工业过程控制课程设计.docx
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工业过程控制课程设计
摘要
过程控制技术近年来发展迅速，特别是在计算机，网络通信和先进控制理论的带动下，过程控制的检测，执行仪表及控制系统日益向智能化方向发展。
自动控制的核心是反馈，过程控制也不例外。
一个典型的过程控制系统一般由控制器，执行器，被控过程和测量变送等4个部分组成，也称为单回路控制系统。
前馈控制属于开环控制，所以单纯的前馈控制方案一般不宜采用。
在实际的生产过程中，往往同时存在着若干扰动。
若全部采用前馈控制，则需要对每一个扰动都要使用一套测量変送仪表，这些因素均限制了前馈控制的应用范围。
认知被控对象，设计控制方案，选择控制规律
1.1设计目的
根据设定的液位对象和其他配置，运用计算机和组态王6.53组态软件以及过程仪表、通信模块等器件，来设计一套液位监控系统，并通过调试和控制规律使得水箱液位维持恒定或保持恒定或者让其保持在一定误差范围内。
1.2控制要求
在工业过程控制中，实现前馈-反馈复合控制。
前馈控制的基本思想就是根据进入过程的扰动量（包括外界扰动和设定值变化），产生合适的控制作用，使被控量不发生偏差；而反馈控制是在系统受到扰动，被控量发生偏差后再进行控制。
但在实际工程上，扰动量变化频繁且幅值较大，单靠反馈校正作用，被控过程可能会出现不允许的动态偏差。
因此，通常考虑采用前馈控制加以补偿。
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。
1.3系统结构设计
1.3.1认知被控对象
该控制系统是基于组态软件的前馈反馈液位过程控制系统，该系统中控制器是液位控制器，执行器是电动调节阀，被控对象是液槽，被控参数是液槽液位，测量変送环节是液位变送器，前馈控制器是流量传感器。
1.3.2控制方案设计
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，及时通过计算机进行PID计算，将输出控制信号送给调节阀，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1.1前馈反馈复合控制系统方框图
1.3.3控制规律选择
为了取得较好的控制效果，上述系统在系统设计时，选PID控制规律。
调试时根据调整情况可采用PI或PID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。
1.3.4PID算法数学模型
流量与液位之间的传递函数：
G（s）=R/（RAs+1）;
经过z变换转换后得到液位与流量之间的函数关系式：
y（k）=exp（-Ts/RA）*y（k-1）+q（k）/A
调节阀的流量特性表达式：
Qv={1/R+（1-1/R）*Ki}*Qvmax;
其中调节范围：
R=Qvmax/Qvmin
Ki是调节阀的开度
其优点：
（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。
2选择过程仪表：
包括检测仪表和执行器
2.1电磁流量传感器
流量传感器用来对电动调节阀的主流量和干扰回路的干扰流量进行检测。
根据本实验装置的特点，采用工业用的LDS-10S型电磁流量传感器，公称直径10mm，流量0~0.3m3/h，压力1.6Mpmax，4-20mA标准信号输出。
可与显示，纪录仪表，积算器或调节器配套。
流量转换器采用LDZ-4型电磁流量转换器，与LDS-10S型电磁流量传感器配套使用，输入信号：
0~0.4mV输出信号：
4~20mADC，允许负载电阻为0~750Ω，基本误差：
输出信号量程的±0.5%。
图2.1电磁流量传感器图2.2液位传感器
2.2液位传感器
液位传感器用来对上位水箱和下位水箱的液位进行检测，采用工业用的DBYG扩散硅压力变送器，本变送器按标准的二线制传输，采用高品质、低功耗精密器件，稳定性、可靠性大大提高。
液位传感器用来对上位水箱和中位水箱的液位进行检测，采用工业用的DBYG扩散硅压力变送器，0.5级精度，二线制4-20mA标准信号输出。
采用丹麦格兰富循环水泵。
噪音低，寿命长，不会影响教师授课减少使用麻烦。
功耗小，220V供电即可，在水泵出水口装有压力变送器，与变频器一起可构成恒压供水系统。
2.3牛顿7000系列模块
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。
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。
图2.3牛顿模块示意图图2.4电动调节阀
2.4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。
2.5开关电源
DC24V的开关电源，最大电流为2A，满足实验的需要。
2.6测量要求
测量范围：
温度：
0~100℃
液位：
0~450cm
压力：
0~0.1Mpa
流量：
0~0.3m3/h
测量精度：
温度：
<1%液位：
<2%压力：
<2%流量：
<0.1%
3选择过程模块
3.1D/A模块
D/A7024模块4路模拟输出，电流（4-20mA）电压（1-5V）信号均可，LED指示灯:
电源和通讯，电流负载电阻:
外接24V电源1050Ω，电源输入:
+10~+30VDC，功耗:
2.4W。
3.2A/D模块
A/D7017模块8路模拟电路（1-5V）输入，输入类型：
mV、V、mA（接125Ω外电阻），采样速率：
10次/秒（total）;过电压保护：
±35V。
3.3D0模块
D0模块16路模拟通道，最大集电极开路电压30V，输出电流:
每通道100mA，直接驱动功率继电器模块，电源功耗：
0.4W。
3.4通讯模块
485/232转换7520模块，转换速度极高（300-115Hz），232口可长距离传输。
4接线图设计
在上述实验中，D/A模块中的IO0为控制调节阀开度的控制通道，IO1为可控硅的电压控制通道，IO2为变频器的控制通道。
A/D模块中，IN0为上水箱液位的检测，IN1为下水箱液位的检测，IN2为主流量的检测，IN3为副流量的检测，IN4是温度信号检测，IN5是阀位反馈信号检测，IN6是水泵出口压力信号检测。
在D/A模块中，由于模块本身不能提供电源，在控制时应串入24V直流电源，输出电流信号控制执行器，AGND为D/A模块公共地。
由于变送器输出的都是电流信号，而A/D模块采集的是电压信号，所以在A/D通道的正负端并联一个250欧姆的电阻，将电流信号转变为电压信号。
系统采用的液位变送器，压力变送器都是两线制的，在检测液位工作时需串入DC24V电源。
接线要求：
（I/O对应关系表）
⑴上水箱液位的检测输出――A/D模块中，IN0通道输入
⑵下水箱液位的检测输出――A/D模块中，IN1通道输入
⑶主流量的检测输出――A/D模块中，IN2通道输入
⑷副流量的检测输出――A/D模块中，IN3通道输入
⑸温度信号检测输出――A/D模块中，IN4通道输入
⑹阀位反馈信号检测输出――A/D模块中，IN5通道输入
⑺水泵出口压力信号检测输出――A/D模块中，IN6通道输入
⑻主调节阀开度的控制输入――D/A模块中的IO0通道输出
⑼可控硅电压的控制输入――D/A模块中的IO1通道输出
⑽变频器的控制输入――D/A模块中的IO2通道输出
⑾副调节阀开度的输入――D/A模块中的IO3通道输出
⑿模块之间用RS485总线相连（2根信号线DATA、+DATA-，2根电源线+Vs、GND）
⒀模块与计算机通讯：
RS232通讯总线。
⒁副阀位反馈信号检测输出――A/D模块中，IN7通道输入
5系统流程图
图5.1前馈反馈系统流程图
5.1组态王工程的建立及运行
在WindowsXP环境下，控制系统软件以组态王6.53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。
启动组态王工程浏览器，工程浏览器运行后，将打开你上次工作后的项目。
如果是第一次使用，默认的是组态王示例程序所在的目录。
选择菜单“文件\新建工程”按扭，选择工程所在路径，为工程命名和描述，然后创建组态画面，定义I/O设备，使I/O变量和他们交换数据。
选择工程浏览器左侧大纲项“设备\COM1”，运行设备配置向导。
5.2前馈-反馈复合控制系统的画面配置与设备设置
根据设计的要求从元件库中选择所需要的器件，定义每个器件的变量名，i/o属性。
编辑画面属性，单击“命令语言”，在编辑框中输入命令语言，就可以对画面中的器件进行动画控制。
创建动画连接的基本步骤有：
1）创建或选择连接对象。
能进行动画连接的只能是与变量相关的图形对象，与变量无关的图形对象不能进行动画连接。
2）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）为连接定义输入详细资料。
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5.1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
5.3运行与调试
在组态王开发系统中选择“文件/切换到view”菜单命令，进入组态王运行系统。
在运行系统中选择“画面/打开”命令，从“打开画面”窗口选择“test”画面。
显示出组态王运行系统画面，即可以看到矩形框和文本在动态变化。
6设计组态画面
前馈-反馈复合控制系统绘制的组态画面主要有系统组成画面、报警画面等。
系统组成画面绘制系统的主要工艺组成，报警画面用来显示报警。
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。
7建立前馈-反馈系统的数据词典
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。
8PID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：
9前馈-反馈系统的历史曲线图和实时曲线图
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变动，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：
12参考文献
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[2]何衍庆．工业生产过程控制[M]．化学工业出版社，2004
[3]冯品如．过程控制工程[M]．中国轻工业出版社，1995
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科学出版社，2006
[5]王毅．过程装备控制技术及应用[M]．化学工业出版社，2002
[6]赖寿宏．微机计算机控制技术[M]．机械工业出版社，1996
[7]组态王kingview6.53设计帮助及其说明文件
[8]
13附录脚本程序
IDCtrl0.SP=\\本站点\x;
PIDCtrl0.PV=\\本站点\y;
\\本站点\et=\\本站点\x-\\本站点\y;
\\本站点\R=\\本站点\y/10;
\\本站点\A=50;
if（y<=15）
{P
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if（y>30）
{
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}
\\本站点\eq=\\本站点\q-\\本站点\q_1;
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\\本站点\uk=\\本站点\uk_1+\\本站点\Kp*（1+\\本站点\ts/\\本站点\ti+\\本站点\td/\\本站点\ts）*\\本站点\et-\\本站点\Kp*（1+2*\\本站点\td/\\本站点\ts）*\\本站点\et_1+\\本站点\Kp*（\\本站点\td/\\本站点\ts）*\\本站点\et_2-\\本站点\eq;
\\本站点\uk_1=\\本站点\uk;
\\本站点\et_1=\\本站点\et;
\\本站点\et_2=\\本站点\et_1;
\\本站点\R=\\本站点\Qvmax/\\本站点\Qvmin;
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\\本站点\y=Exp（-1/（\\本站点\R*\\本站点\A）*\\本站点\ts）*\\本站点\y_1+\\本站点\Qv*1/\\本站点\A;
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\\本站点\储水箱液位=150-\\本站点\y;
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