基于組態(tài)軟件的前饋反饋過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、過程控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)題 目:基于組態(tài)軟件的前饋反饋過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 院系名稱： 電氣工程學(xué)院 專業(yè)班級 自動1002 學(xué)生姓名： 張浩 學(xué) 號： 201046820512 指導(dǎo)教師： 王偉生 設(shè)計(jì)地點(diǎn)： 31520 設(shè)計(jì)時(shí)間： 2013.6.242013.7.4 設(shè)計(jì)成績： 指導(dǎo)教師： III 摘 要 本設(shè)計(jì)采用前饋反饋來實(shí)現(xiàn)對液位的控制，選擇相應(yīng)的硬件，采用單閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)和PID的控制規(guī)律，用牛頓700系列作為通信模塊和串行RS485作為通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)組態(tài)軟件之間的通信，在相應(yīng)的控制下，在計(jì)算機(jī)上隨時(shí)顯示其運(yùn)作情況。關(guān)鍵詞：前饋反饋 PID 組態(tài)軟件 液位 通信顯示 工業(yè)過程控制課程

2、設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名張浩專業(yè)班級自動1002學(xué)號201046820512題 目基于組態(tài)軟件的前饋反饋過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)課題性質(zhì)課題來源自擬題目指導(dǎo)教師王偉生 主要內(nèi)容通過某種組態(tài)軟件，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室已有設(shè)備，按照定值系統(tǒng)的控制要求，根據(jù)較快較穩(wěn)的性能要求，采用單閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)和PID控制規(guī)律，設(shè)計(jì)一個(gè)具有較美觀組態(tài)畫面和較完善組態(tài)控制程序的前饋反饋單回路過程控制系統(tǒng)。任務(wù)要求1. 根據(jù)前饋反饋單回路過程控制系統(tǒng)的具體對象和控制要求，獨(dú)立設(shè)計(jì)控制方案，正確選用過程儀表。2. 根據(jù)前饋反饋單回路過程控制系統(tǒng)A/D、D/A和開關(guān)I/O的需要，正確選用過程模塊。3. 根據(jù)與計(jì)算機(jī)串行通訊的需要，正確選用RS48

3、5/RS232轉(zhuǎn)換與通訊模塊。4. 運(yùn)用組態(tài)軟件，正確設(shè)計(jì)前饋反饋單回路過程控制系統(tǒng)的組態(tài)圖、組態(tài)畫面和組態(tài)控制程序。5. 提交包括上述內(nèi)容的課程設(shè)計(jì)報(bào)告。主要參考資料1 組態(tài)王軟件及其說明文件2 邵裕森過程控制工程北京：機(jī)械工業(yè)出版社20003 過程控制教材4 輔導(dǎo)資料審查意見指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日目錄一：設(shè)計(jì)目的和背景1二：控制要求及方案1三：控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)23.1流量傳感器轉(zhuǎn)換器23.2電動調(diào)節(jié)閥33.3變頻器33.4水泵33.5牛頓7000系列模塊4四.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)54.1系統(tǒng)流程圖54.2組態(tài)軟件設(shè)計(jì)54.2.1 設(shè)備設(shè)置64.2.2組態(tài)畫面64.2.3 變量定義84.2.4

4、PID控制算法94.2.5 趨勢曲線10設(shè)計(jì)心得12參考文獻(xiàn)13附錄14一：設(shè)計(jì)目的和背景為了克服在特定的生產(chǎn)條件下控制系統(tǒng)在運(yùn)行當(dāng)中擾動因素的頻繁變化和變化幅值較大對系統(tǒng)控制的不利影響，單靠反饋矯正作用，被控過程可能會出現(xiàn)不允許的動態(tài)偏差，并且擾動量是可以測定的但是不可控性，針對此類情況，我們使用前饋控制加以補(bǔ)償。在本設(shè)計(jì)中，液位的控制就符合此類情況，我們就是根據(jù)設(shè)定的液位對象和其他配置，運(yùn)用計(jì)算機(jī)和INTOUCH組態(tài)軟件，設(shè)計(jì)一套監(jiān)控系統(tǒng)，并通過調(diào)試使得水箱液位維持恒定或保持恒定或保持在一定誤差范圍內(nèi)。二：控制要求及方案在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，往往同時(shí)存在著若干擾動。前饋控制的基本概念使測取進(jìn)

5、入過程的干擾（包括外界干擾和設(shè)定值變化），并按其信號產(chǎn)生合適的控制作用去改變操縱變量，使控制變量維持在設(shè)定值上。前饋控制器的控制規(guī)律取決于被控對象的特性，按被控對象既定控制規(guī)律;反饋控制的控制規(guī)律采用PID規(guī)律。將前饋與反饋有效地結(jié)合，運(yùn)用前饋控制在擾動發(fā)生后，及時(shí)抑制由主要擾動引起的被控量所產(chǎn)生的偏差；同時(shí)運(yùn)用反饋控制，消除多種擾動對被控量的影響。面對這些要求，在本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對液位的控制中，采用了前饋反饋控制的控制方案。前饋控制是基于擾動來消除擾動對被控量的影響，其屬于開環(huán)控制，在設(shè)計(jì)中經(jīng)過對主流量的檢測，及時(shí)的針對主要擾動進(jìn)行液位的偏差抑制。當(dāng)流量測量值較預(yù)定值發(fā)生波動，即時(shí)通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行P

6、ID計(jì)算，輸出控制信號，進(jìn)行液位調(diào)節(jié)。反饋控制的本質(zhì)是基于偏差來消除偏差，屬于閉環(huán)控制，在液位控制中，通過對液位的測量，及時(shí)對液位進(jìn)行調(diào)控。反饋環(huán)節(jié)通過對液位的監(jiān)測，將測量值與給定值進(jìn)行比較，形成偏差后，通過A/D傳輸給計(jì)算機(jī)，進(jìn)行預(yù)先設(shè)定的PID計(jì)算，輸出控制型號，進(jìn)行液位調(diào)節(jié)。前饋反饋原理框圖如下圖。 前饋反饋控制框圖三：控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1流量傳感器轉(zhuǎn)換器 流量傳感器用來對電動調(diào)節(jié)閥的主流量和干擾回路的干擾流量進(jìn)行檢測。根據(jù)本實(shí)驗(yàn)裝置的特點(diǎn)，采用工業(yè)用的LDS-10S型電磁流量傳感器，公稱直徑10mm，流量00.3m3/h，壓力1.6Mpmax，4-20mA標(biāo)準(zhǔn)信號輸出。可與顯示，紀(jì)錄

7、儀表，積算器或調(diào)節(jié)器配套。避免了渦輪流量計(jì)非線性與死區(qū)大的致命缺點(diǎn)，確保實(shí)驗(yàn)效果能達(dá)到教學(xué)要求。主要優(yōu)點(diǎn)：1.）采用整體焊接結(jié)構(gòu)，密封性能好；2.）結(jié)構(gòu)簡單可靠，內(nèi)部無活動部件，幾乎無壓力損失；3.）采用低頻矩形波勵(lì)磁，抗干擾性能好，零點(diǎn)穩(wěn)定； 4.）儀表反應(yīng)靈敏，輸出信號與流量成線性關(guān)系，量程比寬； 流量轉(zhuǎn)換器采用LDZ-4型電磁流量轉(zhuǎn)換器，與LDS-10S型電磁流量傳感器配套使用，輸入信號：00.4mV輸出信號：4 20mA DC，允許負(fù)載電阻為0750，基本誤差：輸出信號量程的±0.5%。電磁流量傳感器 電磁流量轉(zhuǎn)換器3.2電動調(diào)節(jié)閥電動調(diào)節(jié)閥對控制回路流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。采用德國P

8、S公司進(jìn)口的PSL202型智能電動調(diào)節(jié)閥，無需配伺服放大器，驅(qū)動電機(jī)采用高性能稀土磁性材料制造的同步電機(jī)，運(yùn)行平穩(wěn)，體積小，力矩大，抗堵轉(zhuǎn)，控制精度高?？刂茊卧c電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)一體化，可靠性高、操作方便，并可與計(jì)算機(jī)配套使用，組成最佳調(diào)節(jié)回路。有輸入控制信號4-20mA 及單相電源即可控制運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)對壓力流量溫度液位等參數(shù)的調(diào)節(jié)，具有體積小，重量輕，連線簡單，泄漏量少的優(yōu)點(diǎn)。采用PS電子式直行程執(zhí)行機(jī)構(gòu)，4-20mA閥位反饋信號輸出雙導(dǎo)向單座柱塞式閥芯，流量具有等百分比特性，直線特性和快開特性,.閥門采用柔性彈簧連接，可預(yù)置閥門關(guān)斷力，保證閥門的可靠關(guān)斷，防止泄露。性能穩(wěn)定可靠，控制精度高，使用壽

9、命長等優(yōu)點(diǎn)。 調(diào)節(jié)閥 變頻器3.3變頻器三菱FR-S520變頻器（見上圖），4-20mA控制信號輸入，可對流量或壓力進(jìn)行控制，該變頻器體積小，功率小，功能非常強(qiáng)大，運(yùn)行穩(wěn)定安全可靠，操作方便，壽命長，可外加電流控制，也可通過本身旋扭控制頻率。可單相或三相供電，頻率可高達(dá)200Hz。3.4水泵采用丹麥格蘭富循環(huán)水泵。噪音低，壽命長，不會影響教師授課減少使用麻煩。功耗小，220V供電即可，在水泵出水口裝有壓力變送器，與變頻器一起可構(gòu)成恒壓供水系統(tǒng)。水泵3.5牛頓7000系列模塊當(dāng)需要構(gòu)成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)時(shí)，過程控制裝置的數(shù)據(jù)采集和控制采用目前最新的牛頓7000系列遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集模塊和組態(tài)軟件組成，完全

10、模擬工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境，先進(jìn)性與實(shí)用性并舉。有效地拉近了實(shí)驗(yàn)室與工業(yè)現(xiàn)場的距離。它體積小，安裝方便，可靠性極高，D/A7024模塊4路模擬輸出，電流（420mA）電壓（15V）信號均可，A/D7017模塊8路模擬電壓（15V）輸入，485/232 轉(zhuǎn)換7520模塊，轉(zhuǎn)換速度極高（300115KHz），232口可長距離傳輸。牛頓模塊示意圖 牛頓模塊連接圖四.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1系統(tǒng)流程圖4.2組態(tài)軟件設(shè)計(jì)在Windows XP環(huán)境下，控制系統(tǒng)軟件以組態(tài)王6.01作為開發(fā)平臺。整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，總體監(jiān)視，設(shè)備控制，相關(guān)參數(shù)實(shí)時(shí)在線調(diào)整，顯示實(shí)時(shí)曲線，歷史曲線等功能。4.2.1 設(shè)備設(shè)置組態(tài)王對設(shè)備

11、的管理是通過對邏輯設(shè)備名的管理實(shí)現(xiàn)的，具體講就是每一個(gè)實(shí)際I/O設(shè)備都必須在組態(tài)王中指定唯一的一個(gè)邏輯名稱，此邏輯設(shè)備名就對應(yīng)這該I/O設(shè)備的生產(chǎn)廠家、實(shí)際設(shè)備名稱、設(shè)備通信方式、設(shè)備地址、與上位計(jì)算機(jī)的通信方式等信息的內(nèi)容。系統(tǒng)中與上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的外部設(shè)備主要是A/D設(shè)備，牛頓7017模塊和D/A設(shè)備，牛頓7024模塊。在組態(tài)王軟件工程瀏覽器中，設(shè)置7017模塊IN4通道和7024模塊和I/O1通道名稱分別為AD和DA,與計(jì)算機(jī)COM1串口通信，通信地址分別為0和1.通信參數(shù)的設(shè)置如下表所示：表4.1 通信參數(shù)設(shè)置表設(shè)置項(xiàng)推薦值波特率9600數(shù)據(jù)位長度/位7停止位產(chǎn)度/位1奇偶校驗(yàn)位

12、偶校驗(yàn)4.2.2組態(tài)畫面本系統(tǒng)繪制的組態(tài)畫面主要有開機(jī)畫面，系統(tǒng)組成畫面等。開機(jī)畫面主要顯示課題題目，制作人姓名，班級等相關(guān)信息。畫面上設(shè)置有兩個(gè)提示按鍵，分別提示操作員進(jìn)入主界面或推出操作系統(tǒng)等。開機(jī)畫面如下圖所示：開機(jī)畫面系統(tǒng)主界面主要繪制的是前饋反饋單回路控制系統(tǒng)的工藝組成圖。包括水箱，管道，流量計(jì)和閥門等設(shè)備以及相關(guān)的操作提示按鈕等?；趧赢嬤B接，主界面可實(shí)現(xiàn)自動，手動操作的切換，以及顯示PID參數(shù)整定框和實(shí)時(shí)曲線框以方便操作員在線調(diào)整PID參數(shù)觀察控制效果。系統(tǒng)主界面如下圖所示：前饋反饋系統(tǒng)組態(tài)圖4.2.3 變量定義建立數(shù)據(jù)詞典，便于確定內(nèi)存變量與I/O數(shù)據(jù)，運(yùn)算數(shù)據(jù)的關(guān)系。因?yàn)橹挥?/p>

13、在數(shù)據(jù)詞典定義的變量才能在系統(tǒng)的控制程序中使用。在此設(shè)計(jì)中所涉及的變量的類型重要有與A/D、D/A設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的I/O實(shí)型變量，控制電磁閥開關(guān)的I/O離散變量，用于定義開關(guān)動畫連接的內(nèi)存離散變量，參與PID運(yùn)算的內(nèi)存型實(shí)型變量和實(shí)現(xiàn)各種動畫效果所用到的內(nèi)存實(shí)型或內(nèi)存整型變量等。具體的數(shù)據(jù)詞典如下圖所示：4.2.4 PID控制算法根據(jù)前饋反饋控制系統(tǒng)的原理，運(yùn)用組態(tài)王所提供的類似于C語言的程序編寫語言實(shí)現(xiàn)PID控制算法,取采樣周期為Ts=20s。本系統(tǒng)采用PID位置控制算法，其控制算式如下： 上述算式中，為比例系數(shù)，為積分時(shí)間，為微分時(shí)間，以作為計(jì)算機(jī)當(dāng)前的輸出值，以作為給定值，作為反饋值，

14、即A/D設(shè)備的轉(zhuǎn)換值，作為偏差。在組態(tài)王畫面中，可以通過設(shè)置PID參數(shù)調(diào)整框依據(jù)實(shí)時(shí)曲線在線調(diào)整PID參數(shù)。PID控制算法程序流程圖如下圖所示：PID控制算法程序流程圖4.2.5 趨勢曲線趨勢曲線有實(shí)時(shí)趨勢曲線和歷史趨勢曲線。在組態(tài)王中通過圖庫可方便地繪制曲線畫面，在趨勢曲線中可顯示系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)各個(gè)主要變量的歷史記錄，可以查詢遺愛按任意時(shí)段的歷史記錄，還可設(shè)定查詢的時(shí)間范圍，顯示某查詢時(shí)間和該時(shí)間所對應(yīng)的被控變量值等。實(shí)時(shí)趨勢曲線可以自動卷動，以快速反應(yīng)變量隨時(shí)間的變化。在前饋反饋控制系統(tǒng)中，趨勢曲線所要表達(dá)的三個(gè)參數(shù)分別為計(jì)算機(jī)依據(jù)PID算法的輸出值，系統(tǒng)給定值和檢測反饋值。實(shí)時(shí)趨勢曲線和歷史

15、趨勢曲線分別如下圖所示： 實(shí)時(shí)趨勢曲線歷史趨勢曲線設(shè)計(jì)心得 通過本設(shè)計(jì)我先從一個(gè)純理論者轉(zhuǎn)變成了一個(gè)問題者，認(rèn)識到了實(shí)際工作中細(xì)節(jié)很多也很復(fù)雜，我們以后認(rèn)識東西不要單從知識下手，還要聯(lián)系實(shí)際應(yīng)用中所要熟悉的問題。 在研究此課題期間，我真正接觸了很多有著求知欲的同學(xué)，我和同學(xué)討論的各方面都影響著我的設(shè)計(jì)過程，在遇到問題時(shí)都能一次又一次的嘗試，直到把問題解決為止，實(shí)在解決不了的話，同學(xué)不是直接告訴我答案，而是引導(dǎo)我自己去找到解決的方法，增強(qiáng)了自己的解決問題的能力。在整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，花費(fèi)時(shí)間最多的是硬件的調(diào)試，調(diào)試時(shí)遇到了大量的錯(cuò)誤，最后在老師和同學(xué)的幫助下終于調(diào)試通過，使整個(gè)電路可正常工作。

16、通過不斷的糾正錯(cuò)誤，我深刻地體會到在設(shè)計(jì)過程中，需要反復(fù)實(shí)踐，其過程很可能相當(dāng)煩瑣，有時(shí)還特別想放棄，此時(shí)更加需要靜下心來，仔細(xì)查找原因。 總之，這次設(shè)計(jì)我更加知道了一件事情，不是僅靠自己就能完成的，還要聯(lián)系以前的理論，結(jié)合自己的實(shí)際，開創(chuàng)出自己的解決問題的整體策略。參考文獻(xiàn)1 周翔,石培科,黃罡,吳罕奇 前饋-反饋控制方法在電液比例調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用.工程機(jī)械, 2009,7（40）2 邵裕森，戴先中過程控制工程機(jī)械工業(yè)出版社，2007年1月3 陳夕松，汪木蘭 過程控制系統(tǒng) .科學(xué)出版社2012年1月4 郭鎖鳳，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)M.北京：航空工業(yè)出版社5 Xiaofang Yuan,Yaonan

17、 Wang,Lianghong Wu. Composite feedforward-feedback controller for generator excitation system Nonlinear Dyn (2008) 54: 3553646 S.V.Narasimhan·S. Veena·H. Lokesh. Variable step-size Grifthsalgorithm for improved performance of feedforward-feedback active noise control SIViP (2010) 4:309317附錄啟動時(shí)：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;運(yùn)行期間：If(本站點(diǎn)實(shí)時(shí)控制=1)VV1=1；VV4=1;P1=Kp;I1=Ti/Ts;D1=Td/Ts;Sp1=sp；Pv1=本站點(diǎn)liquid-up;If(本站點(diǎn)自動=1)本站點(diǎn)a01=本站點(diǎn)P1*(1+1本站點(diǎn)I1+本站點(diǎn)D1); 本站點(diǎn)a11=本站點(diǎn)P1*(1+2*本站點(diǎn)D1); 本站點(diǎn)a21=本站點(diǎn)P1*本站點(diǎn)D1; 本站點(diǎn)ek0=本站點(diǎn)sp-1本站點(diǎn)PV;本站點(diǎn)uk4=本站點(diǎn)a01*本