單回路控制系統(tǒng)課程設(shè)計

1、工業(yè)過程控制課程設(shè)計題 目: 基于組態(tài)軟件的溫度單回路過程控制系統(tǒng)設(shè)計 院系名稱： 專業(yè)班級： 學(xué)生姓名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 設(shè)計地點： 設(shè)計時間： 設(shè)計成績： 指導(dǎo)教師： 本欄由指導(dǎo)教師根據(jù)大綱要求審核后，填報成績并簽名。工業(yè)過程控制課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)生姓名 專業(yè)班級 學(xué)號 題 目基于組態(tài)軟件的溫度單回路過程控制系統(tǒng)設(shè)計課題性質(zhì)工程設(shè)計課題來源自擬題目指導(dǎo)教師鄭維主要內(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)控制程序的溫度單回路過程控制系統(tǒng)。任務(wù)要求1. 根據(jù)溫度單回路

2、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)溫度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)計溫度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。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 馬正午，周德興過程可視化組態(tài)軟件InTouch應(yīng)用技術(shù)北京：機械工業(yè)出版社，2006 2 邵裕森過程控制工程北京：機械工業(yè)出版社20003 陳夕松，汪木蘭過程控制系統(tǒng)北京：科學(xué)出版社，20054 陶永華，新型PID控制及其應(yīng)用M

3、北京：機械工業(yè)出版社，2000審查意見指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日摘 要為了取得較好的控制效果，采用PID控制規(guī)律。通過溫度傳感器將檢測到的實時溫度值與溫度設(shè)定值的差值送入計算機，計算機運用PID算法得到相應(yīng)的控制信號，并將其輸出給執(zhí)行器，然后執(zhí)行器調(diào)節(jié)加熱器，以達到調(diào)節(jié)溫度的控制目的。關(guān)鍵詞： 溫度 過程控制 PID算法 組態(tài) 目 錄1 引言52 系統(tǒng)設(shè)計分析62.1設(shè)計目的62.2設(shè)計要求62.3設(shè)計的內(nèi)容63 系統(tǒng)方案的設(shè)計及控制規(guī)律的選擇63.1系統(tǒng)控制方案63.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖64 儀表與模塊的選擇74.1儀器儀表的選擇74.2模塊的選擇85 組態(tài)畫面設(shè)計95.1組態(tài)王簡介95.2組態(tài)軟

4、件設(shè)計95.3 組態(tài)畫面106 組態(tài)程序設(shè)計126.1 PID 控制算法126.2 PID控制算法流程圖146.3 PID腳本程序147 組態(tài)王數(shù)據(jù)詞典168 系統(tǒng)調(diào)試過程17設(shè)計心得18參 考 文 獻191 引言現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計、工程建設(shè)及日常生活中常常需要用到溫度控制,早期溫度控制主要應(yīng)用于工廠中，例如鋼鐵的水溶溫度，不同等級的鋼鐵要通過不同溫度的鐵水來實現(xiàn)，這樣就可能有效的利用溫度控制來掌握所需要的產(chǎn)品了。將單片機控制方法運用到溫度控制系統(tǒng)中，可以克服溫度控制系統(tǒng)中存在的嚴(yán)重滯后現(xiàn)象，同時在提高采樣頻率的基礎(chǔ)上可以很大程度的提高控制效果和控制精度。溫度的控制問題是一個工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會遇到的問

5、題?，F(xiàn)代自動控制越來越朝著智能化發(fā)展，在很多自動控制系統(tǒng)中都用到了工控機，小型機、甚至是巨型機處理機等，當(dāng)然這些處理機有一個很大的特點，那就是很高的運行速度，很大的內(nèi)存，大量的數(shù)據(jù)存儲器。但隨之而來的是巨額的成本。在很多的小型系統(tǒng)中，處理機的成本占系統(tǒng)成本的比例高達20%，而對于這些小型的系統(tǒng)來說，配置一個如此高速的處理機沒有任何必要，因為這些小系統(tǒng)追求經(jīng)濟效益，而不是最在乎系統(tǒng)的快速性，所以用成本低廉的單片機控制小型的，而又不是很復(fù)雜，不需要大量復(fù)雜運算的系統(tǒng)中是非常適合的。 隨著電子技術(shù)以及應(yīng)用需求的發(fā)展，單片機技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，在高集成度，高速度，低功耗以及高性能方面取得了很大的進展

6、。伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子技術(shù)有了更高的飛躍，我們現(xiàn)在完全可以運用單片機和電子溫度傳感器對某處進行溫度檢測，而且我們可以很容易地做到多點的溫度檢測，如果對此原理圖稍加改進，我們還可以進行不同地點的實時溫度檢測和控制。2 系統(tǒng)設(shè)計分析2.1設(shè)計目的運用組態(tài)軟件“組態(tài)王King View6.53”，結(jié)合工業(yè)過程實驗室已有設(shè)備，按照定值系統(tǒng)的控制要求，應(yīng)用PID算法，自行設(shè)計，構(gòu)成單回路溫度控制系統(tǒng)，并整定現(xiàn)相關(guān)的PID參數(shù)以使系統(tǒng)穩(wěn)定運行，最終得到一個具有較美觀組態(tài)畫面和較完善組態(tài)控制程序的溫度單回路控制系統(tǒng)。2.2設(shè)計要求 利用電阻絲加熱器對流經(jīng)加熱罐中的水進行加熱，使用組態(tài)軟件實現(xiàn)控制監(jiān)控，

7、采用合理的控制規(guī)律，是管道中流動水的溫度穩(wěn)定在設(shè)定值附近，以達到整體系統(tǒng)穩(wěn)定運行的效果。水溫的測量范圍為0100，測量精度1%。2.3設(shè)計的內(nèi)容 運用組態(tài)軟件“組態(tài)王6.53”，結(jié)合工業(yè)過程實驗室已有設(shè)備，按照流量比值控制系統(tǒng)的控制要求，應(yīng)用PID算法，自行設(shè)計，構(gòu)成單回路閉環(huán)控制系統(tǒng)，并整定相關(guān)的PID參數(shù)以使系統(tǒng)穩(wěn)定運行，最終得到一個具有較美觀組態(tài)畫面和較完善組態(tài)控制程序的溫度單回路控制系統(tǒng)。3 系統(tǒng)方案的設(shè)計及控制規(guī)律的選擇3.1系統(tǒng)控制方案為了取得較好的控制效果，基于組態(tài)軟件的溫度單回路過程控制系統(tǒng)在系統(tǒng)設(shè)計時，采用PID控制規(guī)律。通過溫度傳感器將檢測到的實時溫度值與溫度設(shè)定值的差值送

8、入計算機，計算機運用PID算法得到相應(yīng)的控制信號，并將其輸出給執(zhí)行器，然后執(zhí)行器調(diào)節(jié)加熱器，以達到調(diào)節(jié)溫度的控制目的。3.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖根據(jù)控制要求，溫度單回路控制系統(tǒng)的控制參數(shù)是水的溫度，測量便采用溫度傳感器，被控參數(shù)是加熱器的功率，控制器是計算機，執(zhí)行器是加熱器，所以溫度單回路控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖3-1所示。計算機 控制器 電阻絲加熱器 加熱罐水溫 水溫檢測 傳感器 一 SP P T PT1 圖3-1溫度單回路控制系統(tǒng)框圖 根據(jù)系統(tǒng)組成框圖和組成的儀表單元，得到系統(tǒng)流程圖如圖3-2所示。計算機AD模塊7017DA模塊7024可控硅220VACTTCu50加熱罐圖3-2系統(tǒng)流程圖4 儀表與

9、模塊的選擇4.1儀器儀表的選擇4.1.1溫度傳感器測量水溫的傳感器采用電熱阻Cu50。熱電阻Cu50在50150測量范圍內(nèi)電熱阻和溫度之間呈線性關(guān)系，溫度系數(shù)越大，測量精度越高，熱補償性好，在過程控制領(lǐng)域使用廣泛。系統(tǒng)采用三線制Cu50，溫度信號經(jīng)過變送單元轉(zhuǎn)換成420mADC電流信號，便于計算機采集。4.1.2加熱器采用電阻絲作為加熱器件，采用可控硅移相觸發(fā)單元調(diào)節(jié)電阻絲的發(fā)熱功率，輸入控制信號為420mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號，其移相觸發(fā)與輸入控制電流成正比。輸出交流電壓來控制加熱器電阻絲的兩端電壓，從而控制加熱罐的溫度。輸入4mA電流時，加熱器電阻絲的兩端溫度為0V，輸入為20mA電流時，加熱器電

10、阻絲的兩端溫度為220V。4.1.3電動調(diào)節(jié)閥采用電動調(diào)節(jié)閥對控制回路的水的流量進行調(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)動電路采用高性能稀土磁性材料制造的同步電機運行平穩(wěn)，體積小，力矩大，抗堵轉(zhuǎn)，控制精度高。控制單元與執(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。由輸入控制信號420mA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，泄漏量少的優(yōu)點。采用PS電子式直行程執(zhí)行機構(gòu)，420mA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

11、連接，可預(yù)置閥門關(guān)斷力，保證閥門的可靠關(guān)斷防止泄露。性能穩(wěn)定可靠，控制精度高，使用壽命長等優(yōu)點。4.1.4其他設(shè)備在控制回路中所涉及到的設(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，揚程可達10米，功耗小，220V即可供電，在水泵出水口裝有壓力變送器，與變頻器一起可構(gòu)成恒壓供水系統(tǒng)。所用到的電磁閥的工作電源為DC24V，管段能力強，使用方便，結(jié)構(gòu)簡單。所采用的24V開關(guān)電源最大電流為2A，滿足系統(tǒng)需要。4.2模塊的選擇4.2.1 D/A與A/D模塊的選擇采用牛頓7000系列遠程數(shù)據(jù)采集模塊作為計算機控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集通訊過程模塊。牛頓7000系列模塊體積

12、小，安裝方便，可靠性高。D/A模塊采用牛頓7024，四通道模擬輸出模塊，電流輸出420mADC，電壓輸出15VDC，精度14位。使用7024模塊的1通道I01作為可控硅的電壓控制通道。A/D模塊采用牛頓7017，八通道模擬輸出模塊，電壓輸入15VDC。使用7024模塊的4通道IN4作為溫度信號檢測輸入通道。4.2.2通信模塊系統(tǒng)常用的并行總線有RS232,RS485等。RS485更適合于多站連接，且距離傳輸較遠，為小于1200米，是雙端發(fā)雙端收，在傳輸線上允許接的驅(qū)動器和接收器數(shù)目較多，且數(shù)據(jù)傳輸速率較快，正因為它具有如此優(yōu)點所以價格方面比較貴。而RS232一般適用于短距離，為小于20米。是單

13、端發(fā)單端收。對此實驗來講，距離很近，且RS232就可滿足系統(tǒng)的要求，從價格方面和其他方面考慮，本實驗采用RS232通訊總線。通信模塊采用牛頓7520，RS232轉(zhuǎn)換485通訊模塊。使用RS-232/RS485雙向協(xié)議轉(zhuǎn)換，速度為300115200BPS，可長距離傳輸?？刂苹芈分须姶砰y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。5 組態(tài)畫面設(shè)計5.1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，同時負責(zé)把數(shù)據(jù)的變化用動畫

14、的方式想象得表示出來，還可以完成變量警報、操作記錄、趨勢曲線等監(jiān)視功能，并按實際需要生成歷史數(shù)據(jù)文件，它以Windows 98/Windows 2000/Windows XP中文操作系統(tǒng)為操作平臺，采用了多線程、COM組態(tài)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。5.2組態(tài)軟件設(shè)計在Windows XP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，相關(guān)參數(shù)實時在線調(diào)整，顯示實時曲線，歷史曲

15、線等功能。5.2.1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，具體將就是每一個實際I/O設(shè)備都必須在組態(tài)王中指定一個唯一的邏輯名稱，此邏輯設(shè)備名就對應(yīng)著該I/O的生產(chǎn)廠家、實際設(shè)備名稱、設(shè)備通信方式、設(shè)備地址、與上位計算機的通訊方式等信息內(nèi)容。系統(tǒng)中與上位計算機進行數(shù)據(jù)交換外部的設(shè)備主要是AD設(shè)備牛頓7017模塊和DA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i01通道名稱分別為AD和DA，與計算機COM1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5.1通信參數(shù)的設(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

16、位長度/位1奇偶校驗位偶校驗5.3 組態(tài)畫面 本系統(tǒng)繪制的組態(tài)畫面為系統(tǒng)組成畫面等。 系統(tǒng)主界面主要繪制的溫度單回路控制系統(tǒng)的工藝組成圖。包括水箱，管道，加熱罐和閥門等設(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)節(jié)PID參數(shù)觀察控制效果。組態(tài)畫面設(shè)計的大致步驟如下：1：創(chuàng)建一個新項目圖5.1新建項目 2：創(chuàng)建一個新畫面 3：動畫連接 所謂動畫連接，就是建立畫面的圖素與數(shù)據(jù)庫變量的對應(yīng)關(guān)系，建立動畫連接后，根據(jù)數(shù)據(jù)庫中變量的變化，圖形對象可以按動畫連接的要求進行改變。建立動畫連接的基本步驟：1.創(chuàng)建或選擇連接對象；

17、2.雙擊與變量相關(guān)的圖形對象，彈出動畫連接對話框；3.選擇對象想要進行的連接；4.為鏈接定義輸入詳細資料。 4：最終的組態(tài)畫面系統(tǒng)主界面如下圖5.2所示： 圖5.2 溫度單回路控制系統(tǒng)組態(tài)圖6 組態(tài)程序設(shè)計6.1 PID 控制算法 PID是一種工業(yè)控制過程中應(yīng)用較為廣泛的一種控制算法，它具有原理簡單，易于實現(xiàn)，穩(wěn)定性好，適用范圍廣，控制參數(shù)易于整定等優(yōu)點。PID控制不需了解被控對象的數(shù)學(xué)模型,只要根據(jù)經(jīng)驗調(diào)整控制器參數(shù) ,便可獲得滿意的結(jié)果。其不足之處是對被控參數(shù)的變化比較敏感。但是通過軟件編程方法實現(xiàn)PID控制 ,可以靈活地調(diào)整參數(shù)。 連續(xù)PID控制器也稱比例積分微分控制器，即過程控制是按誤

18、差的比例（P-ProportionAl）、積分（I-IntegrAl）和微分（D-DerivAtive）對系統(tǒng)進行控制。它的控制規(guī)律的數(shù)學(xué)模型如下： 式中，e(t)：調(diào)節(jié)器輸入函數(shù)，即給定量與輸出量的偏u(t)：調(diào)節(jié)器輸出函數(shù)。 將式展開，調(diào)節(jié)器輸出函數(shù)可分成比例部分、積分部分和微分部分，它們分別是:比例部分:比例部分的數(shù)學(xué)表達式是,p在比例部分中，Kp是比例系數(shù)，Kp越大，可以使系統(tǒng)的過渡過程越快，迅速消除靜誤差；但Kp過大，易使系統(tǒng)超調(diào)，產(chǎn)生振蕩，導(dǎo)致不穩(wěn)定。因此，此比例系數(shù)應(yīng)選擇合適，才能達到使系統(tǒng)的過渡過程時間短而穩(wěn)定的效果。 積分部分:積分部分的數(shù)學(xué)表達式是從它的數(shù)學(xué)表達式可以看出，

19、要是系統(tǒng)誤差存在，控制作用就會不斷增加或減少，只有e(t)=0時，它的積分才是一個不變的常數(shù)，控制作用也就不會改變，積分部分的作用是消除系統(tǒng)誤差。積分時間常數(shù)的選擇對積分部分的作用影響很大。較大，積分作用較弱，這時，系統(tǒng)消除誤差所需的時間會加長，調(diào)節(jié)過程慢；較小，積分作用增強，這時可能使系統(tǒng)過渡過程產(chǎn)生振蕩，但可以較快地消除誤差。 微分部分:微分部分的數(shù)學(xué)表達式是.位置式PID控制算法 6.2 PID控制算法流程圖取sp , pv形成偏差e(k)取a0 , e(k)做乘法取a1 , e(k-1)做乘法取a2 , e(k-2)做乘法做a2e(k-2)減a1e(k-1)做a2e(k-2)-a1e(

20、k-1)+ a0e(k)做a2e(k-2)-a1e(k-1)+ a0e(k)+u(k-1)輸出u(k)數(shù)據(jù)傳送：u(k)u(k-1)數(shù)據(jù)傳送：e(k)e(k-1)e(k-1) e(k-2)圖6.1 PID控制算法流程圖6.3 PID腳本程序啟動時： Ts=20; I= Ti/ Ts; D= Td/ Ts; ukp=0; uk1=0; ek1=0; ek11=0; ek12=0;運行期間：if( 自動開關(guān)=1) Ts=15; I= Ti/ Ts; D= Td/ Ts; a0= P*(1+1/ I+ D); a1= P*(1+2* D); a2= P* D; ek1= sp- 溫度; ukp= a

21、0* ek1- a1* ek11+ a2* ek12+ uk11; uk11= ukp; ek12= ek11; ek11= ek1;if( ukp<1000)if( ukp<0) uk1=0; else uk1= ukp; else uk1=1000;關(guān)閉時： ukp=0; uk1=0; ek1=0; ek11=0; ek12=0;7 組態(tài)王數(shù)據(jù)詞典根據(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主要有AD，DA設(shè)備進行數(shù)據(jù)交換的I/O實型變量，控制電磁閥開關(guān)的I/O離散變量，用于定以開關(guān)動畫連接的內(nèi)存離散變量，參于PID運算的內(nèi)存實型變量和實現(xiàn)各種動畫效果所用到的內(nèi)存實型及內(nèi)存整型變量等。具體的參數(shù)詞典如下表所示。圖7.1 數(shù)據(jù)詞典8 系統(tǒng)調(diào)試過程將系統(tǒng)按要求接線結(jié)束之后，檢查無誤后開始電源，進入了組態(tài)的控制畫面，并且調(diào)入了PID的控制窗口， 根據(jù)溫度單回路控制系統(tǒng)的原理,其控制過程如下：水泵啟動進水后,加熱器對液體進行加熱,溫度傳感器對液體溫度進行檢測，反饋給調(diào)節(jié)閥門2進行調(diào)節(jié),使液體溫度能