水位串级控制系统的设计与组态.docx

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 The purpose of this thesis is to design the liquid levels concatenation control system of the double capacity water tank. This design makes full use of the automatic indicator technique the computer techniquethe communication technique and the automatic control technique in order to realize concatenation control of water tanks liquid. First, I carry out the analysis of the controlled objects model, and use the experimental method to calculate the transfer function of the model .Next, I Design the concatenation control system and use the dynamic simulation technique to analyze the capability of control system. Afterwards, I design and set up the indicator process control system, realize PID control of the liquid level with intelligence indicator. Finally, I design and set up the long distance computer control system in virtue of the data collection module Advantrol-Pro soft and digital PID controller，accomplish control system experiment and analyze the outcome. 目 录 1 绪 论11.1 研究背景11.2 国内外研究现状21.2.1 国外研究现状21.2.2 国内研究现状31.3 液位串级控制系统介绍41.4 AdvanTrol-Pro软件包简介41.4.1 软件功能特点41.4.2 过程信息服务功能51.4.3系统软件构成介绍61.4.4 系统组态软件（SCKey）82 系统控制方案设计92.1 串级控制系统92.1.1 串级系统的组成结构92.1.2 串级系统设计92.2主、副调节器调节规律的选择102.3 串级控制系统的参数整定102.4 PID控制原理113 JX-300XP系统概要153.1JX-300XP系统总貌153.2系统整体结构153.3系统硬件17173.3.2主控制卡173.3.3数据转发卡193.3.4电流信号输入卡 XP313I203.3.5模拟信号输出卡 XP322214.系统软件设计224.1组态过程224.2新建组态224.3控制站组态234.3.1 主机设置234.3.2 I/O设置244.3.3 常规回路264.4 操作站组态274.4.1 操作小组274.4.2 一览画面274.4.3 趋势画面284.4.4 总貌画面284.4.5 流程图294.4.6 编译294.4.7 组态下载304.4.8 组态发布304.4.9 组态调试314.5 实时监控314.5.1 实时监控画面概述324.5.2 系统总貌画面324.5.3 调整画面334.5.4 流程图334.5.5 数据一览画面345.PID调试结果及分析355.1 副控制器的整定355.2 串级控制365.2.1 副回路特性曲线365.2.2 主回路特性曲线366.总 结37参考文献38致 谢391 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。1.4 AdvanTrol-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1.3 SCKey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或增大积分时间常数Ti，即可得到改善。2.4 PID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2.2 PID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，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称此控制系统是有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差的累积取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会越大。 这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。但是过大的积分速度会降低系统的稳定程度，出现发散的振荡过程。比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 （3）微分控制（D）：在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性环节或有滞后环节，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。 所以在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。特别对于有较大惯性或滞后环节的被控对象，比例积分控制能改善系统在调节过程中的动态特性。 PID控制器的参数整定是控制系统设计的重要内容，应根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。 PID控制器参数整定的方法分为两大类： 一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。由于实验测定的过程数学模型只能近似反映过程动态特，理论计算的参数整定值可靠性不高，还必须通过工程实际进行调整和修改。 二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统试验中进行控制器参数整定，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减曲线法。三种方法都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。 (1)临界比例法。在闭合控制系统中，把调节器的积分时间TI置于最大，微分时间TD置零，比例度置于较大数值，把系统投入闭环运行，将调节器的比例度由大到小逐渐减小，得到临界振荡过程，记录下此时的临界比例度k和临界振荡周期Tk。根据以下经验公式计算调节器参数： 表2.1临界振荡整定计算公式 调节器参数控制规律TITDP2kPI 2.2k TK/1.2PID 1.6k0.5Tk0.25Tk (2)阻尼振荡法。在闭合控制系统中，把调节器的积分时间TI置于最大，微分时间TD置零，比例度置于较大数值反复做给定值扰动实验，并逐渐减少比例度，直至记录曲线出现4：1的衰减为止。记录下此时的4：1衰减比例度k和衰减周期Tk。根据以下经验公式计算调节器参数：表2.2 阻尼振荡整定计算公式 调节器参数控制规律TITD PS PI1.2S0.5TS PID0.8S0.3TS0.1TS (3)反应曲线法 若被控对象为一阶惯性环节或具有很小的纯滞后，则可根据系统开环广义过程测量变送器阶跃响应特性进行近似计算。在调节阀的输入端加一阶跃信号，记录测量变送器的输出响应曲线，并根据该曲线求出代表广义过程的动态特性参数。3 JX-300XP系统概要3.1JX-300XP系统总貌浙大中控JX-300XP系统是SUPCON Web Field系列控制系统十余年成功经验的总结，吸收了近年来快速发展的通信技术、微电子技术，充分应用了最新信号处理技术、高速网络通信技术、可靠的软件平台和软件设计技术以及现场总线技术，采用了高性能的微处理器和成熟的先进控制算法，全面提高了JX-300XP的功能和性能，能适应更广泛更复杂的应用要求，成为一个全数字化、结构灵活、功能完善的开放式集散控制系统。 JX-300XP的基本组成包括工程师站（ES）、操作站（OS）、控制站（CS）和通信网络SCnet II。通过在JX-300XP的通信网络上挂接总线变换单元（BCU）可实现与JX-100、JX-200、JX-300、JX-300XP等的互联；在通信网络上挂接通信接口单元（CIU）可实现JX-300XP与PLC等数字设备的连接；通过多功能计算站（MFS）和相应的应用软件Advantrol-PIMS或OPC接口可实现与企业管理计算机网的信息交换（ERP或MIS），实现企业网络（Intranet）环境下的实时数据采集、实时流程查看、实时趋势浏览、报警记录与查看、开关量变位记录与查看、报表数据存贮、历史趋势存贮与查看、生产过程报表生成与输出等功能，从而实现整个企业生产过程的管理、控制全集成综合自动化。JX-300XP控制系统简化了工业自动化的体系结构，增强了过程控制的功能和效率，提高了工业自动化的整体性和稳定性，最终使企业节省了为工业自动化而做出的投资，真正体现了工业基础自动化的开放性精神，使自动化系统实现了网络化、智能化、数字化，突破了传统DCS、PLC等控制系统的概念和功能，也实现了企业内过程控制、设备管理的合理统一。JX-300XP控制系统应用范围已经涵盖化工、炼油、石化、冶金、电力等工业自动化行业。3.2系统整体结构 JX-300XP系统的整体结构如图3.1所示。图3.1 JX-300XP系统的整体结构图JX-300XP控制系统整体结构如上图所示，由控制节点（控制节点是控制站、通信接口等的统称）、操作节点（操作节点是工程师站、操作员站、服务器站、数据管理站等的统称）及通信网络（管理信息网、过程信息网、过程控制网、I/O总线）等构成操作员站是由工业PC机、显示器、键盘、鼠标、打印机等组成的人机系统，是操作人员完成过程监控管理任务的人机界面。高性能工控机、卓越的流程图机能、多窗口画面显示功能可以方便地实现生产过程信息的集中显示、集中操作和集中管理。工程师站是为专业工程技术人员设计的，内装有相应的组态平台、监控平台和系统维护工具。通过系统组态平台构建适合于生产工艺要求的应用系统，具体功能包括：系统生成、数据库结构定义、操作组态、流程图画面组态、报表制作等；通过监控平台可替代操作员站，实现生产过程的实时监控。而使用系统的维护工具软件可实现过程控制网络调试、故障诊断、信号调校等。服务器站用于连接过程控制网和管理信息网，也作为采用C/S网络模式的过程信息网的服务器。当与管理信息网相连时，可与企业管理计算机网（ERP或MIS）交换信息，实现企业网络环境下的实时数据和历史数据采集，从而实现整个企业生产过程的管理、控制全集成综合自动化；当作为过程信息网的服务器时，客户端（操作员站）可通过其实现对实时数据和历史数据的查询。数据管理站用于实现系统与外部数据源（异构系统）的通信，从而实现过程控制数据的统一管理。控制站是系统中直接与工业现场进行信息交互的I/O处理装置，由主控制卡、数据转发卡、I/O卡、接线端子板及内部I/O总线网络组成，用于完成整个工业过程的实时控制功能。控制站内部各部件可按用户要求冗余配置，确保系统可靠运行。过程控制网络实现操作节点和控制站的连接，完成实时数据、信息、控制命令的传输与发送，过程控制网采用双重化冗余设计，使得信息传输可靠、高速。过程信息网采用快速以太网技术，实现C/S网络模式下服务器与客户端的数据通讯；优化报警信息和历史数据等的管理，降低过程控制网的网络负荷。3.3系统硬件控制站是控制系统中I/O数据采样、信息交互、控制运算、逻辑控制的核心装置，完成整个工业过程的实时控制功能。通过软件设置和硬件的不同配置可构成不同功能的控制结构，如过程控制站、逻辑控制站、数据采集站。控制站的核心是主控制卡。主控制卡通过系统内高速数据网络SBUS总线扩充各种功能，实现现场信号的输入输出，同时完成过程控制中的数据采集、回路控制、顺序控制以及优化控制等各种控制算法。控制站主要由机柜、机笼、供电单元、端子板和各类卡件（包括主控制卡、数据转发卡、通信接口部件和各种信号输入/输出卡）组成。 3.3.2主控制卡 主控制卡XP243是JX-30