過程控制課程設(shè)計

過程控制課程設(shè)計

設(shè)計題目：液位控制系統(tǒng)綜合設(shè)計與調(diào)試控制科學(xué)與工程系實(shí)驗中心一、設(shè)計目的綜合控制理論、過程控制、微機(jī)控制、可編程控制器、軟件程序設(shè)計等課程的相關(guān)理論知識，設(shè)計一個完整的液位控制系統(tǒng)，全面學(xué)習(xí)和掌握典型控制系統(tǒng)的設(shè)計方法、控制方法、調(diào)試方法。二、設(shè)計需求：設(shè)備：液位過程控制對象以及相應(yīng)的檢測裝置、執(zhí)行裝置，可編程控制器，計算機(jī)等。設(shè)計目標(biāo)：用所提供的設(shè)備構(gòu)建如圖2所示系統(tǒng)，設(shè)計控制界面，實(shí)現(xiàn)液位的實(shí)時控制和監(jiān)測。圖2任務(wù)要求1、實(shí)現(xiàn)計算機(jī)與PLC之間的通訊。編制計算機(jī)與PLC通信程序，實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的上傳，控制量下傳〔見參考圖1〕。2、實(shí)現(xiàn)計算機(jī)對PLC的實(shí)時讀、寫并顯示讀、寫數(shù)據(jù)曲線。3、實(shí)現(xiàn)控制功能：根本功能：設(shè)置參數(shù)，實(shí)現(xiàn)根本PID算法，進(jìn)行實(shí)時控制，實(shí)時顯示動態(tài)曲線等。高級功能〔選做〕：智能控制算法實(shí)現(xiàn)〔模糊、仿人控制，PID參數(shù)自動整定方法等〕；開發(fā)平臺上位機(jī)軟件開發(fā)平臺不限〔推薦使用Labwindows〕，PLC梯形圖設(shè)計平臺為FXGP_WIN-C。三、設(shè)計要求1、每2~3人一組，分工合作，在4周時間內(nèi)完成設(shè)計與調(diào)試任務(wù)。2、到實(shí)驗室熟悉和掌握儀器設(shè)備的根本工作原理、使用方法，為設(shè)計工作的開展做好準(zhǔn)備。3、根據(jù)設(shè)計目標(biāo)，查閱相關(guān)資料手冊，制定設(shè)計方案，論證方案的可行性。4、選擇自己熟悉的編程語言，寫出控制軟件，完善幫助文檔，提供相關(guān)的語句注釋。〔本實(shí)驗不規(guī)定控制軟件用什么語言來完成。演示程序的軟件開發(fā)平臺為：Labwindows/CVI7.0，F(xiàn)XGP_WIN-C〕5、調(diào)試程序，整定控制參數(shù)，獲取控制曲線、響應(yīng)曲線，完整的演示控制過程，通過指導(dǎo)教師的現(xiàn)場測試與辯論。6、撰寫設(shè)計報告，報告內(nèi)容應(yīng)包含：設(shè)計題目、設(shè)計內(nèi)容、方案設(shè)計與論證、控制算法、軟件設(shè)計框圖、設(shè)計難點(diǎn)、調(diào)試中所遇到的問題、實(shí)際問題的解決方法、結(jié)果比照與分析、到達(dá)的性能指標(biāo)、體會建議與改進(jìn)措施等，并提交程序原代碼文件。四、評分標(biāo)準(zhǔn)完成任務(wù)1——總分值30完成任務(wù)2——總分值20完成任務(wù)3的根本局部——總分值40完成任務(wù)3的選做局部——總分值10分五、預(yù)備知識了解設(shè)計原理和任務(wù)設(shè)計。六、設(shè)計原理液位控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖〔見以以下圖〕控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

如圖7所示，計算機(jī)與可編程控制器構(gòu)成主、從結(jié)構(gòu)形式，計算機(jī)為主機(jī)，計算機(jī)控制軟件完成用戶界面的設(shè)計，控制算法的設(shè)計，以及完成與PLC的串行通訊?？删幊炭刂破鳛閺臋C(jī)，并帶有A/D、D/A轉(zhuǎn)換器，計算機(jī)可通過串口讀入可編程控制器中A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，在本系統(tǒng)中代表液位檢測值；計算機(jī)可通過串口寫出控制量到可編程控制器，由可編程控制器自動完成D/A轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果為4~20mA電流，控制電動流量伺服閥的開度，從而控制水箱入水量。PID控制描述由文獻(xiàn)[1]，模擬過程控制的PID控制算式為(2)對上式進(jìn)行離散化處理，以一系列采樣時刻點(diǎn)kT代表連續(xù)時間t，以和式代替積分，以增量代替微分，那么可得離散的PID控制算式為

(3)假設(shè)令，，那么上式寫成上述式子中，u(t)——t時刻的控制輸出〔控制量〕，KP——比例控制系數(shù)，TI——積分時間常數(shù)，TD——微分時間常數(shù)，KI——積分控制系數(shù)，KD——微分控制系數(shù)，T——采樣時間，u(k)——第k時刻的控制輸出〔控制量〕。在PID控制中，比例〔P〕控制是起主導(dǎo)作用的，也保證了控制的快速性，積分〔I〕控制保證了系統(tǒng)無穩(wěn)態(tài)誤差，微分〔D〕控制為輔助控制，起到了增大系統(tǒng)阻尼是控制過程更加平滑。

PID算法中的量程轉(zhuǎn)換問題在工業(yè)現(xiàn)場中的變量量程千變?nèi)f化，直接使用具有變量工程量量程的誤差計算PID控制輸出，雖然不會導(dǎo)致計算錯誤，但是由于量程的不統(tǒng)一，在PID參數(shù)整定時整定出的參數(shù)必然有很大的差異，在整定過程中操作人員也沒有什么參考標(biāo)準(zhǔn)。為了消除各個變量的量程差異，需要對變量的量程進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并且將誤差進(jìn)行歸一化，例如，液位設(shè)定值的范圍為0~100mm，將液位設(shè)定值/100以后，量程轉(zhuǎn)化為0~1之間的值；液位測量值的范圍為A/D轉(zhuǎn)換對應(yīng)范圍L_MIN~L_MAX，如果將〔液位測量值-L_MIN〕/〔L_MAX-L_MIN〕，那么將測量值的量程轉(zhuǎn)化為0~1之間的值。量程轉(zhuǎn)換的另外一個意義就是PID控制輸出和模擬量輸出之間的量程轉(zhuǎn)換，上面我們已經(jīng)講過，誤差的量程已經(jīng)轉(zhuǎn)換為0～1，經(jīng)過PID計算以后，控制輸出的量程也為0～1，經(jīng)過控制輸出增量限幅和控制量限幅，可以保證最后計算出的PID控制輸出量在0~1的范圍內(nèi)。但是PLC提供的4個D/A輸出允許輸出的電流值為0mA～25mA，為了適應(yīng)調(diào)節(jié)閥門開度的控制范圍，這里有必要將0～1范圍內(nèi)的控制輸出，經(jīng)過量程轉(zhuǎn)換化為4mA～20mA間的一個數(shù)值，具體的轉(zhuǎn)換代碼為：PID控制輸出量*〔C_MAX-C_MIN〕+C_MIN可編程控制器簡介EASY-M0808R-A0404HB型可編程控制器是黃石科威公司生產(chǎn)的嵌入式PLC產(chǎn)品。有8路開關(guān)量輸入和8路開關(guān)量輸出，開關(guān)量輸出為繼電器型；有4路模擬量輸入和4路模擬量輸出，模擬量輸入信號和模擬量輸出信號的類型為4~20mA電流輸入。有三種通訊接口，分別為串口0〔RS0〕，串口1〔RS1〕，CAN總線口。RUN、COM0：運(yùn)行控制端子，短接RUN和COM0，可編程控制器處STOP狀態(tài)；RUN和COM0斷開，可編程控制器處RUN狀態(tài)。X00—X07、COM0：開關(guān)量輸入端子，COM0為公共端。Y00—Y03、COM1：開關(guān)量輸出端子，COM1為公共端。Y04—Y07、COM2：開關(guān)量輸出端子，COM2為公共端。CANH、CANL：CAN網(wǎng)絡(luò)接口端子。AI0+、AI0-：0#通道模擬量輸入端子。AI1+、AI1-：1#通道模擬量輸入端子。AI2+、AI2-：2#通道模擬量輸入端子。AI3+、AI3-：3#通道模擬量輸入端子。DAC0+、DAC0-：0#通道模擬量輸出端子。DAC1+、DAC1-：1#通道模擬量輸出端子。DAC2+、DAC2-：2#通道模擬量輸出端子。DAC3+、DAC3-：3#通道模擬量輸出端子。N、L：工作電源接入端子，電壓范圍：180—260VAC，50Hz。RS0：編程口，配專用通訊電纜PRG_02，下載程序、與人機(jī)界面連接。RS1：RS232網(wǎng)絡(luò)串口，配專用通訊電纜PRG_02，固化CAN網(wǎng)絡(luò)配置、組建RS485網(wǎng)絡(luò)。模擬量輸入特性：輸入范圍為4~20mA電流輸入，12位逐次逼近法測量，數(shù)據(jù)字格式為0—4095。模擬量輸出特性：輸出范圍為4~20mA電流輸出，輸出分辨率為12位，轉(zhuǎn)換速度為4個通道5ms。D5000—D5031：各模擬量輸入通道對應(yīng)的AD輸入值。D5064—D5095：各模擬量輸出通道對應(yīng)的DA輸出值。通過完成附1的PLC熟悉實(shí)驗掌握PLC的使用方法。前端控制平臺開發(fā)簡介完本錢設(shè)計任務(wù)的上位機(jī)軟件開發(fā)平臺不限，可采用Labwindows/CVI，VC++，VB，Matlab，Delphi等，可自由選擇。這里以Labwindows/CVI軟件為例做些介紹。Labwindows/CVI為專業(yè)虛擬儀器開發(fā)軟件，提供多種儀表、繪圖控件，且其開發(fā)語言為標(biāo)準(zhǔn)C，很適合該設(shè)計的前端控制平臺開發(fā)。通過完成Labwindows/CVI根本教程掌握Labwindows/CVI的編程方法。七、任務(wù)設(shè)計設(shè)備連接

PLC的模擬輸入輸出為標(biāo)準(zhǔn)4～20mA電流信號，此外，標(biāo)準(zhǔn)模塊伺服閥、DDM和傳感器也都為標(biāo)準(zhǔn)4～20mA電流信號接口。轉(zhuǎn)接面板提供普通導(dǎo)線到標(biāo)準(zhǔn)七芯電纜之間的接口。PLC梯形圖程序設(shè)計PLC在該系統(tǒng)中作為從機(jī)，執(zhí)行的是將液位傳感器的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，將PC輸出的控制量的數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)4～20mA電流信號以及與PC之間的數(shù)據(jù)通信等任務(wù)。PLC與PC的通信是基于RS485網(wǎng)絡(luò)連接端口的主從式方式，計算機(jī)默認(rèn)為主站，而對于PLC一方那么需要定義其為從站，規(guī)定站號和通信參數(shù)以及其他的一些必要步驟，即在通信前將如下例梯形圖程序下載到PLC中：注：通信格式為十六進(jìn)制參數(shù)6081H，代表波特率為9600，校驗方式為0，數(shù)據(jù)位長度為8，停止位長度為1。D5000為輸入存放器，D5064為輸出存放器，D7000與D7100為通信存放器梯形圖程序通過PLC的串口0下載。下載梯形圖完畢后，必須先斷開RUN和COM0，等可編程控制器運(yùn)行后，才能斷電，否那么，程序得不到固化。前端控制平臺開發(fā)1〕串行通訊程序設(shè)計該設(shè)計中，PC機(jī)和PLC為主從機(jī)結(jié)構(gòu)，PC機(jī)為主站，PLC為從站，主、從雙方需要數(shù)據(jù)通訊。PLC的物理層的通訊格式為：數(shù)據(jù)長度8位,停止位1位,無奇偶校驗位,傳輸速率9600bps.PC機(jī)上的物理層通訊格式〔串口格式〕也應(yīng)如上設(shè)置。PC機(jī)上還需要根據(jù)PLC的主從站協(xié)議在發(fā)送和接收時分別進(jìn)行報文封裝和報文解析。主從站協(xié)議格式如下：協(xié)議相關(guān)說明:橫線上方表示主站發(fā)送的數(shù)據(jù),橫線下方表示從站發(fā)送的數(shù)據(jù).數(shù)據(jù)發(fā)送順序從左到右.站號:2字符十六進(jìn)制數(shù),范圍1-3F,對應(yīng)十進(jìn)制1-63.表示可帶63個從站.PC號:固定為FF.頭元件:只能是數(shù)據(jù)存放器D,用5個字符表示,如D1000.元件數(shù):用2位十六進(jìn)制的字符表示,如0A,表示十個字元件.指定元件數(shù)據(jù):一個元件數(shù)據(jù)用4個十六進(jìn)制的字符表示,如AB96.錯誤碼:暫沒使用.除控制字符外,其它字符均用ASCII碼傳輸.校驗和字符是對所作用范圍的ASCII碼作十六進(jìn)制累加后取最后兩位.校驗和字符的傳輸也是用ASCII碼傳輸.①.主站讀從站數(shù)據(jù)主站發(fā)信息：ENQ+[站號+PC號+命令+等待時間+頭元件+元件數(shù)]+校驗和代碼。[解釋]ENQ：詢問，05H。屬控制型字符。站號：從節(jié)點(diǎn)站號，01H-3FH，屬數(shù)據(jù)型字符。PC號：固定為FFH，三菱FX2N控制器要求。屬數(shù)據(jù)型字符。命令：WR，以一個字為單位進(jìn)行讀操作，1個字=16位。屬數(shù)據(jù)型字符。等待時間：1個字符〔0-F〕，用于本產(chǎn)品固定為0H，表示無等待需求。屬數(shù)據(jù)型字符。頭元件：用5個字符表示，取值范圍：D7000-D7899。屬數(shù)據(jù)型字符。元件數(shù)：取值范圍00-40H，最多64字。屬數(shù)據(jù)型字符。校驗和代碼：控制型字符原碼傳輸，數(shù)據(jù)型字符用ASCII碼傳輸，校驗和屬數(shù)據(jù)型字符。校驗和即是將[和校驗區(qū)]的ASCII碼字符的十六進(jìn)制數(shù)相加后，取后兩位字符〔00-FF〕，用ASCII碼型式傳輸。和校驗：[XXXXX]中內(nèi)容為和校驗區(qū)。[例子] 讀10〔0AH〕號站數(shù)據(jù)：從D7223開始，共5個單元。那么嵌入式PLC發(fā)送報文內(nèi)容：05H〔ENQ〕+30H41H〔0A〕+46H46H〔FF〕+57H52H〔WR〕+30H〔0〕+44H37H32H32H33H〔D7223〕+30H35H〔05〕+34H44H〔4C〕校驗和XX：XX=30H+41H+46H+46H+57H+52H+30H+44H+37H+32H+32H+33H+30H+35H=34CH取最后2個字符4C，用ASCII碼表示是34H44H。從站回信息：STX+[站號+PC號+指定元件的數(shù)據(jù)+ETX]+校驗和代碼[解釋]STX：文本起點(diǎn)，02H。屬控制型字符。站號：從節(jié)點(diǎn)站號，01H-3FH，從節(jié)點(diǎn)自身站號。屬數(shù)據(jù)型字符。PC號：固定為FFH，三菱FX2N控制器要求。屬數(shù)據(jù)型字符。指定元件的數(shù)據(jù)：一個元件需四位0-F的字符表示；按要求指定個數(shù)。屬數(shù)據(jù)型字符。ETX：文本終點(diǎn)，03H。屬控制型字符。校驗和代碼：控制型字符原碼傳輸，數(shù)據(jù)型字符用ASCII碼傳輸，校驗和屬數(shù)據(jù)型字符。校驗和即是將[和校驗區(qū)]的ASCII碼字符的十六進(jìn)制數(shù)相加后，取后兩位字符〔00-FF〕，用ASCII碼型式傳輸。和校驗:[XXXXX]中內(nèi)容為和校驗區(qū)。[例子] 接上例，從節(jié)點(diǎn)回：02H〔STX〕+[30H41H〔0A〕+46H46H〔FF〕+30H31H30H31H〔0101〕+30H39H30H39H〔0909〕+46H46H46H46H〔FFFF〕+36H35H36H35H〔6565〕+36H44H36H44H〔6D6D〕+03H〔ETX〕]+37H36H〔XX〕校驗和XX：XX=30H+41H〔0A〕+46H+46H〔FF〕+30H+31H+30H+31H〔0101〕+30H+39H+30H+39H〔0909〕+46H+46H+46H+46H〔FFFF〕+36H+35H+36H+35H〔6565〕+36H+44H+36H+44H〔6D6D〕+03H〔ETX〕=576H取最后2個字符76，用ASCII碼表示是37H36H。主站收到數(shù)據(jù)后再回信息：ACK+站號+PC號或NAK+站號+PC號[解釋]ACK：確認(rèn)，06H。屬控制型字符。NAK：不確認(rèn)，15H。屬控制型字符。站號：從節(jié)點(diǎn)站號，00H-FFH。屬數(shù)據(jù)型字符。PC號：固定為FFH，三菱FX2N控制器要求。屬數(shù)據(jù)型字符。[例子]接上例，從節(jié)點(diǎn)回：確認(rèn)：06H+30H41H〔0A〕+46H46H〔FF〕不確認(rèn)：15H+30H41H〔0A〕+46H46H〔FF〕②.主站向從站寫數(shù)據(jù)主站發(fā)信息：ENQ+[站號+PC號+命令+等待時間+頭元件+元件數(shù)+指定元件數(shù)據(jù)]+校驗和代碼。[解釋]ENQ：詢問，05H。屬控制型字符。站號：從節(jié)點(diǎn)站號，01H-3FH，屬數(shù)據(jù)型字符。PC號：固定為FFH，三菱FX2N控制器要求。屬數(shù)據(jù)型字符。命令：WW，以一個字為單位進(jìn)行寫操作，1個字=16位。屬數(shù)據(jù)型字符。等待時間：1個字符〔0-F〕，用于本產(chǎn)品固定為0H，表示無等待需求。屬數(shù)據(jù)型字符。頭元件：用5個字符表示，取值范圍：D7000-D7899。屬數(shù)據(jù)型字符。元件數(shù)：取值范圍00-40H，最多64字。屬數(shù)據(jù)型字符。指定元件數(shù)據(jù)：一個元件需四位十六進(jìn)制數(shù)表示，即四個字符，字符范圍0-F，從頭元件起，順次指定。屬數(shù)據(jù)型字符。校驗和代碼：控制型字符原碼傳輸，數(shù)據(jù)型字符用ASCII碼傳輸，校驗和屬數(shù)據(jù)型字符。校驗和即是將[和校驗區(qū)]ASCII碼字符的十六進(jìn)制數(shù)相加后，取后兩位字符〔00-FF〕，用ASCII碼型式傳輸。和校驗:[XXXXX]中內(nèi)容為和校驗區(qū)。[例子] 向10〔0AH〕號站寫數(shù)據(jù)，從D7223開始，寫0101H，0909H，F(xiàn)FFFH，6565H，6D6DH共5個單元。那么主站發(fā)送報文內(nèi)容：05H+30H41H〔0A〕+46H46H〔FF〕+57H57H〔WW〕+30H〔0〕+44H37H32H32H33H〔D7223〕+30H35H〔05〕+30H31H30H31H〔0101〕+30H39H30H39H〔0909〕+46H46H46H46H〔FFFF〕+36H35H36H35H〔6565〕+36H44H36H44H〔6D6D〕+43H38H〔XX〕校驗和XX：XX=30H+41H+46H+46H+57H+57H+30H+44H+37H+32H+32H+33H+30H+35H+30H+31H+30H+31H+30H+39H+30H+39H+46H+46H+46H+46H+36H+35H+36H+35H+36H+44H+36H+44H=7C8H取最后2個字符C8，用ASCII碼表示是43H38H。從節(jié)點(diǎn)回信息：ACK+站號+PC號或NAK+站號+PC號+錯誤代碼[解釋]ACK：確認(rèn)，06H。屬控制型字符。NAK：不確認(rèn)，15H。屬控制型字符。站號：從節(jié)點(diǎn)站號，00H-FFH，理論上可接256個從節(jié)點(diǎn)。屬數(shù)據(jù)型字符。PC號：固定為FFH，三菱FX2N控制器要求。屬數(shù)據(jù)型字符。[例子]接上例，從節(jié)點(diǎn)回：確認(rèn)：06H〔ACK〕+30H41H〔0A〕+46H46H〔FF〕不確認(rèn)：15H〔NAK〕+30H41H〔0A〕+46H46H〔FF〕+〔？？〕(??):暫未規(guī)定代碼內(nèi)容根據(jù)該協(xié)議，PC機(jī)接收字?jǐn)?shù)據(jù)和發(fā)送字?jǐn)?shù)據(jù)的流程可參照如下框圖設(shè)計：PLC熟悉實(shí)驗?zāi)康模菏煜すぞ哕浖﨔X_GP-WIN的使用，用工具軟件FX_GP-WIN編寫PLC的梯形圖控制程序