水位串级控制系统的设计与组态.docx

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水位串级控制系统的设计与组态

摘要

本论文的目的是设计双容水箱液位串级控制系统。

在设计中充分利用自动化仪表技术，计算机技术，通讯技术和自动控制技术，以实现对水箱液位的串级控制。

首先对被控对象的模型进行分析，并采用实验建模法求取模型的传递函数。

其次，根据被控对象模型和被控过程特性设计串级控制系统，采用动态仿真技术对控制系统的性能进行分析。

然后，设计并组建仪表过程控制系统，通过智能调节仪表实现对液位的串级PID控制。

最后，借助数据采集模块﹑Advantrol-Pro组态软件和数字控制器，设计并组建远程计算机过程控制系统，完成控制系统实验和结果分析。

关键词：

液位；模型；PID控制；仪表控制；计算机控制

Abstract

Thepurposeofthisthesisistodesigntheliquidlevel'sconcatenationcontrolsystemofthedoublecapacitywatertank.Thisdesignmakesfulluseoftheautomaticindicatortechnique﹑thecomputertechnique﹑thecommunicationtechniqueandtheautomaticcontroltechniqueinordertorealizeconcatenationcontrolofwatertank'sliquid.First,Icarryouttheanalysisofthecontrolledobjects'model,andusetheexperimentalmethodtocalculatethetransferfunctionofthemodel.Next,IDesigntheconcatenationcontrolsystemandusethedynamicsimulationtechniquetoanalyzethecapabilityofcontrolsystem.Afterwards,Idesignandsetuptheindicatorprocesscontrolsystem,realizePIDcontroloftheliquidlevelwithintelligenceindicator.Finally,Idesignandsetupthelongdistancecomputercontrolsysteminvirtueofthedatacollectionmodule﹑Advantrol-ProsoftanddigitalPIDcontroller，accomplishcontrolsystemexperimentandanalyzetheoutcome.

1绪论

1.1研究背景

随着工业生产的飞速发展，人们对控制系统的控制精度、响应速度、系统稳定性与适应能力的要求越来越高。

而实际工业生产过程中的被控对象往往具有非线性、时线性、时延对象的先进控制策略，提高系统的控制水平，具有重要的实际意义。

每一个先进实用的控制算法的出现都对工业生产具有巨大的推动作用。

然而，当前的学术研究成果与实际生产应用技术水平并不是同步的，甚至相差几十年。

在我国，越是高深的、先进的控制理论，其研究越是局限于少数科研院所的狭小范围内，也越是远离了国民生产这个应用基地。

最近几年，国内一些控制领域已接近甚或超越了国际水平，然而，就先进理论应用于工业生产等领域的状况来讲，与发达国家相比却存在较大差距。

其原因固然是多方面的。

但是，一个很明显的原因就是在于理论研究尚缺乏实际背景的支持，理论的算法一旦应用于现场就会遇到各种各样的实际问题，制约了其应用前景。

在目前尚不具有在实验室中复现真实工业过程条件的今天，开发经济实用的具有典型对象特性的实验装置无疑是一条探索将理论成果转化为应用技术的捷径。

自本世纪30年代以来，伴随着自动控制理论的日趋成熟，自动化技术不断地发展并获得了惊人的成就，在工业生产和科学发展中起着关键性的作用。

过程控制技术是自动化技术的重要组成部分，普遍运用于石油，化工，电力，冶金，轻工，纺织，建材等工业部门。

初期的过程控制系统采用基地式仪表和部分单元组合仪表，过程控制系统结构大多是单输入，单输出系统，过程控制理论是以频率法和根轨迹法为主体的经典控制理论，以保持被控参数温度，液位，压力，流量的稳定和消除主要扰动为控制目的过程。

其后，串级控制，比值控制和前馈控制等复杂过程控制系统逐步应用于工业生产中，气动和电动单元组合仪表也开始大量采用，同时电子技术和计算机技术开始应用于过程控制领域，实现了直接数字控制（DDC）和设定值控制（SPC）。

之后，以最小二乘法为基础的系统辨识，以极大值和动态规划为主要方法的最优控制和以卡尔曼滤波理论为核心的最佳估计所组成的现代控制理论，开始应用于解决过程控制生产中的非线性，耦合性和时变性等问题，使得工业过程控制有了更好的理论基础。

同时新型的分布式控制系统（DCS）集计算机技术、控制技术、通讯技术、故障诊断技术和图形显示技术为一体，使工业自动化进入控制管理一体化的新模式。

现今工业自动化己进入计算机集成过程系统（CIPS）时代，并依托人工智能，控制理论和运筹学相结合的智能控制技术向工厂综合自动化的方向发展。

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。

1.2国内外研究现状

随着人们生活质量的提高和环境的变化，“水”已经成为人们关注的对象！

不管是生活用水，是工业用水，这都牵扯水的过程控制问题。

将PID算法运用到水位控制系统中，不仅可以解决水塔的自动化给水问题而且还可以合理、安全、节约地使用水资源，进而使居民安居乐业，使我国工业自动化不断的向前发展！

1.2.1国外研究现状

德国Amira自动化公司研制的水箱系统是著名的智能实验设备之一，在国外很多大学和实验室都已得到了广泛的应用，国内也有包括清华大学、浙江大学、吉林大学等高校引进了Amira公司研制的水箱过程控制实验装置。

但是，由于德国Amira自动化公司研制的双容水箱系统价格太高，给购置这个实验设备带来很多困难。

也正是受其高价格的限制，目前，国内只是少数高校的部分实验室引进了这个设备，给基于双容水箱系统的算法研究和仿真带来了困难。

液位控制系统一般指工业生产过程中自动控制系统的被控变量为液位的系统。

在生产过程中，对液位的相关参数进行控制，使其保持为一定值或按一定规律变化，以保证质量和生产安全，使生产自动进行下去。

液位过程参数的变化不但受到过程内部条件的影响，也受外界条件的影响，而且影响生产过程的参数一般不止一个，在过程中的作用也不同，这就增加了对过程参数进行控制的复杂性，或者控制起来相当困难，因此形成了过程控制的下列特点：

（1）对象存在滞后热工生产大多是在庞大的生产设备内进行，对象的储存能力大，惯性也较大，设备内介质的流动或热量传递都存在一定的阻力，并且往往具有自动转向平衡的趋势。

因此，当流入（流出）对象的质量或能量发生变化时，由于存在容量、惯性、阻力，被控参数不可能立即产生响应，这种现象叫做滞后。

（2）对象特性的非线性对象特性大多是随负荷变化而变化，当负荷改变时，动态特性有明显的不同。

大多数生产过程都具有非线性，弄清非线性产生的原因及非线性的实质是极为重要的。

（3）控制系统较复杂从生产安全方面考虑，生产设备的设计制造都力求生产过程进行平稳，参数变化不超出极限范围，也不会产生振荡，作为被控对象就具有非振荡环节的特性。

过程的稳定被破坏后，往往具有自动趋向平衡的能力，即被控量发生变化时，对象本身能使被控量逐渐稳定下来，这就具有惯性环节的特性。

也有不能趋向平衡，被控量一直变化而不能稳定下来的，这就是具有积分的对象。

任何生产过程被控制的参数都不是一个，这些参数又各具有不同的特性，因此要针

对这些不同的特性设计相应不同的控制系统。

1.2.2国内研究现状

国内也有一些厂家研制了水箱液位系统。

GWT系列水箱液位控制实验装置由固高科技有限公司协同香港城市大学联合研制开发而成，并经过香港城市大学多年的实践检验，充分证明了其教学、实验和研究价值。

用户既可通过经典的PID控制器设计与调试，完成经典控制教学实验，也可通过模糊逻辑控制器的设计与调试，进行智能控制教学实验与研究。

各种控制器的控制效果既通过水位的变化直观地反映出来，同时通过液位传感器对水位的精确检测，方便地获得瞬态响应指标，准确评估控制性能。

开放的控制器平台，便于用户进行自己的控制器设计，满足创新研究的需要。

CS4000实验装置由浙江中控研制开发，它的出现为各大专院校，科研院所从事自动控制理论学习、研究及控制模型和算法探索的教师，科研人员及高年级本科生和研究生提供了一个具体的控制对象。

液位控制系统在国内各行各业的应用已经十分广泛，但从国内生产的液位控制器来讲，同国外的日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有差距。

目前，我国液位控制主要以常规的PID控制器为主，它只能适应一般系统控制，难于控制滞后、复杂、时变温度系统控制。

而适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。

由于工业过程控制的需要，特别是在微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外液位控制系统发展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果，在这方面，以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的液位控制器及仪器仪表，并在各行业广泛应用。

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CS4000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Advantrol-Pro软件。

以下将对它们的主要内容进行说明。

1.4AdvanTrol-Pro软件包简介

AdvanTrol-Pro软件包是基于Windows操作系统的自动控制应用软件平台，在JX-300XP系统中完成系统组态、数据服务和实时监控等功能。

1.4.1软件功能特点

（1）采用多任务、多线程，32位代码；

（2）良好的开放性能；

（3）系统组态结构清晰，界面操作方便；

（4）控制算法组态采用国际标准，实现图形组态与语言组态结合，功能强大；

（5）流程图功能强大，使用方便；

（6）报表功能灵活，应用简捷，并具有二次计算能力；

（7）采用大容量、高吞吐量的实时数据库和两级分层（分组分区）的数据结构；

（8）操作节点数据更新周期1秒，动态参数刷新周期1秒；

（9）按键响应时间≤0.2秒；

（10）流程图完整显示时间≤2秒，其余画面≤1秒；

（11）命令响应时间≤0.5秒；

（12）实时和历史趋势操作灵活，支持历史数据离线浏览；

（13）强大的报警管理功能，可以分区分级设置报警，支持语音报警；

（14）提供基于API接口的多种数据访问接口；

（15）系统安全、可靠，长期运行稳定；

（16）支持ModBus、ProfiBus数据连接和OPC数据通信；

（17）在网络策略和数据分组的基础上实现了具有对等C/S模式特征的过程信息网络服务；

（18）支持在线下载功能；

（19）支持多人组态服务。

1.4.2过程信息服务功能

AdvanTrol-Pro使JX-300XP系统在网络策略和数据分组的基础上实现了具有对等C/S特征的过程信息网（也称为操作网），在该过程信息网上可实现操作节点之间包括实时数据，实时报警，历史趋势，历史报警，操作日志等的实时数据通信和历史数据查询。

（1）实时数据服务 

服务器向客户端发送数据：

对于某一个数据组而言，客户端发现有主服务器存在，则向主服务器申请位号，主服务器定时发送数据给客户端，当客户端不需要这些数据时，主服务器在继续发送一段时间后停止发送。

客户端向服务器发送数据（数据回写）：

客户端利用流程图等工具通过过程信息网向主服务器发送数据。

注意，如果本站为客户端，则通过任务的置值动作无效。

（2）实时报警服务 

对于某一个数据组而言，主服务器主动判断是否有客户端，并进行实时报警的发送。

冗余服务器也是接收来自主服务器的报警。

报警中有产生时间和确认时间。

实时报警的主服务器、冗余服务器和客户端所进行的报警确认是通过过程信息网传送到其他的实时报警的主服务器、冗余服务器和客户端。

实时报警为本地的操作节点所进行的报警确认只有本操作节点有效。

（3）历史趋势服务 

趋势查询时，如果本站的某一数据组策略设置为服务器或者本地连接，则查询本站记录的趋势，如果本站是客户端，则查询趋势主服务器记录的趋势。

（4）历史报警服务 

报警查询时，如果本站的某一数据组策略设置为服务器或者本地连接，则查询本站记录的报警，如果本站是客户端，则查询报警主服务器记录的报警。

（5）操作日志服务 

操作日志是针对操作节点而言的。

设置为本地连接或者服务器的操作节点，记录在本站产生的操作记录，设置为客户端的操作节点，发送操作记录到主服务器和冗余服务器。

在查询操作日志时，如果本站是主（冗余）服务器或者本地连接，则查询本站记录的操作日志，如果本站是客户端，则查询操作记录主服务器记录的操作日志。

（6）时间同步功能 

系统可接入GPS时钟源信号，并通过SNTP协议实现整个控制系统的时间同步。

亦可在控制系统中设置时间同步服务器，以该服务器时间为基准，实现系统的时间同步。

1.4.3系统软件构成介绍

AdvanTrol-Pro软件包可分成两大部分，一部分为系统组态软件，包括：

用户组态软件（SCSecurity）、系统组态软件（SCKey）、图形化编程软件（SCControl）、语言编程软件（SCLang）、流程图制作软件（SCDrawEx）、报表制作软件（SCFormEx）、二次计算组态软件（SCTask）、ModBus协议外部数据组态软件（AdvMBLink）等等；另一部分为系统运行监控软件，包括：

实时监控软件（AdvanTrol）、数据服务软件（AdvRTDC）、数据通信软件（AdvLink）、报警记录软件（AdvHisAlmSvr）、趋势记录软件（AdvHisTrdSvr）、ModBus数据连接软件（AdvMBLink）、OPC数据通信软件（AdvOPCLink）、OPC服务器软件（AdvOPCServer）、网络管理和实时数据传输软件（AdvOPNet）、历史数据传输软件（AdvOPNetHis）、网络文件传输（AdvFileTrans）等。

系统运行监控软件安装在操作员站和运行的服务器、工程师站中，通过各软件的相互配合，实现控制系统的数据显示、数据通信及数据保存。

监控软件构架如图1.1所示。

图1.1监控软件构架

系统组态软件通常安装在工程师站，各功能软件之间通过对象链接与嵌入技术，动态地实现模块间各种数据、信息的通讯、控制和管理。

这部分软件以SCKey系统组态软件为核心，各模块彼此配合，相互协调，共同构成一个系统结构及功能组态的软件平台。

图1.2系统组态软甲构架

1.4.4系统组态软件（SCKey）

SCKey组态软件主要是完成DCS的系统组态工作。

如设置系统网络节点、冗余状况、系统控制周期；配置控制站内部各类卡件的类型、地址、冗余状况等；设置每个I/O点的类型、处理方法和其他特殊的设置；设置监控标准画面信息；常规控制方案组态等。

系统所有组态完成后，最后要在该软件中进行系统的联编、下载和传送。

该软件操作方便，并且充分支持各种控制方案。

系统组态软件界面中设计有组态树窗口，用户从中可清晰地看到从控制站直至信号点的各层硬件结构及其相互关系，也可以看到操作员站上各种操作画面的组织方式。

SCKey组态软件通过简明的下拉菜单和弹出式对话框建立友好的人机交互界面，并大量采用Windows的标准控件，使操作保持了一致性，易学易用。

另外，SCKey组态软件还提供了强大的在线帮助功能，当用户在组态过程中遇到问题，只须按F1键或选择菜单中的帮助项，就可以随时得到帮助提示。

SCKey组态软件管理界面如下图所示。

图1.3SCKey组态软件界面

2系统控制方案设计

2.1串级控制系统

2.1.1串级系统的组成结构

串级控制系统是两个调节器串联起来工作，其中一个调节器的输出作为另一个调节器的给定值的系统。

串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器，前一个调节器的输出作为后一个调节器的设定，后一个调节器的输出送往调节阀。

前一个调节器称为主调节器，它所检测和控制的变量称主变量（主被控参数），即工艺控制指标；后一个调节器称为副调节器，它所检测和控制的变量称副变量（副被控参数），是为了稳定主变量而引入的辅助变量。

整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。

副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成；主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。

一次扰动作用在主被控过程上的，而不包括在副回路范围内的扰动。

二次扰动作用在副被控过程上的，即包括在副回路范围内的扰动。

在串级控制系统中，由于引入了一个副回路，不仅能及早克服进入副回路的扰动，而且又能改善过程特性。

副调节器具有“粗调”的作用，主调节器具有“细调”的作用，从而使其控制品质得到进一步提高。

2.1.2串级系统设计

（1）主回路的设计

串级控制系统的主回路是定值控制，其设计单回路控制系统的设计类似，设计过程可以按照简单控制系统设计原则进行。

这里主要解决串级控制系统中两个回路的协调工作问题。

主要包括如何选取副被控参数、确定主、副回路的原则等问题。

（2）副回路的设计

由于副回路是随动系统，对包含在其中的二次扰动具有很强的抑制能力和自适应能力，二次扰动通过主、副回路的调节对主被控量的影响很小，因此在选择副回路时应尽可能把被控过程中变化剧烈、频繁、幅度大的主要扰动包括在副回路中，此外要尽可能包含较多的扰动。

归纳如下：

在设计中要将主要扰动包括在副回路中。

将更多的扰动包括在副回路中。

副被控过程的滞后不能太大，以保持副回路的快速相应特性。

要将被控对象具有明显非线性或时变特性的一部分归于副对象中。

在需要以流量实现精确跟踪时，可选流量为副被控量。

2.2主、副调节器调节规律的选择

在串级控制系统中，主、副调节器起的作用不同。

主调节器起定值控制作用，副调节器起随动控制作用，这是选择调节器规律的基本出发点。

主被控参数是工艺操作的主要指标，允许波动范围很小，一般要求无静差。

在液位串级控制系统中，我们选择下水箱液位为主要被控参数，液体流量为控制变量。

所以，选择PID调节器作为主调节器的调节规律。

副被控参数的设置是为了克服主要干扰对主参数的影响，保证和提高主参数的控制质量，对副参数的要求一般不严格，因而可以允许在一定范围内变化，并允许有静差。

为此，副调节器调节规律选择P调节规律。

当加入副回路、副控制器，比较单回路控制、串级控制系统性能的变化，串级控制系统框图如下：

图2.1串级系统框图

2.3串级控制系统的参数整定

串级控制系统从整体上来看是定值控制系统，要求主参数有较高的控制精度。

但副回路是随动系统，要求副参数能准确、快速地跟随主调节器输出的变化。

主、副回路的原理不一样，对主、副参数的要求也不同，通过正确的参数整定，可取得理想的控制效果。

串级控制系统主、副调节器的参数整定方法有逐步逼近法、两步整定法和一步整定法。

逐步逼近法是一种依次整定主回路、副回路，然后循环进行，逐步接近主、副回路最佳整定的一种方法。

但是逐步逼近法费时费力，在实际中很少使用。

两步整定法是按照串级控制系统主、副回路的情况，先整定副控制器，后整定主控制器的方法。

此法虽然比逐步逼近法简化了调试过程，但还是要做两次4:

1衰减曲线法的实测。

对两步整定法进行简化，在总结实践经验的基础上，提出了一步整定法，就是根据经验先将副控制器一次放好，不再变动，然后按照一般单回路控制系统的整定方法直接整定主控制器参数。

为了简便起见，本设计采用一步整定法。

所谓一步整定法，就是根据经验先确定副调节器的参数，然后将副回路作为主回路的一个环节，按单回路反馈控制系统的整定方法整定主调节器的参数。

具体的正定步骤为：

（1）按照单回路控制系统的任一种参数整定方法来整定主调节器的参数。

（2）改变给定值，观察被控制量的响应曲线。

根据主调节器放大系数K1和副调节器放大系数K2的匹配原理，适当调整调节器的参数，使主参数品质最佳。

（3）如果出现较大的振荡现象，只要加大主调节器的比例度δ或增大积分时间常数Ti，即可得到改善。

2.4PID控制原理

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2.2PID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