三容水箱液位串级控制系统的设计

目录

1绪论 ....................................................................................................................................................... 2 1.1 过程控制发展概况 ..................................................................................................................... 2 1.2 MATLAB介绍 .............................................................................................................................. 2 2 建立被控对象模型 .............................................................................................................................. 4 2.1 试验法建模 ................................................................................................................................. 4 2.2 输入、输出数据获取 ................................................................................................................. 4 2.3 拟合与图解 ................................................................................................................................. 5 3 控制系统设计及仿真 ........................................................................................................................ 10 3.1 控制系统选择 ........................................................................................................................... 10 3.2 PID控制器 ................................................................................................................................ 11 3.3 PID控制器参数的整定及其方法 ............................................................................................ 13 4 仪表控制系统方案 ............................................................................................................................ 15 4.1 仪表控制系统概述 ................................................................................................................... 15 4.2 仪表控制系统硬件组成 .......................................................................................................... 15 4.3 仪表控制系统的实现 ............................................................................................................... 16 4.4 仪表控制系统的现场调试 ....................................................................................................... 17 5 远程计算机控制系统方案 ................................................................................................................ 19 5.1 远程计算机控制系统概述 ....................................................................................................... 19 5.2 ICP-7000系列智能采集模块 .................................................................................................. 19 5.3 远程计算机控制系统硬件组成 ............................................................................................... 20 5.4 MCGS组态软件 .......................................................................................................................... 21 5.5 软件组态 ................................................................................................................................... 23 5.6 远程计算机控制系统组建与调试 ........................................................................................... 34 6 结论与展望 ........................................................................................................................................ 36 谢辞 ........................................................................................................................ 错误！未定义书签。 参考文献 ................................................................................................................................................ 37

三容水箱液位串级控制系统的设计

摘 要： 液位是工业生产过程中重要的被控量之一，因而液位控制的研究具有很大的现实意义。而随着计

算机控制技术的迅速发展，组态技术开始得到重视与运用,它能够很好地解决传统工业控制软件存在的种种问题，使用户能根据控制对象和控制目的任意组态，完成最终的自动化控制工程。论文中首先建立了三容水箱的数学模型，在此基础上给出了三闭环液位串级控制系统的两套设计方案：仪表控制系统方案和远程计算机控制系统方案，以组态技术为核心的远程计算机控制方案则代表计算机控制系统发展的一种趋势。设计完成了基于MCGS的软件组态，并对两种设计方案进行了实验调试和结果分析。

关键词： 液位，串级控制，组态, 智能调节器，远程计算机控制

Abstract：Liquid level is one of important controlled variables in industrial process, so research

on it has great realistic significance. As computer control technology develops at a high speed, configuration technology is regarded and used, which can solve so many problems of traditional industrial control software that users can configure at will to finish their automatic projects according to their object and goal. This thesis gives two kinds of design scheme for tri-loop cascade control system of liquid level which base on mathematical model of tri-container. The two kinds of design scheme are appliance control and remote computer control. Configuration based on MCGS is completed in the design. Experiments have been done, and the results have also been analyzed.

keywords：liquid level, cascade control, configuration，AI controller, remote computer control

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三容水箱液位串级控制系统的设计

1绪论

1.1 过程控制发展概况

自从进入20世纪90年代以来，自动化技术发展很快，并取得了惊人的成就，已成为国家高科技的重要分支。过程控制技术是自动化技术的重要组成部分。在现代工业生产过程自动化中，过程控制技术正在为实现各种最优技术经济指标，提高经济效益和社会效益，提高劳动生产率，节约能源，改善劳动条件，保护环境卫生，提高市场竞争能力等方面起着越来越巨大的作用。而过程控制系统通常是指工业生产过程中自动控制系统的被控量是温度、压力、流量、液位、成分、粘度、湿度和pH等这样一些过程变量的系统。本文所要研究的系统为多容器流程系统，此类系统在过程控制中是一种典型被控对象，在生产实践中有着广阔的应用背景，它的液位控制的研究对于工程运用有着非常重要的指导意义与运用价值。

工业过程控制在七，八十年代以来取得了飞跃发展。一方面是因为现代控制理论从本质上解决了一般多变量系统的控制问题，包括线性系统、时变系统、非线性系统、微分－差分系统等，从而大大促进了过程控制的发展。另一方面是随着大规模集成电路制造成功与微处理器的相继问世，使得功能丰富的计算机的可靠性大大提高，尤其是工业控制记采用了冗余技术和软硬件的自诊断措施，使其满足了工业控制的应用要求。随着微型计算机的开发，运用和普及，使生产过程自动化发展到一个新的阶段。随着现代工业生产的迅速发展，工艺条件越来越复杂，对过程控制的要求越来越高。过程控制系统的设计是以被控过程的特性为依据的。由于工业过程的复杂，多变，因此其特性多半属多变量、分布参数、大惯性、大滞后和非线性等等。为了满足上述特点与工艺要求，过程控制中的控制方案是十分丰富的。通常有单变量系统，也有多变量系统；有仪表过程控制系统，也有计算机集散控制系统；有复杂控制系统，也有满足特定要求的控制系统。

计算机控制技术无疑是最受瞩目的，因为它不仅能提供模拟控制技术所能提供的一切，还能够提供更加灵活与精确的控制方案。其中组态模式是越来越多的控制工程师所乐意采用的，这是因为从芯片到电路设计再到模块制作再到系统组装调试的传统模式已难以满足需求。计算机控制系统的组态功能可分为两个方面，即硬件组态与软件组态。硬件组态常以总线式工业控制机进行选择和配置。软件组态常以工业控制组态软件为主来实现。工业控制组态软件是标准化和规模化的通用过程控制软件，控制工程师在不必了解计算机的硬件和软件的前提下，用填表的方法，对输入输出信号进行‘软’连接。组态软件大大减轻了工程师的工作量，工程师不需要作大量的低层次的软件的开发，同时软件自身的可移植性大大增加，也进一步提高了控制的可靠性。目前我国已开发出很多成功的组态软件，许多国外的组态软件已开始了汉化工作，这对于国内的控制工程师无疑是个好消息。而在水箱液位串级控制系统的设计中运用组态技术，这无疑是一项有趣的研究，对于工业生产有着巨大的现实意义与前瞻性。

1.2 MATLAB介绍

1.2.1 MATLAB概述

由于在建立被控对象的过程与调节器的设计中，使用了国际上知名的功能强大的工具软件MATLAB。MATLAB语言的首创者Cleve Moler教授在数值分析特别是在数值线性代数的领域中很有影响。他曾在密西根大学，斯坦福大学和新墨西哥大学任数学与计算机教授。

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1980年前后，时任新墨西哥大学计算机系主任的Moler教授在讲授线性代数时，发现了用其它高级语言编程极为不便，便构思并开发了MATLAB(MATrix LABoratory,即矩阵实验室)，这一软件利用了他研制的，在国际上颇有影响的EISPACK(基于特征值计算的软件包)和LIMPACK（线性代数软件包）两大软件包中可靠的子程序代码，用Fortran语言编写了集命令翻译，科学计算于一身的一套交互式软件系统。

Cleve Moler和John Little等人成立了一个名叫The MathWorks的公司，Cleve Moler一直任该公司的首席科学家。该公司于1984年推出了第一个MATLAB的商业版本。当时的MATLAB版本已经用C语言作了完全的改写，后来推出的SimuLAB环境首次引入了基于框图的仿真功能，其模型输入的方式令人耳目一新，该环境就是我们现在熟知的Simulink。 The Mathworks公司一直致力于新版本的开发，测试。MATLAB当前已经成为国际上最流行的科学与工程计算的软件工具，尤其是在控制领域。

除了MATLAB语言的强大数值计算和图形功能外，它还有其它语言难以比拟的功能，此外，它和其它语言的接口能够保证它可以和各种各样的强大计算机软件相结合，发挥更大的作用。因为MATLAB语言可以轻易地再现C或Fortran语言几乎全部的功能，所以即使用户不懂C或Fortran这样的程序设计语言也可以设计出功能强大，界面优美，稳定可靠的高质量程序来，且开发周期会大大地缩短，可靠性与可信度也会大大提高。MATLAB语言具有较高地运算精度，一般情况下，能够满足一般科学与工程运算的要求。

1.2.2 基于MATLAB的数值处理

现代科学与工程的进展离不开数学。数学家感兴趣的问题和其他科学家、工程技术人员所关注的问题是不同。数学家往往对数学问题的解析解和解的存在性严格证明感兴趣，而工程技术人员一般对如何求出数学问题的解更关心。换句话说，能用某种方法获得问题的解则是工程技术人员更关心的问题。而获得这样解的最直接方法就是通过数值解法技术。

数学问题的数值解法已经成功地运用于各个领域。而MATLAB语言就可以求解几乎所有的数值问题，在本设计中就将运用它来对采样数据进行插值拟合。数据拟合成曲线的思想就是根据一组二维数据，即平面上的若干点，要求确定一个一元函数y = f(x)，即曲线，使这些点与曲线总体来说尽量接近，曲线拟合其目的是根据实验获得的数据去建立因变量与自变量之间有效的经验函数关系，为进一步的深入研究提供线索。

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2 建立被控对象模型

2.1 试验法建模

过程控制系统的品质是有组成系统的各个环节的结构及其特性所决定的。过程的数学模型是设计控制系统，确定控制方案，分析质量指标，整定调节器参数和仿真实验等的重要依据。过程的数学模型有两种，一种是非参数模型，例如阶跃响应曲线，脉冲响应曲线和频率响应曲线，是用曲线表示的。二是参数模型，例如微分方程、传递函数、脉冲响应函数，状态方程和差分方程或函数表示的。而建立过程数学模型的基本方法，一般来说有机理分析法和试验法两种。机理分析法建模又可被称为数学分析法建模和理论建模。对于一些简单的被控过程建模可采用此法。但是，由于很多工业过程其内部机理较复杂，对某些物理，化学过程目前尚不完全清楚，所以对这些较复杂过程的建模较为困难，再加之工业过程非线性因素的存在和一些不合理的人为假设，使得机理法建模在对较为复杂的过程建模时显出弊端。此时，工程上普遍采用试验法建模。顾名思义，试验法建模的主要特点是不需要深入了解过程的机理。只要设计一个合理的实验，去获得过程所包含的充足的信息量，就可以按照一定的方法得到被控过程的数学模型，而控制理论已有相关成熟的方案，即工程上普遍采用的阶跃响应曲线法。在本次设计中，被控对象为浙江天煌科技实业有限公司出品的THJ-2型高级过程试验装置提供的三容水箱系统，分别为上水箱、中水箱、下水箱，均为具有自平衡能力的被控过程。

图2.1 单容水箱特性测试原理图

2.2 输入、输出数据获取

三个水箱的模型都视为一阶惯性环节来分别建立数学模型。具体的思路如下：按照图

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2.1所示组建单容水箱系统，以电动调节阀的开度作为输入量，以水箱的液位作为输出量，通过实验测得数据来建立传递函数。实验时，在水箱液位已经稳定的前提下，给电动调节阀突加阶跃的变化（此增量不宜过大，以免待测水箱中的水溢出）,让待测水箱的液位进入新的平衡状态。此时，通过上位机获取输入输出数据，考虑到测量噪声的影响， 要先对测量数据进行曲线拟合后运用图解法来建立数学模型。

经30s为周期采集的上水箱的液位测量值如下：

22.54 29.07 33.57 34.70 35.90 36.71 37.11 37.82 38.26 38.05 38.42 38.37 38.36 38.45 38.60 38.70 38.67 38.71 38.86

经30s为周期采集的中水箱的液位测量值如下：

23.62 30.50 35.25 38.69 41.32 43.31 44.77 45.56 46.17 47.06 47.25 47.46 47.76 47.87 47.89

经30s为周期采集的下水箱的液位测量值如下：

53.56 54.02 57.19 60.28 63.53 66.56 69.52 72.26 74.79 77.00 79.07 80.87 82.88 84.61 86.34 87.71 89.18 90.44 91.76 93.04 94.11 95.18 96.04 96.96 97.49 98.45 99.19 99.83 100.43 101.01 101.42 101.81 102.26 102.79 103.19 103.36 103.65 103.93 104.39 104.84 105.06 105.53 105.80 106.08 106.33 106.41 106.61 106.65 106.94 107.20 107.28

2.3 拟合与图解

在明确了拟合的含义之后，就可以运用MATLAB所提供的函数与强大数值计算功能来进行拟合出一条单容水箱的阶跃响应曲线，为进一步运用图解的方法进行准备工作。

2.3.1 拟合

运用MATLAB提供的一组函数polyfit、polyval以及plot可以得到比较满意的多项式拟合曲线。M语言的代码如下： 上水箱响应曲线拟合相关代码： x=0:30:540;

y=[22.54 29.07 33.57 34.70 35.90 36.71 37.11 37.82 38.26 38.05 38.42 38.37 38.36 38.45 38.60 38.70 38.67 38.71 38.86]; p=polyfit(x, y,5); xi=0:3:540; yi=polyval(p,xi); plot (x,y,xi,yi,'--') 中水箱响应曲线拟合相关代码： x=0:30:420;

y= [ 23.62 30.50 35.25 38.69 41.32 43.31 44.77 45.56 46.17 47.06 47.25 47.46 47.76 47.87 47.89 ]; p=polyfit (x, y,3); xi=0:3:420; yi=polyval(p, xi); plot (x, y, xi, yi,'--') 下水箱响应曲线拟合相关代码： x=0:30:1500;

y=[ 53.56 54.02 57.19 60.28 63.53 66.56 69.52 72.26 74.79 77.00 79.07 80.87 82.88

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三容水箱液位串级控制系统的设计

84.61 86.34 87.71 89.18 90.44 91.76 93.04 94.11 95.18 96.04 96.96 97.49 98.45 99.19 99.83 100.43 101.01 101.42 101.81 102.26 102.79 103.19 103.36 103.65 103.93 104.39 104.84 105.06 105.53 105.80 106.08 106.33 106.41 106.61 106.65 106.94 107.20 107.28];

p=polyfit (x, y,3); xi=0:3:1500; yi=polyval(p, xi); plot (x, y, xi, yi,'--')

经过MATLAB的拟合得到的上水箱、中水箱、下水箱的曲线, 其中曲线1为测量数据曲线，曲线2为MATLAB拟合的阶跃响应曲线。

图2.2上水箱数据拟合图

图2.3 中水箱数据拟合图

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图2.4 下水箱数据拟合图

2.3.2 参数求解

运用控制理论来分析、设计、整定或改进一个过程控制系统，只有过程的阶跃响应曲线还是不够的，还必须由阶跃响应曲线确定其传递函数。根据工程经验，单容水箱为一阶惯性环节，可见，只要能由阶跃响应曲线求得放大系数K、时间常数T，则过程的数学模型就可求得了。设过程输入信号的阶跃增量为X,由上述三图的阶跃响应曲线可定出其稳态值Y(∞),则K、T可以如下步骤确定。

a) 静态放大系数K 阶跃响应曲线的稳态值Y(∞)与阶跃增量值X之比，即K= Y(∞)/X （2.1） 由于系统输出有初值，在经过一个坐标平移后可以确定上、中、下三个水箱的稳态终值分别为16.2mm 、23.5mm、56mm。三次实验的阶跃扰动值均为10(电动调节阀的开度)，计算K得分别为1.62、2.35、5.6。

b) 时间常数T 按照工程经验在响应曲线上选两个点Y*(t1)=0.632Y(∞),Y*(t2)=0.33 Y(∞),按上式计算T1＝t1,T2=2.5t2，T＝(T1+T2)/2。

下面就是由阶跃响应曲线确定一阶惯性环节的时间常数的图解过程：

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图2.5 上水箱时间常数求解图

求得t1=60s, t2=24s

图2.6 中水箱时间常数求解图

求得t1=100s, t2=45s

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图2.7 下水箱时间常数求解图

求得t1=450s，t2=160s

根据上述步骤可以分别得到上、中、下三个水箱的时间常数为60s、106s、425s。 继而，我们可以得到三个水箱的数学模型分别为：

1.622.355.6 、、。

60s?1106s?1425s?1 9

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3 控制系统设计及仿真

3.1 控制系统选择

由于被控对象为三容水箱系统，为了满足对控制精度和功能的更高要求，单回路系统已难以满足此类被控对象，需要在单回路的基础上，采取其它措施，组成比单回路系统复杂一些的控制系统，三闭环串级控制系统就是一个选择。

图3.1 三闭环液位串级控制系统框图

图3.2 三闭环液位串级控制系统工艺图

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3.2 PID控制器

比例一积分一微分(PID)控制器作为最早实用化的控制器己有50多年的历史，现在仍然广泛应用于化工、机械、热工和轻工等工业过程控制系统中。PID有几个重要的功能，例如：提供反馈控制，通过积分作用可以消除稳态误差，通过微分作用预测将来。PID控制器特别适用于过程的动态性能是良性的而且控制性能要求不高的情况。在上述三闭环串级控制系统的中的三个调节器均为PID调节器。

3.2.1 PID控制系统

图3.3 PID控制系统结构图

PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r(t)与实际输出值c(t)构成控制偏差e(t)，即e(t)=r(t)-c(t)。将偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)通过线性组合构成控制量，对过程对象进行控制，故称为PID控制器。 控制规律为u(t)?KP[e(t)?1Tit?e(t)dt?Td0de(t)] dt其中Kp－比例系数,Ti －积分时间常数 Td－微分时间常数

PFD控制器的比例系数增大。则控制器对偏差反应灵敏;积分时间常数减小，则对偏差的积累量灵敏:微分时间常数Td增大，则对偏差的变化灵敏。因此，通过选Kp,Ti ,Td可使控制量中的三个部分合理组合，从而达到控制目的。PID控制综合了被控量的过去(I)、现在(P)及未来(D)三方面的信息，对动态过程无需太多的预先知识，鲁棒性强，控制效果一般令人满意，为广大工程技术人员所熟悉。

首先的是只用比例控制器的反馈控制系统，其被调量仍是有静差的。然而，只要所设置的控制器仅仅是一个比例放大器，对于稳定系统，稳态误差只能减小，却不可能消除。从一般典型系统的开环频率特性曲线或根轨迹曲线，我们可以看出开环放大系数K值越大也会导致系统稳定性的下降，会出现长时间的振荡，损坏执行器。因此，理性地选择K值的范围对于系统的稳定性和静态性能有很直接的影响。

积分环节的主要作用是确保在系统稳态时过程输出和设定值一致。我们知道，比例控制通常产生稳态误差，在积分作用下，无论多小正向误差总导致控制信号增加，无论多小负向误差总能导致控制信号减小。因此，具有积分作用的控制器总是使得稳态误差为零。然而，积分作用的加强必将使得系统的动态性能变差，加大系统的超调，延长调节时间，也会影响系统的稳定性。

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微分环节的主要作用是改善闭环系统的稳定性。由于控制信号的变化引起过程输出改变需要一定的时间。那么控制信号对误差的反映总是滞后的。但采用PD控制器结构，当Td=0时，则为纯PI控制下的响应，Td起初增大时，系统超调减少，响应速度加快，动态性能明显改善，超调得到抑制，但是继续增大Td动态性能又变差。

总之，PID控制体现着折衷的思想。其控制作用是在比例、积分、微分三种作用间进行折衷;从时域看，PID控制是对系统的过去、现在、未来的状态信息的折衷用;从频域看，PID控制是对系统偏差信号中的低频、中频、高频成分的折衷利用;从性能看，PID控制是在准确性和快速性之间进行折衷。这种折衷有操作者依照经验和现场实践来把握，通过这种来获得系统较好的综合控制性能。由于PID的三个参数都有明确的物理意义，这给操作者进行参数的调整带来方便。

3.2.2 控制系统仿真

在完成了被控对象的数学模型的建立以及控制系统方案的选择后，可以在Simulink中对控制方案进行仿真实验，以验证方案的可行性和和加深对于PID参数调整的定性认识。以三容水箱作为被控对象，其数学模型为三个单容水箱的串联，其传递函数在上一章已建立。考虑到后两级水箱的输入是上级水箱的液位输出，与前面已建立的模型相差一个增益，在下面的仿真实验中，设该增益为1。

图3.4 仿真系统结构图

经过分别增强调节器1的比例作用，积分作用、微分作用得到的系统过渡过程曲线验证了3.2.1中的理论分析。

图3.5 比例作用增强下过渡过程仿真曲线

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图3.6 积分作用增强下过渡过程仿真曲线

图3.7 微分作用增强下过渡过程仿真曲线

3.3 PID控制器参数的整定及其方法

过程控制器采用的控制器通常都有一个或多个需要调整的参数和调整这些参数的相应机构（如旋钮、开关）或相应设备（如计算机控制系统中的组态软件、可编程控制器的编程器）。通过调整这些参数使控制器特性与被控过程特性配合好，获得满意的系统静态与动态特性称为控制器参数整定。由于人们在参数调整中，总是力图达到最佳的控制效果，所以常称为‘最佳整定’，相应的控制器参数称为‘最佳参数整定’。

衡量控制器参数是否最佳，需要规定一个明确的反应控制系统质量的性能指标，一般分为稳态指标和静态指标。需要指出的是，不同生产过程对于控制过程的品质要求不完全一样，

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因而对系统整定性能指标的选择有较大的灵活性。作为系统整定的性能指标，它应能综合反映系统控制质量，同时又便于分析与计算。

控制器参数的整定方法很多，归纳起来可分为两大类，理论计算整定法与工程整定法。顾名思义，理论计算整定法是在已知过程的数学模型基础上，依据控制理论，通过理论计算来求取‘最佳整定参数’；而工程整定法是根据工程经验，直接在过程控制系统中进行的控制器参数整定方法。由于无论是用解析法或实验法求取的过程数学模型都只能近似反映过程的动态特性，因而理论计算所得到的整定参数值可靠性不够高，在现场使用中还需进行反复调整。相反工程整定法虽未必得到‘最佳整定参数’，但由于其不需知道过程的完整数学模型，使用者不需要具备理论计算所必须的控制理论知识，因而简便、实用，易于被工程技术人员所接受并优先使用。

下面将介绍本次设计中在现场调试调节器参数时所采用的一种整定方法，现场经验整定法。这种方法是人们在长期的工程实践中，从各种控制规律对系统控制质量的影响的定性分析中总结出来的一种行之有效，并且得到广泛运用的工程整定方法。

在现场运用中，调节器的参数按先比例、后积分、最后微分的顺序置于某些经验值后，把系统闭合起来，然后再作给定值扰动，观察系统过程曲线。若曲线还不够理想，则改变调节器的δ、Ti、Td值，进行反复凑试，直到控制质量符合要求为止。

在具体整定时，先令PID调节器的Ti＝∞，Td＝0，使其成为纯比例调节器。比例度δ按经验数据设置，整定纯比例控制系统的比例度，使系统达到4：1衰减振荡的过渡过程曲线，然后，再加积分作用。在加积分作用之前，应将比例度加大为原来的1.2倍。将积分作用Ti由大到小调整，直到系统得到4;1衰减振荡的过程曲线为止。若系统需引入微分作用，微分时间Td＝（1/3～1/4）Ti计算，这时可将比例度调到原来的数值（或更小一些），再将微分时间由小到大调整，直到过渡过程曲线达到满意为止。在凑试过程中，若要改变Ti、Td时，应保持Td/Ti的比值不变。

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4 仪表控制系统方案

4.1 仪表控制系统概述

20世纪50年代前后，一些工厂企业的生产过程实现了仪表化和局部自动化。这是过程控制发展的一个重要阶段。到了六十年代以来，随着工业生产的不断发展，对过程控制提出了新的要求；随着电子技术的迅速发展，也为自动化技术工具的完善创造了条件，气动和电动单元组合仪表应运而生。大规模集成电路制造成功与微处理器的相继问世，使得自动化技术工具方面有了新的发展，诸如以微处理器为核心的智能单元组合仪表（包括可编程调节器和DDZ-ш系列智能仪表）的开发和广泛应用。本次设计所要实现的仪表控制系统方案中所使用的调节器就是一种智能单元组合仪表。仪表过程控制系统是利用智能仪表与一次仪表、执行机构、调节阀等动作装置组建的控制系统，用于工业现场控制，其控制方式可以是直接手动调节给定输出值，也可是仪表可按其预设工作方式自动调节输出信号进行控制。

4.2 仪表控制系统硬件组成

4.2.1 AI全通用人工智能调节器

在仪表控制系统的组建中，使用的是上海万讯仪表有限公司出品的AI全同用人工智能调节器。这是一种以单片机为核心的智能单元组合仪表。

该种调节器拥有人性化的操作方法，非常方便易学，并且不同功能档次的仪表操作相互兼容。它包含国际上同类仪表的几乎所有功能，通用性强，技术成熟可靠。共有多个型号可供选择，无论是要求功能强大，还是要求价格经济，都能获得满意的选择。全球通用的85－264VAC输入范围开关电源或24VDC电源供电，并具备多种外形尺寸供选择。输入采用数字校正系统，内置常用热电欧和热电阻非线性校正表格，测量精确稳定。它采用先进的AI人工智能调节算法，无超调，具备自整定（AT）功能。此外，还采用先进的模块化结构，提供丰富的输出规格，能广泛满足各种应用场合的需要。AI系列仪表采用先进的AI人工智能算法，能实现前所未有高精度控制，先进的自整定(AT)功能使得大部分用户无需人为设置参数。采用模块化结构及强大的软件功能，仪表可提供非常齐全的调节输出模式。

电源 100-240VAC，–15%，+10%，50-60Hz,功率≤5W；输入信号 0-5V，1-5V，4-20mA；输出信号 4-20mA；响应时间≤0.5秒；环境温度0-50℃。

要使仪表正常地工作就必须设置正确的参数，参数的具体设定入下： Sn：输入规格 “33” 1-5V电压输入

“21” pt100输入

diH：输入上限显示值 diL：输入下限显示值 CF 系统功能选择

CF=A×1+B×2+C×4+D×8+E×16+F×32+G×64 A=0工作在反作用方式，即输入值增大，输出值减小 A=1工作在争作用方式，即输入值减小，输出值增大 B=0仪表报警无上电/给定值修改免除报警功能

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B=1仪表报警有上电/给定值修改免除报警功能 C=0目前设备用于客户特殊要求

D=0不允许外部给定（仅用于AI-808P型仪表） D=1允许外部给定（仅用于AI-808P型仪表） D=0程序时间以分为单位 D=1程序时间以秒为单位 E=0无分段功率限制功能 E=1有分段功率限制功能

F=0仪表光柱指示输出值（仅带光柱的仪表） F=1仪表光柱指示测量值（仅带光柱的仪表）

G=0仪表工作为AI-808P模式（仅用于AI-808P型仪表） G=1仪表工作为AI-708P模式（仅用于AI-808P型仪表）

4.2.2 BP800系列压力变送器

BP800系列压力变送器具有高精度、高稳定性的特点。过程压力通过压力传感器将压力信号转换成电信号，经差分放大器、输出放大器放大后，再经V/A转换器，转换为与输入压力成线性对应关系的标准电流输入信号。它有可靠的机械保护和防暴保护，适用于各种恶劣环境。该系列的变送器可用于测量粘稠、结晶及腐蚀性介质。可以在二线制或四线制下工作，输出电流相应的为4～20mA及0～10mA标准电流信号输出。测量范围为－100KPa～100MPa。

4.2.3 QSVP系列智能电动单座调节阀

QSL奇胜智能型直行程电动执行机构是上海万讯仪表有限公司应用了国际上最新计算机技术及控制系统软件，研制开发的新一代智能型电动执行器，并同国内主要的调节阀厂合作推出的QSV系列电动调节阀产品。QSVP系列智能电动单座调节阀是QS智能电动调节阀系列产品之一，它由QSL奇胜智能型电动执行器与优质的国产阀门组合构成，是一种高性能的调节阀，适用于各种不同压力和温度的液体和对泄漏要求高的场合。可广泛应用于电力、冶金、石油、化工、医学、锅炉、轻工等行业的自动控制系统中。

电动执行机构接受0～10mA/4～20mA/0～5V/1～5V等控制信号，改变阀门的开度，同时将阀门开度的隔离信号反馈给控制系统，实现对压力、温度、流量、液位等参数的调节。它配用QSL奇胜智能型直线行程电动执行器，体积小，操作方便，无调整电位器，可靠性高。QSL电动执行器采用一体化结构设计，具有自诊断功能，使用和调校十分方便。此外，它有数字显示窗口，可看到控制信号、反馈信号、电动手操值。QSL智能型电动执行机构带断控制信号故障判断、报警及保护功能。

4.3 仪表控制系统的实现

相关设备的设定规范进行正确设定后，三闭环液位串级控制的仪表控制系统方案组建完毕。此时，可以在上位机打开相关组态工程，对其进行监视。仪表控制系统操作台电气连线。

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图4.1 仪表控制系统操作台连线图

4.4仪表控制系统的现场调试

在完成了仪表控制系统的组建之后，正如2.2.3中所说，还需进行调节器参数的现场整定。具体的方法如下：

在现场运用中，首先调节器的参数按先比例、后积分、最后微分的顺序置于某些经验值后，把系统闭合起来，然后再作给定值扰动，观察系统过程曲线。由于系统为三闭环串级系统，共使用了三个智能调节器，所以整定起来一定要按先内环后外环的工程习惯来整定。调节器1的控制规律应按照控制指标的要求采用PID控制律，积分作用可以消除误差，尽可能达到无差控制，满足稳态指标，而微分作用的引入就是为了改善系统的动态的性能，加快系统的响应，减少超调。调节器2与调节器3只采用P控制律，出发点在于保证系统的稳定性与对于内环响应要快的实际要求。为了加快系统的响应的速度，调节阀的控制信号的大小在整定时是不可忽视的，否则系统的过渡的时间将会十分长。根据现场调试经验，调节器3的输出不应小于30，在其它两个调节器参数适当的情况下，调节器3的输出的大小对系统的响应的快慢影响比较明显。在调节器3的输出维持在满意的范围之后，就可以整定调节器2的参数。由于只需整定P参数，注意的一点就是要使得调节器2的输入值与输出值尽量接近，两者差值控制在设定值的百份之二十左右比较合适。对于调节器1的参数整定，应按照PID控制规律来整定，按照积分作用与微分作用对系统性能的不同影响来设定参数。如果发现系统响应不够理想，也可以加大P参数。以下是仪表系统稳定后在突加阶跃后的过渡过程曲线。

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三容水箱液位串级控制系统的设计

图4.2 仪表控制系统突加阶跃信号过渡过程曲线

稳态值为5cm,阶跃量为1cm. 调节器1的参数:P=70;I=60;D=20 调节器2的参数:P=20;I=0;D=0 调节器3的参数:P=10;I=0;D=0

突加阶跃信号后超调15%，调整时间6分钟（2%误差带），稳态误差0。

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5 远程计算机控制系统方案

5.1 远程计算机控制系统概述

远程计算机控制系统是设计中所采用的过程实验装置的扩展上位控制系统，该控制系统通过ICP－7000系列智能采集模块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，计算机同时控制运算发出的控制信号通过D/A转换发送给执行机构（调节阀、变频器、可控调压器）。

该上位机控制系统实际上属于计算机DDC直接数字控制系统，只不过是将模拟量输入AI模块和模拟量输出AO模块，开关量输入/输出DI,DO模块置于计算机之外，计算机由RS232/485通讯转换装置同ICP-7000系列模块（自带RS485通讯接口）通讯。

5.2 ICP-7000系列智能采集模块

在工控领域内，智能采集模块有着相当重要的地位，它可以通过串口通讯协议（RS232、RS485等）或其它通讯协议与PC机相连，并与外界现场信号直接连接或与由传感器转换过得外界信号相连，来实现对现场模拟信号的采集。由PC机中的程序控制并处理采集到的现场信号，输出模拟控制信号，还可以对开关量输入输出信号进行处理等功能。因此，智能采集模块在工业控制领域有着极其广泛的运用。本装置所采用的MCGS工控组态软件为了实现监控、记录现场的情况，将每种智能采集模块作为一个设备构件，挂在MCGS的设备窗口中，用来采集和处理现场信号和输出控制信号。本次设计所采用的智能采集模块为台湾威达公司的鸿格智能采集模块。鸿格ICP系列智能采集模块通过RS485等串口通讯协议与PC相连，由PC中的程序控制并实现数据采集模块对现场的模拟量、开关量信号的输入和输出、脉冲信号的计数和测量脉冲频率等功能ICP7017模块是利用RS485和上位机进行通讯的8通道模拟量输入采集模块。输入类型：电压、电流。ICP7024输出模块有4路电压型模拟量输出，4路电流型模拟量输出。

图5.1 7017/7017F内部结构图

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三容水箱液位串级控制系统的设计

图5.2 7024内部结构图

5.3 远程计算机控制系统硬件组成

按照图3.2对系统硬件进行连接，但数字调节器仪表将由上位机里的算法所代替，使用的测量变送装置是BP800型压力变送器，调节阀是QSVP系列智能电动单座调节阀，被控对象仍是由THJ-2型高级过程实验装置所提供的三容水箱系统。

图5.3 远程计算机控制系统数据采集台连线图

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5.4 MCGS组态软件

5.4.1 MCGS组态软件概述

在仪器仪表系统中，组态软件就被提及与使用，但那时更多的是作为一种辅助性的角色，即作为一个对于仪器仪表系统监视的平台。而在远程数据采集系统中。组态软件起到了举足轻重的作用。在这次设计中所使用的组态软件是北京昆仑通态出品的MCGS组态软件，这是一款优秀的国产全中文工控组态软件，当前版本为5.1。

MCGS(Monitor and Control Generated System)是一套基于Windows平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，可运行于Microsoft Windows 95/98/Me/NT/2000等操作系统。MCGS为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台，能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出以及企业监控网络等功能。使用MCGS，用户无须具备计算机编程的知识，就可以在短时间内轻而易举地完成一个运行稳定，功能全面，维护量小并且具备专业水准的计算机监控系统的开发工作。MCGS具有操作简便、可视性好、可维护性强、高性能、高可靠性等突出特点，已成功应用于石油化工、钢铁行业、电力系统、水处理、环境监测、机械制造、交通运输、能源原材料、农业自动化、航空航天等领域，经过各种现场的长期实际运行，系统稳定可靠。

5.4.2 MCGS组态软件的特点

与国内外同类产品相比，MCGS 5.1组态软件具有以下特点：全中文、可视化、面向窗口的组态开发界面，符合中国人的使用习惯和要求，真正的32位程序，可运行于Microsoft Windows95/98/Me/NT/2000等多种操作系统。庞大的标准图形库、完备的绘图工具以及丰富的多媒体支持，使您能够快速地开发出集图像、声音、动画等于一体的漂亮、生动的工程画面。全新的ActiveX动画构件，包括存盘数据处理、条件曲线、计划曲线、相对曲线、通用棒图等，使您能够更方便、更灵活地处理、显示生产数据。支持目前绝大多数硬件设备，同时可以方便地定制各种设备驱动；此外，独特的组态环境调试功能与灵活的设备操作命令相结合，使硬件设备与软件系统间的配合天衣无缝。简单易学的类Basic脚本语言与丰富的MCGS策略构件，使您能够轻而易举地开发出复杂的流程控制系统。强大的数据处理功能，能够对工业现场产生的数据以各种方式进行统计处理，使您能够在第一时间获得有关现场情况的第一手数据。方便的报警设置、丰富的报警类型、报警存贮与应答、实时打印报警报表以及灵活的报警处理函数，使您能够方便、及时、准确地捕捉到任何报警信息。完善的安全机制，允许用户自由设定菜单、按钮及退出系统的操作权限。此外，MCGS 5.1还提供了工程密码、锁定软件狗、工程运行期限等功能，以保护组态开发者的成果。强大的网络功能，支持TCP/IP、Modem、485/422/232，以及各种无线网络和无线电台等多种网络体系结构。良好的可扩充性，可通过OPC、DDE、ODBC、ActiveX等机制，方便地扩展MCGS 5.1组态软件的功能，并与其他组态软件、MIS系统或自行开发的软件进行连接。提供了WWW浏览功能，能够方便地实现生产现场控制与企业管理的集成。在整个企业范围内，只使用IE浏览器就可以在任意一台计算机上方便地浏览与生产现场一致的动画画面，实时和历史的生产信息，包括历史趋势，生产报表等等，并提供完善的用户权限控制

5.4.3 MCGS组态软件结构

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

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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。主控窗口：是工程的主窗口或主框架。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。主要的组态操作包括：定义工程的名称，编制工程菜单，设计封面图形，确定自动启动的窗口，设定动画刷新周期，指定数据库存盘文件名称及存盘时间等。设备窗口：是连接和驱动外部设备的工作环境。在本窗口内配置数据采集与控制输出设备，注册设备驱动程序，定义连接与驱动设备用的数据变量。用户窗口：本窗口主要用于设置工程中人机交互的界面，诸如：生成各种动画显示画面、报警输出、数据与曲线图表等。实时数据库：是工程各个部分的数据交换与处理中心，它将MCGS工程的各个部分连接成有机的整体。在本窗口内定义不同类型和名称的变量，作为数据采集、处理、输出控制、动画连接及设备驱动的对象。

图5.4 MCGS的结构

MCGS与设备进行通讯的方式如下：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、VC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的各个部分，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。MCGS产生动画效果的方式：MCGS为每一种基本图形元素定义了不同的动画属性，如：一个长方形的动画属性有可见度，大小变化，水平移动等，每一种动画属性都会产生一定的动画效果。所谓动画属性，实际上是反映图形大小、颜色、位置、可见度、闪烁性等状态的特征参数。然而，我们在组态环境中生成的画面都是静止的，如何在工程运行中产生动画效果呢？方法是：图形的每一种动画属性中都有一个“表达式”设定栏，在该栏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。详细情况请参阅后面第四讲中的动画连接。MCGS实施远程多机监控的方式：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，构成分布式网络监控系统，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。分布式网络监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。对工程运行流程实施有效控制的方式：

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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（称为“用户策略”），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。

5.5 软件组态

5.5.1主控窗口

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。MCGS组态窗口是组态工程的主窗口，是所有设备窗口和用户窗口的父窗口，它相当于一个大的容器。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。在工程创建时，MCGS在主控窗口中自动建立缺省菜单系统，但它提供了最简单地菜单命令，以便生成地应用系统能正常运行。

图5.5 主控窗口

5.5.2 设备窗口

设备窗口是MCGS系统的重要组成部分，负责建立系统与外部硬件设备的连接，使得MCGS能从外部设备读取数据并控制外部设备的工作状态，实现对工业过程的实时监控。MCGS实现设备驱动的基本方法是：在设备窗口内配置不同类型的设备构件，并根据外部设备的类型和特征，设置相关的属性，将设备的操作方法，如硬件参数配置、数据转换、设备调试等都封装在构件之内，以对象的形式与外部设备建立数据的传输通道连接。系统运行过程中，设备构件由设备窗口统一调度管理，通过通道连接，向实时数据库提供从外部设备采集到的数据，从实时数据库查询控制参数，发送给系统其它部分，进行控制运算和流程调度，实现对设备工作状态的实时检测和过程的自动控制。

MCGS的这种结构形式使其成为一个与设备无关的系统，对于不同的硬件设备，只需

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三容水箱液位串级控制系统的设计

定制相应的设备构件，放置到设备窗口中，并设置相关的属性，系统就可对这一设备进行操作，而不需要对整个系统结构作任何改动。在MCGS单机版中，一个用户工程只允许有一个设备窗口，设置在主控窗口内。运行时，由主控窗口负责打开设备窗口。设备窗口是不可见的窗口，在后台独立运行，负责管理和调度设备驱动构件的运行。

由于MCGS对设备的处理采用了开放式的结构，在实际应用中，可以很方便地定制并增加所需的设备构件，不断充实设备工具箱。MCGS将逐步提供与国内外常用的工控产品相对应的设备构件，同时，MCGS也提供了一个接口标准，以方便用户用VisualBasic或VisualC++编程工具自行编制所需的设备构件，装入MCGS的设备工具箱内。MCGS提供了一个高级开发向导，能为用户自动生成设备驱动程序的框架。为方便普通工程用户快速定制开发特定的设备驱动程序，MCGS系统同时提供了系统典型设备驱动程序的源代码，用户可在这些源代码的基础上移植修改，生成自己的设备驱动程序。设备窗口的界面如下图：

图5.6 设备窗口

关于ICP-7017的相关设置如下：

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/0xj2.html