摘 要
水力模型过程控制装置是为自动化专业的化工过程控制、计算机控制技术、系统仿真与建模等课程服务的实验装置。利用计算机科学和技术的成果建立被仿真的系统的模型，并在某些实验条件下对模型进行动态实验的一门综合性技术。它具有高效、安全、受环境条件的约束较少、可改变时间比例尺等优点，已成为分析、设计、运行、评价、培训系统的重要工具。现在，计算机仿真技术已经广泛的应用在机械制造、航空航天、交通运输、经济管理、工程建设、以及军事模拟等领域，由于物理模拟是靠实验装置上进行模仿实际过程，因此无论在经济上，时间上都付出高的代价，甚至实际过程不能进行模拟。而通过计算机建立仿真模型就要经济，高效的多，因此计算机仿真得到了广泛的应用。
本次设计《水利模型装置计算机控制系统仿真》是通过计算机仿真和Visual Basic 应用软件制作水水力模型控制系统实验的计算机仿真模型。通过VB 设计出水力模型装置实验的过程模拟界面和键盘处理、画面处理、在线修改、控制算法。由于计算机系统建立的仿真模型有着形象，直观，理解简单，不受场地和设备限制等优点，这样学生通过计算机仿真的操作对实验有了一定的了解，在以后的实物实验中能够更好的理解实验意义和节约时间。
本次毕业设计的要求是在了解实验仪表的基础上，对实验装置进行连线和调试，并画出控制柜正面布置图和背面接线图。在此基础上做出单回路、串级、前馈-反馈实验。然后，用Visual Basic 6.0对以上实验过程进行计算机仿真。
关键词:过程控制；过程仿真；控制面板
Abstract
Water conservancy model process control device is an experimental equipment which serves for chemical process control , computer control technology , system emulation and modeling etc. other courses of the major of automation . The main characteristic of this experimental provision is: It is the same as modern instrument used for industry, we can say it is a small-scale industrial process control system, this established the solid foundation for the students who step into the society in the future and join in the modernization . Meanwhile, it can also measure such a lot of parameters as the flow , height of liquid location ,etc. It has highly effective, safe, is been few the environmental condition restraint, may change merits and so on time scale, has become the analysis, the design, the movement, the appraisal, the training system important tool. Now, computer simulation technology already widespread application at machine manufacture, aerospace, transportation, economical management, engineering construction, as well as domains and so on military simulation, but it in the system design, domains and so on experimental demonstration also has the broad development space. This test installation main characteristic is: It the measuring appliance which uses with the modern industry is same, may say it is a small commercial run control system, this later will march into for schoolmates the society, joined in the modernization to lay the solid foundation.At the same time, it also may determine the current capacity, the fluid position altitude and so on many parameters.
This graduation project "Water conservation Model Installment Computer control system Simulation" its guiding ideology is embarks from the process control theory, caused the students in the graduation before can even more understand the industrial production automation the process, strengthened everybody the reality to begin ability and the correct control thought.
The demand of this graduation project is that carry on line and debug to
experimental equipments on the basis of understanding experiment instruments, draw switch board front assign picture and the back wiring diagram. On this basis you can make out the single return circuit , each, ratio experiment. Then, use VB language to carry on the computer control of the above experiment process.
Keywords :process control；process emulation；Control panel
目 录
第1章 绪 论 ...................................................................................... 1
第2章 实验装置的组成 ...................................................................... 2
2.1 实验装置简介 ................................................................................... 2
2.2 实验装置的组成 ............................................................................... 3
第3章 计算机仿真及VISUAL BASIC简介 . ...................................... 5
3.1 计算机仿真简介 ............................................................................... 5
3.2 V ISUAL B ASIC 简介 ............................................................................ 6
3.2.1 Visual Basic概述 ......................................................................... 6
3.2.2 Visual Basic的特点 . ..................................................................... 6
3.2.3 Visual Basic控件简介 ................................................................... 7
3.2.4 通用过程的调用 . ............................................................................ 8
第4章 总体设计 .................................................................................. 9
4.1 工艺流程简介 ................................................................................... 9
4.2 各系统方框图及示意图 . ................................................................. 10
4.2.1 单回路控制系统 . .......................................................................... 10
4.2.2 串级控制系统 .............................................................................. 12
4.2.3 前馈控制系统 .............................................................................. 13
第5章 控制算法 ................................................................................ 16
5.1 数字PID 控制算法 . ........................................................................ 16
5.1.1 PID 概述 ...................................................................................... 16
5.1.2 数字PID 的计算方法 . .................................................................... 17
5.1.3 数字PID 控制算法的改进 .............................................................. 20
5.1.4 数字PID 控制的参数整定 .............................................................. 20
5.1.5 数字PID 控制的参数自动整定 . ....................................................... 22
5.2 设计步骤......................................................................................... 24
5.3 运行程序......................................................................................... 27
第6章 问题与结论 . .............................................................................. 29
结束语 . .................................................................................................... 31
致 谢................................................................................................. 32
参考文献................................................................................................. 33
附图1（控制屏） ................................................................................. 34
附图2（排题板） ................................................................................. 35
第1章 绪 论
计算机仿真技术是以多种学科和理论为基础，以计算机及其相应的软件为工具，通过虚拟试验的方法来分析和解决问题的一门综合性技术。计算机仿真（模拟）早期称为蒙特卡罗方法，是一门利用随机数实验求解随机问题的方法。其原理可追溯到1773年法国自然学家G .L.L.Buffon 为估计圆周率值所进行的物理实验。根据仿真过程中所采用计算机类型的不同，计算机仿真大致经历了模拟机仿真、模拟－数字混合机仿真和数字机仿真三个大的阶段。20世纪50年代计算机仿真主要采用模拟机；60年代后串行处理数字机逐渐应用到仿真之中，但难以满足航天、化工等大规模复杂系统对仿真时限的要求；到了70年代模拟－数字混合机曾一度应用于飞行仿真、卫星仿真和核反应堆仿真等众多高技术研究领域；80年代后由于并行处理技术的发展，数字机才最终成为计算机仿真的主流。现在，计算机仿真技术已经在机械制造、航空航天、交通运输、船舶工程、经济管理、工程建设、军事模拟以及医疗卫生等领域得到了广泛的应用。由于物理模拟是靠实验装置上进行模仿实际过程，因此无论在经济上、时间上都付出高的代价，甚至实际过程不能进行模拟。而数学模拟是建立的数学模型，在电子计算机上进行模拟，因此经济得多，效率高，得到广泛地应用。因此，仿真技术是自动化专业人员的一门主要学科。
随着计算机仿真技术的不断发展和完善, 其已经深入到工业设计的各个领域, 本课题以建立简单控制系统控制系统的水力模型实验装置计算机模拟仿真系统模型为例子，来研究和讨论计算机仿真技术在自动控制系统的实验以及设计领域的应用，由于利用计算机系统建立的仿真模型有着形象，直观，理解简单，不受场地和设备限制等优点。所以其在实验演示领有有着很好的发展前景。而且，多容过程是过程控制中的基本的典型的受控过程，所以在许多研究和教学中都要涉及到多容过程。通过建立水力模型实验装置计算机仿真系统模型，使涉及到无相互影响的多容过程的研究更加高效，便捷。
本次设计的课题是《水利模型装置计算机控制系统仿真》。主要设计任务是将过程控制实验室里用常规仪表控制的水力模型实验装置的组成进行全面的了解。主要了解调节器、变送器、加减器、电气转换器、差压变送器、配电器的作用、工作原理、主要技术特性、调整和接线等。在此基础上还要熟悉控制算法、应用的程序、编程语言才能完成单回路、串级、前馈等实验。最后，用Visual Basic 6.0对以上三个实验进行仿真。
第2章 实验装置的组成
2．1 实验装置简介
本实验装置是在学好化工过程控制、计算机控制技术、系统仿真与建模等课程的基础上。通过同学们自己动手，对实验装置进行系统的连接与调试，培养了同学们自己动手、实践及创新能力，同时它也为科学研究提供了良好的实验基础。
本实验装置分为工艺设备和控制屏两部分，两者之间通过电、气管线相连构成一个整体。
工艺设备如图2·1所示
贮水槽
图2·1工艺设备
图中有三只水槽，其中槽1、槽2为调节对象，他们的液位高度L1及L2分别作为液面对象的被调参数，而由各自的液位变送器测出。槽3为贮槽，是为了构成循环水而设置的，贮槽3中的水可通过泵1或泵2抽出经孔板F1、F2，调节阀V1或V2后送入槽1或槽2，其流量大小也分别通过各自的流量变送器测出。贮槽1及贮槽2中的水可分别通过它们各自的液阻R1、R2流入下槽，如此构成水的循环
工艺设备（见图2·1）。控制屏（见附图1）正面装有一台两笔记录仪。三台电
调节器和二块毫安表头，下面有一个可组成各种调节系统的排题板。
排题板（见附图2）先将装置上所有仪表的接线端子与排题板上的二芯插孔连起来，这样排题板上的插孔就是仪表的接线端子，用二芯插头插在不同的插孔中，即可构成不同的调节方案，完成不同的实验项目，十分方便。本装置可进行简单、串级、比值、前馈、分程、非线性等16种系统实验。
2．2实验装置的组成
本实验装置是由电容式差压变送器、配电器、XWCJ 双平衡记录仪、电动光柱调节器、电-气转换器、加减器、开方器等组成。
（1）电容式差压变送器
电容式差变送器是没有杠杆机构的变送器，它采用差动电容作为检测单元，整个变送器无机械传动、调整装置，并且测量部分采用全封闭焊接的固体化构。因此仪表结构简单，性能稳定、可靠，且具有较高的精度。
在石油、化工、冶金、电力、食品、造纸、医药、纺织等工业生产过程检测控制系统中，电容式差变送器配用节流装置可检测液体、气体和蒸汽的流量，也可以直接用来检测差压、表压，以及开口或密闭容器内液体的液位。
电容式差变送器将被测信号转化成4~20mA DC输出信号，与其他单元组合仪表或工业控制计算机配合，组成测量、记录、控制等工业自动化系统。
（2）配电器
DFP –2100型配电器是DDZ –Ш 型电动单元组合仪表中的一个单元。它为设置在现场的变送器提供一个隔离电源，同时又将变送器4~20mA DC直流信号转换成与之隔离的1~5V DC直流电压信号。实现变送器、二次仪表、电源之间的隔离。本配电器可对二台变送器进行供电。
（3）XWCJ 双平衡记录仪
XWCJ 系列大型长图晶体管或自动平衡记录仪，供冶金、石油、化肥、化工、机电、轻纺等工矿企业以及科研单位作自动测量和记录各种参量之用。
XWCJ 系列仪表为电位差计，与各种标准份度的热电偶、辐射感温器配套使用测量温度；也可以与生产直接电势或电流的相应变送器配套以测量压力、流量等或进行成分分析。
（4）电动光柱调节器
指示调节仪是DDZ –Ш电动单元组合仪表调节单元中的一个基型品种。它接受来自变送器1~5V DC的测量信号，并对此信号与给定信号的偏差值，进行比例积分
微分运算。运算结果以4~20mA直流电流形式输出。可对工业自动化控制过程中的温度、压力、差压、等参数实行自动调节。
调节器的给定、测量的信号值是在统一刻度尺内被指示，便于观察调节结果。参数的指使可选择光柱指示或表头指示。当用光柱指示时，被显示的参数更具清晰、醒目、正确，并克服了表头指示的抗震性差读数不准等缺点。
（5）电-气转换器
DQ –3型电气转换器是将从电动调节系统中来的标准电流讯号成比例得转换为气动调节系统中的标准气动讯号。
（6）加减器
DJJ 型电动加减器是DDZ –Ш 型电动单元组合仪表中计算单元之一，该仪表与调节器等配合使用可进行多参数调节，能进一步改善调节质量。
本加减器有2~4个1~5V DC 输入信号，进行加减运算后输出1~5V DC（或4~20mA DC作辅助信号用），它可以方便的组成9种不同形式的运算公式，各输入信号的系数也可以方便的油印制电路板上的钟表电位器给出。
（7）开方器
DJK –1000型电动开方器是DDZ –Ш 型电动单元组合仪表中计算单元之一。该仪表与差压变送器相配合，将差压与流量的非线性关系（乘方关系）进行开方，使开方器的输出和管道中的流量成线性关系，从而可以直管的显示管道中的流量，免于制造非线性刻度的指示仪表。此外，开方器也可以与差压变送器、调节器、其它计算单元相配合，构成特性较好的流量控制系统。
第3章 计算机仿真及Visual Basic简介
3.1计算机仿真简介
利用计算机科学和技术的成果建立被仿真的系统的模型，并在某些实验条件下对模型进行动态实验的一门综合性技术。它具有高效、安全、受环境条件的约束较少、可改变时间比例尺等优点，已成为分析、设计、运行、评价、培训系统（尤其是复杂系统）的重要工具。
仿真是对现实系统的某一层次抽象属性的模仿。人们利用这样的模型进行试验，从中得到所需的信息，然后帮助人们对现实世界的某一层次的问题做出决策。仿真是一个相对概念，任何逼真的仿真都只能是对真实系统某些属性的逼近。仿真是有层次的，既要针对所欲处理的客观系统的问题，又要针对提出处理者的需求层次，否则很难评价一个仿真系统的优劣。
传统的仿真方法是一个迭代过程，即针对实际系统某一层次的特性（过程），抽象出一个模型，然后假设态势（输入），进行试验，由试验者判读输出结果和验证模型，根据判断的情况来修改模型和有关的参数。如此迭代地进行，直到认为这个模型已满足试验者对客观系统的某一层次的仿真目的为止。
模型对系统某一层次特性的抽象描述包括：系统的组成；各组成部分之间的静态、动态、逻辑关系；在某些输入条件下系统的输出响应等。根据系统模型状态变量变化的特征，又可把系统模型分为：连续系统模型——状态变量是连续变化的；离散（事件）系统模型——状态变化在离散时间点（一般是不确定的）上发生变化；混合型——上述两种的混合。
计算机仿真技术和用于仿真的计算机（简称仿真机）都应充分反映上述的仿真的特点及满足仿真工作者的需求。仿真机用于仿真的计算机。20世纪50年代的仿真机大部分是以电子模拟计算机为主机实现的，在部分特殊应用领域内也有以液压机、气压机或阻抗网络作为主要模拟设备的。由于电子模拟计算机的精度较差等缺点，从70年代初开始，数字模拟混合仿真机得到发展。从70年代末起，以数字机为主机的各种各样专用和通用仿真机得到普及和推广。由于高性能工作站、巨型机、小巨机、软件技术和人工智能技术取得引人瞩目的进展，在80年代内人们对智能化的仿真机寄予希望，也在综合集成数字仿真和模拟仿真的优势的基础上，设计出在更高层次上的数字模拟混合仿真机，在一些特定的仿真领域内，这种智能仿真机和高层次的数字模拟仿真机都取得令人鼓舞的结果。
随计算机技术的飞速发展 ，在仿真机中也出现了一批很有特色的仿真工作站、小巨机式的仿真机、巨型机式的仿真机。80年代初推出的一些仿真机，SYSTEM10和SYSTEM100就是这类仿真机的代表。仿真系统为了建立一个有效的仿真系统，一般都要经历建立模型、仿真实验、数据处理、分析验证等步骤。为了构成一个实用的较大规模的仿真系统，除仿真机外，还需配有控制和显示设备。
3.2 Visual Basic简介
3.2.1 Visual Basic概述
Visual Basic, 简称VB ，是Microsoft 公司推出的一种Windows 应用程序开发工具。是当今世界上使用最广泛的编程语言之一，它也被公认为是编程效率最高的一种编程方法。无论是开发功能强大、性能可靠的商务软件，还是编写能处理实际问题的实用小程序，VB 都是最快速、最简便的方法。
何谓 Visual Basic ？“Visual ”指的是采用可视化的开发图形用户界面（GUI ）的方法，一般不需要编写大量代码去描述界面元素的外观和位置，而只要把需要的控件拖放到屏幕上的相应位置即可；“Basic ”指的是BASIC 语言，因为VB 是在原有的BASIC 语言的基础上发展起来的，至今包含了数百条语句、函数及关键词，其中很多和 Windows GUI 有直接关系。专业人员可以用 Visual Basic 实现其它任何 Windows 编程语言的功能，而初学者只要掌握几个关键词就可以建立实用的应用程序。VB 提供了学习版、专业版和企业版，用以满足不同的开发需要。学习版使编程人员很容易地开发Windows 和Windows NT的应用程序；专业版为专业编程人员提供了功能完备的开发工具；企业版允许专业人员以小组的形式来创建强健的分布式应用程序。
3.2.2 Visual Basic的特点
VB 是从BASIC 发展而来的, 对于开发Windows 应用程序而言，VB 是目前所有开发语言中最简单、最容易使用的语言。作为程序设计语言，VB 程序设计具有以下特点:
1. 可视化的设计平台
2. 面向对象的设计方法
3. 事件驱动的编程机制
4. 结构化的设计语言
5. 充分利用Windows 资源
6. 开发的数据库功能与网络支持
所以在界面设计中我们不必再为界面的设计而编写大量程序代码，只需按设计的要求，用系统提供的工具在屏幕上“画出”各种对象，VB 自动产生界面设计代码，我们只需要编写实现程序功能的那部分代码，从而大大提高了编程的效率。
3.2.3 Visual Basic控件简介
1．鼠标按键操作
VB 中为了实现鼠标按键操作，提供了3个过程模板：1压下鼠标按键事件过程Mouse Down；2松开鼠标按键事件过程Mouse Up；3移动鼠标事件Mouse Move。可对鼠标进行单击（Click ）或双击(DblClick ) 的操作，我们只用到了单击事件。当单击鼠标左键时，触发Click 事件：
Sub object_Cick()
End Sub
2．键盘操作
键盘事件是用户敲击键盘时产生的事件。对于接受文本的控件，通常要对键盘事件进行编程。键盘事件有Key Down,Key Up,Key Press事件。在设计中我们只用到了Key Press事件和Key Down事件，下面只对这两项进行简单介绍：
Key Press事件
当用户按下键盘上的某个键时，将发生Key Press 事件，该事件可用于窗体、复选框、组合框、命令按钮和列表框等框架。严格地说，当按下键盘上的某个键时，所触发的是具有输入焦点（Focus ）的控件的Key Press能位于某一个控件上，如果窗体上没有活动的或可见的控件时，则输入焦点位于窗体上。当一个控件或窗体本身拥有输入焦点时，该控件或窗体将接收从键盘上输入的信息。在按下与ASCII 字符对应的键是将触发Key Press事件。Key Press事件的语法结构是：
Private Sub object_KeyPress(KeyAscii As Integer)
End Sub
数字的ASCII 码是48（数字0）到57（数字9），而字母的ASCII 码是58（字母a ）到110(字母Z )
Key Down事件
与Key Press事件不同，Key Down事件返回的是键盘的直接状态，即直接的键值。当按下字母键a 时，Key Down事件的Key Code参数即是字母a , 它可以检测到Key Press事件无法检测到的情况。它的语法结构是：
Private Sub object KeyDown(KeyCode As Integer, Shift As Integer)
End Sub
KeyCode 是按键实际的ASCII 码，该码以“键”为准，而不是以字符为准。也就是说，大写字母与小写字母使用键盘上同一个键，因而他们的KeyCode 值相同，均使用大写字母的ASCII 码。
键盘事件和鼠标事件都是用户与程序之间交互操作中的主要元素. 单击鼠标和按下键都可触发事件，而且还提供进行数据输入的手段以及在窗口和菜单中移动的基本形式。
3．Slider 控件
Slider 控件是包括滑块和可选择性刻度标记的窗口。可以通过拖动滑块、用鼠标单击滑块的任意一侧或者使用键盘移动滑块。
在选择离散数值或某个范围内的一组连续数值时，Slider 控件无需键入数字，通过将滑块移动到刻度标记处。用Slider 对被显示的图像设置大小。
4．Timer 控件
Timer 控件是Visual Basic 6.0中唯一用于处理时间的控件。通过引发Timer 事件，Timer 控件可以有规律地隔一段时间执行一次代码。因此，它在Visual Basic 6.0中有多种应用：响应时间的流逝、在一定的时间间隔执行操作、检查系统时钟、判断是否该执行某项任务、其它后台处理等等。由于Timer 控件用于背景进程中，它是不可见的。
3.2.4通用过程的调用
建立调用过程的目的之一就是减少重复代码，将公共语句放入分离开的过程（通用过程）并由事件过程来调用它。
每次调用过程都会执行Sub 和End Sub之间的。Sub 过程以End Sub结束。当程序遇到End Sub时，将退出过程，并立即返回到调用语句的后续语句，调用过程有诸多技巧，它们与过程的类型、位置以及在应用程序中的使用方法有关。
调用Sub 过程有两种方法：
1．使用Call 语句：Call （[〈实参表〉]）
2．直接使用过程名： [〈实参表〉]
本次设计在PID 自动调节时使用了第一种方法，使用该方法减少了程序的反复抄写，同时有助于程序的阅读。
第4章 总体设计
4.1工艺流程简介
本实验装置是在学好化工过程控制、计算机控制技术、系统仿真与建模等课程的基础上。通过同学们自己动手，对实验装置进行系统的连接与调试，培养了同学们自己动手、实践及创新能力，同时它也为科学研究提供了良好的实验基础。
工艺流程如图所示
图4·1 工艺流程
图中有三只水槽，其中槽1、槽2为调节对象，他们的液位高度L 1及L 2分别作为液面对象的被调参数，而由各自的液位变送器测出。槽3为贮槽，是为了构成循环水而设置的，贮槽3中的水可通过泵1或泵2抽出经孔板F 1、F2，调节阀V 1或V 2后送入槽1或槽2，其流量大小也分别通过各自的流量变送器测出。贮槽1及贮槽2中的水可分别通过它们各自的液阻R 1、R 2流入下槽，如此构成水的循环。
4.2各系统方框图及示意图
4.2.1单回路控制系统
图4·2单回路控制系统
Gc(s): 控制器的传递函数
Gr(s): 控制阀的传递函数
Gp(s): 受控对象的传递函数
Gm(s): 测量变送的传递函数
r : 设定值
e : 偏差
y : 受控对象
u : 控制变量
q : 操纵变量
z : 测量值
图4·3简单控制系统示意图
工作原理：当系统由于某种原因出现偏差e 时，控制器便按预先设置的控制规律对偏差进行运算，然后输出一个变化了的控制量u 到执行机构，使其产生一个能减小偏差的控制作用。这个过程不断进行，直到满足控制要求为止。此时，控制器输出u 便维持在一定的值上不在改变。
4.2.2串级控制系统
图4·4串级控制系统方框图
Gp1(s): 主对象的传递函数
Gp2(s): 副对象的传递函数
Gc1(s): 主控制器的传递函数
Gc2(s): 副控制器的传递函数
y1: 主变量
y2: 副变量
图4·5 串级控制系统示意图
串级控制系统中，副回路给系统带来了一系列的优点：串级控制较单回路控制系统有更强的抑制干扰能力，因此设计此类系统时应把主要的扰动包含在副回路中；对象的纯滞后比较大时，若用单回路控制，则过渡过程时间长，超调量大，参数恢复较慢，控制质量较差，采用串级控制可以克服对象纯滞后的影响，改善系统的控制性能；对于具有非线性的对象，采用单回路控制，在负荷变化时，不相应的改变控制器参数，系统的性能很难满足要求，若采用串级控制，把非线性对象包含在副回路中，由于副回路是随动系统，能够适应操作条件和负荷的变化，自动改变副控调节器的给定值，因而控制系统仍有良好的控制性能。
在串级控制系统中，主、副控制器的选型非常重要。对于主控制器，为了减少稳态误差，提高控制精度，应具有积分控制，为了使系统反应灵敏，动作迅速，应加入微分控制，因此主控制器应具有PI 控制规律；对于副控制器，通常可以选用比例控制，当副控制器的比例系数不能太大时，则应加入积分控制，即采用PI 控制规律，副回路较少采用PID 控制规律。
4.2.3 前馈控制系统
图4·6前馈控制系统方框图
Gpd(s): 干扰通道的传递函数
Gpc(s): 控制通道的传递函数
Gff(s): 前馈控制器的传递函数
θ1: 受控变量
Q : 扰动量
Gs : 操纵变量
在实际生产过程控制中，由于前馈控制是开环控制，且只能针对某一特定的干扰实施控制作用，因此很少单独被采用。通常是采用前馈-反馈控制相结合的方案，其典型结构如下图：
图4·7 前馈-反馈控制系统方
图4·8 前馈控制系统示意图
前馈－反馈控制系统也有两个控制器，但在结构上与串级控制系统是完全不同
的。串级控制系统是由内、外两个控制回路所组成；而前馈－反馈控制系统是由一个反馈回路和另一个开环的补偿回路叠加而成。干扰幅值大而频繁，对被控变量影响剧烈，仅采用反馈控制达不到要求的对象。主要干扰是可测而不可控的变量。所谓可测，是指干扰是可以运用检测变送装置将其在线转化为标准的电或气的信号。但目前对某些变量，特别是某些成分量还无法实现上述转换。也就无法设计相应的前馈控制系统。所谓不可控、主要是指这些干扰难以通过设置单独的控制系统予以稳定，这类干扰在连续生产过程中是经常遇到的，其中也包括一些虽能控制但生产上不允许控制的变量，例负荷量等。当对象的控制通道滞后大、反馈控制不及时，控制质量差，可采用前馈或前馈反馈控制系统，以提高控制质量。
第5章 控制算法
5.1 数字PID 控制算法
5.1.1 PID概述
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。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的 其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID 控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或 不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID 控制技术。PID 控制，实际中也有PI 和PD 控制。PID 控制器就是根据系统的误差，利用比例、 积分、微分计算出控制量进行控制的。
比例（P ）控制
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。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。
积分（I ）控制
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，则称这个控制系统是有稳态误差的 或简称有差系统（System with Steady-state Error）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。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。因此，比例+积分(PI ) 控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
微分（D ）控制
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组件（环节）或有滞后(delay)组件，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。这就是说，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。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD ) 控制器能改善系统在 调节过程中的动态特性。
5.1.2 数字PID 的计算方法
今控制对象的传递函数为： Y (S ) K （5·1） =U (S ) (T 1S +1)(T 2S +1)
于是，可画出控制系统的框图，如图5·1所示。
图5·1 控制系统的框图
1．利用计算机实现PID 调节
在模拟控制系统中PID 控制规律的表达式
⎡1u (t )=K p ⎢e (t )+T i ⎣de (t )⎤ ⎥ （5·2）dt ⎦⎰t 0e (t )dt +T d
为了便于计算机计算，在采样周期T 比较小时，用差分代替微分、求和代替积分。于是，将（5·2）写成差分方程的形式：
⎡⎤T d T ()()u n -u n -1=K e (n ) -e (n -1) +e (n ) +(e (n ) -2e (n -1) +e (n -2)) p ⎢⎥ T i T ⎣⎦
（5·3） 式中 K p ——比例系数
T I ——积分时间
T d ——微分时间
T ——采样周期
u(n) ——第n 次输出量
u(n-1)——第n-1次输出量
e(n)——第n 次偏差
e(n-1)——第n-1次偏差
e(n-2) ——第n-2次偏差
2．一阶惯性环节的计算
图的框图中后面的两个环节都是一阶惯性环节，可利用连续系统离散化的数字仿真方法进行计算。
设连续系统的状态方程为；
X =AX +BU （5·4） 其中，A 、B 、X 、X 、U 均为向量。
而对于典型的一节惯性环节，其传递函数为：
Y (S ) K （5·5） =U (S ) S +a . .
其结构图如图所示。
图5·2典型惯性环节的结构图
其状态方程为：
x =-ax +Ku
故 A =-a B =K
于是可求得：
φ(T ) =e -aT （5·7） K (1-e -aT ) （5·8） a
∧K K K φm (T ) =-2+2e -aT +T （5·9） a a a . （5·6） φm (T ) =
今前一个一阶惯性环节的传递函数为1，将它转换成典型惯性环节传递函数的
T 2S +1
形式： 1=T 2S +11T 2
S +1
T 2K S +a ⇒
即 K =1 （5·10） T 2
1 （5·11） T 2 a =
将式（5·10）和（5·11）代入（5·7）、（5·8）和（5·9）即可求得该一阶惯性环节离散状态方程中的各系数φ(T ) 、φm (T ) 及φm (T ) 。
由于一阶惯性环节实际上是连续的，而计算是采用离散化的方法，因此是有误差的，为减少计算误差，式 中的T 一般应取比采样周期T 6小几倍的值，称为计算步距，在下面的程序中用符号L 1表示计算步距。因此 φ(T ) =e
令 E2=e
φm (T ) =1-e -L 1
T 2∧-L 1T 2 （5·12） -L 1T 2 （5·13） =1-E 2 （5·14）
令 F 2=1-E 2 （5·15） φm =-T 2+T 2e ∧-T
T 2+T =T 2(E 2-1) +L 1 （5·16）
令 G 2=T 2(E 2-1) +L 1 （5·17）
因此，在程序中该一阶惯性环节的计算公式为：
x 2=E2* x 2+F2*W3+G2*V3 （5·18）
同理，对于后一个惯性环节，其计算公式为：
x 1=E1* x 1+F1*W2+G1*V2 （5·19）
式中 E1=e-L 1
T 1
F1=1- E1
G1=T1(E1-1)+L1
5.1.3 数字PID 控制算法的改进
由于计算机控制系统中的数字PID 算法由软件实现，所以根据不同被控对象的要求，在标准的PID 控制算法上作某些改进非常方便，这样可在某种程度上改善控制品质。有如下几种方法：
（1） 实际微分PID 控制算法
（2） 微分先行PID 控制算法
（3） 积分分离PID 算法
（4） 遇限切除PID 算法
（5） 提高积分项积分的精度
5.1.4数字PID 控制的参数整定
数字PID 控制器控制参数的选择，可按连续-时间PID 参数整定方法进行。 在选择数字PID 参数之前，首先应该确定控制器结构。对允许有静差（或稳态误差）的系统，可以适当选择P 或PD 控制器，使稳态误差在允许的范围内。对必须消除稳态误差的系统，应选择包含积分控制的PI 或PID 控制器。一般来说，PI 、PID 和P 控制器应用较多。对于有滞后的对象, 往往都加入微分控制。选择参数控制器结构确定后，即可开始选择参数。参数的选择，要根据受控对象的具体特性和对控制系统的性能要求进行。工程上，一般要求整个闭环系统是稳定的，对给定量的变化能迅速响应并平滑跟踪，超调量小；在不同干扰作用下，能保证被控量在给定值；当环境参数发生变化时，整个系统能保持稳定等等。这些要求，对控制系统自身性能来说，有些是矛盾的。我们必须满足主要的方面的要求，兼顾其他方面，适当地折衷处理。PID 控制器的参数整定，可以不依赖于受控对象的数学模型。工程上，PID 控制器的参数常常是通过实验来确定，通过试凑，或者通过实验经验公式来确定。常用的方法，采样周期选择，
实验凑试法实验凑试法是通过闭环运行或模拟，观察系统的响应曲线，然后根据各参数对系统的影响，反复凑试参数，直至出现满意的响应，从而确定PID 控制参数。
整定步骤
实验凑试法的整定步骤为" 先比例，再积分，最后微分" 。
（1）整定比例控制：将比例控制作用由小变到大，观察各次响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。
（2）整定积分环节：若在比例控制下稳态误差不能满足要求，需加入积分控制。
先将步骤（1）中选择的比例系数减小为原来的50～80％，再将积分时间置一个较大值，观测响应曲线。然后减小积分时间，加大积分作用，并相应调整比例系数，反复试凑至得到较满意的响应，确定比例和积分的参数。
（3）整定微分环节：若经过步骤（2），PI 控制只能消除稳态误差，而动态过程不能令人满意，则应加入微分控制，构成PID 控制。 先置微分时间TD =0，逐渐加大TD ，同时相应地改变比例系数和积分时间，反复试凑至获得满意的控制效果和PID 控制参数。
实验经验法
扩充临界比例度法
实验经验法调整PID 参数的方法中较常用的是扩充临界比例度法, 其最大的优点是，参数的整定不依赖受控对象的数学模型，直接在现场整定、简单易行。
扩充比例度法适用于有自平衡特性的受控对象，是对连续-时间PID 控制器参数整定的临界比例度法的扩充。
整定步骤
扩充比例度法整定数字PID 控制器参数的步骤是：
（1）预选择一个足够短的采样周期TS 。一般说TS 应小于受控对象纯延迟时间的十分之一。
（2）用选定的TS 使系统工作。这时去掉积分作用和微分作用，将控制选择为纯比例控制器，构成闭环运行。逐渐减小比例度，即加大比例放大系数KP ，直至系统对输入的阶跃信号的响应出现临界振荡（稳定边缘），将这时的比例放大系数记为Kr , 临界振荡周期记为Tr 。
（3）选择控制度，就是以连续-时间PID 控制器为基准，将数字PID 控制效果与之相比较。通常采用误差平方积分作为控制效果的评价函数。
定义控制度：采样周期TS 的长短会影响采样-数据控制系统的品质，同样是最佳整定，采样-数据控制系统的控制品质要低于连续-时间控制系统。因而，控制度总是大于1的，而且控制度越大，相应的采样-数据控制系统的品质越差。控制度的选择要从所设计的系统的控制品质要求出发。
（4）查表确定参数。根据所选择的控制度，得出数字PID 中相应的参数TS,KP,TI 和TD 。
（5）运行与修正。将求得的各参数值加入PID 控制器, 闭环运行, 观察控制效果, 并作适当的调整以获得比较满意的效果。
5.1.5 数字PID 控制的参数自动整定
即使是单回路的模拟PID 调节器，参数的整定工作也是一件比较繁琐的工作。而计算机控制系统往往有数十、数百乃至上千个不同的控制回路，它们投运时的参数整定工作更是一项十分费时的工作。另一方面，当被控对象因某种原因发生变化时，原来整定好的参数已不能满足控制系统的要求，需要根据变化了的情况及时重新整定。因此，尽管有许多模拟PID 调节器参数整定的方法可以借鉴，但从用户的角度看来，人们希望在计算机控制系统中尽量减少人工参与，实现通过按某个键就能直接进行PID 参数自动整定的功能。综合已经提出的众多PID 参数自动整定方法，较为成熟的大致有以下几种：
1. 基于继电反馈控制的自动整定
2. 基于模式识别的自动整定
3. 基于专家系统原理以及控制器参数的优化计算整定
公式：
P(n)= P(n-1)-ΔP(n)
ΔP(n)=Kp[ΔE(n)+Td Ts E(n)+ ΔE 2(n)] Ts Ti
=KpΔE(n)+KiΔE(n)+kdΔE 2(n)
ΔE 2(n)= E(n)-2E(n-1)+E(n-2)
PID 算式程序框图
5．2 设计步骤
本次设计共设计四个实验的仿真：单回路、串级、前馈、比值。由于时间的问题只编译了单回路实验的仿真程序，以下是设计单回路仿真程序的步骤：
1．确定屏幕的尺寸以及背景颜色。
2．确定显示仪、调节器、电压表、电流表、电源开关、泵开关、各个实验的选向、排题板、水槽、泵转子流量及其他各种实验器件的尺寸和设计它们在屏幕中的位置。
图5·1记录仪和调节器
图5·2水槽及各个实验装置
3．画出单回路、串级、前馈、比值实验的流程图和每个实验的排线板接法以及干扰图。
图5·3排题板
4．编写电源和泵的启动和关闭程序和调节器的指示灯程序以及水槽液位，阀门动态变化程序。当按下电源按钮时，电源的指示灯就会变绿，
调节器上也会有相映的
变化，这说明实验设备已经通电了。这时再按下泵的按钮，泵的指示灯也会变绿，改变调节器的值，同时在屏幕中可以看到水流入上水槽。当实验做完时，先关闭其它设备，这时再按下泵的按钮，泵就会停止工作，水槽中的水就会减少直到都流入贮水槽。最后，关闭电源，整个实验的仿真就结束了。
5．编写调节器程序。用一个文本框作为调节器的给定值，当在文本框中写入给定值，在文本框上面的图片框中就会很形象的画出调节器的高度。调节阀位是用一个Slider 控件来完成的，使用Slider 控件前，先把它的最大值从10调到100。当调动调节器时，阀位的跟随值会慢慢的变化，同时水槽的水位也会跟随着变化。当手动的调到平衡时，按下自动的命令按钮，PID 自动调节程序就会启动。在PID 自动调节程序中应用了一个计时器控件，目的是每隔相等时间启动一次并在WC -200记录仪上相应的点，在本次毕业设计中Timer1.interval=200(毫秒) 。
仿真系统方框图如下：
图5·4仿真系统流程图
5.3运行程序
通过上一节的逐步设计制作，已基本完成基于VB 的水利模型计算机模拟系统，这一节将进行系统的运行和调试。
在一切准备工作就绪，这时运行此程序。屏幕左下角会出现一个实验的命令按钮，点击实验按钮就会从上到下出现四个按钮分别代表单回路、串级、前馈-反馈实验和确认。按下每个按钮会显示它所代表实验的流程图和排线板的接线方法以及接线步骤。由于时间关系，只做出了单回路实验的仿真。为了检验仿真程序做出的曲线与实际实验做出的曲线是否一致。
下面介绍一下单回路实验运行的具体步骤：
1．点击屏幕左下角实验命令按钮，这时在屏幕上会显示出简单、串级、前馈反馈点击简单按钮在按钮的右侧出现连线一，点击连线一就回完成第与步连线，然后继续点击连线按钮，按照接线步骤会一步一步的完成接线过程。从流程图和排线板的接法可以清楚的了解此实验的过程和仪表之间的关系。
2．按下电源启动按钮。电源按钮从无色变成绿色调节器电源也由红色变为为绿色，同时记录仪上出现一个坐标轴，说明已经给整个实验装置供电。
3．按下泵启动按钮。泵按钮从无色变成绿色，说明泵以启动。然后调动调节器的值，这时会在流程图上看见水从管道中流入到上水槽中，再由上水槽流到下水槽中，最后水流回贮水槽，够成一个回路。
4．调节器给定值显示下面有一个文本框，在文本框中输入设想的给定值。本次仿真的给定值设为50，这时在文本框中输入50，调节器给定值显示会自动达到50%，并且用红色显示。
5．这时调节手动调节阀的开度。在调节之前要先按下‘M ’按钮，说明进入手动调节。在调节时，当阀的开度过小时，水槽中的水会慢慢减少，调节器的跟随值显示会慢慢的下降。当阀的开度过大时，水槽中的水会越来越多，调节器的跟随值显示慢慢的上升。只有适当的调节阀的开度，最后使调节器的跟随值等于给定值。这时手动部分已经完成。
6．当手动平衡时将系统投入自动。只要按一下‘A ’按钮，系统会进入自动调节程序，在记录仪上画出一条4：1衰减的曲线，并且重新回到平衡位置。经过观察，仿真时画出的调节曲线与实验时画出的调节曲线基本上是一致的。
7．在系统运行平稳时，给系统加入干扰。这时按下加干扰按纽，打开另一条管道阀门。另一个管道会给上水槽加入15%的干扰，这时画出的曲线会突然向左，但经
过一段时间的调整，曲线会慢慢的回到平衡位置
8．在系统再次运行平稳时，给系统加入干扰。按下干扰按钮，关闭阀门停止给水槽送水。这时画出的曲线会突然向右，经过一段时间的调整，曲线慢慢恢复到平衡位置。
9．在实验做完时，按下泵的按钮。泵按钮从绿色变成无色，说明泵以停止工作。这时会在流程图上看见上水槽的水先慢慢减少，接下来是下水槽中的水流入贮水槽中。
10．关闭调节器。调节器开关从红色变成无色，说明调节器停止工作。调节器给定值显示和跟随值显示会慢慢的降为0，转子流量计的值也慢慢降为0，最后，关闭电源。电源按钮从绿色变成无色，说明整个实验已经完成。
第6章 问题与结论
经过运行调试，基于水利模型计算机模拟系统基本开发完成，其功能符合设计需求。能够对水槽的进水，出水过程进行模拟，进行简单控制系统实验。系统的运行过程比较稳定，没有出现死机现象，仪表也实时显示出了现场的数据，基本上达到了设计的目标。通过这次毕业设计，使我对Visual Basic 6.0有了更进一步的了解，并且学会了一些在课堂上学不到的知识。因为这是我第一次把Visual Basic 6.0应用到仿真中，在实际编写程序的过程中遇见了一些问题。现将我在编写程序中遇见的一些问题作以下举例：
（1）在手动调节阀的开度时，发现跟随值很难等于给定值。
（2）有的自变量定义为局部变量，在其它程序中调用此变量时，发现每次调用时自变量的值不是所要的上一次的值，而每次都是默认值0。
（3）记录仪中的曲线图不够完善
（4）气关阀操作界面制作的不够完善，画面不够逼真没有实现模拟真实阀门的操作。
（5）仅能完成简单控制系统实验
计算机上做的仿真结果如下：
图6·1 仿真结果
从图6·1中可以看出，加入干扰后衰减比为：N=B1/B2=4：1，过渡过程终了时不存在余差。
结论：通过在水利模型实验装置上做的单回路实验曲线和在计算机上做的单回路仿真过程所画出的曲线相比较，从大体上可以认为是一致的。所以，用计算机做单回路、串级、前馈-反馈实验的过程仿真是可行的。
结束语
毕业设计是四年中学习的精华，是真正的学以致用，是步入社会走向工作岗位的演习。通过这次设计我学到了许多从书本上、课堂上学不到的东西，并且锻炼了自己的实际动手能力，使我在各方面都有了明显的提高。这段期间通过运用这些知识，才知道自己还缺乏在实践中的实际操作能力，这有待今后继续学习。这段时间里，在老师的精心指导下，从最初的无从下手到翻阅资料，到运用多方面的知识和编程工具设计完成了动态模拟系统不仅完善了我的专业知识，加深了对流程的自动化控制、计算机编程、调试诸环节的认识与理解，而且整个过程丰富了自己对一个项目的各项设计步骤与具体实施的经验，夯实了自己在开发一个工程、系统方面的必备基础和技能。这些都是开发设计的收获，当然这其中有艰辛的经历，在遇到许许多多难题时的困惑直到最后问题得到正确的处理，也从各个方面充实了自己解决实际问题的能力。
此次毕业设计从程序设计方案的确定一直到运行、调试，可以说是一个小的工业模拟系统的研发。而正是因为这样，使我得到了多方面的锻炼，从而掌握了Visual Basic 6.0的基本用途，从而提高了自己分析问题和解决问题的能力，为以后走上工作岗位积累了宝贵的经验。
从整体上来讲，此次设计基本成功，并通过程序运行验证了其可行性。但由于是第一次接触，难免会出现一些失误
所设计的系统运行比较稳定，其控制系统功能基本完善，但由于毕业设计时间有限，对VB 的运用还达不到很熟练, 加之经验有限，个人能力有限，不足之处还请批评指正。
致 谢
四年美好的大学时光转眼就过去了，在我学生生涯即将结束之时，我要向那些给我帮助的同学和老师表示深切的谢意！
在本论文的完成过程中，一直得到我的导师赵景玉老师的悉心指导，无论是最初的选题开题，还是后来的理论分析，系统设计，以至整个论文的完成，赵老师都给与了我无私的关怀和帮助，在这一段的学习过程中，不仅使我丰富了系统的专业知识，更增强了我独立进行科学研究的能力。
在此特别向我的赵老师表示最崇高的敬意和衷心的感谢！赵老师宽容的品质，严谨的教学态度，渊博的学识，敏锐的学术见解，忘我的工作精神以及勤勉务实的伟人风范使我终生受益，在毕业设计这个环节中，赵老师不仅在学习上给与了我耐心的指导，在生活细节和为人处事方面的态度方面也使我受益匪浅。还要特别感谢老师在毕业设计环节中给我们提供了良好的学习、研究环境和上机条件。
谢谢大学四年我的所有老师，他们的殷殷指导使我收获颇丰，同时为以后的学习工作打下了良好的基础；谢谢我的同学，他们的关怀和帮助让我的生活充满友情和关怀，让我会终身铭记于心。
参考文献
[1] 刘新民，蔡琼，白康生. Visual Basic 6.0程序设计。北京：清华大学出版社，2004，3
[2] 王骥程, 祝和云. 化工过程控制工程. 北京：化学工业出版社，1991,5
[3] 王 慧, 金以慧. 计算机控制系统. 北京：化学工业出版社，2003,3
[4] 刘瑞新, 汪远征. Visual Basic程序设计教程. 北京：机械工业出版社，2000,10
[5] 网冠科技. Visual Basic 6.0控件时尚编程百例. 北京：机械工业出版社,2001,6
[6] 黄淼云, 张学忠, 王福成. Visual Basic 6.0控件应用编程实例教程. 北京：北京希
望电子出版社,2002,11
[7] 吴目诚, 吴秉柔. AutoCAD 2002入门与实例应用. 北京：中国铁路出版
社,2003,1
[8] 范鸣玉, 张 莹. 最优化技术基础. 北京：清华大学出版社，1982,11
[9] 马金平基于ActiveX 组件技术的模型库系统的开发研究. 计算机应用2001
[10] 赵新星.COM 组件属性、方法的自动提取和调度，计算机工程，2000.
[11] Tao, M. Et al.. Computer integrated process system in continuous
manufacturing industries. Computer Integrated Manufacturinf System.1993,6(4): 260-272
[12] Clarke, D.W., Mothadi, C..Tuffs, P.S.. Generalized Predictive Control.
Automatica. 1987,23(2): 137-160
[13] Froisy, J.Brian. Model Predictive Control: Past, Present and Future. ISA
Transactions.1994,33:235-243
[14] Rouhani, R., Mehra, R.k.Model Algorithmic Control (MAC): Basic
Theoretical Properties..Automatica. 1982,18(4):401-414
[15] Cutler, C.R., Ramaker, B.L.. Dynamic Matrix Control Algorithm.
Proceedings of the 1980 Jiont Automatic Control Conference V .1. San Francisco: American Automatic Council,1980
摘 要
水力模型过程控制装置是为自动化专业的化工过程控制、计算机控制技术、系统仿真与建模等课程服务的实验装置。利用计算机科学和技术的成果建立被仿真的系统的模型，并在某些实验条件下对模型进行动态实验的一门综合性技术。它具有高效、安全、受环境条件的约束较少、可改变时间比例尺等优点，已成为分析、设计、运行、评价、培训系统的重要工具。现在，计算机仿真技术已经广泛的应用在机械制造、航空航天、交通运输、经济管理、工程建设、以及军事模拟等领域，由于物理模拟是靠实验装置上进行模仿实际过程，因此无论在经济上，时间上都付出高的代价，甚至实际过程不能进行模拟。而通过计算机建立仿真模型就要经济，高效的多，因此计算机仿真得到了广泛的应用。
本次设计《水利模型装置计算机控制系统仿真》是通过计算机仿真和Visual Basic 应用软件制作水水力模型控制系统实验的计算机仿真模型。通过VB 设计出水力模型装置实验的过程模拟界面和键盘处理、画面处理、在线修改、控制算法。由于计算机系统建立的仿真模型有着形象，直观，理解简单，不受场地和设备限制等优点，这样学生通过计算机仿真的操作对实验有了一定的了解，在以后的实物实验中能够更好的理解实验意义和节约时间。
本次毕业设计的要求是在了解实验仪表的基础上，对实验装置进行连线和调试，并画出控制柜正面布置图和背面接线图。在此基础上做出单回路、串级、前馈-反馈实验。然后，用Visual Basic 6.0对以上实验过程进行计算机仿真。
关键词:过程控制；过程仿真；控制面板
Abstract
Water conservancy model process control device is an experimental equipment which serves for chemical process control , computer control technology , system emulation and modeling etc. other courses of the major of automation . The main characteristic of this experimental provision is: It is the same as modern instrument used for industry, we can say it is a small-scale industrial process control system, this established the solid foundation for the students who step into the society in the future and join in the modernization . Meanwhile, it can also measure such a lot of parameters as the flow , height of liquid location ,etc. It has highly effective, safe, is been few the environmental condition restraint, may change merits and so on time scale, has become the analysis, the design, the movement, the appraisal, the training system important tool. Now, computer simulation technology already widespread application at machine manufacture, aerospace, transportation, economical management, engineering construction, as well as domains and so on military simulation, but it in the system design, domains and so on experimental demonstration also has the broad development space. This test installation main characteristic is: It the measuring appliance which uses with the modern industry is same, may say it is a small commercial run control system, this later will march into for schoolmates the society, joined in the modernization to lay the solid foundation.At the same time, it also may determine the current capacity, the fluid position altitude and so on many parameters.
This graduation project "Water conservation Model Installment Computer control system Simulation" its guiding ideology is embarks from the process control theory, caused the students in the graduation before can even more understand the industrial production automation the process, strengthened everybody the reality to begin ability and the correct control thought.
The demand of this graduation project is that carry on line and debug to
experimental equipments on the basis of understanding experiment instruments, draw switch board front assign picture and the back wiring diagram. On this basis you can make out the single return circuit , each, ratio experiment. Then, use VB language to carry on the computer control of the above experiment process.
Keywords :process control；process emulation；Control panel
目 录
第1章 绪 论 ...................................................................................... 1
第2章 实验装置的组成 ...................................................................... 2
2.1 实验装置简介 ................................................................................... 2
2.2 实验装置的组成 ............................................................................... 3
第3章 计算机仿真及VISUAL BASIC简介 . ...................................... 5
3.1 计算机仿真简介 ............................................................................... 5
3.2 V ISUAL B ASIC 简介 ............................................................................ 6
3.2.1 Visual Basic概述 ......................................................................... 6
3.2.2 Visual Basic的特点 . ..................................................................... 6
3.2.3 Visual Basic控件简介 ................................................................... 7
3.2.4 通用过程的调用 . ............................................................................ 8
第4章 总体设计 .................................................................................. 9
4.1 工艺流程简介 ................................................................................... 9
4.2 各系统方框图及示意图 . ................................................................. 10
4.2.1 单回路控制系统 . .......................................................................... 10
4.2.2 串级控制系统 .............................................................................. 12
4.2.3 前馈控制系统 .............................................................................. 13
第5章 控制算法 ................................................................................ 16
5.1 数字PID 控制算法 . ........................................................................ 16
5.1.1 PID 概述 ...................................................................................... 16
5.1.2 数字PID 的计算方法 . .................................................................... 17
5.1.3 数字PID 控制算法的改进 .............................................................. 20
5.1.4 数字PID 控制的参数整定 .............................................................. 20
5.1.5 数字PID 控制的参数自动整定 . ....................................................... 22
5.2 设计步骤......................................................................................... 24
5.3 运行程序......................................................................................... 27
第6章 问题与结论 . .............................................................................. 29
结束语 . .................................................................................................... 31
致 谢................................................................................................. 32
参考文献................................................................................................. 33
附图1（控制屏） ................................................................................. 34
附图2（排题板） ................................................................................. 35
第1章 绪 论
计算机仿真技术是以多种学科和理论为基础，以计算机及其相应的软件为工具，通过虚拟试验的方法来分析和解决问题的一门综合性技术。计算机仿真（模拟）早期称为蒙特卡罗方法，是一门利用随机数实验求解随机问题的方法。其原理可追溯到1773年法国自然学家G .L.L.Buffon 为估计圆周率值所进行的物理实验。根据仿真过程中所采用计算机类型的不同，计算机仿真大致经历了模拟机仿真、模拟－数字混合机仿真和数字机仿真三个大的阶段。20世纪50年代计算机仿真主要采用模拟机；60年代后串行处理数字机逐渐应用到仿真之中，但难以满足航天、化工等大规模复杂系统对仿真时限的要求；到了70年代模拟－数字混合机曾一度应用于飞行仿真、卫星仿真和核反应堆仿真等众多高技术研究领域；80年代后由于并行处理技术的发展，数字机才最终成为计算机仿真的主流。现在，计算机仿真技术已经在机械制造、航空航天、交通运输、船舶工程、经济管理、工程建设、军事模拟以及医疗卫生等领域得到了广泛的应用。由于物理模拟是靠实验装置上进行模仿实际过程，因此无论在经济上、时间上都付出高的代价，甚至实际过程不能进行模拟。而数学模拟是建立的数学模型，在电子计算机上进行模拟，因此经济得多，效率高，得到广泛地应用。因此，仿真技术是自动化专业人员的一门主要学科。
随着计算机仿真技术的不断发展和完善, 其已经深入到工业设计的各个领域, 本课题以建立简单控制系统控制系统的水力模型实验装置计算机模拟仿真系统模型为例子，来研究和讨论计算机仿真技术在自动控制系统的实验以及设计领域的应用，由于利用计算机系统建立的仿真模型有着形象，直观，理解简单，不受场地和设备限制等优点。所以其在实验演示领有有着很好的发展前景。而且，多容过程是过程控制中的基本的典型的受控过程，所以在许多研究和教学中都要涉及到多容过程。通过建立水力模型实验装置计算机仿真系统模型，使涉及到无相互影响的多容过程的研究更加高效，便捷。
本次设计的课题是《水利模型装置计算机控制系统仿真》。主要设计任务是将过程控制实验室里用常规仪表控制的水力模型实验装置的组成进行全面的了解。主要了解调节器、变送器、加减器、电气转换器、差压变送器、配电器的作用、工作原理、主要技术特性、调整和接线等。在此基础上还要熟悉控制算法、应用的程序、编程语言才能完成单回路、串级、前馈等实验。最后，用Visual Basic 6.0对以上三个实验进行仿真。
第2章 实验装置的组成
2．1 实验装置简介
本实验装置是在学好化工过程控制、计算机控制技术、系统仿真与建模等课程的基础上。通过同学们自己动手，对实验装置进行系统的连接与调试，培养了同学们自己动手、实践及创新能力，同时它也为科学研究提供了良好的实验基础。
本实验装置分为工艺设备和控制屏两部分，两者之间通过电、气管线相连构成一个整体。
工艺设备如图2·1所示
贮水槽
图2·1工艺设备
图中有三只水槽，其中槽1、槽2为调节对象，他们的液位高度L1及L2分别作为液面对象的被调参数，而由各自的液位变送器测出。槽3为贮槽，是为了构成循环水而设置的，贮槽3中的水可通过泵1或泵2抽出经孔板F1、F2，调节阀V1或V2后送入槽1或槽2，其流量大小也分别通过各自的流量变送器测出。贮槽1及贮槽2中的水可分别通过它们各自的液阻R1、R2流入下槽，如此构成水的循环
工艺设备（见图2·1）。控制屏（见附图1）正面装有一台两笔记录仪。三台电
调节器和二块毫安表头，下面有一个可组成各种调节系统的排题板。
排题板（见附图2）先将装置上所有仪表的接线端子与排题板上的二芯插孔连起来，这样排题板上的插孔就是仪表的接线端子，用二芯插头插在不同的插孔中，即可构成不同的调节方案，完成不同的实验项目，十分方便。本装置可进行简单、串级、比值、前馈、分程、非线性等16种系统实验。
2．2实验装置的组成
本实验装置是由电容式差压变送器、配电器、XWCJ 双平衡记录仪、电动光柱调节器、电-气转换器、加减器、开方器等组成。
（1）电容式差压变送器
电容式差变送器是没有杠杆机构的变送器，它采用差动电容作为检测单元，整个变送器无机械传动、调整装置，并且测量部分采用全封闭焊接的固体化构。因此仪表结构简单，性能稳定、可靠，且具有较高的精度。
在石油、化工、冶金、电力、食品、造纸、医药、纺织等工业生产过程检测控制系统中，电容式差变送器配用节流装置可检测液体、气体和蒸汽的流量，也可以直接用来检测差压、表压，以及开口或密闭容器内液体的液位。
电容式差变送器将被测信号转化成4~20mA DC输出信号，与其他单元组合仪表或工业控制计算机配合，组成测量、记录、控制等工业自动化系统。
（2）配电器
DFP –2100型配电器是DDZ –Ш 型电动单元组合仪表中的一个单元。它为设置在现场的变送器提供一个隔离电源，同时又将变送器4~20mA DC直流信号转换成与之隔离的1~5V DC直流电压信号。实现变送器、二次仪表、电源之间的隔离。本配电器可对二台变送器进行供电。
（3）XWCJ 双平衡记录仪
XWCJ 系列大型长图晶体管或自动平衡记录仪，供冶金、石油、化肥、化工、机电、轻纺等工矿企业以及科研单位作自动测量和记录各种参量之用。
XWCJ 系列仪表为电位差计，与各种标准份度的热电偶、辐射感温器配套使用测量温度；也可以与生产直接电势或电流的相应变送器配套以测量压力、流量等或进行成分分析。
（4）电动光柱调节器
指示调节仪是DDZ –Ш电动单元组合仪表调节单元中的一个基型品种。它接受来自变送器1~5V DC的测量信号，并对此信号与给定信号的偏差值，进行比例积分
微分运算。运算结果以4~20mA直流电流形式输出。可对工业自动化控制过程中的温度、压力、差压、等参数实行自动调节。
调节器的给定、测量的信号值是在统一刻度尺内被指示，便于观察调节结果。参数的指使可选择光柱指示或表头指示。当用光柱指示时，被显示的参数更具清晰、醒目、正确，并克服了表头指示的抗震性差读数不准等缺点。
（5）电-气转换器
DQ –3型电气转换器是将从电动调节系统中来的标准电流讯号成比例得转换为气动调节系统中的标准气动讯号。
（6）加减器
DJJ 型电动加减器是DDZ –Ш 型电动单元组合仪表中计算单元之一，该仪表与调节器等配合使用可进行多参数调节，能进一步改善调节质量。
本加减器有2~4个1~5V DC 输入信号，进行加减运算后输出1~5V DC（或4~20mA DC作辅助信号用），它可以方便的组成9种不同形式的运算公式，各输入信号的系数也可以方便的油印制电路板上的钟表电位器给出。
（7）开方器
DJK –1000型电动开方器是DDZ –Ш 型电动单元组合仪表中计算单元之一。该仪表与差压变送器相配合，将差压与流量的非线性关系（乘方关系）进行开方，使开方器的输出和管道中的流量成线性关系，从而可以直管的显示管道中的流量，免于制造非线性刻度的指示仪表。此外，开方器也可以与差压变送器、调节器、其它计算单元相配合，构成特性较好的流量控制系统。
第3章 计算机仿真及Visual Basic简介
3.1计算机仿真简介
利用计算机科学和技术的成果建立被仿真的系统的模型，并在某些实验条件下对模型进行动态实验的一门综合性技术。它具有高效、安全、受环境条件的约束较少、可改变时间比例尺等优点，已成为分析、设计、运行、评价、培训系统（尤其是复杂系统）的重要工具。
仿真是对现实系统的某一层次抽象属性的模仿。人们利用这样的模型进行试验，从中得到所需的信息，然后帮助人们对现实世界的某一层次的问题做出决策。仿真是一个相对概念，任何逼真的仿真都只能是对真实系统某些属性的逼近。仿真是有层次的，既要针对所欲处理的客观系统的问题，又要针对提出处理者的需求层次，否则很难评价一个仿真系统的优劣。
传统的仿真方法是一个迭代过程，即针对实际系统某一层次的特性（过程），抽象出一个模型，然后假设态势（输入），进行试验，由试验者判读输出结果和验证模型，根据判断的情况来修改模型和有关的参数。如此迭代地进行，直到认为这个模型已满足试验者对客观系统的某一层次的仿真目的为止。
模型对系统某一层次特性的抽象描述包括：系统的组成；各组成部分之间的静态、动态、逻辑关系；在某些输入条件下系统的输出响应等。根据系统模型状态变量变化的特征，又可把系统模型分为：连续系统模型——状态变量是连续变化的；离散（事件）系统模型——状态变化在离散时间点（一般是不确定的）上发生变化；混合型——上述两种的混合。
计算机仿真技术和用于仿真的计算机（简称仿真机）都应充分反映上述的仿真的特点及满足仿真工作者的需求。仿真机用于仿真的计算机。20世纪50年代的仿真机大部分是以电子模拟计算机为主机实现的，在部分特殊应用领域内也有以液压机、气压机或阻抗网络作为主要模拟设备的。由于电子模拟计算机的精度较差等缺点，从70年代初开始，数字模拟混合仿真机得到发展。从70年代末起，以数字机为主机的各种各样专用和通用仿真机得到普及和推广。由于高性能工作站、巨型机、小巨机、软件技术和人工智能技术取得引人瞩目的进展，在80年代内人们对智能化的仿真机寄予希望，也在综合集成数字仿真和模拟仿真的优势的基础上，设计出在更高层次上的数字模拟混合仿真机，在一些特定的仿真领域内，这种智能仿真机和高层次的数字模拟仿真机都取得令人鼓舞的结果。
随计算机技术的飞速发展 ，在仿真机中也出现了一批很有特色的仿真工作站、小巨机式的仿真机、巨型机式的仿真机。80年代初推出的一些仿真机，SYSTEM10和SYSTEM100就是这类仿真机的代表。仿真系统为了建立一个有效的仿真系统，一般都要经历建立模型、仿真实验、数据处理、分析验证等步骤。为了构成一个实用的较大规模的仿真系统，除仿真机外，还需配有控制和显示设备。
3.2 Visual Basic简介
3.2.1 Visual Basic概述
Visual Basic, 简称VB ，是Microsoft 公司推出的一种Windows 应用程序开发工具。是当今世界上使用最广泛的编程语言之一，它也被公认为是编程效率最高的一种编程方法。无论是开发功能强大、性能可靠的商务软件，还是编写能处理实际问题的实用小程序，VB 都是最快速、最简便的方法。
何谓 Visual Basic ？“Visual ”指的是采用可视化的开发图形用户界面（GUI ）的方法，一般不需要编写大量代码去描述界面元素的外观和位置，而只要把需要的控件拖放到屏幕上的相应位置即可；“Basic ”指的是BASIC 语言，因为VB 是在原有的BASIC 语言的基础上发展起来的，至今包含了数百条语句、函数及关键词，其中很多和 Windows GUI 有直接关系。专业人员可以用 Visual Basic 实现其它任何 Windows 编程语言的功能，而初学者只要掌握几个关键词就可以建立实用的应用程序。VB 提供了学习版、专业版和企业版，用以满足不同的开发需要。学习版使编程人员很容易地开发Windows 和Windows NT的应用程序；专业版为专业编程人员提供了功能完备的开发工具；企业版允许专业人员以小组的形式来创建强健的分布式应用程序。
3.2.2 Visual Basic的特点
VB 是从BASIC 发展而来的, 对于开发Windows 应用程序而言，VB 是目前所有开发语言中最简单、最容易使用的语言。作为程序设计语言，VB 程序设计具有以下特点:
1. 可视化的设计平台
2. 面向对象的设计方法
3. 事件驱动的编程机制
4. 结构化的设计语言
5. 充分利用Windows 资源
6. 开发的数据库功能与网络支持
所以在界面设计中我们不必再为界面的设计而编写大量程序代码，只需按设计的要求，用系统提供的工具在屏幕上“画出”各种对象，VB 自动产生界面设计代码，我们只需要编写实现程序功能的那部分代码，从而大大提高了编程的效率。
3.2.3 Visual Basic控件简介
1．鼠标按键操作
VB 中为了实现鼠标按键操作，提供了3个过程模板：1压下鼠标按键事件过程Mouse Down；2松开鼠标按键事件过程Mouse Up；3移动鼠标事件Mouse Move。可对鼠标进行单击（Click ）或双击(DblClick ) 的操作，我们只用到了单击事件。当单击鼠标左键时，触发Click 事件：
Sub object_Cick()
End Sub
2．键盘操作
键盘事件是用户敲击键盘时产生的事件。对于接受文本的控件，通常要对键盘事件进行编程。键盘事件有Key Down,Key Up,Key Press事件。在设计中我们只用到了Key Press事件和Key Down事件，下面只对这两项进行简单介绍：
Key Press事件
当用户按下键盘上的某个键时，将发生Key Press 事件，该事件可用于窗体、复选框、组合框、命令按钮和列表框等框架。严格地说，当按下键盘上的某个键时，所触发的是具有输入焦点（Focus ）的控件的Key Press能位于某一个控件上，如果窗体上没有活动的或可见的控件时，则输入焦点位于窗体上。当一个控件或窗体本身拥有输入焦点时，该控件或窗体将接收从键盘上输入的信息。在按下与ASCII 字符对应的键是将触发Key Press事件。Key Press事件的语法结构是：
Private Sub object_KeyPress(KeyAscii As Integer)
End Sub
数字的ASCII 码是48（数字0）到57（数字9），而字母的ASCII 码是58（字母a ）到110(字母Z )
Key Down事件
与Key Press事件不同，Key Down事件返回的是键盘的直接状态，即直接的键值。当按下字母键a 时，Key Down事件的Key Code参数即是字母a , 它可以检测到Key Press事件无法检测到的情况。它的语法结构是：
Private Sub object KeyDown(KeyCode As Integer, Shift As Integer)
End Sub
KeyCode 是按键实际的ASCII 码，该码以“键”为准，而不是以字符为准。也就是说，大写字母与小写字母使用键盘上同一个键，因而他们的KeyCode 值相同，均使用大写字母的ASCII 码。
键盘事件和鼠标事件都是用户与程序之间交互操作中的主要元素. 单击鼠标和按下键都可触发事件，而且还提供进行数据输入的手段以及在窗口和菜单中移动的基本形式。
3．Slider 控件
Slider 控件是包括滑块和可选择性刻度标记的窗口。可以通过拖动滑块、用鼠标单击滑块的任意一侧或者使用键盘移动滑块。
在选择离散数值或某个范围内的一组连续数值时，Slider 控件无需键入数字，通过将滑块移动到刻度标记处。用Slider 对被显示的图像设置大小。
4．Timer 控件
Timer 控件是Visual Basic 6.0中唯一用于处理时间的控件。通过引发Timer 事件，Timer 控件可以有规律地隔一段时间执行一次代码。因此，它在Visual Basic 6.0中有多种应用：响应时间的流逝、在一定的时间间隔执行操作、检查系统时钟、判断是否该执行某项任务、其它后台处理等等。由于Timer 控件用于背景进程中，它是不可见的。
3.2.4通用过程的调用
建立调用过程的目的之一就是减少重复代码，将公共语句放入分离开的过程（通用过程）并由事件过程来调用它。
每次调用过程都会执行Sub 和End Sub之间的。Sub 过程以End Sub结束。当程序遇到End Sub时，将退出过程，并立即返回到调用语句的后续语句，调用过程有诸多技巧，它们与过程的类型、位置以及在应用程序中的使用方法有关。
调用Sub 过程有两种方法：
1．使用Call 语句：Call （[〈实参表〉]）
2．直接使用过程名： [〈实参表〉]
本次设计在PID 自动调节时使用了第一种方法，使用该方法减少了程序的反复抄写，同时有助于程序的阅读。
第4章 总体设计
4.1工艺流程简介
本实验装置是在学好化工过程控制、计算机控制技术、系统仿真与建模等课程的基础上。通过同学们自己动手，对实验装置进行系统的连接与调试，培养了同学们自己动手、实践及创新能力，同时它也为科学研究提供了良好的实验基础。
工艺流程如图所示
图4·1 工艺流程
图中有三只水槽，其中槽1、槽2为调节对象，他们的液位高度L 1及L 2分别作为液面对象的被调参数，而由各自的液位变送器测出。槽3为贮槽，是为了构成循环水而设置的，贮槽3中的水可通过泵1或泵2抽出经孔板F 1、F2，调节阀V 1或V 2后送入槽1或槽2，其流量大小也分别通过各自的流量变送器测出。贮槽1及贮槽2中的水可分别通过它们各自的液阻R 1、R 2流入下槽，如此构成水的循环。
4.2各系统方框图及示意图
4.2.1单回路控制系统
图4·2单回路控制系统
Gc(s): 控制器的传递函数
Gr(s): 控制阀的传递函数
Gp(s): 受控对象的传递函数
Gm(s): 测量变送的传递函数
r : 设定值
e : 偏差
y : 受控对象
u : 控制变量
q : 操纵变量
z : 测量值
图4·3简单控制系统示意图
工作原理：当系统由于某种原因出现偏差e 时，控制器便按预先设置的控制规律对偏差进行运算，然后输出一个变化了的控制量u 到执行机构，使其产生一个能减小偏差的控制作用。这个过程不断进行，直到满足控制要求为止。此时，控制器输出u 便维持在一定的值上不在改变。
4.2.2串级控制系统
图4·4串级控制系统方框图
Gp1(s): 主对象的传递函数
Gp2(s): 副对象的传递函数
Gc1(s): 主控制器的传递函数
Gc2(s): 副控制器的传递函数
y1: 主变量
y2: 副变量
图4·5 串级控制系统示意图
串级控制系统中，副回路给系统带来了一系列的优点：串级控制较单回路控制系统有更强的抑制干扰能力，因此设计此类系统时应把主要的扰动包含在副回路中；对象的纯滞后比较大时，若用单回路控制，则过渡过程时间长，超调量大，参数恢复较慢，控制质量较差，采用串级控制可以克服对象纯滞后的影响，改善系统的控制性能；对于具有非线性的对象，采用单回路控制，在负荷变化时，不相应的改变控制器参数，系统的性能很难满足要求，若采用串级控制，把非线性对象包含在副回路中，由于副回路是随动系统，能够适应操作条件和负荷的变化，自动改变副控调节器的给定值，因而控制系统仍有良好的控制性能。
在串级控制系统中，主、副控制器的选型非常重要。对于主控制器，为了减少稳态误差，提高控制精度，应具有积分控制，为了使系统反应灵敏，动作迅速，应加入微分控制，因此主控制器应具有PI 控制规律；对于副控制器，通常可以选用比例控制，当副控制器的比例系数不能太大时，则应加入积分控制，即采用PI 控制规律，副回路较少采用PID 控制规律。
4.2.3 前馈控制系统
图4·6前馈控制系统方框图
Gpd(s): 干扰通道的传递函数
Gpc(s): 控制通道的传递函数
Gff(s): 前馈控制器的传递函数
θ1: 受控变量
Q : 扰动量
Gs : 操纵变量
在实际生产过程控制中，由于前馈控制是开环控制，且只能针对某一特定的干扰实施控制作用，因此很少单独被采用。通常是采用前馈-反馈控制相结合的方案，其典型结构如下图：
图4·7 前馈-反馈控制系统方
图4·8 前馈控制系统示意图
前馈－反馈控制系统也有两个控制器，但在结构上与串级控制系统是完全不同
的。串级控制系统是由内、外两个控制回路所组成；而前馈－反馈控制系统是由一个反馈回路和另一个开环的补偿回路叠加而成。干扰幅值大而频繁，对被控变量影响剧烈，仅采用反馈控制达不到要求的对象。主要干扰是可测而不可控的变量。所谓可测，是指干扰是可以运用检测变送装置将其在线转化为标准的电或气的信号。但目前对某些变量，特别是某些成分量还无法实现上述转换。也就无法设计相应的前馈控制系统。所谓不可控、主要是指这些干扰难以通过设置单独的控制系统予以稳定，这类干扰在连续生产过程中是经常遇到的，其中也包括一些虽能控制但生产上不允许控制的变量，例负荷量等。当对象的控制通道滞后大、反馈控制不及时，控制质量差，可采用前馈或前馈反馈控制系统，以提高控制质量。
第5章 控制算法
5.1 数字PID 控制算法
5.1.1 PID概述
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。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的 其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID 控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或 不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID 控制技术。PID 控制，实际中也有PI 和PD 控制。PID 控制器就是根据系统的误差，利用比例、 积分、微分计算出控制量进行控制的。
比例（P ）控制
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。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。
积分（I ）控制
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，则称这个控制系统是有稳态误差的 或简称有差系统（System with Steady-state Error）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。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。因此，比例+积分(PI ) 控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
微分（D ）控制
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组件（环节）或有滞后(delay)组件，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。这就是说，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。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD ) 控制器能改善系统在 调节过程中的动态特性。
5.1.2 数字PID 的计算方法
今控制对象的传递函数为： Y (S ) K （5·1） =U (S ) (T 1S +1)(T 2S +1)
于是，可画出控制系统的框图，如图5·1所示。
图5·1 控制系统的框图
1．利用计算机实现PID 调节
在模拟控制系统中PID 控制规律的表达式
⎡1u (t )=K p ⎢e (t )+T i ⎣de (t )⎤ ⎥ （5·2）dt ⎦⎰t 0e (t )dt +T d
为了便于计算机计算，在采样周期T 比较小时，用差分代替微分、求和代替积分。于是，将（5·2）写成差分方程的形式：
⎡⎤T d T ()()u n -u n -1=K e (n ) -e (n -1) +e (n ) +(e (n ) -2e (n -1) +e (n -2)) p ⎢⎥ T i T ⎣⎦
（5·3） 式中 K p ——比例系数
T I ——积分时间
T d ——微分时间
T ——采样周期
u(n) ——第n 次输出量
u(n-1)——第n-1次输出量
e(n)——第n 次偏差
e(n-1)——第n-1次偏差
e(n-2) ——第n-2次偏差
2．一阶惯性环节的计算
图的框图中后面的两个环节都是一阶惯性环节，可利用连续系统离散化的数字仿真方法进行计算。
设连续系统的状态方程为；
X =AX +BU （5·4） 其中，A 、B 、X 、X 、U 均为向量。
而对于典型的一节惯性环节，其传递函数为：
Y (S ) K （5·5） =U (S ) S +a . .
其结构图如图所示。
图5·2典型惯性环节的结构图
其状态方程为：
x =-ax +Ku
故 A =-a B =K
于是可求得：
φ(T ) =e -aT （5·7） K (1-e -aT ) （5·8） a
∧K K K φm (T ) =-2+2e -aT +T （5·9） a a a . （5·6） φm (T ) =
今前一个一阶惯性环节的传递函数为1，将它转换成典型惯性环节传递函数的
T 2S +1
形式： 1=T 2S +11T 2
S +1
T 2K S +a ⇒
即 K =1 （5·10） T 2
1 （5·11） T 2 a =
将式（5·10）和（5·11）代入（5·7）、（5·8）和（5·9）即可求得该一阶惯性环节离散状态方程中的各系数φ(T ) 、φm (T ) 及φm (T ) 。
由于一阶惯性环节实际上是连续的，而计算是采用离散化的方法，因此是有误差的，为减少计算误差，式 中的T 一般应取比采样周期T 6小几倍的值，称为计算步距，在下面的程序中用符号L 1表示计算步距。因此 φ(T ) =e
令 E2=e
φm (T ) =1-e -L 1
T 2∧-L 1T 2 （5·12） -L 1T 2 （5·13） =1-E 2 （5·14）
令 F 2=1-E 2 （5·15） φm =-T 2+T 2e ∧-T
T 2+T =T 2(E 2-1) +L 1 （5·16）
令 G 2=T 2(E 2-1) +L 1 （5·17）
因此，在程序中该一阶惯性环节的计算公式为：
x 2=E2* x 2+F2*W3+G2*V3 （5·18）
同理，对于后一个惯性环节，其计算公式为：
x 1=E1* x 1+F1*W2+G1*V2 （5·19）
式中 E1=e-L 1
T 1
F1=1- E1
G1=T1(E1-1)+L1
5.1.3 数字PID 控制算法的改进
由于计算机控制系统中的数字PID 算法由软件实现，所以根据不同被控对象的要求，在标准的PID 控制算法上作某些改进非常方便，这样可在某种程度上改善控制品质。有如下几种方法：
（1） 实际微分PID 控制算法
（2） 微分先行PID 控制算法
（3） 积分分离PID 算法
（4） 遇限切除PID 算法
（5） 提高积分项积分的精度
5.1.4数字PID 控制的参数整定
数字PID 控制器控制参数的选择，可按连续-时间PID 参数整定方法进行。 在选择数字PID 参数之前，首先应该确定控制器结构。对允许有静差（或稳态误差）的系统，可以适当选择P 或PD 控制器，使稳态误差在允许的范围内。对必须消除稳态误差的系统，应选择包含积分控制的PI 或PID 控制器。一般来说，PI 、PID 和P 控制器应用较多。对于有滞后的对象, 往往都加入微分控制。选择参数控制器结构确定后，即可开始选择参数。参数的选择，要根据受控对象的具体特性和对控制系统的性能要求进行。工程上，一般要求整个闭环系统是稳定的，对给定量的变化能迅速响应并平滑跟踪，超调量小；在不同干扰作用下，能保证被控量在给定值；当环境参数发生变化时，整个系统能保持稳定等等。这些要求，对控制系统自身性能来说，有些是矛盾的。我们必须满足主要的方面的要求，兼顾其他方面，适当地折衷处理。PID 控制器的参数整定，可以不依赖于受控对象的数学模型。工程上，PID 控制器的参数常常是通过实验来确定，通过试凑，或者通过实验经验公式来确定。常用的方法，采样周期选择，
实验凑试法实验凑试法是通过闭环运行或模拟，观察系统的响应曲线，然后根据各参数对系统的影响，反复凑试参数，直至出现满意的响应，从而确定PID 控制参数。
整定步骤
实验凑试法的整定步骤为" 先比例，再积分，最后微分" 。
（1）整定比例控制：将比例控制作用由小变到大，观察各次响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。
（2）整定积分环节：若在比例控制下稳态误差不能满足要求，需加入积分控制。
先将步骤（1）中选择的比例系数减小为原来的50～80％，再将积分时间置一个较大值，观测响应曲线。然后减小积分时间，加大积分作用，并相应调整比例系数，反复试凑至得到较满意的响应，确定比例和积分的参数。
（3）整定微分环节：若经过步骤（2），PI 控制只能消除稳态误差，而动态过程不能令人满意，则应加入微分控制，构成PID 控制。 先置微分时间TD =0，逐渐加大TD ，同时相应地改变比例系数和积分时间，反复试凑至获得满意的控制效果和PID 控制参数。
实验经验法
扩充临界比例度法
实验经验法调整PID 参数的方法中较常用的是扩充临界比例度法, 其最大的优点是，参数的整定不依赖受控对象的数学模型，直接在现场整定、简单易行。
扩充比例度法适用于有自平衡特性的受控对象，是对连续-时间PID 控制器参数整定的临界比例度法的扩充。
整定步骤
扩充比例度法整定数字PID 控制器参数的步骤是：
（1）预选择一个足够短的采样周期TS 。一般说TS 应小于受控对象纯延迟时间的十分之一。
（2）用选定的TS 使系统工作。这时去掉积分作用和微分作用，将控制选择为纯比例控制器，构成闭环运行。逐渐减小比例度，即加大比例放大系数KP ，直至系统对输入的阶跃信号的响应出现临界振荡（稳定边缘），将这时的比例放大系数记为Kr , 临界振荡周期记为Tr 。
（3）选择控制度，就是以连续-时间PID 控制器为基准，将数字PID 控制效果与之相比较。通常采用误差平方积分作为控制效果的评价函数。
定义控制度：采样周期TS 的长短会影响采样-数据控制系统的品质，同样是最佳整定，采样-数据控制系统的控制品质要低于连续-时间控制系统。因而，控制度总是大于1的，而且控制度越大，相应的采样-数据控制系统的品质越差。控制度的选择要从所设计的系统的控制品质要求出发。
（4）查表确定参数。根据所选择的控制度，得出数字PID 中相应的参数TS,KP,TI 和TD 。
（5）运行与修正。将求得的各参数值加入PID 控制器, 闭环运行, 观察控制效果, 并作适当的调整以获得比较满意的效果。
5.1.5 数字PID 控制的参数自动整定
即使是单回路的模拟PID 调节器，参数的整定工作也是一件比较繁琐的工作。而计算机控制系统往往有数十、数百乃至上千个不同的控制回路，它们投运时的参数整定工作更是一项十分费时的工作。另一方面，当被控对象因某种原因发生变化时，原来整定好的参数已不能满足控制系统的要求，需要根据变化了的情况及时重新整定。因此，尽管有许多模拟PID 调节器参数整定的方法可以借鉴，但从用户的角度看来，人们希望在计算机控制系统中尽量减少人工参与，实现通过按某个键就能直接进行PID 参数自动整定的功能。综合已经提出的众多PID 参数自动整定方法，较为成熟的大致有以下几种：
1. 基于继电反馈控制的自动整定
2. 基于模式识别的自动整定
3. 基于专家系统原理以及控制器参数的优化计算整定
公式：
P(n)= P(n-1)-ΔP(n)
ΔP(n)=Kp[ΔE(n)+Td Ts E(n)+ ΔE 2(n)] Ts Ti
=KpΔE(n)+KiΔE(n)+kdΔE 2(n)
ΔE 2(n)= E(n)-2E(n-1)+E(n-2)
PID 算式程序框图
5．2 设计步骤
本次设计共设计四个实验的仿真：单回路、串级、前馈、比值。由于时间的问题只编译了单回路实验的仿真程序，以下是设计单回路仿真程序的步骤：
1．确定屏幕的尺寸以及背景颜色。
2．确定显示仪、调节器、电压表、电流表、电源开关、泵开关、各个实验的选向、排题板、水槽、泵转子流量及其他各种实验器件的尺寸和设计它们在屏幕中的位置。
图5·1记录仪和调节器
图5·2水槽及各个实验装置
3．画出单回路、串级、前馈、比值实验的流程图和每个实验的排线板接法以及干扰图。
图5·3排题板
4．编写电源和泵的启动和关闭程序和调节器的指示灯程序以及水槽液位，阀门动态变化程序。当按下电源按钮时，电源的指示灯就会变绿，
调节器上也会有相映的
变化，这说明实验设备已经通电了。这时再按下泵的按钮，泵的指示灯也会变绿，改变调节器的值，同时在屏幕中可以看到水流入上水槽。当实验做完时，先关闭其它设备，这时再按下泵的按钮，泵就会停止工作，水槽中的水就会减少直到都流入贮水槽。最后，关闭电源，整个实验的仿真就结束了。
5．编写调节器程序。用一个文本框作为调节器的给定值，当在文本框中写入给定值，在文本框上面的图片框中就会很形象的画出调节器的高度。调节阀位是用一个Slider 控件来完成的，使用Slider 控件前，先把它的最大值从10调到100。当调动调节器时，阀位的跟随值会慢慢的变化，同时水槽的水位也会跟随着变化。当手动的调到平衡时，按下自动的命令按钮，PID 自动调节程序就会启动。在PID 自动调节程序中应用了一个计时器控件，目的是每隔相等时间启动一次并在WC -200记录仪上相应的点，在本次毕业设计中Timer1.interval=200(毫秒) 。
仿真系统方框图如下：
图5·4仿真系统流程图
5.3运行程序
通过上一节的逐步设计制作，已基本完成基于VB 的水利模型计算机模拟系统，这一节将进行系统的运行和调试。
在一切准备工作就绪，这时运行此程序。屏幕左下角会出现一个实验的命令按钮，点击实验按钮就会从上到下出现四个按钮分别代表单回路、串级、前馈-反馈实验和确认。按下每个按钮会显示它所代表实验的流程图和排线板的接线方法以及接线步骤。由于时间关系，只做出了单回路实验的仿真。为了检验仿真程序做出的曲线与实际实验做出的曲线是否一致。
下面介绍一下单回路实验运行的具体步骤：
1．点击屏幕左下角实验命令按钮，这时在屏幕上会显示出简单、串级、前馈反馈点击简单按钮在按钮的右侧出现连线一，点击连线一就回完成第与步连线，然后继续点击连线按钮，按照接线步骤会一步一步的完成接线过程。从流程图和排线板的接法可以清楚的了解此实验的过程和仪表之间的关系。
2．按下电源启动按钮。电源按钮从无色变成绿色调节器电源也由红色变为为绿色，同时记录仪上出现一个坐标轴，说明已经给整个实验装置供电。
3．按下泵启动按钮。泵按钮从无色变成绿色，说明泵以启动。然后调动调节器的值，这时会在流程图上看见水从管道中流入到上水槽中，再由上水槽流到下水槽中，最后水流回贮水槽，够成一个回路。
4．调节器给定值显示下面有一个文本框，在文本框中输入设想的给定值。本次仿真的给定值设为50，这时在文本框中输入50，调节器给定值显示会自动达到50%，并且用红色显示。
5．这时调节手动调节阀的开度。在调节之前要先按下‘M ’按钮，说明进入手动调节。在调节时，当阀的开度过小时，水槽中的水会慢慢减少，调节器的跟随值显示会慢慢的下降。当阀的开度过大时，水槽中的水会越来越多，调节器的跟随值显示慢慢的上升。只有适当的调节阀的开度，最后使调节器的跟随值等于给定值。这时手动部分已经完成。
6．当手动平衡时将系统投入自动。只要按一下‘A ’按钮，系统会进入自动调节程序，在记录仪上画出一条4：1衰减的曲线，并且重新回到平衡位置。经过观察，仿真时画出的调节曲线与实验时画出的调节曲线基本上是一致的。
7．在系统运行平稳时，给系统加入干扰。这时按下加干扰按纽，打开另一条管道阀门。另一个管道会给上水槽加入15%的干扰，这时画出的曲线会突然向左，但经
过一段时间的调整，曲线会慢慢的回到平衡位置
8．在系统再次运行平稳时，给系统加入干扰。按下干扰按钮，关闭阀门停止给水槽送水。这时画出的曲线会突然向右，经过一段时间的调整，曲线慢慢恢复到平衡位置。
9．在实验做完时，按下泵的按钮。泵按钮从绿色变成无色，说明泵以停止工作。这时会在流程图上看见上水槽的水先慢慢减少，接下来是下水槽中的水流入贮水槽中。
10．关闭调节器。调节器开关从红色变成无色，说明调节器停止工作。调节器给定值显示和跟随值显示会慢慢的降为0，转子流量计的值也慢慢降为0，最后，关闭电源。电源按钮从绿色变成无色，说明整个实验已经完成。
第6章 问题与结论
经过运行调试，基于水利模型计算机模拟系统基本开发完成，其功能符合设计需求。能够对水槽的进水，出水过程进行模拟，进行简单控制系统实验。系统的运行过程比较稳定，没有出现死机现象，仪表也实时显示出了现场的数据，基本上达到了设计的目标。通过这次毕业设计，使我对Visual Basic 6.0有了更进一步的了解，并且学会了一些在课堂上学不到的知识。因为这是我第一次把Visual Basic 6.0应用到仿真中，在实际编写程序的过程中遇见了一些问题。现将我在编写程序中遇见的一些问题作以下举例：
（1）在手动调节阀的开度时，发现跟随值很难等于给定值。
（2）有的自变量定义为局部变量，在其它程序中调用此变量时，发现每次调用时自变量的值不是所要的上一次的值，而每次都是默认值0。
（3）记录仪中的曲线图不够完善
（4）气关阀操作界面制作的不够完善，画面不够逼真没有实现模拟真实阀门的操作。
（5）仅能完成简单控制系统实验
计算机上做的仿真结果如下：
图6·1 仿真结果
从图6·1中可以看出，加入干扰后衰减比为：N=B1/B2=4：1，过渡过程终了时不存在余差。
结论：通过在水利模型实验装置上做的单回路实验曲线和在计算机上做的单回路仿真过程所画出的曲线相比较，从大体上可以认为是一致的。所以，用计算机做单回路、串级、前馈-反馈实验的过程仿真是可行的。
结束语
毕业设计是四年中学习的精华，是真正的学以致用，是步入社会走向工作岗位的演习。通过这次设计我学到了许多从书本上、课堂上学不到的东西，并且锻炼了自己的实际动手能力，使我在各方面都有了明显的提高。这段期间通过运用这些知识，才知道自己还缺乏在实践中的实际操作能力，这有待今后继续学习。这段时间里，在老师的精心指导下，从最初的无从下手到翻阅资料，到运用多方面的知识和编程工具设计完成了动态模拟系统不仅完善了我的专业知识，加深了对流程的自动化控制、计算机编程、调试诸环节的认识与理解，而且整个过程丰富了自己对一个项目的各项设计步骤与具体实施的经验，夯实了自己在开发一个工程、系统方面的必备基础和技能。这些都是开发设计的收获，当然这其中有艰辛的经历，在遇到许许多多难题时的困惑直到最后问题得到正确的处理，也从各个方面充实了自己解决实际问题的能力。
此次毕业设计从程序设计方案的确定一直到运行、调试，可以说是一个小的工业模拟系统的研发。而正是因为这样，使我得到了多方面的锻炼，从而掌握了Visual Basic 6.0的基本用途，从而提高了自己分析问题和解决问题的能力，为以后走上工作岗位积累了宝贵的经验。
从整体上来讲，此次设计基本成功，并通过程序运行验证了其可行性。但由于是第一次接触，难免会出现一些失误
所设计的系统运行比较稳定，其控制系统功能基本完善，但由于毕业设计时间有限，对VB 的运用还达不到很熟练, 加之经验有限，个人能力有限，不足之处还请批评指正。
致 谢
四年美好的大学时光转眼就过去了，在我学生生涯即将结束之时，我要向那些给我帮助的同学和老师表示深切的谢意！
在本论文的完成过程中，一直得到我的导师赵景玉老师的悉心指导，无论是最初的选题开题，还是后来的理论分析，系统设计，以至整个论文的完成，赵老师都给与了我无私的关怀和帮助，在这一段的学习过程中，不仅使我丰富了系统的专业知识，更增强了我独立进行科学研究的能力。
在此特别向我的赵老师表示最崇高的敬意和衷心的感谢！赵老师宽容的品质，严谨的教学态度，渊博的学识，敏锐的学术见解，忘我的工作精神以及勤勉务实的伟人风范使我终生受益，在毕业设计这个环节中，赵老师不仅在学习上给与了我耐心的指导，在生活细节和为人处事方面的态度方面也使我受益匪浅。还要特别感谢老师在毕业设计环节中给我们提供了良好的学习、研究环境和上机条件。
谢谢大学四年我的所有老师，他们的殷殷指导使我收获颇丰，同时为以后的学习工作打下了良好的基础；谢谢我的同学，他们的关怀和帮助让我的生活充满友情和关怀，让我会终身铭记于心。
参考文献
[1] 刘新民，蔡琼，白康生. Visual Basic 6.0程序设计。北京：清华大学出版社，2004，3
[2] 王骥程, 祝和云. 化工过程控制工程. 北京：化学工业出版社，1991,5
[3] 王 慧, 金以慧. 计算机控制系统. 北京：化学工业出版社，2003,3
[4] 刘瑞新, 汪远征. Visual Basic程序设计教程. 北京：机械工业出版社，2000,10
[5] 网冠科技. Visual Basic 6.0控件时尚编程百例. 北京：机械工业出版社,2001,6
[6] 黄淼云, 张学忠, 王福成. Visual Basic 6.0控件应用编程实例教程. 北京：北京希
望电子出版社,2002,11
[7] 吴目诚, 吴秉柔. AutoCAD 2002入门与实例应用. 北京：中国铁路出版
社,2003,1
[8] 范鸣玉, 张 莹. 最优化技术基础. 北京：清华大学出版社，1982,11
[9] 马金平基于ActiveX 组件技术的模型库系统的开发研究. 计算机应用2001
[10] 赵新星.COM 组件属性、方法的自动提取和调度，计算机工程，2000.
[11] Tao, M. Et al.. Computer integrated process system in continuous
manufacturing industries. Computer Integrated Manufacturinf System.1993,6(4): 260-272
[12] Clarke, D.W., Mothadi, C..Tuffs, P.S.. Generalized Predictive Control.
Automatica. 1987,23(2): 137-160
[13] Froisy, J.Brian. Model Predictive Control: Past, Present and Future. ISA
Transactions.1994,33:235-243
[14] Rouhani, R., Mehra, R.k.Model Algorithmic Control (MAC): Basic
Theoretical Properties..Automatica. 1982,18(4):401-414
[15] Cutler, C.R., Ramaker, B.L.. Dynamic Matrix Control Algorithm.
Proceedings of the 1980 Jiont Automatic Control Conference V .1. San Francisco: American Automatic Council,1980