前馈反馈过程控制系统课程设计.doc

工业过程控制课程设计任务书
主要内容
通过某种组态软件，结合实验室已有设备，按照定值系统的控制要求，根据较快较稳的性能要求，采用单闭环控制结构和PID控制规律，设计一个具有较美观组态画面和较完善组态控制程序的前馈反馈单回路过程控制系统。
任务要求
1. 根据前馈反馈单回路过程控制系统的具体对象和控制要求，独立设计控制方案，正确选用过程仪表。
2. 根据前馈反馈单回路过程控制系统A/D、D/A和开关I/O的需要，正确选用过程模块。
3. 根据与计算机串行通讯的需要，正确选用RS485/RS232转换与通讯模块。
4. 运用组态软件，正确设计前馈反馈单回路过程控制系统的组态图、组态画面和组态控制程序。
5. 提交包括上述内容的课程设计报告。
主要参
考资料
[1] 组态王软件及其说明文件
[2] 邵裕森．过程控制工程．北京：机械工业出版社2000
[3] 过程控制教材
[4］熊新民．工业过程控制课程设计指导书[M].2008
[5］陈夕松，华成英．过程控制系统[M]．北京：科学出版社，2006
审查意见

指导教师签字：
年 月 日

12

设计目的
根据设定的液位对象和其他配置，运用计算机和INTOUCH组态软件，设计一套监控系统，并通过调试使得水箱液位维持恒定或保持恒定或保持在一定误差范围内。
2 控制要求
在工业过程控制中，实现前馈-反馈单回路控制。前馈控制的基本概念使测取进入过程的干扰（包括外界干扰和设定值变化），并按其信号产生合适的控制作用去改变操纵变量，使控制变量维持在设定值上。前馈控制器的控制规律取决于被控对象的特性，按被控对象既定控制规律;反馈控制的控制规律采用PID规律。将前馈与反馈有效地结合，运用前馈控制在扰动发生后，及时抑制由主要扰动引起的被控量所产生的偏差；同时运用反馈控制，消除多种扰动对被控量的影响。
3 系统结构设计
3.1 控制方案
本设计通过前馈反馈控制系统实现对液位的控制。
在前馈反馈控制系统中，前馈控制属于开环控制，在设计中经过对主流量的检测，及时的针对主要扰动进行液位的偏差抑制。当流量测量值较预定值发生波动，即时通过计算机进行PID计算，输出控制信号，进行液位调节；
反馈控制属于闭环控制，通过对液位的测量，及时对液位进行调控。反馈环节通过对液位的监测，将测量值与给定值进行比较，形成偏差后，通过A/D传输给计算机，进行预先设定的PID计算，输出控制型号，进行液位调节。
前馈反馈控制原理框图如下：

图3.1 前馈反馈系统框
3.2 仪表选择图
3.2.1 流量传感器
流量传感器采用V锥体流量计。V锥体在流场中产生的节流效应，通过检测上下游压差来测量流量。与普通节流件相比，它改变了 节流布局，从中心孔节流改为环状节流。实践证明，V锥形流量计与其它流量仪表相比，具有长期精度高、稳定性好、受安装条件局限小、耐磨损、测量范围宽、压损小、适合脏污介质等优点。
3.2.2 过程模块
采用牛顿7000系列远程数据采集模块作为计算机控制系统的数据采集通讯过程模块。牛顿7000系列模块体积小，安装方便，可靠性高。
D/A模块采用牛顿7024，四通道模拟输入模块。电压输入1~5VDC。使用7017模块的4通道IN4作为温度信号检测输入通道。
通信模块采用牛顿7520，RS232转换485通讯模块。使用RS-232/RS-485双向协议转换，速度为300~115200BPS，可长距离传输。

图3.2 牛顿7000系列模块
控制回路中电磁阀的开关量输出模块采用牛顿7043，16通道非隔离集电极开路输出模块。最大集电极开路电压30V,每通道输出电流100mA，可直接驱动电磁阀设备。
3.2.3 电动调节阀
采用电动调节阀对控制回路的水的流量进行调节。采用德国PS公司进口的PSL202型智能电动调节阀，无需配伺服放大器，驱动电机采用高性能稀土磁性材料制造的同步电动机，运行平稳，体积小，力矩大，抗堵转，控制精度高。控制单元与电动执行机构一体化，可靠性高、操作方便，并可与计算机配套使用，组成最佳调节回路。有输入控制信号4-20mA及单相电源即可控制运转实现对压力、流量、温度、液位等参数的调节，具有体积小，重量轻，连线简单，泄露量少的优点。采用PS电子式直行程执行机构，4-20mA阀位反馈信号输出双导向单座柱塞式阀芯，流量具有等百分比特性，直线特性和快开特性，阀门采用柔性弹簧连接，可预置阀门关断力，保证阀门的可靠关断，防止泄露。稳定性可靠，控制精度高，使用寿命长等优点。

图3.3 电动调节阀
3.2.4 其他设备
在控制系统回路中所涉及的设备还有水泵，变频器，电磁阀，开关电源等。水泵采用丹麦格兰富循环水泵。噪音低，寿命长，杨成可达10米，功率小，220V供电即可，在水泵出水口装有压力变送器，与变频器一起可以构成恒压供水系统。所用到的电磁阀的工作电源为DC24V，关断能力强，使用方便，结构简单。所采用的24V开关电源最大电流是2A，可以满足系统的需要。

图 3.4水泵
3.3 系统流程图

图3.5 前馈反馈系统流程图
3.4 控制规律
前馈反馈控制系统是通过PID控制规律实现对液位控制的最终目的，PID控制是比例—积分—微分的简称。在工业生产工程自动控制的发展历史中，PID控制是历史最久、生命力最强的基本控制方式。
PID算法具有以下的优点：
（1）原理简单，使用方便；
（2）适应性强；
（3）鲁棒性强，即其控制品质对被控对象特性的变化不太敏感。
4 系统组态设计
4.1 组态王简介
组态王是在PC机上建立工业控制对象人机接口的一种智能化软件包。该软件包从工业控制对象中采集数据，并记录在实时数据库中，同时负责把数据的变化用动画的方式形象地表示出来，还可以完成变量报警、操作记录、趋势曲线等监控功能，并按实际需要生成历史数据文件，它以Windows 98/Windows 2000/Windows XP中文操作系统为操作平台，采用了多线程、COM组件等新技术，实现了实时多任务。它具有丰富的图库及图库开发工具，支持各种主流的PLC、智能仪表、板卡和现场总线等工控产品，有一种类似C语言的编程环境，便于处理各种算法和操作，还内嵌了许多函数供用户调用实现各种功能。
4.2 组态软件设计
在Windows XP环境下，控制系统软件以组态王6.01作为开发平台。整个监控系统实现数据采集，总体监视，设备控制，相关参数实时在线调整，显示实时曲线，历史曲线等功能。
4.2.1 设备设置
组态王对设备的管理是通过对逻辑设备名的管理实现的，具体讲就是每一个实际I/O设备都必须在组态王中指定唯一的一个逻辑名称，此逻辑设备名就对应这该I/O设备的生产厂家、实际设备名称、设备通信方式、设备地址、与上位计算机的通信方式等信息的内容。
系统中与上位计算机进行数据交换的外部设备主要是A/D设备，牛顿7017模块和D/A设备，牛顿7024模块。在组态王软件工程浏览器中，设置7017模块IN4通道和7024模块和I/O1通道名称分别为AD和DA,与计算机COM1串口通信，通信地址分别为0和1.通信参数的设置如下表所示：
表4.1 通信参数设置表
设置项
推荐值
波特率
9600
数据位长度/位
7
停止位产度/位
1
奇偶校验位
偶校验
4.2.2 组态画面
本系统绘制的组态画面主要有开机画面，系统组成画面等。开机画面主要显示课题题目，制作人姓名，班级等相关信息。画面上设置有两个提示按键，分别提示操作员进入主界面或推出操作系统等。
系统主界面主要绘制的是前馈反馈单回路控制系统的工艺组成图。包括水箱，管道，流量计和阀门等设备以及相关的操作提示按钮等。基于动画连接，主界面可实现自动，手动操作的切换，以及显示PID参数整定框和实时曲线框以方便操作员在线调整PID参数观察控制效果。系统主界面如下图所示：

图4.1 开机画面

图4.2前馈反馈系统组态图
4.2.3 变量定义
根据控制系统的需要建立数据词典，以便确定内存变量与I/O数据，运算数据的关系。只有在数据词典中定义的变量才能在系统的控制程序中使用。本系统中所涉及到的变量的类型重要有与A/D、D/A设备进行数据交换的I/O实型变量，控制电磁阀开关的I/O离散变量，用于定义开关动画连接的内存离散变量，参与PID运算的内存型实型变量和实现各种动画效果所用到的内存实型或内存整型变量等。具体的数据词典如下图所示：

图4.3 数据词典
4.2.4 PID控制算法
根据前馈反馈控制系统的原理，运用组态王所提供的类似于C语言的程序编写语言实现PID控制算法。由于温度系统大滞后特点，取采样周期为Ts=20s。
本系统采用PID位置控制算法，其控制算式如下：

上述算式中，为比例系数，为积分时间，为微分时间，以作为计算机当前的输出值，以作为给定值，作为反馈值，即A/D设备的转换值，作为偏差。在组态王画面中，可以通过设置PID参数调整框依据实时曲线在线调整PID参数。
PID控制算法程序流程图如下图所示：

图4.4 PID控制算法程序流程图
4.2.5 趋势曲线
趋势曲线有实时趋势曲线和历史趋势曲线。在组态王中通过图库可方便地绘制曲线画面，在趋势曲线中可显示系统运行时各个主要变量的历史记录，可以查询遗爱按任意时段的历史记录，还可设定查询的时间范围，显示某查询时间和该时间所对应的被控变量值等。实时趋势曲线可以自动卷动，以快速反应变量随时间的变化。在前馈反馈控制系统中，趋势曲线所要表达的三个参数分别为计算机依据PID算法的输出值，系统给定值和检测反馈值。实时趋势曲线和历史趋势曲线分别如下图所示：

图4.5 实时趋势曲线

图4.6 历史趋势曲线

附录 脚本程序
启动时：
DO1=0;
DO4=0;
Ts=1;
P1=Kp
I1=Ti/Ts;
D1=Td/Ts;
Uk0=0;
Uk1=0;
Uk2=0;
Uk3=0;
Uk=0;
ek0=0;
ek01=0;
ek02=0;
运行期间：
If(\\本站点\实时控制==1)
{VV1=1；
VV4=1;
P1=Kp;
I1=Ti/Ts;
D1=Td/Ts;
Sp1=sp；
Pv1=\\本站点\liquid-up;
If(\\本站点\自动==1)
{\\本站点\a01=\\本站点\P1*(1+1\\本站点\I1+\\本站点\D1);
\\本站点\a11=\\本站点\P1*(1+2*\\本站点\D1);
\\本站点\a21=\\本站点\P1*\\本站点\D1;
\\本站点\ek0=\\本站点\sp-1\\本站点\PV;
\\本站点\uk4=\\本站点\a01*\\本站点\ek0-\\本站点\a11*\\本站点\ek01+\\本站点\a21*\\本站点\ek02+\\本站点\uk01;
\\本站点\uk01=\\本站点\uk4；
\\本站点\ek02=\\本站点\ek01；
\\本站点\ek01=\\本站点\ek0；
If（\\本站点\uk4<1000）
{ if(\\本站点\uk4<0)
{\\本站点\uk0=0;}
else{\\本站点\uk0=\\本站点\uk4; }
}
Else{\\本站点\uk0=1000;}
uk=uk0;
}
Else{\\本站点\uk0=UK;}
}
Else{Uk0=0;
Uk1=0;
Uk2=0;
Uk3=0;
Uk=0;
VV1=0;
VV4=0;
}
关闭时：
D01=0;
D04=0;
Uk0=0;
Uk1=0;
Uk2=0;
Uk3=0;
UK=0;