双容液位控制系统的设计

双容液位控制系统的设计

摘 要

在化学工业生产中，液位控制是一项非常重要的环节。本论文所论述的双容液位控制系统是以过程综合自动化控制系统实验为平台，以仪表控制方法为主要工具，进行液位控制方法设计。智能控制仪表蕴含大量高科技技术，且具备许多优点，因此越来越广泛的被应用于工业控制领域。

论文也对组态软件MCGS的特点及基本使用方法进行了简单介绍，这样对串级控制实施监控，提供了条件。

在控制算法方面，系统选用PID控制器。然后根据系统具体的控制要求，主回路选择PI调节器，副回路选择P调节器；并选用适当整定法对调节器参数进行整定。

关键词：双容液位控制系统，智能仪表控制，MCGS组态软件，PID控制

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Dual-tank liquid level control system design

Abstract

Production in the chemical industry, liquid level control is a very important part. Discussed in this paper two-tank liquid level control system is based on the process of experiments Integrated Automation Control System as a platform to instrument control as the main instrument designed for liquid level control. Intelligent Control Instrument contains a large number of high technology, and have many advantages, so more and more widely applied in industrial control.

Papers also features MCGS configuration software and the basic use a brief introduction, this implementation of the cascade control monitoring, provided the conditions.

In the control algorithm, the system adopts PID controller. And specific control requirements according to the system, the main loop select PI regulator, the Deputy loop select P regulator; and an appropriate tuning the parameters of the regulator tuning.

Key words: dual-tank liquid level control system, intelligent instrument control, MCGS configuration software, PID control

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目 录

双容液位控制系统的设计 ................................................... i 摘 要 .................................................................... i Abstract ................................................................ ii 1 绪 论 ................................................................. 1

1.1 课题来源，背景及意义 .............................................. 1 1.2 课题研究的内容安排 ................................................ 2 2 THJ-2型高级过程控制系统 ............................................... 3

2.1 系统简介和组成 .................................................... 3 2.2 系统控制仪表的组成 ................................................ 3

2.2.1检测装置 ...................................................... 3 2.2.2执行机构 ...................................................... 4 2.2.3控制器 ........................................................ 4 2.3 智能仪表的发展前景、应用领域和优点 ................................ 4 2.4 系统软件 .......................................................... 5 2.5 系统特点 .......................................................... 5 2.6 本章小结 .......................................................... 6 3 MCGS组态软件 ........................................................ 7

3.1 什么是MCGS组态软件 .............................................. 7 3.2 MCGS组态软件的系统构成 ........................................... 7 3.3 MCGS组态软件的特点 ............................................... 7 3.4 建立MCGS工程 .................................................... 8

3.4.1设计画面流程 .................................................. 9 3.4.2整体画面 ..................................................... 13

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3.5 本章小结 ......................................................... 15 4 液位串级控制系统分析与建模 .......................................... 156

4.1 串级控制系统的分析 ............................................... 16

4.1.1串级控制系统及组成结构 ....................................... 16 4.1.2串级控制系统的特点和适用场合 ................................. 16 4.1.3串级控制系统的设计 ........................................... 16 4.1.4双容水箱液位串级控制系统的组成 ............................... 17 4.2 系统建模 ......................................................... 18 4.3 系统特性测试 ..................................................... 19 4.4 模型最终确定 ..................................................... 21 4.5 本章小结 ......................................................... 22 5 系统的PID参数整定 ................................................... 23

5.1 PID概述 .......................................................... 23 5.2 控制器参数整定方法 ............................................... 23 5.3 PID参数的确定 .................................................... 27 5.4 系统特性测试． ................................................... 28 5.5 本章小结 ......................................................... 30 6 结 论 ................................................................ 31 参考文献 ................................................................ 32 致 谢 ................................................................... 33

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1 绪 论

1.1 课题来源，背景及意义

过程控制涉及炼油、化工、发电、冶金、造纸、医药和轻工业等工业部门，对国民经济的发展起着十分重要的作用。过程控制涉及的对象一般具有过程复杂、系统大和安全性要求高等特点，对自动化要求比较高，自动化程度发展也比较快。

过程控制的发展经历了从常规仪表（包括气（液）动和电动仪表）到集散计算机控制系统（DCS）的发展过程，进入20世纪90年代，企业的自动化向着以计算机网络为基础的计算机集成系统的方向发展。从系统的功能角度看，连续过程工业自动化由过去的以保证平稳生产为目标的简单控制装置发展到考虑过程非线性、时变性和耦合性等因素的先进控制系统。随着科学技术的发展和市场竞争的日趋激烈，企业把注意力集中到如何形成一个能适应生产环境不确定性和市场供求多变性的、具有高柔性、全局最优、高经济效益和高管理水平的，集生产与经营管理于一体的综合自动化系统，也就是连续生产过程的计算机继承制造系统CIMS（computer integrated manufacturing system）,亦称计算机综合处理系统CIPS（computer integrated manufacturing processing system）。连续过程工业的CIMS完全摆脱了传统的“孤岛”式的自动化模式，它以计算机的硬、软件系统的集成为基础，实现企业外生产信息和管理信息的集成，控制功能、计划调度和管理决策能力的集成，使企业成为一个整体，有机、协调地运行，从而创造最好的经济效益和社会效益。

在现代的大型企业中，尽管过程控制采用了先进的DCS系统，但绝大部分的控制回路仍采用比例积分和微分。据有关资料介绍，在连续工业过程控制中， 5%-15%的控制回路是常规PID控制所不能奏效或者效果不好的，而必须采用高等过程控制策略。高等过程控制APC（advanced process control）,亦称先进过程控制，目前尚无严格而统一的定义。习惯上，将基于数学模型而又必须用计算机来实现的控制算法，统称为高等过程控制策略。如补偿控制（包括smith补偿控制、前馈控制等）、模糊控制、预测控制、自适应控制、多变量控制、非线性控制、分布参数控制等。广义的讲，质量预估、过程优化和动态系统故障诊断也可列入高等过程控制的范畴。

这些先进控制方法的实现，无不依赖于计算机的参与。换言之，先进的控制算法（软

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件）和执行、检测部件（硬件）是对复杂过程对象进行有效控制的前提与保障。而本设计的基本出发点便在于构建一个基本的计算机控制软硬件平台，并在其基础上对一些控制算法进行分析和比较。

现代工业生产过程往往是流程复杂、规模庞大，同时又往往具有高温、高压、易燃、易爆、有毒等特点。为了保证生产安全、稳定、可靠的进行，对过程参数的检测和自动控制提出了更严、更高的要求。

实现工业生产过程自动化，不仅能够把生产过程控制在最佳的运行状态，减少原材料和动力的消耗，降低成本，实现优质、高产、低消耗的目标，而且能够保证安全生产，防止事故发生，延长设备的使用寿命，提高设备利用率，减轻劳动强度，改善劳动条件，保护环境卫生，维护生态平衡等等。

本论文所研究的液位综合试验系统，是化学工业过程控制的重要部分-液位控制的典型试验环境，通过对该综合试验系统的分析和研究，能够掌握现实化学工业系统中过程控制的实际特性。

1.2 课题研究的内容安排

论文内容主要包括以下几个方面： (1) 过程控制系统的介绍

对THJ-2高级过程控制系统的介绍进行了简单介绍。而对具有许多优点的控制仪表进行了较详细的介绍。这一部分分布在第2章。 (2) MCGS组态软件的介绍

MCGS系统给用户提供了一个通用的系统组态和运行控制平台，对过程控制实施控制、监控极为方便。本文在第3章对该组态软件及组态软件开发进行了介绍。 (3)系统的分析和建模

过程控制试验平台的液位控制系统是一个典型的液位控制环境，本课题将对就两级水箱液位串级控制系统进行设计。本文第4章对该系统进行了分析，并且建立了数学模型。

(4)系统的参数整定

通过调整这些参数使控制器特性与被控制过程特性配合好，获得较好的系统静态特性和动态特性。本文第5章对该系统的参数整定进行了介绍。

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2 THJ-2型高级过程控制系统

2.1 系统简介和组成

“THJ-2型高级过程控制系统实验装置”是基于工业过程的物理模拟对象，它集自动化仪表技术，计算机技术，通讯技术，自动控制技术为一体的多功能实验装置，该装置是本企业根据自动化及其它相关专业教学的特点，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，推出了一套全新的实验装置，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，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DDC，DCS，PLC，FCS 等多种控制系统。该实验装置既可作为本科，专科，高职过程控制课程的实验装置，也可为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物理模拟对象和实验手段。

本实验装置由被控对象和控制仪表两部分组成。被控对象有水箱、锅炉、盘管、管道等组成。控制仪表由检测装置、执行机构和控制器等组成。系统还有重要的一部分即软件部分----MCGS组态软件。装置中的控制仪表是比较重要组成部分，下面就让我们重点了解一下。

2.2系统控制仪表的组成

2.2.1 检测装置

(1) 压力传感器、变送器：采用工业用的扩散硅压力变送器，含不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。

(2) 温度传感器：本装置采用六个Pt100传感器，分别用来检测上水箱出口、锅炉内胆、锅炉夹套以及盘管的水温。

(3) 流量传感器、转换器：流量传感器分别用来对电动调节阀支路、变频支路及盘管出口支路的流量进行测量。

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2.2.1 执行机构

(1) 电动调节阀：采用智能型电动调节阀，用来进行控制回路流量的调节。 (2) 变频器：本装置采用日本三菱(FR-S520S-0.4K-CH(R))变频器.

(3) 水泵：本装置采用磁力驱动泵，型号为16CQ-8P。本装置采用两只磁力驱动泵。一只为三相380V恒压驱动，另一只为三相变频220V输出驱动。 (4) 可移相SCR调压装置：采用可控硅移相触发装置。

(5) 电磁阀：在本装置中作为电动调节阀的旁路，起到阶跃干扰的作用。

2.2.3 控制器

(1) 调节仪表：本系统实验装置采用上海万迅仪表有限公司的AI系列仪表，本装置有4台调节器。其中三台型号是AI-818，另一台型号是AI-708。其主要特点有：

1AI系列仪表操作方便、通俗易学，且不同功能档次相互兼容。 ○

2具有国际上同类仪表的几乎所有功能，通用性强、技术成熟可靠。 ○

3通用的85～246VAC范围开关电源或者24VDC电源供电，并具备多种外形尺寸。 ○ 4输入采用数字校正系统，内置常用热电偶和热电阻非线性校正表格，测量精确稳 ○

定。

5采用先进的AI人工智能调节算法，无超调，具备自整定（AT）功能。 ○

6采用先进的模块化结构，提供丰富的输出规格，能满足各种应用场合的需要。 ○

7通过ISO9002质量认证，品质可靠，具备符合要求的抗干扰性能。 ○

(2) 比值器、前馈-反馈装置:此控制器与调节器一起使用既可以实现流量的单闭环比值、双闭环比值控制系统实验，又可以实现液位与流量、温度与流量的前馈-反馈控制系统实验。

(3) 解耦控制装置:此控制器与调节器一起使用可以实现锅炉内胆与锅炉夹套的温度、上水箱液位与出口温度的解耦控制系统实验。

2.3 智能仪表的发展前景、应用领域和优点

由于高新技术的不断发展，仪器仪表的微型化和数字化已得到了实现。而作为工业控制和自动化领域的各种新技术、新方法、新产品的发展趋势和显著标志——智能化是自动化技术当前和今后的发展动向之一。就智能化仪器仪表来说，它应具有以下特征：

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能自动完成某些测量任务或在程序指导下完成预定动作；具有进行各种复杂计算机和修正误差的数据处理能力；具有自校准、自检测、自诊断功能；便于通过标准总线组成一个多种仪表的复杂系统，实现复杂的控制功能，并能灵活地改变和扩展功能。与此同时，仪器仪表的柔性化的设计思想就显得特别突出“柔性化”即在现有电脑化仪表的基础上，采用硬件软化、软件集成、虚拟显示和软测量等人工智能的方法和技术，它主要体现在仪表的自组织、自维修、自适应等方面。仪器仪表产品应用领域，特别是非传统应用领域的进一步拓展，为仪器仪表工业的持续发展注入了新的活力。集自动控制技术、计算机技术、通信技术为一体的数字式控制智能控制一般具有极其丰富的运算功能，且使用灵活方便、图形或数字显示形象直观、运行安全可靠等优点，智能控制仪表越来越广泛的被应用于工业控制领域。

2.4 系统软件

THJ-2型高级过程控制系统的软件即为MCGS组态软件。

MCGS5.1为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台，能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出以及企业监控网络等功能。

使用MCGS5.1，用户无须具备计算机编程的知识，就可以在短时间内轻而易举地完成一个运行稳定，功能成熟，维护量小且具备专业水准的计算机监控系统的开发工作。

2.5 系统特点

(1) 被控参数全面，涵盖了连续性工业生产过程中的液位、压力、流量及温度等典型参数。

(2) 本装置由控制对象、智能仪表综合控制台、计算机三部分组成，系统结构布局合理，造型美观大方。

(3) 真实性、直观性、综合性强，控制对象组件全部来源于工业现场。

(4) 具有广泛的扩展性和后续开发功能，所有I/O信号全部采用国际标准IEC信号，可通过信号接口电缆与任何后续智能化控制平台连接。

(5) 执行器中既有电动调节阀仪表类执行机构，又有变频器、可控硅移相调压装置、接触器位式控制装置等。

(6) 调节系统除了有调节器的设定值阶跃扰动外，还可以通过对象中电磁阀和手动

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操作阀制造各种扰动。

(7) 一个被调参数可在不同动力源、不同执行器、不同的工艺管路下演变成多种调节回路，以利于讨论、比较各种调节方案的优劣。

(8) 系统设计时使2个信号在本对象中存在着相互耦合，二者同时需要对原独立调节系统的被调参数进行整定，或进行解耦实验，以符合工业实际的性能要求。 (9) 能进行单变量到多变量控制系统及复杂过程控制系统实验。 (10)各种控制算法和调节规律在开放的实验软件平台上都可以实现。

(11)实验数据及图表在MCGS软件系统中很容易存储及调用，以实验者进行实验后的比较和分析。

(12)采用强弱电插座及相应的导线，提高实验的安全性和可靠性。

2.6 本章小结

本文简单介绍了THJ-2型高级过程控制系统，详细介绍了控制仪表的组成结构特征，这对于接下来的设计研究工作提供了帮助，也给我们实际操作带来了方便。

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3 MCGS组态软件

3.1 什么是MCGS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 Windows 95/98/Me/NT/2000等操作系统。

3.2 MCGS组态软件的系统构成

MCGS 5.1软件系统包括组态环境和运行环境两个部分。组态环境相当于一套完整的工具软件，帮助用户设计和构造自己的应用系统。运行环境则按照组态环境中构造的组态工程，以用户指定的方式运行，并进行各种处理，完成用户组态设计的目标和功能。如图3-1所示：

图3-1 MCGS组态软件的整体结构图

组态环境： 组态生成 应用系统 组态结果 数据库 运行环境： 解释执行 组态结果 两部分互相独立，又紧密相关。

3.3 MCGS组态软件的特点

与同类产品相比，MCGS5.1组态软件具有如下特点：全中文、可视化、面向窗口的组态开发界面，符合中国人的使用习惯和要求，真正的32位程序，支持多任务、多线程，可运行于Microsoft Windows 95/98/NT/2000等操作系统。 庞大的标准图形库、完备的绘图工具集以及丰富的多媒体支持，让您能够快速地开发出集图像、声音、动画等于一体的漂亮、生动的工程画面。全新的ActiveX动画构件，包括存盘数据处理、

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条件曲线、计划曲线、相对曲线、多行文本、通用棒图等，使您能够更方便、更灵活地处理、显示生产数据。支持目前绝大多数硬件设备，同时可以方便地定制各种设备驱动；此外，独特的组态环境调试功能与灵活的设备操作命令相结合，使硬件设备与软件系统间的配合天衣无缝。简单易学的Basic脚本语言与丰富的MCGS策略构件，使您能够轻而易举地开发出复杂的过程控制系统。强大的数据处理功能，能够对工业现场产生的数据以各种方式进行统计处理，使您能够在第一时间获得有关现场情况的第一手数据。方便的报警设置、丰富的报警类型、报警存贮与应答、实时打印报警报表以及灵活的报警处理函数，使您能够方便、及时、准确地捕捉到任何报警信息。完善的安全机制，允许用户自由设定菜单、按钮及退出系统的操作权限。 此外，MCGS5.1还提供了工程密码、锁定软件狗、工程运行期限等功能，以保护组态开发者的成果。 强大的网络功能，支持TCP/IP、Moden、485/232，以及各种无线网络和无线电台等多种网络体系结构。良好的可扩充性，可通过OPC、DDE、ODBC、ActiveX等机制，方便地扩展MCGS5.1组态软件的功能，并与其他组态软件、MIS系统或自行开发的软件进行连接。

3.4 建立MCGS工程

如果您已在您的计算机上安装了“MCGS组态软件”，在Windows桌面上，会有“Mcgs组态环境”与“Mcgs运行环境” 图标。鼠标双击“Mcgs组态环境”图标，进入MCGS组态环境。如图3-2所示：

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图3-2 MCGS新建工程窗口图

在菜单“文件”中选择“新建工程”菜单项，如果MCGS安装在D：根目录下，则会在D：\\MCGS\\WORK\\下自动生成新建工程，默认的工程名为新建工程X.MCG(X表示新建工程的顺序号，如：0、1、2等)。如图3-3所示：

图3-3 系统新建工程操作图

您可以在菜单“文件”中选择“工程另存为”选项，把新建工程存为：D：\\MCGS\\WORK\\水位控制系统。如图3-4所示：

图3-4 新建工程存储界面图

3.4.1 设计画面流程

3.4.1.1 建立新画面

在MCGS组态平台上，单击“用户窗口”，在“用户窗口”中单击“新建窗口”按钮，则产生新“窗口0”，如图3-5所示：

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图3-5 用户界面建立窗口图

选中“窗口0”，单击“窗口属性”，进入“用户窗口属性设置”，将“窗口名称”改为：水位控制；将“窗口标题”改为：水位控制；在“窗口位置”中选中“最大化显示”，其它不变，单击“确认”。如图3-6所示：

图3-6 用户窗口属性设置图

选中刚创建的“水位控制”用户窗口，单击“动画组态”，进入动画制作窗口。如图3-7所示：

图3-7 动画制作窗口图

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3.4.1.2 工具箱

单击工具条中的“工具箱”按钮，则打开动画工具箱，图标于在编辑图形时选取用户窗口中指定的图形对象；图标具箱，常用图符工具箱包括27种常用的图符对象。

对应于选择器，用

用于打开和关闭常用图符工

图形对象放置在用户窗口中，是构成用户应用系统图形界面的最小单元，MCGS中的图形对象包括图元对象、图符对象和动画构件三种类型，不同类型的图形对象有不同的属性，所能完成的功能也各不相同。系统图形对象如图3-8所示：

图3-8 系统图形对象图

(1) 制作文字框图

1建立文字框：打开工具箱，选择“工具箱”内的“标签”按钮○

，鼠标的光标

变为“十字”形，在窗口任何位置拖拽鼠标，拉出一个一定大小的矩形。

2输入文字：建立矩形框后，光标在其内闪烁，可直接输入“水位控制系统演示工○

程”文字，按回车键或在窗口任意位置用鼠标点击一下，文字输入过程结束。如果用户想改变矩形内的文字，先选中文字标签，按回车键或空格键，光标显示在文字起始位置，即可进行文字的修改。

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(2) 设置框图颜色

1设定文字框颜色：选中文字框，按工具条上的○

（填充色）按钮，设定文字框的

背景颜色（设为无填充色）；按（线色）按钮改变文字框的边线颜色（设为没有边线）。

设定的结果是，不显示框图，只显示文字。

2设定文字的颜色：按○

（字符字体）按钮改变文字字体和大小。按 （字符颜

色）按钮，改变文字颜色（为蓝色）。如图3-9所示：

图3-9 用户字体、颜色设置窗口图

3.4.1.3 对象元件库管理

单击“工具”菜单，选中“对象元件库管理”或单击工具条中的“工具箱”按钮，则打开动画工具箱,工具箱中的图标

用于从对象元件库中读取存盘的图形对象；图标

用于把当前用户窗口中选中的图形对象存入对象元件库中。如图3-10所示：

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图3-10 用户图形对象元件库图

从“对象元件库管理”中的“储藏罐”中选取中意的罐，按“确认”，则所选中的罐在桌面的左上角，可以改变其大小及位置，如罐14、罐20。

从“对象元件库管理”中的“阀”和“泵”中分别选取2个阀（阀6、阀33）、1个泵（泵12）。

流动的水是由MCGS动画工具箱中的“流动块”构件制作成的。 选中工具箱内的“流动块”动画构件（

）。移动鼠标至窗口的预定位置，（鼠标的

光标变为十字形状），点击一下鼠标左键，移动鼠标，在鼠标光标后形成一道虚线，拖动一定距离后，点击鼠标左键，生成一段流动块。再拖动鼠标（可沿原来方向，也可垂直原来方向），生成下一段流动块。当用户想结束绘制时，双击鼠标左键即可。当用户想修改流动块时，先选中流动块（流动块周围出现选中标志：白色小方块），鼠标指针指向小方块，按住左键不放，拖动鼠标，就可调整流动块的形状。

用工具箱中的统演示工程”。

图标，分别对阀，罐进行文字注释，方法见上面做“水位控制系

3.4.2 整体画面

根据以上的制作方法最后制作的画面如图3-11所示：

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图3-11（a） 液位控制系统实物流程图

图3-11（b）液位控制系统控制界面图

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3.5 本章小结

本章介绍了MCGS组态软件的含义，系统构成，功能特点等基本知识，并学习了一下使用该软件建立本课题所要使用的监控界面。

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4 液位串级控制系统分析与建模

4.1 串级控制系统的分析

4.1.1 串级控制系统及组成结构

该系统有主、副两个控制回路，主、副调节器相串联工作，其中主调节器有自己独立的设定值，它的输出作为副调节器的给定值，副调节器的输出控制执行器，以改变主参数。

串级控制系统的组成结构如图4-1所示：

二次干给定值 主调节器 副调节器 电动阀 扰 一次干扰 中水箱 下水箱 （液位）

+ — + —液位变送器1 h2 液位变送器2

图4-1 串级控制系统方框图

4.1.2 串级控制系统的特点和适用场合

系统特点是改善了过程的动态特性、对二次干扰有很强的克服能力、提高了系统的鲁棒性、具有一定的自适应能力。适用于容量滞后较大的过程、纯滞后过程、扰动变化激烈而且幅度大的过程、非线性过程。

4.1.3 串级控制系统的设计

(1)主、副回路的设计

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1副回路应包含尽可能多的扰动。 ○

2应使主、副过程的时间常数适当匹配。 ○

(2)主、副调节器控制规律扥选择

主参数是主要指标，允许波动的范围比较小，一般要求无余差，因此，主调节器应选PI或PID控制规律。副参数是为了保证主参数的控制质量，可以在一定范围内变化，允许有余差，因此副调节器只要选P控制规律就可以了，一般不引入积分控制规律，也不引入微分控制规律。

(3)主、副调节器正、反作用方式

要使一个过程系统能正常工作，系统必须为负反馈。对于串级控制系统来说，主、副调节器中正、反作用方式的选择原则是使整个控制系统构成负反馈系统。即其主通道各环节放大系数极性乘积必须为正值。

4.1.4 双容水箱液位串级控制系统的组成

它是由有主控和副控两个回路组成。主控回路中的调节器称为主调节器，控制对象为下水箱，下水箱的液位为系统的主控制量。副控回路中的调节器称为副调节器，控制对象为中水箱，又称副对象，中水箱的液位为系统的副控制量。水箱液位串级控制系统图和方框图如图4-2所示。

电动调节阀控制流量 Q1 H1，C1 R1 Q2 Q4 H2，C2 R2

Q3

图4-2 双溶液位系统示意图

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Q1 + H1 Q2 + H2 1/S*C1 1/R1 1/S*C2 — Q2 Q3

__ 1/R2

图4-2 双溶液位系统框图

4.2 系统建模

图4-2为两只水箱串联工作的双容过程。假设为被控制量为下水箱的液位H2，输入量为Q1。根据物料平衡关系可以列出如下方程：

q1-q2=c1dh1 （4-1） dt q2h1 （4-2） R1 q2q3=c2q3=

dh2 dth2 （4-3） R2根据上述方程的拉氏变换可求得双容系统的数学模型为：

W0sK0H2s （4-4）

Q1sT1s1T2s1式中，T1——第一个水箱的时间常数，T1R1C1；

T2——第二个水箱的时间常数，T2R2C2；

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K0——过程的放大系数，K0R2；

C1、C2——分别为两只水箱的容量系数。

在工业生产过程中，过程的纯滞后问题是经常碰到的。例如皮带运输机的物料传输过程。管道输送、管道的混合过程等等。 具有纯滞后的多容过程，其传函为： Tdh0dthK0q1t0 WH(s)K00(s)Q)(Te0s 1(s0s1)n其中 T0——过程的时间常数，T0=R2C； K0——过程的放大系数，K0=R2；

0——过程的纯滞后时间。

对于纯滞后的双容系统，其传递函数为

W0sHssK0Te0sQ

11s1T2s14.3 系统特性测试

(1)下水箱加阶跃响应后的稳定曲线如图4-2所示：

图4-2 下水箱加阶跃后稳定曲线图

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4-5）

4-6） 4-7） （（（

根据曲线的变化,利用两点法就可以求出下水箱的系统模型。以下数据记录是按照坐标平移和归一化方法转换后记录的。 下水箱加阶跃后的数据如下表4-1所示：

加阶跃前稳定值=2.4cm 加阶跃后稳定值=3.7 开度=75%

表4-1 下水箱加阶跃响应后数据

时间值5 10 15 25 30 40 55 60 75 85 （s） 液位值 2.70 2.80 3.00 3.10 3.20 3.30 3.40 3.50 3.60 3.70 （cm） 本次试验两次稳态值分别为：2.7cm,3.7cm.

(3.7-2.7)*0.39+2.7=3.090 (4-8) (3.7-2.7)*0.63+2.7=3.330 (4-9) 则此表中3.090 对应t1；3.330对应t2

T0=2（t2-t1）=2（40-25）=30 （4-10）

=2t1-t2=2*25-40=10 （4-11）

/T0=10/30=0.33 （4-12）

K=输出稳态值/阶跃输入量=（1-2.7/3.7）/15%=1.8 ( 4-6)

(2)中水箱加阶跃响应后的曲线图和数据表分别如下图4-3和表4-2所示：

图4-3 中水箱加阶跃响应后的稳定曲线图

加阶跃前稳定值=1.8cm 加阶跃后稳定值=2.4 开度=75%

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表4-2 中水箱加阶跃响应后数据

时间值 15 20 50 80 82.5 85 90 （s） 液位值 1.8 1.9 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 （cm） 本次试验两次稳态值分别为：1.8cm,2.4cm

(2.4-1.8)*0.39+1.8= 2.034 (4-13) (2.4-1.8)*0.63+1.8=2.178 (4-14) 则此表中2.034 对应t1；2.178对应t2。

T0=2（t2-t1）=2（82.5-50）=65 （4-15）

τ=2t1-t2=2*50-82.5=17.5 （4-16）

τ/T0=17.5/65=0.27 （4-17）

K=输出稳态值/阶跃输入量=2.4/（2.6*0.15）=1.6 (4-18) 通过测试我们发现，被测对象是由两个不同容积的水箱串联组成，根据特性测试的结果模型能够最终确定系统。该双容系统的数学模型是由两个一阶滞后环节的乘积形成，所以该系统的传递函数是一个双容滞后环节。

4.4 模型最终确定

经过液位控制系统的分析与建模，最终得到该系统的各阶模型如下： (1)下水箱模型：

Gs(2)中水箱模型：

Gs(3)双容液位串级系统模型 GsKK11s1.810see T1s130s1K22s1.617.5see T2s165s1T1s1T2s1e12s2.9e27.5s

30s165s1对于K值暂取接近于工作点的平均值。可见，双容系统具有大惯性，大滞后的特

21

点。

4.5 本章小结

本章首先对液位过程控制试验进行了分析，建立了该系统的模型，通过试验对系统模型的参数进行了测试，确定了该系统的模型。。

22

5 系统的PID参数整定

5.1 PID概述

控制系统设计的原则为：稳、准、快，也即是整定Kp、Kd、Ki三个参数。 (1) 比例环节Kp

Kp的增大可以减小系统的稳态误差，从而提高系统的控制精度。但Kp过大也会使系统的相对稳定性降低，因此要求调好稳定性与稳态误差之间的关系；另外，比例调节是有余差的。 (2) 微分环节Kd

比例调节和积分调节是根据当时偏差的大小和方向进行调节的，而加入微分调节，调节器能根据被调量的变化速率来移动调节阀，而不是等到被调量已经出现较大偏差后才开始动作，微分调节具有预见性。 (3) 积分环节Ki

提高系统的无差度，从而使系统的稳定性得到提高.对于同一个被控对象,采用积分调节时,其调节过程的进行总比比例调节时缓慢,表现在振荡频率较低.同时必须用比例积分一起控制才能达到既使系统稳定又提高无差度的目的。

根据该试验系统的实际情况和要求，对该系统主、副控制回路的控制器选择如下：为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制，系统的主调节器应为PI控制。由于副回路的输出要求能快速的、准确的复现主调节器输出信号的变化规律，对副参数的动态性能和余差无特殊的要求，因而副调节器可采用P调节器。

5.2 控制器参数整定方法

控制器参数常用的整定方法有两步法、一步整定法、动态特性参数法、逐步逼近法、临界比例度法、衰减曲线法、凑试法和极限环自整定法。在工程实践中，串级控制系统常用前四种方法整定，那就简单介绍一下前四种方法：

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(1) 两步法。步骤如下：

1将主回路闭合，主、副控制器的积分时间置最大值，微分时间置零，系统纯比例○

运行。

2将主控制器比例度置于100%，按某种衰减比（如4︰1）整定副回路（整定时副○

控制器比例度应由大往小逐渐改变），求取在该衰减比下副控制器的比例度δ2s数值和操作周期T2s。

3将副控制器比例度置于δ2s值，用同样方法和同样衰减比整定主回路，求取在该○

衰减比下主控制器的比例度δ1s数值和操作周期T1s。

4由δ1s、T1s及δ2s、T2s数据，结合控制器的选型，按整定时所选择的衰减比，选○

择适当的经验公式，求取主、副控制器的参数。

当整定时选用的衰减比为4︰1时，主、副控制器参数可按表5-1中的数据计算。

表5-1 两步整定法的控制器参数经验数据

调节参数 调节规律 比例度δ/% P PI PID δ s 1.2δs 0.8δs 积分时间TI 微分时间TD （min） 0.1Ts 0.5Ts 0.3Ts

5按“先副后主”与“先比例次积分后微分”的秩序，设置主、副调节器的参数。○ 6观察控制过程，必要时进行适当的调整。 ○

(2) 一步整定法，步骤如下：

1根据副变量的类型，按表5-2的经验数据选择好副控制器的比例度。 ○

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表5-2 一步整定法的控制器参数经验数据

副变量类型 温度 压力 流量 液位 副控制器放大系数KC2 5～1.7 3～1.4 2.5～1.25 5～1.25 副控制器比例度δ（%） 20～60 30～70 40～80 20～80

2将副控制器参数置于经验值，○然后按单回路控制系统中任一整定方法整定主控制

器参数。

3观察控制过程，根据主、副控制器放大系数匹配的原理，适当调整主、副控制器○

的参数，使主变量控制质量最好。

4若出现振荡，可加大主（或副）控制器的δ，即可消除。如出现剧烈振荡，可先○

转入遥控，待产生稳定之后，重新投运和整定。 (3) 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相应特性进行近似的计算方法。

1当广义过程无自平衡能力时，可用表5-3的整定计算公式（ψ=0.75） ○

表5-3 经验计算公式

调节器参数 调节器名称 P δ（%） TI TD （Kτ/T）*100% PI （1.1 Kτ/T）*100% 3.3τ PID （0.85 Kτ/T）*100% 2τ 0.5τ 2当广义过程有自平衡能力时，○可用表5-4所示的公式计算整定，（Ψ=0.75，ρ为自平衡

率）（由前面广义特性曲线测试得到/T=0.33和τ/T=0.27都是在0.2〈τ/T〈〈1.5范围之

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内〉。

表5-4 自衡过程的整定计算公式

调节规律 Wc（s） 0.2〈τ/T〈〈1.5 δ TI TDρ P 1/δ 2.6*1/ρ*（τ/T-0.08）/（τ/T+0.7） PI 1/δ（1+1/ TIs） 2.6*1/ρ*（τ/T-0.08）/（τ/T+0.6） 0.8 0.25T PID 1/δ（1+1/ TIs+ 2.6*1/ρ*（τ/T-0.15）/（τ/T+0.8） 0.81T+0.19TD） τ (4)逐步逼近法

所谓逐步逼近法，就是在主回路断开的情况下，按照单回路的整定方法求取副调节器的整定参数，然后将副调节器的参数设置在所求的数值上，使主回路闭合，按照单回路整定方法求取主调节器的整定参数。而后，将主调节器参数设在所求得的数值上，在进行整定，求取第二次副调节器的整定参数值，然后再整定主调节器。以此类推，逐步逼近，直至满足质量指标要求为止。

该系统的整定将可以采用两步法进行整定。这里有一PID参数整定口诀，可供大家参阅：

参数整定找最佳，从小到大顺序查；

先是比例后积分，最后再把微分加； 曲线振荡很频繁，比例度盘要放大； 曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳； 曲线偏离回复慢，积分时间往下降； 曲线波动周期长，积分时间再加长； 曲线振荡频率快，先把微分降下来； 动差大来波动慢，微分时间应加长；

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理想曲线两个波，前高后低4比1； 一看二调多分析，调节质量不会低。

5.3 PID参数的确定

由上章可知对于本系统主调节器采用PI调节器控制，副调节器采用P调节器控制。根据这样的选择，现在对其参数进行计算整定。 (1)自衡过程公式计算。 下水箱：

δ=2.6*1/ρ*（τ/T-0.08）/（τ/T+0.6）=2.6*0.25/0.96=0.67 （5-1） TI=0.8T=0.8*30=24 （5-2） 中水箱：

δ=2.6*1/ρ*（τ/T-0.08）/（τ/T+0.7）=2.6*0.19/0.34=1.5 （5-3） 根据以上计算得出的系统参数为：

主调节器参数：Kp=1/δ=1/0.67=1.5，Kp取2。 Ki=24

Kd=0

副调节器参数：Kp=1/δ=1/1.5=0.67，Kp取1。

Ki=0 Kd=0

将所测得的PID参数设置入智能仪表让系统运行。测得系统运行的曲线如图5-1所示： 系统的超调量为25%，稳定时间为102秒。

注：上面曲线代表下水箱液位测量值，下面曲线代表中水箱液位测量值 。

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图5-1 整定参数控制效果图

观察控制效果图可以知道比例系数过小，积分系数过大，导致超调较大，系统非常不稳定。 再重新调整。

Kp=25，Ki=15，Kd=0，控制效果图如图5-3所示： 系统超调量为0.5%，稳定时间为86秒。

图5-2（a）下水箱整定参数效果图

5-3（b） 中水箱整定参数效果图 系统的超调较小，也非常稳定，控制效果令人满意。

系统运行基本算是很稳定了，那么该对系统的随动特性特性和抗扰动特性进行测试了。

5.4 系统特性测试．

(1) 系统随动特性测试

改变主控制调节器的液位设定值，从8cm增大到12cm。该系统运行曲线如下图5-4所示：

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图5-4（a）下水箱跟随特性曲线

图5-4（b）中水箱跟随特性曲线

从上图可以看出，当主控制调节器的设定值增加以后，系统并不是立刻就跟着有所变化，而是停留了一段时间以后才跟着系统主控制调节器的设定值增加而波动，这是因为系统有滞后环节，它要保持一段时间才会发生变化。 (2) 系统抗扰动能力测试

当系统运行在稳态时，给下水箱突然加入一些水，加入水的量为当时液位值的10%左右。系统的运行曲线如下图5-5所示：

图5-5（a）下水箱抗扰动能力曲线图

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图5-5（b）中水箱抗扰动能力曲线图

从图中可以猜到，当给系统加了外界干扰以后，同能在很短的时间内恢复稳定，说明系统的性能是非常好的。

5.5 本章小结

传统的PID控制可以满足大多数过程控制系统的要求，但实际上有许多系统具有大惯性，大滞后，非线性，甚至模型无法辩识。本章对该液位控制系统的PID参数进行了整定，并且对其跟随特性和抗扰动能力都进行了测试，发现该系统的性能还是不错的。

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6 结 论

本文是以双容液位控制系统为研究对象。分析串级控制系统并建立了该系统的模型、设置了参数，且对其性能进行了测试。结论主要有以下几个方面： (1) 控制方法

本设计就是选用控制仪表实现对该系统的控制功能，并且应用MCGS组态软件对系统运行过程进行监测。 (2) 液位控制系统的双容模型

该液位综合控制系统中包含两个水箱，论文分别对两个水箱单独工作时建立了单容模型。并且，对两个水箱的串级系统也进行了建模。通过分析可以知道该系统为惯性滞后系统。

(3) PID控制器的选择

本课题设计研究为双容水箱液位的串级控制系统，它是有主、副控两个回路组成。为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制，系统的主调节器选择PI控制。由于副控制回路的输出要求能快速、准确的复现主调节器输出信号的变化规律，对副参数的动态性能和余差无特殊的要求，因而副调节器采用P调节器。 (4) 参数整定

为了更好的了解该系统的性能，本文对该系统的特性都进行了测试，并且进行了多次反复的试验比较，测量出了让系统在随动和抗扰动情况下都能很好运行的系统的参数。

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参考文献

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