流量比值控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)

1、<p>　　工業(yè)過(guò)程控制課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　1 設(shè)計(jì)內(nèi)容和要求</b></p><p><b>　　1.1設(shè)計(jì)目的</b></p><p>　　運(yùn)用組態(tài)軟件“組態(tài)王King View6.05”，結(jié)合工業(yè)

2、過(guò)程實(shí)驗(yàn)室已有設(shè)備，按照定值系統(tǒng)的控制要求，應(yīng)用PID控制算法，自行設(shè)計(jì)，構(gòu)成單回路溫度控制系統(tǒng)，并整定相關(guān)的PID控制參數(shù)以使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，最終得到一個(gè)具有較美觀組態(tài)畫(huà)面和較完善組態(tài)控制程序的溫度單回路控制系統(tǒng)。</p><p><b>　　1.2控制要求</b></p><p>　　利用電阻絲加熱器對(duì)流經(jīng)加熱罐中的水進(jìn)行加熱，使用組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)控制監(jiān)控，采用合理的控

3、制規(guī)律，使管道中流動(dòng)的水的溫度穩(wěn)定在設(shè)定值附近，以達(dá)到整體系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的效果。水溫的測(cè)量范圍為0-100℃，測(cè)量精度<1%。</p><p><b>　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　2.1系統(tǒng)控制方案</b></p><p>　　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(guò)程控制系統(tǒng)在系統(tǒng)

4、設(shè)計(jì)時(shí)，采用PID控制規(guī)律。通過(guò)溫度傳感器將檢測(cè)到的實(shí)時(shí)溫度值與溫度設(shè)定值的差值送入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)運(yùn)用PID算法得到相應(yīng)的控制信號(hào)，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(dá)到調(diào)節(jié)溫度的控制目的。</p><p>　　2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　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(cè)量便送采用溫度傳感器，被控參數(shù)是加熱器的功率，控制器是計(jì)算機(jī)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)

5、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1所示。</p><p>　　流量比值控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　雙閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng)方框圖</p><p>　　3 過(guò)程儀表的選擇</p><p>　　3.1 溫度傳感器</p><p>　　檢測(cè)水溫的傳感器采用熱電阻Cu50。熱電阻Cu50在-50~150

6、℃測(cè)溫范圍內(nèi)電阻值和溫度之間呈線性關(guān)系，溫度系數(shù)大，測(cè)量精度高，熱補(bǔ)償性好在過(guò)程控制領(lǐng)域使用廣泛。系統(tǒng)采用三線制Cu50，溫度信號(hào)經(jīng)過(guò)變送單元轉(zhuǎn)換成4~20mADC電流信號(hào)，便于計(jì)算機(jī)采集。</p><p><b>　　3.2 加熱器</b></p><p>　　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(hào)為4-20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信

7、號(hào)，其移相觸發(fā)與輸入控制電流成正比。輸出交流電壓來(lái)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(shí)，加熱器電阻絲的兩端電壓時(shí)0V，輸入20mA電流時(shí)，加熱器電阻絲的兩端的電壓時(shí)220V。</p><p><b>　　3.3 過(guò)程模塊</b></p><p>　　采用牛頓7000系列遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集模塊作為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集通訊過(guò)程模塊。牛頓7000

8、系列模塊體積小，安裝方便，可靠性高。</p><p>　　D/A模塊采用牛頓7024，四通道模擬輸出模塊。電流輸出4~20mADC，電壓輸出1～5VDC，精度14位。使用7024模塊的1通道IO1 作為可控硅的電壓控制通道。</p><p>　　A/D模塊采用牛頓7017，八通道模擬輸入模塊。電壓輸入1～5VDC。使用7017模塊的4通道IN4作為溫度信號(hào)檢測(cè)輸入通道。</p>

9、<p>　　通信模塊采用牛頓7520，RS232轉(zhuǎn)換485通訊模塊。使用RS-232/RS-485雙向協(xié)議轉(zhuǎn)換，速度為300～115200BPS，可長(zhǎng)距離傳輸。</p><p>　　控制回路中電磁閥的開(kāi)關(guān)量輸出模塊采用牛頓7043，16通道非隔離集電極開(kāi)路輸出模塊。最大集電極開(kāi)路電壓30V，每通道輸出電流100mA，可直接驅(qū)動(dòng)電磁閥設(shè)備。</p><p><b>　

10、　3.4 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥</b></p><p>　　采用電動(dòng)調(diào)節(jié)閥對(duì)控制回路的水的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。采用德國(guó)PS公司進(jìn)口的PSL202型智能電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，無(wú)需配伺服放大器，驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用高性能稀土磁性材料制造的同步電機(jī)，運(yùn)行平穩(wěn)，體積小，力矩大，抗堵轉(zhuǎn)，控制精度高?？刂茊卧c電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)一體化，可靠性高、操作方便，并可與計(jì)算機(jī)配套使用，組成最佳調(diào)節(jié)回路。有輸入控制信號(hào)4-20mA 及單相電源即可控制運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)壓

11、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(jiǎn)單，泄漏量少的優(yōu)點(diǎn)。采用PS電子式直行程執(zhí)行機(jī)構(gòu)，4-20mA閥位反饋信號(hào)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(kāi)特性,.閥門(mén)采用柔性彈簧連接，可預(yù)置閥門(mén)關(guān)斷力，保證閥門(mén)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(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。</p><p><b>　　3.5 其他設(shè)備</b></p>&l

12、t;p>　　在控制系統(tǒng)回路中所涉及到的設(shè)備還用水泵，變頻器，電磁閥，開(kāi)關(guān)電源等。</p><p>　　水泵采用丹麥格蘭富循環(huán)水泵。噪音低，壽命長(zhǎng)，揚(yáng)程可達(dá)10米，功耗小，220V供電即可，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)。</p><p>　　所用到的電磁閥的工作電源為DC24V，關(guān)斷能力強(qiáng)，使用方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。所采用的24V開(kāi)關(guān)電源最大電流為為2A，滿足系

13、統(tǒng)需要。</p><p><b>　　系統(tǒng)流程圖</b></p><p>　　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2所示。</p><p><b>　　4 系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　4.1 組態(tài)王簡(jiǎn)介</p><p>　　組態(tài)王是在PC機(jī)上

14、建立工業(yè)控制對(duì)象人機(jī)接口的一種智能軟件包. 該軟件包從工業(yè)控制對(duì)象中采集數(shù)據(jù),并記錄在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中,同時(shí)負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)的變化用動(dòng)畫(huà)的方式形象地表示出來(lái). 還可以完成變量報(bào)警、操作記錄、趨勢(shì)曲線等監(jiān)視功能,并按實(shí)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(tái),采用了多線程、COM組件等新技術(shù),實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)多任務(wù)。 它具有豐富的圖庫(kù)及圖庫(kù)開(kāi)發(fā)工具,支持各種主流PLC、智

15、能儀表、板卡和現(xiàn)場(chǎng)總線等工控產(chǎn)品;有一種類(lèi)似C語(yǔ)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(hù)調(diào)用,實(shí)現(xiàn)各種功能。</p><p><b>　　組態(tài)軟件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　在Windows XP環(huán)境下，控制系統(tǒng)軟件以組態(tài)王6.01作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)。整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，總體監(jiān)視，設(shè)備控制，相關(guān)參數(shù)實(shí)時(shí)在線調(diào)整，顯示實(shí)時(shí)曲線，歷史曲線等功能。

16、</p><p><b>　　設(shè)備設(shè)置</b></p><p>　　組態(tài)王對(duì)設(shè)備的管理是通過(guò)對(duì)邏輯設(shè)備名的管理實(shí)現(xiàn)的，具體講就是每一個(gè)實(shí)際I/O 設(shè)備都必須在組態(tài)王中指定一個(gè)唯一的邏輯名稱(chēng)，此邏輯設(shè)備名就對(duì)應(yīng)著該I/O 設(shè)備的生產(chǎn)廠家、實(shí)際設(shè)備名稱(chēng)、設(shè)備通信方式、設(shè)備地址、與上位計(jì)算機(jī)的通信方式等信息內(nèi)容。</p><p>　　系統(tǒng)中與上位計(jì)算

17、機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的外部設(shè)備主要是是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IO1通道名稱(chēng)分別為AD和DA，與計(jì)算機(jī)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：</p><p>　　4.2.2 組態(tài)畫(huà)面</p><p>　　本系統(tǒng)繪制的組態(tài)畫(huà)面主要有開(kāi)機(jī)畫(huà)面，系統(tǒng)組成畫(huà)面等。</p>

18、;<p>　　開(kāi)機(jī)畫(huà)面主要顯示課題題目，制作人姓名，班級(jí)等相關(guān)信息。畫(huà)面上設(shè)置有兩個(gè)提示按鍵，分別提示操作員進(jìn)入主界面或退出操作系統(tǒng)等。開(kāi)機(jī)界面如下圖3所示。</p><p>　　系統(tǒng)主界面主要繪制的是控制系統(tǒng)的工藝組成圖。包括水箱，管道，加熱罐和閥門(mén)等設(shè)備以及相關(guān)的操作提示按鈕等?；趧?dòng)畫(huà)連接，主界面可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)，手動(dòng)操作切換，以及顯示PID參數(shù)整定框和實(shí)時(shí)曲線框以方便操作員在線調(diào)節(jié)PID參數(shù)觀察控

19、制效果。系統(tǒng)主界面如下圖4所示。 </p><p><b>　　變量定義</b></p><p>　　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(yùn)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(lèi)型主要有與AD，DA設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的I/O實(shí)型變量，控制電磁閥開(kāi)關(guān)的I/O離散變量，用于定以開(kāi)關(guān)動(dòng)畫(huà)連接的內(nèi)

20、存離散變量，參于PID運(yùn)算的內(nèi)存實(shí)型變量和實(shí)現(xiàn)各種動(dòng)畫(huà)效果所用到的內(nèi)存實(shí)型或內(nèi)存整型變量等。具體的數(shù)據(jù)詞典如下圖5所示。</p><p>　　4.2.4 PID控制算法</p><p>　　根據(jù)溫度單回路控制系統(tǒng)的原理，運(yùn)用組態(tài)王所提供的類(lèi)似于C語(yǔ)言的程序編寫(xiě)語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)PID控制算法。由于溫度系統(tǒng)大滯后特點(diǎn)，取采樣周期Ts=20s。</p><p>　　本系統(tǒng)采用P

21、ID位置控制算式，其控制算式如下：</p><p>　　上述算式中，Kp為比例系數(shù)，Ti為積分時(shí)間，Td為微分時(shí)間，以u(píng)(k)作為計(jì)算機(jī)的當(dāng)前輸出值，以sp作為給定值，pv作為反饋值即AD設(shè)備的轉(zhuǎn)換值，e(k)作為偏差。在組態(tài)王畫(huà)面中，設(shè)置PID參數(shù)調(diào)整框依據(jù)實(shí)時(shí)曲線在線調(diào)整PID參數(shù)如下圖所示。 </p><p>　　PID控制算法程序流程圖如圖7所示，附錄1為具體的PID控制算法

22、腳本程序。</p><p>　　4.2.5 趨勢(shì)曲線</p><p>　　趨勢(shì)曲線有實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線和歷史趨勢(shì)曲線。在組態(tài)王中通過(guò)圖庫(kù)可方便地繪制曲線畫(huà)面, 在趨勢(shì)曲線中可顯示系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)各個(gè)主要變量的歷史記錄,可以查詢(xún)以前任意時(shí)段的歷史記錄,還可設(shè)定查詢(xún)的時(shí)間范圍,顯示某查詢(xún)時(shí)間和該時(shí)間所對(duì)應(yīng)的被控變量值等。實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線可以自動(dòng)卷動(dòng), 以快速反應(yīng)變量隨時(shí)間的變化。在溫度單回路控制系統(tǒng)中，趨勢(shì)

23、曲線所要表達(dá)的三個(gè)參數(shù)分別為計(jì)算機(jī)依據(jù)PID控制算法的輸出值u(k),系統(tǒng)給定值sp和檢測(cè)反饋值pv。實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線和歷史趨勢(shì)曲線分別如下圖所示。</p><p><b>　　附錄</b></p><p><b>　　PID腳本程序</b></p><p><b>　　啟動(dòng)時(shí)：</b></p>

24、;<p>　　\\本站點(diǎn)\Ts=20;</p><p>　　\\本站點(diǎn)\I=\\本站點(diǎn)\Ti/\\本站點(diǎn)\Ts;</p><p>　　\\本站點(diǎn)\D=\\本站點(diǎn)\Td/\\本站點(diǎn)\Ts;</p><p>　　\\本站點(diǎn)\ukp=0;</p><p>　　\\本站點(diǎn)\uk1=0;</p><p>　　\\本

25、站點(diǎn)\ek1=0;</p><p>　　\\本站點(diǎn)\ek11=0;</p><p>　　\\本站點(diǎn)\ek12=0;</p><p><b>　　運(yùn)行期間：</b></p><p>　　if(\\本站點(diǎn)\自動(dòng)開(kāi)關(guān)==1)</p><p>　　{ \\本站點(diǎn)\Ts=15;</p>&l

26、t;p>　　\\本站點(diǎn)\I=\\本站點(diǎn)\Ti/\\本站點(diǎn)\Ts;</p><p>　　\\本站點(diǎn)\D=\\本站點(diǎn)\Td/\\本站點(diǎn)\Ts;</p><p>　　\\本站點(diǎn)\a0=\\本站點(diǎn)\P*(1+1/\\本站點(diǎn)\I+\\本站點(diǎn)\D);</p><p>　　\\本站點(diǎn)\a1=\\本站點(diǎn)\P*(1+2*\\本站點(diǎn)\D);</p><p>

27、;　　\\本站點(diǎn)\a2=\\本站點(diǎn)\P*\\本站點(diǎn)\D;</p><p>　　\\本站點(diǎn)\ek1=\\本站點(diǎn)\sp-\\本站點(diǎn)\溫度;</p><p>　　\\本站點(diǎn)\ukp=\\本站點(diǎn)\a0*\\本站點(diǎn)\ek1-\\本站點(diǎn)\a1*\\本站點(diǎn)\ek11+\\本站點(diǎn)\a2*\\本站點(diǎn)\ek12+\\本站點(diǎn)\uk11;</p><p>　　\\本站點(diǎn)\uk11=\\本站

28、點(diǎn)\ukp;</p><p>　　\\本站點(diǎn)\ek12=\\本站點(diǎn)\ek11;</p><p>　　\\本站點(diǎn)\ek11=\\本站點(diǎn)\ek1;</p><p>　　if(\\本站點(diǎn)\ukp<1000)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　if(\\本站點(diǎn)\ukp<

29、;0)</p><p>　　{\\本站點(diǎn)\uk1=0;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　else{\\本站點(diǎn)\uk1=\\本站點(diǎn)\ukp;</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b><

30、/p><p>　　else{\\本站點(diǎn)\uk1=1000;}</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　關(guān)閉時(shí)：</b></p><p>　　\\本站點(diǎn)\ukp=0;</p><p>　　\\本站點(diǎn)\uk1=0;</p><p>