（电力电子与电力传动专业论文）基于matlab环境下的过程控制实验装置的研究.pdf

基rm a t l a b 环境r 的过程拄制实验装置的坍究 a b s t r a c t p r o c e s sc o n t r o ls y s t e mjsai m p o r t a n tp r o f e s s io n a lc o u r s eo f a u t o m a t i cp r o f e s s i o ni nu n iv e r s i t y i t isad is q u i s i t jo nd i r e o t io no f c o n t r o ld e n b e f o r ea c c o m p l i s h m e n t p r o c e s sc o n t f o ia p p a r a t u sf o r s t u d e n tisa l m o s tb l a n k n e s s a c c o r d j n gc i v i lr e q u i e m e n t w ec h o r e g r a p h p r o c e s sc e n t r e le x p e r i m e n te q u i p m e n t i tjsv e r yc o n n o t a t i o nj n s c i e n t i f i cr e s e a r ca n de c o n o m i cu t il i t y a c c o r d i n gt op r o c e s sc o n t r o ls y s t e m jc h o r e o gh a r d w a r ea n d s o f t w a r ei nd j s c o u r s e i n c l u d i n gt f a n s d u c e rm e a s u r e m e n t e x e c u t i o n j n s t i r u t i o n s i m u l a t o ra d j u s t e r m o n o l i t h i cs y s t e m c o m p u t e rd a t a a c q u i s i t i o nr e v e a l p r i n t i n s m e m o r ya n dc o n t r o la l g o r i t h m io f f e r p 1 a t f o r mf o rm a t l a b a n dc u s t o m e rc a nc o m p o s ep r o c e d u r e k e y w o r d s p r o c e s sc o n t r o le x p e r i m e n te q u i p m e n t m a t l a ba lg o r f t h m 2 基t 4 a t l a b 环境r 的过程控制实验皴置的研究 第一章绪论 1 1 课题的背景 过程控制 作为自动控制理论在工业过程控制中的应用 是从工业生产实际 出发而开创的自动控制方法与技术 是实现大规模工业过程生产安全 平稳 优 质 高效的基本条件和重要保证 在过去的5 0 年罩 随着工业生产工艺的复杂化 生产过程的强化和生产操 作方式的改变 使得过程工业自动化技术有了迅速的变化 过程控制系统经历了 从简单形式到复杂形式 从局部自动化到全局自动化 从低级智能到高级智能的 发展过程 在过程控制理论方面 从用传递函数进行数学描述的 以根轨迹法和 频率法作为分析和综合系统基本方法的经典控制理论 到以现代控制理论的状态 空间方法为基础的 包含以最小二乘法为基础的系统辩识 以极大值原理和动态 规划为主要方法的最优控制和以卡尔曼滤波器理论为核心的最佳估计等内容 直 至9 0 年代后发展起来的以现代控制理论和计算机科学为基础的先进控制 人工 智能技术 在自动化装置方面 从基地式仪表 气动仪表 电动仪表 到分布式 计算机控制 d c s 系统和计算机集成过程控制 c w s 自动化技术的发展为以 往人类无法实现的生产活动开创了全新的道路 工业自动化系统的质量和水平 已成为衡量一个国家国民经济发展水平和现代化程度的标志 1 2 课题的发展现状 自上世纪8 0 年代忉期起 与 自动化 有关的专业已几乎遍布全国各个大 中专工科院校 但是由于自动控制工程和技术的综合性 复杂性 能够模拟工业 过程控制的实验装置长期以来一直是个空白点 适合高等院校学生实验用的过程 控制实验装置的生产产业化 在本装置丌发成功丽 国内还几乎是空白 上海新 奥托实业有限公司生产的过程控制实验系统完全出工业用仪表和真实的工业对 象组成 体积庞大 价格在数十万人民币以上 很少有单位能购买2 套以上 难 以形成销售市场 目前大多数国内高等院校的过程控制课程的实验丌设几乎为 零 究其原因主要也是这类实验装置资金投入多 技术要求高 产量小 难以形 成产业化 浙江大学的国家重点实验室 华东理工大学和上海化工专科学校等院 校自制了类似的水位控制等实验装置 但都是占地面积大 利用常规模拟仪表按 装在仪表屏上实现控制的 这类控制方式的实验丌设在八十年代初期 对学生还 是有用的 但随着计算机技术的发展 这种方式显然就已过时了 固外生产过程 控制实验装置的主要是德国 r 本的公司 国内的杭州技术工程学院进口了德国 公司的一套水位控制系统 结构小巧玲珑 使用方便灵活 但计算机控制部分未 用上 清华大学自动化系也从德国进口了水位实验装置 水柱形状 非水位槽 形状 配有一台调节器 价格约1 05 i 德国马克 基丁m a l l a b 环境r 的过程控制实验装置的研究 1 3 本论文的主要工作 本论文的主要工作为 1 水位 温度控制实验对象的研制 该部分主耍包括 可任意选用的一阶 二阶对象模型结构的水位实验箱 具有隔套冷却的电加热温度控制实验对象 2 检测和控制的电子线路 执行机构的研制 传感器及传感器信号处理电路 由于控制对象 一水位槽的体积很小 约 l i 所以必须选择灵敏度高 转换精度高 体积小 工作可靠的传感器并考虑 设计 套具有信号隔离 温度补偿和提高灵敏度及线性度的信号处理电路 单 片机控制系统的软硬件 电源 各类辅助模块板和进行p i d 调节的可任意 组合的各种模拟单元模块 选择灵敏度高 工作可靠的小流量执行机构 最大 流量约2 5 i m i n 旦在工业生产中 一般很难找到类似的调节阎或其它现成的 执行机构 本装置采用的方案 改变泵的转速以控制流量 即用电动机 交 直流各一台 作原动机 采用电动调速装置 在流量控制系统中 广义对象的 静态特性往往存在着非线性 非线性的存在 负荷变化时会影响调节品质 而 泵的流量特性曲线为非线性 因此可通过泵的流量特性加以补偿 使广义对象 特性近似为线性 从而得到较好的调节品质 3 计算机控制系统的研制 该部分包括 实时数据采集 显示 打印和存储 过程控制的监控管理系 统 m d 和d a 的转换以及通讯 包含多种控制算法的程序软件 常规p i d 微 分先行p i d 神经元网络控制 模糊p i d 等 创建用v b 丌发的前台界面程序 自动激活m a t l a b 在后台的同步运行或终止 为向用户提供m a t l a b 软件环境接 口 并实现出用户自行编制的各种基于m a t l a b 环境下的算法程序 其运行结果 由前台界面程序统一管理和显示 1 4 主要技术指标 本装置需达到如下指标 1 液位检测范围 o 一1 5 0 a m 液位检测精度 1 2 温度检测范围 0 1 0 0 温度检测精度 o 5 3 流量检测范围 0 2 5 1 m i n 流量检测精度 l 4 压力检测范围 0 1 5 0 m i n i 4 0压力检测精度 l j 控制精度 1 6 外形尺寸 1 6 0 宽 8 0 深 x 1 7 5 高 厘米 基rm a t l a b 环境r 的过程控制实验装置的研究 第二章系统的结构和功能 2 1 系统的组成 过程控制实验装置包括实验对象 系统执行机构 包括变频调速器 交流电机 微型水泵和直流调速器 直流电机 微型水泵 运算调节模块 包括模拟调节器 位式控制器 单片机系统 计算机控制等 显示模块 包括数字显示仪表和计算机 c r t 显示 传感器信号检测放大模块 包括传感器信号检测 放大和数字显示调理 电路 以及与计算机实现通讯的辅助模块等 浚装置采用模块化 系列化结构 在 同一位置的多个设备中可以灵活选择和耿舍 系统组成结构框图如图2 i 所示 图2 一l 系统结构示意图 注 虚线框图表示在使用中任意选择其中的一个 2 2 系统方案的确定 2 2 i 硬件系统方案的确定 l 控制对象 为了实现对温度 压力 流量 液位四个参数的检测和控制 我们采用上下两 个液位槽 上水位槽有两个进水口和一个出口水 下水位槽有三个进水口和一个出 水口 还有一个加热罐 内置电加热器和夹套冷却装置 其结构示意分别如图2 2 和2 3 所示 为了观察液位高度 控制屏在上下两个水位稽的位置上丌孔 并用灯光照明 使水位槽的液位一目了然 进水管道安装一台流量传感器 出水口处各安装一台压 力传感器 分别用于检测压力和液位 加热罐罐内和夹套内分别安装温度传感器和 液位传感器 根据教学或研究的需要 控制对象模块可置换 基于m a t l a b 环境f 的过科控制安岭装崔的j i 究 图2 3 温度系统示意图 2 传感器及信号处理电路 四类传感器均采用模拟式传感器 通过信号调理和精密放大 经过a d 转换电路将测量信号转换成数字量信号供数字调节器 单片机和计算机使用 如图2 4 所示 由于传感器自身的输出只有毫伏级 而工业上标准的输入电压 信号范围在1 5 伏 因此我们采用i n a l 1 8 高精度仪用放大器实现放大功能 图2 4 检测回路示意图 3 调节器 利用运放电路分别构成信号综合 比例 积分 微分等功能块 实现模拟调节 基于m a t l a b 环境下的过程控制实验装置的研究 功能 即能实现对偏差的p i d 控制 同时通过外置丌关可以选择使用积分和微分作 用 通过可调电阻决定积分时间和微分时间以及比例放大系数 实现控制参数的整 定 考虑到对微量电 i i 输入信号的处理 着重解决电路的零漂和温漂问题 使系统 可处理电压范围达到0 i m v 以f 我们在设备中安装了这两种调节器 模拟式和数字式 阻供学生比较各自的 特点 并掌握新型仪表的使用 4 显示单元 为了对实验过程中各参数的变化进行观察 我们提供了专用的仪表显示模块 通过数字仪表和模拟仪表的双重显示 实现过程参数的显示 5 执行机构 在温度 压力 流量 水位等参数的控制中 常常需要利用电动调节阀作为执 行机构 出于工业用电动调节阀体积大 重量大 价格高 且阀门通径一般较大 不适合小型的实验装置使用 为此我们采用电机 水泵构成执行机构 通过控制 电机的转速调节齿轮泵出口端液体的流量 完全实现了电动调节阀的功能 同时具 有体积小 价格低 安装方便等优势 对于水泵的非线性流量特性 采用了非线性 补偿 达到了较好的控制品质 6 睢片机系统 利用单片机系统的丰富硬件资源 可以实现过程控制的微机化 主要实现以下 二大功能 计算机直接控制 即利用a d d a 电路和单片机内的算法软件实现单独的控制 功能 以取代常规调节器 数据的传输和交换 单片机系统通过串行通信方式与上位计算机相连接 向主机 发送实时监测数据 并接收主机的控制命令 根据主机要求实施控制功能 2 2 2 软件方案的确定 1 上位计算机监控系统 上位机通过单片机系统实现对整个系统的高级管理 其主要功能如f 检测管理 上位机可以设定系统被控参数的设定值 实时显示参数的过程曲线 同时具有 上 下限报警 对系统的运行数据进行存储 打印制成报表或实验报告 记录实验 学生姓名 测定实验时间等功能 直接控制 利用主机的高级语言强大计算能力 实现单片机系统较难实现的控制算法 盲 接控制被控对象 2 控制算法的选择 控制算法是控制系统的核心 直接影响系统性能 为与理论教学相结合 编制 了p i d 控制算法及其改进算法以及目前流行的智能控制投术 如模糊控制 神经网 基于m a q l a b 环境r 附过程控制实验装置的研究 络p i d 控制等 蛆供学生选用 为便于j f 展控制理论的研究 在上位计算机的监控 软件上还提供了 d a t l a b 软件平台接口 直接运用m a l l a b 进行算法编程 p i d 控制算法 p i d 控制是目前连续系统调节中技术最成熟 且应用广泛的一种控制算法 它 同时具备了l l f f j 调节的快速性 微分作用对偏差的超前调节 以及积分作用的消除 静态误差等特点 在工业过程控制中往往能取得很好的控制效果 在本系统中编制 了基本p i d 控制算法 模糊控制与神经网络p i d 控制 为使学生对智能控制技术有所了解 并能比较智能控制算法与p i d 算 法在控制精度 控制品质 鲁棒性等方面的优劣 我们也设计了基本模糊 控制算法 如图2 5 所示 神经元网络自适应p i d 控制 如图2 6 所示 等算法 图2 5 基本模糊控制结构图 图2 6 神经元自适应p i d 控制结构图 基于m a t l a b 环境的控制算法 在v b 环境下开发的实验数据管理系统 为能使用户在m a t l a b 环 境下自行编制各种算法程序 并能自动调用m a t l a b 程序作为后台服务进程 运行 采用如下思路 上位计算机实验数据管理系统通过r s 2 3 2 接口 将 从实验装置采集来的各测量变量信号 存放在m s a c c e s s 数掘库的 张 实时数据表中 用户编制的m 文件 在由实验管理系统选择按钮激活后 自动调用m a t l a b 环境并在后台运行该m 文件 m a t l a b 的运行结果作为 控制作用输出u 送入m s a c c e s s 数据库的实时数据表中 并出实验数 据管理系统定时读出浚输出信号u 通过r s 2 3 2 接口送到变频器输入端或 直流调速器的输入端 控制执行机构的动作 各测量变量信号和控制作用 信号1 j 还同时被保存在m s a c c e s s 数据库的历史数据记录表中 并将测 量数据转换成曲线或数字在显示器上显现 管理 基丁m a t l a b 环境f 的过程控制实验姨苜的研究 第三章系统的硬件实现 本实验装置的总体结构如图2 1 所示 其中运算控制单元包括上位计算机系 统 单片机系统 模拟p i d 控制模块 位式控制模块和智能数字调节器 执行机构 包括直流调速机构 交流变频调速机构 电加热器等 控制对象包括两个水槽 一 个隔套加热水槽 测量变送单元包括一个电磁流量计 三个微压传感器 2 个热电 阻及其相应的放大调理电路 还有一些辅助单元 例如电源控制单元 电源控制 具有漏电保护等功能 供水系统 信号显示单元等 3 1 运算控制模块的设计 i 运算控制模块之 单片机系统 该单片机系统出c p u a d d a 电路 晶振电 路 看门狗电路 通讯电路 数字光电隔离电路相 互连接组成 其控制屏面板见图3 1 所示 主要完 成以下功能 对采集到的液位信号进行必要的处理 保证检测 精度符合要求 将五路传感器信号送l e d 进行实时显示 响应键盘输入 查看或修改用户设定的液位上 下限值 通过键盘操作 可循环显示各回路的测量 值 同时可实现不同的标度转换 图3 2 所示为单片机系统电路图 它以单片机 a t 8 9 c 5 1 为核心 配以看门狗电路 a d 转换模块 l e d 显示模块以及键盘模块等组成 a t 8 9 c 5 1 作 图3 一l 单片机系统 为核心部分 主要完成以下功能 对采集到的液位信号进行必要的处理 保证检测精度符合要求 将血路液位信号送l e d 进行实时显示 响应键盘输入 查看或修改用户设定的液位上 下限值 a d 转换选用带串行控制和1 1 个输入端的1 2 位分辨率模数转换器t l c 2 5 4 3 其片内合采样 保持电路和系统时钟 筒化了外围电路的设计 它具有采样速率 快 转换精度高等特点 在设计l e d 显示器模块时 选用串行静态显示方式 四 片7 4 l s l 6 4 串联起来 即可构成一个四位的八段l e d 数码管显示器 通过键盘操 作 可循环显示各回路的测量值 同时可实现不同的标度转换 基于m a t l a b 环境f 的过稃控制实验袈置的研究 图3 2 单片机系统电路图 预先通过键盘k e y 设定好给定值 p i d 参数 正 反给定等相关参数 然后通过 i n p u t 端口接收传感器检测并经过信号调理转换成标准信号后的变送信号 作为系 统的反馈量 该信号经过单片机的a d 转换后送至c p u 并与内 给定进行比较得到偏差信号 然后经过p i i 运算输出控制信号 通过d a 转换成模拟信号经过o u t p u t 端口去控制执行机构 从 而达到控制系统的目的 同时 单片机通过r s 2 3 2 c 接口与计算 机通讯 将采集的数据实时传送给上位机 2 运算控制模块之二 模拟p i d 调节器 陔调节器由相互连接的集成运算放大器 p i d 运算电路 模 拟光电隔离电路及波段丌关组成 其控制面板见图3 3 所示 调节的目的是使被控变量和给定值之间有尽可能小的偏 差 小的偏差需要系统有大的放大倍数来保证 光靠比例增益 提高是不能解决的 它破坏系统的稳定 所以用积分作用来克 服上述矛盾 对于瞬变的信号调节器的放大倍数不高但随时间 的增大 调节器的放大倍数线性增加 最终克服阀位的不灵敏 区 使之动作以纠正偏差 如果积分的增加随时间是无限的话 调节系统将是无差的 模拟调节器电路图见图3 4 所示 模拟p i d 调节器中包 图3 3 模拟调节器 括i 卜 反作用 p i d 手动 自动等功能 传感器检测经 基丁m a t l a b 环境f 的过剃控制实验装置的研究 过调理后的变送信号通过v j 端口送到p d 调节器 并与外给定信号v s 进行比较得 到偏差信号 该偏差值先后经过微分 比例 积分运算后 再经过限幅电路处理后 最终通过v 0 2 输出去控制执行机构 从而达到控制系统的目的 图3 4 模拟调节器电路图 3 运算调节模块之三 位式控制器 该控制器由集成运算放大器和逻辑运算电路连接而 组成 其控制面板见图3 5 所示 其电路图见图3 6 v h v 1 端口接收外界设定信号 分别表示位式控制的上下限 传感器检测经过调理后的变送信号通过v i 端口送到位式 控制器中 其控制信号通过v 0 4 端口输出 图3 一j 位式控制器 基丁 i a f l a b 环境f 的过群控制实验装置的研究 图3 6 位式控制器电路图 4 运算调节模块之四 智能调节器 其控制面板见图3 7 所示 这里选用厦门宇光电子有限公司生产的a i 一7 0 8 型 智能调节器 该调节器采用人性化设计的操作方法 输入采用数字校l f 系统 内置 常用热电偶和热电阻非线性校证表格 测量精确稳定 该表还采用了先进的人r 智 能调节算法 无超调 具备自整定功能 能较好的满足本装置的需要 图3 7 智能调节器 3 2 传感器检测模块的设计 这罩采用的传感器有热电阻温度传感器 压力传感器 电磁流量传感器 差压 式液位传感器 差压传感器选用m o t o r o l a 公司生产的m p x 2 0 1 0 系列硅压阻式压力 传感器 具有片内温度补偿和校正网络 而且这种网络中的电阻是经过计算机控制 下的激光修讵的 因而精度很高 补偿效果好 稳定性好 漂移小 给使用者带来 很大的方便 测量时 利用差压传感器测量同时加到硅膜两侧的压力之差 它能提 基t m a t l a b 环境r 的过程控制实验装置的研究 供一个很精确的直接与外加压力成币比的线性电压输出 故可用于测量液化高度 传感器信号调理电路如图3 8 所示 图3 8 传感器信号调理电路 差压传感器的差模输出电压一般为几十m v 左右 这信号必须经过调理器电路 放大变换 以使其满足应用的要求 另外 随着微处理器的发展 传感器的输出信 号可输入微处理器进行计算 存储和显示 为了满足与数字系统接口的要求 传感 器输出信号通过调理器电路变为0 5 v 到4 5 v 的输出范围 在这卑采用了l 5 v 接e l 放大电路的设计要求 接口放大电路的设计要求由传感器的输出特性和微 处理器的a d d 转换器的 5 v 输入范围决定 因为传感器的满量程电压输出典型值 是1 0 m v 因此 最明显的要求是增益 根据使用的电源和传感器的最大测量压力 般需要1 0 0 到2 5 0 的增益 为了把传感器的差模输出电压变换成 单端输出的模 拟信号 需要一个双端到单端转换器 根据要求 这罩选用仪表放大器 i n a l l 8 仪表放大器 i n a l l 8 的主要特点有 输入失调电压低 5 0 u v 细a x 输入失调电压漂移小 0 5pv m a x 输入偏置电流低 5 p a f m 8 x 共模抑制比高 1 1 0 d b m i n 电源电压范围宽 1 3 5 1 8 7 性能优于三运放结构的仪表放大器 i n a l l 8 是一种低功耗 高精度的仪表放大器 它只需一个外接电阻 即可设 置各种增益 1 1 0 0 0 它与分离元件组成的仪表放大器 三运放结构 相比较具 有体积小 功耗低 精度高等优点 由于采用绝对值调整技术 只需用一只电阻即 基t x i a t l a b 环境f 的过样控制实验装置的研究 可精确地没置增益 为提供精确增益 这里使用精度为0 1 1 温度系数小于 l o p p m c 的电阻 为提高仪表放大器i n a l 8 输入过载能力 两个输入端应分别串 联一只3 9 0q 的薄膜电阻 这样就可以安全承受多达几个小时的输入高达 1 5 v 或 6 i t l a 的过载 出于安全的原因 很重要的就是防止动力电源线与液体或容器直接接触 为使 传感器电路与动力电源线完全隔离 在低压电器如传感器 放大器与动力没备如水 泵之j 日j 用线性光隔材利进行隔离 我们选用了h c n r 2 0 0 精密线性光电耦合器 h c n r 2 0 0 克服了以前用变压器耦合调制解调技术作隔离放大器的许多缺陷 并且具 有精度高 线性度好 频带宽 平衡输入等特点 故可用模拟隔离代替常用的数字 隔离 由于其体积小 价格便宜 在工业控制过程中必将具有广泛的应用领域 h c n r 2 0 0 的应用电路如图3 9 所示 图3 9h c n r 2 0 0 应用电路 h c n r 2 0 0 应用的主要问题在于h c n r 2 0 0 要工作在线性范围内 选择适宜的d i 置 运放 和计算该电路中的电阻阻值 h c n r 2 0 0 是电流驱动的 其l e d 的工作电流要 求为1 1 0 m a 因此运放的驱动电流必须可以达到1 1 0 i l a 左右 能够达到这种输 出电流能力的运放一般其输出极为双极型 一边选择双极型运放和b i f e t 运放 同 时根据注入电压范围 也要求运放相应的共模输入和输出能力 还有一些其它因索 需要考虑 如供电电源最好是单电源工作 这样对系统应用的要求就低些 通过上述方法 可以较为方便地检测水位高度 精度可达 1r n m 基f m a t l a b 环境r 的过程控制实验装置旧研究 3 3 执行机构的设计 在过程控制系统中 常用调 尊阀作为执行机构 而泵在工业场合应用也极为广 泛 出于实验的需要 我们选择了齿轮泵代替调节阀 并经过自行处理适当改制 使之能够较好地满足实验的需要 齿轮泵的理论流量常用近似计算公式 假定泵每转压出的液体量等于两个齿轮 齿谷容积的总和 又假定齿谷体积等于齿的体积 由于齿高一般为避免2 m m 为 齿的模数 故泵每转的排容按下式计算 v 2 d r a b 1 0 6 式中v 泵每一转的排量 l 转 m 齿轮的模数 m m b 齿宽 m m z 一齿数 d 齿轮节圆直径 d m zm m 泵每分钟的理论流量为每转排容v 与泵转速n 的乘积 实际上齿谷体积比齿的 体积稍大些 所以加以修正 同时考虑容积效率的影响后 得实际流量为 q 6 6 6 m 2 z b nn 1 0 式中q 实际流量 i m i n n 转速 r p m n 容积效率 一般为0 7 一o 9 可见 影响齿轮泵流量的因素为转速 转速越高 在同样结 构尺寸下流量越大 齿轮泵的流量是可以调节的 在某一段转速 范圈内 流量q 与转速n 近似线性的 故可以利用孩段线性进行 流量调节 同时 考虑到此非线性 利用对象水位高度变化与流 出量之1 日j 的非线性进行适当补偿 另外 在液体 水 中适当加 入甘油使之粘性增加 这样实验效果更佳 l 执行机构之一 直流调速机构 主要由直流调速器与直流电动机及水泵连接而成 直流凋速 控制面板见图3 一i o 所示 对于直流伺服电机的选用 主要根据所采用的电源功率和系 统对电机的要求来决定 其主要优点是 1 转矩过载能力强 2 调速范围宽 不受频率及极对数的限制 3 机械特性 调节特性 的线性度好 4 功率损耗较小 输出功率很大时 经济技术指标 也不会下降 为了尽量减小系统体积 提高控制精度的原则 我们采用 了可控硅控制的直流电动机调压调速系统 通过触发移相电路图3 1 0 直流调速 基丁m a t l a b 王 境f 的过狂挖制实验装营的研究 来控制品闸管的导通 关断 以此控制加到电机电枢上的电压大小 浚谢速器基于 转速 电流双闭环系统调速原理 我们知道 被调量的负反馈是闭环控制系统的基本反馈形式 在本系统中 要 控制转速就必须采用转速负反馈 但是 转速负反馈的实现必须要有转速检测装置 在模拟控制系统中就是利用测速发电机 安装测遽发电机时 必须使它能和电动机 平稳的同轴运转 比较麻烦 此外 测速反馈信号中含有各种交流纹波 还会给调 试和运行带来麻烦 根据直流电动机和其他参量的关系表达式 一 r h 恐m 式中 n 一转速 r m u 电枢电压 v i 电抠电流 a r 吨根回路总电阻 q o 一 励磁磁通 w b k e 电动势常数 如果忽略电枢压降 则直流电动机的转速近似于电枢两端电压成正比 即 n 2 u k e 中 所以 我们在电路中采用电压负反馈方式 它基本上能够代替转速负反 馈的作用 同时也进一步减小了实验装置的体积与重量 节约了资会 在该调速线路中 主电路的高电压与控制电路的低电压串在了一起 对低压侧 干扰非常大 并且从安全角度上看也比较危险 因此 在调节器输出与调速器之间 我们采用了光电隔离器进行信号的隔离 把凋节器侧的低压部 分与调速器侧完全隔离丌来 2 执行机构之二 交流调速机构 主要由变频器与交流电动机及水泵连接丽成 交流变频控 制挂箱面板见图3 1 1 为避免执行机构的强电信号对单片机系 统的干抗 在系统中同样增加了模拟线性光电隔离电路 3 执行机构之三 电加热器 主要由固态继电器与加热器组成 如图3 1 2 所示 由于它 结构简单 投资少 操作方便 且能满足一般生产过程的要求 故这种系统在过程控制中得到广泛应用 培 图3 1 2 温度控制系统原理图 图3 一1 1 交流调速 1 8 基丁m m l a b 环境f 的过程控制实验装置的研究 第四章系统的软件实现 本装置的软件分为卜位机软件和下位机软件 分别完成实验管理 捧制算法实 现和信号传输等功能 4 1 下位机软件的实现 过程控制实验装置下位机主要完成以下几项功能 l 用户丌机后的登录 2 用户实验前的参数设定 包括采样通道选择与分配 输出通道选择与分配 控 制方式的选择 即手动 自动控制 手动控制时的输出设定 自动控制算法选择 控制算法的参数整定 包括采样速率 k p k i k d 等 还需要设定显示标尺 用于 显示温度 液位 流量等不同参量 3 在以上参数设定完成后就需要选择由上位机控制还是下位机控制 4 如果是上位机控制 则采样数据通过通讯端口上传 由上位机实现较复杂的算 法 再通过通讯端口取得控制量 d a 输出给执行机 构 通讯过程流程图见图4 一l 5 如果是下位机控制 则根据用户设定的参数由下位 机实现控制算法 d a 输出给执行机构 上位机通过 通讯端口实现现场的实时监视 而不参与控制 过程 控制实验装置下位机控制功能流程图见图4 2 应用程序编制采用模块化编程方法 软件由主程 序 键盘中断程序 测量子程序 显示子程序等组成 系统投入运行的最初时刻 应对系统进行自检和初始 化 如果自检无误 则对系统进行正常初始化 包括 对中断的安排 堆栈的设置 状态变量的初始化 各 种软件标志的初始化 系统时钟的初始化 各种变量 存储单元的初始化等 通过t l c 2 5 4 3 对五路液位进行 采集 由于在工业现场的干扰源多 为了减少对采样 值的干扰 提高采样信号的可靠性 采用数字滤波 为防止噪声对检测信号的影响 这里采用展宽频带的 信号处理方法 具体方法如下 延长a d 转换结束后 的等待时间 使相邻两个采样点之间的时间 白j 隔足够 长 如一个信号周期的1 4 可保证在信号的一个周 期内 采样点不至于太多而很快占满内存 使有限的 存储器空间容纳尽可能多的被测信号周期 以实现多 点平均的目的 采用软件控制采样点选择的方式 每 隔一定间隔取一个样点 设在信号的一个周期内每隔 图4 一l 通讯过程流程图 基rm a t l a b 环境r 的过程控制实验装置的研究 n 1 个采样点数采样一次 共采了n 2 个样点 则信号的频率为 f n l n 2 a t 图4 2f 倚机摔制功能流稗幽 4 2 上位机软件的实现 4 2 1 上位机监控软件组成 上位机程序采用当前流行的v i s u a lb a s i c 程序设计语言和a c c e s s 桌面数据库 为主要丌发工具 结合一般数据管理程序和实时控制系统的要求 使用标准r s 2 3 2 端口连接控制台 具有技术简洁 系统稳定 使用方便等特点 考虑各种算法程序 的多样性 增加了 m a t l a h 系统调用接 口 使系统具备了较 好的扩展功能 上位 机软件组成框图见 图4 3 整个系统分 成4 个模块 l 采样检测与控制 模块 模块分实时检 图4 3 上位机软件框图 基j i a t l a b 环境r 的过程控制实验装置的研究 测和控制两个子功能模块 检测模块采集系统各控制参数 通过控制幽或分参数曲 线圈显示系统当前运行状态及各控制参数的变化情况 采样时f u j u 以通过菜单进行 调整 停j r 采样时 分参数曲线图可以察看和打印历史曲线 便于进一步数据分析 界面切换简单直接 一目了然 控制模块根据控制算法和设定值对系统进行实时控制 系统预设算法9 种 包 括模糊控制 神经元控制 p p i p d p i d 积分分离 死区p l d 不完全积分 自定义算法等 其中自定义算法通过丌放性模块调用m a t l a b 程序文件 可供用户 根掘需要自己编写算法 算法变更和控制参数设置简便易行 不需要特别学习 数据采集与控制的关键在于实时性 我们采用数据访问对象 d a o a d o 的方 式进行数据存取 在内存中设置一个临时表存放实时数据 加快数据处理过程和曲 线重绘时间 本模块的数据保存间隔和作图间隔考虑实际需要 特别设计了分别设 置的菜单选择 可以观察较长控制过程的曲线 同时 画面的动态刷新也能够及时 反映实际的控制状况 2 数据管理模块 系统提供简单的用户登陆和验证进行数据管理 可以分用户和实验几期记录数 据 结合用户记录 可以提供多个实验者对实验的静态数据分析 有利于教学实验 总结 数据库管理有整理 备份 恢复等基本功能 每个实验过程分别记录备份 并可以进行数据恢复处理 数据记录的所有更新操作使用t t s 事务跟踪方法 确保 数据库中记录的完整性 3 通信模块 系统使用标准的r s 2 3 2 通信口与下位机进行数据交换 我们主要使用了m s c o m m 通用控件完成编程工作 在协议设计上面增加通信错误的检测和处理 系统能够在 偶然的故障情况下继续运行 及时恢复正常通信状态 整个模块包装成通用的类模 块 提高重用性 4 扩展模块 作为对m a t l a b 程序的支持 用户可以将在仿真环境下设计出来的m a tj a b 文件 复制到系统规定的文件兴中 在系统控制算法中设置自定义算法就可以调入该算法 程序对系统进行控制 通过比较几种常见的调用m a t l a b 算法的方法 我们选择了 a c t i v e xo b j e c t 的调用形式 系统能够满足实时控制的要求 4 2 2 基于 4 t a l b 环境下的控制软件的开发 4 2 2 1 基于m a t l a b 环境下的控制原理方框图 基于m a t l a b 环境下的控制原理方框图如图4 4 所示 基j 二m a i l a 3 环境r 的过程控制实验装置的研究 一 图4 4 基于m a t l a b 环境下的控制原理方框图 v b 把从端口上读到数据 保存到a c c e s s 数据库中的历史数据表中 作为数 据的备分 m a t l a b 一旦被调用的话 m a t l a b 就跟以上的历史数据表相连接起来 通过读取a c c e s s 表中相关的数据 柬作为m a t l a b 的输入参数 把 测量值 与 期望值 进行比较后 作为m a f l a b 的输入参数 在进行p i d 运行后 m a t l a b 输出结果即是系统的控制输出 这个数据 我们要进行处理 保存到三个地方 一 主界面上的 系统输出 中 间接 二 要通过m s c o m m 控件写到端口上 作 为下位机输入部分 间接 三 要放到a c c e s s 表中 作为历史数据 画图用 直 接 确切的说是 先把m a t l a b 的输出 放到a c c e s s 表 再需要使用时 v b 从 a c c e s s 表中取出使用 a c c e s s 表中的建立 如图4 5 d a t a i n y u t涮量值 l d a t a o u t主 系统输出 s h u j t l b i a o l 设定值 叫卜斗2 l 斗 d a t a 2 h is h u j 蛐2 数据库 界 m 墟t l a b k d k d d a t a b a s 面帕p 帕 一d a t a 3b k p 控制参羹 k p s h u i u b i a 0 3 k i 心k i 图4 5 数据存入各自数据库的表中的图例 基j 二m a t l a b 环境r 的过程控制实验装置的研究 图中表示所要建立的数掘库跟主界面的联系 从图中可以看到 建立的数据库 d a t a b a s e 中有三个表 趾u j u b i a 0 1 s 群u j u b i a 0 2 s h h j u b i a 0 3 第 个表中 有两个字段名 分别为 l a a t a i n p u t d m a o u t 第 个表中只有 个字段名 d a t a z h i 第三个表中是放p i d 参数的 有三个字段名 莨d 如 搿 当 终止挥序时 可以重新设置参数 把原来的历史数据删除 以便来观察下次运行的 结果 4 2 2 2 基于m a t l a b 环境下的p i d 算法 先设计一个p i d 控制算法m a n a b 仿真图 如图4 6 图4 6m a t l a b 仿真图 在v b 环境下调用m a t l a b 的p i d 控制算法 要编一个p i d 控制算法的m 文件 来被v b 凋用 仿真图中的p i d 算法必须编成一个首先要在m a t l a b 环境f 能调用 的m f i c h e 将图4 6 改为图4 7 图4 8 就是对应的图4 7 控制输出曲线图 图4 7 调用m a t l a b 的方框图 基丁m a t i a b 环境f 的过捌控制实验装置的研究 图4 8m a t l a b 控制输出曲线 这样在编程时 就可以把m a 也曲f c n l 部分的设置链接为m 文件 p i d 控制算法 的m 文件的源程序如下 f u n c t i o ny f f 6 k p 0 0 8 1 k d o 0 5 k i o 0 0 0l i fe o a o00 y o f i d l 3 f o p e n i n k 0 2 0 3 2 8 1 l l a t r w b c o u n t l 2 f w r i t e f i d l a f l o a t f c l o s e f i d i e l s e r i d 2 f o p e n i n k 0 2 0 3 2 8 m a t i r b a f f e a d f i d 2 4 f l o a t f c l o s e f i d 2 a 2 e y k p a 2 k i 4 a 3 k d a 2 a 1 e n d a o a 2 3 1 a o a r 2 1 基 m a l l a b 环境f 的过拌控制实验装置的研究 一一 f i d 3 f o p e n i n k 0 2 0 3 2 8 1 1 a t w b c o u n t 2 f w r i t e f i d 3 a f l o a t f c l o s e f i d 3 m 文件的注释 1 y f f 6 e 1 表示主程序中的输入参数通过e 传送到m 文件中作为输入参 数 v 表示m 文件的输出 即上图中的m a t l a bf c n l 部分的输出值 2 y k p a 2 k i a 3 k d 8 a 2 一 1 p i d 的控制算法 4 2 2 3v b 与a c c e s s 表数据库的连接 v i s u a l b a s i c 简称v b 是m i c r o s o f t 的 种通川科序 殳计语言 住w i n d o w s 操作平台f v b 是只有幽形川户界面的开发剌创建应刚科序的强有力r 具之 v b 以人们所熟知的b a s i c 语言为基础 不仅易r 学习 学握 它的可视化特性还为应i l 样序的界面设计提供了迅迷使捷 的途径 在v b 编科中不需要编弓人姑代码去描述界面元素的外观和侮置 而是把预先建立蚶 的剥象拖剑窗体上适当位置即可 这罩 我们必须要建立a c c e s s 的数据库 用来存储数据 建立数据库 实 质是确定数据库的结构 也就是说 要确定本数据库是由那些数据表组成 每一个 数据表有些什么字段 每一个字段名 数据类型和数据长度 宽度 等 步骤如下 启动数据管理器 要建立数据库 首先选择 外部程序 菜单中的 叮视化数据管理器 命令 进入数据库设计界面 建立数据库 单击 文件 菜单中的 新建 命令 在其连接中的选择 m i r o s o f t a c c e s s 版 本7 0 命令 在出现的对话框中 将要建立的数据库文件保存为 d a t a b a s e m d b 刚建立的数据库中没有任何数据裹 数据表结构的建立 表结构是指数据表中的各个字段的名称 类型 大小等等 字段的大小是指字 段所取的具体值的宽度 般是宽度最大的为准 这些所谓的表即a c c e s s 类型 的数据表 默认的 我所建的a c c e s s 表由三个a c c e s s 表 分别为 s h u j u b i a o l s h u j u b i a 0 2 s h u j u b i a 0 3 s h u j u b i a o l 是用来存放历史数据的 有两个字段名 分别是 d a t a o u t 和 d a t a i n p u t 前者表示的是m a t l a b 的输出 也可是说是温度控制系统的输入部分 后者是m a b 的输入值 当然要进行数据处理 也就是系统的输出部分 s h u j u b i a 0 2 表中只用一个字段名 是 d a t a z h i 表示系统输出的期望值 它是用界面上直接输入的 也是放到这个数据表2 中的 s h u j u b i a 0 3 表中是用来存放m a f l a b 控制的p i d 控制参数的 三个字段名风 基j 耐a 丁l a b 环境p 的过剧控制实始装置f 勺研究 一一 一 别是 k d r b k i 这三个参数是职字界面上的p 1 d 控制参数是 一 寸应 的 这些参数可以在界面上直接的输入 这些的参数都可以跟m a t l a b 所连接利调用 进行处理后 馒可以有m a t t a b 的 控制输出了 结果存到 s h u j u b i a o l 的 d a t a o u t 作为m a t l a b 的控制输出 即 是单片机 f 位机 的输出 m i c r o s o f ta c c e s s 也是 种数据库管理系统 但它与传统的桌面数掘库管理系 统完全以i 样 a c c e s s 是v i s u a l b a s i c 的内部数据库 即缺省数掘库类型 这罩的 内部 有两方面的含义 一是用a c c e s s 建立的数据库 m d b n 以在v i s u a lb a s i c 中使用 二是用v i s u a lb a s i c 可以直接建立a c c e s s 数据库 因此 在v i s u a lb a s i c 中 a c c e s s 数据库 和 v i s u a lb a s i c 数据库 含义相同 1 数掘控件 d a t a 用数据控件 d a t a 可以像访问数据库一样访问a c c e s s 表的数据库 还可 以访问m i c r o s o f te x c e l m i c r o s o f tw o r d 和标准a s c i i 文本文件等 此外 用数掘 控件还可以访问和操作远程的丌放数据库互连 o d b c 数据库 数据控件和其它控 件一样 可以把数据控件添加到窗体中 以建立数掘库应用程序 可以根据需要在 窗体上建立多个数据控件 不过 对每个需要操作的数据表一般使用一个致的数掂 控件 使用数据控件不用编写代码就可以实现下列操作 与本地或远程数据库建立连接 对连接的数据库执行s q l 查淘 打丌指定的数据表或定义记录集 把数据字段传送到各神约束控件 并可在约束控件中显示或修改数掘字段的值 根掘约束控件中数据的变化 添加新记录或更新数掘库 捕获访问数据时出现的错误 关闭数据库 2 数据控件 d a t a 跟数据库的连接 我们通过本实验来说明数据控件的一般用法 在这个例子中 将浏览一个数据 库中的数掘 为了在应用程序中使用数据控件 可以按如下步骤操作 执行 文件 菜单中的 新建工程 命令 建立一个新工程 在 具箱中