基于组态的智能仪表液位控制系统
制应允而生，它是将智能控制与常规PID控制相结合，它的设计思想是利用专家系统、模糊控制和神经网络等智能技术将人的智能引入到控制器的设计中，对PID参数进行自调整，它的建立具有不依赖于系统精确数学模型的特点。在控制理论的发展过程中，某一控制方法的正确性及实际应用的可行性需要按其理论设计的控制器去控制一个典型对象来验证，液位控制系统结构简单、操作容易，是一种理想的检测控制策略有效性的实验装置。液位控制系统如果去掉影响不大的伺服阀输入电流—输出开度的非线性关系，可以将液位控制对象当成一个线性二阶系统。液位系统的智能PID控制研究具有重要的工程应用背景，它的研究方法在军工、航天、机器人和一般工业过程领域中都有着广泛的用途，尤其适用于一些参数易变，不易建立精确数学模型的被控对象。总之，对液位系统的智能PID研究具有重要的理论和实践意义。
1.2 设计内容与要求
本课题利用智能仪表做控制器，结合组态监控软件设计人机对话界面，实现水箱液位简单控制系统设计。要求通过对现场系统数据的采集处理，在组态软件中实现动画显示、报警处理、流程控制、实时曲线和报表输出等功能。同时利用控制系统，在所设计的组态软件监控界面中，进行相关仪表调校和控制器参数整定。最后向用户提供水箱液位简单控制系统的动态运行结果。 1.3 过程控制概述
工业中的过程控制是指以温度、压力、流量、液位和成分等工艺参数作为被控变量的自动控制。过程控制是工业自动化的重要分支。几十年来，工业过程控制取得了惊人的发展，无论是在大规模的结构复杂的工业生产过程中，还是在传统工业过程改造中，过程控制技术对于提高产品质量以及节省能源等均起着十分重要的作用。过程控制技术作为自动控制理论在工业过程控制领域中的应用分支，与控制理论一样更新发展着。从某种意义上说，过程控制是从工业生产实际出发而开创的自动控制方法与技术，而对于每个发展阶段的出现，都是生产实际问题、控制理论研究和控制系统三者共同作用的结果。过程控制又被称为工业生产过程自动化，广泛应用于石油、化工、冶金、机械、电力、轻工、纺织、建材、原子能等领域。 1.3.1 过程控制的发展历程
20世纪40年代开始，在工业过程控制中就采用了反馈控制，用PID控制规律，实施输入单输出的反馈控制，负反馈控制是过程控制的核心，它以经典控制理论为基础，采用频域分析方法进行控制系统的分析、设计和综合。那时实现单回路控制的自动化仪表工具主要是一些基地式的气动或电动仪表，它的测量与传感元件、显示器和控制器都集中在一个仪表壳里，要想改造一些控制方案是很困难的。到了20世纪50年代中期，开始发展气动或电动单元组合仪表，就为修改控制方案创造了条件。这个时期经典控制理论已经发展很成熟了，并且有大量的相关书籍出版，如1932年奈奎斯特在研究反馈放大器稳定性中提出的稳定性数据及基于频率相应的
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方法，1948年伊文思提出了跟轨迹法并有效应用于反馈控制系统的分析和综合等，这些理论为经典理论奠定了基础。1943年维纳等学者在《行为、目的和目的论》一文中首次提出了控制论的基本思想，并在以后的研究中得到了进一步的完善，如1943年hall写的“The Analysis and Synthesis of Linear Servomechanisms”,1947年James、Nicholshe 和Phillips写的“Theory of Servomechanisms”。1962年Benjamin写的《Automatic Control Systems》。20世纪60年代前后，随着宇航事业和计算机技术的发展，控制理论又有了新的发展，前苏联数学家庞特里亚金建立的极大值原理、美国应用数学家贝尔曼提出了动态规则，以及美国学者卡尔曼引入的状态空间法和建立卡尔曼滤波，这些研究推动了现代控制理论的形成，为《控制论》的发展做出了重大贡献》。这一时期应属于自动化孤岛模式的阶段，其控制目标只能是保证生产平稳和少出事故。1975年~1985年前后，世界上一些有能力的仪表、计算机厂家纷纷投入开发和制造DCS。多变量预测控制等先进控制方法的应用，使控制达到了新的水平，在实现优质、高产、低消耗的控制目标方面前进了一大步。值得指出的是在70年代中期，出现了现代控制理论是否适用于过程控制的困惑，这迫使人们去研究生产过程的特点与难点，以缩小理论与应用之间的鸿沟。80年代后期，工业控制中出现了多学科间的相互渗透与交叉，人工智能和智能控制受到人们的普遍关注，信号处理技术、数据库、通讯技术以及计算机网络的发展为实现高水平的自动控制提供了强有力的技术工具。过程控制开始突破自动化孤岛的传统模式，采用CIM的思想和方法来组织、管理和指挥整个生产过程出现了集控制、优化、调度、管理于一体的新模式。在连续工业中，也将这种模式称为综合自动化或CIPS（computer integrated processing system）。可以看到，过程控制在这阶段的目标已从保持平稳和少出事故转向提高产品质量、降耗节能、降低成本、减少污染，并最终以效益为驱动力来重新组织整个生产系统，最大限度地满足动态多变市场的需求，提高产品的市场竞争力。1985年~1995年DCS已有近百种型号，我国也涌现出实力强大的浙大中控和北京和利时公司。1995年至今，DCS与FCS蓬勃发展的时期。几乎绝大多数大中型企业的化工、石化、炼油企业都已经进行了DCS技术改造，中小企业也已实用DCS、工业PC机控制系统和数据采集监控系统。而且很多企业还有了先进控制算法的技术应用，已经建立计算机网络形同实现了厂级信息管理。
过程控制的发展是与控制理论、仪表、计算机以及有关学科的发展紧密相关的。过程控制的发展按照以上学科的发展大体上可以分为三个发展阶段，如表1所示： 1.3.2 过程控制系统的组成
过程控制系统一般由：被控过程（或对象）、用于生产过程参数检测的检测与变送一器、控制器、执行结构、报警、保护和连锁等其他部件组成。
图1-1表示了过程控制系统放入基本结构。控制器（或称调节器）根据系统输出量检测值y(t)与设定值r的偏差,按照一定的控制算法输出控制量u，对被控过程进行控制。执行机构（如调节阀）接受控制器送来的控制信息调节被控量，从而达到预期的控制目标。过程的输出信号通过过程的检测与变送仪表，反馈到控制器的输入端，构成闭环控制系统。
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阶段 （70年代以前） （70~80年代） （90年代） 控制理论 经典控制理论 现代控制理论 控制论、信息论、系
统论、人工智能等学科交叉
控制工具 常规仪表 分布式控制计算机 计算机网络 （气动、液动、电动）
控制要求 安全平稳 优质高产、低消耗 市场预测、快速响应、
柔性生产、创新管理
控制水平 简单控制系统 先进控制系统 综合自动化 表1过程控制发展的三个阶段
r u 控制器 执行机构 被控过程 y(t) 检测与变送机构
图1-1过程控制系统基本结构图
1.3.3 过程控制系统的特点
由于过程控制主要是指连续过程工业的控制过程，故过程工业的特点主要指连续过程工业的特点。
(1)被控过程的多样性
过程工业涉及到各种工业部门，其物料加工成的产品是多样的。同时生产工艺各不相同，如：石油化工过程，冶金工业中的冶炼过程、核工业中的动力核反应过程等等，这些过程的机理不同，甚至执行机构也不同。因此过程控制系统中的被控对象是多样的，明显地区别于运动控制系统。
(2)控制方案的多样性
由过程工业的特点以及被控过程的多样性决定了过程控制系统的控制方案必然是多样的。这种多样性包含系统硬件组成和控制算法以及软件设计。观察图1.1所示过程控制系统的基本结构，如果将控制器、执行机构和检测与变送仪表统称为过程检测控制仪表，则一个简单的过程控制系统是由被控过程和过程检测控制仪两部分组成，也称之为仪表过程控制系统。随着现代工业生产的发展，工业过程越来越复杂，对过程控制的要求也越来越高，传统的模拟式过程检测控制仪表已经不能满
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足控制要求，因而采用计算机作为控制器组成计算机过程控制系统。从控制方法的角度看，由单变量过程控制系统，也有多变量过程控制系统。同时控制算法多种多样，由PID控制，复杂控制，也有包括智能控制的先进控制方法等等。
(3)被控过程属慢多成且多属参数控制
连续工业过程大惯性和大滞后的特点决定了被控过程为慢过程。被控过程是物流变化的过程，伴随物流变化的信息表征为被控过程的状态参数，也是过程控制系统的被控量。
(4)定值过程是过程控制的主要形式
在多数生产过程中，被控参数的设定值为一个定值，定值控制的主要任务在于如何减少或消除外界干扰，是被控量剂量保持接近或等于设定值，是生产稳定。
(5)过程控制由多种分类方法 (a)按被控参数分类，可分为温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统、液体或物位控制系统，物性控制系统、成分控制系统；
(b)按被控量数分类，可分为单变量过程控制系统，多变量过程控制系统； (c)按设定值分类可分为定值控制系统、随动（伺服）控制系统； (d)按参数性质分类可分为集中参数控制系统，分布参数控制系统；
(e)按控制算法分类，可分为简单控制系统、复杂控制系统、先进或高级控制系统；
(f)按控制器形式分类，可分为常规仪表过程控制系统，计算机过程控制系统。 1.3.4 过程控制的发展方向
在现代工业控制中, 过程控制技术是一历史较为久远的分支。在本世纪30 年代就已有应用。过程控制技术发展至今天, 在控制方式上经历了从人工控制到自动控制两个发展时期。
从过程控制采用的理论与技术手段来看，可以粗略地把它划为三个阶段：开始到70 年代为第一阶段，70 年代至90 年代初为第二阶段，90 年代初为第三阶段开始。其中70 年代既是古典控制应用发展的鼎盛时期，又是现代控制应用发展的初期，90 年代初既是现代控制应用发展的繁荣时期，又是高级控制发展的初期。第一阶段是初级阶段，包括人工控制，以古典控制理论为主要基础，采用常规气动、液动和电动仪表，对生产过程中的温度、流量、压力和液位进行控制，在诸多控制系统中，以单回路结构、PID 策略为主，同时针对不同的对象与要求，创造了一些专门的控制系统。
在自动控制时期内，过程控制系统又经历了三个发展阶段, 它们是：分散控制阶段, 集中控制阶段和集散控制阶段。
分散控制系统也叫集散控制系统，它综合了计算机技术、控制技术、通信技术和显示技术，采用多层分级的结构形式,按总体分散、管理集中的原则，完成对工业过程的操作、监视、控制。可以毫不夸张地说，分散控制系统是过程控制发展史上的一个里程碑。
集散控制系统或现场总线控制系统—先进过程控制—实时优化系统（DCS—APC
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—RTO）都属于工艺装置级的控制范畴，它的优化效益是很大的，但与过程工业自动化一级的优化效益相比，后者的效益要大得多。
监控与数据采集系统是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统。它可以对现场的运行设备进行监控和控制，以实现数据的采集、设备的控制，测量、参数调节、自动化程度的高低，以及各类信号报警等各项功能，也可以实时采集现场数据，对工业现场进行本地或远程的自动控制，同时还可以对工艺流程进行全面、实时的监控，并为生产、调度和管理提供必要的数据。实时的实现监督与控制生产过程。
随着市场竞争的激烈，为降低成本，过程工业日益走向大型化，化工生产中化学反映也越来越激烈，对过程控制的品质也提出了更高的要求，这种控制与经济效益的矛盾日益尖锐没，迫切需要一类合适的先进控制策略。近年来，人工智能技术有了长足的进步，并在许多科学领域中取得了广泛的应用。现在，装置的过程控制已逐步发展到整个企业的综合自动化，已经从装置的局部优化，发展到考虑企业的全局优化、如调度优化、计划有话、供应链优化、制造执行系统、企业资源计划系统，形成ERP—MES—PCS（过程控制系统）三层结构体系，这就是当今世界自动化技术的发展趋势。
目前一些大企业、工厂利用MES能够对条件变化做出迅速相应，减少非增值活动，提高生产运作过程的效率，从而提高工厂及时交货的能力，改善物料的流通性能，提高效益。
工业生产过程由简单到复杂，由小规模到大规模，直至今日，现代化、大型化或多品种、精细化的工业，生产出的各种各样的产品满足人们的生活需要。对这些工业生产过程的操作要求做到正确化、自动化和高效化。由于工业生产过程中实际问题的不断提出，促使理论研究不断的发展，同时理论研究的结果变成相应的自动化工具的产品，用来解决生产实际问题。先进过程控制方法可以有效的解决那些采用常规控制效果差，甚至无法控制的复杂工业过程的控制问题。实践证明，先进过程控制方法能取得更高的品质和更大的经济利益具有广阔的发展前景。
2 液位控制系统硬件设计
2.1 液位控制的工作原理
液位控制的主要目的就是为了使得过程水箱中的水位保持在期望的位置。按照系统的最初设想，当实际水位低于设定值水位时，水箱上的传感器组件将采集到的数据传递到智能仪表，智能仪表一方面将液位变化的情况反映到PC机的人机界面上，一方面将原先设定的控制指令发送到执行器，即控制电动阀门动作，通过加大阀门增加水流量或者减小阀门减少水流量，使水箱中液位上升或者下降，从而使水箱中的液位维持在期望的位置。
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