流量控制系统中基于增量式PID算法的工控组态软件设计.pdfVIP

2 0 1 0芷 第 5期 仪表 技术 与 传感 器 I n s t r u me n t T e c h n iq u e a n d S e n s o r 201 0 N o 5 流量控制系统 中基于增量式 P I D算法的工控组态软件设计 王 占林 王磊 冯 茜 1 河北理工大学机械工程学院 河北唐山0 6 3 0 0 9 2 河北理工大学信息学院 河北唐山 0 6 3 0 0 9 摘要 针对F E S T O过程控制系统流量站中的流量控制问题 提出了一种利用工控组态软件和 A c t i v e X特性扩充组态 软件控制功能实现增量式 P I D控制的新方法 重点描述了控制策略 现场信号和组态软件之间的有机结合 为在工业控 制领域中使用组态软件来完成复杂的控制算法开辟 了新的途径 系统具有形象直观 实时性好 编程简单等特点 满足了 工业控 制的要 求 关键词 增量式 P I D算法 组态软件 P C I 板卡 A c t i v e X控件 中图分类号 T P 2 7 3 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 2 1 8 4 1 2 0 1 0 0 5 0 1 0 1 0 2 De s ig n o f I nd us t r ia l Co n t r o l Co nfi g ur a t io n S o f t wa r e Ba s e d o n I nc r e me nt a l PI D Alg o r it h m in Flo w Co n t r o l S y s t e m WA N G Z h a n li n WA N G L e i F E N G Q i a n 1 C o l le g e o f Me c h a n i c a l E n g in e e r in g He b e i P o l y t e c h n i c Un iv e r s it y T a n g s h a n 0 6 3 0 0 9 C h in a 2 C o l le g e o f I n f o r ma tio n He b e i P o l y t e c h n ic U n iv e r s it y T a n g s h a n 0 6 3 0 0 9 C h in a Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o t h e fl o w c o n t r o l p r o b l e m i n t h e F E S T O p r o c e s s c o n t r o l s y s t e m S fl o w s t a t i o n t h is p a p e r i n t r o d u c e d a n e w me t h o d f o r r e a l iz in g in c r e me n t a l P I D c o n t r o l w h ic h ma d e u s e o f t h e in d u s t ri a l c o n t r o l c o n fi g u r a t i o n s o f t wa r e f u n c t i o n a n d Ac t iv e X c h a r a c t e ri s t ic e x t e n s io n c o n f igu r a t io n s o f t wa r e f u n c t io n An d t h e r e la t io n s h ip a mo n g t h e c o n t r o l a lg o r it h m fi e ld s ig n a ls a n d c o n fi gu r a t io n s o f t w a r e wa s s h o w e d p a r t ic u la r ly I t s h o w s a n e w e x p e ri me n t a l me tho d for u s in g c o n f igu r a t io n s o f t wa r e t o r e al iz e c o m p le x c o n t r o l a lg o ri t h m in t h e fi e ld o f in d u s t ri al c o n t r o 1 T h is s y s t e m is fi gu r e v is u a l t ime ly a n d p rog r a mmin g s imp le a n d C an me e t t h e g e n e r al d e ma n d s in in d u s t ri a l c o n t r o l p r o c e s s Ke y wo r d s in c r e me n t al P I D a lg o ri t h m c o nfigu r a t io n s o f t wa r e P C I s lo t b o a r d Ac t iv e X c o n t rol 1 F E S T O过程控制系统流量站简介 F E S T O过程控制系统由液位站 流量站 压力站 温度站和 P L C站组成 其 中前 四站模拟工业 生产过 程 中对 典型 的液位 流量 压力 温度系统进行控制 的方法 进行单闭环控制 而 P L C站可将各站连接起来形成多输入多输出的的耦合系统 另 外设备上还 留有 P R O F I B U S现场总线接 口 可 实现网络控制 流量控制系统是 F E S T O四个独立站中的一站 包括一个液 体容器 流量传感器 直流电机 直流电机调速器和若干连接管 道 以及 4个系统都包含的向中间调度站 P L C传送开关量 的电 容接近传感器和 P L C控制的电磁开度阀 系统的被控变量为进水 口和出水 口之间管道 内的液体流 量 执行机构为可调速的直流电机 根据实际测量值与预设给 定值的偏差 控制器控制直流电机的转速 以使管道内的液体 流量达到设定值 控制器具有 自动和手动两种控制方式 只 要流量传感器测得的流量不等于给定值 就会有偏差 e存在 B u r k e t 控制器内的P I D算法就会根据 e的值算出控制输出量 进而调节直流电机的转速 使管道中液体的流量发生变化 直 到等于给定值 电机转速才保持不变 2 控制算法简介 在模拟控制系统 中 控制器最 常用的控制方法是 P I D控 收稿 日期 2 0 0 9 1 0一l5 收修改稿 日期 2 0 0 9 1 2 1 0 制 文中控制器采用增量式 P I D控制 控制系统原理框图 如图 1所示 图 1 控 制系统 原理图 P I D控制算法为 A u k k p A e k k l e k k D A e k 一 A e k一1 1 式中 A e k e k 一 e 一1 代入式 1 得 A u k k P k I k D e 一 k P 2 k D e k一1 k D e 一 2 2 式中 e k 为给定值与反馈值之间的偏差 为比例系数 为 积分系数 为微分系数 后为采样序列 k 1 2 3 在流量控制的过程中 对系统流量每 5 0 m s 采样 1次 将采 集到的数据与给定的参考值进行比较 得出偏差 e k A u k 通过前后 3次采样偏差值得到 由软件实现 k 从而控制系统流量的稳定 3流量 控制系统的实现方案 由P C机和数据采集卡取代原有的 B u r k e t 控制器 利用组 1 0 2 I n s t r u me n t T e c h n iq u e a n d S e n s o r Ma y 2 0 1 0 态王支持 自制 A c t iv e X控件的特性 采用 V i s u a l B a s ic开发算法 控件 组态软件调用控件 设计了上位机监控系统 3 1 现场信 号的检测及 采集 数据采集是系统的基础 对于流量控制而言需要将流量 信号及时准确地采集到控制计算机 中 从现场传感器输出的 模拟值 经 P C I 数据采集板卡A D通道就可以变化成数字量传 输到计算机中 由流量传感器的输出为频率 1 3 1 2 0 0 H z 幅值 取决 于 传感器的供电电压 为5 1 2 V的方波信号经过频压转换电路 后变成 0 1 0 V电压信号 再经科 日新 K P C I 8 1 1板卡 1 2位 A D C转换为0 4 0 9 5的数字量 存放在板卡的寄存器中 组态 王下设置的 I O变量通过 P C I 总线读取数据 将其进行标度变 换 还原为物理量 就可以与用户输入的设定值比较运算 3 2 上位机控制算法的实现 A c t i v e X技术是 Mi c r o s o f t 对 O L E技术的更新和发展 它通 常以动态链接库的形式存在 其设计思想是将一个程序嵌入到 另一个程序中 A c t iv e X的优势在于它的动态可交互性 用户 可以在使用过程中 通过改变它的属性和参数 在应用程序中 实现自己的特殊要求 利用 V B将控制算法打包成 A c t i v e X控件 将测量值 设定 值和控制输出量留作控件的接 口 在组态王下 通过设置 1 O 变量 与控件接口变量一一对应连接 就可以将板卡转换得到 的现场信号送入控制算法控件 算法运算得到的控制量 经过 板卡也可以送到现场执行机构 组态王 1 O变量输出的控制量可根据执行机构的情况 设 为电压或电流形式 8 1 1 板卡有 2路模拟量输出通道 系统选 择 0 1 0 V的电压输 出 通过 电机调节 器对直流 电机进行 转速 控制 从而保持系统对流量的控制 现场信号 组态软件与控制算法之间的连接关系如图 2所 示 K P C I 一 8 1 1 板卡 组态王系统 频 压 转 换 电 路 l模 拟 量 输 入 通 道 0 O 4 0 9 5 1 3 1 2 0 0 H z 标 流量传感器 l 度 增量式P I D 变 控制算法 电机调节器 i o 一 lo v I 模拟量输出通道o 0 4 0 9 5 A c t i v e x 控件 换 一 I直 流 电 刮 液 位 报警 L I 开 关 量 输 入 通 道 0 实 时 显 示 历史 查询 记录 电 容 接 近 传 感 器 I 开 关 量 输 人 通 道 l I 图 2 现场信号 组态软件与控制算法之间的连接关系 3 3 监控界面的设计 控制系统监控界面如图 3所示 以组态王 6 5 1为开发平 台 利用其丰富的图形库和灵活的动画功能 创建了逼真的动 态画面来实时显示现场的控制过程 系统的各参数不仅可 以 直观显示 还能够做实时和历史记录 并根据需要将其打印成 报表 完善的报警管理可以及时提示报警事件 并记录报警信 息 以备故障诊断时查询 图3控制系统监控界面 3 4实验 结果分析 P C I 采集板卡的采样周期选为 5 0 m s V is u al B a s i c调用算 法控件的周期选为1 0 0 m s 在初始时刻给定值为 1 L m i n 第5 S 时给定值变为 1 3 L m in 第 1 3 s 时给定值变为 L mi n 绘制从0 2 0 S 的响应曲线图4 控制参数为 k 4 T I 0 2 T D 0 l 4 l 7 图 4系统 响应 曲线 从响应曲线可以看出 采用增量式 P I D控制时 流量超调 量为 3 2 7 调节时间为 1 7 S 因此 可以看出以上设计的增 量式 P I D控制系统可以实现对流量的稳定控制 4 结束语 增量式 P I D控制可以很好的满足系统的性能指标 上位 机借助组态软件和 P C I 数据采集板卡可以进行现场数据的实 时显示和控制参数的实时修改 二者通过 A c t i v e X控件无缝连 接 交互数据 达到控制的目的 组态软件与 A c t iv e X控件相结 合实现控制的实验方案 弥补了组态软件命令语言功能单一的 缺点 也为在计算机集散控制领域中使用组态软件来完成复杂 的控制算法开辟了新的途径 参考文献 1 余斌 陈维克 基于组态软件 R S V i e w 3 2 与 m a t l a b的通信 微计算 机信息 2 0 0 5 2 1 4 4 2 4 3 2 陈娟 周纳 关于 V