前饋反饋過程控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)

1、工業(yè)過程控制課程設(shè)計(jì)任務(wù)書主要內(nèi)容通過某種組態(tài)軟件，結(jié)合實(shí)驗(yàn)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(jì)一個(gè)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(dú)立 設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)串行通訊的需要，正確選用RS485/RS232轉(zhuǎn)換與通訊模塊。4. 運(yùn)用組態(tài)軟件，正確設(shè)計(jì)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(jì)報(bào)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(jī)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(jì)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(jì)目的根據(jù)設(shè)定的液位對象和其他配置，運(yùn)用計(jì)算機(jī)和INTOUC組態(tài)軟件，設(shè)計(jì) 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(shí)現(xiàn)前饋-反饋單回路控制。前饋控制的基本概念使測 取進(jìn)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(yùn)用前饋控制在擾動(dòng)發(fā)生后，及時(shí)抑制由主要擾 動(dòng)引起的被控量所產(chǎn)生的偏差；同時(shí)運(yùn)用反饋控制，消除多種擾動(dòng)對被控量的影 響。3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1 控制方案本設(shè)計(jì)通過前饋反饋控制系統(tǒng)實(shí)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(jì)中經(jīng)過對主流量的 檢測，及時(shí)的針對主要擾動(dòng)進(jìn)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(dòng)，即時(shí)通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行PID計(jì)算，輸出控制信號，進(jìn)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(shí)對液位進(jìn)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(jìn)行比較，形成偏差后，通過A/D傳輸 給計(jì)算機(jī)，進(jìn)行預(yù)先設(shè)定的PID計(jì)算，輸出控制型號，進(jìn)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(jì)。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(shí)踐證明，V錐形流量計(jì)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(diǎn)。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(jì)

5、算機(jī)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(dòng)電 磁閥設(shè)備。3.2.3電動(dòng)調(diào)節(jié)閥采用電動(dòng)調(diào)節(jié)閥對控制回路的水

6、的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。采用德國PS公司進(jìn)口的PSL202型智能電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，無需配伺服放大器，驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用高性能稀土磁性 材料制造的同步電動(dòng)機(jī)，運(yùn)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(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)一體化，可靠性高、操作方便，并可與計(jì)算機(jī)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(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)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(diǎn)。采用PS電子式直行程執(zhí)行機(jī)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(diǎn)。圖3.3電動(dòng)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(qiáng)，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(shí)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(dòng)控制的發(fā)展歷史中，PID控制是歷史最久、生命力最強(qiáng)的基本控制方式。PID算法具有以下的優(yōu)點(diǎn)：（1）原理簡單，使用方便；（2）適應(yīng)性強(qiáng)；（3）魯棒性強(qiáng)，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(jì)4.1組態(tài)王簡介組態(tài)王是在PC機(jī)上建立工業(yè)控制對象人機(jī)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中，同時(shí)負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)的變化用動(dòng)畫的方式形象地表示出來， 還可以完成變量報(bào)警、操作記錄、趨勢曲線等 監(jiān)控功能，并按實(shí)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(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)各種功能。4.2組態(tài)軟件設(shè)計(jì)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(gè)監(jiān) 控系統(tǒng)實(shí)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(shí)時(shí)在線調(diào)整，顯示實(shí)時(shí) 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(shí)現(xiàn)的，具體講就是每一個(gè)實(shí)際I/O設(shè)備都必須在組態(tài)王中指定唯一的一個(gè)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(shí)際設(shè)備名稱、設(shè)備通信方式、設(shè)備地址、與上位計(jì) 算機(jī)的通信方式等信息的內(nèi)容。系統(tǒng)中與上位計(jì)算機(jī)進(jìn)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(jì)算機(jī)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(xiàng)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(yàn)位偶校驗(yàn)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(jī)畫面， 系統(tǒng)組成畫面等。開機(jī)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(gè)提示按鍵，分別提示操作員進(jìn)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(jì)和閥門等設(shè)備以及相關(guān)的操作提示按鈕等?；趧?dòng)畫連接，主 界面可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)，手動(dòng)操作的切換，以及顯示PID參數(shù)整定框和實(shí)時(shí)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(jī)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(yùn)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(jìn)行數(shù)據(jù)交

12、換的I/O實(shí)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(dòng)畫連接的內(nèi)存離散變量， 參與 PID運(yùn)算的內(nèi)存型實(shí)型變量和實(shí)現(xiàn)各種動(dòng)畫效果所用到的內(nèi)存實(shí)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(bào)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(shí)時(shí)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(shí)型內(nèi)存實(shí)里內(nèi)存冥型內(nèi)存實(shí)出1內(nèi)存實(shí)型3內(nèi)存實(shí)塑斗裁月內(nèi)存買型站點(diǎn)1實(shí)時(shí)桎制內(nèi)存冥型53臉和內(nèi)存實(shí)5150內(nèi)存實(shí)墾畀內(nèi)存實(shí)型內(nèi)存翼型內(nèi)存奚型內(nèi)存災(zāi)51

13、內(nèi)存實(shí)型49施1內(nèi)存實(shí)型10陽內(nèi)存買型爲(wèi)P內(nèi)存奚型旳Pv內(nèi)存實(shí)型25臉筠內(nèi)存實(shí)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(yàn)血內(nèi)存實(shí)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(yùn)用組態(tài)王所提供的類似于 C語言的程序 編寫語言實(shí)現(xiàn)PID控制算法。由于溫度系統(tǒng)大滯后特點(diǎn)，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(shí)間，Td為微分時(shí)間，以u(k)作為計(jì)算 機(jī)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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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(yùn)行時(shí)各個(gè)主要變量的歷史記錄，可以查詢遺愛按任意時(shí)段的歷史記錄，還可設(shè)定查詢的時(shí)

15、間范圍，顯示某查詢時(shí)間和該 時(shí)間所對應(yīng)的被控變量值等。實(shí)時(shí)趨勢曲線可以自動(dòng)卷動(dòng)，以快速反應(yīng)變量隨時(shí)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(gè)參數(shù)分別為計(jì)算機(jī) 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(shí)時(shí)趨勢曲線和 歷史趨勢曲線分別如下圖所示：圖4.5實(shí)時(shí)趨勢曲線圖4.6歷史趨勢曲線附寸錄腳本程序啟動(dòng)時(shí)：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(yùn)行期間:lf（本站點(diǎn)實(shí)時(shí)控制=1）VW=1 ；VV4=1;P1=Kp;I1=Ti/Ts;D1=Td/Ts;Sp1=sp；11本站點(diǎn)本站點(diǎn)本站點(diǎn)本站點(diǎn)本站點(diǎn)本站點(diǎn)本站點(diǎn)本站點(diǎn)本站點(diǎn)本站點(diǎn)本站點(diǎn)uk01;本站點(diǎn)本站點(diǎn)uk4;本站點(diǎn)本站點(diǎn)ek01;本站點(diǎn)本站點(diǎn)ek0 ；If