畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于GA的雙容水箱液位PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、目 錄0. 前言11. 方案設(shè)計(jì)22. dde通信的實(shí)現(xiàn)方法22.1 組態(tài)王中的dde通信設(shè)計(jì)32. 2 matlab中的dde通信32.3 matlab與組態(tài)王的dde通信實(shí)現(xiàn)43. 組態(tài)王界面的開發(fā)53.1 建立組態(tài)王新工程63.2 com1的建立73.3 定義變量83.4 動(dòng)畫連接94. 系統(tǒng)的設(shè)備實(shí)現(xiàn)104.1 液位壓力傳感器124.2 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥135. 軟件編程136. 系統(tǒng)調(diào)試和結(jié)果分析167. 結(jié)論及進(jìn)一步設(shè)想17參考文獻(xiàn)19基于ga的雙容水箱液位pid控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（二） 沈陽航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院摘要：本次課設(shè)是畢業(yè)設(shè)計(jì)的一部分，主要研究雙容水箱液位pid控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，為相

2、同題目（一）的基于ga的pid控制算法提供驗(yàn)證平臺(tái)。該系統(tǒng)需要建立組態(tài)王和matlab的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換（dde），充分集合了matlab計(jì)算功能強(qiáng)和組態(tài)王具有很好的可視化界面的優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)方案采用組態(tài)王對(duì)控制過程進(jìn)行監(jiān)控，在組態(tài)王中開發(fā)組態(tài)界面、定義相應(yīng)的變量和設(shè)備，并實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫連接；同時(shí)利用matlab作為后臺(tái)主控，通過編輯pid控制算法計(jì)算控制量，采用dde方式傳遞給組態(tài)王以控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水箱液位的監(jiān)控。關(guān)鍵詞：matlab程序；組態(tài)界面；pid控制；dde通信。0. 前言隨著自動(dòng)化技術(shù)的快速發(fā)展，許多領(lǐng)域中都引入了計(jì)算機(jī)自動(dòng)檢測(cè)與控制技術(shù)，并取得了驚人的成果。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過

3、程自動(dòng)化中，過程控制起了大大的推動(dòng)作用。過程控制廣泛應(yīng)用于石油、化工、電力、冶金等工業(yè)部門。液體的液位測(cè)量在工業(yè)生產(chǎn)中非常普遍，應(yīng)用領(lǐng)域也比較廣，例如自來水水位的測(cè)量和控制，油田、煉油廠的油罐和儲(chǔ)油槽的油位的測(cè)量等。液位測(cè)量的方法很多，鍋爐液位控制的穩(wěn)定與否，是關(guān)系到生產(chǎn)安全的重要因素之一。液位太高，易使供出的蒸汽帶水，高溫高速的蒸汽水珠會(huì)損壞后工段的工藝設(shè)備；而液位太低，有造成鍋爐燒干的危險(xiǎn)。組態(tài)軟件是近年來在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域興起的一種新型的軟件開發(fā)技術(shù)，是數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件。開發(fā)人員通常不需要編制具體的指令和代碼，只要利用組態(tài)軟件包中的工具，通過硬件組態(tài)（硬件配置）、數(shù)據(jù)組態(tài)、圖形

4、圖像組態(tài)等工作即可完成所需應(yīng)用軟件的開發(fā)工作，它具有二次開發(fā)簡(jiǎn)便、開發(fā)周期短、通用性強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。matlab具有強(qiáng)大的數(shù)值分析和圖形繪制功能，這與組態(tài)王的可視化界面功能相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了用組態(tài)王和matlab混合編程的方法進(jìn)行系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計(jì)。應(yīng)用此方法設(shè)計(jì)雙容水箱液位pid控制系統(tǒng)，用組態(tài)王編制人機(jī)交互界面，用matlab完成控制算法，二者通過dde進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換，系統(tǒng)在線運(yùn)行穩(wěn)定。這種裝置的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)現(xiàn)在應(yīng)用十分廣泛。 本次課設(shè)整體方案及要求內(nèi)容：（1）根據(jù)設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行整體方案設(shè)計(jì) 。（2）建立組態(tài)王與matlab之間的dde通信。（3）進(jìn)行pid參數(shù)程序的流程設(shè)計(jì)。（4）完成上位機(jī)

5、的組態(tài)畫面設(shè)計(jì)。（5）進(jìn)行調(diào)試，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。1. 方案設(shè)計(jì)本文主要研究雙容水箱液位pid控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，由于本次課設(shè)是畢業(yè)設(shè)計(jì)的一部分，主要是從方案論證來完成本次課程設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)將基于a3000過程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，以液位為被控參數(shù)，利用matlab主控程序的pid算法，作為雙容水箱液位控制系統(tǒng)的上位機(jī)應(yīng)用組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和控制。上位機(jī)組態(tài)界面顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，主控程序根據(jù)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)與給定數(shù)據(jù)進(jìn)行比較計(jì)算輸出數(shù)據(jù)對(duì)調(diào)節(jié)閥開度進(jìn)行調(diào)節(jié)。a3000過程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)作為下位機(jī)負(fù)責(zé)采集硬件設(shè)備的數(shù)據(jù)，并且根據(jù)組態(tài)王pid參數(shù)得出相應(yīng)的命令對(duì)硬件設(shè)備做相應(yīng)調(diào)節(jié)，使液位達(dá)到設(shè)定值。本方案充分發(fā)揮了組態(tài)王的

6、可視化界面功能與matlab強(qiáng)大的數(shù)值分析和圖形繪制功能的各自優(yōu)勢(shì)，利用dde技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了組態(tài)王與matlab之間的通信，形成了實(shí)現(xiàn)裝置的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。首先完成上位機(jī)的組態(tài)畫面的設(shè)計(jì)，其中包括連接設(shè)備、定義變量、動(dòng)畫連接等任務(wù)。其次在matlab中編寫pid控制程序，建立matlab與組態(tài)王之間的dde通信，組態(tài)王把從下位機(jī)中讀取的數(shù)據(jù)通過dde通信傳給matlab程序中，matlab程序把接收數(shù)據(jù)與給定值作差值用pid算出輸出值返回給組態(tài)王以實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制，從而達(dá)到對(duì)下位機(jī)液位控制。最后進(jìn)行調(diào)試得到理想波形從而達(dá)到控制的技術(shù)要求。2. dde通信的實(shí)現(xiàn)方法dde是windows平臺(tái)上的

7、一個(gè)完整的通訊協(xié)議，它使應(yīng)用程序能彼此交換數(shù)據(jù)和發(fā)送指令。dde通訊可以比喻為兩個(gè)人的對(duì)話，一方向另一方提出問題，然后等待回答。提問的一方稱為顧客，回答的一方稱為服務(wù)器。一個(gè)應(yīng)用程序可以是顧客和服務(wù)器，當(dāng)它向其他應(yīng)用程序請(qǐng)求數(shù)據(jù)時(shí)，它充當(dāng)?shù)氖穷櫩?，若有其他的?yīng)用程序需要它提供數(shù)據(jù)時(shí)，它又變成了服務(wù)器。dde對(duì)話的內(nèi)容通過三個(gè)標(biāo)識(shí)來實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用程序名（application）：進(jìn)行dde通訊的雙方名稱；主題（topic）：被討論的數(shù)據(jù)域（domain）對(duì)組態(tài)王來說主題規(guī)定為：“tagname”；項(xiàng)目（item）：這是被討論的特定數(shù)據(jù)對(duì)象。dde交換數(shù)據(jù)的方法根據(jù)連接方式主要有三種：冷鏈（cold

8、link），溫鏈（warm link）和熱鏈（hot link）。由客戶申請(qǐng)數(shù)據(jù)，服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)的這種方式稱為冷鏈；服務(wù)器的數(shù)據(jù)變化時(shí)，服務(wù)器通知客戶，再由客戶來取數(shù)據(jù)，這種方式稱為溫鏈；服務(wù)器的數(shù)據(jù)變化時(shí)，服務(wù)器通知客戶，由客戶對(duì)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，這種方式稱為熱鏈。2.1 組態(tài)王中的dde通信設(shè)計(jì)組態(tài)王既可以作為客戶應(yīng)用程序也可以作為服務(wù)器應(yīng)用程序。當(dāng)它作為客戶應(yīng)用程序時(shí)，需進(jìn)行兩步工作。第一步在組態(tài)王中定義dde設(shè)備，并為該設(shè)備指定邏輯名稱、設(shè)置程序服務(wù)明、朱提名和選擇標(biāo)準(zhǔn)的windows項(xiàng)目數(shù)據(jù)交換形式。第二步定義i/o變量，連接dde設(shè)備，確認(rèn)允許dde訪問。當(dāng)組態(tài)王作為服務(wù)器應(yīng)用程

9、序時(shí)，它的工作是驅(qū)動(dòng)程序下位機(jī)采集數(shù)據(jù)，并向客戶應(yīng)用程序發(fā)送數(shù)據(jù)。2. 2 matlab中的dde通信matlab是矩陣實(shí)驗(yàn)室（matrix laboratory）之意。它除了具備卓越的數(shù)值計(jì)算功能外，還提供了專業(yè)水平的符號(hào)計(jì)算，文字處理，可視化建模仿真和實(shí)時(shí)控制等功能。matlab主要特點(diǎn)有功能強(qiáng)大；語言簡(jiǎn)單；擴(kuò)充能力強(qiáng)，可開發(fā)性強(qiáng)；編程容易，效率高。matlab5.1版本后都提供了有關(guān)dde的一些基本函數(shù)，如ddeinit()、ddepoke()、ddereq()、ddeterm()等。dde通訊中，matlab作為一個(gè)“server”時(shí)的通訊示意圖如圖1所示。在“client”應(yīng)用程序中

10、的dde函數(shù)與matlab的dde“server”模塊進(jìn)行通訊，“client”的dde函數(shù)能被應(yīng)用程序或matlabengine library提供。圖1 matlab作為服務(wù)器時(shí)的通訊示意圖當(dāng)matlab作為一個(gè)“client”時(shí)的通訊示意圖如圖2，在“server”應(yīng)用程序中的dde“server”模塊與matlab的dde“client”模塊進(jìn)行通訊。matlab作為一個(gè)“client”和windows應(yīng)用程序之間進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換時(shí)比較方便，只需使用matlab的dde函數(shù)來建立和維持雙方的對(duì)話。圖2 matlab作為客戶機(jī)時(shí)的通訊示意圖matlab作為客戶應(yīng)用程序時(shí)，支持本格式的數(shù)據(jù)

11、傳送，可以使用matlab中的dde客戶端模塊所提供的函數(shù)與服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。matlab提供了七個(gè)客戶函數(shù)，它們分別是ddeinit函數(shù)與服務(wù)器建立對(duì)話，建立成功則該函數(shù)返回一個(gè)通道號(hào)。以后的操作均對(duì)這個(gè)通道號(hào)進(jìn)行。ddeadv函數(shù)請(qǐng)求建立熱鏈。ddereq函數(shù)向服務(wù)器索要數(shù)據(jù)，返回值是存有數(shù)據(jù)的矩陣。ddepoke函數(shù)向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)。ddeterm函數(shù)請(qǐng)求撤消與服務(wù)器已建立的熱鏈連接。ddecxec函數(shù)用于向dde服務(wù)器應(yīng)用程序發(fā)送執(zhí)行命令。ddeunadv函數(shù)是釋放連接。2.3 matlab與組態(tài)王的dde通信實(shí)現(xiàn)在本次設(shè)計(jì)中，matlab和組態(tài)王為實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸，matlab

12、應(yīng)用程序和組態(tài)王應(yīng)用程序都既是客戶程序又是服務(wù)器程序，所以采用熱鏈方式。組態(tài)王具有dde動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)通訊功能，能夠和matlab進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。當(dāng)組態(tài)王作為服務(wù)器或客戶機(jī)程序時(shí)，設(shè)置dde的方法基本相同，都需要在定義io 變量時(shí)設(shè)置服務(wù)器程序的三個(gè)標(biāo)識(shí)名，即：服務(wù)程序名、話題名、項(xiàng)目名。matlab和組態(tài)王同時(shí)作為dde服務(wù)器和客戶機(jī)的使用方法如圖3所示：圖3 matlab和組態(tài)王的雙向數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸示意圖matlab 的dde 傳輸程序設(shè)計(jì)在本次設(shè)計(jì)中，組態(tài)王編制的主控程序?qū)南挛粰C(jī)讀取的數(shù)據(jù)送到matlab 程序進(jìn)行仿真計(jì)算，計(jì)算后將結(jié)果返回主程序，采用熱鏈方式。dde 熱鏈工作方式需要用ddea

13、dv。在matlab中建立m文件，輸入以下程序，下面是matlab以熱鏈方式與服務(wù)器連接的程序結(jié)構(gòu)：matlab客戶程序主體:%dde. m ，初始化dde 程序function dde = dde()global channel;channel = ddeinit(view,agname);if channel = = 0disp (dde initialization failed);elsedisp (dde initialization is ready);endrc = ddeadv(channel,ad. ai0,control(x),x); %ad.ai0為組態(tài)王中定義的io寄存

14、器。上述函數(shù)將matlab 與組態(tài)王的ad設(shè)備的ai0通道之間建立了熱鏈接,一旦ai0的數(shù)據(jù)有變化,則調(diào)用control()函數(shù)進(jìn)行處理。%control . m , 數(shù)據(jù)計(jì)算處理模塊function uk = control (pv)channel = ddeinit (view,tagname);pv = ddereq(channel,ad. ai0) ; %將現(xiàn)場(chǎng)采集值賦給pvuk = (pv) ; %具體的計(jì)算式,如pid計(jì)算式ddepoke (channel ,da. ao0, uk) ; %將計(jì)算結(jié)果uk送給da.ao0寄存器control()函數(shù)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量值pv的變化進(jìn)行相應(yīng)的

15、計(jì)算處理后通過ddepoke將結(jié)果uk返回組態(tài)王的da.ao0寄存器，再經(jīng)過da轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)后到執(zhí)行機(jī)構(gòu)(調(diào)節(jié)閥)執(zhí)行。組態(tài)王和matlab之間的dde通訊方便及時(shí)，從而可使用二者混合編程的方法實(shí)現(xiàn)一些具有復(fù)雜控制算法的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。3. 組態(tài)王界面的開發(fā)進(jìn)入組態(tài)王開發(fā)系統(tǒng)后，就可以為每個(gè)工程建立數(shù)目不限的畫面，在每個(gè)畫面上生成互相關(guān)聯(lián)的靜態(tài)或動(dòng)態(tài)圖形對(duì)象。這些畫面都是由“組態(tài)王”提供的類型豐富的圖形對(duì)象組成的。系統(tǒng)為用戶提供了矩形（圓角矩形）、直線、橢圓（圓）、扇形（圓?。?、點(diǎn)位圖、多邊形（多邊線）、文本等基本圖形對(duì)象，及按鈕、趨勢(shì)曲線窗口、報(bào)警窗口、報(bào)表等復(fù)雜的圖形對(duì)象。提供了對(duì)圖形對(duì)

16、象在窗口內(nèi)任意移動(dòng)、縮放、改變形狀、復(fù)制、刪除、對(duì)齊等編輯操作，全面支持鍵盤、鼠標(biāo)繪圖，并可提供對(duì)圖形對(duì)象的顏色、線型、填充屬性進(jìn)行改變的操作工具。進(jìn)入新建的組態(tài)王工程，選擇工程瀏覽器左側(cè)大綱項(xiàng)“文件畫面”，在工程瀏覽器右側(cè)用鼠標(biāo)左鍵雙擊“新建”圖標(biāo)，在彈出對(duì)話框中選擇相應(yīng)的屬性后，就可以在開發(fā)系統(tǒng)中利用工具箱進(jìn)行組態(tài)畫面的設(shè)置，本文設(shè)計(jì)的組態(tài)畫面如圖4所示：圖4 組態(tài)界面上圖是左面是水箱、調(diào)節(jié)閥、傳感器等器件在組態(tài)王軟件中的連接圖；右上角的圖本課題設(shè)計(jì)中的面板設(shè)置；右下角的圖是測(cè)量過程中的實(shí)時(shí)曲線。3.1 建立組態(tài)王新工程要建立新的組態(tài)王工程，首先為工程指定工作目錄（或稱“工程路徑” ）。組

17、態(tài)王用工作目錄標(biāo)識(shí)工程，不同的工程應(yīng)置于不同的目錄。工作目錄下的文件由組態(tài)王自動(dòng)管理。啟動(dòng)組態(tài)王工程管理器（projmanager），選擇菜單“文件新建工程”或單擊“新建”按鈕，彈出如圖5所示的對(duì)話框：圖5 新建工程向?qū)c(diǎn)擊下一步, 在工程路徑文本框中輸入一個(gè)有效的工程路徑，再點(diǎn)擊下一步,為新建工程命名為“水箱液位仿人智能控制”，工程描述為“實(shí)驗(yàn)室建設(shè)”，并將新建的工程設(shè)置為當(dāng)前工程，點(diǎn)擊“完成”，其信息如圖6所示:圖6 新建工程基本信息3.2 com1的建立在工程瀏覽器中，從左邊的工程目錄顯示區(qū)中選擇“設(shè)備/com1”，然后在右邊的內(nèi)容顯示區(qū)中雙擊“新建”圖標(biāo)，則彈出“設(shè)備配置向?qū)А?。然后?/p>

18、據(jù)其提示配置dde設(shè)備。在com1設(shè)備配置中，連接對(duì)象設(shè)為xm類儀表，邏輯名稱設(shè)為baitel，設(shè)備地址設(shè)為1，通訊方式為串口。其信息總結(jié)列表框如圖7所示：圖7 com1信息總結(jié)列表3.3 定義變量數(shù)據(jù)庫是組態(tài)王軟件的核心部分，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)狀況要以動(dòng)畫的形式反映在屏幕上，操作者在計(jì)算機(jī)前發(fā)布的指令也要迅速送達(dá)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，所有這一切都是以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫為中介環(huán)節(jié)，所以說數(shù)據(jù)庫是聯(lián)系上位機(jī)和下位機(jī)的橋梁。在touchview運(yùn)行時(shí)，它含有全部數(shù)據(jù)變量的當(dāng)前值。變量在畫面制作系統(tǒng)組態(tài)王畫面開發(fā)系統(tǒng)中定義，定義時(shí)要指定變量名和變量類型，某些類型的變量還需要一些附加信息。數(shù)據(jù)庫中變量的集合形象地稱為“數(shù)據(jù)詞

19、典”，數(shù)據(jù)詞典記錄了所有用戶可使用的數(shù)據(jù)變量的詳細(xì)信息。在本文的設(shè)計(jì)中，共需要定義6個(gè)變量。選擇工程瀏覽器左側(cè)大綱項(xiàng)“數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)詞典”，在工程瀏覽器右側(cè)用鼠標(biāo)左鍵雙擊“新建”圖標(biāo)，然后就可以根據(jù)提示完成各個(gè)變量的定義及修改。定義變量時(shí)主要需要設(shè)置變量的名字、變量類型、寄存器和變量類型。變量“測(cè)量值a”的信息總列表框如圖8所示，它的主要作用是用于存儲(chǔ)采樣值。變量“過程值b”的信息總結(jié)列表框如圖9所示，它的主要作用是存儲(chǔ)matlab計(jì)算出來的控制量，其連接設(shè)備為采樣設(shè)備。變量“設(shè)定值p”的信息總結(jié)列表框如圖10所示，主要用于存儲(chǔ)操作者想要控制的液位值。圖8 變量“測(cè)量值a”的信息總結(jié)列表框圖9 變

20、量“過程值b”的信息總結(jié)列表框圖10 變量“設(shè)定值p”的信息總結(jié)列表框3.4 動(dòng)畫連接定義動(dòng)畫連接是指在畫面的圖形對(duì)象與數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)變量之間建立一種關(guān)系，當(dāng)變量的值改變時(shí)，在畫面上以圖形對(duì)象的動(dòng)畫效果表示出來；或者由軟件使用者通過圖形對(duì)象改變數(shù)據(jù)變量的值。一共有21種動(dòng)畫連接方式：屬性變化：線屬性變化、填充屬性變化、文本屬性變化。位置與大小變化：填充、縮放、旋轉(zhuǎn)、水平移動(dòng)、垂直移動(dòng)。值輸出： 模擬值輸出、離散值輸出、字符串輸出。值輸入：模擬值輸入、離散值輸入、字符串輸入。特殊：閃爍、隱含、流動(dòng)?；瑒?dòng)桿輸入：水平、垂直。命令語言：按下時(shí)、彈起時(shí)、按住時(shí)。雙擊圖形對(duì)象，可彈出“動(dòng)畫連接”對(duì)話框，如

21、圖11所示：圖11 動(dòng)畫連接對(duì)話框然后根據(jù)變量的性質(zhì)，設(shè)置模擬值輸出或輸入等，比如變量“fmtov”的動(dòng)畫連接，點(diǎn)擊模擬值輸出彈出對(duì)話框如圖12所示。在表達(dá)式中輸入“本站點(diǎn) fmtov”即可，其它的動(dòng)畫連接與此相似。圖12 變量fmtov的動(dòng)畫連接對(duì)話框圖 4. 系統(tǒng)的設(shè)備實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的下位機(jī)連的是a3000過程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，整個(gè)部分設(shè)計(jì)在一個(gè)工業(yè)機(jī)柜中，開放性極強(qiáng)。一個(gè)前門，保證了設(shè)備防塵、散熱等需要?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖14所示。a3000過程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)過程控制系統(tǒng)包括a3000過程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)常規(guī)現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)和a3000過程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)控制系統(tǒng)兩個(gè)部分。a3000過程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)高級(jí)過程控制實(shí)驗(yàn)

22、系統(tǒng)獨(dú)創(chuàng)現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)概念，而不是對(duì)象系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)包括三個(gè)水箱，一個(gè)大儲(chǔ)水箱，一個(gè)鍋爐，一個(gè)工業(yè)用板式換熱器，兩個(gè)水泵，大功率加熱管，滯后時(shí)間可以調(diào)整的滯后系統(tǒng)，一個(gè)硬件連鎖保護(hù)系統(tǒng)。傳感器和執(zhí)行器系統(tǒng)包括5個(gè)溫度、3個(gè)液位、1個(gè)壓力，1個(gè)電磁流量計(jì)，1個(gè)渦輪流量計(jì)，1個(gè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，兩個(gè)電磁閥，2個(gè)液位開關(guān)?，F(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)包含兩個(gè)支路。支路1有1#水泵，換熱器，鍋爐，還可以直接注水到三個(gè)水箱以及鍋爐。支路2有2#水泵，壓力變送器，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，三個(gè)水箱，還有一路流入換熱器進(jìn)行冷卻。a3000過程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖13所示。在本次設(shè)計(jì)中，我們主要采用去支路2中的3#水箱和4#水箱，fv101

23、電調(diào)節(jié)閥，pt101壓力傳感器。a3000過程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)控制系統(tǒng)(a3000過程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)-cs)包括了傳感器執(zhí)行器i/o連接板、三個(gè)可換的子控制系統(tǒng)板，第三方控制系統(tǒng)接口板。圖13 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜傳感器執(zhí)行器連接板第一級(jí)控制系統(tǒng)第三級(jí)控制系統(tǒng)第二級(jí)控制系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)舉例常規(guī)儀表，ddc，或plc實(shí)驗(yàn)接口rs485到以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備過程級(jí)管理級(jí)圖14 a3000過程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)4.1 液位壓力傳感器本設(shè)計(jì)要用到一個(gè)液位壓力傳感器，接在下水箱的下部，用于測(cè)量下水箱的液位。液位傳感器實(shí)際是一個(gè)壓力傳感器。當(dāng)水箱液位高度不同時(shí)，傳感器把接收到的不同信號(hào)傳給matl

24、ab主控程序，實(shí)現(xiàn)其功能。液位壓力傳感器是兩線制接法，輸出信號(hào)為420ma電流信號(hào)。如圖15所示： 圖15 壓力傳感器接線原理圖端口ab之間接負(fù)載(250500)。檢驗(yàn)壓力傳感器信號(hào)時(shí)，在ab之間串一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電阻，然后測(cè)其上的壓降，可以算出ab間的電流。無水時(shí)應(yīng)顯示3.854.00ma，吹入空氣，電流值增大。液位傳感器實(shí)際是一個(gè)壓力傳感器。當(dāng)水箱中沒有水時(shí)，ab間的電流應(yīng)當(dāng)為4.00ma(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))，但由于安裝位置原因，ab間的電流約為3.84.0ma(百特儀表量程范圍設(shè)為420ma)。如果誤差比較大，則可以在控制系統(tǒng)中進(jìn)行校正。例如如果測(cè)量值低于4毫安，則直接顯示0。然后測(cè)量值上加上一定高度，

25、從而獲得比較準(zhǔn)確的液位高度。一般過程控制不要求這個(gè)絕對(duì)高度。液位的控制范圍在0%-85%之間，而電流范圍在4-17.5ma之間。壓力的控制范圍在35%-70%之間，而電流范圍10-15.5ma之間。4.2 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥本設(shè)計(jì)使用的調(diào)節(jié)閥為智能電動(dòng)單座調(diào)節(jié)閥，主要由閥座和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。等百分比特性。如圖16所示。輸入信號(hào)：420madc，輸入阻抗：250/500。正作用，也就是隨著輸入的電流加大，開度加大。閥位反饋信號(hào)：420madc，輸出最大負(fù)載：小于500斷信號(hào)閥位置：可任意設(shè)置為保持/全開/全關(guān)。出廠設(shè)置為保持原來狀態(tài)。電源：220v10%/50hz，溫度0-50度，相對(duì)濕度小于85%。死區(qū)

26、：0.5-5%連續(xù)可調(diào)，出廠設(shè)置為1.5%。 圖16 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥5. 軟件編程在過程控制中，按偏差的比例（p）、積分（i）和微分（d）進(jìn)行控制的pid控制器（亦稱pid調(diào)節(jié)器）是應(yīng)用最為廣泛的一種自動(dòng)控制器。它具有原理簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，適用面廣，控制參數(shù)相互獨(dú)立，參數(shù)的選定比較簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)；而且在理論上可以證明，對(duì)于過程控制的典型對(duì)象“一階滯后純滯后”與“二階滯后純滯后”的控制對(duì)象，pid控制器是一種最優(yōu)控制。pid調(diào)節(jié)規(guī)律是連續(xù)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)校正的一種有效方法，它的參數(shù)整定方式簡(jiǎn)便，結(jié)構(gòu)改變靈活（pi、pd、）。控制點(diǎn)目前包含三種比較簡(jiǎn)單的pid控制算法，分別是：增量式算法，位置式算法，微分先行。

27、本次設(shè)計(jì)中采用的是增量式算法在matlab中m文件編寫控制算法。在增量式算法中，比例項(xiàng)與積分項(xiàng)的符號(hào)有以下關(guān)系：如果被控量繼續(xù)偏離給定值，則這兩項(xiàng)符號(hào)相同，而當(dāng)被控量向給定值方向變化時(shí)，則這兩項(xiàng)的符號(hào)相反。由于這一性質(zhì)，當(dāng)被控量接近給定值的時(shí)候，反號(hào)的比例作用阻礙了積分作用，因而避免了積分超調(diào)以及隨之帶來的振蕩，這顯然是有利于控制的。但如果被控量遠(yuǎn)未接近給定值，僅剛開始向給定值變化時(shí)，由于比例和積分反向，將會(huì)減慢控制過程。 為了加快開始的動(dòng)態(tài)過程，我們可以設(shè)定一個(gè)偏差范圍v，當(dāng)偏差|e(t)|= 時(shí)，則不管比例作用為正或?yàn)樨?fù)，都使它向有利于接近給定值的方向調(diào)整，即取其值為|e(t)-e(t-1

28、)|，其符號(hào)與積分項(xiàng)一致。利用這樣的算法，可以加快控制的動(dòng)態(tài)過程。在pid增量算法中，由于執(zhí)行元件本身是機(jī)械或物理的積分儲(chǔ)存單元，如果給定值發(fā)生突變時(shí)，由算法的比例部分和微分部分計(jì)算出的控制增量可能比較大，如果該值超過了執(zhí)行元件所允許的最大限度，那么實(shí)際上執(zhí)行的控制增量將時(shí)受到限制時(shí)的值，多余的部分將丟失，將使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程變長(zhǎng)，因此，需要采取一定的措施改善這種情況。糾正這種缺陷的方法是采用積累補(bǔ)償法，當(dāng)超出執(zhí)行機(jī)構(gòu)的執(zhí)行能力時(shí)，將其多余部分積累起來，而一旦可能時(shí)，再補(bǔ)充執(zhí)行。在matlab中建立m文件，在m文件中編寫程序，其主程序要實(shí)現(xiàn)與組態(tài)王的dde通信功能，子程序?qū)崿F(xiàn)pid算法。工作流程

29、圖如圖17所示圖17 增量型pid工作流程圖matlab以熱鏈方式與服務(wù)器連接的程序結(jié)構(gòu)：matlab客戶程序主體:%dde. m ，初始化dde 程序function dde = dde()global channel;channel = ddeinit(view,agname);0if channel = = 0disp (dde initialization failed);elsedisp (dde initialization is ready);endrc = ddeadv(channel,ad. ai0,control(x),x); %ad.ai0為組態(tài)王中定義的io寄存器。上述

30、函數(shù)將matlab 與組態(tài)王的ad設(shè)備的ai0通道之間建立了熱鏈接,一旦ai0的數(shù)據(jù)有變化,則調(diào)用control()函數(shù)進(jìn)行處理。%control . m , 數(shù)據(jù)計(jì)算處理模塊function uk = control (pv)channel = ddeinit (view,tagname);pv = ddereq(channel,ad. ai0) ; %將現(xiàn)場(chǎng)采集值賦給pvuk = (pv) ; %具體的計(jì)算式,如pid計(jì)算式ddepoke (channel ,da. ao0, uk) ; %將計(jì)算結(jié)果uk送給da.ao0寄存器control()函數(shù)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量值pv的變化進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算處理

31、后通過ddepoke將結(jié)果uk返回組態(tài)王的da.ao0寄存器，再經(jīng)過da轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)后到執(zhí)行機(jī)構(gòu)(調(diào)節(jié)閥)執(zhí)行。主程序%liuyuyan.mglobal chann;chann=ddeinit(view,tagname);range40=real2;range43=real5;cb=ddeadv(chann,range43,control2(x),x);cc=ddeadv(chann,range40,control2(x),x);子程序%control.mfunction uk=control(pv)chann=ddeinit(view,tagname);range40=real2;pv=d

32、dereq(chann,range40);range41=real4;range42=real3;range43=real5;uk1=ddereq(chann,range41);e1=ddereq(chann,range42);p=ddereq(chann,range43);e=p-pv;fe=e-e1;接pid控制算法，由于本次設(shè)計(jì)與畢業(yè)設(shè)計(jì)是同一題目，所以這部分算法的編程有待于下學(xué)期繼續(xù)完成。if uk=100 uk=100;endddepoke(chann, range42,e);ddepoke(chann, range41,uk);pause(10);6. 系統(tǒng)調(diào)試和結(jié)果分析調(diào)試過程的

33、一般步驟如下：（1）在a3000過程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)-fs上，打開手動(dòng)調(diào)節(jié)閥pt102、jv102，調(diào)節(jié)下水箱閘板開度（可以稍微大一些），其余閥門關(guān)閉。（2）在a3000過程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)-cs上，將電磁調(diào)節(jié)閥輸出連接到ai0，ao0輸出連到電動(dòng)調(diào)節(jié)閥上。（3）打開a3000過程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)電源。在a3000過程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)-fs上，啟動(dòng)右邊水泵。（4）啟動(dòng)計(jì)算機(jī)組態(tài)軟件，點(diǎn)擊進(jìn)入工程式：雙容水箱液位過程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。（5）進(jìn)入組態(tài)王的運(yùn)行環(huán)境。（6）啟動(dòng)調(diào)節(jié)器，設(shè)置控制液位。在組態(tài)王監(jiān)控畫面中，觀察控制效果，并進(jìn)行相應(yīng)參數(shù)的修改，直到達(dá)到最佳控制效果。在組態(tài)王的運(yùn)行界面，觀察下水箱液位的時(shí)時(shí)曲線圖

34、，將實(shí)際控制效果與我們計(jì)算的控制效果進(jìn)行比較，找出其中失敗的原因，根據(jù)其原因在控制程序中對(duì)相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行修改，直到達(dá)到最佳控制效果。進(jìn)入組態(tài)王的運(yùn)行界面時(shí)，顯示不能與設(shè)置的dde設(shè)備進(jìn)行連接。原因分析：在組態(tài)王中新建dde設(shè)備時(shí)，配置的dde設(shè)備的服務(wù)程序名、應(yīng)用程序名和話題名可能不對(duì)。matlab在dde通訊中作為服務(wù)器使用時(shí)，有一個(gè)固定的dde名稱體系，其話題名只能是system和engine，得根據(jù)其通訊情況選擇其中的一個(gè)作為話題名，而不能選取別的。解決方法：在配置dde設(shè)備時(shí)，服務(wù)程序名任意選取，如matlab，應(yīng)用程序名應(yīng)設(shè)為固定的“matlab”，而話題名設(shè)為“engine”。7.

35、 結(jié)論及進(jìn)一步設(shè)想本次課程設(shè)計(jì)是畢業(yè)設(shè)計(jì)的一部分，所以要求掌握的東西要多一些，還涉及到以前沒接觸過的內(nèi)容如dde通信。通過兩周的學(xué)習(xí)我能過熟練的創(chuàng)建組態(tài)界面、定義變量及動(dòng)畫連接?；玖私饬薽atlab的dde通信，組態(tài)王的dde通信及matlab于組態(tài)王的dde通信。這些收獲讓我很高興。本次課程設(shè)計(jì)能夠順利完成，很大部分都?xì)w功于王昱老師的幫助，正是她耐心的幫助與指導(dǎo)，才使我順利完成了任務(wù)。同時(shí)在我做課程設(shè)計(jì)的過程中，許多同學(xué)也給我提出了寶貴的意見，也給了許多幫助，在此一并向他們表示最真摯的謝意！本文設(shè)計(jì)基于ga的雙容水箱液位pid控制系統(tǒng)是在matlab、組態(tài)王和a3000過程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)三個(gè)獨(dú)立應(yīng)用軟件組合應(yīng)用的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，它充分發(fā)揮了三個(gè)應(yīng)用軟件各自的優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到了比較好的控制效果。整個(gè)課題的開發(fā)過程主要包括了三個(gè)方面的內(nèi)容，一是windows操作系統(tǒng)下組態(tài)王和a300