双容水箱液位串级控制系统的设计 - 图文

双容水箱液位串级控制系统的设计

调节器参数整定保证主参数质量，副参数的控制质量可以牺牲一些。

采用两步整定法整定调节仪表PID参数：

（1）在工况稳定﹑主回路闭合，主副调节器都在纯比例作用的条件下，主调节器的比例度置于100%，用单回路控制系统的阻尼振荡法整定，求取副调节器比例度和操作周期。

（2）将副调节器的比例度置于（1）中所求得的数值上，把副回路作为主回路的一个环节，用同样的方法整定主回路，求取主回路的比例度和操作周期。

（3）根据以上求得的数据，按单回路系统阻尼振荡法整定公式计算主副调节器的比例度﹑积分时间和微分时间的数值。

（4）按先副后主﹑先比例后积分﹑适当加入微分的整定程序，设置主﹑副调节器的参数，再观察过渡过程曲线，必要时进行适当调整，直到系统质量达到最佳为止。

主副调节器参数整定结果如下：主调节器比例系数P=20，积分时间I=80，微分时间D=10；副调节器比例系数P=40。

对仪表控制系统设置下水箱液位给定值为4cm，等待系统稳定后，突加阶跃扰动（将设定值增加75%），设置下水箱液位给定值为7cm，得到下水箱液位输出响应曲线。

图4.2下水箱液位阶跃响应曲线

结果分析：仪表系统中的调节仪表为反作用调节方式，输入增大时，输出趋向减小。根据PID控制的特性再调节参数，使系统达到较满意的状态。加阶跃输入后观察系统的动态性能，由曲线和响应数据得延迟时间Td=31s,峰值时间Tp=160s,调节时间Ts=300s,超调量为13.3%(最大峰值7.4cm)，余差为0。通过增加比例系数克服扰动，比例系数越小，调节器输出越大，但比例调节仍有余差，所以引入积分调节，系统中由于积分作用偏强，造成曲线上升后恢复较慢，再略加入微分作用减小余差，加快系统响应速度。仪表系统采样时间为1s，采样时间较长，调节器作用的速度略慢，特别是接近稳态值时总是抖动较大，不能很快的到达稳态。

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5 建立计算机过程控制系统

以下将设计组建远程数据采集过程控制系统实现对双容水箱液位系统的控制。虽然仍然是基于“THJ-2高级过程控制系统实验装置”组建，但是远程数据采集过程控制系统不同于以智能仪表带上位机监控为主的仪表过程控制系统。

远程数据采集过程控制系统属于计算机DDC控制系统，它是将模拟量输入A/I模块和模拟量输出A/O模块，开关量输入/输出D/I，D/O模块置于计算机之外，计算机通过RS232/485通讯转换装置同ICP-7000系列采集模块（自带485通讯接口）通讯。ICP-7000系列采集模块的作用是将传感器检测到的被控参数标准信号通过A/D转换送入计算机，计算机同时也将通过控制运算发出的控制信号通过D/A转换发给执行机构（调节阀、变频器）。整个控制系统的控制算法及监控功能都在控制计算机中实现。

5.1计算机过程控制系统硬件设计

1．信号采集

为了实现计算机控制，需要对输入的模拟信号进行采样，转换为计算机可以利用的数字信号。应从技术和经济的角度综合考虑信号采集速度和信号数字化精度这两个问题。根据香农采样定理：对于一个具有有限频谱的连续信号进行采样，采样频率必须大于或等于信号所含最高频率的两倍，信号采样所得的数值才可以完全复现原来的信号。需要依据液位对象的特性﹑加入对象的扰动大小和频率和系统性能指标要求综合选择适当采样周期。 2．模拟量输入通道

在计算机控制系统中，模拟量输入通道一般包括了I/V变换电路﹑多路转换器﹑采样保持器﹑A/D转换器﹑接口﹑控制逻辑。模拟量输入通道的任务是把通过压力变送器检测到的模拟信号（4～20标准电流信号），经过I/V变换转换成对应的1～5电压信号，在经过采样为离散的模拟信号并量化成为二进制的数字信号，经接口送到计算机中。

在远程数据采集过程控制系统，将使用ICP-7017数据采集模块实现模拟量输入通道的功能。7017 A/D转换模块：数据采集程序存储在EEPROM中，由内部控制器控制逻辑执行，控制转换开关在8路模拟信号间转换，模拟量送入A/D通道后，转换为数字信号并将其与模拟量输入通道号对应，等待计算机查询，数据通过RS-485接口传送至计算机。

图5.1 7017 A/D模块图 图5.2 7024 D/A模块图

7017 A/D转换模块技术指标：模拟输入类型：mV,V,mA. 采样率：10次/s 带宽：15.7Hz 准确率:±0.1% 零点漂移：20μV/℃ 波特率：9600bps 量程：-10V～10V –5V～5V -1～1V –500mV～500mV

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双容水箱液位串级控制系统的设计

-150mV～150mV -20mA～20mA 对应8000～7FFF电源输入：10～30VDC 电源功耗：1.3W。3．模拟量输出通道

在计算机控制系统中，模拟量输出通道一般包括接口电路﹑D/A转换器﹑V/I变换等。模拟量输出通道的任务是将计算机输出的数字量转换成模拟电压或电流信号，以便驱动相应的执行机构（电动调节阀）。

在远程数据采集过程控制系统，将使用ICP-7024数据采集模块实现模拟量输入通道的功能。7024D/A 转换模块：数据采集程序存储在EEPROM中，计算机将数据通过RS-485接口送给7024D/A 转换模块，由内部控制器按控制程序将数据送入对应DAC通道，转换为模拟电压/电流输出。

7024D/A 转换模块技术指标： 模拟量输出类型：V,mA. 带宽：15.7Hz 准确率:±0.1% 波特率：9600bps零点漂移：±30μV/℃ ±20μA/℃ 量程：0～20mA 4mA～20mA 0V～10V -10V～10V 0V～5V -5V～5V 电源输入：10～30VDC 4.计算机控制系统硬件电路设计：

电源功耗：2.3W

图5.3采集模块电路原理图

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5.2 MCGS软件工程组态

通过MCGS组态软件在控制计算机上构建一个人机交互界面，经过RS232/485转换器实现计算机与数据采集模块的通讯，将检测变送装置的信号传送到控制计算机中，从而在人机交互界面中可以对水箱液位对象进行监控﹑控制器设计改造﹑数据浏览和存储﹑记录实验曲线等。MCGS组态软件所建立的工程由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分构成，每一部分分别进行组态操作，完成不同的工作，具有不同的特性

MCGS组态软件的工作方式：

(1)MCGS与设备通讯：MCGS通过设备驱动程序与外部设备进行数据交换。包括数据采集和发送设备指令。设备驱动程序是由VB程序设计语言编写的DLL（动态连接库）文件，设备驱动程序中包含符合各种设备通讯协议的处理程序，将设备运行状态的特征数据采集进来或发送出去。MCGS负责在运行环境中调用相应的设备驱动程序，将数据传送到工程中各个部分，完成整个系统的通讯过程。每个驱动程序独占一个线程，达到互不干扰的目的。

(2)MCGS产生动画效果：MCGS为每一种基本图形元素定义了不同的动画属性，每一种动画属性都会产生一定的动画效果。所谓动画属性是反映图形大小、颜色、位置、可见度、闪烁性等状态的特征参数。在图形的每一种动画属性中都有一个“表达式”设定栏，其中设定一个与图形状态相联系的数据变量，连接到实时数据库中，以此建立相应的对应关系，MCGS称之为动画连接。

(3)当工业现场中测控对象的状态（如：水箱液位高度等）发生变化时，通过设备驱动程序将变化的数据采集到实时数据库的变量中，该变量是与动画属性相关的变量，数值的变化，使图形的状态产生相应的变化（如高低变化）。现场的数据是连续被采集进来的，这样就会产生逼真的动画效果（如水箱液面的升高和降低）。用户也可编写程序来控制动画界面，以达到满意的效果。

(4)MCGS实施远程多机监控：MCGS提供了一套完善的网络机制，可通过TCP/IP网、Modem网和串口网将多台计算机连接在一起，构成分布式网络测控系统，实现网络间的实时数据同步、历史数据同步和网络事件的快速传递。同时，可利用MCGS提供的网络功能，在工作站上直接对服务器中的数据库进行读写操作。分布式网络测控系统的每一台计算机都要安装一套MCGS工控组态软件。MCGS把各种网络形式，以父设备构件和子设备构件的形式，供用户调用，并进行工作状态、端口号、工作站地址等属性参数的设置。

(5)MCGS控制工程运行流程：MCGS开辟了专用的“运行策略”窗口，建立用户运行策略。MCGS提供了丰富的功能构件，供用户选用，通过构件配置和属性设置两项组态操作，生成各种功能模块,使系统能够按照设定的顺序和条件，操作实时数据库，实现对动画窗口的任意切换，控制系统的运行流程和设备的工作状态。所有的操作均采用面向对象的直观方式，避免了烦琐的编程工作。

在MCGS组态环境下的工程组态流程如下 1. 主控窗口设计

主控窗口是工程的主窗口或主框架,是所有设备窗口和用户窗口的父窗口。在主控窗口中可以放置一个设备窗口和多个用户窗口，负责调度和管理这些窗口的打开或关闭。并调度用户策略的运行。同时，主控窗口又是组态工程结构的主框架，可在主控窗口内建立菜单系统，创建各种菜单命令，展现工程的总体概貌和外观，设置系统运行流程及特征参数，方便用户的操作。在MCGS单机版中，一个应用系统只允许有一个主控窗口，主控窗口是作为一个独立的对象存在的，其强大的功能和复杂的操作都被封装在对象的内部，组态时只需对主控窗口的属性进行正确地设置即可。

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