双容水箱液位串级控制系统的设计35497 - 网

摘要 Abstract: 21概述 1.1过程控制介绍 1.2液位串级控制系统介绍 1.3MATLAB软件介绍 1.4MCGS组态软件介绍 2被控对象建模 2.1水箱模型分析 2.2阶跃响应曲线法建立模型 3系统控制方案设计和仿真 3.1PID控制原理 3.2系统控制方案设计 3.2控制系统仿真 4建立仪表过程控制系统 4.1过程仪表介绍 4.2仪表过程控制系统的组建 4.3仪表过程控制系统调试运行 5建立计算机过程控制系统 5.1计算机过程控制系统硬件设计 5.2MCGS软件工程组态 5.3计算机过程控制系统调试运行 6结论 双容水箱液位串级控制系统的设计摘要:本论文的目的是设计双容水箱液位串级控制系统。在设计中充分利用自动化仪表技术,计算机技术,通讯技术和自动控制技术,以实现对水箱液位的串级控制。首先对被控对象的模型进行分析,并采用实验建模法求取模型的传递函数。其次,根据被控对象模型和被控过程特性设计串级控制系统,采用动态仿真技术对控制系统的性能进行分析。然后,设计并组建仪表过程控制系统,通过智能调节仪表实现对液位的串级PID控制。最后,借助数据采集模块、MCGSS态软件和数字控制器,设计并组建远程计算机过程控制系统,完成控制系统实验和结果分析。关键词:液位模型PID控制仪表过程控制系统计算机过程控制系统1.2液位串级控制系统介绍在工业实际生产中,液位是过程控制系统的重要被控量,在石油、化工、环保、水处理、冶金等行业尤为重要。在工业生产过程自动化中,常常需要对某些设备和容器的液位进行测量和控制。通过液位的检测和控制,了解容器中的原料、半成品或成品的数量,以便调节容器内的输入输出物料的平衡,保证生产过程中各环节的物料搭配得当。通过控制计算机可以不断监控生产的运行过程,即时地监视或控制容器液位,保证产品的质量和数量。如果控制系统设计欠妥,会造成生产中对液位控制的不合理,导致原料的浪费、产品的不合格,甚至造成生产事故,所以设计一个良好的液位控制系统在工业生产中有着重要的实际意义。在液位串级控制系统的设计中将以THJ-2高级过程控制实验系统为基础,展开设计控制系统及工程实现的工作。虽然是采用传统的串级PID控制的方法,但是将利用智能调节仪表、数据采集模块和计算机控制来实现控制系统的组建,努力使系统具有良好的静态性能,改善系统的动态性能。2被控对象建模在控制系统设计工作中,需要针对被控过程中的合适对象建立数学模型。被控对象的数学模型是设计过程控制系统、确定控制方案、分析质量指标、整定调节器参数等的重要依据。被控对象的数学模型(动态特性)是指过程在各输入量(包括控制量和扰动量)作用下,其相应输出量(被控量)变化函数关系的数学表达式。在液位串级控制系统中,我们所关心的是如何控制好水箱的液位。上水箱和下水箱是系统的被控对象,必须通过测定和计算他们模型,来分析系统的稳态性能、动态特性,为其他的设计工作提供依据。上水箱和下水箱为THJ-2高级过程控制实验装置中上下两个串接的有机玻璃圆筒形水箱,另有不锈钢储水箱负责供水和储水。上水箱尺寸为:d=25cm,h=20cm;下水箱尺寸为:d=35cm,h=20cm,每个水箱分为三个槽:缓冲槽、工作槽、出水槽。2.1水箱模型分析Qi图2.1液位被控过程简明原理图系统中上水箱和下水箱液位变化过程各是一个具有自衡能力的单容过程。如图,水箱的流入量为Q,流出量为Q,通过改变阀1的开度改变Q值,改变阀2的开度可以改变Q值。液位h越高,水箱内的静压力增大,Q2也越大。液位h的变化反映了Q和Q不等而导致水箱蓄水或泻水的过程。若Q作为被控过程的输入量,h为其输出量,则该被控过程的数学模型就是h和Q之间的数学表达式。根据动态物料平衡,Q-Q2=A(dh/dt);△Q-△Q=A(d△h/dt)在静态时,Q=Q,dh/dt=0;当Q发生变化后,液位h随之变化,水箱出口处的静压也随之变化,Q也发生变化。由流体力学可知,液位h和流量之间为非线性关系。但为了简便起见,做线性化处理得Q2=Ah/R2,经拉氏变换得单容液位过程的传递函数为W(s)=H(s)/Qi(s)=R2/(R2CS+1)=K/(TS+1)注:△Q、△Q、△h:分别为偏离某一个平衡状态Qo、Qo、he的增量。甩阀2的阻力A:水箱截面积T:液位过程的时间常数(T=R2C)K:液位过程的放大系数(K=Rz)C:液位过程容量系数图2.2水箱模型测定原理图3•求取上水箱模型传递函数在MATLAB的命令窗口输入曲线拟合指令:>>x=0:30:420;>>y=[06.8811.6315.0717.719.6921.1521.9422.5523.4423.6323.8424.1424.2524.27];>>p=polyfit(x,y,4);>>xi=0:3:420;>>yi=polyval(p,xi);>>plot(x,y,'b:o'xi,yi,'r')。在MATLAB^绘出曲线如下:图2.5上水箱拟合曲线注:图中曲线为拟合曲线,圆点为原数据点。数据点和曲线基本拟合。如图所示,利用四阶多项式近似拟合上水箱的响应曲线,得到多项式的表达式:P(t)-1.8753e(-009)t4+2.2734e(-006)t3-0.0010761t2+0.24707t+0.13991。根据曲线采用切线作图法计算上水箱特性参数,当阶跃响应曲线在输入量x(t)产生阶跃的瞬间,即t=0时,其曲线斜率为最大,然后逐渐上升到稳态值,该响应曲线可用一阶惯性环节近似描述,需确定K和T。而斜率K为P(t)在t=0的导数P'(0)=0.24707,以此做切线交稳态值于A点,A点映射在t轴上的B点的值为To图2.6上水箱模型计算曲线阶跃响应扰动值为10,静态放大系数为阶跃响应曲线的稳态值y(::)x0v(°°)245之比k0,所以上水箱传递函数为G2(s)二x099.16S+14.下水箱模型建立在MATLAB的命令窗口输入曲线拟合指令:>>x=0:30:1650;>>y=[03.176.269.5112.5415.518.420.7722.9825.0526.8528.8630.5932.3233.6935.1636.4237.7439.0240.0941.1642.0242.9443.4744.4345.1745.8146.4146.9947.447.7948.2448.7749.1749.3449.6549.9150.3750.8251.0451.5151.7852.0652.3152.3952.5952.6352.9253.1853.2653.353.3653.5453.6453.853.8];>>p=polyfit(x,y,4);>>xi=0:3:1650;>>yi=polyval(p,xi);>>plot(x,y,'b:o'xi,yi,'r')。在MATLAB中绘出曲线如下:图2.7下水箱拟合曲线注:图中曲线为拟合曲线,圆点为原数据点。数据点和曲线基本拟合。如图所示,利用四阶多项式近似拟合下水箱的响应曲线,得到多项式的表达式432P(t)=-1.1061e(-011)t+5.7384(e-008)t-0.00011849t+0.12175t-0.31385.根据曲线采用切线作图法计算下水箱特性参数,当阶跃响应曲线在输入量x(t)产生阶跃的瞬间,即t=0时,其曲线斜率为最大,然后逐渐上升到稳态值,该响应曲线可用一阶惯性环节近似描述,需确定K和T.而斜率K为P(t)在t=0的导数P'(0)=0.12175,以此做切线交稳态值于A点,A点映射在t轴上的B点的值为T。图2.8下水箱模型计算曲线545之比kO二yCil,所以下水箱传递函数为G(—。xO447.63S+1在实验建模的过程中,实验测取的被控对象为广义的被控对象,其动态特性包括了调节阀和测量变送器,即广义被控对象的传递函数为Gp(s)二Gv(s)G(s)Gm(s),Gv(s)为调阶跃响应扰动值为10,静态放大系数为阶跃响应曲线的稳态值y(::)x0节阀的传递函数,Gm(s)为测量变送器的传递函数。3系统控制方案设计和仿真*•比例Pr(y(t)r(积分1—►X+被控对象3.1PID控制原理图3.1PID控制基本原理图PID控制器是一种线性负反馈控制器,根据给定值r(t)和实际值y(t)构成控制偏差:e(t)=r(t)-y(t)PID控制规律为:1r+U=Kpdt微分D或以传递函数形式表示:G(»冷p(1TsTds)式中,©比例系数TI:积分时间常数TD:微分时间常数PID控制器各控制规律的作用如下:(1)比例控制(P):比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出和输入误差信号成比例关系,能较快克服扰动,使系统稳定下来。但当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差(2)积分控制(I):在积分控制中,控制器的输出和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,则称此控制系统是有差系统。为了消除稳态误差,在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差的累积取决于时间的积分,随着时间的增加,积分项会越大。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。但是过大的积分速度会降低系统的稳定程度,出现发散的振荡过程。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)微分控制(D):在微分控制中,控制器的输出和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环节或有滞后环节,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。所以在控制器中仅引入“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。特别对于有较大惯性或滞后环节的被控对象,比例积分控制能改善系统在调节过程中的动态特性。PID控制器的参数整定是控制系统设计的重要内容,应根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。1•临界比例法。在闭合控制系统中,把调节器的积分时间T置于最大,微分时间TD置零,比例度3置于较大数值,把系统投入闭环运行,将调节器的比例度3由大到小逐渐减小,得到临界振荡过程,记录下此时的临界比例度3k和临界振荡周期Tk。根据以下经验公式计算调节器参数:调节器参数控制规律3TITDP23kPI2.23kTK/1.2PID1.63k0.5Tk0.25Tk表3.1临界振荡整定计算公式2.阻尼振荡法。在闭合控制系统中,把调节器的积分时间TI置于最大,微分时间TD置零,比例度3置于较大数值反复做给定值扰动实验,并逐渐减少比例度,直至记录曲线出现4:1的衰减为止。记录下此时的4:1衰减比例度3k和衰减周期Tk。根据以下经验公式计算调节器参数:调节器参数控制规律3TITDP3SPI1.23S0.5TSPID0.83S0.3TS0.1TS表3.2阻尼振荡整定计算公式3.反应曲线法若被控对象为一阶惯性环节或具有很小的纯滞后,则可根据系统开环广义过程测量变送器阶跃响应特性进行近似计算。在调节阀的输入端加一阶跃信号,记录测量变送器的输出响应曲线,并根据该曲线求出代表广义过程的动态特性参数。3.2系统控制方案设计1•控制系统性能指标(1)静态偏差:系统过渡过程终了时的给定值和被控参数稳态值之差。(2)衰减率:闭环控制系统被施加输入信号后,输出响应中振荡过程的衰减指标,即振荡经过一个周期以后,波动幅度衰减的百分数。为了保证系统足够的稳定程度,一般衰减率在0.75-0.9。(3)超调量:输出响应中过渡过程开始后,被控参数第一个波峰值和稳态值之差,占稳态值的百分比,用于衡量控制系统动态过程的准确性。(4)调节时间:从过渡过程开始到被控参数进入稳态值-5%—+5%范围所需的时间2.方案设计设计建立的串级控制系统由主副两个控制回路组成,每一个回路又有自己的调节器和控制对象。主回路中的调节器称主调节器,控制主对象。副回路中的调节器称副调节器,控制副对象。主调节器有自己独立的设定值R,他的输出ml作为副调节器的给定值,副调节器的输出m2控制执行器,以改变主参数c2.通过针对双容水箱液位被控过程设计串级控制系统,将努力使系统的输出响应在稳态时系统的被控制量等于给定值,实现无差调节,并且使系统具有良好的动态性能,较块的响应速度。当有扰动f1(t)作用于副对象时,副调节器能在扰动影响主控参数之前动作,及时克服进入副回路的各种二次扰动,当扰动f2(t)作用于主对象时,由于副回路的存在也应使系统的响应加快,使主回路控制作用加强。图3.2串级控制系统框图(1)被控参数的选择应选择被控过程中能直接反映生产过程能够中的产品产量和质量,又易于测量的参数。在双容水箱控制系统中选择下水箱的液位为系统被控参数,因为下水箱的液位是整个控制作用的关键,要求液位维持在某给定值上下。如果其调节欠妥当,会造成整个系统控制设计的失败,且现在对于液位的测量有成熟的技术和设备,包括直读式液位计、浮力式液位计、静压式液位计、电磁式液位计、超声波式液位计等。(2)控制参数的选择从双容水箱系统来看,影响液位有两个量,一是通过上水箱流入系统的流量,二是经下水箱流出系统的流量。调节这两个流量都可以改变液位的高低。但当电动调节阀突然断电关断时,后一种控制方式会造成长流水,导致水箱中水过多溢出,造成浪费或事故。所以选择流入系统的流量作为控制参数更合理一些。(3)主副回路设计为了实现液位串级控制,使用双闭环结构。副回路应对于包含在其内的二次扰动以及非线性参数、较大负荷变化有很强的抑制能力和一定的自适应能力。主副回路时间常数之比应在3到10之间,以使副回路既能反应灵敏,又能显著改善过程特性。下水箱容量滞后和上水箱相比较大,而且控制下水箱液位是系统设计的核心问题,所以选择主对象为下水箱,副对象为上水箱,。(4)控制器的选择根据双容水箱液位系统的过程特性和数学模型选择控制器的控制规律。为了实现液位串级控制,使用双闭环结构,主调节器选择比例积分微分控制规律(PID),对下水箱液位进行调节,副调节器选择比例控制率(P),对上水箱液位进行调节,并辅助主调节器对于系统进行控制,整个回路构成双环负反馈系统。3.2控制系统仿真通过MATLAB^的SIMULINK工具箱可以动态的模拟所的构造系统的响应曲线,以控制框图代替了程序的编写,只需要选择合适仿真设备,添加传递函数,设置仿真参数。下面根据前文的水箱模型传递函数对串级控制系统进行仿真,以模拟实际中的阶跃响应曲线,考察串级系统的设计方案是否合理。2.^5IO2.^5IO6.46QQ.liBs+lriarwTerFenTransferFcfil1.阶跃响应性能k1jn>uJISwitch图3.3SIMULINK仿真框图通过手动切换FItranualSwitch)可以实现副回路的引入和切除,以了解副回路对控制性能的影响,比较串级控制和非串级控制对双容水箱液位的控制能力。在时间为0时对系统加入大小为30的阶跃信号,设置主控制器PID参数K=60TI=50TD=3;副控制器P参数为&=50,在初始点加40点阶跃输入量观察阶跃响应曲线。图3.5MATLAB不加入副回路仿真曲线图3.4为加入副回路时的仿真曲线:图3.5为切除副回路时的仿真曲线.由3.4和3.5两图对比可见,引入副回路组成双容水箱液位串级控制系统后动态特性比不加入副回路的控制系统有了很大的改善,提高了系统的工作频率,对被控对象的调节能力更强。2•抗扰动能力维持初始阶跃信号不变,并在副回路中加入扰动信号,观察响应曲线.在400s经过惯性环节向副回路加入阶跃值为70的扰动信号。控制器参数不变。图3.6SIMULINK仿真框图%%F皿D图3.7MATLAB加入副回路仿真曲线图3.8MATLAB不加入副回路仿真曲线图3.7为加入副回路时的仿真曲线:图3.8为切除副回路时的仿真曲线.由图3.7和图3.8对比可见,引入副回路组成双容水箱液位串级控制系统后能够很好的克服进入副回路的扰动,及时消除扰动对主参数的影响.在克服二次扰动方面串级控制比不加副回路的非串级控制好。综上所述,选择串级PID控制的设计方案完成对水箱液位的控制调节应当是可行的.而且在改善系统的动态特性、抗扰动能力等方面和非串级控制系统是较为有效的。但是仿真曲线只是在计算机上通过对实际系统仿真得到的较理想的模拟曲线.实际系统设计现场必须综合考虑各方面的因素,不可能得到和计算机仿真一致的理想曲线和控制性能。4建立仪表过程控制系统以下将基于THJ-2高级过程控制实验装置和相关仪表仪器组建仪表过程控制系统,包括被控对象系统、智能仪表控制台及监控计算机三部分组成。4.1过程仪表介绍1•检测、变送装置采用工业用的BP800型扩散硅压力变送器对水箱液位变化进行测量,含不锈钢隔离模片,同时采用信号隔离技术,对传感器温度漂移跟随补偿。当水箱中注水导致液位变化时,BP800压力变送器对被控过程中的流体压力进行测量,过程压力通过压力传感器将压力信号转换成电信号,经差分放大器、输出放大器放大后,再经过V/A转换器,转换为和输入压力成线性对应关系的标准电流输出信号。BP800型压力变送器技术指标如下:被测介质:液体机械保护:IP65测量范围:-100KPa一100MPa防爆等级:IanCT5输出:420mADC二线制关联设备:EXZ231B安全栅准确度:0.5级温度极限:-10一80。C40一120。C零点温度系数:小于0.02%/°C过载极限:额疋量程的1.5一3倍满程温度系数:小于0.02%/。C相对湿度:小于95%电源电压:24DC二线制负载电阻:<750欧姆表4.1压力变送器技术指标2•执行机构(1)水泵采用16CQ-8P型磁力驱动泵,流量为32升/分,扬程为8米,功率为180W.为三相380恒压供水输入。(2)调节阀采用QSVP-16K型电动调节阀实现对双容水箱液位系统进水量的控制。其由QSL智能型电动执行机构和阀门组合构成。通过将压力变送器检测到的电压/电流信号输入到QSL电动执行机构的智能放大器,和来自位置信号发生器产生的开度信号相比较并放大后,向消除其偏差的方向驱动并控制电机转动,以改变调节阀的开度,同时将阀门开度的隔离信号反馈给控制系统。当其偏差值达到零时,电机停止转动。阀开关形式:电开式动作速度:0.25mm/s输入控制信号:4一20mADC/1一5VDC流量特性:直线输出信号:4一20mADC额定流量系数Kv:1.2输入阻抗:250Q/500Q介质温度:-4一200。C输出最大负载:<500Q死区:<±1.0%电源:220V/50Hz回差:<±1.0%公称直径:20mm可调范围:50:1公称压力:1.6MPa防护等级:IP65行程:10mm功耗:5VA表4.2电动调节阀技术指标3•控制器在仪表过程控制系统中,使用智能调节仪表作为控制器。采用上海万讯仪表有限公司的AI-808型仪表,采用AI人工智能调节方式,内含PID调节算法。其可以在误差较大时运用模糊算法进行调节,以消除PID积分饱和现象;当误差趋小时,采用改进后的PID算法调节,调节优化效果。选用的AI-808P型仪表技术指标如下:热电偶输入:K、S、R、E、J等响应时间:<0.5s热电阻输入:Cu50、Pt100调节方式::线性电压输入:05V输出规格:4一20mA线性电流输入:420mA报警功能:上限、下限、正负偏差测量范围:-1999一9999电源:100一240VAC/50HZ测量精度:0.2级环境温度:0一50表4.3智能仪表技术指标AI-808P引脚说明:引脚号引脚名称引脚定义1Vin0-5V1-5V输入2lexec+作为Vin的地3Sense+0-5V1-5V输入4Sense-作为Sense+的地5lout-4-20mA输出负端7lout+4-20mA输出正端9ACL电源火线10ACN电源地线11(13)AL1+(AL1-)和AL1-(AL2-)构成报警14(16)AL2+(AL2-)和AL1+(AL2+)构成报警18(17)Data+(Data-)RS-485接口数据线19(20)I/V变换内接电阻将电流变为电压6(12)(15)无分别和5(13)(16)形成常闭触点表4.4AI-808P仪表引脚说明4.2仪表过程控制系统的组建1•仪表控制系统电路设计:根据电路原理图完成仪表控制台的接线工作,实现仪表的串级PID负反馈控制。通过三相380V/10A交流电源向三相磁力泵和220/5A交流电源向调节仪表供电。压力变送器测定的下水箱液位值(电压反馈信号)送到主调节器(智能调节仪1)输入端。调节器的给定值可由仪表控制面板或MCG监控界面设定,和反馈信号相比较后输出调节信号。由于其输出的信号为4一20mA的电流信号,需要经I/V转换电路转化为1一5V电压信号送到副调节仪的输入端,和压力变送器测定的上水箱液位值(电压反馈信号)相比较后,输出4一20mA的电流信号到电动调节阀控制信号输入端,控制电动调节阀的开度,消除下水箱液位的测量值和给定值的偏差。图4.1仪表系统电路原理图2.仪表参数设定(1)Sn:输入规格调节仪1中Sn=33表示1~5V电压输入;调节仪2中Sn=32表示0.2~1V电压输入。(2)ADDR:通讯地址用于定义仪表地址,有效范围是0~100。调节仪1中ADDR=1调节仪2中ADDR=2(3)diH:输入上限显示值,用于定义线性输入信号下限刻度值。调节仪1中diH=50;调节仪2中diL=0。(4)diL:输入下限显示值用于定义线性输入信号下限刻度值。调节仪1中diH=50;调节仪2中diL=0。(5)CF:系统功能选择CF=A*1+B*2+C*4+D*8+E*16+F*32+G*64调节仪1中CF=Q表示A=0,调节仪1为反作用调节方式,输入增大时,输出趋向减小;B=0,仪表报警无上电;D=0,不允许外部给定,程序时间以分为单位;E=0,无分段频率限制功能;F=0,仪表光柱指示输出值;G=0,仪表为AI-808P工作模式。调节仪2中CF=8表示A=0,调节仪1为反作用调节方式,输入增大时,输出趋向减小;B=0,仪表报警无上电;D=1,允许外部给定,程序时间以秒为单位;E=0,无分段功率限制功能;F=0,仪表光柱指示输出值;G=0,仪表为AI-808P工作模式。(6)SV:下水箱液位给定值,根据需要设置。(7)P:调节器比例系数,根据需要设置。(8)I:调节器积分时间,根据需要设置。(9)D:调节器微分时间,根据需要设置。3.计算机和仪表通讯设置通过在AI808型仪表的内部安装RS485通讯接口模块,可利用计算机实现对仪表的监控和操作。采用AIBUS通讯协议,8个数据位,1/2个停止位,无校验位。需要在计算机的MCGS软件的用户窗口添加脚本程序以实现计算机对仪表系统的监控,同时在设备窗口中完成设备通道连接设置。(1)启动脚本程序!setdevice(调节仪1,1,"")!setdevice(调节仪1,6,"write(0,0)")!setdevice(调节仪1,6,"write(24,0)")!setdevice(调节仪2,1,"")!setdevice(调节仪2,6,"write(0,0)")!setdevice(调节仪2,6,"write(24,0)")(2)循环脚本程序下水箱液位SV1=SV1下水箱液位PV1=PV1上水箱液位SV1=20*OP1/100上水箱液位PV1=PV2if下水箱液位PV1>20then下水箱液位PV1=20endifif上水箱液位PV1>20then上水箱液位PV1=20(3)退出脚本程序!SetDevice(调节仪1,2,"")!SetDevice(调节仪2,2,"")endif程序注释:SetDevice(DevName,DevOpCmdStr)函数意义:按照设备名字对设备进行操作。返回值:数值型。返回值:=0:调用正常。<>0:调用不正常。参数:DevName设备名,字符型;DevOp设备操作码,数值型;CmdStr,设备命令字符串,只有当DevOp=6时CmdStr才有意义。DevOp取值范围及相应含义:1:启动设备开始工作。2:停止设备的工作使其处于停止状态。3:测试设备的工作状态。4:启动设备工作一次。5:改变设备的工作周期,CmdStr中包含新的工作周期,单位为ms6:执行指定的设备命令,CmdStr中包含指定命令的格式。4•计算机设备窗口设置:(实现计算机对调节仪表的监控)AI-808P智能调节仪设备设置:设备名称:调节仪1调节仪2设备注释:宇光-AI808P仪表宇光-AI808P仪表初始工作状态:1-启动1-启动最小采集周期(ms):10001000模块地址:12设置小数点位数:1-1位小数1-1位小数输入范围:10-1一5V10-1一5V连接通道通道类型数据对象1数据对象20通讯状态mm1mm21PV值(液位测量值)pv1pv22SV值(液位给定值)sv1sv23MV值(调节器输出值)op1op218CTRL控制方式ctrl1ctrl223Sn输入规格sn1sn225dil下限显示dil1dil226dih上限显示dih1dih232CF系统功能cf1cf234通讯地址addr1addr2表4.6调节仪设备窗口参数设置4.3仪表过程控制系统调试运行在组建仪表系统设备构件,实现计算机和仪表系统通讯后,完成仪表液位控制系统的调试运行,完成PID参数的整定,完成仪表控制系统的实验。根据液位串级控制系统的设计原则和被控过程模型,主副被控过程的时间常数之比在4.5:1左右。主副回路的工作频率和操作周期相差较大,其动态联系很小可忽略不计。所以副调节器按单回路系统方法整定后,可以将副回路作为主回路的一个环节,按单回路控制系统的整定方法,整定主调节器的参数,而不再考虑主调节器参数变化对副回路的影响。而且在液位控制系统的设计中,对于主参数下水箱液位的质量指标要求较高,对副参数上水箱液位没有严格的要求。设置副参数的目的是为了进一步提高主参数的控制质量,只要通过主调节器参数整定保证主参数质量,副参数的控制质量可以牺牲一些。采用两步整定法整定调节仪表PID参数:(1)在工况稳定、主回路闭合,主副调节器都在纯比例作用的条件下,主调节器的比例度置于100%用单回路控制系统的阻尼振荡法整定,求取副调节器比例度和操作周期。(2)将副调节器的比例度置于(1)中所求得的数值上,把副回路作为主回路的一个环节,用同样的方法整定主回路,求取主回路的比例度和操作周期。(3)根据以上求得的数据,按单回路系统阻尼振荡法整定公式计算主副调节器的比例度、积分时间和微分时间的数值。(4)按先副后主、先比例后积分、适当加入微分的整定程序,设置主、副调节器的参数,再观察过渡过程曲线,必要时进行适当调整,直到系统质量达到最佳为止。主副调节器参数整定结果如下:主调节器比例系数P=20,积分时间1=80,微分时间D=10;副调节器比例系数P=40。对仪表控制系统设置下水箱液位给定值为4cm等待系统稳定后,突加阶跃扰动(将设定值增加75%),设置下水箱液位给定值为7cm得到下水箱液位输出响应曲线。图4.2下水箱液位阶跃响应曲线结果分析:仪表系统中的调节仪表为反作用调节方式,输入增大时,输出趋向减小。根据PID控制的特性再调节参数,使系统达到较满意的状态。加阶跃输入后观察系统的动态性能,由曲线和响应数据得延迟时间Td=31s,峰值时间Tp=160s,调节时间Ts=300s,超调量为13.3%(最大峰值7.4cm),余差为0。通过增加比例系数克服扰动,比例系数越小,调节器输出越大,但比例调节仍有余差,所以引入积分调节,系统中由于积分作用偏强,造成曲线上升后恢复较慢,再略加入微分作用减小余差,加快系统响应速度。仪表系统采样时间为1s,采样时间较长,调节器作用的速度略慢,特别是接近稳态值时总是抖动较大,不能很快的到达稳态。-150mV一150mV-20mA一20mA对应8000一7FFF电源输入:10一30VDC电源功耗:1.3W。3•模拟量输出通道在计算机控制系统中,模拟量输出通道一般包括接口电路、D/A转换器、V/I变换等。模拟量输出通道的任务是将计算机输出的数字量转换成模拟电压或电流信号,以便驱动相应的执行机构(电动调节阀)。在远程数据采集过程控制系统,将使用ICP-7024数据采集模块实现模拟量输入通道的功能。7024D/A转换模块:数据采集程序存储在EEPRO中,计算机将数据通过RS-485接口送给7024D/A转换模块,由内部控制器按控制程序将数据送入对应DAC通道,转换为模拟电压/电流输出。7024D/A转换模块技术指标:模拟量输出类型:V,mA.带宽:15.7Hz准确率:土0.1%波特率:9600bps零点漂移:土30卩V/C±20卩A/C量程:0一20mA4mA-20mA0V一10V-10V一10V0V一5V-5V一5V电源输入:10一30VDC电源功耗:2.3W4.计算机控制系统硬件电路设计:图5.3采集模块电路原理图5.2MCGS软件工程组态通过MCG组态软件在控制计算机上构建一个人机交互界面,经过现计算机和数据采集模块的通讯,将检测变送装置的信号传送到控制计算机RS232/485转换器实中,从而在人机交互界面中可以对水箱液位对象进行监控、控制器设计改造、数据浏览和存储、记录实验曲线等。MCGS组态软件所建立的工程由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分构成,每一部分分别进行组态操作,完成不同的工作,具有不同的特性MCG组态软件的工作方式:(1)MCGS和设备通讯:MCG通过设备驱动程序和外部设备进行数据交换。包括数据采集和发送设备指令。设备驱动程序是由VB程序设计语言编写的DLL(动态连接库)文件,设备驱动程序中包含符合各种设备通讯协议的处理程序,将设备运行状态的特征数据采集进来或发送出去。MCGS负责在运行环境中调用相应的设备驱动程序,将数据传送到工程中各个部分,完成整个系统的通讯过程。每个驱动程序独占一个线程,达到互不干扰的目的。(2)MCGS产生动画效果:MCG为每一种基本图形元素定义了不同的动画属性,每一种动画属性都会产生一定的动画效果。所谓动画属性是反映图形大小、颜色、位置、可见度、闪烁性等状态的特征参数。在图形的每一种动画属性中都有一个“表达式”设定栏,其中设定一个和图形状态相联系的数据变量,连接到实时数据库中,以此建立相应的对应关系,MCGS称之为动画连接。(3)当工业现场中测控对象的状态(如:水箱液位高度等)发生变化时,通过设备驱动程序将变化的数据采集到实时数据库的变量中,该变量是和动画属性相关的变量,数值的变化,使图形的状态产生相应的变化(如高低变化)。现场的数据是连续被采集进来的,这样就会产生逼真的动画效果(如水箱液面的升高和降低)。用户也可编写程序来控制动画界面,以达到满意的效果。(4)MCGS实施远程多机监控:MCG提供了一套完善的网络机制,可通过TCP/IP网、Modem网和串口网将多台计算机连接在一起,构成分布式网络测控系统,实现网络间的实时数据同步、历史数据同步和网络事件的快速传递。同时,可利用MCGSt供的网络功能,在工作站上直接对服务器中的数据库进行读写操作。分布式网络测控系统的每一台计算机都要安装一套MCG工控组态软件。MCGS巴各种网络形式,以父设备构件和子设备构件的形式,供用户调用,并进行工作状态、端口号、工作站地址等属性参数的设置。(5)MCGS控制工程运行流程:MCG肝辟了专用的“运行策略”窗口,建立用户运行策略。MCGS提供了丰富的功能构件,供用户选用,通过构件配置和属性设置两项组态操作,生成各种功能模块,使系统能够按照设定的顺序和条件,操作实时数据库,实现对动画窗口的任意切换,控制系统的运行流程和设备的工作状态。所有的操作均采用面向对象的直观方式,避免了烦琐的编程工作。在MCGS1态环境下的工程组态流程如下1.主控窗口设计主控窗口是工程的主窗口或主框架,是所有设备窗口和用户窗口的父窗口。在主控窗口中可以放置一个设备窗口和多个用户窗口,负责调度和管理这些窗口的打开或关闭。并调度用户策略的运行。同时,主控窗口又是组态工程结构的主框架,可在主控窗口内建立菜单系统,创建各种菜单命令,展现工程的总体概貌和外观,设置系统运行流程及特征参数,方便用户的操作。在MCG单机版中,一个使用系统只允许有一个主控窗口,主控窗口是作为一个独立的对象存在的,其强大的功能和复杂的操作都被封装在对象的内部,组态时只需对主控窗口的属性进行正确地设置即可。主要的组态操作包括:定义工程的名称,编制工程菜单,设计封面图形,确定自动启动的窗口,设定动画刷新周期,指定数据库存盘文件名称及存盘时间等。图5.4主控窗口组态结构图2•设备窗口设计设备窗口是MCG系统的重要组成部分,在设备窗口中建立系统和外部硬件设备的连接关系,使系统能够从外部设备读取数据并控制外部设备的工作状态,实现对工业过程的实时监控。在MCGS中,实现设备驱动的基本方法是:在设备窗口内配置不同类型的设备构件,并根据外部设备的类型和特征,设置相关的属性,将设备的操作方法如硬件参数配置、数据转换、设备调试等都封装在构件之中,以对象的形式和外部设备建立数据的传输通道连接。系统运行过程中,设备构件由设备窗口统一调度管理,通过通道连接,向实时数据库提供从外部设备采集到的数据,从实时数据库查询控制参数,发送给系统其它部分,进行控制运算和流程调度,实现对设备工作状态的实时检测和过程的自动控制。MCGS的这种结构形式使其成为一个“和设备无关”的系统,对于不同的硬件设备,只需定制相应的设备构件,放置到设备窗口中,并设置相关的属性,系统就可对这一设备进行操作,而不需要对整个系统结构作任何改动。MCG设备中一般都包含有一个或多个用来读取或者输出数据的物理通道,MCGS巴这样的物理通道称为设备通道,如:模拟量输入装置的输入通道、模拟量输出装置的输出通道、开关量输入输出装置的输入输出通道等等,这些都是设备通道。设备通道只是数据交换用的通路,而数据输入到哪儿和从哪儿读取数据以供输出,即进行数据交换的对象,则必须由用户指定和配置。图5.5设备窗口组态结构图(1)通用串口父设备设置通用串口父设备是提供串口通讯功能的父设备,下面可以挂接所有通过串口连接的设备,提供通过Modems行远程采集或远程监听的功能。并可以在运行时动态改变拨出的电话号码。在基本属性页中,设置了串口的基本属性,包括端口号,通讯波特率,数据位位数,停止位位数,数据校验方式,这些设置可以按照设备的要求来设置。数据采集方式规定了串口父设备下的子设备的采集方式,使用同步采集时,所有子设备都按照父设备的采集周期依次采集。使用异步采集时,每个子设备可以设置自己的采集时间,在需要的时候采集。甚至子设备可以把采集时间设置为0,使得此子设备在一般情况下不采集,只在使用设备命令采集一次的时候才采集数据。在MCG冲父设备的含义:凡是使用计算机串口采集数据的设备(如PLC仪表,变频器,智能模块等)都必须挂在父设备下面,统一由父设备来管理通信。设备名称:通用串口父设备初始工作状态:1-启动最小采集周期:200ms串口端口号1-COM2通讯波特率6-6900数据位位数1-8位停止位位数0-1位数据校验方式:0-无校验位数据采集方式:1-异步采集表5.1串口父设备参数设置(2)ICP-7017设备设置:设备名称:ICP-7017通道对应数据对象通道类型周期初始工作状态:1-启动0mm1通讯状态标志位1最小采集周期:200ms1PV1AD1设备地址:22PV2AD1数据格式:0-工程单位3PV3AD1是否要求校验:0-无校验滤波表5.2ICP-7017设备参数设置⑶ICP-7024设备设置:设备名称:ICP-7024通道对应数据对象通道类型周期初始工作状态:1-启动0通讯状态1最小采集周期:200ms1OP2DA1设备地址:12OP4DA1是否要求校验:0-无校验表5.3ICP-7024设备参数设置3.用户窗口主要用于设置工程中人机交互的界面,在用户窗口下通过MCGS&态的各种功能,可以实现以下子窗口的设计:(1)双容水箱液位串级控制窗口通过动画组态和属性设置完成人机对话主界面,实现模拟工程界面、数据显示、参数设置、报警显示、通讯状态显示、工程曲线显示、控制按钮等功能。(2)实时数据浏览窗口提供所需采样时刻对应的液位数据(下水箱PV,下水箱SV,上水箱SV),可以实现实时数据浏览、数据存盘,用于工程分析计算。F24F24(3)历史曲线浏览窗口显示整个一段液位总体变化情况的曲线(下水箱PV,下水箱SV,上水箱SV对应的变化曲线),可以显示和保存长时间的变化曲线。(4)实时曲线浏览窗口显示一段时期液位变化的曲线(下水箱PV下水箱SV上水箱SV对应的变化曲线)。(5)系统退出指示窗口对话框显示退出指令。l-|g|x-|Q|X□□JJ44厨a=辅Id H辅Id H%3311娈时利用MCG11娈时II|C■汨Sfl百耳境-[踰P机志咖处搭哉应申毘控制□左件®KSCfi]ZA(DXX:UP4.:fisv:UP实时数据库是工程各个部分的数据交换和处a理llill中心,它将漩分时:G工程的各个部分连接成有机的整体。在本窗口内定义不同类型和名称的变量,作为数据采集、处理、输出控制、动画连接及设备驱动的对象。实时数据库是MCGS勺核心,各部分之间的数据交换均须通过实时数据库,所有的设备通道都必须和实时数据库连接。在MCGSK数据不同于传统意义的数据或变-调,节器秦歟整数-据对象的形式来进行操作和处理。■-;■-数据对象它不仅包含了数据变量的数值特征,还将和数据相关的其它属性(如数据的状态、报警限值■-等)以及对数据的操作方法(如存盘处理、报警处理等)封装在一起,作为一个整体,以对象的形式提供服务,这种把数值、属性和方法定义成一体的数据称为数据对象。在MCG伸,用数据对象来描述系统中的实时数据,用对象变量代替传统意义上的值变量,把数据库技术管理的所有数据对象的集合为实时数据库。开关型数据对象记录开关信号(0或非0),和外部设备的数字量输入输出通道连接,用来表示某一设备当前所处的状态。数值型数据对象存放数值及参和数值运算,提供报警信息,并能够和外部设备的模拟量输入输出通道相连接。数值型数据对象的数值范围是:负数是从-3.402823E38到-1.401298E-45,正数是从1.401298E-45到3.402823E38。数据组对象是MCGSH入的一种特殊类型的数据对象,类似于一般编程语言中的数组和结构体,用于把相关的多个数据对象集合在一起,作为一个整体来定义和处理。液位串级系统实时数据库:inputETime字符型op2数值型inputSTime字符型op4数值型inputUser1字符型opx数值型InputUser2字符型pv1数值型ei数值型pv2数值型ei1数值型pvx数值型op1数值型q0数值型k数值型q00数值型k1数值型q000数值型k2数值型q1数值型ma数值型q2数值型ma1数值型set开关型mid数值型sv1数值型mm1开关型sv2数值型mm5开关型td数值型mx数值型ti数值型下水箱PV数值型液位串级组组对象下水箱SV数值型上水箱PV数值型表5.4实时数据库参数设置主要数据对象属性设置:(1)液位串级组:组对象,用于历史数据、历史曲线、报表输出等功能。(2)下水箱SV:下水箱液位设定值(3)下水箱PV:下水箱液位测量值(4)上水箱PV:上水箱液位测量值(1)液位串级组对象基■+属性徉盘属性绘对球成员丨敘据封粥值的存蛊_____________「不再盘揖定时存臣「存臣冏期网秒存盘闘间役世诒世矢存储「只低存当曲|"小时内违您rr加程存储罔期tP加速存储时闸秒)|厂厂改变存盘间隔:厂一小时阳的间隔【秒)厂1^小时前的间隔[秒)1厂检杳恃III帮肋图5.8液位串级组基本属性设置图5.9液位串级组存盘属性设置獎■+属性徉盘属性组时當咸员I数拯对.象列哀eieti-ICiZiniputETlmeliiloutSTlmeiHiputliserliriputUserZk?niRnbHlnkldmml图5.11下水箱SV基本属性设置检蓟®III帮助【同图5.10液位串级组对象成员设置图5.12下水箱SV液位存盘属性设置(2)下水箱SV(下水箱液位设定值)(3)下水箱PV(下水箱液位测量值).荃丰网性II对黑内春拄释1!因基本风件稈盘属性|那警厲件1裁据商尊道的存战林不存盘,”晶「定时存盘,存盘用期FL按吏応壘那盘」吏优费'I存臣时间诜置口盘久存储「只保存当前F小时内奴据检杳愕|确认国|瑕消㈣|常助【同检杳愕|确认帥|甲消测|帮胸同图5.13下水箱PV基本属性设置图5.14下水箱PV液位存盘属性设置龛本属性再盘属性II兹据对諄值的存盘疗不存盘广电时祁盘「存盘周期I一rr「:艮出时,自动保存薮据对象当酣值为初殆伯存盘时间设置代去為存储「只保存当前P小时内皱挥报警扳道的弃盘检査©|诵认国|取消㈣|梏助田]图5.15上水箱PV基本属性设置图5.16上水箱PV液位存盘属性设置5.数字PID控制器设计在双容水箱液位控制系统中,被控对象的液位变化是连续的,在远程数据采集系统中计算机利用的是离散的信号,所以要对模拟PID控制器进行离散化处理。在模拟控制系统中PID控制规律的表达式为:u(t)二Kp[e(t)k将积分和微分项分别改写为差分方程得e(t)dt;:二Te(i)i=0de(t).e(k)-e(k-1)dt~TT:采样周期k:采样序号e(k-1),e(k):第k-1和第k次采样所得偏差信号得到数字PID控制器算式:u(k)=Kpe(k)莊e(i)Tdek^II压善敷便的存盘rru(k):第k时刻的控制输出,将模拟PID控制器的结构图改造为数字PID结构图:图5.17数字PID控制结构图由于双容水箱液位控制系统中执行机构采用电动式调节阀,控制量对应阀门的开度,表征了执行机构的位置,在远程数据采集系统中采用上述形式的数字PID位置式控制算法.在MCG组态环境的用户窗口中添加控制程序,实现PID算法.1.添加启动脚本程序!setdevice(7024,1,"")/!setdevice(7017,1,"")/sv1=0启动7024数据采集模块启动7017数据采集模块sv2=0set=0/下水箱上水箱行状态op2=4op=042.添加退p=本程序!setdevi7024,2,"")/!setdevice(7017,2,"")/sv1=0启动启动7024数据采集模块7017数据采集模块sv2=0set=0下水箱上水箱下水箱op2=4op4=4pv=0pv=0sv=03•添加循环脚本程序(当K、3•添加循环脚本程序(当K、Ti、Td都为0时,PID主调节器没有输出。q0,积分运算结果送变量q1,微分运算结果送变量K、Ti不为0时,比例运算结果送变量如果Ti=0则mx送0,再将mx累加入mx并限幅,防止积分过强,q2。控制算法可表示为U(k)=q0+q1+q2。当K1为0时,副调节器没有输出。K1不为0时,比例运算结果送q00。ifset=1then/开始运行时下水箱sv=sv1/给予下水箱设定值下水箱pv=(pv1-1)*125/计算下水箱测量值上水箱pv=(pv2-1)*125/计算上水箱测量值ei=(sv1/125+1)-pv1/计算下水箱给定值和测量值的偏差量ifk=0andti=0andtd=O/PID参数为0,主调节器无输出thenq0=0q1=0mx=0q2=0endif/结束if条件指令ifk<>0andti<>0then/<>表示不等于/主调节器动作q0=k*ei/将偏差值按比例放大后送到q0mx=k*0.5*ei/ti/积分限幅q2=k*td*(PVX-PV1)/0.5/计算微分量送到q2endififti=0then/ti为0时,mx送0,q1送0,只有比例微分作用q0=k*eiq1=0mx=0q2=k*td*(PVX-PV1)/0.5/计算微分调节量endififmx>5then/积分限幅mx=5endififmx<-5thenmx=-5endifq1=q1+mxpvx=pv1op仁q0+q1+q2/主调节器输出量ifop1>=100then/主调节器输出限幅op仁100endififop1<=0thenop仁0endifmid=op1/自手动切换ifma1=1thenop仁maendifsv2=op1/25+1/下水箱液位动态给定ei1=sv2-pv2/副调节器输入偏差ifk1<>0then/副调节器动作qOO=k1*ei1opx=qOO/副调节器输出值elseopx=0endififopx>=100then/副调节器输出值限幅opx=100endififopx<=0thenopx=0endifif下水箱pv>200then/下水箱液位测量值超过200mm水己溢出下水箱pv=200endifif下水箱pv<0then下水箱pv=0endifif上水箱pv>200then/上水箱液位测量值超过200mm水己溢出上水箱p