基于PCI板卡的計(jì)算機(jī)溫度監(jiān)控系統(tǒng)

1、南 陽(yáng) 理 工 學(xué) 院 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文學(xué) 院:電子與電氣工程學(xué)院 專 業(yè):自 動(dòng) 化學(xué) 生: # 指導(dǎo)教師 : #完成日期 201# 年 # 月南陽(yáng)理工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文基于 PCI 板卡的計(jì)算機(jī)溫度監(jiān)控系統(tǒng) 軟件設(shè)計(jì)Software Design of Computer Temperature Monitoring System Based on PCI Card總 計(jì) : 26 頁(yè)表 格 : 2 個(gè)插 圖 : 29 幅南 陽(yáng) 理 工 學(xué) 院 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)(論文基于 PCI 板卡的計(jì)算機(jī)溫度監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) Software Design of Computer Tem

2、perature Monitoring System Based on PCI Card學(xué) 院:專 業(yè):學(xué) 生 姓 名:學(xué) 號(hào):指 導(dǎo) 教 師(職稱 :評(píng) 閱 教 師:完 成 日 期:南陽(yáng)理工學(xué)院Nanyang Institute of Technol基于 PCI 板卡的計(jì)算機(jī)溫度監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)# #摘 要 本課題使用力控組態(tài)軟件,在自制模擬鍋爐的硬件設(shè)備上,設(shè)計(jì)了溫度監(jiān) 控系統(tǒng)的軟件。論文簡(jiǎn)單介紹了系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)思路,詳細(xì)的給出了通過力控軟件設(shè)計(jì) 上位機(jī)監(jiān)控畫面的方法步驟,重點(diǎn)利用力控軟件組態(tài)軟件中腳本語(yǔ)言實(shí)現(xiàn) PID 控制算 法。通過與硬件系統(tǒng)聯(lián)機(jī)調(diào)試,實(shí)現(xiàn)了對(duì)鍋爐水溫的實(shí)時(shí)采集和監(jiān)控,

3、并分析了出現(xiàn)的 問題以及解決方法。經(jīng)過運(yùn)行結(jié)果分析,滿足了設(shè)計(jì)的要求。關(guān)鍵詞 溫度監(jiān)控; PID 控制算法;組態(tài)監(jiān)控Software Design of Computer Temperature Monitoring System Based on PCI CardAutomation Specialty#Abstract:This issue based on the simulated boiler hardware uses the Force Control configuration software,designing the software for computer tempe

4、rature monitoring system. This paper briefly introduces the idea of design,and giving the detailed steps of designing control software monitor screen on upper computer through Force Control software, fousing on using the script language of force control configuration software to realize the PID cont

5、rol algorithm.Through online debugging within hardware system,achieving the real-time acquisition and monitoring of the temperature for boiler water,and analyzes the problems and solutions.It meets the design requirements after the analysis of the operation results.Keywords :Temperature control; PID

6、 control regulator; onfiguration software目 錄1 引言 . . 1 1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的背景及意義 . 1 1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的 . 21.3 論文的組織結(jié)構(gòu) . 23.5 采樣周期的選取 . 194 系統(tǒng)的調(diào)試與運(yùn)行及出現(xiàn)問題解決方法 . . 21 4.1 運(yùn)行結(jié)果及分析 . 21 4.2 問題以及解決方法 . 22 結(jié)束語(yǔ) . . 24 參考文獻(xiàn) . . 25 附錄 . . 26 致謝 . . 28基于 PCI 板卡的計(jì)算機(jī)溫度監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)1引言1.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)的背景及意義國(guó)外溫度控制系統(tǒng)發(fā)展迅速,并在智能化、自適應(yīng)、參數(shù)自整定等方面取得成果,

7、以日本、美國(guó)、德國(guó)等國(guó)技術(shù)領(lǐng)先。近年來,在我國(guó)以信息化帶動(dòng)的工業(yè)化正在蓬勃發(fā) 展,溫度已成為工業(yè)對(duì)象控制中一個(gè)重要參數(shù),特別是在冶金、化工和機(jī)械等各類工業(yè) 中,廣泛使用各種加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐等。傳統(tǒng)的生產(chǎn)方案已經(jīng)不滿足高精度、 高速度的要求。 近年來快速發(fā)展出現(xiàn)了許多先進(jìn)的溫度控制方式, 如:計(jì)算機(jī)控制、 PID 控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及遺傳算法控制等等。這大大提高了控制精度,提高了生產(chǎn) 效率。溫度是生產(chǎn)過程和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中非常普遍而又十分重要的物理參數(shù)。 在工業(yè)生產(chǎn)過程 中,為了高效地進(jìn)行生產(chǎn),必須對(duì)生產(chǎn)工藝過程中的主要參數(shù),如溫度、壓力、流量、 速度等進(jìn)行有效的控制,其中溫度控制在生產(chǎn)

8、過程中占有相當(dāng)大的比例。準(zhǔn)確地測(cè)量和 有效地控制溫度是優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗和安全生產(chǎn)的重要條件,如冶金工業(yè)的加熱爐、電 力工業(yè)的鍋爐、化學(xué)工業(yè)的反應(yīng)爐等設(shè)備,通過對(duì)溫度的監(jiān)控,保證產(chǎn)品的質(zhì)量。即使 日常生活中的微波爐、電烤箱、電熱水器、空調(diào)等家用電器也同樣需要溫度監(jiān)控 1。可 見溫度監(jiān)控廣泛應(yīng)用于社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域, 所以對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)控是非常有必要和有意 義的。加熱爐溫度控制系統(tǒng)是比較常見和典型的過程控制系統(tǒng), 溫度是工業(yè)生產(chǎn)過程中重 要的被控參數(shù)之一, 冶金機(jī)械食品化工等各類工業(yè)生產(chǎn)過程中廣泛使用的各種加 熱爐熱處理爐反應(yīng)爐,對(duì)工件的處理均需要對(duì)溫度進(jìn)行控制。因此,在工業(yè)生產(chǎn)和 家居生活過程中常

9、需對(duì)溫度進(jìn)行檢測(cè)和監(jiān)控。 由于許多實(shí)踐現(xiàn)場(chǎng)對(duì)溫度的影響是多方面 的,使得溫度的控制比較復(fù)雜,傳統(tǒng)的加熱爐電氣控制系統(tǒng)普遍采用繼電器控制技術(shù), 由于采用固定接線的硬件實(shí)現(xiàn)邏輯控制,使控制系統(tǒng)的體積增大,耗電多,效率不高且 易出故障,不能保證正常的工業(yè)生產(chǎn)。隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展,傳統(tǒng)繼電器控制技 術(shù)必然被基于計(jì)算機(jī)控制技術(shù)所取代。而計(jì)算機(jī)本身優(yōu)異的性能使基于 PCI 板卡的溫 度控制系統(tǒng)變的經(jīng)濟(jì)高效穩(wěn)定且維護(hù)方便。 這種溫度控制系統(tǒng)對(duì)改造傳統(tǒng)的繼電器控制 系統(tǒng)有普遍性意義。由于溫度自身的一些特點(diǎn), 如慣性大、 滯后現(xiàn)象嚴(yán)重、 難以建立精確的數(shù)學(xué)模型等, 傳統(tǒng)的控制方式由于其控制精度不高、 不能

10、及時(shí)跟蹤對(duì)象特性變化等原因造成控制系統(tǒng) 性能不佳。本文基于這一特點(diǎn),研究了一種智能控制方案,計(jì)算機(jī)控制方案。并將控制 方案成功運(yùn)用于對(duì)實(shí)驗(yàn)室電爐中水的溫度進(jìn)行控制。由此可見,本課題的設(shè)計(jì)方案具有 可行性和一定的推廣性,若能應(yīng)用與實(shí)際生產(chǎn)中,將對(duì)提高企業(yè)自動(dòng)化水平、降低生產(chǎn)基于 PCI 板卡的計(jì)算機(jī)溫度監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)成本、減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度等方面起到積極的促進(jìn)作用 2。1.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的本設(shè)計(jì)用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作控制器,設(shè)計(jì)單閉環(huán)溫度控制的軟件系統(tǒng),對(duì)模擬電加 熱鍋爐的溫度對(duì)象進(jìn)行控制。 借助于 PCI 板卡的輸入輸出通道來實(shí)現(xiàn)溫度采集、 輸出驅(qū) 動(dòng), 并在上位機(jī)的組態(tài)軟件中實(shí)現(xiàn) PID 控制算

11、法, 同時(shí)用組態(tài)軟件設(shè)計(jì)監(jiān)控界面來實(shí)現(xiàn) 溫度的顯示控制。通過此課題的設(shè)計(jì),能夠使自動(dòng)化的學(xué)生對(duì)工業(yè)過程控制對(duì)象具有進(jìn) 一步的了解,同時(shí)熟練掌握自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程,為就業(yè)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。1.3論文的組織結(jié)構(gòu)本設(shè)計(jì)以自制模擬鍋爐為平臺(tái), 設(shè)計(jì)了基于 PCI 板卡的計(jì)算機(jī)溫度監(jiān)控系統(tǒng)的軟件 系統(tǒng)。本文共分四章,內(nèi)容組織如下:第 1章:引言。主要介紹了課題研究的背景和意義、溫度對(duì)象的特點(diǎn)以及本設(shè)計(jì)的 目的和論文的組織結(jié)構(gòu)。第 2章:系統(tǒng)硬件介紹。 介紹了控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)思路、 硬件以及信號(hào)連接的介紹。 第 3章:系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。首先設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)思路、設(shè)計(jì)了溫度數(shù)據(jù)的 標(biāo)度變換、然后進(jìn)行上

12、位機(jī)監(jiān)控畫面的設(shè)計(jì)、控制算法的設(shè)計(jì)以及采樣周期的選取。 第 4章:系統(tǒng)調(diào)試與運(yùn)行及常見的問題分析。通過前幾章設(shè)計(jì)出了計(jì)算機(jī)溫度監(jiān)控 系統(tǒng),本章主要是通過試驗(yàn)驗(yàn)證溫度控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)參數(shù)是否達(dá)到要求,并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分 析,以及設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)問題的解決方法。2系統(tǒng)硬件介紹2.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)思路在化工、石油、冶金等生產(chǎn)過程的物理過程和化學(xué)反應(yīng)中,溫度往往是一個(gè)很重要 的變量,因此它需要準(zhǔn)確地加以監(jiān)控。溫度監(jiān)控系統(tǒng)常用來保持溫度恒定或者使溫度按 照某種規(guī)定的規(guī)律變化 3。溫度監(jiān)控是控制系統(tǒng)中最為常見閉環(huán)控制類型,它的原理圖 如圖 1所示。 圖 1 溫度控制系統(tǒng)方框圖基于 PCI 板卡的計(jì)算機(jī)溫度監(jiān)控系統(tǒng)軟件

13、設(shè)計(jì)溫度監(jiān)控系統(tǒng)由被控對(duì)象、測(cè)量裝置、調(diào)節(jié)器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu)成。測(cè)量裝置對(duì)被控鍋 爐中水的溫度進(jìn)行測(cè)量,并將測(cè)量值與給定值比較,若存在偏差便由控制算法對(duì)偏差信 號(hào)進(jìn)行處理,再輸送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)來啟動(dòng)或停止加熱絲工作給被控對(duì)象的進(jìn)行加熱,使被 控水的溫度調(diào)節(jié)到設(shè)定值。被控對(duì)象是鍋爐中水的溫度。基于上述理論設(shè)計(jì)出本系統(tǒng)。本系統(tǒng)硬件部分主要有:研華 PCI1710HG 多功能板 卡、 PCL-10168型電纜、 ADAM3968接線端子板、 SWBZ 型變送器、 HH52P 型固態(tài)繼 電器、 CJ20-10型接觸器、電熱爐、溫度傳感器 PT100,控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 2所示。 圖 2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.2

14、硬件介紹(1 PCI1710HG 多功能板卡介紹PCI1710HG 是一款功能強(qiáng)大的、低成本的、多功能的 PCI 總線數(shù)據(jù)采集卡,如圖 3所示。其先進(jìn)的電路設(shè)計(jì)使得它具有更高的質(zhì)量和更多的功能,這其中包含 5種最常用 的測(cè)量和控制功能:16路單端或 8路差分模擬量輸入、 12位 A/D轉(zhuǎn)換器(采樣速率可 達(dá)到 100kHZ 、 2路 12位模擬量輸出、 16路數(shù)字量輸入、 16路數(shù)字量輸出及計(jì)數(shù)器 /定時(shí)器功能。PCI1710HG 多功能板卡的主要特性如下:單端或差分混合的模擬量輸入、 FIFO 存 儲(chǔ)器、可編程計(jì)數(shù)器、支持即插即用功能 4。 圖 3 PCI1710HG 多功能卡基于 PCI

15、板卡的計(jì)算機(jī)溫度監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)(2接線端子板和電纜用 PCI1710HG 板卡構(gòu)成完整的測(cè)控系統(tǒng)還需要接線端子板和通信電纜,如圖 4所 示。 圖 4 PCI1710HG 構(gòu)成的測(cè)控系統(tǒng)電纜采用 PCL-10168型電纜,如圖 5所示。 PCL-10168型電纜是兩端針型接口的 68芯 SCSI-II 電纜,用于連接板卡與 ADAM-3968接線端子板。該電纜采用雙絞線,并 且模擬信號(hào)線和數(shù)字信號(hào)線是分開屏蔽的,這樣能使信號(hào)間的交叉干擾降到最小,并使 EMI/EMC問題得到最終的解決 5。 圖 5 PCL-10168電纜接線端子板采用 ADAM-3968型端子板, 如圖 6所示。 ADAM-3

16、968型端子板是 DIN 導(dǎo)軌安裝的 68芯 SCSI-II 接線端子板,用于各種輸入輸出信號(hào)線的連接。 ADAM-3968接線端子板位置功能及信號(hào)描述見表 1?；?PCI 板卡的計(jì)算機(jī)溫度監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 圖 6 ADAM-3968接線端子板 表 1 位置功能及信號(hào)描述 基于 PCI 板卡的計(jì)算機(jī)溫度監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)2.3模擬信號(hào)的輸入連接PCI1710HG 提供 16路模擬量輸入通道,當(dāng)測(cè)量一個(gè)單端信號(hào)時(shí),只需一根導(dǎo)線將 信號(hào)連接到輸入端口,被測(cè)的輸入電壓以公共地為參考。沒有地端的信號(hào)源稱為浮動(dòng)信 號(hào)源在這種模式下, PCI1710HG 為外部浮動(dòng)信號(hào)源提供一個(gè)參考地。 測(cè)量單端模擬信號(hào)

17、 輸入,標(biāo)準(zhǔn)連接方法,如圖 7所示。PCI1710HG 有 16個(gè)模擬輸入通道,可以設(shè)置成 8對(duì)差分式輸入通道。差分輸入需 要兩根線分別接到兩個(gè)輸入通道上,測(cè)量的是兩個(gè)輸入端的電壓差。如果信號(hào)源連有參 考地,則 PCI1710HG 的地端和信號(hào)源的地端之間會(huì)存在電壓差,這個(gè)電壓差會(huì)隨信號(hào) 源輸入到輸入端,這個(gè)電壓差就是共模干擾。為了避免共模干擾,可以將信號(hào)地連到低 電壓輸入端,連接方式如圖 8所示。通過這種連接方式,可以消除在信號(hào)源和板卡地之 間的共模干擾電壓 V (CM 。Measured VoltageInternal +Vs-Floating Signal Source External

18、圖 7 單端模擬信號(hào)輸入連接如果是一個(gè)浮動(dòng)信號(hào)源連接到差分輸入端,信號(hào)源可能會(huì)超過 PGIA 的共模輸入范 圍, PGIA 過飽和將不能正確讀出輸入電壓值,因此必須將浮動(dòng)信號(hào)源的兩端連接到 AIGND ,如圖 8所示。將浮動(dòng)信號(hào)源的兩端分別通過一個(gè)電阻連接到 AIGND ,這種連 接可以消除信號(hào)源同板卡地之間的共模電壓?；?PCI 板卡的計(jì)算機(jī)溫度監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)Internal External Measured Voltage+-Groundreterenced Signal Source+Vcm-圖 8差分式模擬信號(hào)輸入連接因?yàn)闇囟刃盘?hào)是一個(gè)變動(dòng)的信號(hào), 當(dāng)這個(gè)信號(hào)連接到差分輸入端信號(hào)

19、源可能會(huì)超過 PGIA 的共模輸入范圍, PGIA 過飽和將不能正確讀出輸入電壓值, 因此必須將浮動(dòng)信號(hào) 源的兩端連接到 AIGND ,這樣可以消除信號(hào)源同板卡地之間的共模電壓,但是這樣做 的缺點(diǎn)就是串聯(lián)的兩個(gè)電阻增大了信號(hào)源負(fù)載。 大部分低頻電平信號(hào)都采用單端模擬信 號(hào)連接,所以本設(shè)計(jì)不采用差分式模擬信號(hào)輸入連接而采用單端模擬信號(hào)連接。3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)思路在深入學(xué)習(xí)研華 PCI1710HG 數(shù)據(jù)采集板卡、力控組態(tài)軟件、 PID 算法的基礎(chǔ)上進(jìn) 行溫度控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)主要包括上位機(jī)監(jiān)控畫面的設(shè)計(jì)、溫度數(shù)據(jù)的標(biāo) 度變換、 PID 算法的設(shè)計(jì)以及采樣周期的選取 6。上位

20、機(jī)監(jiān)控畫面的設(shè)計(jì)主要包括設(shè)計(jì) 監(jiān)控主畫面、設(shè)計(jì)報(bào)警畫面、設(shè)計(jì)報(bào)表畫面、設(shè)計(jì)事件記錄畫面。系統(tǒng)的腳本語(yǔ)言程序 主要分為:主程序、 PID 控制算法程序、 PWM 程序。主程序的主流程圖如圖 9所示?；?PCI 板卡的計(jì)算機(jī)溫度監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 圖 9 程序的主流程3.2上位機(jī)監(jiān)控畫面的設(shè)計(jì)由于力控組態(tài)軟件擁有:支持主流操作系統(tǒng)、豐富的圖像處理能力、卓越的交互式 容器、強(qiáng)大的報(bào)警事件處理、靈活的報(bào)表生成器等優(yōu)點(diǎn),所以用它來設(shè)計(jì)上位機(jī)的監(jiān)控 畫面。下面介紹力控組態(tài)軟件監(jiān)控畫面的設(shè)計(jì) 7。(1打開工程管理器用鼠標(biāo)點(diǎn)擊“新建應(yīng)用” ,根椐新建向?qū)Ы⒁粋€(gè)新工程如圖 10所示?；?PCI 板卡的計(jì)算機(jī)

21、溫度監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 圖 10 創(chuàng)建新工程(2力控 I/O組態(tài)在工程項(xiàng)目下雙擊“ I/O設(shè)備組態(tài)”,對(duì)“ PCI1710HG 板卡”硬件進(jìn)行組態(tài),其組 態(tài)畫面如圖 11所示。提示:一個(gè) I/O驅(qū)動(dòng)程序可以連接多個(gè)同類型的 I/O設(shè)備。每個(gè) I/O設(shè)備中有很多 數(shù)據(jù)項(xiàng)。(3數(shù)據(jù)庫(kù)的連接創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)點(diǎn)的步驟:在 Draw 導(dǎo)航器中雙擊“實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)”項(xiàng)使其展開,在展開項(xiàng)目中雙擊“數(shù)據(jù)庫(kù)組 態(tài)” 啟動(dòng)組態(tài)程序 DBMANAGER (如果沒有看到導(dǎo)航器窗口, 激活 Draw 菜單命令 “查 看 /導(dǎo)航器” 。啟動(dòng) DBMANAGER 后出現(xiàn)如圖所示的 DBMANAGER 主窗口。單擊菜單條的“點(diǎn)”選項(xiàng)選擇

22、新建或雙擊單元格,出現(xiàn)“請(qǐng)指定區(qū)域、點(diǎn)類型。 數(shù)據(jù)連接 我們?cè)谇懊鎰?chuàng)建了一個(gè)名為 “ PCI1710” 的 I/O設(shè)備, 將新建的點(diǎn)與該 I/O設(shè)備進(jìn)行連接如圖 12所示。基于 PCI 板卡的計(jì)算機(jī)溫度監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 圖 11 工程定義圖 圖 12 I/O設(shè)備連接其中“ AA ”點(diǎn)的“ I/O連接”如圖 13所示;模擬 I/O點(diǎn)參數(shù)設(shè)定,如圖 14所示。 其它模擬點(diǎn)參數(shù)和數(shù)字點(diǎn)參數(shù)設(shè)置如果要與 I/O設(shè)備(PCI1710連接,也是如此。基于 PCI 板卡的計(jì)算機(jī)溫度監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 圖 13I/O連接 圖 14 模擬 I/O點(diǎn)參數(shù)設(shè)定數(shù)據(jù)庫(kù)組態(tài)完畢后,在“溫度實(shí)時(shí)曲線”窗口中創(chuàng)建溫控監(jiān)控畫面

23、,如圖 15所示?；?PCI 板卡的計(jì)算機(jī)溫度監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 圖 15 溫度實(shí)時(shí)曲線畫面其中“實(shí)時(shí)曲線”內(nèi)參數(shù)設(shè)定如下圖 16所示。 圖 16“溫度實(shí)時(shí)曲線”內(nèi)參數(shù)設(shè)定 在“溫度實(shí)時(shí)曲線”中參數(shù)點(diǎn)關(guān)聯(lián)如圖 17所示。基于 PCI 板卡的計(jì)算機(jī)溫度監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 圖 17參數(shù)點(diǎn)關(guān)聯(lián)其它參數(shù)點(diǎn)如 sv 、 pv 、 mv0、 KP 、 KI 、 KD 、 relay 、啟停開關(guān)也是如此設(shè)定。 (4力控腳本語(yǔ)言的編程打開“工程項(xiàng)目”內(nèi)的“動(dòng)作” ,選擇“應(yīng)用程序動(dòng)作” 。 圖 18 進(jìn)入動(dòng)作腳本程序基于 PCI 板卡的計(jì)算機(jī)溫度監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)此程序只是在系統(tǒng)運(yùn)行初期給各個(gè)參數(shù)賦值, 在系統(tǒng)運(yùn)

24、行后可以在監(jiān)控畫面修改各 個(gè)參數(shù)的值。力控的運(yùn)行環(huán)境為溫控系統(tǒng)不變,力控的作用為整個(gè)溫控監(jiān)控系統(tǒng)的 PID 調(diào)控與監(jiān)控。在“程序運(yùn)行周期執(zhí)行”內(nèi)編寫如下腳本,如圖 19所示。至此, PID 溫控上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)就完成數(shù)據(jù)連接、 I/O組態(tài)、腳本語(yǔ)言編寫,雙擊 保存,然后進(jìn)入運(yùn)行監(jiān)控畫面的設(shè)計(jì)。 圖 19力控腳本語(yǔ)言(5監(jiān)控畫面設(shè)計(jì)進(jìn)行主畫面的設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)好的主畫面有 :監(jiān)控主畫面(主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的監(jiān)控,如 圖 20所示;報(bào)警窗口畫面(主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的超限報(bào)警功能,如圖 21所示;報(bào)表窗口 畫面(主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)記錄,如圖 22所示;事件記錄窗口畫面(主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)基于 PCI 板卡的計(jì)算機(jī)溫度監(jiān)控系統(tǒng)

25、軟件設(shè)計(jì) 事件記錄功能,如圖 23所示。 圖 20 主界面圖 圖 21 報(bào)警窗口畫面基于 PCI 板卡的計(jì)算機(jī)溫度監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 圖 22 報(bào)表窗口畫面 圖 23 事件記錄窗口畫面基于 PCI 板卡的計(jì)算機(jī)溫度監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)3.3溫度數(shù)據(jù)的標(biāo)度變換在控制回路中,熱電阻將檢測(cè)到的溫度信號(hào)經(jīng) SWBZ 型溫度變送器送給 PCI 板卡 模擬量輸入通道。因?yàn)闇囟茸兯推鬏敵龆舜?lián)了 250電阻,所以輸送到板卡的輸入端 的信號(hào)為 15v DC的電壓信號(hào)。 在變量定義時(shí)通過設(shè)置變量的參數(shù)將該值轉(zhuǎn)換成 0-100 ( 的工程量(實(shí)數(shù) ,參數(shù)設(shè)置如圖 24所示。設(shè)定溫度值與當(dāng)前溫度值做比較,差 值經(jīng) PID

26、 算法運(yùn)算后得到的結(jié)果給程序, 要用 PWM 輸出程序?qū)?PID 算法結(jié)果轉(zhuǎn)換為脈 沖信號(hào)輸出給繼電器,由繼電器控制接觸器控制電鍋爐加熱。3.4控制算法的設(shè)計(jì)工業(yè)生產(chǎn)過程中,對(duì)于生產(chǎn)裝置的溫度、壓力、流量、液位等工藝變量常常要求維 持在一定的數(shù)值上,或按一定的規(guī)律變化,以滿足生產(chǎn)工藝的要求。 PID 控制算法的原 理是對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行偏差調(diào)節(jié),從而使被控兩的實(shí)際值與工藝要求的預(yù)定值一致。 因?yàn)?PID 控制算法具有:技術(shù)成熟、容易被人們熟悉和掌握、不需要建立數(shù)學(xué)模型、控 制效果好、魯棒性等優(yōu)點(diǎn),所以 PID 控制算法成為應(yīng)用最廣泛的控制算法 8。計(jì)算機(jī)控制是一種采樣控制,它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的

27、偏差值計(jì)算控制量 9。因此連 續(xù) PID 控制算法不能直接使用, 需要采用離散化方法。 由于工業(yè)生產(chǎn)過程大多數(shù)是緩慢 變化的過程, 因此只要控制機(jī)的采樣周期 T 取得足夠短, 斷續(xù)控制形式就趨于連續(xù)控制 形式。數(shù)字 PID 控制算法又分增量式 PID 控制算法和位置式 PID 控制算法,由于位置 式 PID 控制算法控制精度比較高, 而增量式 PID 控制算法有:積分截?cái)嘈?yīng)大、 有靜態(tài) 誤差、溢出的影響大等缺點(diǎn),所以本設(shè)計(jì)選用的控制算法是位置式 PID 控制算法 10。 圖 24 變量參數(shù)的設(shè)置基于 PCI 板卡的計(jì)算機(jī)溫度監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)位置式 PID 算法的流程圖 11如圖 25所示。

28、E=SP-PV計(jì)算 MP=K*E計(jì)算 MI=K*Ts/Ti*E+MX計(jì)算 MD=K*Td/Ts*(En-En-1計(jì)算 M=MP+MI+MD子程序入口子程序返回圖 25 位置式 PID 控制算法流程圖位置式 PID 控制算式: (01=-+=n i n n sd i isn c n e e T T e T T e K P (1 其中: =n i ie 0等于程序中 MX P n 為第 n 次采樣時(shí)計(jì)算機(jī)輸出值e n 為第 n 次采樣時(shí)偏差值T s 采樣周期K c 比例增益Ti 積分時(shí)間T d 微分時(shí)間PID 控制算法參數(shù)整定的方法很多,概括起來有如下兩大類:(1理論計(jì)算整定法。它主要依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)

29、學(xué)模型,經(jīng)過理論計(jì)算確定控制器參 數(shù)。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接使用,還必須通過工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修 改?；?PCI 板卡的計(jì)算機(jī)溫度監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)(2工程整定法。它主要依賴于工程經(jīng)驗(yàn),直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行,且方 法簡(jiǎn)單、易于掌握,在工程實(shí)際中被廣泛采用。 PID 控制算法參數(shù)的工程整定方法,主 要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。這三種方法各有其特點(diǎn),其共同點(diǎn)都是通過試 驗(yàn),然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控 制器參數(shù),都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后的調(diào)整與完善 12。本文采用經(jīng)驗(yàn)法整定 PID 控制算法參數(shù),下面具體說明經(jīng)驗(yàn)法的整定步驟

30、:(1讓調(diào)節(jié)器參數(shù)的積分系數(shù) I=0,微分系數(shù) D=0,控制系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行,由小 到大改變比例系數(shù) P ,讓擾動(dòng)信號(hào)作階躍變化,觀察控制過程,直到獲得滿意的控制過 程為止。(2取比例系數(shù) P 為當(dāng)前的值乘以 0.83,由小到大增加積分系數(shù) I ,同樣讓擾動(dòng)信 號(hào)作階躍變化,直至得到滿意的控制過程。(3積分系數(shù) I 保持不變,改變比例系數(shù) P ,觀察控制過程有無改善,如有改善則 繼續(xù)調(diào)整,直到滿意為止。否則,將原比例系數(shù) P 增大一些,再調(diào)整積分系數(shù) I ,力求 改善控制過程。如此反復(fù)試湊,直到找到滿意的比例系數(shù) P 和積分系數(shù) I 為止。(4引入適當(dāng)?shù)奈⒎窒禂?shù) D ,此時(shí)可適當(dāng)增大比例系數(shù)

31、P 和積分系數(shù) I 。和前述步 驟相同,微分系數(shù)的整定也需反復(fù)調(diào)整,直到控制過程滿意為止。經(jīng)驗(yàn)法簡(jiǎn)單可靠,但需要有一定的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),整定時(shí)易帶有主觀片面性。當(dāng)采 用 PID 控制算法時(shí),由于有多個(gè)整定參數(shù),反復(fù)試湊的次數(shù)增多,因此增加了得到最佳 整定參數(shù)的難度。需要注意的是:本設(shè)計(jì)所用到 PID 控制算法的參數(shù)與的工業(yè)上 PID 控制算法的參數(shù) 有所不同,工業(yè)中由于對(duì)象的體積大、容量大、控制室距離現(xiàn)場(chǎng)較遠(yuǎn)等因素,所以其 PID 控制算法的參數(shù)普遍比本設(shè)計(jì)的大。書上、參考資料上的的 PID 控制算法的參數(shù)多 數(shù)都是從工業(yè)生產(chǎn)過程中得來的,因此此經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)不適應(yīng)作本設(shè)計(jì) PID 控制算法的參 數(shù)。

32、脈沖寬度調(diào)制(PWM ,是英文“ Pulse Width Modulation”的縮寫,簡(jiǎn)稱脈寬調(diào)制, 是利用微處理器的數(shù)字輸出來對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù), 廣泛應(yīng)用在 從測(cè)量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中 13.。本設(shè)計(jì)采用脈寬調(diào)制方式(PWM 輸出, PID 算法輸出流程圖如圖 26所示。 3.5采樣周期的選取按一定的時(shí)間間隔 T ,把時(shí)間上連續(xù)和幅值上也連續(xù)的信號(hào),轉(zhuǎn)變成在時(shí)刻 0、 T 2、 kT 的一連串脈沖輸出信號(hào)的過程稱為采樣過程。執(zhí)行采樣動(dòng)作的開關(guān) S 稱為基于 PCI 板卡的計(jì)算機(jī)溫度監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采樣開關(guān)或采樣器采樣后的脈沖序列 (t y *稱為采樣信號(hào)

33、, 采樣器的輸入信號(hào) (t y 稱為原 始信號(hào),采樣開關(guān)每次通斷的時(shí)間間隔 T 稱為采樣周期。采樣信號(hào) (t y 在時(shí)間上是離散 的, 但在幅值上仍是連續(xù)的, 所以采樣信號(hào)是一個(gè)離散的模擬信號(hào) 14。 采樣過程如圖 27所示。 圖 26 PID 算法輸出程序流程圖從信號(hào)的采樣過程可知,經(jīng)過采樣不是取全部時(shí)間上的信號(hào)值,而是取某些時(shí)間上 的值。這樣處理會(huì)不會(huì)造成信號(hào)丟失呢?香農(nóng)采樣定理指出:如果模擬信號(hào)(包括干擾 在內(nèi)頻譜最高頻率為 max f ,只要按照采樣頻率 max 2f f 進(jìn)行采樣,那么采樣信號(hào) (t y *就能惟一的復(fù)觀 (t y 。采樣定理給出了 (t y *能惟一的復(fù)觀 (t y

34、 所必需的最低采樣頻率。 實(shí)際應(yīng)用中,常取 (max 105f f -,甚至更高。采樣周期的確定需要注意以下事項(xiàng):基于 PCI 板卡的計(jì)算機(jī)溫度監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)(1從執(zhí)行機(jī)構(gòu)的特性要求來看,有時(shí)需要輸出信號(hào)保持一定的寬度。采樣周期 必須大于這一時(shí)間。(2從控制系統(tǒng)的隨動(dòng)和抗干擾的性能來看,要求采樣周期短些。(3從微機(jī)的工作量和每個(gè)調(diào)節(jié)回路的計(jì)算來看,一般要求采樣周期大些。(4從計(jì)算機(jī)的精度看,過短的采樣周期是不合適的。 t采樣器圖 27 信號(hào)采樣過程經(jīng)過多次調(diào)試設(shè)置,采樣周期 T 選為 1s 采樣效果最好,且信號(hào)采樣不失真,如圖 28所示。 圖 28 采樣周期選取4系統(tǒng)的調(diào)試與運(yùn)行及出現(xiàn)問題解

35、決方法4.1運(yùn)行結(jié)果及分析經(jīng)過多次的參數(shù)設(shè)置的調(diào)試, 對(duì)比各組設(shè)置參數(shù)的調(diào)節(jié)效果得出:當(dāng)程序中 PID 設(shè) 置參數(shù)如表 2所示參數(shù)時(shí)控制效果最好。基于 PCI 板卡的計(jì)算機(jī)溫度監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)表 2 參數(shù)表 總結(jié):本系統(tǒng)的控制核心是 PID 控制算法,難度是 PID 參數(shù)整定。圖 29系統(tǒng)運(yùn)行 曲線的初始溫度 34.5 ,設(shè)定溫度 45 ,經(jīng)過 8分鐘的調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定,實(shí)際溫度達(dá)到設(shè) 定溫度, 穩(wěn)態(tài)誤差為 0.3 , 超調(diào)量幾乎為零。本設(shè)計(jì)中溫度能達(dá)到設(shè)定溫度,而且超調(diào) 量較小,穩(wěn)態(tài)效果很好 15。 圖 29 系統(tǒng)運(yùn)行曲線4.2 問題以及解決方法在長(zhǎng)達(dá)十二周的畢業(yè)設(shè)計(jì)中,自己碰到了不少問題。曾經(jīng)

36、,為了解決這些問題也花 費(fèi)了較多的時(shí)間。當(dāng)然,這也使自己對(duì)實(shí)際工程中所遇到或者可能遇到的問題有了個(gè)提 前認(rèn)知。(1 上位機(jī)采集不到現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)解決方法:原因是溫度傳感器與變送器接線有錯(cuò)誤、松動(dòng),板卡使用的通道設(shè)置錯(cuò) 誤,在利用力控軟件進(jìn)行 I/O設(shè)備組態(tài)的時(shí)候板卡應(yīng)選研華 PCI1710HG 。(2 上位機(jī)的輸出控制信號(hào)控制不了電加熱爐解決方法:上位機(jī)組態(tài)軟件中查看數(shù)字量輸出通道的設(shè)置與當(dāng)前連線的通道不一 致。(3 系統(tǒng)穩(wěn)定后誤差比較大解決方法:誤差產(chǎn)生的原因有:溫度對(duì)象是大慣性對(duì)象、計(jì)算機(jī)控制信號(hào)從發(fā)出到 固態(tài)繼電器的吸合,再到加熱絲停止加熱,這過程中存在時(shí)間誤差、硬件靈敏度不夠精基于 PCI

37、 板卡的計(jì)算機(jī)溫度監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 確等等?；?PCI 板卡的計(jì)算機(jī)溫度監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)結(jié)束語(yǔ)組態(tài)軟件以其可靠性高、 抗干擾能力強(qiáng)、 界面簡(jiǎn)單、 功能強(qiáng)大、 性價(jià)比高、 體積小、 能耗低等顯著特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)的自動(dòng)控制之中。本次設(shè)計(jì)主要采用力控組態(tài)軟件 ForceControl6.1,簡(jiǎn)單介紹了系統(tǒng)的目的意義,硬 件設(shè)計(jì)思路,硬件介紹,模擬信號(hào)的輸入連接 ,其中詳細(xì)闡述了力控組態(tài)軟件 ForceControl6.1的創(chuàng)建工程、設(shè)計(jì)畫面流程和 PID 控制算法的知識(shí)。在力控組態(tài)軟件的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出了鍋爐溫度監(jiān)控系統(tǒng),并設(shè)計(jì)出 PID 控制算法的程 序,該系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期目標(biāo),但是由于我們的設(shè)

38、備性能有限該系統(tǒng)還有一些不足的地方 例如“當(dāng)前值和設(shè)定值有誤差、精度還不夠高”需要不斷地改進(jìn),如果有充足時(shí)間的話 我們?cè)诶蠋煹膸椭逻M(jìn)行不斷的實(shí)踐,做一些改進(jìn)系統(tǒng)才會(huì)更加完善。整個(gè)系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、 控制方便, 大大提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化程度和實(shí)用性和控制精度。基于 PCI 板卡的計(jì)算機(jī)溫度監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)參考文獻(xiàn)1 孫增析 . 智能控制的理論與技術(shù) J.控制與決策 ,1996.11(01:1-82 吳麒,王詩(shī)密 . 自動(dòng)控制原理 M.北京:清華大學(xué)出版社 ,2006.8:10-403 翟天嵩,劉忠超,米建偉 . 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)與系統(tǒng)仿真 M.北京:清華大學(xué)出版社 ,2012.9: 20-304 北京

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