单回路控制系统课程设计3.doc

单回路控制系统课程设计3

工业过程控制
课程设计

题 目: 基于组态软件的温度单回路过程控制系统设计
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工业过程控制课程设计任务书
学生姓名

专业班级

学号

题 目
基于组态软件的温度单回路过程控制系统设计
课题性质
工程设计
课题来源
自拟题目
指导教师
郑维
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温度单回路过程控制系统。
任务要求
1. 根据温度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. 根据温度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，正确设计温度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] 马正午，周德兴．过程可视化组态软件InTouch应用技术．北京：机械工业出版社，2006
[2] 邵裕森．过程控制工程．北京：机械工业出版社2000
[3] 陈夕松，汪木兰．过程控制系统．北京：科学出版社，2005
[4] 陶永华，新型PID控制及其应用[M]．北京：机械工业出版社，2000
审查意见

指导教师签字：
年 月 日

摘 要
为了取得较好的控制效果，采用PID控制规律。通过温度传感器将检测到的实时温度值与温度设定值的差值送入计算机，计算机运用PID算法得到相应的控制信号，并将其输出给执行器，然后执行器调节加热器，以达到调节温度的控制目的。

关键词： 温度 过程控制 PID算法 组态

目 录

1 引言 5
2 系统设计分析 6
2.1设计目的 6
2.2设计要求 6
2.3设计的内容 6
3 系统方案的设计及控制规律的选择 6
3.1系统控制方案 6
3.2系统结构框图 6
4 仪表与模块的选择 7
4.1仪器仪表的选择 7
4.2模块的选择 8
5 组态画面设计 9
5.1组态王简介 9
5.2组态软件设计 9
5.3 组态画面 10
6 组态程序设计 12
6.1 PID 控制算法 12
6.2 PID控制算法流程图 14
6.3 PID脚本程序 14
7 组态王数据词典 16
8 系统调试过程 17
设计心得 18
参 考 文 献 19

1 引言
现代工业设计、工程建设及日常生活中常常需要用到温度控制,早期温度控制主要应用于工厂中，例如钢铁的水溶温度，不同等级的钢铁要通过不同温度的铁水来实现，这样就可能有效的利用温度控制来掌握所需要的产品了。将单片机控制方法运用到温度控制系统中，可以克服温度控制系统中存在的严重滞后现象，同时在提高采样频率的基础上可以很大程度的提高控制效果和控制精度。
温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的问题。现代自动控制越来越朝着智能化发展，在很多自动控制系统中都用到了工控机，小型机、甚至是巨型机处理机等，当然这些处理机有一个很大的特点，那就是很高的运行速度，很大的内存，大量的数据存储器。但随之而来的是巨额的成本。在很多的小型系统中，处理机的成本占系统成本的比例高达20%，而对于这些小型的系统来说，配置一个如此高速的处理机没有任何必要，因为这些小系统追求经济效益，而不是最在乎系统的快速性，所以用成本低廉的单片机控制小型的，而又不是很复杂，不需要大量复杂运算的系统中是非常适合的。
随着电子技术以及应用需求的发展，单片机技术得到了迅速的发展，在高集成度，高速度，低功耗以及高性能方面取得了很大的进展。伴随着科学技术的发展，电子技术有了更高的飞跃，我们现在完全可以运用单片机和电子温度传感器对某处进行温度检测，而且我们可以很容易地做到多点的温度检测，如果对此原理图稍加改进，我们还可以进行不同地点的实时温度检测和控制。

2 系统设计分析
2.1设计目的
运用组态软件“组态王King View6.53”，结合工业过程实验室已有设备，按照定值系统的控制要求，应用PID算法，自行设计，构成单回路温度控制系统，并整定现相关的PID参数以使系统稳定运行，最终得到一个具有较美观组态画面和较完善组态控制程序的温度单回路控制系统。
2.2设计要求
利用电阻丝加热器对流经加热罐中的水进行加热，使用组态软件实现控制监控，采用合理的控制规律，是管道中流动水的温度稳定在设定值附近，以达到整体系统稳定运行的效果。水温的测量范围为0—100℃，测量精度＜1%。
2.3设计的内容
运用组态软件“组态王6.53”，结合工业过程实验室已有设备，按照流量比值控制系统的控制要求，应用PID算法，自行设计，构成单回路闭环控制系统，并整定相关的PID参数以使系统稳定运行，最终得到一个具有较美观组态画面和较完善组态控制程序的温度单回路控制系统。
3 系统方案的设计及控制规律的选择
3.1系统控制方案
为了取得较好的控制效果，基于组态软件的温度单回路过程控制系统在系统设计时，采用PID控制规律。通过温度传感器将检测到的实时温度值与温度设定值的差值送入计算机，计算机运用PID算法得到相应的控制信号，并将其输出给执行器，然后执行器调节加热器，以达到调节温度的控制目的。
3.2系统结构框图
根据控制要求，温度单回路控制系统的控制参数是水的温度，测量便采用温度传感器，被控参数是加热器的功率，控制器是计算机，执行器是加热器，所以温度单回路控制系统的结构框图如图3-1所示。
计算机
控制器
电阻丝加热器
加热罐水温
水温检测
传感器
一
SP
P T
PT1

图3-1温度单回路控制系统框图
根据系统组成框图和组成的仪表单元，得到系统流程图如图3-2所示。
计算机
AD模块7017
DA模块7024
可控硅
220VAC
TT
Cu50
加热罐

图3-2系统流程图
4 仪表与模块的选择　
4.1仪器仪表的选择
4.1.1温度传感器　
测量水温的传感器采用电热阻Cu50。热电阻Cu50在—50～150℃测量范围内电热阻和温度之间呈线性关系，温度系数越大，测量精度越高，热补偿性好，在过程控制领域使用广泛。系统采用三线制Cu50，温度信号经过变送单元转换成4～20mADC电流信号，便于计算机采集。
4.1.2加热器　
采用电阻丝作为加热器件，采用可控硅移相触发单元调节电阻丝的发热功率，输入控制信号为4—20mA标准电流信号，其移相触发与输入控制电流成正比。输出交流电压来控制加热器电阻丝的两端电压，从而控制加热罐的温度。输入4mA电流时，加热器电阻丝的两端温度为0V，输入为20mA电流时，加热器电阻丝的两端温度为220V。
4.1.3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，驱动电路采用高性能稀土磁性材料制造的同步电机运行平稳，体积小，力矩大，抗堵转，控制精度高。控制单元与执行机构一体化，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。由输入控制信号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，泄漏量少的优点。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。性能稳定可靠，控制精度高，使用寿命长等优点。
4.1.4其他设备　
在控制回路中所涉及到的设备还有水泵，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，扬程可达10米，功耗小，220V即可供电，在水泵出水口装有压力变送器，与变频器一起可构成恒压供水系统。
所用到的电磁阀的工作电源为DC24V，管段能力强，使用方便，结构简单。所采用的24V开关电源最大电流为2A，满足系统需要。
4.2模块的选择
4.2.1 D/A与A/D模块的选择
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7024，四通道模拟输出模块，电流输出4～20mADC，电压输出1～5VDC，精度14位。使用7024模块的1通道I01作为可控硅的电压控制通道。
A/D模块采用牛顿7017，八通道模拟输出模块，电压输入1～5VDC。。使用7024模块的4通道IN4作为温度信号检测输入通道。
4.2.2通信模块
系统常用的并行总线有RS232,RS485等。RS485更适合于多站连接，且距离传输较远，为小于1200米，是双端发双端收，在传输线上允许接的驱动器和接收器数目较多，且数据传输速率较快，正因为它具有如此优点所以价格方面比较贵。而RS232一般适用于短距离，为小于20米。是单端发单端收。
对此实验来讲，距离很近，且RS232就可满足系统的要求，从价格方面和其他方面考虑，本实验采用RS232通讯总线。
通信模块采用牛顿7520，RS232转换485通讯模块。使用RS-232/RS485双向协议转换，速度为300～115200BPS，可长距离传输。
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。
5 组态画面设计　
5.1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想象得表示出来，还可以完成变量警报、操作记录、趋势曲线等监视功能，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组态等新技术，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。
5.2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，相关参数实时在线调整，显示实时曲线，历史曲线等功能。
5.2.1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，具体将就是每一个实际I/O设备都必须在组态王中指定一个唯一的逻辑名称，此逻辑设备名就对应着该I/O的生产厂家、实际设备名称、设备通信方式、设备地址、与上位计算机的通讯方式等信息内容。
系统中与上位计算机进行数据交换外部的设备主要是AD设备牛顿7017模块和DA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i01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5.1通信参数的设置表
设置项
推荐值
波特率
9600
数据位长度/位
7
停止位长度/位
1
奇偶校验位
偶校验
5.3 组态画面　　
本系统绘制的组态画面为系统组成画面等。
系统主界面主要绘制的温度单回路控制系统的工艺组成图。包括水箱，管道，加热罐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节PID参数观察控制效果。
组态画面设计的大致步骤如下：
1：创建一个新项目

图5.1新建项目
2：创建一个新画面
3：动画连接
所谓动画连接，就是建立画面的图素与数据库变量的对应关系，建立动画连接后，根据数据库中变量的变化，图形对象可以按动画连接的要求进行改变。建立动画连接的基本步骤：1.创建或选择连接对象；2.双击与变量相关的图形对象，弹出动画连接对话框；3.选择对象想要进行的连接；4.为链接定义输入详细资料。
4：最终的组态画面
系统主界面如下图5.2所示：

图5.2 温度单回路控制系统组态图
6 组态程序设计
6.1 PID 控制算法　　
PID是一种工业控制过程中应用较为广泛的一种控制算法，它具有原理简单，易于实现，稳定性好，适用范围广，控制参数易于整定等优点。PID控制不需了解被控对象的数学模型,只要根据经验调整控制器参数 ,便可获得满意的结果。其不足之处是对被控参数的变化比较敏感。但是通过软件编程方法实现PID控制 ,可以灵活地调整参数。
连续PID控制器也称比例－积分－微分控制器，即过程控制是按误差的比例（P-ProportionAl）、积分（I-IntegrAl）和微分（D-DerivAtive）对系统进行控制。
它的控制规律的数学模型如下：

式中，e(t)：调节器输入函数，即给定量与输出量的偏u(t)：调节器输出函数。
将式展开，调节器输出函数可分成比例部分、积分部分和微分部分，它们分别是:
比例部分:比例部分的数学表达式是,p在比例部分中，Kp是比例系数，Kp越大，可以使系统的过渡过程越快，迅速消除静误差；但Kp过大，易使系统超调，产生振荡，导致不稳定。因此，此比例系数应选择合适，才能达到使系统的过渡过程时间短而稳定的效果。
积分部分:积分部分的数学表达式是从它的数学表达式可以看出，要是系统误差存在，控制作用就会不断增加或减少，只有e(t)=0时，它的积分才是一个不变的常数，控制作用也就不会改变，积分部分的作用是消除系统误差。积分时间常数的选择对积分部分的作用影响很大。较大，积分作用较弱，这时，系统消除误差所需的时间会加长，调节过程慢；较小，积分作用增强，这时可能使系统过渡过程产生振荡，但可以较快地消除误差。
微分部分:
微分部分的数学表达式是.
位置式PID控制算法

6.2 PID控制算法流程图　
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)减a1e(k-1)
做a2e(k-2)-a1e(k-1)+ a0e(k)
做a2e(k-2)-a1e(k-1)+ a0e(k)+u(k-1)
输出u(k)
数据传送：u(k)→u(k-1)
数据传送：e(k)→e(k-1)
e(k-1) →e(k-2)

图6.1 PID控制算法流程图
6.3 PID脚本程序
启动时：
Ts=20;
I= Ti/ Ts;
D= Td/ Ts;
ukp=0;
uk1=0;
ek1=0;
ek11=0;
ek12=0;
运行期间：
if( 自动开关==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- 温度;
ukp= a0* 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;}
}
关闭时：
ukp=0;
uk1=0;
ek1=0;
ek11=0;
ek12=0;
7 组态王数据词典
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主要有AD，DA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，用于定以开关动画连接的内存离散变量，参于PID运算的内存实型变量和实现各种动画效果所用到的内存实型及内存整型变量等。具体的参数词典如下表所示。

图7.1 数据词典
8 系统调试过程
将系统按要求接线结束之后，检查无误后开始电源，进入了组态的控制画面，并且调入了PID的控制窗口， 根据温度单回路控制系统的原理,其控制过程如下：水泵启动进水后,加热器对液体进行加热,温度传感器对液体温度进行检测，反馈给调节阀门2进行调节,使液体温度能又快又稳达到给定值。液体温度高于给定值时的控制过程．阀门2打开，阀门1打开，水泵启动，对加热器进行加水，使加热器液体温度下降到给定值。

设计心得
转眼间为期一个星期的课程设计就结束了，在这短暂的一周之中，通过自己不断地学习，不断地自我发现、感到自己的知识结构水平提出高了许多，对计算机控制方面的知识的掌握程度也加深了许多，对知识之间的相互联系也有了更深的了解；通过不断地提高自己的认识水平与能力、不断地学习新方法、新思想、新的思维方式、不断地改变自己的人生观和方法论、感到自己不但成长且成熟了许多；通过不断地把课本知识应用于实际，不断地把查阅到的资料与文献中有用的东西应用于实现，不断地把所学的理论与方法应用于设计之中，从而提高了自己理论联系实际的能力。
本次工业过程课程设计，以温度单回路系统作为控制系统，基于组态王6.53作为监控软件，以PID调节规律作为控制算法，完成了系统的控制要求，监控界面清晰美观，功能较为完善。
课程设计是对大学所学课程的一个高度的综合。无论是基础知识还是专业知识都被设计统一起来，使零散的知识系统化，形成了一种能力，这也是课程设计所要达到的目的。人生的路是漫长而曲折的，在这漫长而曲折的道路上需要自己的不断努力与拼搏。作为一名大学生，要对未来要充满期盼，充满希望，要微笑着走人生的每一步。

参 考 文 献
[1] 陈夕松，汪木兰．过程控制系统．北京：科学出版社，2005
[2] 邵裕森．过程控制工程．北京：机械工业出版社，2000
[3] 马正午，周德兴．过程可视化组态软件InTouch应用技术．北京：机械工业出版社，2006
[4] 施仁，刘文江．过程控制[M].北京：电子工业出版社，1991
[5] 陶永华，新型PID控制及其应用[M]．北京：机械工业出版社，2000