储罐控制系统.doc

毕业论文题 目：基于组态王 6.5 的串级 PID 液位控制系统设计学 院：东北石油大学秦皇岛分校专 业：生产过程自动化姓 名：李秋峰指导教师：刘文龙 摘要开发经济实用的教学实验装置、开拓理论联系实际的实验内容，对提高课程教学实验水平，具有重要的实际意义。 就高校学生的实验课程来讲，由于双容水箱液位控制系统本身具有的复杂性和对实时性的高要求，使得在该系统上实现基于不同控制策略的实验内容，需要全面掌握自动控制理论及相关知识。 本文通过对当前国内外液位控制系统现状的研究，选取了 PID 控制、串级 PID 控制等策略对实验系统进行实时控制，通过对实验系统结构的研究，建立了单容水箱和双容水箱实验系统的数学模型，并对系统的参数进行了辨识，利用工业控制软件组态王 6.5，并可通用于 ADAM 模块及板卡等的实现方案，通过多种控制模块在该实验装置上实验实现，验证了实验系统具有良好的扩展性和开放性。 关键词：双容水箱液位控制系统 串级PID控制算法 组态王6.5 智能调节仪 目录 前言. 1第一章 串级液位控制系统介绍 . 21.1 国内外研究现状. . 2 1.1.1 液位控制系统的发展现状. 2 1.1.2 液位控制系统算法的研究现状. 21.2 PID 控制算法的介绍 . 3 1.2.1 PID 控制算法的历史 . 3 1.2.2 PID 控制各环节作用.41.3 串级控制系统介绍 . 4 第二章 水箱液位控制系统的建模 . 52.1 水箱液位控制系统的构成 . 62.2 液位控制的实现.62.3 单容水箱建模. .62.4 双容水箱建模.72.4.1 双容水箱数学模型.7 第三章 组态王 6.5 简介与操作界面的设计 .8 3.1 组态王 6.5 简介 . .8 3.2 基于组态王 6.5 的液位控制系统上位机部分设计 . .9 3.2.1 建立新工程 . .9 3.2.2 定义外部设备 . .10 3.2.3 动画设计 . .113.2.3 组态王 6.5 的控件中选择历史曲线绘制 . . 11第四章 总结与展望 . 12 参 考 文 献 . 13谢辞 . 14 第一章 串级液位控制系统介绍 1.1 国内外研究现状1.1.1 液位控制系统的发展现状水箱液位控制系统实验装置最初的研发与生产是由德国 Amira 自动化公司完成的，由于当时该实验装置的价格太高，在国内只有少数高校引进了此设备，如哈尔滨工业大学，吉林大学、浙江大学等。现阶段伴随着我国科学技术水平和经济水平的不断提高，国内许多企业也能够自主生产该实验装置，如杭州言实公司研制的 HDU3000-1 型、河北德瑞特公司研制的 RTGK-2 型、深圳固高公司研制的 GTW 型等。它们的特点如下： 1、主要配件均采用工业级过程控制元件，保证系统最高的质量和可靠性。 2、实验和研究的理想平台，可以方便地构成模拟实际生产系统中的液位系统。 3、通过液位传感器对液位进行精确检测，得到实际水位的变化，方便地获得瞬态响应指标，直观反映出控制器的控制效果，准确判断控制性能。1.1.2 液位控制系统算法的研究现状当前，常见的液位控制多数采用凭人工经验进行的参数整定 P、PI、PID 或串级控制策略。针对结构简单的液位系统，此种参数整定的方法还能达到预期的效果，一旦被控的液位对象结构复杂、自身机理特殊、各变量间关联耦合严重，常规的参数整定方法在便捷性和稳定性上就无从谈起。针对这种存在着非线性、大滞后、结构复杂等诸多不确定因素的液位控制系统，国内许多高校和科研单位研究提出了一些优化的控方案和有效的控制算法。 中南大学的邓秋连等提出了采用RBF-ARX模型对水箱液位系统进行离线动态特性建模的研究。着重讨论了 RBF-ARX 模型结构的选取、模型参数辨识、RBF 参数优化等问题。BF-ARX 模型与 ARX 模型的进一步预测输出比较的结果证实了 BF-ARX 模型在非线性系统建模中的优越性。吉林大学的高兴泉等提出了采用一种基于非线性静态反馈的解耦方法进行水箱液位系统控制，当系统满足一定条件时，可以寻找到一个输出与等效新输入之间的线性微分方程关系，然后再选择合适的状态反馈形式即可使该非线性系统解耦。经解耦，水箱液位控制系统就可以分解为两个相互独立的单输入单输出线性子系统，对每个子系统可采用 PI 控制，从而解决了系统的非线性。 内蒙古科技大学的崔桂梅等采用模糊-神经网络解耦控制技术，实现了对水箱液位系统的解耦以及液位控制。模糊-神经网络解耦技术结合了模糊控制鲁棒性好和神经网络对不确定对象有显著控制效果的特点，具有直接从输入输出数据中提取模糊规则的能力。 内蒙古工业大学的韩梅等提出了采用基于 T-S 模型的模糊 PID 控制策略，这种策略根据液位变化，通过适用度加权产生 PD 控制参数，可实现参数的平稳度过。有利于改善系统性能。 大连红英等提出了设计一种参数自整定模糊 PID 控制器，以实现PID 参数的调整，控制系统的响应速度快，调量减少，渡过程时间大大缩短，荡次数减少，有较强的鲁棒性和稳定性。 广西大学的梁颖杏等提出了用 BP 网络辨识水箱液位控制系统的方法。采用并联型辨识结构，练网络采用 Levenberg-Marquardt 算法和 BFGS 拟牛顿算法，用 MATLAB软件平台，现比较训练仿真，果表明，用 LM 算法和 BFGS 拟牛顿算法能较好的辨识水箱液位系统。 1.2 PID 控制算法的介绍在工程实际中，用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，称 PID控制，称 PID 调节。PID 控制器问世至今已有近 70 年历史， 以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。1.2.1 PID 控制算法的历史PID，例-积分-微分控制器作为最早实用化的控制器已有 70 多年历史现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID 控制器简单易懂。使用不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。目前，PID 控制及其控制器或智能 PID 控制器，仪表，已经很多产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的 PID 控制器产品，各大公司均开发了具有 PID 参数自整定功能的智能调节器 (intelligent regulator)，其中 PID 控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。有利用 PID 控制实现的压力、温度、流量、液位控制器能实现 PID 控制功能的可编程逻辑控制器(PLC)。还有可现 PID 控制的 PC 系统等等。 可编程控制器(PLC) 是利用其闭环控制模块来实现 PID 控制，而可编程控制器(PLC)可以直接与 ControlNet相连，如 Rockwell 的 PLC-5 等。还有可以实现 PID 控制功能的控制器。如 Rockwell 的Logix 产品系列，它可以直接与 ControlNet 相连，用网络来实现其远程控制功能。1.2.2 PID 控制各环节作用1)比例(P)控制 比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差(Steady-state error)。 2)积分(I)控制 在积分控制中,控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统,如果在进入稳态后存在稳态误差,则称这个控制系统是有稳态误差的 或简称有差系统(System with Steady-state Error)。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积 分项也会随着时间的增加而加大。它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器可以使系统在进入稳态后无稳 态误差。 3）微分（D）控制 在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分，即误差的变化率成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后(delay)组具有抑制误差的作用。 其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”。即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入 “比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值。而目前需要增加的是“微分项”。它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在 调节过程中的动态特性。1.3 串级控制系统介绍串级控制是指通过引入副回路，使系统控制品质相对于单回路控制系统提高。在系统的结构上说，串级控制系统有两个闭合回路，主回路和副回路，主副调节器串联工作，主调节器输出作为副调节器的设定值，系统通过副调节器输出控制执行器动作，实现对主参数的定值控制。船机系统的主回路是定值控制系统，副回路是随动控制系统。通过他们的协调工作，是主参数能够准确地控制在工艺规定的范围之内。第二章 水箱液位控制系统的建模2.1 水箱液位控制系统的构成水箱液位控制系统 AE2000B 由水箱体（不锈钢储水箱850 * 450 * 400 mm 、串接圆筒有机玻璃上水箱： 250 *370 mm 、下水箱： 250 * 270 mm 、1 个连接阀门、2 个泄水阀门及 1 个调整进水阀门的步进电机和其他连接构件）、水位检测元件（压力传感器）、水泵、数据采集模块（ADAM IPC7017）及上位工控机(内有 PCI 总线插槽)构成，负责监测和变送和执行的元件包括液位传感器、涡轮流量计、压力表、电动调节阀等。总体结构的原图如下图所示。 图中的两个玻璃容器 1 T 、 2 T 通过连接阀门 1 V 依次连接。玻璃容器通过泄水阀门可以排出容器里的水，供水泵循环使用，水泵抽出的水通过进水阀门 进入容器 1 T ，这样就构成了一个封闭的回路。 两个玻璃容器上各装有一个液位压力传感器作为测量元件，用来读出容器的实时液位值。进水阀门通过两个步进电机控制其开度，从而调节进入容器水量的大小。 液位压力传感器将容器中的水位值转换为相应的电信号传到数据采集模块，又由数据采集模块传给上位机，为各种控制算法提供实时的数据。这些数据通过相应的处理，生成恰当的控制信号，也需要经过数据采集卡给到步进电机，进一步控制阀门的开度，从而实现对各种控制算法的模拟和检验。泄水阀门可以保证实验结束后放掉容器中的水。 2.2 液位控制的实现除模拟 PID 调节器外，可以采用计算机 PID 算法控制。首先由差压传感器检测出水箱水位；水位实际值通过单片机进行 A/D 转换，变成数字信号后，被输入计算机中；最后，在计算机中，根据水位给定值与实际输出值之差，利用 PID 序算法得到输出值，再将输出值传送到单片机中，由单片机将数字信号转换成模拟信号。最后，由单片机的输出模拟信号控制交流变频器，进而控制电机转速，从而形成一个闭环系统，实现水位的计算机自动控制。 2.3 单容水箱建模单容水箱系统构成如图 2-1 所示，不断有水流入水箱内，同时也有水不断由水箱中流出。水的流入量 Q 1 由变频器控制泵来加以调节，流出量 Q 0 由用户根据需要通过负载阀 R 来改变。被控量为水位 H ，它反映水的流入和流出量之间的平衡关系。显然在任何时间水位的变化均满足下述物料平衡方程：Q1-Q2=A(dH / dt)Q1=Ku UQ0=KH 其中 A 为水箱的横截面积， K u 是取决于电动调节阀的阀门特性的系数，可以假定它是常数； k 是与负载阀门开度有关的系数，在负载阀门开度固定不变的情况下， k 看作是一个常数。将式 2-1 表示成增量形式为Q1-Q0=A (d H) / dt=C(d H) / dtQ1、Q0、QH、分别为偏离某一平衡状态的Q10、Q00、H0的增量，H为水箱横截面积。考虑到水位值在其稳定值附近的小范围内变化，可以近似认为Q1=Ku u Q0=k /(2H)H 也可以变化为(d H) / dt=1/ FKu u - k /(2H)H 或(2H0) F(d H) / dt +H =Ku(2H0) F)u如果各变量都以自己的稳态值为起点，即 H0=u0；所以最常见的一阶微分方程，将其变为传递函数为：H(s) / U(s)=K(Ts+1) 从传递函数可以看出，单水箱对象为一阶惯性环节。它为有自平衡性的对象，即当原有的物料平衡被打破时随着被控量液位的变化，其不平衡量会越来越小，最后能自动地稳定在新的平衡点上。对于有自平衡的对象来说，应选择包括积分环节调节器；而对于无自平衡性的对象，则应该选择不包括积分环节的调节器。 2.4 双容水箱建模2.4.1 双容水箱数学模型双容水箱系统构成如图 2-2 所示，它是两个串联在一起的水箱，水首先进入水箱 A ，然后通过阀 R1 流入水箱 B ，再通过阀 R 2 从水箱 B 中流出。水流入量 Q 1 由变频器控制泵来加以调节，流出量 Q 0 由用户需要改变。被控量为水箱 B 的水位 H 2 , 根据图 2-6 可以写出两个水箱在任何时间的物料平衡方程：水箱A：dH1 /dt =1 /A1(Q1-Qs)水箱B：dH2/dt =1 /A2(Qs-Q0)其中：Q1=KuU Qs=(1/R1)H1 Q1=H2/R1A1,A2为水箱的截面积，R1，R2代表线性化水阻，Q，H和u等均以各个量的稳态值为起始点，合并上面整理后得：(dH1 /dt) T1+H2=KuR1u;(dH2/dt) T1+rH1=0;其中：T1=A1R1， T2=A2R2，r=R2/R1;有上式合并得；T1T2（d2 H2/dt）+(T1+T2)dH2/dt+H2=r Ku R1 u 显然这是一个二阶微分方程，这是被控对象两个串联水箱的反映。第二章 组态王 6.5 简介与操作界面的设计3.1 组态王 6.5 简介（1）组态王软件：组态王软件组态王开发监控系统软件，是新型的工业自动控制系统。它以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。 （2）组态王软件的特点：它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。尤其考虑三方面问题，画面、数据、动画。通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。而且，它能充分利用 Windows 的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据连接功能。（3）组态王软件使用步骤： 使用组态王实现控制系统实验仿真的基本方法： 1) 图形界面的设计 2) 构造数据库 3) 建立动画连接 4) 运行和调试 (4)组态王软件特点: 使用组态王软件开发具有以下几个特点:1)实验全部用软件来实现,只需利用现有的计算机就可完成自动控制系统课程的实验,从而大大减少购置仪器的经费。 2)该系统是中文界面,具有人机界面友好、结果可视化的优点。对用户而言,操作简单易学且编程简单,参数输入与修改灵活,具有多次或重复仿真运行的控制能力,可以实时地显示参数变化前后系统的特性曲线,能很直观地显示控制系统的实时趋势曲线,这些很强的交互能力使其在自动控制系统的实验中可以发挥理想的效果。 (5)在采用组态王开发系统编制应用程序过程中要考虑以下三个方面: 1) 图形,是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。 2) 数据,就是创建一个具体的数据库,并用此数据库中的变量描述工控对象的各属性,比如水位、流量等。 3) 连接,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。 3.2 基于组态王 6.5 的液位控制系统上位机部分设计3.2.1 建立新工程启动“组态王”工程管理器，选择菜单“文件新建工程”或单击“新建”按钮，弹出如图 2示： 单击“下一步”继续。弹出“新建工程向导之二对话框”，在工程路径文本框中输入一个有效的工程路径，或单击“浏览”按钮，在弹出的路径选择对话框中选择一个有效的路径。 单击“下一步”继续。弹出“新建工程向导之三对话框”，在工程名称文本框中输入工程的名称，该工程名称同时将被作为当前工程的路径名称。在工程描述文本框中输入对该工程的描述文字。单击“完成”完成工程的新建。进入“工程浏览器”。 图 3.1 建立新的工程 图 3.2 建立画面3.2.2 定义外部设备ICP7017 连接在计算机的 COM1 口。在组态王工程浏览器的左侧选中“ COM1”，在右侧双击“新建”，运行“设备配置向导”。选择 ICP7017 的“串行”项，单击“下一步”，为外部设备取一个名称，输入“IPC1”，单击“下一步”，为设备选择连接串口，假设为 COM1，单击“下一步”，填写设备地址，假设为 1，单击“下一步”，请检查各项设置是否正确，确认无误后，单击“完成”。设备定义完成后，你可以在工程浏览器的右侧看到新建的外部设备“ICP1”。在定义数据库变量时，只要把 I/O 变量连接到这台设备上，它就可以和组态王交换数据了，如下图。 图 3.3 选择 I/O 口变量定义变量的方法 :将要建立的“监控中心”，需要从下位机采集下水箱液位高度的变化，所以需要在数据库中定义这个变量。因为该数据是通过驱动程序采集到的，所以三个变量的类型都是 I/O 实型变量。这个变量名为“下水箱液位高度”，定义方法如下：在工程浏览器的左侧选择“数据词典”，在右侧双击“新建”，弹出“变量属性”对话框，对话框设置为如图 6，设置完成后，单击“确定”。用类似的方法建立其他变量。 图 3.4 定义变量3.2.3 动画设计建立动画连接: 在画面上双击图形对象“下水箱”，弹出“动画连接”对话框。单击“填充”按钮，弹出“填充连接”对话框，对话框设置如图 8。注意填充方向和填充色的选择。单击“确定”。单击“动画连接”对话框的“确定”。用同样的方法设置“上水箱”和“储水箱”的动画连接。在设置“储水箱”的动画连接时将“填充方向”改为“由上向下填充”。 图 3.5 文本动画连接选择 MAKE 菜单“文件全部存”。只有保存画面上的改变以后，在 VIEW 中才能看到你的工作成果。启动画面运行程序 VIEW 。VIEW 启动后，选择菜单“画面打开”，在弹出的对话框中选择“监控中心”。运行画面如下：图 3.6 动画连接效果3.2.3 组态王 6.5 的控件中选择历史曲线绘制工具箱内点击 “插入通用控件”，选择其中“历史趋势曲线”即可在画面中绘制历史曲线。选择“控件属性”，对话框包括“曲线”和“坐标系”两部分。在“曲线”中点击“增加”添加需要的变量，“坐标系”使用默认值，单击对话框的“确定”按钮。为使趋势曲线能显示变量的变化情况，必须先对变量做如下设置：选择菜单“数据库/数据词典”，在变量列表中对相应变量进行设置，选中“记录定义”对话框中“数据变化记录”选择框，使之有效。单击“保存”。监控画面如下图 图 3.7 水箱液位控制界面第四章 总结与展望本文以双容水箱液位控制系统中的下水箱为被控对象，研究了该控制系统的单容与双容对象模型，并针对两种对象模型建立了相应的数学模型，在建立合适数学模型的基础上，研究了针对双容水箱数学模型的控制算法，即串级PID控制算法，进行了基于组态王6.5上位机远程控制的实验实现。 在总结PID串级控制算法的同时，发现针对类似于水箱液位这种非线性、滞后系统，还可以采用单神经元PID算法控制、模糊神经网络解耦控制、基于T-S模型的模糊PID控制等控制方式。但是本文仍采用了最原始最可靠的PID串级控制，因为这种控制方法最可靠最简单和实用，而且这种控制方法既能应对工业控制扰动严重频繁的特点又能适应实时控制这一要求。本文所研究的这种控制算法结构简单，能适应不同的变化要求，因而在工程上有很大利用价值。 由于本人才疏学浅，实验装置的上位机使用了工控机，实验软件使用了组态王6.5。在阅读相关的文献后发现，如果改用S7200 PLC或者单片机作为上位机的话，实验实现的手段可能还会有所丰富。在控制策略上可以选择模糊PID控制、模糊控制与神经网络相结合的方法等更为复杂的方式，能够更进一步的