量輸入輸出通道相連接。數(shù)值型數(shù)據(jù)對(duì)象的數(shù)值范圍是:負(fù)數(shù)是從-3.402823E38到-1.401298E-45,正數(shù)是從1.401298E-45到3.402823E38。數(shù)據(jù)組對(duì)象是MCGSH入的一種特殊類型的數(shù)據(jù)對(duì)象,類似于一般編程語言中的數(shù)組和結(jié)構(gòu)體,用于把相關(guān)的多個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象集合在一起,作為一個(gè)整體來定義和處理。液位串級(jí)系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫:inputETime字符型op2數(shù)值型inputSTime字符型op4數(shù)值型inputUser1字符型opx數(shù)值型InputUser2字符型pv1數(shù)值型ei數(shù)值型pv2數(shù)值型ei1數(shù)值型pvx數(shù)值型op1數(shù)值型q0數(shù)值型k數(shù)值型q00數(shù)值型k1數(shù)值型q000數(shù)值型k2數(shù)值型q1數(shù)值型ma數(shù)值型q2數(shù)值型ma1數(shù)值型set開關(guān)型mid數(shù)值型sv1數(shù)值型mm1開關(guān)型sv2數(shù)值型mm5開關(guān)型td數(shù)值型mx數(shù)值型ti數(shù)值型下水箱PV數(shù)值型液位串級(jí)組組對(duì)象下水箱SV數(shù)值型上水箱PV數(shù)值型表5.4實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫參數(shù)設(shè)置主要數(shù)據(jù)對(duì)象屬性設(shè)置:(1)液位串級(jí)組:組對(duì)象,用于歷史數(shù)據(jù)、歷史曲線、報(bào)表輸出等功能。(2)下水箱SV:下水箱液位設(shè)定值(3)下水箱PV:下水箱液位測(cè)量值(4)上水箱PV:上水箱液位測(cè)量值(1)液位串級(jí)組對(duì)象基■+屬性徉盤屬性繪對(duì)球成員丨敘據(jù)封粥值的存蠱_____________「不再盤揖定時(shí)存臣「存臣冏期網(wǎng)秒存盤闘間役世詒世矢存儲(chǔ)「只低存當(dāng)曲|"小時(shí)內(nèi)違您rr加程存儲(chǔ)罔期tP加速存儲(chǔ)時(shí)閘秒)|廠廠改變存盤間隔:廠一小時(shí)陽的間隔【秒)廠1^小時(shí)前的間隔[秒)1廠檢杳恃III幫肋圖5.8液位串級(jí)組基本屬性設(shè)置圖5.9液位串級(jí)組存盤屬性設(shè)置獎(jiǎng)■+屬性徉盤屬性組時(shí)當(dāng)咸員I數(shù)拯對(duì).象列哀eieti-ICiZiniputETlmeliiloutSTlmeiHiputliserliriputUserZk?niRnbHlnkldmml圖5.11下水箱SV基本屬性設(shè)置檢薊?III幫助【同圖5.10液位串級(jí)組對(duì)象成員設(shè)置圖5.12下水箱SV液位存盤屬性設(shè)置(2)下水箱SV(下水箱液位設(shè)定值)(3)下水箱PV(下水箱液位測(cè)量值).荃豐網(wǎng)性II對(duì)黑內(nèi)春拄釋1!因基本風(fēng)件稈盤屬性|那警厲件1裁據(jù)商尊道的存戰(zhàn)林不存盤,”晶「定時(shí)存盤,存盤用期FL按吏応壘那盤」吏優(yōu)費(fèi)'I存臣時(shí)間詵置口盤久存儲(chǔ)「只保存當(dāng)前F小時(shí)內(nèi)奴據(jù)檢杳愕|確認(rèn)國|瑕消㈣|常助【同檢杳愕|確認(rèn)帥|甲消測(cè)|幫胸同圖5.13下水箱PV基本屬性設(shè)置圖5.14下水箱PV液位存盤屬性設(shè)置龕本屬性再盤屬性II茲據(jù)對(duì)諄值的存盤療不存盤廣電時(shí)祁盤「存盤周期I一rr「:艮出時(shí),自動(dòng)保存藪據(jù)對(duì)象當(dāng)酣值為初殆伯存盤時(shí)間設(shè)置代去為存儲(chǔ)「只保存當(dāng)前P小時(shí)內(nèi)皺揮報(bào)警扳道的棄盤檢査?|誦認(rèn)國|取消㈣|梏助田]圖5.15上水箱PV基本屬性設(shè)置圖5.16上水箱PV液位存盤屬性設(shè)置5.數(shù)字PID控制器設(shè)計(jì)在雙容水箱液位控制系統(tǒng)中,被控對(duì)象的液位變化是連續(xù)的,在遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中計(jì)算機(jī)利用的是離散的信號(hào),所以要對(duì)模擬PID控制器進(jìn)行離散化處理。在模擬控制系統(tǒng)中PID控制規(guī)律的表達(dá)式為:u(t)二Kp[e(t)k將積分和微分項(xiàng)分別改寫為差分方程得e(t)dt;:二Te(i)i=0de(t).e(k)-e(k-1)dt~TT:采樣周期k:采樣序號(hào)e(k-1),e(k):第k-1和第k次采樣所得偏差信號(hào)得到數(shù)字PID控制器算式:u(k)=Kpe(k)莊e(i)Tdek^II壓善敷便的存盤rru(k):第k時(shí)刻的控制輸出,將模擬PID控制器的結(jié)構(gòu)圖改造為數(shù)字PID結(jié)構(gòu)圖:圖5.17數(shù)字PID控制結(jié)構(gòu)圖由于雙容水箱液位控制系統(tǒng)中執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用電動(dòng)式調(diào)節(jié)閥,控制量對(duì)應(yīng)閥門的開度,表征了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置,在遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中采用上述形式的數(shù)字PID位置式控制算法.在MCG組態(tài)環(huán)境的用戶窗口中添加控制程序,實(shí)現(xiàn)PID算法.1.添加啟動(dòng)腳本程序!setdevice(7024,1,"")/!setdevice(7017,1,"")/sv1=0啟動(dòng)7024數(shù)據(jù)采集模塊啟動(dòng)7017數(shù)據(jù)采集模塊sv2=0set=0/下水箱上水箱行狀態(tài)op2=4op=042.添加退p=本程序!setdevi7024,2,"")/!setdevice(7017,2,"")/sv1=0啟動(dòng)啟動(dòng)7024數(shù)據(jù)采集模塊7017數(shù)據(jù)采集模塊sv2=0set=0下水箱上水箱下水箱op2=4op4=4pv=0pv=0sv=03?添加循環(huán)腳本程序(當(dāng)K、3?添加循環(huán)腳本程序(當(dāng)K、Ti、Td都為0時(shí),PID主調(diào)節(jié)器沒有輸出。q0,積分運(yùn)算結(jié)果送變量q1,微分運(yùn)算結(jié)果送變量K、Ti不為0時(shí),比例運(yùn)算結(jié)果送變量如果Ti=0則mx送0,再將mx累加入mx并限幅,防止積分過強(qiáng),q2?？刂扑惴杀硎緸閁(k)=q0+q1+q2。當(dāng)K1為0時(shí),副調(diào)節(jié)器沒有輸出。K1不為0時(shí),比例運(yùn)算結(jié)果送q00。ifset=1then/開始運(yùn)行時(shí)下水箱sv=sv1/給予下水箱設(shè)定值下水箱pv=(pv1-1)*125/計(jì)算下水箱測(cè)量值上水箱pv=(pv2-1)*125/計(jì)算上水箱測(cè)量值ei=(sv1/125+1)-pv1/計(jì)算下水箱給定值和測(cè)量值的偏差量ifk=0andti=0andtd=O/PID參數(shù)為0,主調(diào)節(jié)器無輸出thenq0=0q1=0mx=0q2=0endif/結(jié)束if條件指令ifk<>0andti<>0then/<>表示不等于/主調(diào)節(jié)器動(dòng)作q0=k*ei/將偏差值按比例放大后送到q0mx=k*0.5*ei/ti/積分限幅q2=k*td*(PVX-PV1)/0.5/計(jì)算微分量送到q2endififti=0then/ti為0時(shí),mx送0,q1送0,只有比例微分作用q0=k*eiq1=0mx=0q2=k*td*(PVX-PV1)/0.5/計(jì)算微分調(diào)節(jié)量endififmx>5then/積分限幅mx=5endififmx<-5thenmx=-5endifq1=q1+mxpvx=pv1op仁q0+q1+q2/主調(diào)節(jié)器輸出量ifop1>=100then/主調(diào)節(jié)器輸出限幅op仁100endififop1<=0thenop仁0endifmid=op1/自手動(dòng)切換ifma1=1thenop仁maendifsv2=op1/25+1/下水箱液位動(dòng)態(tài)給定ei1=sv2-pv2/副調(diào)節(jié)器輸入偏差ifk1<>0then/副調(diào)節(jié)器動(dòng)作qOO=k1*ei1opx=qOO/副調(diào)節(jié)器輸出值elseopx=0endififopx>=100then/副調(diào)節(jié)器輸出值限幅opx=100endififopx<=0thenopx=0endifif下水箱pv>200then/下水箱液位測(cè)量值超過200mm水己溢出下水箱pv=200endifif下水箱pv<0then下水箱pv=0endifif上水箱pv>200then/上水箱液位測(cè)量值超過200mm水己溢出上水箱p