过程控制课程设计.docx
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过程控制课程设计
过程控制系统
课程设计
题目:
基于组态软件的前馈反馈过程控制系统设计
院系名称:
电气工程学院
专业班级:
自动1302
学生姓名:
学号:
201323020228
指导教师:
设计地点:
31520
设计时间:
2016-6-27--2016-7-8
设计成绩:
指导教师:
本栏由指导教师根据大纲要求审核后,填报成绩并签名。
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
基于组态软件的前馈反馈过程控制系统设计
课题
性质
课程设计
课题来源
自拟题目
指导
教师
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
[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
摘要
为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相对较大对控制系统的不利影响,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,并且扰动量是可测不可控的,针对此类情况,我使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。
在本设计中,液位的控制就符合此类情况,我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在一定误差范围之内。
关键字:
扰动量可测不可控前馈、反馈组态软件
目录
1引言1
1.1设计目的2
1.2设计要求2
2系统结构设计3
2.1控制方案3
2.2系统结构流程图6
3仪表选择7
3.1流量传感器7
3.2过程模块7
3.3电动调节阀7
3.4其他设备8
4系统组态设计9
4.1组态王简介9
4.2组态软件设计9
4.2.1设备设置9
4.2.2组态画面10
4.2.3变量定义11
4.2.4PID控制算法12
4.2.5趋势曲线13
设计心得15
参考文献16
附录17
1引言
过程控制是生产(工艺)过程自动控制的简称,是自动化技术的一个重要组成部分。
用计算机对工艺过程的温度、压力、流量、成分、电压、几何尺寸等物理量和化学量进行的控制,全称工艺过程自动控制。
在现代工业生产过程中,过程控制技术正在为实现各种最优的技术经济指标、提高经济效益和劳动生产率、改善劳动条件、保护生态环境等方面起着越来越大的作用。
过程控制的主要作用是:
保证生产过程稳定,防止发生事故;保证产品质量;节约原料、能源消耗,降低成本;提高劳动生产率,充分发挥设备潜力;减轻劳动强度,改善劳动条件。
工艺过程分连续和不连续两大类:
1)连续型过程:
从输入原料到输出成品,基本上是连续的,大部分在管道和反应釜中进行,如石油化工工艺过程。
2)不连续工艺过程又称断续工艺过程,如机械制造中的生产过程。
生产技术的发展使得生产规模越来越大,生产速度和强度越来越高,从单一参数的局部测量逐渐发展到多参数或间接指标的检测和计算、巡回检测和数据处理;在控制方面由简单的顺序控制、单回路反馈控制逐渐发展到集中管理、相互关联的反馈控制、前馈控制和最优化控制等。
单纯采用常规仪表已难于取得预期的效果,因而在仪表控制技术的基础上出现了应用电子计算机的过程控制。
计算机过程控制的优点是:
1)达到常规仪表控制达不到的速度和质量;
2) 计算机具有分时操作功能,一台计算机能代替多台常规过程控制仪表;计算机过程控制能够综合过程情况,在环境或工艺参数变化时能及时作出判断,选择优化的方案和对策;
3)对于大滞后和相关联多参数复杂的工艺过程,采用计算机控制可以达到仪表控制所不能得到的结果。
计算机过程控制工作原理:
应用电子计算机控制工艺过程时,首先由检测仪表对工艺过程参数如温度、压力、流量等进行检测,经变送器变换为计算机所要求的电流或电压等模拟量信号。
这些信号由采样器根据需要采入,并经放大器、A/D转换器放大转换为相应的数字量信号,送入电子计算机作为反映工艺过程的原始信息。
计算机利用这些原始信息,按事先确定的描述工艺过程规律的数学模型进行计算。
计算的结果由输出通道输出,通过调节仪表或执行机构去调节和控制工艺过程。
本次课程设计的题目是:
基于组态软件的前馈反馈过程控制系统设计。
对于这个题目,我们设计了一个下水箱流量——液位前馈反馈控制系统,采用的是计算机分布式控制系统。
在下水箱流量——液位前馈反馈控制系统中,我们实验选用的软硬件设备有A3000过程控制实验系统、基于FX2N48MR- PLC控制系统、基于组态王6.5的监控系统。
1.1设计目的
该课程设计采用组态王软件设计具有PID控制规律和前馈控制算法的虚拟控制器的过程,以PLC过程控制实验系统双溶液为受控对象构建一个前馈——反馈控制系统,并可通过计算机网络实现远程监控主要学习前馈调节规律,了解前馈——反馈控制规律在液位单回路水箱中的控制。
1.2设计要求
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。
2系统结构设计
2.1控制方案
前馈控制是在企业生产经营活动开始之前进行的控制,是一种开环控制。
尤其适用于那些扰动量可测但不可控的系统。
管理过程理论认为,只有当管理者能够对即将出现的偏差有所察觉并及时预先提出某些措施时,才能进行有效的控制,因此,前馈控制具有重要的意义。
前馈控制系统采用的普遍方式,是利用所能得到的最新信息,进行认真、反复的预测,把计划所要达到的目的同预测相比较,并采取措施修改计划,以使预测与计划目标相吻合。
在反馈控制系统中,控制装置对被控对象施加的控制作用,是取自被控量的反馈信息,用来不断修正被控量与输入量之间的偏差,从而实现对被控对象进行控制的任务,这就是反馈控制的原理。
前馈控制又称扰动补偿,它与反馈调节原理完全不同,是按照引起被调节参数变化的干扰大小进行调节的。
在这种调节系统中要直接测量负载干扰的变化,当干扰刚刚出现而能测出时,调节器就能发出调节信号使调节量作出相应的变化,使两者抵消与被调量发生偏差之前。
因此,前馈调节对干扰的克服比反馈调节快。
但是前馈控制是开环控制。
其控制效果要通过反馈加以检验。
前馈控制器在测出扰动之后,按过程的某种物质或能量平衡条件计算出校正值。
如果没有反馈控制,则这种矫正作用只能在稳态下补偿扰动作用。
如图2-1所示,系统使用两个水泵注水,设法保持下水箱液位。
图2-1前馈——反馈控制原理图
前馈控制的基本概念是测取进入过程的干扰(包括外界干扰和设定值变化),按信号产生合适作用去改变操纵变量,使受控变量维持在设定值上。
前馈控制一般可表达为:
式中:
——前馈控制器的传递函数
——干扰通道的传递函数
——对象通道的传递函数
前馈控制只选择一个主要的干扰进行补偿,而其余的扰动仍会使被调量发生偏差。
前馈——反馈控制系统将前馈与反馈结合起来,选择对象中主要的一些干扰量作为前馈信号,对其他的各种干扰则采用反馈调节系统来克服,从而充分利用这两种调节作用的优点,使调节质量进一步提高。
系统的前馈——反馈控制系统框图如图2-2所示:
图2.2系统的前馈——反馈控制系统框图
2.2系统结构流程图
图2-3系统结构流程图
3仪表选择
3.1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3-1牛顿7000系列模块
3.3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3-2电动调节阀
3.4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,扬程可达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。
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6.55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A/D和D/A,与计算机COM1串口通信,通信地址分别为0和1.通信参数的设置如表4-1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
停止位长度位
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退出操作系统等。
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4-3所示:
图4-3数据词典
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。
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4-4所示:
图4-4PID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4-5、4-6所示:
图4-5实时趋势曲线
图4-6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]工业过程课程设计指导书.熊新民.2008.10
[2]过程控制系统.陈夕松汪木兰.科学出版社,2005
[3]计算机过程控制系统.刘宝坤.机械工业出版社,2001
[4]过程控制系统实训.将秀英张翠宣.化学工业出版社,2007
[5]过程控制工程.邵裕森戴先中.机械工业出版社,2000
[6]组态控制技术.袁秀英.电子工业出版社,2003
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;
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