基于MCGS双容水箱的液位控制系统的设计文档格式.docx
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由于液位检测应用领域的不同，性能指标和技术要求也有差异，但适用有效的测量成为共同的发展趋势，随着电子技术及计算机技术的发展，液位检测的自动控制成为其今后的发展趋势，控制过程的自动化处理以及监控软件良好的人机界面，操作人员在监控计算机上能根据控制效果及时修正运行参数，这样能有效地减少工人的疲劳和失误，提高生产过程的实时性、安全性。
随着计算机控制技术应用的普及、可靠性的提高及价格的下降，液位检测的微机控制必将得到更加广泛的应用。
本文简要介绍了全中文工控组态软件MCGS，并以THSA-2型高级过程控制系统实验装置为例，阐述了该系统硬件组成，控制方法，功能以及采用MCGS开发的人机接口可视化界面（HMI）。
讲述了该系统开发的基本过程以及工控机怎么通过RS-485通讯协议与装置进行通讯。
实践证明，系统具有界面友好、易于操作、运行可靠、便于升级扩充等特点。
1.2过程控制介绍
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。
1．工业过程控制的发展概况
20世纪40年代开始形成的控制理论被成为“20世纪上半叶三大伟绩之一”，在人类社会的各个反面有着8深远的影响。
与其他任何学科一样，控制理论源于社会实践和科学实践。
自动化技术的前驱可以追溯到我国古代，如指南车的出现。
至于工业上的应用，一般以瓦特的蒸汽机调速器作为起点。
有人把直到20世纪30年代末这段时期的控制理论成为第一代控制理论，第一代控制理论分析的主要问题是稳定性，主要的数学方法是微分方程解析方法。
这时候的系统（包括过程控制系统）是简单控制系统，仪表是基地式、大尺寸的、满足当时的需要。
到第二次时间大战前后，控制理论有了很大发展，Nyquist（1932）和Bode（1945）频率法分析技术及稳定判据、Evens根轨迹分析方法的建立，使经典控制理论发展到了成熟的阶段，这是第二代控制理论。
从20世纪50年代开始，随着工业的发展、控制需求的提高，除了简单控制系统以外，各种复杂控制系统也发展起来了，而且取得了显著的功效。
20世纪60年代，现代控制理论迅猛发展，它以状态空间方法为基础、以极小值原理和动态规划等最优控制理论为特征的而以在随机干扰下采用Kalman滤波器的线性二次型系统（LOG）设计宣告了时域方法的完成，这是第三代控制理论。
从20世纪70年代开始，为了解决大规模复杂系统的优化与控制问题，现代控制理论和优化与控制相结合，逐步发发展成了大系统理论。
过程控制是随着控制理论的发展而发展的，从系统机构来看，过程控制已经经历了四个阶段：
基地式控制阶段（初级阶段）、单元组合仪表自动化阶段、计算机控制的初级阶段、综合自动化阶段。
当前自动控制系统发展的一些主要特点是：
生产装置实施先进控制成为发展主流，过程优化受到普遍关注，传统的DCS正在走向国际统一标准的开放式系统，综合自动化系统（CPIS）发展方向。
综合自动化系统，就是包括生产计划和调度、操作优化、先进控制和基层等内容的递阶控制系统，亦称管理控制一体化系统（简称管控一体化系统）。
这类自动化是靠计算机的组成特征，过程系统指明了它的工作对象，正好与计算机集成制造系统（CIMS）相应，有人也称之为过程工业的CIMS。
可以说，综合自动化是当代工业自动化的主要潮流。
它以整体优化为目标，以计算机为主要技术工具，以生产过程的管理和控制的自动化为主要内容，将各个自动化“孤岛”综合集成为一个整体的系统。
2．过程计算机控制系统
现代化过程工业向着大型化和连续化的方向发展，生产过程也随之日趋复杂，而对生产质量﹑经济效益的要求，对生产的安全、可靠性要求以及对生态环境保护的要求却越来越高。
不仅如此，生产的安全性和可靠性，生产企业的经济效益都成为衡量当今自动控制水平的重要指标。
因此继续采用常规的调节仪表（模拟式与数字式）已经不能满足对现代化过程工业的控制要求。
由于计算机具有运算速度快﹑精度高﹑存储量大﹑编程灵活以及具有很强的通信能力等特点，目前以微处理器﹑单片微处理器为核心的工业控制几与数字调节器—过程计算机设备，正逐步取代模拟调节器，在过程控制中得到十分广泛的作用。
在控制系统中引入计算机，可以充分利用计算机的运算﹑逻辑判断和记忆等功能完成多种控制任务和实现复杂控制规律。
在系统中，由于计算机只能处理数字信号，因而给定值和反馈量要先经过A/D转换器将其转换为数字量，才能输入计算机。
当计算机接受了给定值和反馈量后，依照偏差值，按某种控制规律（PID）进行运算，计算结果再经D/A转换器，将数字信号转换成模拟信号输出到执行机构，从而完成对系统的控制作用。
过程计算机控制系统的组成包括硬件和软件（除了被控对象﹑检测与执行装置外）。
1．过程计算机系统的硬件部分：
（1）由中央处理器﹑时钟电路﹑内存储器构成的计算机主机是组成计算机控制系统的核心部分，进行数据采集﹑数据处理﹑逻辑判断﹑控制量计算﹑越限报警等，通过接口电路向系统发出各种控制命令，指挥系统安全可靠的协调工作。
（2）包括各种控制开关﹑数字键﹑功能键﹑指示灯﹑声讯器和数字显示器等的控制台是人机对话的联系纽带，操作人员可以通过操作台向计算机输入和修改控制参数，发出操作命令；
计算机向操作人员显示系统运行状态，发出报警信号。
（3）通用外围设备包括打印机﹑记录仪﹑图形显示器﹑闪存等，它们用来显示﹑存储﹑打印﹑记录各种数据。
（4）I/O接口和I/O通道是计算机主机与外部连接的桥梁。
I/O通道有模拟量通道和数字量通道。
模拟量I/O通道将有传感变送器得到的工业对象的生产过程参数（标准电信号）变换成二进制代码传送给计算机；
同时将计算机输出的数字控制量变换为控制操作执行机构的模拟信号，实现对生产过程的控制。
2．过程计算机系统的软件部分：
（1）系统软件由计算机及过程控制系统的制造厂商提供，用来管理计算机本身资源，方便用户使用计算机。
（2）应用程序由用户根据要解决的控制问题而编写的各种程序（如各种数据采集﹑滤波程序﹑控制量计算程序﹑生产过程监控程序），应用软件的优劣将影响到控制系统的功能﹑精度和效率。
1.3液位串级控制系统介绍
在工业实际生产中，液位是过程控制系统的重要被控量，在石油﹑化工﹑环保﹑水处理
﹑冶金等行业尤为重要。
在工业生产过程自动化中，常常需要对某些设备和容器的液位进行测量和控制。
通过液位的检测与控制，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，即时地监视或控制容器液位，保证产品的质量和数量。
如果控制系统设计欠妥，会造成生产中对液位控制的不合理，导致原料的浪费﹑产品的不合格，甚至造成生产事故，所以设计一个良好的液位控制系统在工业生产中有着重要的实际意义。
在液位串级控制系统的设计中将以THJ-2高级过程控制实验系统为基础，展开设计控制系统及工程实现的工作。
虽然是采用传统的串级PID控制的方法，但是将利用智能调节仪表﹑数据采集模块和计算机控制来实现控制系统的组建，努力使系统具有良好的静态性能，改善系统的动态性能。
在设计控制系统的过程中，将利用到MATLAB软件和MCGS组态软件。
以下将对它们的主要内容进行说明。
1.4主要研究内容
主要以THSA_1型综合过程控制实验系统为研究对象包括了液位、流量。
图1-1实验系统总貌图
该实验平台是个过程控制综合实验系统、系统由实验控制对象、实验控制平台和上位监控PC机三部组成。
对象参数包括了液位、流量、压力、温度等热工参数，可设置纯滞后环节。
控制设备配置了智能仪表与PLC了两种形式，可以实现系统参数辨识，单回路控制，串级控制，前馈控制，前馈-反馈控制，滞后控制、比值控制，解耦控制等多种控制。
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：
一路由三相磁力驱动泵（380恒压供水）电动调节阀直流电磁阀涡流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（220变频调速）涡流流量计及手动调节阀组成。
被控对象主要包括：
水箱模拟锅炉盘管管道及阀门；
检测装置主要包括：
压力传感器、变送器，温度传感器，流量传感器、变送器；
执行机构主要包括：
电动调节阀，水泵，电磁阀，三相电加热管。
“THSA_1型综合过程控制实验系统控制台”主要包括控制屏组件、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。
具体相关内容：
（1）对于组态软件的当前研究现状和发展趋势做出分析，并分析了目前市场上组态软件，特别是MCGS组态软件的基本工作原理和功能特点。
（2）对于课题涉及到的控制系统做简要介绍，分析关于双容水箱系统的基本内容。
并针对设计要用的软、硬件进行了选型。
（3）针对设计中用到的硬件设备以及其特点做了简单的介绍。
（4）主要针对双容水箱对象，利用MCGS监控组态软件，设计组态监控界面，完成显示控制流程，实时曲线，结构框图，历史曲线，报表打印，报警等功能。
并编写PID控制策略。
（5）对目前研究工作进行总结并对今后的研究方向进行展望。
第2章被控对象的数学模型
2.1建立单回路控制系统数学模型
所谓单容指只有一个贮蓄容器。
自衡是指对象在扰动作用下，其平衡位置被破坏后，不需要操作人员或仪表等干预，依靠其自身重新恢复平衡的过程。
图2-1所示为单容自衡水箱特性测试结构图及方框图。
阀门F1-1、F1-2和F1-8全开，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的大小，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。
根据动态物料平衡关系有
Q1-Q2=A
（2-1-1）
将式（2-1）表示为增量形式
ΔQ1-ΔQ2=A
（2-1-2）
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，
＝0；
当Q1发生变化时，液位h随之变化，水箱出图2-1单容自衡水箱特性测试系统口处的静压也随之变化，Q2也发生变化。
（a）结构图（b）方图由流体力学可知，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=
或R=
（2-1-3）
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）＝
＝
=
（2-1-4）
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）=
，x0=常数，则式（2-1-4）可改写为
H（s）=
×
=K
-
对上式取拉氏反变换得
h（t）=Kx0（1-e-t/T）（2-1-5）
当t—>
∞时，h（∞）-h（0）=Kx0，因而有
K=
（2-1-6）
当t=T时，则有
h（T）=Kx0（1-e-1）=0.632Kx0=0.632h（∞）（2-1-7）
式（2-1-5）表示一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数，如图2-2（a）所示，该曲线上升到稳态值的63%所对应的时间，就是水箱的时间常数T。
也可由坐标原点对响应曲线作切线OA，切线与稳态值交点A所对应的时间就是该时间常数T，由响应曲线求得K和T后，就能求得单容水箱的传递函数。
图2-2单容水箱的阶跃响应曲线
如果对象具有滞后特性时，其阶跃响应曲线则为图2-2（b），在此曲线的拐点D处作一切线，它与时间轴交于B点，与响应稳态值的渐近线交于A点。
图中OB即为对象的滞后时间τ，BC为对象的时间常数T，所得的传递函数为：
H（S）=
（2-1-8）
2.2阶跃响应曲线法建立双容水箱
在本设计中将通过实验建模的方法，分别测定被控对象上水箱和下水箱在输入阶跃信号后的液位响应曲线和相关参数。
通过磁力驱动泵供水，手动控制电动调节阀的开度大小,改变上水箱/下水箱液位的给定量，从而对被控对象施加阶跃输入信号，记录阶跃响应曲线。
在测定模型参数中可以通过以下两种方法控制调节阀，对被控对象施加阶跃信号：
（1）通过智能调节仪表改变调节阀开度，增减水箱的流入水量大小，从而改变水箱液位实现对被控对象的阶跃信号输入。
（2）通过在MCGS监控软件组建人机对话窗口，改变调节阀开度,控制水箱进水量的大小，从而改变水箱液位，实现对被控对象的阶跃信号输入。
图2.2水箱模型测定原理图
图2-2双容水箱对象特性测试系统（a）结构图（b）方框图
由图2-2所示，被测对象由两个不同容积的水箱相串联组成，故称其为双容对象。
根据单容水箱特性测试的原理，可知双容水箱数学模型是两个单容水箱数学模型的乘积，即双容水箱的数学模型可用一个二阶惯性环节来描述：
G（s）=G1（s）G2（s）=
（2-2-1）
式中K＝k1k2，为双容水箱的放大系数，T1、T2分别为两个水箱的时间常数。
本实验中被测量为下水箱的液位，当中水箱输入量有一阶跃增量变化时，两水箱的液位变化曲线如图2-10所示。
由图2-10可见，上水箱液位的响应曲线为一单调上升的指数函数（图2-10（a））；
而下水箱液位的响应曲线则呈S形曲线（图2-10（b）），即下水箱的液位响应滞后了，它滞后的时间与阀F1-10和F1-11的开度大小密切相关。
图2-10双容水箱液位的阶跃响应曲线
（a）中水箱液位（b）下水箱液位
双容对象两个惯性环节的时间常数可按下述方法来确定。
在图2-11所示的阶跃响应曲线上求取：
（1）h2（t）|t=t1=0.4h2（∞）时曲线上的点B和对应的时间t1；
（2）h2（t）|t=t2=0.8h2（∞）时曲线上的点C和对应的时间t2。
（2-2-3，2-2-3，2-2-4）
图2-11双容水箱液位的阶跃响应曲线
然后，利用下面的近似公式计算式
（2-2-5）
（2-2-6）
（2-2-7）
0.32〈t1/t2〈0.46
由上述两式中解出T1和T2，于是得到如式（2-9）所示的传递函数。
在改变相应的阀门开度后，对象可能出现滞后特性，这时可由S形曲线的拐点P处作一切线，它与时间轴的交点为A，OA对应的时间即为对象响应的滞后时间
。
于是得到双容滞后（二阶滞后）对象的传递函数为：
G（S）=
（2-2-8）
（3）实验数据：
表2-1双容水箱特性测试数据
开始时间/t
第一次水位/h1
t1
第二次水位/h2
t2
开度变化范围
1
15:
21:
31
1.6
26:
21
9.3
32:
01
40→50
2
16:
39:
36
2.1
44:
11.7
53:
06
3
9:
22
1.5
02
7.6
29:
4
10:
52:
27
1.8
57:
12
9.5
11:
06:
42
5
14:
51:
5.3
56:
18
11.3
40→45
6
37
1.4
01:
57
12.9
12:
35→45
7
43:
1.7
48:
13
58:
8
17:
30
6.7
18:
03:
10
13.2
45→50
9
20:
51
3.7
25:
15.7
34:
09
31:
1.9
36:
13.4
11
37:
2.5
42:
11.6
47
2.3
12.3
17
30:
2.6
35:
13.1
46:
30→40
14
49
16.2
19
15
28:
55
25
16.4
50:
05
参数整定：
第3章系统控制方案设计与仿真
控制方案设计是过程控制系统设计的核心，需要以被控过程模型和系统性能要求为依据，合理选择系统性能指标，合理选择被控参数，合理设计控制规律，选择检测、变送器和选择执行器。
选择正确的设计方案才能使先进的过程仪表和计算机系统在工业生产过程中发挥良好的作用。
3.1系统控制方案设计
3.1.1PID控制系统
目前，随着控制理论的发展和计算机技术的广泛应用，PID控制技术日趋成熟。
先进的PID控制方案和智能PID控制器（仪表）已经很多，并且在工程实际中得到了广泛的应用。
现在有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器，能实现PID控制功能的可编程控制器（PLC），还有可实现PID控制的计算机系统等。
在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例积分微分控制，简称PID控制，又称PID调节。
PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。
图3.1PID控制基本原理图
PID控制器是一种线性负反馈控制器，根据给定值r（t）与实际值y（t）构成控制偏差：
PID控制规律为：
或以传递函数形式表示：
式中，KP:
比例系数TI:
积分时间常数TD:
微分时间常数
PID控制器各控制规律的作用如下：
（1）比例控制（P）：
比例控制是一种最简单的控制方式。
其控制器的输出与输入误差信号成比例关系，能较快克服扰动，使系统稳定下来。
但当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差
（2）积分控制（I）：
在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。
对一个自动控制系统，
升级会员 