基于组态软件的前馈反馈过程控制系统设计要点文档格式.docx
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2013.6.24—2013.7.4
设计成绩：
指导教师：
摘要
本设计采用前馈反馈来实现对液位的控制，选择相应的硬件，采用单闭环控制结构和PID的控制规律，用牛顿700系列作为通信模块和串行RS485作为通信协议，实现与计算机组态软件之间的通信，在相应的控制下，在计算机上随时显示其运作情况。
关键词：
前馈反馈PID组态软件液位通信显示
工业过程控制课程设计任务书
学生姓名
张浩
专业班级
自动1002
学号
201046820512
题目
基于组态软件的前馈反馈过程控制系统设计
课题性质
课题来源
自拟题目
指导教师
王伟生
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]辅导资料
审查意见
指导教师签字：
年月日
一：
设计目的和背景
为了克服在特定的生产条件下控制系统在运行当中扰动因素的频繁变化和变化幅值较大对系统控制的不利影响，单靠反馈矫正作用，被控过程可能会出现不允许的动态偏差，并且扰动量是可以测定的但是不可控性，针对此类情况，我们使用前馈控制加以补偿。
在本设计中，液位的控制就符合此类情况，我们就是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。
二：
控制要求及方案
在实际的生产过程中，往往同时存在着若干扰动。
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。
面对这些要求，在本设计实现对液位的控制中，采用了前馈反馈控制的控制方案。
前馈控制是基于扰动来消除扰动对被控量的影响，其属于开环控制，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。
反馈控制的本质是基于偏差来消除偏差，属于闭环控制，在液位控制中，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。
前馈反馈原理框图如下图。
前馈反馈控制框图
三：
控制系统硬件设计
3.1流量传感器转换器
⑴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。
避免了涡轮流量计非线性与死区大的致命缺点，确保实验效果能达到教学要求。
主要优点：
1.）采用整体焊接结构，密封性能好；
2.）结构简单可靠，内部无活动部件，几乎无压力损失；
3.）采用低频矩形波励磁，抗干扰性能好，零点稳定；
4.）仪表反应灵敏，输出信号与流量成线性关系，量程比宽；
⑵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%。
电磁流量传感器电磁流量转换器
3.2电动调节阀
电动调节阀对控制回路流量进行调节。
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。
调节阀变频器
3.3变频器
三菱FR-S520变频器（见上图），4-20mA控制信号输入，可对流量或压力进行控制，该变频器体积小，功率小，功能非常强大，运行稳定安全可靠，操作方便，寿命长，可外加电流控制，也可通过本身旋扭控制频率。
可单相或三相供电，频率可高达200Hz。
3.4水泵
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。
水泵
3.5牛顿7000系列模块
当需要构成计算机控制系统时，过程控制装置的数据采集和控制采用目前最新的牛顿7000系列远程数据采集模块和组态软件组成，完全模拟工业现场环境，先进性与实用性并举。
有效地拉近了实验室与工业现场的距离。
它体积小，安装方便，可靠性极高，D/A7024模块4路模拟输出，电流（4～20mA）电压（1～5V）信号均可，A/D7017模块8路模拟电压（1～5V）输入，485/232转换7520模块，转换速度极高（300～115KHz），232口可长距离传输。
牛顿模块示意图
牛顿模块连接图
四.系统软件设计
4.1系统流程图
4.2组态软件设计
在WindowsXP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。
开机画面如下图所示：
开机画面
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：
前馈反馈系统组态图
4.2.3变量定义
建立数据词典，便于确定内存变量与I/O数据，运算数据的关系。
因为只有在数据词典定义的变量才能在系统的控制程序中使用。
在此设计中所涉及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：
4.2.4PID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,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：
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：
实时趋势曲线
历史趋势曲线
设计心得
通过本设计我先从一个纯理论者转变成了一个问题者，认识到了实际工作中细节很多也很复杂，我们以后认识东西不要单从知识下手，还要联系实际应用中所要熟悉的问题。
在研究此课题期间，我真正接触了很多有着求知欲的同学，我和同学讨论的各方面都影响着我的设计过程，在遇到问题时都能一次又一次的尝试，直到把问题解决为止，实在解决不了的话，同学不是直接告诉我答案，而是引导我自己去找到解决的方法，增强了自己的解决问题的能力。
在整个系统的设计过程中，花费时间最多的是硬件的调试，调试时遇到了大量的错误，最后在老师和同学的帮助下终于调试通过，使整个电路可正常工作。
通过不断的纠正错误，我深刻地体会到在设计过程中，需要反复实践，其过程很可能相当烦琐，有时还特别想放弃，此时更加需要静下心来，仔细查找原因。
总之，这次设计我更加知道了一件事情，不是仅靠自己就能完成的，还要联系以前的理论，结合自己的实际，开创出自己的解决问题的整体策略。
参考文献
[1]周翔,石培科,黄罡,吴罕奇．前馈-反馈控制方法在电液比例调速系统中的应用.工程机械,2009,7（40）
[2]邵裕森，戴先中．过程控制工程．机械工业出版社，2007年1月
[3]陈夕松，汪木兰过程控制系统.科学出版社2012年1月
[4]郭锁凤，计算机控制系统[M].北京：
航空工业出版社
[5]XiaofangYuan,YaonanWang,LianghongWu.Compositefeedforward-
feedbackcontrollerforgeneratorexcitationsystemNonlinearDyn（2008）54:
355–364
[6]S.V.Narasimhan·
S.Veena·
H.Lokesh.Variablestep-sizeGriffiths’
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