（控制科学与工程专业论文）基于组态王的双容水箱模糊控制.pdf

r 0j 譬l ， 、 m st h e s i s ： f i i lllii l lii iui l lriil y 17 17 7 7 8 i m p l e m e n t a t i o no ff u z z yc o n t r o li nt w o - t a n kl e v e l c o n t r o ls y s t e mb a s e do nk i n g v i e w s p e c i a l t y ：c o n t r o ls c i e n c ea n de n g i n e e r i n g m a s t e rd e g r e es t u d e n t ：l ig a n g s u p e r v i s o r ：p r o f h u ip e n g ， j 。 s c h o o lo fi n f o r m a t i o ns c i e n c e & e n g i n e e r i n g c e m r a ls o u t hu n i v e r s i t y c h a n g s h a ，h u n a n ，c h i n a m a y2 0 1 0 止hl、iiff、 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：毫泣】日期：监年月上日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 f 摘要 液位控制作为过程控制的典型，具有大滞后、非线性、时变等特 点，目前，在实际的液位控制中，多采用传统的p i d 控制方法。但是， 对于滞后系统，难以调整合适的p i d 参数，很难达到理想的控制效果。 模糊控制具有不依赖被控对象的数学模型、适应性强及鲁棒性好等优 点，因此，适用于非线性系统。本文根据双容水箱液位控制的特点， 采用模糊控制的方式，实现了双容水箱的液位控制。 文章对液位控制方案及模糊控制算法的研究现状和意义进行了 广泛深入的研究，综述了三容水箱及液位控制的研究现状，水箱控制 策略的选择，模糊控制的研究意义，众多专家研究的方向及所取得的 研究成果。而后，对三容水箱系统进行了介绍，包括其各个部件的性 能指标、牛顿模块的地址分配等。 本文利用组态王软件进行上位机监控系统的开发，在第三章给出 了液位控制系统主监控画面及其各个子画面的开发过程，并通过“设 备配置向导”定义外部设备，从而实现了上位机同下位机的实时通信。 根据控制系统的需要，给出了实时曲线、历史曲线、报表的制作过程， 实现了对实时数据、历史数据的查询、打印等功能，编写了控制程序， 实现了液位系统的自动控制。 随后，本文对模糊控制的基本原理进行介绍，具体说明模糊控制 器的设计过程，给出模糊控制逻辑控制系统的组成及模糊控制器的基 本结构，列出了模糊控制原理图及从模糊化到清晰化的具体实现方 法。 基于模糊控制不依赖实际被控对象的数学模型、鲁棒性好的特 点，根据双容水箱液位控制的要求，设计模糊控制器及模糊补偿控制 器，实现了双容水箱液位控制，并同传统的p i d 控制进行比较，从结 果分析来看，模糊控制较p i d 控制对于复杂控制系统有更好的控制效 果。 最后对全文进行总结，对高级算法应用于液位控制系统进行展 望，提出进一步的研究方向。 关键字：液位控制系统，组态王，模糊控制 a bs t r a c t a sa t y p i c a l c a s eo fp r o c e s sc o n t r 0 1 l e v e lc o n t r o lh a st h e c h a r a c t e r i s t i c so fl a r g ed e l a y , n o n l i n e a r , t i m e v a r y i n g a tp r e s e n t ，t h e t r a d i t i o n a lp i dc o n t r o lm e t h o da r eu s e di nt h ea c t u a l l i q u i dl e v e lc o n t r 0 1 h o w e v e r , i ti sd i f f i c u l tt oa d j u s tt h ea p p r o p r i a t ep i dp a r a m e t e r sf o rd e l a y s y s t e ma n da l s od i 伍c u l tt oa c h i e v et h ed e s i r e dc o n t r o le f f e c t f u z z y c o n t r o ld o e sn o tr e l yo nt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ec o n t r o l l e do b j e c t i t sa d a p t a b i l i t ya n dr o b u s t n e s sa r eb e t t e r , s oi t ss u i t a b l ef o rn o n l i n e a r s y s t e m s a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i e so ft w o t a n kw a t e rl e v e lc o n t r o l s y s t e m ，w eu s e dt h ef u z z yc o n t r o la p p r o a c ha n da c h i e v et h et w o - t a n k 。 l i q u i dl e v e la u t o m a t i cc o n t r 0 1 i nt h i sp a p e r , w ec a r r i e do u te x t e n s i v er e s e a r c ho nt h es t a t u sa n d s i g n i f i c a n c eo ft h el i q u i dl e v e lc o n t r o ls c h e m ea n dt h ef u z z yc o n t r o l a l g o r i t h m is u m m a r i z e dt h er e s e a r c hs t 咖so ft h et h r e et a n k1 e v e lc o n t r 0 1 t h es t r a t e g yc h o i c eo fw a t e rc o n t r o l ，t h es i g n i f i c a n c eo ff u z z yc o n t r 0 1 t h e e x p e r t s d i r e c t i o na n d t h er e s e a r c hr e s u l t st h e yo b t a i n e d t h e n ，t h i sp a p e r i n t r o d u c e dt h et h r e e t a n ks y s t e m ，i n c l u d i n gt h ep e r f o r m a n c ei n d i c a t o r so f e v e r yc o m p o n e n ta n dt h ea d d r e s sa s s i g n m e n to fn e w t o nm o d u l e i nt h i s p a p e r , w eu s e dk i n g v i e wf o rt h ed e v e l o p m e n to ft h ep c m o n i t o r i n gs y s t e m i tg i v e st h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so ft h ep i c t u r e so ft h e m a i nm o n i t o rs y s t e ma n di t ss u b s y s t e m si nt h et h i r dc h a p t e r w bd e f i n i t e e x t e m a ld e v i c e st h r o u g ht h e d e v i c ec o n f i g u r a t i o nw i z a r d ”a n dt h u s a c h i e v e dt h er e a l t i m ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e np ca n dl o w e rm a c h i n e t h ep a p e rg i v e nt h ep r o d u c t i o np r o c e s so ft h er e a l t i m ec u r v e ，t h e h i s t o r i c a lc u r v ea n dt h er e p o r ta c c o r d i n gt ot h ec o n t r o ls y s t e mn e e d sa n d t h u sa c h i e v e df u n c t i o n sa b o u tq u e r ya n dp r i n to fr e a l t i m ed a t aa n d h i s t o r i c a ld a t a a tl a s t ，w em a d ec o n t r o lp r o g r a mt oa c h i e v ea u t o m a t i c c o n t r o lo ft h el e v e ls y s t e m s u b s e q u e n t l y , t h eb a s i cp r i n c i p l eo ff u z z yc o n t r o li si n t r o d u c e da n d t h ed e s i g np r o c e s so ff u z z yc o n t r o l l e r si sd e s c r i b e ds p e c i f i c a l l y t h i s p a p e rg i v e nt h ec o m p o s i t i o no ff u z z yl o g i cc o n t r o ls y s t e ma n dt h eb a s i c s t r u c t u r eo ff u z z yc o n t r o l l e r , l i s t e dt h ef u z z yc o n t r o lr u l ea n dt h es p e c i f i c r e a l i z a t i o nm e t h o df r o mf u z z yt oc l a r i t y i i k e y w o r d s ：l i q u i dl e v e lc o n t r o ls y s t e m ，k i n g v i e w , f u z z yc o n t r o l i i i ：t - 目录 摘! 1 2 l ：i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 三容水箱研究的背景及意义1 1 2 三容水箱及液位控制研究现状1 1 2 1 三容水箱研究现状。1 1 2 2 液位控制现状2 1 3 水箱的控制策略2 1 4 模糊控制产生的意义及应用现状3 1 4 1 模糊控制的研究意义3 1 4 2 模糊控制国内外应用现状4 1 5 论文主要工作6 第二章三容水箱系统简介。7 2 1 三容水箱控制系统。7 2 2 三容水箱控制系统结构及组成8 2 - 3 本章小结1 2 第三章基于组态王的水箱监控软件开发1 3 3 1 组态王软件的组成1 4 3 2 制作工程的一般过程1 4 3 3 组态王与外部设备通信15 3 4 上位机监控软件的开发16 3 5 组态王与v b 数据交换2 4 3 5 1 数据交换概念2 5 3 5 2 组态王与v b 间的数据交换2 5 3 6 本章小结3 0 第四章模糊控制算法原理3l 4 1p i d 工作原理3 1 4 2 模糊逻辑控制系统的基本结构3 3 4 2 1 模糊控制系统的组成3 3 4 2 2 模糊控制器的基本结构3 4 4 3 模糊逻辑控制器设计步骤3 5 1 1 1 i v ：；9 4 1 z i1 z i ：! 4 3 4 6 4 9 ! ；( ) ! ；：i ! ；! ； ! ；! ； ! ；! ； ! ；7 6 1 6 ：1 第一章绪论 1 1 三容水箱研究的背景及意义 在工业生产飞速发展的今天，人们对于生产过程自动化控制水平及工业产品 质量的要求越来越高。任何一个先进实用的控制算法的出现都会对工业生产产生 积极的推动作用【l 】。但是，目前控制领域内面临的最大问题是当前的学术研究成 果与实际生产应用技术水平并不同步，通常情况下，实际生产中应用的算法要比 理论方面的研究滞后，其主要的原因在于理论研究缺乏实际背景的支持，因此开 发经济实用且具有典型对象特性的实验装置无疑是一条探索将理论成果快速转 换为实际应用技术的捷径。多容器流程系统是具有纯滞后的非线性耦合系统，是 过程控制中的一种典型的控制对象，在实际生产中有着非常广泛的应用背景。三 容水箱液位控制系统是模拟多容器流程系统的多输入多输出、大迟延、非线性、 藕合系统，它的液位控制算法的研究对实际的工程应用有着非常重要的意义1 2 1 。 工业生产过程控制中的被控对象往往是多输入多输出系统，回路之间存在着 耦合的现象。即系统的某一个输入影响到系统的多个输出，或者系统的某一个输 出受到多个系统输入的影响。有时对该多变量系统进行解耦能够获得满意的控制 效果 3 1 。三容水箱实验装置模拟了工业现场多种典型的非线性时变多耦合系统， 用常规的控制手段往往很难实现理想的控制效果，因此对其控制算法进行研究具 有非常重要的实际意义。 1 2 三容水箱及液位控制研究现状 1 2 1 三容水箱研究现状 德国a m i a r 自动化公司研制的三容水箱系统是著名的智能实验设备之一，在 国外很多大学和实验室都已得到了广泛的应用，国内也有包括清华大学、浙江大 学、吉林大学等高校引进了a l l l i a r 公司研制的三容水箱过程控制实验装置。但是， 由于德国a m i a r 自动化公司研制的三容水箱系统价格太高，给购置这个实验设备 带来很多困难。也正是受其高价格的限制，目前，国内只是少数高校的部分实验 室引进了这个设备，给基于三容水箱系统的算法研究和仿真带来了困难。 国内也有一些厂家研制了三容水箱液位系统。c w t 系列水箱液位控制实验 装置由固高科技有限公司协同香港城市大学联合研制开发而成，并经过香港城市 针对过程控制所研究出来的控制算法多种多样，目前，得到工程控制界认可 的主要由以下几种控制策略【5 1 3 】： 1 ) 复合或改进的p i d 控制算法，事实证明，对于多数工业控制中的控制对 象，传统的p i d 控制算法都能够起到很好的控制效果，而采用改进的p i d 算法 或与其他算法有机结合的p i d 控制算法往往可以进一步提高控制质量。 2 ) 预测控制。预测控制是一种基于模型的新型计算机控制算法，它是直接 2 从工业过程控制中产生的。预测控制算法采用多步预测、滚动优化、反馈校正等 控制策略，控制效果好、鲁棒性强，因此，预测控制适用于一些比较复杂不容易 建立精确数学模型的工业生产过程。 3 ) 自适应控制。自适应控制是辨识与控制结合的产物。在实际的工业过程 控制中，有很多控制过程都是时变的，如果采用结构固定不变的控制器，整个控 制系统的性能就会不断恶化，这时候就需要采用自适应控制系统来适应时变的过 程。 4 ) 智能控制。随着科学技术的不断发展，对整个工业控制的要求不在停留 在控制的精确性上，开始更加注重控制的实时性、鲁棒性、容错性以及控制参数 的自学习和自适应能力。而且，随着控制过程的日益复杂，控制过程的非线性和 不确定性使得许多系统无法建立精确的数学模型，这样，传统的控制方法对于系 统的控制性能将大打折扣，而智能控制则可以解决这一难题。智能控制不依赖控 制系统的数学模型，在复杂的工业控制过程中，多数情况下可以取得很好的控制 效果。 一。 1 4 模糊控制产生的意义及应用现状 1 4 1 模糊控制的研究意义 随着科学技术的迅速发展，生产控制系统的规模变得越来越大，形成了复杂 的大系统，因此，便直接导致了控制器、控制对象及控制人物和目的的日益复杂 化。另一方面，人类对于自动化的要求也更加广泛，传统的控制方法和控制理论 已经不能适应复杂系统的控制，在多数复杂系统中，系统的复杂性不仅表现在高 维数上，而且表现在以下几个方面f 8 1 2 】： 1 ) 系统信息模糊性 2 ) 高度非线性 3 ) 被控对象模型不确定性 4 ) 多层次、多目标控制要求 基于以上原因，建立一种更有力的控制方法和理论来解决上述问题便显得十 分重要。 模糊控制作为智能控制的一个重要分支，是智能控制的一种典型形式。1 9 7 4 年，英国学者m a n d a n i 成功将其应用于蒸汽机和锅炉的控制，在近年来，模糊控 制也同样得到了飞速的发展，其根本的原因在于，模糊逻辑本身提供了由专家构 造语言信息并将其转化为控制策略的一种系统的推理方法，因而能够解决许多复 杂而无法建立精确数学模型的系统的控制问题。模糊控制是模糊数学和控制理论 3 相结合的产物，利用了人的思维具有模糊性的特点，通过使用模糊数学中的隶属 度函数、模糊关系、模糊推理等工具得到控制规则表格，并利用得到的控制规则 进行控制，因此，模糊控制具有以下特点【1 3 】： 1 ) 控制推理采用不精确推理，其过程模仿人类的思维过程，由于介入了人 类经验，因此能够对复杂系统进行处理。 2 ) 不需要建立被控对象的数学模型。只需要现场操作人员的经验知识及操 作数据。 3 ) 系统鲁棒性强，使用与解决那些常规控制难以解决的非线性、时变、大 滞后系统。 因此，模糊控制尤其适用于那些难以获得过程的精确数学模型及具有时滞、 时变、非线性、大滞后的复杂工业控制系统。目前，模糊控制由于其具有较强的 鲁棒性和抗干扰能力，已经被越来越多地应用于工业过程、家用电器等复杂场合。 模糊控制器是模糊控制系统的核心，设计模糊控制器的核心则是模糊控制规 则，模糊控制规则决定了控制系统的性能及控制效果。 但是，在实际应用中，模糊控制亦有它本身的局限性 1 4 2 0 j ： 1 ) 由于模糊规则是凭借操作者的经验或者专家知识获取的，因此，并不能 保证规则的最优，也就不能够达到最佳控制效果的目的。 2 ) 模糊规则的获取并没有完整的系统步骤可遵循。 3 ) 在实际的控制过程中，外界突然增加干扰，参数就会随之大幅度变化， 这样，原来总结的经验和规则便不能够适应系统要求，影响了控制质量。 为了适应现代控制系统的要求，模糊控制在实际应用中正在向自适应、自学 习、自组织的方向发展，这样能够使模糊控制真正达到智能控制的目的。研究智 能模糊控制器，能够克服模糊控制器在设计中缺乏完整的系统性的不足，使控制 过程更加符合人们在控制决策过程中的思维特点，能够充分发挥其描述不精确控 制行为和不受数学模型限制的特点；也同样可以改变模糊控制理论相对落后于应 用的局面，提高过程控制中状态发生变化时的鲁棒性，进而扩大其应用范围，使 模糊控制对复杂系统进行更有效的控制，利用智能模糊控制器，可以减低能耗、 提高产品质量、产生更高的经济效益，实现生产过程和产品智能化的目标。 1 4 2 模糊控制国内外应用现状 模糊控制理论自从诞生以来便显示了强大的生命力，1 9 7 4 年，英国的马旦 尼首次提出了将模糊控制理论应用于电厂蒸汽机控制。1 9 7 6 年，英国的汤哥完 成了第一本模糊控制方面的论文。而后，美国、日本、英国先后将模糊控制应用 于航天、机器人以及生产过程等领域。在此之后，模糊控制技术取得了丰硕的成 4 果。 日本在8 0 年代首次把模糊控制应用到了基于模糊控制的列车定位停止控 制，事实表明，日本在模糊控制从理论到实际应用都走在了世界的前列，自从 1 9 9 1 年到至今，日本在自组织模糊控制系统和神经元模糊学习方面都有了新的 研究成果。目前，在日本模糊控制已经应用到了洗衣机、电视摄像机、空调机、 机器人控制系统中，均取得了满意的效果。 1 9 8 8 年5 月，在美国德州休斯顿n a s a 约翰顿航天中心召开了第一届神经 网络和模糊逻辑应用技术研讨会，这表明了美国开始对模糊控制技术开始重视。 1 9 9 3 年在美国i e e e 神经网络协会创办了国际性模糊逻辑专业杂志模糊控制 季刊，有力的促进了模糊逻辑技术的发展。同时，美国国防部休斯顿约翰顿宇航 中心把模糊逻辑应用于机器人控制和图像处理，并且正在研究如何把模糊控制应 用于双臂机器人组装空间站自动控制以及轨道生成系统。 德国是欧洲的模糊逻辑和技术研究的主要集中地。德国有世界一流的模糊逻 辑学权威学者，并且拥有最先进的软件开发工具。在德国的法兰克福和乌木塔尔 大学都有很多学者在研究模糊数学、模糊专家系统以及模糊逻辑数学分析。并且， 在1 9 9 1 年举行的汉诺威博览会上，亚深大学展示的由模糊逻辑控制的模型自动 汽车引起了巨大的轰动。 除了上述几个国家以外，仍然有很多国家在研究模糊控制技术，但是研究的 方向并不相同。东欧国家主要集中在模糊控制在工业控制系统中的应用，西班牙、 意大利等国家则侧重于模糊控制在企业管理方面的研究。 中国目前已经成为能够同日本、美国以及欧洲比肩的模糊理论大国，得到了 世界的认可，并且对国外产生了一定的影响。 国内模糊控制的发展早在7 0 年代就已经开始，并且已经成为世界公认的研 究大国，目前，我国的科学家以及已经在国内外知名刊物上发表了上千篇的叙述 研究论文，出版了2 0 余部专著。在对模糊数学理论的研究方面，我国已经具备 了很大的优势，取得了较多的应用成果，其中包括了把模糊理论引入天气预报、 地震预测和高炉冶炼控制等方面。自从1 9 9 0 年开始，国内开始运用模糊控制开 发了智能化家电。国内许多厂家联合科研单位，并且投入了大量资金，着手开发 模糊家电，近年来，国内生产的模糊产品已经相继问世。由于模糊控制是世界上 最先进的控制技术之一，因此，已被列为国家重点开发项目。国家技术监督局、 国家经委已经决定重点推进中国模糊技术的现代化。一个全面发展的模糊控制技 术产品的新时期正等待我们努力开拓。 5 1 5 论文主要工作 论文主要工作如下： 第一章绪论，主要介绍了课题的背景意义，三容水箱的研究现状，三容水箱 的主要控制策略，模糊控制产生的背景及意义，模糊控制在国内、国外的应用研 究，总结了众多学者在模糊控制技术中研究的主要方面。最后，给出了本文的主 要工作。 第二章介绍了三容水箱控制系统的主要结构，给出了三容水箱过程控制对象 的总体管路图，并且对系统的主要部件进行了介绍，包括电动调节阀、变频器、 牛顿模块等部分的性能指标，在本章中，重点对牛顿7 0 0 0 模块进行介绍，给出 了牛顿模块各寄存器的存储方式。 第三章针对三容水箱的液位控制系统，对其在组态王中的开发进行介绍，开 发了系统总体的监控系统，设计开发了三容水箱的系统的主监控画面，定义了外 部变量，用于和牛顿模块存储单元对应，来实时显示液位值的大小，建立的动画 连接，编写了自动控制程序，实现了三容水箱控制系统的自动控制，并且实现了 液位值实时曲线、历史曲线和历史数据的显示。针对v b 与组态王通信在液位控 制中的重要性，实现了v b 与组态王之间的实时通信。给出了具体通信实现的步 骤。 第四章主要对模糊控制理论加以介绍，详细介绍了模糊控制器的组成结构及 具体设计方法，给出了模糊控制器设计步骤。 第五章针对双容水箱液位的特点，对双容水箱液位控制系统的耦合特性进行 分析，根据耦合的特点给出了模糊控制器的总体设计方案，并分别对补偿回路及 液位单回路控制的模糊控制器进行设计，给出了控制器的软件实现流程，并同 p i d 控制进行比较，得出结论。 最后是总结与展望。 6 第二章三容水箱系统简介 2 1 三容水箱控制系统 过程控制通常指冶金、电力等工业生产中连续或者按照周期程序进行的生产 过程，随着科学技术的发展，工程控制技术正在为提高经济效益和劳动生产率、 实现最优的技术指标、保护环境、改善劳动条件等方面起着越来越大的作用。 但是，目前控制理论和工业界十分关心的问题是工程控制理论和技术如何能 在实际的工业生产中得到应用。工业生产走过了小规模到大规模，简单到复杂的 过程。随着工业自动化技术的不断发展，控制系统也就从就地式的简单控制装置， 历经由d d z 系列电动仪表组合的集中操作与控制系统和d d c 计算机直接数字 控制直至d c s 在工业生产控制中得到广泛应用。 浙江求是科教设备有限公司生产的p c t 系列过程控制实验系统装置，可以 非常好地满足过程控制课程实验的要求。在这套设备由被控对象和控制台组成， 通过手动或计算机控制，可以将被控对象转变成不同特性的过控对象，因此，在 此基础上可以进行简单的温度、压力、流量、液位的单回路控制，而且也可以进 行一系列复杂控制系统实验如：变比值控制、解耦控制、三容液位控制、换热器 温度控制等。 p c t 系列过程控制实验装置特点： 1 ) 装置由控制对象、控制屏、计算机三部分组成，也可以把控制屏换成 d c s ( 分散控制系统) ，对象构布局合理，造型美观大方。 2 ) 真实性、直观性、综合性强，控制对象元件全部来源于工业现场。控制 屏正面有完整的系统结构图案，便于学生系统实验。 3 ) 参数全面，涵盖了液位、流量、压力、温度等典型的热工量参数。 4 ) p c t 系列过程控制实验装置具有控制参数和控制方案的多样化。该装置 可通过对其管路上的阀门( 电磁阀) 切换和对模拟信号接线板上信号的连接组合， 可构成数十种过程控制实验。电磁阀可以手动和自动控制。 5 ) 在p c t 系列过程控制实验装置中充分考虑了工业自动化专业的大纲要 求，完全能满足教学实验、课程设计、毕业设计的需要，同时学生可自行设计 实验方案，进行综合性、创造性过程控制系统实验的设计、调试、分析，培养 学生的独立操作、独立分析问题和解决问题的能力。 6 ) 可为学校教师和研究生进行复杂控制系统的计算机控制算法的研究工作 提供一个实实在在的物理模型。 7 p c t - i i i 型过程控制实验装置是基于工业过程的物理模拟对象，它是集自动 化仪表技术，计算机技术，通讯技术，自动控制技术为一体的多功能实验装置。 系统包括流量、温度、液位、压力等热工参数，可实现系统参数辨识、单回路控 制、串级控制、前馈控制、比值控制等多种控制形式。本装置还可根据用户的需 要设计构成d d c 、d c s 、p l c ，、f c s 、t c s 等多种控制系统。在液位控制系统 控制中，用到的是此装置的液位控制装置。现介绍液位系统及其相关装置： 1 系统组成 三容水箱实验装置由水箱主体、差压变送器、气动调节阀、电磁阀、流量传 8 感器、电气转化器、空气压缩机、水泵、计算机等组成，总体结构如图2 2 所 示： 图2 - 2 液位控制对象图 2 水箱主体 水箱主体是由三个透明有机玻璃水箱、一个储水槽多个阀门和连接件构成， 对每个水箱可以采用插入阻力板的方法来改变其流出量的流量特性，其阻力板根 据隙缝式流量计原理设计为线性阻力板和非线性阻力板，可以根据需要构成不同 阶次的被控对象。 3 电动调节阀 电动调节阀的功能。在自动控制系统中，执行器起着“手脚”的作用，它接受 控制器的输出信号，改变自身开度，进而调节介质流量的大小，实现对生产过程 中各种变量的控制。 本装置采用智能电动阀，它具有精度高，动力强大，控制单元与电动执行机 构一体化的特点，并且，可以同计算机配套使用，能够组成最佳的调节回路。执 行器直接接受4 - 2 0 m a 控制信号，校正方便。 主要性能技术指标如表2 1 所示： 9 表2 1 技术指标 技术指标允许范围 变差 灵敏限 输入信号 1 0 o 1 4 - - 2 0 m a 4 变频器 变频器由4 - - 2 0 m a 电流控制信号输入，可以对压力和液位流量进行控制。 变频器的用法： 调节变频器设定用旋钮，改变频率的大小。当p u 灯亮时，才能改变参数， 外部电流无法控制；当e x t 灯亮时，不能改变变频器内部参数，将面板上的变 频器对应的开关掷到外控端，外部输入4 - - - 2 0 m a 控制电流控制变频器的频率。 按下s t o p 键变频器停止工作。 如变频器在外控工作状态下，将纽子开关掷到内控，变频器便停止工作。如 需变频器再在外控状态下工作，将纽子开关掷到内控，将变频器上的p u e x t 转 换一下，然后再将纽子开关掷到外控，变频器便开始工作。 5 比例阀 比例阀调节器的主要功能： 比例阀的主要功能是接受变送器送来的测量信号，并将它与给定信号进行比 较得出偏差，对偏差进行p i d 连续运算，输出控制信号u ( k ) 。 除此之外，调节器还具有测量信号、给定信号及输出信号的指示功能。 主要性能指标： 输入信号：1 5 vd c外给定信号：0 2 1 v 输出信号：4 - - 2 0 m a d c负载电阻：2 5 0 - - - 7 5 0 f 2 电源：1 0 0 - 2 4 0 v a c 6 差压变送器 差压变送器用于测量液体、气体和蒸汽的液位、密度和压力，然后将 其转变成4 2 0 m a d c 的电流信号输出。 差压变送器放大板按键功能 1 ) 零点设定：加零点压力同时按s + z 键1 0 秒后，同时松开再按z 键可 进行差压变送器零点设定。 2 ) 量程设定：加量程压力同时按s + z 键1 0 秒后，同时松开再按s 键可 进行差压变送器量程设定。 3 ) 参数设定：按s 键可选择压力单位或者量程百分比。在显示压力单 位状态下按z 键可选择m p a 或者k p a 。 1 0 7 牛顿模块 本装置在计算机控制和通讯上采用牛顿模块采集数据。 牛顿7 0 2 4 模块为d a 模块，4 通道模拟输出模块。电流输出：4 - - 一，2 0 m a 、 0 - 一2 0 0 m a ；电压输出：1 0 m a 、o 1 0 v 、5 v 。精度1 4 b i t 。 牛顿7 0 1 7 模块为a d 模块，8 通道模拟输入模块。模拟输入：4 - - 2 0 m a ； 输入范围：1 5 0 m v 、5 0 0 m v 、1 v 、5 v 、1 0 v 、2 0 m v 。6 路差动 2 路单端或8 差动( 跳线选择) ：采样频率1 0 h z 。 袁2 - 2 牛顿模块地址定义表 o 电动调节阀( 外侧) l加热 d a 设备2 2 变频器( 1 5 h z 5 0 h z ) 3电动调节阀( 内侧) 0 1 号比例阀 l 2 号比例阀 d a 设备4 2 3 号比例阀 3 4 号比例阀 0 5 号比例阀 1 6 号比例阀 d a 设备3 27 号比例阀 3 8 号比例阀 o压力变送器1 5 v 1 流量计( 外侧) 1 5 v 2 流量计( 内侧) 1 5 v 3 p t l 内筒热电阻 i o 设备0 4 p t 2 内筒热电阻 5 p t 3 盘管进水口( p t 3 一p t 4 切换) 开关1 2 6 液位9 7 p t 5 盘管出水口( p t 5 一p t 6 切换) 开关1 3 0液位1 l液位2 2液位3 3 液位4 i o 设备1 4液位5 5液位6 6 液位7 7液位8 本装置可以挂接很多通信模块，实验采用的模块是牛顿模块，本装置 的牛顿模块通信地址分别如下：7 0 1 7 ( 左) 为o ；7 0 1 7 ( 右) 为l ；7 0 2 4 ( 左) 为2 ；7 0 2 4 ( 中) 为3 ；7 0 2 4 ( 右) 为4 ；7 0 5 3 为5 ；只有牛顿模块地址正 确确定以后才能与上位机进行实时通讯。牛顿模块的所有输入输出通道在 上位机软件已经全部定义好，将控制信号和反馈信号与通讯模块连接以后， 上位机软件可以正常工作。牛顿模块的输入输出通道定义如表2 2 所示： 只有在组态王中正确定义变量设备端口，才能从下位机采集数据或输 出数据到下位机，在上表中，已经定义了设备端口，在液位双容水箱控制 实验中，用到的端口主要有以下几个：d a 设备2 、地址o 与地址2 ( 电动阀 与变频器) ，d a 设备4 、地址0 的l 号( 比例阀) ，i o 设备1 、地址1 与地址3 ( 液位1 与液位3 ) ，i o 设备0 、地址0 ( 压力变送器) 。 在不文中，利用变频器对水箱进行恒压供水，利用电动阀对上水箱供水，同 时，调节上水箱与中水箱之间的连接比例阀，控制下水箱水位的大小。实验中， 控制量分别为电动阀与比例阀开度的大小，而被控制量则为上下水箱液位值的大 小。 2 3 本章小结 本章主要对三容水箱系统做了简要介绍。首先，介绍了三容水箱系统的总体 结构，其次，针对本文所用到的液位控制系统加以说明，其中包括了液位控制系 统各个部件的功能及其参数，重点对三容水箱液位控制系统中的牛顿模块进行介 绍，包括牛顿模块各个地址的分配及对象连接所要注意的事项。 1 2 第三章基于组态王的水箱监控软件开发 组态王软件由于其界面友好，使用简单等优势，在多个项目中取得了巨大成 功，因此，成为近年来很受欢迎的上层组态软件。组态王软件是在p c 机上建立 工业控制对象人机接口的一种智能软件包，它以w i n d o w s 中文操作系统作为操 作平台，充分利用了w i n d o w s 操作系统的图形功能完备，易学易用的特点。由 于其采用p c 机开发系统工程，因此，比使用工控机控制系统更具有通用性，减 少了重复性工作量，可以方便的进行二次开发。 具体来说，组态王的主要特点有以下几个方面【2 2 】： 1 ) 画面显示功能。运行于w i n d o w s 环境下，充分利用w i n d o w s 的图形功能 完备、界面美观的特点，可绘制出各种工业图画，可用其他工具制作动画，通过 插入或连接方式，使画面生动、直观，最大程度上模拟工业控制现场，使人有一 种身临其境的感觉。 2 ) 良好的开放性。组态王软件能与多种通讯协议互相联接，支持多种硬件 设备，组态王软件向下能与数据采集设备通讯，向上与管理层通讯，实现上位机 和下位机的双向通讯。 3 ) 丰富的功能模块。可以与组态王相连接的功能模块很多，大约有5 0 种。 利用各种功能模块完成实时监控，产生报表，显示历史数据，产生报警，o p c 设备以及配方管理等功能。 4 ) 强大的数据库。数据库( 数据词典) 是组态软件的核心部分，配有实时数据 库，可存储各种数据，如离散变量、实型变量、字符串变量、整形变量等，实现 与外部设备的数据交换。 5 ) 强大的o d b c 功能。组态王利用o d b c 接口可与多种数据库连接，实现 实时数据的写入功能、动态生成数据表，数据库函数丰富，能自动生成报警数据 库，还支持数据表的图形显示。 6 ) 可编程的命令语言。提供一种和c 相类似的语言，用户根据需要编写一 段程序，在运行时定时或不定时的执行，和c 语言不一样的是组态软件的程序 相对零碎，程序执行入口多，语言功能强大，上手较快。 7 ) 系统安全性。安全保护是应用系统不可忽视的问题，对于可能有多个用 户共同使用的大型复杂系统，系统必须能够依据用户的使用权限或通过安全区来 允许或禁止其对系统进行操作。 1 3 3 1 组态王软件的组成 组态王软件包由工程管理器( p r o jm a n a g e r ) 、工程浏览器( t o u c he x p l o r e ) ，画 面运行系统( t o u c hv i e w ) - - - 大部分组成。其中，工程管理器用于新建工程、工程 管理等。工程浏览器内嵌画面开发系统，即组态王开发系统。工程浏览器 ( t o u c h e x p l o r e ) 和画面运行系统( t o u c hv i e w ) 是各自独立的w i n d o w s 应用程序，均 可单独使用；两者又相互依存，在工程浏览器的画面开发系统中设计开发的画面 应用程序必须在画面运行( t o u c h e w ) 运行环境中才能运行。 在工程浏览器中可以查看工程的各个组成部分，也可以完成数据库的构造、 定义外部设备等工作；工程管理器内嵌画面管理系统，用于新工程的创建和已有 工程的管理；画面的开发和运行由工程浏览器调用画面制作系统( t o u c hm a r k ) 和 画面运行系统来完成团 2 5 1 。 画面制作系统是应用工程的开发环境，可以在这个环境中完成画面设计、动 画连接等工作。t o u c hm a r k 具有先进完善的图形生成功能；数据库提供多种数 据类型，能合理地提取控制对象的特性；对变量报警、趋势曲线、过程记录、安 全防范等重要功能都有简洁的操作方法。 工程管理器是应用程序的管理系统。p r o j e c tm a n a g e r 具有很强的管理功能， 可用于新工程的创建和删除，并能对已有工程进行搜索、备份及有效恢复，实现 数据词典的导入和导出。 画面运行系统是组态王软件的实时运行环境，在应用工程的开发环境中建立 的图形画面只有在画面运行环境中才能运行。画面运行系统从控制设备中采集数 据，并保存在实时数据库中。它还负责把数据的变化以动画的方式形象地表示出 来，同时可以完成变量报警，操作记录、趋势曲线等监视功能，并按实际需求记 录在历史数据库中。 3 2 制作工程的一般过程 建立新的组态王的一般过程为：设计图形界面、定义设备、构造数据库、建 立动画连接和运行和调试。利用组态王开发系统编制过程时，需要注意以下几个 问题： 首先图形用户希望怎样的图形画面，也就是怎样用抽象的图形画面来模拟实 际的工业现场和相应的工控设备。 其次怎样用数据来描述工控对象的各种属性也就是创建一个具体的数据库， 此数据库中的变量反映了工控对象的各种属性，比如温度，压力等。 1 4 最后连接数据和图形画面中的图素的连接关系是什么，也就是画面上的图素 以怎样的动画来模拟现场设备的运行，以及怎样让操作者输入控制设备的指令。 1 ) 建立组态王新工程 要建立新的组态王工程，首先为工程指定工作目录( 或工程路径) 。组态王用 工作目录表示工程，不同的工程应置于不同的目录下。通过工程管理器完成新工 程的创建。 2 ) 创建组态画面 利用组态王提供的绘图工具箱，结合现场设备的布局和外观，创建组态画面， 以抽象的图形画面来模拟实际的工业现场和相应的工控设备。 3 ) 定义i o 设备 i o 设备既外部设备，组态王把与之交换数据的设备或程序都作为外部设备。 外部设备包括：下位机( p l c 、仪