單回路控制系統(tǒng)課程設計報告

1、-PAGE . z PAGE 1工業(yè)過程控制課程設計題目:基于組態(tài)軟件的溫度單回路過程控制系統(tǒng)設計院系名稱：專業(yè)班級：學生*：*：指導教師：設計地點：設計時間：設計成績： 指導教師： 本欄由指導教師根據(jù)大綱要求審核后，填報成績并簽名。-. z工業(yè)過程控制課程設計任務書學生*專業(yè)班級*題 目基于組態(tài)軟件的溫度單回路過程控制系統(tǒng)設計課題性質工程設計課題來源自擬題目指導教師*維主要內容通過*種組態(tài)軟件，結合實驗室已有設備，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)控制構造和PID控制規(guī)律，設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)。任務要求1. 根據(jù)溫度單

2、回路過程控制系統(tǒng)的具體對象和控制要求，獨立設計控制方案，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轉換與通訊模塊。4. 運用組態(tài)軟件，正確設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. 提交包括上述內容的課程設計報告。主要參考資料1 馬正午，周德興過程可視化組態(tài)軟件InTouch應用技術：機械工業(yè)，20062 邵裕森過程控制工程：機械工業(yè)20003 陳夕松，汪木蘭過程控制系統(tǒng)：科學，20054 陶永華，新型PID控制及其應用M：機械工業(yè)，2000審查意見

3、指導教師簽字：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定值的差值送入計算機，計算機運用PID算法得到相應的控制信號，并將其輸出給執(zhí)行器，然后執(zhí)行器調節(jié)加熱器，以到達調節(jié)溫度的控制目的。關鍵詞： 溫度 過程控制 PID算法 組態(tài) 目 錄TOC o 1-2 u 1 引言 PAGEREF _Toc12277 52 系統(tǒng)設計分析 PAGEREF _Toc18080 62.1設計目的 PAGEREF _Toc28279 62.2設計要求 PAGEREF _Toc16989 62.3設計的內容 PAGEREF _Toc30617 63 系統(tǒng)方案

4、的設計及控制規(guī)律的選擇 PAGEREF _Toc19337 63.1系統(tǒng)控制方案 PAGEREF _Toc8575 63.2系統(tǒng)構造框圖 PAGEREF _Toc24666 64 儀表與模塊的選擇 PAGEREF _Toc10356 74.1儀器儀表的選擇 PAGEREF _Toc15990 74.2模塊的選擇 PAGEREF _Toc1646 85 組態(tài)畫面設計 PAGEREF _Toc20924 95.1組態(tài)王簡介 PAGEREF _Toc675 95.2組態(tài)軟件設計 PAGEREF _Toc551 95.3 組態(tài)畫面 PAGEREF _Toc11492 106 組態(tài)程序設計 PAGERE

5、F _Toc20734 126.1 PID 控制算法 PAGEREF _Toc22319 126.2 PID控制算法流程圖 PAGEREF _Toc3798 146.3 PID腳本程序 PAGEREF _Toc25634 147 組態(tài)王數(shù)據(jù)詞典 PAGEREF _Toc7847 168 系統(tǒng)調試過程 PAGEREF _Toc29260 17設計心得 PAGEREF _Toc5749 18參 考 文 獻 PAGEREF _Toc4767 191 引言現(xiàn)代工業(yè)設計、工程建立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)，

6、這樣就可能有效的利用溫度控制來掌握所需要的產品了。將單片機控制方法運用到溫度控制系統(tǒng)中，可以克制溫度控制系統(tǒng)中存在的嚴重滯后現(xiàn)象，同時在提高采樣頻率的根底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)生產中經(jīng)常會遇到的問題?，F(xiàn)代自動控制越來越朝著智能化開展，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，很大的內存，大量的數(shù)據(jù)存儲器。但隨之而來的是巨額的本錢。在很多的小型系統(tǒng)中，處理機的本錢占系統(tǒng)本錢的比例高達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

7、益，而不是最在乎系統(tǒng)的快速性，所以用本錢低廉的單片機控制小型的，而又不是很復雜，不需要大量復雜運算的系統(tǒng)中是非常適合的。 隨著電子技術以及應用需求的開展，單片機技術得到了迅速的開展，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。伴隨著科學技術的開展，電子技術有了更高的飛躍，我們現(xiàn)在完全可以運用單片機和電子溫度傳感器對*處進展溫度檢測，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良，我們還可以進展不同地點的實時溫度檢測和控制。2 系統(tǒng)設計分析2.1設計目的運用組態(tài)軟件組態(tài)王King View6.53，結合工業(yè)過程實驗室已有設備，按照定值系統(tǒng)的控制要求，應用PID算法，

8、自行設計，構成單回路溫度控制系統(tǒng)，并整定現(xiàn)相關的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設計要求 利用電阻絲加熱器對流經(jīng)加熱罐中的水進展加熱，使用組態(tài)軟件實現(xiàn)控制監(jiān)控，采用合理的控制規(guī)律，是管道中流動水的溫度穩(wěn)定在設定值附近，以到達整體系統(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設計的內容運用組態(tài)軟件組態(tài)王6.53，結合工業(yè)過程實驗室已有設備，按照流量比值控制系統(tǒng)的控制要求，應用PID算法，自行設計，構成單回路閉環(huán)控制系統(tǒng)，并整定相關的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

9、制程序的溫度單回路控制系統(tǒng)。3 系統(tǒng)方案的設計及控制規(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定值的差值送入計算機，計算機運用PID算法得到相應的控制信號，并將其輸出給執(zhí)行器，然后執(zhí)行器調節(jié)加熱器，以到達調節(jié)溫度的控制目的。3.2系統(tǒng)構造框圖根據(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)的構造框圖如圖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

10、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測量范圍內電熱阻和溫度之間呈線性關系，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)單元調節(jié)電

11、阻絲的發(fā)熱功率，輸入控制信號為420mA標準電流信號，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，加熱器電阻絲的兩端溫度為220V。4.1.3電動調節(jié)閥采用電動調節(jié)閥對控制回路的水的流量進展調節(jié)。采用德國PS公司進口的PSL202型智能電動調節(jié)閥，無需配伺服放大器，驅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，控制精度高?？刂茊卧c執(zhí)行機構一體化，可靠性高、操作方便，并可與計算機配套使用，組成最正確調節(jié)回路。由輸入控制信號420mA及單相電源

12、即可控制運轉實現(xiàn)對壓力流量溫度液位等參數(shù)的調節(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，420mA閥位反應信號輸出雙導向單座柱塞式閥芯，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，可預置閥門關斷力，保證閥門的可靠關斷防止泄露。性能穩(wěn)定可靠，控制精度高，使用壽命長等優(yōu)點。4.1.4其他設備在控制回路中所涉及到的設備還有水泵，變頻器，電磁閥，開關電源等。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

13、強，使用方便，構造簡單。所采用的24V開關電源最大電流為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

14、。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)點所以價格方面比擬貴。而RS232一般適用于短距離，為小于20米。是單端發(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轉換485通訊模塊。使用RS-232/RS485雙向協(xié)議轉換，速度為300115200BPS，可長距離傳輸。控制回路中電磁閥的開關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

15、30V，每通道輸出電流100mA，可直接驅動電磁閥設備。5 組態(tài)畫面設計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，同時負責把數(shù)據(jù)的變化用動畫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 *P中文操作系統(tǒng)為操作平臺，采用了多線程、組態(tài)等新技術，實現(xiàn)了實時多任務。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)場總線等工控產品；有一種類似C語言的編程環(huán)境，便于處理各

16、種算法和操作，還內嵌了許多函數(shù)供用戶調用，實現(xiàn)各種功能。5.2組態(tài)軟件設計在Windows *P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，相關參數(shù)實時在線調整，顯示實時曲線，歷史曲線等功能。5.2.1設備設置組態(tài)王對設備的管理是通過對邏輯設備名的管理實現(xiàn)的，具體將就是每一個實際I/O設備都必須在組態(tài)王中指定一個唯一的邏輯名稱，此邏輯設備名就對應著該I/O的生產廠家、實際設備名稱、設備通信方式、設備地址、與上位計算機的通訊方式等信息內容。系統(tǒng)中與上位計算機進展數(shù)據(jù)交換外部的設備主要是AD設備牛頓7017模塊和DA設備牛頓7024模塊。在組態(tài)王軟件工程瀏

17、覽器中，設置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1串口通信，通信地址分別為0和1。通信參數(shù)的設置如下表所示：表5.1通信參數(shù)的設置表設置項推薦值波特率9600數(shù)據(jù)位長度/位7停頓位長度/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，加熱罐和閥門等設備以及相關的操作提示按鈕等?；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節(jié)PID參數(shù)觀察控制效果。組態(tài)畫面設計的大致步驟如下：1：創(chuàng)立一個新工程圖5.1新建工程

18、 2：創(chuàng)立一個新畫面 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)庫變量的對應關系，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展改變。建立動畫連接的根本步驟：1.創(chuàng)立或選擇連接對象；2.雙擊與變量相關的圖形對象，彈出動畫連接對話框；3.選擇對象想要進展的連接；4.為定義輸入詳細資料。 4：最終的組態(tài)畫面系統(tǒng)主界面如下列圖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)程序設計6.1 PID 控制算法 PID是一種工業(yè)控制過程中應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

19、數(shù)學模型,只要根據(jù)經(jīng)歷調整控制器參數(shù) ,便可獲得滿意的結果。其缺乏之處是對被控參數(shù)的變化比擬敏感。但是通過軟件編程方法實現(xiàn)PID控制 ,可以靈活地調整參數(shù)。 連續(xù)PID控制器也稱比例積分微分控制器，即過程控制是按誤差的比例P-ProportionAl、積分I-IntegrAl和微分D-DerivAtive對系統(tǒng)進展控制。它的控制規(guī)律的數(shù)學模型如下：式中，e(t)：調節(jié)器輸入函數(shù)，即給定量與輸出量的偏u(t)：調節(jié)器輸出函數(shù)。 將式展開，調節(jié)器輸出函數(shù)可分成比例局部、積分局部和微分局部，它們分別是:比例局部:比例局部的數(shù)學表達式是,p在比例局部中，Kp是比例系數(shù)，Kp越大，可以使系統(tǒng)的過渡過程越

20、快，迅速消除靜誤差；但Kp過大，易使系統(tǒng)超調，產生振蕩，導致不穩(wěn)定。因此，此比例系數(shù)應選擇適宜，才能到達使系統(tǒng)的過渡過程時間短而穩(wěn)定的效果。 積分局部:積分局部的數(shù)學表達式是從它的數(shù)學表達式可以看出，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，積分局部的作用是消除系統(tǒng)誤差。積分時間常數(shù)的選擇對積分局部的作用影響很大。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)過渡過程產生振蕩，但可以較快地消除誤差。 微分局部:微分局部的數(shù)學表達式是.位置式PID控制算法6.2 PI

21、D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(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

22、開關=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= a0* ek1- a1* ek11+ a2* ek12+ uk11; uk11= ukp; ek12= ek11; ek11= ek1;if( ukp1000)if( ukp0) uk1=0; else uk1= ukp; else uk1=1000;關閉時： 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，以便確定內存變量與I/O數(shù)據(jù)，運算數(shù)據(jù)的關系。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設備進展數(shù)據(jù)交換的I/O實型變量，控制電磁閥開關的I/O離散變量，用于定以開關動畫連接的內存離散變量，參于PID運算的內存實型變量和實現(xiàn)各種動畫效果所用到的內存實型及內存整型變量等。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)調試過程將系統(tǒng)按要求接線完畢之后，檢查無誤后開場電源，進入了組態(tài)的控制畫面，并且調入了PID的控制窗口， 根據(jù)溫度單回路控制系統(tǒng)的原理