双容液位PID控制 - 图文

摘 要

本设计以THSA-1型综合自动化控制系统实验装置为平台，采用PID控制规律，对双容水箱系统的下水箱液位进行控制。以远程数据采集控制方式进行实验，并利用MCGS组态软件来实现计算机监控，使控制系统具有良好的稳态性能和动态性能。实验测试结果表明，系统实现了对过程参数的无稳态误差控制。

关键词：液位控制；PID调节；MCGS

I

Abstract

The design is according to the THSA-1 experimental device of integrated automation control system, using the PID control rules on the two-capacity water tank system to control the water level. By way of remote data acquisition and control experiments, using MCGS configuration software to monitor the computer, so that the control system will have good steady state and dynamic performance. The experimental results show that the system of process parameters achieves zero steady-state of error control.

Keywords: liquid level control; PID control; MCG

II

目录

前 言 ............................................................... - 1 - 第1章 绪论 ........................................................ - 2 -

1.1过程控制概述 ............................................................................................................ - 2 - 1.2设计内容 ................................................................................................................... - 4 -

第2章 双容水箱液位系统控制方案 .................................... - 4 -

2.1 单回路控制系统概述 ................................................................................................. - 4 - 2.2 调节器设计 ............................................................................................................... - 5 -

2.2.1单容水箱液位特性测试 ................................................................................... - 6 - 2.2.2双容水箱特性测试和被控对象的建模 .............................................................. - 8 - 2.2.3调节规律的选择.............................................................................................- 11 - 2.2.4调节器正/反作用方式的选择 ....................................... - 12 - 2.2.5调节器的参数整定 .........................................................................................- 12 -

第3章 双容水箱液位系统控制实验 ................................... - 15 -

3.1实验所用装置说明 ....................................................................................................- 15 -

3.1.1 THSA-1型过控综合自动化控制系统实验平台 .................................................- 15 - 3.1.2 THSA-1型过控综合自动化控制系统对象 ........................................................- 16 - 3.1.3 THSA-1型过控综合自动化控制系统实验平台 .................................................- 17 - 3.1.4 软件介绍 ......................................................................................................- 19 - 3.2双容水箱液位PID控制实验 ......................................................................................- 20 -

3.2.1实验内容与步骤.............................................................................................- 20 - 3.2.2实验结果与数据分析......................................................................................- 22 -

结论 ............................................................... - 28 - 参考文献 ............................................................... 29 致 谢 .................................................. 错误！未定义书签。

III

前 言

随着人类社会的发展，工业自动化也有深入的发展，电子计算机的出现更使科学技术产生了一场深刻的革命。特别是自70年代初以来，随着大规模集成电路的发展，出现了微型计算机及单片微型计算机，其运算速度快，可靠性高，价格便宜，被广泛的应用于工业、农业、国防以及日常生活的各个领域。最常见的就是用电子计算机代替自动控制系统中的常规控制设备，对系统进行调节和控制。由于计算机具有强大的逻辑判断、计算和信息处理能力，从而使自动控制达到新的水平，大大提高了生产过程的自动化程度和系统的可靠性。

以表征生产过程的参量为被控制量使之接近给定值或保持在给定范围内的 自动控制系统。这里“过程”是指在生产装置或设备中进行的物质和能量的相互作用和转换过程。表征过程的主要参量有温度、压力、流量、液位、成分、浓度等。通过对过程参量的控制，可使生产过程中产品的产量增加、质量提高和能耗减少。一般的过程控制系统通常采用反馈控制的形式，这是过程控制的主要方式。过程控制在石油、化工、电力、冶金等部门有广泛的应用。20世纪50年代，过程控制主要用于使生产过程中的一些参量保持不变，从而保证产量和质量稳定。60年代，随着各种组合仪表和巡回检测装置的出现，过程控制已开始过渡到集中监视、操作和控制。70年代，出现了过程控制最优化与管理调度自动化相结合的多级计算机控制系统。80年代，过程控制系统开始与过程信息系统相结合，具有更多的功能。

液位控制问题是工业生产过程中的一种常见问题，例如在饮料、食品加工、溶液过滤、化工生产等行业的生产加工过程中都需要对液位进行适当的控制。通过液位的检测与控制，可以了解容器中的原料、半成品或成品的数量，以便调节容器内的输入输出物料的平衡，保证生产过程中各环节的物料搭配得当。通过控制计算机可以不断监控生产的运行过程，即时显示容器的液位，保证产品的质量和数量。本文将以THSA-1高级过程控制实验装置为平台，利用MCGS组态软件来实现计算机监控，并采用PID控制规律来控制双容液位控制系统，使控制系统具有良好的稳态性能和动态性能。

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第1章 绪论

1.1 过程控制概述

在现代工业控制中, 过程控制技术是一历史较为久远的分支。在本世纪30 年代就已有应用。过程控制技术发展至今天, 在控制方式上经历了从人工控制到自动控制两个发展时期。在自动控制时期内，过程控制系统又经历了三个发展阶段, 它们是：分散控制阶段, 集中控制阶段和集散控制阶段。

从过程控制采用的理论与技术手段来看，可以粗略地把它划为三个阶段：开始到70 年代为第一阶段，70 年代至90 年代初为第二阶段，90 年代初为第三阶段开始。其中70 年代既是古典控制应用发展的鼎盛时期，又是现代控制应用发展的初期，90 年代初既是现代控制应用发展的繁荣时期，又是高级控制发展的初期。第一阶段是初级阶段，包括人工控制，以古典控制理论为主要基础，采用常规气动、液动和电动仪表，对生产过程中的温度、流量、压力和液位进行控制，在诸多控制系统中，以单回路结构、PID 策略为主，同时针对不同的对象与要求，创造了一些专门的控制系统，如：使物料按比例配制的比值控制，克服大滞后的Smith 预估器，克服干扰的前馈控制和串级控制等等，这阶段的主要任务是稳定系统，实现定值控制。这与当时生产水平是相适应的。第二阶段是发展阶段，以现代控制理论为主要基础，以微型计算机和高档仪表为工具，对较复杂的工业过程进行控制。这阶段的建模理论、在线辨识和实时控制已突破前期的形式，继而涌现了大量的先进控制系统和高级控制策略，如克服对象特性时变和环境干扰等不确定影响的自适应控制，消除因模型失配而产生不良影响的预测控制等。这阶段的主要任务是克服干扰和模型变化，满足复杂的工艺要求，提高控制质量。1975 年，世界上第一台分散控制系统在美国Honeywell公司问世，从而揭开了过程控制崭新的一页。分散控制系统也叫集散控制系统，它综合了计算机技术、控制技术、通信技术和显示技术，采用多层分级的结构形式,按总体分散、管理集中的原则，完成对工业过程的操作、监视、控制。由于采用了分散的结构和冗余等技术，使系统的可靠性极高，再加上硬件方面的开放式框架和软件方面的模块化形式，使得它组态、扩展极为方便，还有众多的控制算法(几十至上百种) 、较好的人—机界面和故障检测报告功能。经过20 多年的发展，它已日臻完善，在众多的控制系统中，显示出出类拔萃的风范，因此，可以毫不夸张地说，分散控制系统是过程控制发展史上的一个里程碑。

几十年来，过程控制策略与算法出现了三种类型：简单控制、复杂控制与先进控制。通常将单回路PID控制称为简单控制。它一直是过程控制的主要手段。PID控制

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以经典控制理论为基础，主要用频域方法对控制系统进行分析与综合。目前，PID控制仍然得到广泛应用。在许多DCS和PLC系统中，均没有PID控制算法软件，或PID控制模块。

从20世纪50年代开始，过程控制界逐渐发展了串级控制、比值控制、前馈控制、均匀控制和Smith预估控制等控制策略与算法，称之为复杂控制。它们在很大程度上，满足了复杂过程工业的一些特殊控制要求。它们仍然以经典控制理论为基础，但是在结构与应用上各有特色，而且在目前仍在继续改进与发展。

20世纪70年代中后期，出现了以DCS和PLC为代表的新型计算机控制装置，为过程控制提供了强有力的硬件与软件平台。

从20世纪80年代开始，在现代控制理论和人工智能发展的理论基础上，针对工业过程控制本身的非线性、时变性、耦合性和不确定性等特性，提出了许多行之有效的解决方法，如解耦控制、推断控制、预测控制、模糊控制、自适应控制、人工神经网络控制等，常统称为先进过程控制。近十年来，以专家系统、模糊逻辑、神经网络、遗传算法为主要方法的基于知识的智能处理方法已经成为过程控制的一种重要技术。先进过程控制方法可以有效地解决那些采用常规控制效果差，甚至无法控制的复杂工业过程的控制问题。实践证明，先进过程控制方法能取得更高的控制品质和更大的经济效益，具有广阔的发展前景。

传统的过程控制普遍存在的如下问题：

1、随着人们物质生活水平的提高以及市场竞争的日益激烈，产品的质量和功能也向更高的档次发展，制造产品的工艺过程变得越来越复杂，为满足优质、高产、低消耗，以及安全生产、保护环境等要求，过程控制的任务也愈来愈繁重。这样的生产过程一般具有大惯性、大滞后、时变性、关联性、不确定性和非线性的特点。这里的关联性不仅包含过程对象中各物理参量之间的耦合交错，而且包括被控量、操作量和干扰量之间的联系；不确定性不单指结构上的不确定性，而且还指参数的不确定性；非线性既有非本质的非线性，也有本质非线性。由于工业过程的这种复杂性，决定了控制的艰难性。

2、传统过程控制方式绝大多数是基于对象模型的，建模的精确程度决定着控制质量的高低。尽管目前建模的理论和方法有长足的进步，但仍有许多过程或对象的机理不清楚，动态特性难以掌握，如一些反应过程、冶炼过程、生化过程，甚至有些过程或对象难以用数学语言描述。这样，我们不得不对过程模型进行简化或近似，将一

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个理论上极为先进的控制策略应用在这样的模型上，控制效果大打折扣是很自然的。如自适应控制，对缓慢的变化过程比较有效，但对变化剧烈的过程(如幅度大,非线性强) 却力不从心了。因此，用传统的控制手段进一步提高过程控制的质量遇到了极大的困难，传统控制方法面临着严重的挑战。

1.2设计内容

本设计主要包括以下几点内容：

1、控制方案设计：采用单回路定值液位控制系统；并进行系统的特性测试和被控对象的建模。

2、调节器设计：完成PID调节的控制功能。

3、实验验证：利用THSA-1型综合自动化控制系统实验装置，进行双容液位控制系统调试，整定各环节参数，记录实验结果，分析实验结果。

第2章 双容水箱液位系统控制方案

本设计采用定值控制，定值控制系统是工业生产过程中应用最多的一种过程控制系统。该系统的被控量如温度、压力、流量、液位、成分等的设定值通常是固定不变的或是只能在规定的小范围内变化。定值控制系统的主要作用是克服一切干扰被被控量的影响，使被控量保持在期望值。

2.1 单回路控制系统概述

下图2-1为单回路控制系统方框图的一般形式，它是由被控对象、执行器、调节器和测量变送器组成一个单闭环控制系统。系统的给定量是某一定值，要求系统的被控制量稳定至给定量。由于这种系统结构简单，性能较好，调试方便等优点，故在工业生产中已被广泛应用。

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扰动 给定量 被控制量 ＋ － 测量变送器

图2-1 单回路控制系统方框图

调 节 器 执 行 器 被控对象 单回路控制系统的设计原则一般包括以下几点：

a.选择被控参数

(1) 在情况允许时，可选质量指标作为被控参数；不能选择质量指标时，可选与质量指标具有单值对应关系的间接指标作为被控参数；

(2) 所选被控参数要有足够大的灵敏度； (3) 考虑工艺合理性及仪表现状。 b.选择控制参数

(1) 所选控制参数必须是可控的；

(2) 控制通道放大系数要大，最好大于扰动通道放大系数，而其时间常数应小些，但不宜过小，其纯滞后时间愈小愈好，扰动通道时间常数愈大愈好；

(3) 应尽量使干扰点远离被控变量而靠近调节阀； (4) 考虑工艺合理性。 c.控制规律的选择

在控制方案中，选择调节器的控制规律是为了使调节器的特性与广义过程的特性能更好的配合，以满足生产工艺的要求。控制规律的选择不仅要根据对象特性、负荷变化、主要干扰以及控制要求等具体情况具体分析，同时还要考虑系统的经济性以及系统投入运行方便等因素。具体的介绍，将在下文中给出。

2.2 调节器设计

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2.2.1单容水箱液位特性测试

下图2-2(a)(b)所示为单容水箱特性测试结构图及方框图。设下水箱流入量为Q1，改变电动调节阀V1的开度可以改变Q1大小，下水箱的流出量为Q2，改变出水阀F1-11的开度可以改变Q2。液位h的变化反映了Q1与Q2不等而引起水箱中蓄水或泄水的过程。若将Q1作为被控过程的输入变量，h为其输出变量，则该被控过程的数学模型就是h与Q1之间的数学表达式。

智能调节器 手动输出 F1-8 电动调节阀F1-2 V 磁力驱动泵 F1-1 LT3 Q1 下水箱 h F1-11 Q2

储水箱 （a）结构图

干扰 调 节 器 电动阀 下水箱 G ( S ) （b）方框图

图2-2单容水箱特性测试系统

h（液位）

根据动态物料平衡关系有

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Q1-Q2=A

将式(2-1)表示为增量形式

dhdt (2-1)

ΔQ1-ΔQ2=A

d?hdt (2-2)

式中：ΔQ1，ΔQ2，Δh——分别为偏离某一平衡状态的增量；

A——水箱截面积。 在平衡时，Q1=Q2，

dhdt＝0；当Q1发生变化时，液位h随之变化，水箱出口处的

静压也随之变化，Q2也发生变化。由流体力学可知，流体在紊流情况下，液位h与流量之间为非线性关系。但为了简化起见，经线性化处理后，可近似认为Q2与h成正比关系，而与阀F1-11的阻力R成反比，即

ΔQ2=

?hR 或 R=

?h?Q2 (2-3)

式中：R——阀F1-11的阻力，称为液阻。

将式(2-2)、式(2-3)经拉氏变换并消去中间变量Q2，即可得到单容水箱的数学模型为：

W0（s）＝

H(s)Q1(s)＝

RRCs?1=

KTs?1 (2-4)

式中T为水箱的时间常数，T＝RC；K为放大系数，K＝R；C为水箱的容量系数。

若令Q1（s）作阶跃扰动，即Q1（s）=

H（s）=

x0s，x0=常数，则式(2-4)可改写为

x0sK/Ts?1T×=K

x0s-

Kx0s?1T

对上式取拉氏反变换得

h(t)=Kx0(1-e-t/T) (2-5)

当t—>∞时，h（∞）-h（0）=Kx0，因而有

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调节器参数的整定一般有两种方法：一种是理论计算法，即根据广义对象的数学模型和性能要求，用根轨迹法或频率特性法来确定调节器的相关参数；另一种方法是工程实验法，通过对典型输入响应曲线所得到的特征量，然后查照经验表，求得调节器的相关参数。工程实验整定法有以下四种：

1、经验法

若将控制系统按照液位、流量、温度和压力等参数来分类，则属于同一类别的系统，其对象往往比较接近，所以无论是控制器形式还是所整定的参数均可相互参考。表2-1为经验法整定参数的参考数据，在此基础上，对调节器的参数作进一步修正。若需加微分作用，微分时间常数按TD=(～

3114)TI计算。

表2-1 经验法整定参数

系 统 δ(%) 温 度 流 量 压 力 液 位 20～60 40～100 30～70 20～80 参 数 TI(min) 3～10 0.1～1 0.4～3 TD(min) 0.5～3

2、临界比例度法

图2-8 具有周期TS的等幅振荡

这种整定方法是在闭环情况下进行的。设TI=∞，TD=0，使调节器工作在纯比例情况下，将比例度由大逐渐变小，使系统的输出响应呈现等幅振荡，如图2-8所示。

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根据临界比例度δk和振荡周期TS，按表2-2所列的经验算式，求取调节器的参考参数值，这种整定方法是以得到4：1衰减为目标。

表2-2 临界比例度法整定调节器参数

临度法的

调节器参数 调节器名称 P PI PID δ TI(S) TD(S) 2δk 2.2δk 1.6δk TS/1.2 0.5TS 0.125TS 界比例优点是

应用简单方便，但此法有一定限制。首先要产生允许受控变量能承受等幅振荡的波动，其次是受控对象应是二阶和二阶以上或具有纯滞后的一阶以上环节，否则在比例控制下，系统是不会出现等幅振荡的。在求取等幅振荡曲线时，应特别注意控制阀出现开、关的极端状态。

3、衰减曲线法（阻尼振荡法）

图2-9 4：1衰减曲线法图形

在闭环系统中，先把调节器设置为纯比例作用，然后把比例度由大逐渐减小，加阶跃扰动观察输出响应的衰减过程，直至出现图2-9所示的4：1衰减过程为止。这时的比例度称为4：1衰减比例度，用δS表示之。相邻两波峰间的距离称为4：1衰减周期TS。根据δS和TS，运用表2-3所示经验公式，就可计算出调节器预整定的参数值。

表2-3 衰减曲线法计算公式

调节器参数 调节器名称 δ（%） TI(min) TD(min) - 14 -

P PI PID δS 1.2δS 0.8δS 0.5TS 0.3TS 0.1 TS

4、动态特性参数法

所谓动态特性参数法，就是根据系统开环广义过程阶跃响应特性进行近似计算的方法，即根据第二章中对象特性的阶跃响应曲线测试法测得系统的动态特性参数（K、T、τ等），利用下表2-4所示的经验公式，就可计算出对应于衰减率为4：1时调节器的相关参数。如果被控对象是一阶惯性环节，或具有很小滞后的一阶惯性环节，若用临界比例度法或阻尼振荡法（4：1衰减）就有难度，此时应采用动态特性参数法进行整定。

表2-4 经验计算公式

调节器参数 δ（%） 调节器名称 P PI PID K?TTI TD ×100% ×100% ×100% 3.3τ 2τ 0.5τ 1.1K?TK?T0.85第3章 双容水箱液位系统控制实验

3.1实验所用装置说明

3.1.1 THSA-1型过控综合自动化控制系统实验平台

“THSA-1型过控综合自动化控制系统实验平台”是由实验控制对象、实验控制台及上位监控PC机三部分组成。它是本企业根据工业自动化及其他相关专业的教学特点，并吸收了国内外同类实验装置的特点和长处，经过精心设计，多次实验和反复论证而推出的一套全新的综合性实验装置。本装置结合了当今工业现场过程控制的实际，

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是一套集自动化仪表技术、计算机技术、通讯技术、自动控制技术及现场总线技术为一体的多功能实验设备。该系统包括流量、温度、液位、压力等热工参数，可实现系统参数辨识，单回路控制，串级控制，前馈-反馈控制，滞后控制、比值控制，解耦控制等多种控制形式。本装置还可根据用户的需要设计构成AI智能仪表，DDC远程数据采集，DCS分布式控制，PLC可编程控制，FCS现场总线控制等多种控制系统，它既可作为本科，专科，高职过程控制课程的实验装置，也可为教师、研究生及科研人员对复杂控制系统、先进控制系统的研究提供一个物理模拟对象和实验平台。

3.1.2 THSA-1型过控综合自动化控制系统对象

实验系统总貌图如图3-1所示：

本实验装置对象主要由水箱、锅炉和盘管三大部分组成。供水系统有两路：一路由三相（380V恒压供水）磁力驱动泵、电动调节阀、直流电磁阀、涡轮流量计及手动调节阀组成；另一路由变频器、三相磁力驱动泵（220V变频调速）、涡轮流量计及手动调节阀组成。

（1） 被控对象：水箱、模拟管道、盘管、管道及阀门。

（2） 检测装置：压力传感器、变送器、温度传感器、流量传感器、变送器。 （3） 执行机构：电动调节阀、水泵、电磁阀、三相电加热管。

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图3-1 实验系统总貌图

3.1.3 THSA-1型过控综合自动化控制系统实验平台

“THSA-1型过控综合自动化控制系统实验平台”主要由控制屏组件、智能仪表控制组件、远程数据采集控制组件、DCS分布式控制组件、PLC控制组件等几部分组成。

a.控制屏组件

(1) SA-01电源控制屏面板

充分考虑人身安全保护，装有漏电保护空气开关、电压型漏电保护器、电流型漏电保护器。图1-2为电源控制屏示意图。合上总电源空气开关及钥匙开关，此时三只电压表均指示380V左右，定时器兼报警记录仪数显亮，停止按钮灯亮。此时打开照明开关、变频器开关及24V开关电源即可提供照明灯，变频器和24V电。按下启动按钮，停止按钮灯熄，启动按钮灯亮，此时合上三相电源、单相Ⅰ、单相Ⅱ、单相Ⅲ空气开关即可提供相应电源输出，作为其他设备的供电电源。

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结论

本设计是在实验室以THSA-1型综合自动化控制系统实验装置为平台进行的，通过设计使用PID控制方式的调节器，构成以下水箱为参数的控制系统来控制双容水箱系统的下水箱液位高度。利用MCGS组态软件来实现计算机监控，为工业现场中的液位控制提供了理论依据和实用的控制方法，最终实现对水箱的液位控制。

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参考文献

[1]潘永湘，杨延西，赵越.过程控制与自动化仪表(第二版) [M].北京：机械工业出版社，2006

[2]孙志毅，李虹，陈志梅，赵志诚.控制工程基础[M].北京：机械工业出版社，2004

[3]谢克明.现代控制理论[M].北京：清华大学出版社，2007 [4]卢伯英.现代控制工程[M].京：电子工业出版社，2004 [5]胡寿松.自动控制原理[M].北京：科学出版社，2001 [6]刘豹.现代控制理论[M].北京：科学出版社，2001 [7]黄金英.自动控制原理[M] .北京：高等教育出版社，2003 [8]李宜达.控制系统设计与仿真[M] .北京：清华大学出版社，2004.

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图3-2 电源控制屏示意图

(2) SA-02 I/O信号接口面板

该面板的作用主要是通过航空插头（一端与对象系统连接）将各传感器检测信号及执行器控制信号同面板上自锁紧插孔相连，便于学生自行连线组成不同的控制系统。

(3) SA-11交流变频控制挂件

采用日本三菱公司的FR-S520S-0.4K-CH(R)型变频器，控制信号输入为4～20mADC或0～5VDC，交流220V变频输出用来驱动三相磁力驱动泵。

(4) 三相移相SCR调压装置、位式控制接触器

采用三相可控硅移相触发装置，输入控制信号为4～20mA标准电流信号，其移相触发角与输入控制电流成正比。输出交流电压用来控制电加热器的端电压，从而实现锅炉温度的连续控制。

位式控制接触器和AI-708仪表一起使用，通过AI-708仪表输出继电器触点的通断来控制交流接触器的通断，从而完成锅炉水温的位式控制实验。

b.远程数据采集控制组件

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远程数据采集控制即我们通常所说的直接数字控制（DDC），它的特点是以计算机代替模拟调节器进行控制，并通过数据采集板卡或模块进行A/D、D/A转换，控制算法全部在计算机上实现。在本装置中远程数据采集控制系统包括SA-21远程数据采集热电阻输入模块挂件、SA-22远程数据采集模拟量输入模块挂件、SA-23远程数据采集模拟量输出模块挂件。采用台湾鸿格ICP7000系列智能采集模块，其中I-7017是8路模拟量输入模块，I-7024是4路模拟量输出模块，I-7033是3路热电阻输入模块。ICP7000系列智能采集模块通过RS485等串行口通讯协议与PC相连，由PC中的算法及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。图3-3所示即为远程数据采集控制系统框图。图中输入输出通道即为ICP7000智能采集模块。关于ICP7000智能模块的具体使用请参考装置附带的光盘中的相关内容。

干扰 控 制 量 被 控 对 象 被 控 变 量 输出通道D/A 数 字 计 算机 图3-3 远程数据采集系统框图

输入通道A/D

3.1.4 软件介绍

a. MCGS组态软件

本装置中智能仪表控制方案、远程数据采集控制方案和S7-200PLC控制方案均采用了北京昆仑公司的MCGS组态软件作为上位机监控组态软件。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 Windows95/98/NT/2000等操作系统。

b.7000 Utility软件

远程数据采集控制方案采用台湾鸿格I-7000系列智能采集模块，7000 Utility是其配套的模块调试软件。软件安装完以后，运行程序自动检测模块，当检测到模块后，可双击模块进行模块参数的显示及修改。若模块通讯失败，请检查通讯线是否已

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按实验要求连接；若上位机MCGS组态与模块通讯失败，请用7000 Utility检查模块地址，并作正确修改。

3.2双容水箱液位PID控制实验

3.2.1实验内容与步骤

系统的结构图和方框图见图2-4。本实验选择中水箱和下水箱串联作为双容对象。实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-2、F1-7全开，将中水箱出水阀门F1-10、下水箱出水阀门F1-11开至适当开度（要求阀F1-10稍大于阀F1-11），其余阀门均关闭。

a.远程数据采集控制

(1) 将“SA-22远程数据采集模拟量输出模块”、“SA-23远程数据采集模拟量输入模块”挂件挂到屏上，并将挂件上的通讯线插头插入屏内RS485通讯口上，将控制屏右侧RS485通讯线通过RS485/232转换器连接到计算机串口2，并按照下面的控制屏接线图3-4连接实验系统。将“LT2中水箱液位”钮子开关拨到“ON”的位置。

(2) 接通总电源空气开关和钥匙开关，打开24V开关电源，给智能采集模块及压力变送器上电，按下启动按钮，合上单相Ⅰ空气开关，给电动调节阀上电。

(3) 打开上位机MCGS组态环境，打开“远程数据采集系统”工程，然后进入MCGS运行环境，在主菜单中点击“双容液位定值控制”，进入实验的监控界面，如下图3-5

(4) 在上位机监控界面中点击“启动仪表”。将智能仪表设置为“手动”，并将设定值和输出值设置为一个合适的值，此操作可通过调节仪表实现。

（5）合上三相电源空气开关，磁力驱动泵上电打水，适当增加/减少智能仪表的输出量，使中水箱的液位平衡于设定值。

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图3-4 远程数据采集控制双容容液位定值控制实验接线图

图3-4 MCGS监控界面

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（6）根据前文中所述的经验法进行调节器参数的整定，选择PI控制规律，并按整定后的PI参数进行调节器参数设置。

（7）待液位稳定于给定值后，将调节器切换到“自动”控制状态，待液位平衡后，通过以下方式加干扰：将下水箱进水阀F1-8开至适当开度；（改变负载）

（8）分别适量改变调节仪的P及I参数，重复步骤7，用计算机记录不同参数时系统的阶跃响应曲线。

（9）分别用P、PI两种控制规律重复步骤4～8，用计算机记录不同控制规律下系统的阶跃响应曲线。

3.2.2实验结果与数据分析

利用把设定值SV设为120.0mm a.纯比例（P）调节

利用经验法，先只把P设为40，I和D均不设参数，这样构成一个纯比例调节器，如下图3-5。运行后得到动态曲线图，如图3-6。

图3-5 纯比例调节器仪表图(P=40)

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/y8dh.html