毕业设计说明书
课题名称: 串级控制与远程监控在液位控制中的应用
系 别 电气电子工程学院 专 业 机电一体化 班 级 机电0832 姓 名 王维 学 号 0802013235 指导教师 金文兵 汤皎平 黄永忠
起讫时间：2011 年 2 月 21 日～2011 年 4 月 15日（共 8 周）
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目 录
第1章 前言 ........................................... 3
1．1课题背景介绍 ......................................................................................................................... 3
1.2 设计目的 ................................................................................................................................ 3
第2章 系统方案设计 ................................... 4
2.1 控制方案 ................................................................................................................................ 4 2.2 控制原理 ................................................................................................................................ 5 2.3控制系统的结构及实现 ........................................................................................................... 5
第3章 系统组态设计 ................................. 7
3.1 组态王简介 ............................................................................................................................ 7 3.2 组态软件设计 ........................................................................................................................ 7 3.3 组态图 .................................................................................................................................... 7 3.4 组态画面 ................................................................................................................................ 8 3.5 组态控制程序 ........................................................................................................................ 9
第4章 水位控制系统的组成 ........................... 11
4.1水位控制系统的组成 ............................................................................................................. 11 4.2 水箱 ...................................................................................................................................... 12 4.3 调节阀 .................................................................................................................................. 12 4.4 水泵 ...................................................................................................................................... 12 4.5 流量传感器、变送器、变频器 .......................................................................................... 12 4.6 模拟量采集和输出模块 ........................................................................ 错误!未定义书签。
第5章 系统调试 ..................................... 14
5．1 属性设置 .............................................................................................................................. 14
5．2 设备命令及实现方法 .......................................................................................................... 14 5．4设备调试 ............................................................................................................................... 16 5.5控制器的整定 ......................................................................................................................... 17 5.6 系统运行结果及曲线分析 .................................................................................................... 17
总 结 ................................................ 21 参 考 文献 ........................................... 22
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第1章 前言
1．1课题背景介绍
工业自动化水平的迅速提高，计算机在工业领域的广泛应用，人们对工业自动化的要求越来越高，种类繁多的控制设备和过程监控装置在工业领域的应用，使得传统的工业控制软件已无法满足用户的各种需求。在开发传统的工业控制软件时，当工业被控对象一旦有变动，就必须修改其控制系统的源程序，导致其开发周期长；已开发成功的工控软件又由于每个控制项目的不同而使其重复使用率很低，导致它的价格非常昂贵；在修改工控软件的源程序时，倘若原来的编程人员因工作变动而离去时，则必须同其他人员或新手进行源程序的修改，因而更是相当困难。通用工业自动化组态软件的出现为解决上述实际工程问题提供了一种崭新的方法，因为它能够很好地解决传统工业控制软件存在的种种问题，使用户能根据自己的控制对象和控制目的的任意组态，完成最终的自动化控制工程。
串级控制系统从整体上看仍然是一个定制控制系统，主变量在扰动作用下的过渡过程和单回路定值控制系统的过渡过程具有相同的品质指标。串级控制系统中，如果主控制器有积分控制作用，并且偏差长期存在，则可能出现积分饱和现象。同样，如果副控制器有积分控制作用，并且偏差长期存在，则也会出现积分饱和现象。为防止串级控制系统的积分饱和，可采用积分外反馈的方法。将副控制器的测量制作为主控制器的积分外反馈。
串级控制系统减小被控对象的等效时间常数，提高系统工作频率，对负载变化具有一定的自适应能力。
1.2 设计目的
该课程设计采用组态王软件设计具有PID 控制规律和串级控制算法的虚拟控制器的过程， 以PLC 过程控制实验系统双容液位为受控对象构建一个串级控制系统，并可通过计算机网络实现远程测控主要学习串级调节规律，了解串级控制规律在液位双回路水箱中的控制。
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第2章 系统方案设计
2.1 控制方案
简单控制系统在生产中解决了大量的参数定值调节问题，它是控制系统中最基本而应用最
广泛的一种形式。但当对象的容量滞后较大，负荷或干扰变化比较剧烈、比较频繁，或是工艺品对产品质量提出的要求很高时，采用单回路控制的方法就不在有效了，于是就出现了串级控制系统。
所谓串级控制系统，就是采用两个控制器串联工作，主控制器的输出作为副控制器的设定值，由副控制器的输出去操纵调节阀，从而对主控变量具有更好的控制效果。串级控制系统的主回路仍是一个定值控制系统。副回路具有调节速度快、抑制扰动能力强等特点。主副控制器在串级控制系统中所起的作用是不同的。主控制器起定值控制作用，副控制器对主控制器的输出起随动控制作用，而对扰动作用起定值控制作用，因此，主被控变量要求无余差，副被控变量却允许在一定范围内变动。
为保证所设计的串级控制系统的正常运行，必须正确选择主、副控制器的正、反作用。在具体选择时，首先依据控制阀的气开、气关形式和副对象的放大倍数决定副控制器正、反作用的方式。本控制系统中，被控参量有两个，中水箱的液位和下水箱的液位，这两个参量具有相关关系。中水箱的液位可以影响下水箱的液位，根据上下水箱的液位相关关系，故系统采用串级控制。其中，内环控制中水箱的液位，外环控制下水箱的液位，系统进行是下水箱的液位跟随给定值。
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图1 串级控制系统原理图
2.2 控制原理
在串级控制系统中,当有扰动出现于副回路时,由于主对象的时间常数大于副对象的时间常数,因而当主变量（下水箱的液位）未作出反应时,副回路已作出快速响应,及时地消除了扰动对被控量的影响。此外，如果扰动作用于主对象，由于副回路的存在，使副对象的时间常数大大减小，从而加快了系统的响应速度，改善了动态性能。本系统控制的目的不仅使系统的输出响应具有良好的动态性能，而且在稳态时系统的主变量等于设定值，实现无差调节。
二次干扰 一次干扰 设定值 H（液位）-×主调节器-×副调节器电动调节阀中水箱下水箱液位变送器液位变送器
图2 串级控制系统框图
2.3控制系统的结构及实现
根据工艺要求，考虑到系统中处理的主要是液位、流量等模拟量信号，所以采用智能仪表
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AI808实现对信号的处理和整个系统的控制；采用组态软件MCGS对系统进行显示和监控。如下图2所示：
计算机（MCGS组态软件）
RS232/485转换器 RS485总线
主调节器AI808（1） 副调节器AI808（2）
液位 液位 电动 变送器 变送器 执行器
压力 压力 变送器 变送器 图3 液位串级控制结构图
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第3章 系统组态设计
3.1 组态王简介
组态王开发监控系统软件是新型的工业自动控制系统正以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统，它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。尤其考虑三方面问题：画面、数据、动画。通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。而且，它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。它以Windows XP/Windows Vista中文操作系统为操作平台，采用了多线程、COM组态等新技术，实现了实时多任务。它具有丰富的图库及图库开发工具，支持各种主流PLC、智能仪表、板卡和现场总线等工控产品；有一种类似C语言的编程环境，便于处理各种算法和操作，还内嵌了许多函数供用户调用，实现各种功能。
3.2 组态软件设计
在Vista环境下，控制系统软件以组态王6.53作为开发平台。整个监控系统实现数据采集，总体监视，相关参数实时在线调整，显示实时曲线，液位等功能。
3.3 组态图
系统主界面主要绘制的双容水箱串级控制系统的工艺组成图。包括中水箱，下水箱，管道，电动调节阀，储水箱和阀门等设备以及相关的操作提示按钮等。基于动画连接，主界面可实现自动，手动切换，以及显示PID参数整定框、液位显示和实时曲线框以方便操作员在线调节PID参数观察控制效果。系统组态图如下图3所示：
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LSB1PV1PID2手动自动OUTLSB2PV2PID2自动手动OUT
U(k)
图4 系统组态图
3.4 组态画面
图5 系统组态静态画面
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图6 系统组态动态画面
图7 系统组态动态画面
3.5 组态控制程序
If(液位1>40) {f3=(液位1-40)*Ti; 液位1=液位1-10*f3/100; 液位2=液位2+10*f3/100;}
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If(液位2>SP) {f4=(液位2-SP)*Ti;
液位2=液位2-20*f4/100-20*f3*(Td+1)/100; 液位3=液位3+20*f4/100+20*f3*(Td+1)/100;} If(液位1==100)
b1=0;
if(液位2==100) b1=0; if(b1==1)
c=1; else c=0; if(c==0)
f1=0; f2=0; if(c==1) {
{f2=Kp+20; f1=100-f2;} 液位3=液位3-10; 液位2=液位2+10*f2/100; 液位1=液位1+10*f1/100; } b=10*f3;
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第4章 水位控制系统的组成
4.1水位控制系统的组成
该系统由上位机和智能调节仪两部分组成。上位机由四个画面组成。实时数据采集，历史数据记录，运行动画，通讯状态组成。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各个部分。完成整个系统的通讯过程，下位机由智能仪表构成，实现对水位数据的采集和控制。智能仪表是利用RS232／RS485和上位机进行通讯的人工智能工业调节器，该设备构件用于MCGS操作和通过串行I=I读写仪表的数据。根据实际应用的需要来正确设置仪表的各项参数，也可通过本构件的设备命令设置仪表的部分参数。 上下位机组成结构如下图7所示：
水位控制系统画面 通讯状态画面 实时曲线画面 历史曲线画面 智能调节仪 液位传感仪1 液位传感仪2 电动调节阀 流量传感器1 流量传感器2
图8 上下位机组成结构图
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4.2 水箱
包括中水箱、下水箱、储水箱。中水箱、下水箱采用淡蓝色优质有机玻璃，不但坚实耐用，而且透明度高，便于学生直接观察液位的变化和记录结果。中水箱、下水箱尺寸为：D=25cm，H=20cm，该水箱结构独特，由三个槽组成，分别为缓冲槽、工作槽和出水槽，进水时水管的水先流入缓冲槽，出水时工作槽的水经过带燕尾槽的隔板流入出水槽，这样经过缓冲和线性化的处理，工作槽的液位较为稳定，便于观察。水箱底部接有扩散硅压力传感器与变送器，可对水箱的压力和液位进行检测和变送。储水箱由不锈钢板制成，尺寸为：长×宽×高=68cm×52㎝×43㎝，完全能满足中水箱、下水箱的实验供水需要。储水箱内部有两个椭圆形塑料过滤网罩，以防杂物进入水泵和管道。
4.3 调节阀
采用智能直行程电动调节阀，用来对控制回路的流量进行调节。电动调节阀型号为：QSVP-16K。具有精度高、技术先进、体积小、重量轻、推动力大、功能强、控制单元与电动执行机构一体化、可靠性高、操作方便等优点，电源为单相220V，控制信号为4～20mADC或1～5VDC，输出为4～20mADC的阀位信号，使用和校正非常方
4.4 水泵
本装置采用磁力驱动泵，型号为16CQ-8P，进口直径：12mm，出口直径：12mm温度：<=100℃，流量为30升/分，扬程为8米，功率为180W。泵体完全采用不锈钢材料，以防止生锈，使用寿命长。本装置采用磁力驱动泵，为三相变频220V输出驱动。它是将永磁联轴器的工作原理应用于离心泵的新产品，具有全密封、无泄露、耐腐蚀的特点。它以静密封取代动密封，使泵的过流部件处于完全密封状态，彻底解决了其它泵（如丹麦泵、齿轮泵等）机械密封无法避免的跑、冒、漏、滴之弊病，选用耐腐蚀、高强度的不锈钢作为制造材料。结构紧凑、外形美观、体积小、噪音低、运行可靠、使用维修方便。
4.5 流量传感器、变送器、变频器
二个涡轮流量计分别用来测量电动调节阀控制的动力支路、变频器控制的动力支路及盘管出口处的流量。它的优点是测量精度高，反应快。采用标准二线制传输方式，工作时需提供24V
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直流电源。流量范围：0～1.2m/h；精度：1.0%；输出：4～20mADC。变频器为4-20mA控制信号输入，可对流量和压力进行控制。
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第5章 系统调试
5．1 属性设置
要使组太王能正确操作智能仪表，先设置该构件的属性 ： (1)仪表的地址，必须和仪表Addr参数设置一致。 (2)用于设置仪表的输入范围。
(3)设置仪表的SV值方式，不设置SV值表示只读SV值，自动设置SV值表示写SV。 (4)设置仪表的OP值方式， 不设置OP值表示只读OP值，自动设置OP值表示写OP。 (5)设置数据的小数点位置，必须和仪表的小数点位置参数一致，因仪表在通讯过程中传递的数据不带小数点，上位机通过此参数设置值来确定数据的大小。
5．2 设备命令及实现方法
智能仪表可通过设备命令实现其全部通讯功能，其命令格式如下：
Read (Cmd，PV，SV．OP，dat)：读取仪表的PV值．SV值，OP值，Dat值。Cmd为命令代号．PV 为存储读取的PV值的变量，SV为存储读取的SV值的变量，OP为存储读取的OP值的变量，Dat为存储读取的Dat值的变量，Dat值的含义由Cmd的值决定。Write(Cmd，Dat)：写仪表的Dat值命令。Cmd为命令代号，Dat为写入的数据，Dat值的含义由Cmd的值决定。Cmd的值需要根据试验结果进行标定和修正。
Cmd的值包括：SV／SteP(上限报警)、HlAL(给定值／程序段)、LoAI (下限报警)、dHAL(正偏差报警)、dl AI (负偏差报警)、dF(回差)、CtrL(控制方式)、M50(保持参数)、P(速率参数)、t(滞后参数)、CtI(控制周期)、Sn(输入规格)、diP(小数点位置)、dlL(下限显示值)、dIH(上限显示值)、CJC(冷端补偿)、Sc(传感器修正)、oP1(输出方式)、(oPl 输出下限)、oPH(输出上限)、CF(系统功能选择)、Baud(波特率／程序运行控制字)、Addr(通讯地址)、d1 (数字滤波)、run(运行参数)、Loc(参数封锁)等。具体如下图8
各仪表的参数设置如下表8所示：
表1 仪表参数设置
仪表参数 主调节器 副调节器 仪表参数 主调节器 副调节器 HIAL 999.9 999.9 14
LOAL -199.9 -199.9
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DHAL 999.9 999.9 DLAL 999.9 999.9 DF 10.0 10.0 CTRL 1 1 P 20 0 I 80 0 D 0.0 0 CR 0.1 0.1 CTL 1 1 SN 33 32 DIP 1 1 DIL 1 1 DIH 100.0 100.0 SC 0.0 0.0 OPI 4 4 OPL 1 0 OPH 80 100 ALD 0 10 CF 0 8 ADDR 1 2 BAUD 9600 9600 DL 2 2 RUN 1 1 LOC 808 808 EP1 NONE NONE EP2 DIH NONE EP3 HIAL DHAL 15
EP4 NONE HIAL
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EP5 NONE NONE EP6 NONE NONE EP7 NONE NONE EP8 NONE NONE 组态王运行策略的设备操作构件实现，具体操作如下： 在运行策略中新建一个用户策略； 在策略工具箱中选取设备操作构件；
在设备操作构件的属性页选取执行指定设备命令，在其后的输入框中输入设备命令。 即在脚本程序中执行如下函数实现SetDevice(DevName，DevOp，CmdStr)：按照设备名字对设备进行操作。
仪表联接图如下图9所示：
图9 系统联接图
5．4设备调试
设备调试在“设备调试”属性页中进行， 以检查和测试模块是否正常工作．在进行调试前，
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要先接好模块电源和串行通讯线，把模块地址、波特率和各种参数设置正确、Addr参数必须和模块地址一致，串口号、波特率、数据位位数、停止位位数、校验方式必须和父设备的设置一致， 打开主机即可调试。( 注意：对通讯状态通道调试时，通道值一列显示设备通讯状态，0表示通讯成功，1表示通讯失败。对模拟量输入通道调试时，通道值一列显示模拟量输入通道的实际测量值。对模拟量输出通道调试时，通道值一列输入要输出的值。)
5.5控制器的整定
整定系统的参数可以通过理论计算或工程整定实现。前者基于被控对象模型，通过计算方法直接求得调节器整定参数。但理论计算中忽略了某些因素，所得的对象数学模型是近似的，而且，实际调节器的动态特性和理想的调节器动作规律也有差别，所以，理论计算的整定参数并不是很可靠，在实际应用时还要根据设计情况进行调整。另外，理论计算整定法也很复杂。工程整定法通过并不复杂的实验，便能迅速获得调节器的近似最佳整定参数，因此系统采用工程整定法整定主、副PID的调节参数。
串级控制系统中两个控制器的参数都需要整定，一般先整定副环，在整定主环。从主回路看，它是一个定值控制系统，因而其控制品质要求和单回路控制系统一样，从副回路看，它是一个随动系统，对流量的控制要求并不高，只要能准确、快速地跟随主控制器的输出就可以了。系统中主副回路的动态联系比较密切，主、副控制器的参数相互影响比较大，所以需要在两个回路之间进行反复试凑，才能达到最佳的整定效果，接下来就用逐步整定法整定控制参数。
(1) 首先整定副回路，此时，断开主回路，将副回路按照单回路的整定方法进行整定，求取副控制器(进水流量)的整定参数，得到第一次整定值P=100、I=10。
(2) 整定主回路，把刚整定好的副回路看作是主回路的一个环节，对主回路仍按单回路控制系统的整定方法求取主回路的主控制器的参数P=30、I=20、D=5。
(3) 再次整定副回路，此时主、副回路都已闭合。在P=100、I=10的条件下，再次整定，直至达到满意的效果为止。此时的P=250、I=10。
(4) 新整定主回路。得到P=50、I=20、D=5。
由于有现场的实时曲线，就可以结合到实时曲线加以改进系统的P、I、D参数使其达到最佳效果。
5.6 系统运行结果及曲线分析
实验结果如下图10所示：
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图10 组态调试图
加扰动以后的曲线图如下图11所示：
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图11 组态调试图
历史曲线图如下：
图12 历史曲线图
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图13 历史曲线图
通过以上实时曲线不难看出，串级控制容易达到稳定通过比较串级控制比简单控制更易达到稳定，所以串级控制是比较好的控制系统。
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总 结
首先感谢汤皎平、金文兵、黄永忠老师和同学们在这次课程设计中给于我的指导与帮助。通过这次课程设计学会了如何去设计一个过程控制系统，掌握了基本的设计思路和步骤：认知被控对象；设计控制方案；选择控制规律；选择过程仪表；选择过程模块；设计系统流程图和组态图；设计组态画面；设计数据词典等，直到最后的动画连接成功。一开始做的时候感觉只要一步一步做应该不是很难。随着整个课程设计的深入，我发现在经验方面还是有点很大的缺乏，理论知识更是不足，有些东西与实际脱节。以前很少遇到，即使遇到了也是课本上的，还有不会考虑经济因素等。还有有些图在网上没有直接查到，是从书上找的，由于缺少实践选择的不一定是最经济的，但总体能实现预期目标。我觉得这次课程设计对我的帮助很大，它将我学过的相关理论知识系统地联系起来，从中暴露出自身的不足，以待改进。对以后毕业论文的设计也是一个基础。
通过这次的课程设计，使我深刻的认识到了个人理论知识的匮乏和动手能力很差，在今后的学习过程中我会加倍努力。由于本人水平很是有先限，因此这个控制系统还有很多不足之处有待改进。
再次感谢汤皎平、金文兵、黄永忠老师与同学们。
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参 考 文献
1) 过程控制系统，陈夕松 汪木兰，科学出版社，2005
2) 组态软件控制技术，覃贵礼 吴尚庆，北京理工大学出版社，2007 3) 控制系统数字仿真与监控组态软件应用，童启明，科学出版社，2006 4) 计算机过程控制系统，刘宝坤，机械工业出版社，2001 5) 组态控制技术，袁秀英，电子工业出版社，2003 6) 过程可视化组态软件应用技术，马正午，机械工业出版社，2006
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