水箱液位串級控制（完整版）實用資料(可以直接使用，可編輯完整版實用資料，歡迎下載）

題目10水箱液位串級控制水箱液位串級控制（完整版）實用資料(可以直接使用，可編輯完整版實用資料，歡迎下載）一、課程設計主要任務及要求1、通過實驗了解水箱液位串級控制系統的結構組成與原理。2、掌握水箱液位串級控制系統調節器參數的整定與投運方法。3、了解階躍擾動分別作用于副對象和主對象時對系統主控制量的影響。二、實驗設備1.THJ-FCS型高級過程控制系統實驗裝置。2.計算機及相關軟件。三、實驗原理本實驗為水箱液位的串級控制系統,它是由主控、副控兩個回路組成。主控回路中的調節器稱主調節器,控制對象為中水箱,中水箱的液位為系統的主控制量。副控回路中的調節器稱副調節器,控制對象為上水箱,又稱副對象,上水箱的液位為系統的副控制量。主調節器的輸出作為副調節器的給定,因而副控回路是一個隨動控制系統。副調節器的的輸出直接驅動氣動調節閥,從而達到控制中水箱液位的目的。為了實現系統在階躍給定和階躍擾動作用下的無靜差控制,系統的主調節器應為PI或PID控制。由于副控回路的輸出要求能快速、準確地復現主調節器輸出信號的變化規律,對副參數的動態性能和余差無特殊的要求,因而副調節器可采用P調節器。本實驗系統結構圖和方框圖如圖5-2所示。圖5-2水箱液位串級控制系統(a結構圖(b方框圖四、實驗控制系統流程圖本實驗控制系統流程圖如圖5-3所示。圖5-3實驗控制系統流程圖本實驗主要涉及三路信號,其中兩路是現場測量信號上水箱和中水箱液位,另外一路是控制閥門定位器的控制信號。上水箱和中水箱液位檢測信號LT1和LT2為標準的模擬信號,直接傳送到SIEMENS的模擬量輸入模塊SM331,SM331和分布式I/O模塊ET200M直接相連,ET200M掛接到PROFIBUS-DP總線上,PROFIBUS-DP總線上掛接有控制器CPU315-2DP(CPU315-2DP為PROFIBUS-DP總線上的DP主站,這樣就完成了現場測量信號到CPU的傳送。本實驗的執行機構為帶PROFIBUS-PA通訊接口的閥門定位器,掛接在PROFIBUS-PA總線上,PROFIBUS-PA總線通過LINK和COUPLER組成的DP鏈路與PROFIBUS-DP總線交換數據,PROFIBUS-DP總線上掛接有控制器CPU315-2DP,這樣控制器CPU315-2DP發出的控制信號就經由PROFIBUS-DP總線到達PROFIBUS-PA總線來控制執行機構氣動調節閥。五、實驗內容與步驟本實驗選擇上水箱和中水箱串聯作為被控對象(也可選擇中水箱和下水箱。實驗之前先將儲水箱貯足水量,然后將閥門F1-1、F1-2、F1-6全開,將上水箱出水閥門F1-9、中水箱出水閥門F1-10開至適當開度(要求閥F1-9稍大于閥F1-10,其余閥門均關閉。1、接通控制系統電源,打開用作上位監控的的PC機,進入的實驗主界面2、在實驗主界面中選擇本實驗項即“水箱液位串級控制實驗”,系統進入正常的測試狀態,呈現的實驗界面如圖5-4所示。圖5-4實驗界面3、在上位機監控界面中將輸出值設置為一個合適的值。4、合上三相電源空氣開關,磁力驅動泵上電打水,適當增加/減少主調節器的輸出量,使中水箱的液位平衡于設定值,且上水箱液位也穩定于某一值(此值一般為3~5cm,以免超調過大,水箱斷流或溢流。5、整定調節器參數,并按整定得到的參數進行調節器設定。6、待液位穩定于給定值時,將調節器切換到“自動”狀態,待液位平衡后,通過以下幾種方式加干擾:(1突增(或突減設定值的大小,使其有一個正(或負階躍增量的變化;(2將閥F1-5、F1-12開至適當開度(改變負載;(3將氣動調節閥的旁路閥F1-3或F1-4(同電磁閥開至適當開度;以上幾種干擾均要求擾動量為控制量的5%~15%,干擾過大可能造成水箱中水溢出或系統不穩定。加入干擾后,水箱的液位便離開原平衡狀態,經過一段調節時間后,水箱液位穩定至新的設定值(后面兩種干擾方法仍穩定在原設定值。記錄此時的設定值、輸出值和參數,中水箱液位的響應過程曲線將如圖5-5所示。圖5-5水箱液位的響應過程曲線7、適量改變主、副控的PID參數,重復步驟6,通過實驗界面下邊的切換按鈕,觀察計算機記錄不同參數時系統的響應曲線。六、設計報告要求1、畫出水箱液位串級控制系統的結構框圖。2、用實驗方法確定調節器的相關參數,并寫出整定過程。3、根據擾動分別作用于主、副對象時系統輸出的響應曲線,分析系統在階躍擾動作用下的靜、動態性能。4、分析主、副調節器采用不同PID參數時對系統的性能產生的影響。二○一一～二○一二學年第一學期信息科學與工程學院自動化系課程設計報告書姓名：王芬學號：202101145036班級：自動化0805課程名稱：過程控制與集散系統課程設計指導教師：程磊2021年12月5日雙容水箱液位流量串級控制系統設計一、設計題目雙容水箱液位流量串級控制系統設計二、設計任務如圖1所示的兩個大容量水箱。要求水箱2水位穩定在一定高度，水流量經常波動，作為擾動量存在。試針對該雙容水箱系統設計一個液位流量串級控制方案。圖1系統示意圖三、設計任務分析系統建模基本方法有機理法建模和測試法建模兩種，機理法建模主要用于生產過程的機理已經被人們充分掌握，并且可以比較確切的加以數學描述的情況；測試法建模是根據工業過程的實際情況對其輸入輸出進行某些數學處理得到，測試法建模一般較機理法建模簡單，特別是在一些高階的工業生產對象。對于本設計而言，由于雙容水箱的數學模型已知，故采用機理法建模。在該液位控制系統中，建模參數如下：控制量：水流量Q；被控量：下水箱液位；主被控對象（水箱2水位）傳遞函數W1=1/(100s+1,副被控對象（流量）傳遞函數W2=1/(10s+1。檢測對象特性：Gm1（S）=1/（0.1S+1）（液位傳感器）；Gm2（S）=1/（0.1S+1）（流量傳感器）。控制器：PID；執行器：控制閥；干擾信號：在系統單位階躍給定下運行10s后，施加均值為0、方差為0.01的白噪聲。為保持水箱2液位的穩定，設計中采用閉環系統，將水箱2液位信號經水位檢測器送至控制器（PID），控制器將實際水位與設定值相比較，產生輸出信號作用于執行器（控制閥），從而改變流量調節水位。當對象是單水箱時，通過不斷調整PID參數，單閉環控制系統理論上可以達到比較好的效果，系統也將有較好的抗干擾能力。該設計對象屬于雙水箱系統，整個對象控制通道相對較長，如果采用單閉環控制系統，當水箱2有干擾時，此干擾經過控制通路傳遞到水箱2，會有很大的延遲，進而是控制器響應滯后，影響控制效果，在實際生產中，如果干擾頻繁出現，無論如何調整PID參數，都將無法得到滿意的效果。考慮到串級控制可以使某些主要干擾提前被發現，及早控制，在內環引入負反饋，檢測水箱1流量，將流量信號傳至副控制器，然后直接作用于控制閥，以此得到較好的控制效果。設計中，首先進行單回路閉環系統的建模，系統框圖如下：雙容水箱單閉環實施方案圖如下圖在無干擾情況下，整定主控制器的PID參數，整定好參數后，分別改變P、I、D參數，觀察各參數的變化對系統性能的影響；然后加入干擾（白噪聲），比較有無干擾兩種情況下系統穩定性的變化。然后，加入副回路、副控制器，在有無干擾的情況下，比較單回路控制、串級控制系統性能的變化，串級控制系統框圖如下：雙容水箱液位流量串級系統實施方案圖如圖四、設計內容1）單回路PID控制的設計MATLAB仿真框圖如下（無干擾）：先對控制對象進行PID參數整定，這里采用衰減曲線法，衰減比為10:1.A、將積分時間Ti調為最大值，即MATLAB中I參數為0，微分時間常數Td調為0，比例帶δ為較大值，即MATLAB中K為較小值。B、待系統穩定后，做階躍響應，系統衰減比為10:1時，階躍響應如下圖：經觀測，此時衰減比近似10:1，周期Ts=34s，K=40C、根據衰減曲線法整定計算公式，得到PID參數：K1=40*5/4=50，取50；Ti=1.2Ts=68s（注：MATLAB中I=1/Ti=0.01），Td=0.4Ts=27.2s使用以上PID整定參數得到階躍響應曲線如下：觀察以上曲線可以初步看出，經參數整定后，系統的性能有了很大的改善。現用控制變量法，分別改變P、I、D參數，觀察系統性能的變化，研究各調節器的作用。A、保持I、D參數為定值，改變P參數，階躍響應曲線如下：比較不同P參數值下系統階躍響應曲線可知，隨著K的增大，最大動態偏差增大，余差減小，衰減率減小，振蕩頻率增大。B、保持P、D參數為定值，改變I參數，階躍響應曲線如下：比較不同I參數值下系統階躍響應曲線可知，有I調節則無余差，而且隨著Ti的減小，最大動態偏差增大，衰減率減小，振蕩頻率增大。C、保持P、I參數為定值，改變D參數，階躍響應曲線如下：比較不同D參數值下系統階躍響應曲線可知，隨著D參數的增大，最大動態偏差減小，衰減率增大，震蕩頻率增大。現向控制系統中加入干擾，以檢測系統的抗干擾能力，系統的仿真框圖如下：階躍響應曲線如下：觀察以上曲線，并與無干擾時的系統框圖比較可知，系統穩定性下降較大，在干擾作用時，很難穩定下來，出現了長時間的小幅震蕩，由此可見，單回路控制系統，在有干擾的情況下，很難保持系統的穩定性能，考慮串級控制。2）串級控制系統的設計主控制器的選擇：主被控變量（液位）是工藝操作的主要指標，允許波動的范圍很小，一般要求無余差，所以主控制器應選用PI控制規律副被控變量的設置是為了保證主被控變量的控制質量，提高系統的反應速度，提高控制質量，可以允許在一定范圍內變化，允許有一定的余差，因此副控制器可以采用P控制規律，因為主要為了提高響應速度在工程實踐中，串及控制系統常用的整定的方法有以下三種:逐步逼近法，兩步整定法，一步整定法。本設計采用一步整定法一步整定法就是根據經驗先確定副控制器的參數，然后將副回路作為主回路的一個環節，按單回路反饋控制系統的整定方法整定主調節器的參數，具體的方法是：（1）在工況穩定，系統純為比例作用的情況下，根據K02/δ2=0.5這一關系式，通過副過程放大系數K02，求取副調節器的比例放大系數δ2或按經驗選取，并將其設置在副回路調節器上。（2）按照單回路控制系統的任一種參數整定方法來整定主調節器的參數，（3）改變給定值，觀察被控量的相應曲線，根據主調節器的放大系數K1和副調節器放大系數K2匹配原理，適當調整調節器的參數，使主參數品質最佳。（4）如果出現較大的振蕩現象，只要加大主調節器的比例度δ或增大積分時間常數T1，就可得到改善對于該溫度串級控制系統，在一定范圍內，主、副控制器的增益可以相互匹配，根據下表，可以大致確定副控制器比例帶和增益Kc2根據題目要求先選擇Kc2=3.5然后在副回路已經閉合的情況下按單回路控制器參數整定方法整定主控制器，本方案采用10：1衰減曲線法整定，衰減曲線法是在閉環系統中，先把調節器設置為純比例作用，然后把比例度由大逐漸減小，加階躍擾動觀察輸出響應衰減過程，直道10：1衰減過程為止，這是的比例度為10：1衰減比例度用δs表示，相鄰兩波峰間的距離稱為10：1衰減周期TS，根據δs和TS，再由下表的經驗公式，就可計算出調節器的預整定的參數值系統的MATLAB仿真框圖如下（有噪聲）：當無噪聲時，系統的階躍響應如下圖所示：比較單回路控制系統無干擾階躍響應可知，串級控制降低了最大偏差，減小了振蕩頻率，大大縮短了調節時間。現向系統中加入噪聲，觀察不同P、I條件下的系統階躍響應曲線：P=20I=1P=45I=2觀察以上曲線可知，當副回路控制器，調節時間都有所縮短，系統快速性增強了，在干擾作用下，系統穩定性更高，提高了系統的抗干擾能力，最大偏差更小。可以取得令人滿意的控制效果。五、設計總結通過本次設計，學會了系統建模的一般步驟，掌握了分析簡單系統特性的一般方法，并對系統中的控制器、執行器、控制對象等各個部分有了更加直觀的認識。基本掌握了簡單系統模型的PID參數整定方法，對PID調節器中的P、I、D各個參數的功能、特性有了更加深刻的認識，通過實驗驗證的方式，很多內容印象非常深刻。通過仿真驗證了串級控制對干擾的強烈抑制能力，仿真過程中也熟悉了控制系統中MATLAB仿真的基本方法，相信對以后的學習會有所幫助。從設計內容來講，或許學習的僅僅是過程控制，學習的僅僅是MATLAB的操作，但設計過程中，從設計思想，到研究方法，再到結論總結都培養了自己的學習研究能力，這也許更重要。再有，之前學習的都是課本知識，只是學習給你一個系統然后怎么分析，而課程設計則是一個綜合過程，需要分析系統性能要求，同時也要考慮實際實現過程，在做的過程中我就遇到了疑惑，就是在副回路的取哪的流量構成閉環，不知是在水箱1,2間還是在水箱1之前的管道取流量，為此我問了兩個老師，才終于知道了，就算我們分析系統時還有一定的能力，可是動手能力還是比較欠缺的。現在就快要參加工作了，那就是實干，所以通過本次課程設計，讓我對之前學的知識能運用到實際工作中，雖然遇到了問題，但通過老師的幫助還是解決了，這是比較好的學習過程。內蒙古科技大學本科生畢業設計說明書（畢業論文）題目：水箱液位控制系統設計學生姓名：吳云鵬學號：專業：測控技術與儀器班級：測控指導教師：李20216711223108-2班剛助教水箱液位控制系統設計摘要液位是工業工程中的常見變量，在各種過程控制中的應用越來越廣泛。例如在食品加工、溶液過濾、化工生產等多種行業的生產加工過程中，通常需要使用蓄液池，而蓄液池中的液位需要維持一定的高度，既不能太滿溢出造成危險，也不能過少而無法滿足生產需求。因此液位高度是工業控制過程中一個重要的參數，特別是在動態的狀態下，采用合適的方法對液位進行檢測、控制，能收到很好的效果。本文以實驗室自制的雙容水箱作為液位控制研究對象，通過上位機、研華的PCI-1710L板卡、電動調節閥、壓力液位變送器組成的控制系統和壓力液位變送器、變頻器、水泵組成的控制系統分別實現了單容水箱的遠程控制和就地控制，并在文章最后理論性的闡述了雙容水箱的控制方法。設計中以組態軟件--組態王為開發工具，開發了系統的監視與控制界面，并且自己編程實現PID控制程序，使系統具備了對現場過程數據的動態監視功能、歷史數據的歸檔功能、異常信號的報警功能以及現場操作的指導功能。關鍵詞：水箱液位；PID控制；組態王；變頻器；ThedesignofthetanklevelcontrolsystemAbstractTheliquidlevelisoneofthecommonvariablesinIndustrialEngineering,theprocesscontrolismoreandmorewidelyused.Forexample,intheproductionprocessoffoodprocessing,filteringsolution,chemicalproductionandotherindustries,liquidstoragetankisusuallyused,andmakingtheliquidlevelofliquidstoragetankatacertainheightisveryimportant,neithertoooverflowtorisknortooshortnottomeettheproductiondemand.Therefore,theheightofliquidlevelintheindustrialcontrolprocessisoneoftheimportantparameters,especiallyinthedynamiccondition.Ifadopttheappropriatemethodforthecontroloftheliquidleveldetection,wecangetgoodeffect.Theresearchobjectisbasedontheself-madedoubletanklevelcontrolsystem,throughthehostcomputer,theAdvantechPCI-1710Lcard,theelectriccontrolvalve,thepressureliquidleveltransmitter,thefrequencyconverterandthewaterpumpwegettwodifferentkindsofthecascadecontrolsystemforthesinglewatertankoftheliquidlevelcontrol,respectivelyrealizedtheeffectoftheremotecontrolandlocalcontrol.Andatlast,thisarticleexpoundsthetheoryofdoublewatertankcontrolmethod.Choosethedesignofconfigurationsoftware–Kingviewfordevelopmenttools,wehavehadthedevelopmentofthesystemtomonitorandcontrolinterface,andalsohaveprogrammedPIDcontrolproceduresthatmadethesystemhasafieldprocessdata,dynamicmonitoringhistoricaldataarchivingfunction,abnormalsignalofthealarmfunctionandtheguidancefunctionoftheon-siteoperation.Keywords:Tanklevel;PIDcontrol;Kingview;Frequencyconverter;目錄摘要.................................................................................................................................IAbstract..........................................................................................................................II第一章緒論..................................................................................................................11.1選題背景及意義..............................................................................................11.2液位控制系統的發展現狀.............................................................................21.3本文的主要工作.............................................................................................3第二章控制對象及算法簡介......................................................................................52.1被控制變量的選擇..........................................................................................52.2執行器的選擇.................................................................................................52.3壓力液位變送器的選擇.................................................................................52.4研華板卡PCI-1710L簡介...............................................................................62.4.1模擬量輸入連接....................................................................................82.5PID控制算法概述............................................................................................92.5.1PID控制器的應用與發展......................................................................92.5.2PID算法類型[1].....................................................................................102.5.3PID兩種控制方式................................................................................11第三章基于組態王的單容水箱液位控制系統........................................................133.1組態王簡介[8].................................................................................................133.1.1組態王軟件的組成..............................................................................133.1.2制作工程的一般步驟.........................................................................143.1.3組態王與外部設備通信.....................................................................143.2控制方案選取................................................................................................153.3上位機組態軟件的開發...............................................................................163.3.1監控畫面..............................................................................................163.3.2構造數據庫..........................................................................................173.3.3數據通信..............................................................................................193.3.4命令語言的編寫.................................................................................203.3.5實時曲線.............................................................................................213.3.6歷史報警查詢[11].................................................................................213.3.7歷史曲線.............................................................................................233.4參數整定.......................................................................................................25第四章基于變頻器的單容液位控制系統................................................................264.1變頻調速基礎...............................................................................................264.2三菱通用變頻器FR-D700簡要介紹...........................................................274.2.1FR-D700簡介.....................................................................................274.2.2三菱變頻器FR-D740-1.5K-CHT常規介紹......................................284.2.3控制電路接線端極端子功能介紹.....................................................294.2.4操作面板及其功能介紹....................................................................314.3變頻器的作用...............................................................................................314.4控制系統調試...............................................................................................324.4.1操作步驟............................................................................................334.4.2參數整定............................................................................................33第五章雙容水箱液位控制系統................................................................................355.1串級控制........................................................................................................355.1.1串級控制概念....................................................................................355.1.2水箱液位控制方法............................................................................365.1.4串級控制的特點................................................................................365.2串級控制系統的設計...................................................................................365.2.1變量的選擇........................................................................................365.2.2主副控制器的控制規律.....................................................................375.2.3主副控制器正反作用的選擇............................................................375.3串級控制系統的工業應用............................................................................385.4本章小結.......................................................................................................38總結..............................................................................................................................39參考文獻......................................................................................................................40附錄..............................................................................................................................41致謝..............................................................................................................................43第一章緒論1.1選題背景及意義液位是工業生產過程控制中很重要的被控變量。工業生產中的潤滑油、冷卻水、調速油、油質加工、液態燃料供應、廢油凈化、溶液加工與傳輸等場合，常需對容器中液位進行有效可靠的控制，否則將不能使液體循環系統乃至整個機組正常運行。另外，在這些生產領域里，極容易出現操作失誤，引起事故，造成廠家的損失。可見，在實際生產中，液位控制的準確程度和控制效果直接影響工廠的生產成本、經濟效益甚至設備的安全系數。所以，為了保證安全、方便操作，就必須研究開發先進的液位控制方法和策略。工業生產過程中的液位系統通常是時變的，具有明顯的滯后特性。在熱工生產與傳輸質量或能量的過程中，存在著各種形式的容積和阻力，加上對象多具有分布參數，好像被不同的阻力和容積相互分隔著一樣。生產實際中的被控對象往往是由多個容積和阻力構成的多容對象。兩個串連的單容對象構成的雙容對象就比較典型。人們生活以及工業生產經常涉及到液位的控制問題，因此液位是工業控制過程中一個重要的參數。液位控制系統一般指工業生產過程中自動控制系統的被控變量為液位的系統。在生產過程中，需要對液位的相關變量進行控制，使其保持為一定值或按一定規律變化，以保證生產的質量和安全。液位的變化不但受到過程控制過程中內部干擾的影響，也受到外部的各種干擾的影響，而且影響液位變化的干擾一般不止一個，在過程控制中的作用也不同，這就增加了對變量進行控制的復雜性，因此形成了過程控制的下列特點[3]：1對象存在滯后熱工生產大多是在龐大的生產設備內進行，對象的儲存能力大，慣性也較大，設備內介質的流動或熱量傳遞都存在一定的阻力，并且往往具有自動轉向平衡的趨勢。因此，當流入(流出對象的質量或能量發生變化時，由于存在容量、慣性、阻力，被控參數不可能立即產生響應，這種現象叫做滯后。2對象特性的非線性對象特性大多是隨負荷變化而變化，當負荷改變時，動態特性有明顯的不同。大多數生產過程都具有非線性，弄清非線性產生的原因及非線性的實質是極為重要的。3控制系統較復雜從生產安全方面考慮，生產設備的設計都力求使生產過程平穩，參數變化超出極限范圍，也不會產生振蕩，作為被控對象就具有非振蕩環節的特性。過程的穩定被破壞后，往往具有自動趨向平衡的能力，即被控量發生變化時，對象本身能使被控量逐漸穩定下來，這就具有慣性環節的特性。也有不能趨向平衡，被控量一直變化而不能穩定下來的，這就是具有積分的對象。任何生產過程被控制的參數都不是一個，這些參數又各具有不同的特性，因此要針對這些不同的特性設計相應不同的控制系統，而對水箱的液位的研究為以后過程控制方面的其他變量的研究打下了結實的基礎。1.2液位控制系統的發展現狀目前在實際生產中應用的液位控制系統，主要以傳統的PID控制算法為主。PID控制是以對象的數學模型為基礎的一種控制方式。對于簡單的線性、時不變系統，采用PID控制能夠取得滿意的控制效果。但對于復雜的大型系統，其數學模型往往難以獲得，通過簡化、近似等手段獲得的數學模型不能正確地反映實際系統的特性。對于此類問題，傳統的PID控制方式顯得無能為力。液位控制由于其應用極其普遍，種類繁多，其中不乏一些大型的復雜系統。但由于其時滯性很大、具有時變性和非線性等因素，嚴重影響PID控制的效果，目前，已經開發出來的控制策略很多，但其中許多算法仍然只是停留在計算機仿真或實驗裝置的驗證上，真正能有效地應用在工業過程中的并有發展潛力的仍為數不多。隨著生產水平和科學技術的發展，現代控制系統的控制的規模日趨大型化，復雜化，對設備和被控系統的安全性、可靠性、有效性的要求也越來越高，為了確保工業生產過程能夠高效，安全的進行，同時提高產品的質量，對生產過程進行在線監測，及時準確地把握生產運行狀況，已成為目前過程控制領域的一個研究熱點。近幾十年來，液位控制系統已被廣泛使用，在其研究和發展上也已趨于完備。在輕工行業中，液位控制的應用非常普遍，從簡單的浮球液位開關、非接觸式的超聲波液位檢測到高精度的同位素液位檢測系統，他們都無時無刻在為液位控制服務。而控制的概念更是應用到周圍的許多的事物上，并且液位控制系統已是一般工業界所不可缺少的部分，如蓄水池，污水處理場等都需要液位控制系統的參與。如果能通過一定的系統來自動維持液位的高度，那么操作人員便可輕易地在操作時獲知這個設備的儲水狀況，這樣不但降低了工作人員工作的危險性，同時更也提升了工作的效率。液位控制系統在國內各行各業的應用已經十分廣泛，但國內生產的液位控制器同國外的日本、美國、德國等先進國家相比，仍然有差距。目前，我國液位控制主要以常規的PID控制器為主，它只能適應一般系統控制，難于實現對滯后、復雜、時變系統的控制。而適應于較高控制場合的智能化、自適應控制儀表，國內技術還不十分成熟，形成商品化并廣泛應用的控制儀表較少。由于工業過程控制的需要，特別是在微電子技術和計算機技術的迅猛發展以及自動控制理論和設計方法發展的推動下，國外液位控制系統發展迅速，并在智能化、自適應、參數自整定等方面取得成果，在這方面，以日本、美國、德國、瑞典等國技術領先，都生產出了一批商品化的、性能優異的液位控制器及儀器儀表，并在各行業廣泛應用。1.3本文的主要工作第一章緒論，主要介紹選題背景，液位控制的研究現狀，液位控制的主要控制策略，國內外的發展形勢，并總結了國內外在液位控制方面目前比較先進的技術與儀器以及他們的原理，為接下來液位控制系統的設計打下良好的基礎。第二章根據設計要求我們對控制參數以及控制算法進行分析，并對所需硬件進行選型，使液位控制達到最佳的效果。第三章針對單容水箱液位控制系統，對其在組態王中的開發進行介紹，開發了系統總體監控系統，設計開發了單容水箱的系統的總監控界面，定義了外部變量，用于和研華板卡PCI—1710模塊的輸入輸出部分對應，來實時顯示液位值的大小，建立的動畫連接，編寫了自動控制程序，實現了單容水箱控制系統的自動控制，并且實現了液位值實時曲線歷史曲線和歷史數據的實時報警歷時報警的顯示。第四章針對單容水箱液位控制系統，對其在變頻器中的開發進行了介紹，監控界面可以用第二章已經設計好的，本設計應用的是日本三菱公司的D700系列的變頻器，通過在變頻器中設置PID參數以及控制目標值等參數最終實現對單容水箱的液位實現穩定控制。第五章主要針對雙容水箱液位控制系統的特點，對各種經典控制進行比較。在本文中，液位控制系統中的水箱為控制對象，液位為控制量。為了使液位的控制達到一定的精度，并且具有較好的動態性能，采用了區別于傳統控制方式的串級控制。這樣使控制系統能夠達到更好的控制要求，提高了系統的控制性能。第二章控制對象及算法簡介2.1被控制變量的選擇被控變量的選擇是控制系統的核心問題，被控變量選擇的正確與否會直接關系到生產的穩定性、產品產量和質量的提高以及生產安全與勞動條件的改善。對于任何一個控制系統，如果被控變量選擇不當，即便配備再好的自動化儀表，使用再復雜、先進的控制規律也不能達到預期的控制效果。對于水箱液位控制系統，可直接選擇液位作為其被控變量。2.2執行器的選擇執行器在控制系統中起著控制動作執行的作用。控制系統的控制效果與執行器的性能有著十分密切的關系。執行器接收控制信號并通過改變本身閥門得開度最終實現對操縱變量的改變，從而使被控變量更加接近設定值。[2]本設計采用的是北京市樂維機電設備有限公的ML7420A，其特點為：安裝方便快速、無需連桿、標準導管式接線連接、無需調整、閥門定位準確、低功耗、高的關斷壓力、終端推力限位開關、0～10Vdc或2～10Vdc信號輸入、帶位置反饋信號輸出、正反作用可選、同步馬達、防腐設計、免維護。圖2.1電動調節閥2.3壓力液位變送器的選擇傳感器是一種以一定精度把被測量轉換為與之有確定關系、便于應用的某種物理量的測量裝置，其一般由敏感元件、轉換元件、轉換電路組成。傳感器的精度直接影響到系統的控制效果，所以應根據不同的系統選擇最合適的傳感器是必要的[9]。本設計選用的是由北京昆侖海岸傳感技術中心研制生產的JYB-K型號的壓力液位變送器，其主要技術參數如下：1）輸出形式：4～20mADC、0～5VDC2）供電電源：24VDC（±10%）、12VDC3）準確度：±0.5％FS、±0.25％FS4）介質溫度：－20～70℃5）環境溫度：－10～60℃6）響應時間：<=100mS7）負載能力：電流型<=600Ω（不帶顯示），<=300Ω（帶顯示）；電壓型>=3KΩ8）可重復性：<=±0.1％FS9）長期穩定性：<=±0.1％FS/年10非線性：<=0.2％FS11熱力零點溫漂：<=0.03％FS/℃12）過載壓力：2倍量程13）電氣連接：電纜連接14）測量介質：油、水、氣體及其他與316不銹鋼兼容介質實驗室中采用端子型二線制電流輸出接線方式，其具體方式如圖2.2所示：圖2.2端子型二線制接法2.4研華板卡PCI-1710L簡介研華（中國）公司生產的PCI-1710L多功能數據采集卡是一款功能強大的低成本多功能PCI總線數據采集卡。用PCI-1710L板卡構成的控制系統框圖如圖2.3所示。使用時用PCL-10168電纜將PCI-1710L板卡與ADAM-3968接線端子板連接，這樣PCL-10168的68個針腳和ADAM-3968的68個接線端子一一對應。[7]圖2.3基于PCI-1710L板卡的控制系統框圖接線端子板各端子的位置及功能如圖2.4所示，信號描述如表2-1所示。圖2.4ADAM-3968接線端子板信號端子位置及功能2.4.1模擬量輸入連接PCI-1710L卡既支持16路單端模擬量輸入，又支持8路差分模擬量輸入。輸入通道的配置可通過軟件進行選擇，這種方式比通過卡上的跳線選擇配置更為簡便。在過去，如果通過開關將一個通道設置為單端輸入，則其它通道也需設置為單端。但是PCI-1710L卡與之不同—即使通過軟件將一個通道設置為單端輸入，其它通道也可保留原有配置。單端輸入配置只為每個通道提供1根信號線，且被測量的電壓以公共地為參考。沒有接地端的信號源稱為“浮動信號源”。將單端通道連接至浮動信號源尤為簡單。在這種模式下，PCI-1710L板卡為外部浮動信號源提供一個參考地。如下圖2.5所示。圖2.5單端輸入通道連接2.5PID控制算法概述2.5.1PID控制器的應用與發展在過去的幾十年里，控制器在工業控制中得到了廣泛應用。在控制理論和技術飛速發展的今天，工業過程控制中95%以上的控制回路都具有PID結構，并且許多高級控制都是以PID控制為基礎的。今天所熟知的控制器產生并發展于1915-1940年期間。盡管自1940年以來，許多先進控制方法不斷推出，但PID控制器以其結構簡單，對模型誤差具有魯棒性及易于操作等優點，仍被廣泛應用于冶金、化工、電力、輕工和機械等工業過程控制中。PID控制器作為最早實用化的控制器已有70多年歷史，它的算法簡單易懂、使用中參數容易整定，也正是由于這些優點，PID控制器現在仍然是應用最廣泛的工業控制器。PID的發展過程，很大程度上是它的參數整定方法和參數自適應方法的研究過程。最早的參數工程整定方法是在1942年由Ziegler和Niehols提出的簡稱為Z-N的整定公式，盡管時間已經過去半個世紀了，但至今還在工業控制中普遍應用。1953年Cohen和Coon繼承和發展了Z-N公式，同時也提出了一種考慮被控過程時滯大小的Cohen-Coon整定公式。自Ziegler和Nichols提出參數整定方法起，有許多技術已經被用于PID控制器的手動和自動整定。按照發展階段劃分，可分為常規PID參數整定方法及智能PID參數整定方法：按照被控對象個數來劃分，可分為單變量PID參數整定方法及多變量PID參數整定方法，前者包括現有大多數整定方法，后者是最近研究的熱點及難點：按控制量的組合形式來劃分，可分為線性PID參數整定方法及非線性PID參數整定方法，前者用于經典PID調節器，后者用于由非線性跟蹤微分器和非線性組合方式生成的非線性PID控制器。液面高度是工業控制過程中一個重要的參數，特別是在動態的狀態下，采用適合的方法對液位進行檢測、控制，能收到很好的效果。液位控制是工業生產中典型的過程控制問題，對液位準確的測量和有效的控制是一些設備優質、高產、低耗和安全生產的重要指標。由于它便于直接觀察、容易測量、獲取方便、過程時間常數一般比較小、價格低廉等特點，所以被廣泛應用于工業測量。在工業過程控制系統中，目前采用最多的控制方式依然是PID控制。即使在美國、日本等工業發達國家，PID控制的使用率仍達90%，可見PID控制在工業過程控制中占有異常重要的地位。PID控制技術經歷了數十年的發展，從模擬PID控制發展到數字PID控制，技術不斷完善與成熟。尤其近十多年來，隨著微處理技術的發展，國內外對智能控制的理論研究和應用研究十分活躍，智能控制技術發展迅速，如專家控制、自適應控制、模糊控制等，現己成為工業過程控制的重要組成部分。由于液體本身的屬性及控制機構的摩擦、噪聲等的影響，控制對具有一定的純滯后和容量滯后的特點，液位上升的過程緩慢，呈非線性。因此液位控制裝置的可靠性與控制方案的準確性是影響整個系統性能的關鍵。本課題針對液位控制設計了一個由壓力傳感器、PLC、電動調節閥等組成的系統，并采用了增量式PID算法對其控制。隨著科學技術的發展，在液位控制方面有很多不同的方法，而計算機控制技術在過程控制中占有十分重要的地位。2.5.2PID算法類型[1]PID(ProportionalIntegralDerivative調節是連續控制系統中應用最多的一種控制調節規律。其本身根據控制對象的動態特性，按需要可以分解成P、PI、PD調節模塊，而且多數復雜控制(如串級調節，比值控制中均采用了PID控制規律。生產實際證明，PID控制能滿足絕大多數工業過程被控對象的控制要求，至今仍然是一種最基本的控制方法。比例控制：就是對偏差進行控制，偏差一旦產生，控制器立即就發生作用即調節控制輸出，使被控量朝著減小偏差的方向變化，偏差減小的速度取決于比例系數Kp，Kp越大偏差減小的越快，但是很容易引起振蕩，尤其是在遲滯環節比較大的情況下；Kp減小，發生振蕩的可能性減小但是調節速度變慢。比例調節的優點是調節及時，反應靈敏，當偏差一旦出現，就能及時產生與之成比例的調節作用，偏差越大，調節作用越強，但單純的比例控制存在靜差不能被消除的缺點，因此就需要積分控制。積分控制：實質上就是對偏差累積進行控制，直至偏差為零。積分控制作用始終施加指向給定值的作用力，有利于消除靜差，其效果不僅與偏差大小有關，而且還與偏差持續的時間有關。簡單來說就是把偏差積累起來，一起算總帳。微分控制：它能敏感出誤差的變化趨勢，可在誤差信號出現之前就起到修正誤差的作用，有利于提高輸出響應的快速性，減小被控量的超調，增加系統的穩定性。但微分作用很容易放大高頻噪聲，降低系統的信噪比，從而使系統抑制干擾的能力下降。因此，在實際應用中，應慎用微分控制。2.5.3PID兩種控制方式1）位置型控制?Tu(n=KP?e(n+TI?∑e(i+i=0n?TD[e(n-e(n-1]?+u0（2.1）T?2）增量型控制?u(n=u(n-u(n-1=KP[e(n-e(n-1]+KP（2.2）TTe(n+KPD[e(n-2e(n-1+e(n-2]TIT為了方便編程進一步整理可得：?u(n=q1*e(n+q2*e(n-1+q3*e(n-2（2.3）其中：q1=Kp1+??TdTTd??2Td?；+?；q2=-Kp1+?；q3=KpTTiT?T??圖2.6位置型PID算法流程圖圖2.7增量型PID算法流程圖圖2.8PID程序流程圖第三章基于組態王的單容水箱液位控制系統3.1組態王簡介[8]組態王軟件由于其界面友好，使用簡單等優勢，近年來成為很受歡迎的上層組態軟件。組態王軟件是在PC機上建立工業控制對象與人機接口的智能軟件包，他以windows中文操作系統作為操作平臺，充分利用了windows操作系統的圖形完備，易學易用的特點。由于其采用了PC機開發系統工程，因此，比使用工控機控制系統更具有通用性，減少了在重復性方面的工作量，可以方便進行二次開發。具體來說，組態王的主要特點有以下幾方面：1）主畫面顯示功能。2）良好的開放性。3）豐富的功能模塊。4）強大的數據庫。5）強大地ODBC功能。6）可編程的命令語言。7）系統安全性。3.1.1組態王軟件的組成組態王軟件包由工程管理器、工程瀏覽器、畫面運行系統、三大部分組成。其中，工程管理器用于新建工程、工程管理等。工程瀏覽器內嵌換面開發系統，及組態王開發系統。工程瀏覽器和畫面運行系統是各自獨立的windows應用程序，均可單獨使用；兩者又相互依存，在工程瀏覽器的畫面開發系統中設計開發的畫面應用程序必須在畫面運行環境中才能運行。在工程瀏覽器中可以查看工程的各個組成部分，也可以完成數據庫的構建、定義外部設備的等工作；工程瀏覽器內嵌畫面管理系統，用于新工程的創建和已有工程的管理；畫面的開發和運行由工程瀏覽器調用畫面制作系統和畫面運行系統來完成。畫面制作系統是應用工程的開發環境，可以在這個環境中完成畫面設計、動畫連接等工作。畫面制作系統具有先進完善的圖形生成功能；數據庫提供多種數據的類型，能合理地提取控制對象的特性；對變量報警、趨勢曲線、過程記錄、安全防范等重要功能都有間接的操作。工程管理器是應用程序的管理系統。它具有很強大的管理功能，可用于新工程的創建和刪除，并能對已有工程進行搜索備份及有效恢復，實現數據詞典的導入導出。畫面運行系統是組態王軟件的實時運行環境，在應用工程的開發環境中建立的圖形畫面只有在畫面運行環境中才能運行。畫面運行系統從控制設備中采集數據，并保存在實時數據庫中。它還負責把數據的變化以動畫的方式形象的表示出來，同時可以完成變量報警、操作記錄、趨勢曲線等監視工程，并按實際需求記錄在數據庫中。3.1.2制作工程的一般步驟建立新的組態王的工程的一般過程為：設計圖形界面、定義設備、構造數據庫、建立動畫連接和運行和調試。利用組態王開發系統編制過程時，需要注意以下幾個問題：首先用戶希望怎樣的圖形畫面，也就是怎樣用抽象的圖形畫面來模擬實際的工業現場和相應的工控設備。其次怎樣用數據來描述工控對象的各種屬性也就是創建一個具體數據庫，此數據庫的變量反映了工控對象的各種屬性，比如壓力，溫度等。最后了解數據和圖形畫面中的圖素的連接關系。也就是畫面的圖素是怎樣的動畫來模擬現場設備的運行，以及怎樣讓操作者輸入控制設備的指令。3.1.3組態王與外部設備通信組態王把每一臺與之通訊的設備看作是外部設備，為實現組態王要和外部設備的通訊，組態王內置了大量設備的驅動程序作為組態王和外部設備的接口，在開發過程中只需根據工程瀏覽器提供的設備配置向導一步步完成連接過程，即可實現組態王和相應外部設備驅動的連接。在運行期間，組態王就可通過驅動接口和外部設備交換數據，包括采集數據和發送數據。每一個驅動都是一個COM對象，這種方式使驅動和組態王構成一個如圖3.1所示的完整的系統，既保證了運行系統的高效率，也使系統有很強的擴展性。[4]組態王圖3.1組態王與外部設備通信圖3.2控制方案選取單容水箱控制系統實驗裝置是基于工業過程的物理模擬對象，它是集自動化儀表技術、計算機技術、通訊技術、自動控制技術為一體的多功能實驗裝置。根據自動化及其它相關專業教學的特點，吸收了同類實驗裝置的特點和長處后，經過老師的精心設計，多次實驗和反復論證，推出了這一套全新的實驗裝置。該系統可實現系統參數辨識、單回路控制、串級控制等多種控制形式。單容水箱系統的水箱主體由蓄水容器和檢測元件兩大部分構成。圖3.2液位控制方框圖圖3.2是液位控制系統的方框圖從圖可知，簡單控制系統由四個基本環節組成，即被控對象，測量變送裝置，控制器和執行器。對于不同對象的簡單控制系統，盡管其具體裝置與變量不相同，但都可以用相同的方框圖來表示，這就便于對他們的共性進行研究。還可以看出，在該系統中有著一條從系統的輸出端引向輸入端的反饋路線，也就是15說該系統中的控制器是根據被控變量的測量值與給定值的偏差來進行的，這是反饋控制系統的又一特點。3.3上位機組態軟件的開發3.3.1監控畫面監控畫面是整個上位機監控系統開發中最為重要的部分，液位控制監控系統實現了對整個液位控制流程實時動態模擬顯示。操作人員可以直接通過上位機查看液位變化過程的運行狀況，并且通過監控畫面進行實時控制。整個監控系統的換面采用分層設計，頂層為系統初始畫面，下面包含若干個控制子圖。圖3.3上位機監控系統結構圖主監控畫面包含了系統的重要設備，并按照控制流程組合在一起，顯示設備參數的變化和運行狀態開發的主監控畫面如下圖所示，主監控畫面不僅要顯示設備實時運行的狀態，還要控制整個控制過程的啟動、停止以及各個控制狀態的變化，實現各個子設備在手動和自動方面的切換。因此，在主畫面的右下方設置了【歷史曲線查詢】菜單、【報警歷史查詢】菜單、【報警確認】菜單、【PID】設定菜單和【設定值】菜單。對于各個菜單，點擊菜單選項就會執行菜單動畫命令語言。圖3.4主監控主界面16圖3.5命令語言窗口在主畫面的右下方設置了切換按鈕，點擊按鈕，開始執行按鈕動作語言，切換到與之相對應的子畫面，其命令語言的編輯如圖3.5所示。3.3.2構造數據庫數據庫是“組態王”最核心的部分。在組態王運行時，工業現場的生產狀況要以動畫的形式反應在屏幕上，同時工程人員在計算機前發布的指令也要迅速送達現場，所有這一切都是以實時數據庫為中介環節，數據庫是聯系上位機和下位機的橋梁。組態王中，變量的類型共有兩類：內存變量、―I/O‖變量。―I/O‖變量指可與外部數據采集程序直接進行數據交換的變量。這種數據的交換是雙向的、動態的，在實際控制系統中，那些從下位機采集的數據以及發送給下位機的指令都需要寫成―I/O‖變量。內存變量指那些不需要和其它應用程序交換數據、也不需要從下位機得到數據，在組態王內人工設定值的變量。―I/O‖變量通過―定義變量對話框‖來完成。在設置的過程中，加入了同外部設備寄存器連接的設置，如果外部設備寄存器中的數值不需要轉換，上位機可以直接使用，那么保持最大值和最大值原始值一致，最小值和最小原始值一致；否則，就要分別設置最大值和最小值來完成數值范圍的線性或非線性轉化。在液位控制系統中，寄存器中保存的是―I/O‖模塊采集液位值，寄存器范圍是O---1000，不是實際的液位范圍，這個時候就需要按照量程進行轉換。本文根據液位控制系統實際需要，將需要的水箱液位值從下位機獲得數據，因此變量設置為―I/O‖類型變量，并且，在定義變量時設定其連接設備及寄存器地址，確定模擬量與數字量之間的對應關系。17圖3.6―I/O‖變量定義示意圖對于內存變量的定義同樣通過―定義變量對話框‖來完成。如圖3.6所示：在實際的液位控制系統中，需要定義多個內存變量以完成算法的實現，因此，需要在組態王中定義內存變量。由于內存變量僅僅作為內部算法實現的中間變量，不需要對下位機輸出，因此，可以不必對它進行過多的轉換。圖3.7內存變量定義示意圖18圖3.8數據詞典3.3.3數據通信水箱液位控制系統采用研華PCI-1710L智能模塊來實現與上位機的具體通信，所以需在上位機組態軟件中定義模塊的通信通道。組態王提供了研華PCI-1710L模塊的設備驅動程序，只需要按照如下配置向導就可以完成串口設備的配置，從而實現上位機與板卡模塊間的通信。具體步驟如下[12]：1）在工程瀏覽器的目錄顯示區單擊，繼而在右邊目錄顯示區雙擊，就會彈出―設備配置向導‖的對話框，如圖3.9所示：圖3.9選擇板卡2）點擊其中的智能化模塊，選擇其下的研華系列板卡，在其下選擇PCI-1710L板卡，點擊下一步。193）給安裝的設備指定唯一的邏輯名稱。4）為安裝的設備指定通信地址。通訊地址查詢方式如下：右擊我的電腦，選擇【管理】，點擊【設備管理】，在右側框內選擇板卡右擊，【屬性】-【資源】，從這里可以詳細地看到板卡的輸入輸出范圍,如圖3.10所示。圖3.10查處板卡通訊地址5）輸入嘗試恢復時間、最長恢復時間，其含義為：當上位機與設備斷開時多長時間嘗試恢復一次連接；當時間超過多長時間就停止嘗試連接。點擊【下一步】，點擊【完成】。3.3.4命令語言的編寫組態王命令語言在語法上是一種類似于C語言的程序，開發人員可以利用這些程序來來處理和進行操作。命令語言都是靠時間的觸發而執行的，比如定時、數據變化等等。根據功能的不同，包括了應用程序命令語言、數據改變命令語言、動畫連接命令語言和畫面命令語言。各種命令語言通過―命令語言編輯器‖進行編輯輸入后在組態王運行系統中編譯執行。其具體操作為：在工程瀏覽器目錄顯示區，選擇，雙擊【應用程序命令語言】進入命令語言編輯器，用戶可以在啟動時、運行時、停止時分別編寫程序。20圖3.11命令語言應用程序命令語言是同系統相關聯的，只有一個。數據改變命令語言是當連接的變量的值發生改變時，系統自動執行的命令語言。數據改變命令語言是同變量相關聯的，可以按照需要定義多個。畫面命令語言是和畫面聯系在一起的，每個畫面對應一個命令語言，畫面顯示時畫面命令語言按照指定時間間隔定時執行。本文中的控制程序是由上面介紹的應用程序命令語言構成的。3.3.5實時曲線本設計根據實驗室具體情況對水箱液位最大值、最小值等參數進行了設定，并繪制出實時曲線模塊，如圖3.4所示。用戶可以通過觀察曲線直觀的監控水位的變化情況，同時在實時曲線下面還繪制了報警模塊，當液位超過設定值時報警系統進行報警，報警燈閃爍并伴有警告。在組態王中定義實時曲線畫面，在實時曲線名的編輯框中可輸入有效的變量名或者表達式，同時可定義變量的曲線顏色。本設計將液位曲線設置為綠色。在【標識定義】中，定義曲線的數值軸與時間軸，設定曲線的標識數目、曲線的更新頻率以及整個曲線的時間長度。3.3.6歷史報警查詢[11]組態王將報警信息自動保存到我的工程里的alarm文件中，但是用戶在查詢報警歷史查詢時去文件夾中尋找比較麻煩，本設計為了解決這一問題設計了報警歷史查詢模塊，此模塊中還有一個日歷控件和一個―KVADODBGridClass‖控件組成的時間模塊，為查詢時報警的時間選擇提供方便。接下來進行數據庫以及ODBC數據源的建立：首先需21要在Access中建立一個空白數據庫，例如建立路徑為：D：\報警存儲與查詢\報警數據庫.mdb。之后在此數據庫中創建一個數據表：表的名稱為：Alarm，字段類型為文本類型。接下來按照下面的步驟進行操作：1）設置ODBC數據源組態王通過ODBC數據源將報警信息存儲到數據庫中，因此必須先建立ODBC數據源。在【控制面板】-----【管理工具】----【ODBC數據源】中建立ODBC數據源，點擊【ODBC數據源】彈【ODBC數據源管理器】，如下圖3.12所示：在【用戶DSN】中點擊【添加】彈出【選擇數據源驅動程序】窗口，如下圖3.13所示：選擇【MicrosoftAccessDriver(*.mdb】驅動，點擊【完成】。彈出如圖3.14所示窗口，填寫ODBC數據源的名稱，根據需要對數據源進行命名，如―報警‖，點擊【選擇(S】，如圖3.15所示。選擇前面定義的數據庫文件―D：\報警存儲與查詢\報警數據庫.mdb‖。點擊【確定】完成ODBC數據源的定義。其他數據庫如SQLServer的ODBC定義請參考相關文檔。圖3.12ODBC數據源管理器圖圖3.13選擇數據源的驅動程序圖3.14數據源定義圖3.15選擇數據庫223）報警配置數據庫以及ODBC數據源定義完成后，進行報警配置中的數據庫配置。雙擊組態王工程瀏覽器的“系統配置”中的“報警配置”，其中要注意的是報警記錄的時間格式要是否則報警信息不予顯示。4）創建日歷控件在通用控件中選擇―MicrosoftDateandTimePickerControl‖，其下的腳本程序如下所示：全部保存運行可得到下面的結果。圖3.16歷史報警查詢3.3.7歷史曲線組態王的歷史數據可以通過曲線的形式顯示。在組態王中，內置的曲線分為溫控曲線、趨勢曲線和超級X-Y曲線。歷史曲線是監控系統中必不可少的部分，他可以使用戶通過曲線的方式來查詢控制系統的重要數據，從而更方便的完成參數的整定。使用歷史曲線時，需要對曲線做相關的配置，其中，主要為變量屬性的配置和歷史數據存放位置的配置。只有完成變量定義的記錄屬性設置以后，組態王才會自動按照設置的方式存儲歷史數據。變量屬性設置的對話框如圖3.17所示：23圖3.17設置記錄歷史數據歷史曲線是監控系統必不可少的部分，操作人員以曲線的形式查詢重要歷史數據，分析控制過程，進而調節控制參數。但是，歷史曲線本身并不保存變量的歷史數據，而僅僅是顯示歷史數據的一種方式。歷史數據的存儲主要由組態王提供的歷史庫來完成。本文采用組態王提供的歷史曲線控件來實現水箱液位歷史曲線的顯示。在組態王中右擊控件，點擊【控件屬性】，在―曲線‖目錄下點擊【歷史庫中添加】，在【坐標系】、【游標配置選項】中對記錄的時間格式游標等進行設置。系統運行時，歷史趨勢曲線控件自動連接歷史數據庫，把數據庫中保存的數據以曲線的形式顯示出來。圖3.18歷時曲線查詢用戶可根據液位控制的各個階段曲線的顯示來觀察液位控制情況，并根據觀察到的24情況來調整參數。在實際查看過程中，用戶可以通過調整曲線跨度和左右移動來查看曲線。在歷史曲線顯示模塊中，包含了歷史曲線控件及用以及用來查詢各個時刻記錄曲線的按鈕。用戶可以通過具體的時間來方便的查詢某一時間的歷史曲線。3.4參數整定連接設備，運行編寫的PID程序，通過不同的PID參數的設定觀察控制的實際效果，其中目標值為200毫米，選出一組最為合適的參數對水箱液位進行控制，其實際效果如下圖所示：圖3.20比例=0.5,積分=0.3圖3.21比例=0.5,積分=0.1圖3.22比例=0.5,積分=0.1,微分=5圖3.23比例=1,積分=0.1比較以上幾幅圖可知，當比例=0.5，積分=0.1時控制效果最佳。第四章基于變頻器的單容液位控制系統4.1變頻調速基礎變頻調速是國際上各大電器公司在70年代末80年代末投入全力研制、開發的技術，通過幾十年的發展，國內和國外在變頻調速技術上都已經常熟。目前，變頻調速的控制法有恒壓頻比控制、轉差率控制、矢量控制、直接轉矩控制等，其控制原理如下：根據異步電機的基本原理，異步電機轉速公式為：n=60f(1-s（4.1）p其中n為電動機的轉數，f為電源頻率，s為轉差率，p為定子旋轉磁場的極對數，所以從這個公式就可以看出，要想改變電動機的轉速，可以改變f，s，p這三個中的任意一個，就能夠實現調速，其中改變電源頻率f是比較方便和有效的方法，只要改變了電源頻率就能都改變電動機的轉速。1）V/F控制原理：U=E=4.44f*N*K*Φ，其中U是電源電壓，E是定制繞組的感應電動勢，f電源頻率，n為繞組線圈匝數，K為繞組分布系數，Φ為磁通量。從這個公式可以看出，如果減小f的話，電源頻率U還不變，那么Φ必然變大，因為電機的磁路設計都是按照一定的磁通量設計的，如果Φ增大，那么磁路有可能就進入了飽和狀態，所以必須保證Φ為恒定，所以相應的也應該減小電源電壓U，同理，f增大，U也要增大，同時必須保證u/f為一個常量。2）矢量控制原理：矢量控制的基本原理是通過測量和控制異步電動機定子電流矢量，根據磁場定向原理分別對異步電動機的