前饋反饋過程控制系統(tǒng)課程設(shè)計

1、工業(yè)過程控制課程設(shè)計任務(wù)書主要內(nèi)容通過某種組態(tài)軟件，結(jié)合實驗室已有設(shè)備，按照定值系統(tǒng)的控制 要求，根據(jù)較快較穩(wěn)的性能要求，采用單閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)和PID控制規(guī)律，設(shè)計一個具有較美觀組態(tài)畫面和較完善組態(tài)控制程序的前饋反饋 單回路過程控制系統(tǒng)。任務(wù)要求1. 根據(jù)前饋反饋單回路過程控制系統(tǒng)的具體對象和控制要求，獨立 設(shè)計控制方案，正確選用過程儀表。2. 根據(jù)前饋反饋單回路過程控制系統(tǒng) A/D、D/A和開關(guān)I/O的需要， 正確選用過程模塊。3. 根據(jù)與計算機串行通訊的需要，正確選用RS485/RS232轉(zhuǎn)換與通訊模塊。4. 運用組態(tài)軟件，正確設(shè)計前饋反饋單回路過程控制系統(tǒng)的組態(tài)圖、 組態(tài)畫面和組態(tài)控制程序

2、。5. 提交包括上述內(nèi)容的課程設(shè)計報告。主要參 考資料1 組態(tài)王軟件及其說明文件2 邵裕森過程控制工程北京：機械工業(yè)出版社20003 過程控制教材4 熊新民工業(yè)過程控制課程設(shè)計指導(dǎo)書M.20085陳夕松，華成英過程控制系統(tǒng)M 北京：科學(xué)出版社，2006審查意見指導(dǎo)教師簽字：年 月日設(shè)計目的根據(jù)設(shè)定的液位對象和其他配置，運用計算機和INTOUC組態(tài)軟件，設(shè)計 套監(jiān)控系統(tǒng)，并通過調(diào)試使得水箱液位維持恒定或保持恒定或保持在一定誤差范 圍內(nèi)。2控制要求在工業(yè)過程控制中，實現(xiàn)前饋-反饋單回路控制。前饋控制的基本概念使測 取進入過程的干擾（包括外界干擾和設(shè)定值變化），并按其信號產(chǎn)生合適的控制 作用去改變操

3、縱變量，使控制變量維持在設(shè)定值上。前饋控制器的控制規(guī)律取決 于被控對象的特性，按被控對象既定控制規(guī)律；反饋控制的控制規(guī)律采用PID規(guī) 律。將前饋與反饋有效地結(jié)合，運用前饋控制在擾動發(fā)生后，及時抑制由主要擾 動引起的被控量所產(chǎn)生的偏差；同時運用反饋控制，消除多種擾動對被控量的影 響。3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1 控制方案本設(shè)計通過前饋反饋控制系統(tǒng)實現(xiàn)對液位的控制。在前饋反饋控制系統(tǒng)中，前饋控制屬于開環(huán)控制，在設(shè)計中經(jīng)過對主流量的 檢測，及時的針對主要擾動進行液位的偏差抑制。 當(dāng)流量測量值較預(yù)定值發(fā)生波 動，即時通過計算機進行PID計算，輸出控制信號，進行液位調(diào)節(jié)；反饋控制屬于閉環(huán)控制，通過對液位的測量，

4、及時對液位進行調(diào)控。反饋環(huán) 節(jié)通過對液位的監(jiān)測，將測量值與給定值進行比較，形成偏差后，通過A/D傳輸 給計算機，進行預(yù)先設(shè)定的PID計算，輸出控制型號，進行液位調(diào)節(jié)。前饋反饋控制原理框圖如下：圖3.1前饋反饋系統(tǒng)框3.2儀表選擇圖3.2.1流量傳感器流量傳感器采用V錐體流量計。V錐體在流場中產(chǎn)生的節(jié)流效應(yīng)，通過檢測 上下游壓差來測量流量。與普通節(jié)流件相比，它改變了節(jié)流布局，從中心孔節(jié)流改為環(huán)狀節(jié)流。實踐證明，V錐形流量計與其它流量儀表相比，具有長期精度 高、穩(wěn)定性好、受安裝條件局限小、耐磨損、測量范圍寬、壓損小、適合臟污介 質(zhì)等優(yōu)點。3.2.2過程模塊采用牛頓7000系列遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集模塊作為計

5、算機控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集通訊 過程模塊。牛頓7000系列模塊體積小，安裝方便，可靠性高。D/A模塊采用牛頓7024,四通道模擬輸入模塊。電壓輸入15VDC使用7017 模塊的4通道IN4作為溫度信號檢測輸入通道。通信模塊采用牛頓 7520，RS232轉(zhuǎn)換485通訊模塊。使用 RS-232/RS-485 雙向協(xié)議轉(zhuǎn)換，速度為300115200BPS可長距離傳輸。圖3.2牛頓7000系列模塊控制回路中電磁閥的開關(guān)量輸出模塊采用牛頓 7043, 16通道非隔離集電極 開路輸出模塊。最大集電極開路電壓30V,每通道輸出電流100mA可直接驅(qū)動電 磁閥設(shè)備。3.2.3電動調(diào)節(jié)閥采用電動調(diào)節(jié)閥對控制回路的水

6、的流量進行調(diào)節(jié)。采用德國PS公司進口的PSL202型智能電動調(diào)節(jié)閥，無需配伺服放大器，驅(qū)動電機采用高性能稀土磁性 材料制造的同步電動機，運行平穩(wěn)，體積小，力矩大，抗堵轉(zhuǎn)，控制精度高?？?制單元與電動執(zhí)行機構(gòu)一體化，可靠性高、操作方便，并可與計算機配套使用， 組成最佳調(diào)節(jié)回路。有輸入控制信號 4-20mA及單相電源即可控制運轉(zhuǎn)實現(xiàn)對壓 力、流量、溫度、液位等參數(shù)的調(diào)節(jié)，具有體積小，重量輕，連線簡單，泄露量 少的優(yōu)點。采用PS電子式直行程執(zhí)行機構(gòu)，4-20mA閥位反饋信號輸出雙導(dǎo)向單 座柱塞式閥芯，流量具有等百分比特性，直線特性和快開特性，閥門采用柔性彈 簧連接，可預(yù)置閥門關(guān)斷力，保證閥門的可靠關(guān)

7、斷，防止泄露。穩(wěn)定性可靠，控 制精度高，使用壽命長等優(yōu)點。圖3.3電動調(diào)節(jié)閥3.2.4其他設(shè)備在控制系統(tǒng)回路中所涉及的設(shè)備還有水泵，變頻器，電磁閥，開關(guān)電源等。水泵采用丹麥格蘭富循環(huán)水泵。噪音低，壽命長，楊成可達(dá)10米，功率小，220V 供電即可，在水泵出水口裝有壓力變送器，與變頻器一起可以構(gòu)成恒壓供水系統(tǒng)。所用到的電磁閥的工作電源為 DC24V關(guān)斷能力強，使用方便，結(jié)構(gòu)簡單。所采 用的24V開關(guān)電源最大電流是2A,可以滿足系統(tǒng)的需要。圖3.4水泵3.3系統(tǒng)流程圖圖3.5前饋反饋系統(tǒng)流程圖3.4控制規(guī)律前饋反饋控制系統(tǒng)是通過 PID控制規(guī)律實現(xiàn)對液位控制的最終目的，PID控 制是比例一積分一微

8、分的簡稱。在工業(yè)生產(chǎn)工程自動控制的發(fā)展歷史中，PID控制是歷史最久、生命力最強的基本控制方式。PID算法具有以下的優(yōu)點：（1）原理簡單，使用方便；（2）適應(yīng)性強；（3）魯棒性強，即其控制品質(zhì)對被控對象特性的變化不太敏感。4系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計4.1組態(tài)王簡介組態(tài)王是在PC機上建立工業(yè)控制對象人機接口的一種智能化軟件包。該軟 件包從工業(yè)控制對象中采集數(shù)據(jù)，并記錄在實時數(shù)據(jù)庫中，同時負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)的變化用動畫的方式形象地表示出來， 還可以完成變量報警、操作記錄、趨勢曲線等 監(jiān)控功能，并按實際需要生成歷史數(shù)據(jù)文件，它以Windows 98/Windows 2000/Wi ndows XP中文操作系統(tǒng)為操作平臺，

9、采用了多線程、COM組件等新技術(shù)，實現(xiàn)了實時多任務(wù)。它具有豐富的圖庫及圖庫開發(fā)工具，支持各種主流的PLC智能儀表、板卡和現(xiàn)場總線等工控產(chǎn)品，有一種類似C語言的編程環(huán)境，便于處 理各種算法和操作，還內(nèi)嵌了許多函數(shù)供用戶調(diào)用，實現(xiàn)各種功能。4.2組態(tài)軟件設(shè)計在WindowsXP環(huán)境下，控制系統(tǒng)軟件以組態(tài)王 6.01作為開發(fā)平臺。整個監(jiān) 控系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，總體監(jiān)視，設(shè)備控制，相關(guān)參數(shù)實時在線調(diào)整，顯示實時 曲線，歷史曲線等功能。4.2.1設(shè)備設(shè)置組態(tài)王對設(shè)備的管理是通過對邏輯設(shè)備名的管理實現(xiàn)的，具體講就是每一個實際I/O設(shè)備都必須在組態(tài)王中指定唯一的一個邏輯名稱，此邏輯設(shè)備名就對應(yīng)這該I/O設(shè)備的

10、生產(chǎn)廠家、實際設(shè)備名稱、設(shè)備通信方式、設(shè)備地址、與上位計 算機的通信方式等信息的內(nèi)容。系統(tǒng)中與上位計算機進行數(shù)據(jù)交換的外部設(shè)備主要是A/D設(shè)備，牛頓7017模塊和D/A設(shè)備，牛頓7024模塊。在組態(tài)王軟件工程瀏覽器中，設(shè)置7017模塊 IN4通道和7024模塊和I/O1通道名稱分別為AD和 DA,與計算機COM串 口通信， 通信地址分別為0和1.通信參數(shù)的設(shè)置如下表所示：表4.1通信參數(shù)設(shè)置表設(shè)置項推薦值波特率9600數(shù)據(jù)位長度/位7停止位產(chǎn)度/位1奇偶校驗位偶校驗4.2.2組態(tài)畫面本系統(tǒng)繪制的組態(tài)畫面主要有開機畫面， 系統(tǒng)組成畫面等。開機畫面主要顯示課題題目，制作人姓名，班級等相關(guān)信息。畫面

11、上設(shè)置有兩個提示按鍵，分別提示操作員進入主界面或推出操作系統(tǒng)等。系統(tǒng)主界面主要繪制的是前饋反饋單回路控制系統(tǒng)的工藝組成圖。包括水箱，管道，流量計和閥門等設(shè)備以及相關(guān)的操作提示按鈕等?；趧赢嬤B接，主 界面可實現(xiàn)自動，手動操作的切換，以及顯示PID參數(shù)整定框和實時曲線框以方 便操作員在線調(diào)整PID參數(shù)觀察控制效果。系統(tǒng)主界面如下圖所示：圖4.1開機畫面圖4.2前饋反饋系統(tǒng)組態(tài)圖4.2.3變量定義根據(jù)控制系統(tǒng)的需要建立數(shù)據(jù)詞典，以便確定內(nèi)存變量與I/O數(shù)據(jù)，運算數(shù) 據(jù)的關(guān)系。只有在數(shù)據(jù)詞典中定義的變量才能在系統(tǒng)的控制程序中使用。 本系統(tǒng) 中所涉及到的變量的類型重要有與 A/D、D/A設(shè)備進行數(shù)據(jù)交

12、換的I/O實型變量， 控制電磁閥開關(guān)的I/O離散變量，用于定義開關(guān)動畫連接的內(nèi)存離散變量， 參與 PID運算的內(nèi)存型實型變量和實現(xiàn)各種動畫效果所用到的內(nèi)存實型或內(nèi)存整型變量等。具體的數(shù)據(jù)詞典如下圖所示:g 1扣丿-1 UAHf IJ/IEUT J1-TY,jT, J孌基類肚2連接設(shè)各丨寄存船報警擔(dān)碗PID軽內(nèi)存鬲散27血開匿內(nèi)存禹散32歷史曲域內(nèi)存離融醞實時曲詵內(nèi)存恵散內(nèi)存離議35內(nèi)存禹散內(nèi)存整塑5內(nèi)存整型31內(nèi)存整理38盼渤何權(quán)限內(nèi)存災(zāi)型0內(nèi)存實型內(nèi)存實里內(nèi)存冥型內(nèi)存實出1內(nèi)存實型3內(nèi)存實塑斗裁月內(nèi)存買型站點1實時桎制內(nèi)存冥型53臉和內(nèi)存實5150內(nèi)存實墾畀內(nèi)存實型內(nèi)存翼型內(nèi)存奚型內(nèi)存災(zāi)51

13、內(nèi)存實型49施1內(nèi)存實型10陽內(nèi)存買型爲(wèi)P內(nèi)存奚型旳Pv內(nèi)存實型25臉筠內(nèi)存實型Z4內(nèi)存冥塑23內(nèi)存冥型22內(nèi)存真塑46內(nèi)存災(zāi)5!話驗血內(nèi)存實型42念Ukl13圖4.3數(shù)據(jù)詞典4.2.4 PID控制算法根據(jù)前饋反饋控制系統(tǒng)的原理，運用組態(tài)王所提供的類似于 C語言的程序 編寫語言實現(xiàn)PID控制算法。由于溫度系統(tǒng)大滯后特點，取采樣周期為 Ts=20s。 本系統(tǒng)采用PID位置控制算法，其控制算式如下：u(k) =u(k -1) 心(1 T -半曲)-K 卩(1 半)e(k -1) K p 半 e(k - 2)i= u(k -1) ae(k) - aie(k -1) a2e(k - 2) ao 二 K

14、p(1 T 半)T iT丄2Tda1 二 K p (1 于)a?二 K p 曽上述算式中，Kp為比例系數(shù)，T為積分時間，Td為微分時間，以u(k)作為計算 機當(dāng)前的輸出值，以Sp作為給定值，Pv作為反饋值，即A/D設(shè)備的轉(zhuǎn)換值，e(k) 作為偏差。在組態(tài)王畫面中，可以通過設(shè)置PID參數(shù)調(diào)整框依據(jù)實時曲線在線調(diào) 整PID參數(shù)。PID控制算法程序流程圖如下圖所示：圖4.4 PID 控制算法程序流程圖4.2.5趨勢曲線趨勢曲線有實時趨勢曲線和歷史趨勢曲線。 在組態(tài)王中通過圖庫可方便地繪 制曲線畫面，在趨勢曲線中可顯示系統(tǒng)運行時各個主要變量的歷史記錄，可以查詢遺愛按任意時段的歷史記錄，還可設(shè)定查詢的時

15、間范圍，顯示某查詢時間和該 時間所對應(yīng)的被控變量值等。實時趨勢曲線可以自動卷動，以快速反應(yīng)變量隨時間的變化。在前饋反饋控制系統(tǒng)中，趨勢曲線所要表達(dá)的三個參數(shù)分別為計算機 依據(jù)PID算法的輸出值u(k)，系統(tǒng)給定值Sp和檢測反饋值Pv。實時趨勢曲線和 歷史趨勢曲線分別如下圖所示：圖4.5實時趨勢曲線圖4.6歷史趨勢曲線附寸錄腳本程序啟動時：DO仁 0;DO4=0;Ts=1;P仁KpI1=Ti/Ts;D仁Td/Ts;UkO=O;Uk1=0;Uk2=0;Uk3=0;Uk=0;ekO=O;ekO仁0;ek02=0;運行期間:lf（本站點實時控制=1）VW=1 ；VV4=1;P1=Kp;I1=Ti/Ts;D1=Td/Ts;Sp1=sp；11本站點本站點本站點本站點本站點本站點本站點本站點本站點本站點本站點uk01;本站點本站點uk4;本站點本站點ek01;本站點本站點ek0 ；If