【正文】 .................................................................................................................. 39 參考 文獻(xiàn) ...................................................................................................................... 40 附錄 .............................................................................................................................. 41 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） V 致謝 .............................................................................................................................. 43 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 1 第一章 緒論 選題背景及意義 液位是工業(yè)生產(chǎn)過程控制中很重要的被控變量。所以，為了保證安全、方便操作，就必須研究開發(fā)先進(jìn)的液位控制方法和策略。兩個(gè)串連的單容對(duì)象構(gòu)成的雙容對(duì)象就比較典型。液位的變化不但受到過程控制過程中內(nèi)部干擾的影響，也受到外部的各種干擾的影響，而且影響液位變化的干擾一般不止一個(gè)，在過程控制中的作用也不同，這就 增加了對(duì)變量進(jìn)行控制的復(fù)雜性，因此形成了過程控制的下列特點(diǎn) [3]： 1)對(duì)象存在滯后 熱工生產(chǎn)大多是在龐大的生產(chǎn)設(shè)備內(nèi)進(jìn)行，對(duì)象的儲(chǔ)存能力大，慣性也較大，設(shè)備內(nèi)介質(zhì)的流動(dòng)或熱量傳遞都存在一定的阻力，并且往往具有自動(dòng)轉(zhuǎn)向平衡的趨勢(shì)。 3)控制系統(tǒng)較復(fù)雜 從生產(chǎn)安全方面考慮，生產(chǎn)設(shè)備的設(shè)計(jì)都力求使生產(chǎn)過程平穩(wěn)，參數(shù)變化超出極限范圍，也不會(huì)產(chǎn)生振蕩，作為被控對(duì)象就具有非振蕩環(huán)節(jié)的特性。 液位控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 目前在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用的液位控制系統(tǒng)，主要以傳統(tǒng)的 PID 控制算法為主。對(duì)于此類問題，傳統(tǒng)的 PID 控制方式顯得無能為力。近幾十年來，液位控制系統(tǒng)已被廣泛使用，在其研究和發(fā) 展上也已趨于完備。 液位控制系統(tǒng)在國內(nèi)各行各業(yè)的應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛，但國 內(nèi)生產(chǎn)的液位控制器同國外的日本、美國、德國等先進(jìn)國家相比，仍然有差距。 本文的主要工作 第一章 緒論，主要介紹選題背景，液位控制的研究現(xiàn)狀，液位控制的主要控制策略，國內(nèi)外的發(fā)展形勢(shì)，并總結(jié)了國內(nèi)外在液位控制方面目前比較先進(jìn)的技術(shù)與儀器以及他們的原理，為接下來液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)打下良好的基礎(chǔ)。 第五 章 主要針對(duì) 雙容水箱液位控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，對(duì)各種經(jīng)典控制進(jìn)行比較。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 5 第二章 控制對(duì)象及算法簡(jiǎn)介 被控制變量的選擇 被控變量的選擇是控制系統(tǒng)的核心問題，被控變量選擇的正確與否會(huì)直接關(guān)系到生產(chǎn)的穩(wěn)定性、產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量的提高以及生產(chǎn)安全與勞動(dòng)條件的改善。控制系統(tǒng)的控制效果與執(zhí)行器的性能有著十分密切的關(guān)系。傳感器的精度直接影響到系統(tǒng)的控制效果，所以應(yīng)根據(jù)不同的系統(tǒng)選擇最合適的傳感器是必要的 [9]。％ FS 4）介質(zhì)溫度：－ 20～ 70℃ 5）環(huán)境溫度：－ 10～ 60℃ 6）響應(yīng)時(shí)間： =100mS 7）負(fù)載能力：電流型 =600Ω（不帶顯示）， =300Ω（帶顯示）；電壓型 =3KΩ 8）可重復(fù)性： =177。使用時(shí)用 PCL10168 電纜將PCI1710L 板卡與 ADAM3968 接線端子板連接，這樣 PCL10168 的 68 個(gè)針腳和ADAM3968 的 68 個(gè)接線端子一一對(duì)應(yīng) 。在過去，如果通過開關(guān)將一個(gè)通道設(shè)置為單端輸入，則其它通道也需設(shè)置為單端。將單端通道連接至浮動(dòng)信號(hào)源尤為簡(jiǎn)單。在控制理論和技術(shù)飛速發(fā)展的今天，工業(yè)過程控制中 95%以上的 控制回路都具有 PID 結(jié)構(gòu)，并且許多高級(jí)控制都是以 PID 控制為基礎(chǔ)的。 PID 的發(fā)展過程，很大程度上是它的參數(shù)整定方法和參數(shù)自 適應(yīng)方法的研究過程。按照發(fā)展階段劃分，可分為常 規(guī) PID 參數(shù)整定方法 及智能 PID 參數(shù) 整定方法：按照被控對(duì)象個(gè)數(shù)來劃分，可分為 單變量 PID 參數(shù)整 定方法及多 變量 PID 參數(shù)整定方法，前 者包括現(xiàn)有大多數(shù)整定方法，后者是最近研究的熱點(diǎn)及難點(diǎn)：按控制量的組合形式來劃分，可分為 線性 PID 參數(shù)整定 方法及 非線性 PID 參數(shù)整 定方法，前者用于 經(jīng)典 PID 調(diào)節(jié)器，后者用于 由非線性跟蹤微分器和非線性組合方式生成的 非線性 PID 控制器。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 10 在工業(yè)過程控制系統(tǒng)中，目前采用最多的控制方 式依然是 PID 控制 。 由于液體本身的屬性及控制機(jī)構(gòu)的摩擦、噪聲等的影響，控制對(duì)具有一定的純滯后和容量滯后的特點(diǎn)，液位上升的過程緩慢，呈非線性。 PID 算法類型 [1] PID(Proportional Integral Derivative)調(diào)節(jié)是連續(xù)控制系統(tǒng)中應(yīng)用最多的一種控制調(diào)節(jié)規(guī)律。比例調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)節(jié)及時(shí)，反應(yīng)靈敏，當(dāng)偏差一旦出現(xiàn)，就能及時(shí)產(chǎn)生與之成比例的調(diào)節(jié)作用，偏差越大，調(diào)節(jié)作用越強(qiáng)，但單純的比例控制存在靜差不能被消除的缺點(diǎn)，因此就需要積分控制。 微分控制：它能敏感出誤差的變化趨勢(shì)，可在誤差信號(hào)出現(xiàn)之 前就起到修正誤差的作用，有利于提高輸出響應(yīng)的快速性，減小被控量的超調(diào)，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。組態(tài)王軟件是在 PC 機(jī)上建立工業(yè)控制對(duì)象與人機(jī)接口的智能軟件包，他以 windows中文操作系統(tǒng)作為操作平臺(tái)，充分利用了 windows 操作系統(tǒng)的圖形完備，易學(xué)易用的特點(diǎn)。 3）豐富的功能模塊。 7）系統(tǒng)安全性。工程瀏覽器和畫面運(yùn)行系統(tǒng)是各自獨(dú)立的 windows 應(yīng)用程序，均可單獨(dú)使用；兩者又相互依存，在工程瀏覽器的畫面開發(fā)系統(tǒng)中設(shè)計(jì)開發(fā)的畫面應(yīng)用程序必須在畫面運(yùn)行環(huán)境中才能運(yùn)行。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 14 工程管理器是應(yīng)用程序的管理系統(tǒng)。它還負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)的變化以動(dòng)畫的方式形象的表示出來，同時(shí)可以完成變量報(bào)警、操作記錄、趨勢(shì)曲線等監(jiān)視工程，并按實(shí)際需求記錄在數(shù)據(jù)庫中。 最后了解數(shù)據(jù)和圖形畫面中的圖素的連接關(guān)系。每一個(gè)驅(qū)動(dòng)都是一個(gè) COM 對(duì)象，這種方式使驅(qū)動(dòng)和組態(tài)王構(gòu)成一個(gè)如圖 所示的完整的系統(tǒng)，既保證了運(yùn)行系統(tǒng)的高效率，也使系統(tǒng)有很強(qiáng)的擴(kuò)展性。單容水箱系統(tǒng)的水箱主體由蓄水容器和檢測(cè)元件兩大部分構(gòu)成。 上位機(jī)組態(tài)軟件的開發(fā) 監(jiān)控畫面 監(jiān)控畫面是整個(gè)上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)中最為重要的部分，液位控制監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)液位控制流程實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)模擬顯示。因此，在主畫面的右下方設(shè)置了【歷史曲線查詢】菜單、【報(bào)警歷史查詢】菜單、【報(bào)警確認(rèn)】菜單、【 PID】設(shè)定菜單和【設(shè) 定值】菜單。在組態(tài)王運(yùn)行時(shí)，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)狀況要以動(dòng)畫的形式反應(yīng)在屏幕上，同時(shí)工程人員在計(jì)算機(jī)前發(fā)布的指令也要迅速送達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，所有這一切都是以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫為中介環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)庫是聯(lián)系上位機(jī)和下位機(jī)的橋梁。 內(nèi)存變量指那些不需要和其它應(yīng)用程序交換數(shù)據(jù)、也不需要從下位機(jī)得到數(shù)據(jù)，在組態(tài)王內(nèi)人工設(shè)定值的變量。本文根據(jù)液位控制系統(tǒng)實(shí)際需要，將需要的水箱液位值從下位機(jī)獲得數(shù)據(jù)，因此變量設(shè)置為 ―I/O‖類型變量 ，并且，在定義變量時(shí)設(shè)定其連接設(shè)備及寄存器地址，確定模擬量與數(shù)字量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 圖 內(nèi)存變量定義示意圖 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 19 圖 數(shù)據(jù)詞典 數(shù)據(jù)通信 水箱液位控制系統(tǒng)采用研華 PCI1710L 智能模塊來實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的具體通信，所以需在上位機(jī)組態(tài)軟件中定義模塊的通信通道。 4）為安裝的設(shè)備指定通信地址。 命令語言的編寫 組態(tài)王命令語言在語法上是一種類似于 C 語言的程序，開發(fā)人員可以利用這些程序來來處理和進(jìn)行操作。其具體操作為： 在工程瀏覽器目錄顯示區(qū)，選擇 ，雙擊【應(yīng)用程序命令語言】進(jìn)入命令語言編輯器，用戶可以在啟動(dòng)時(shí)、運(yùn)行時(shí)、停止時(shí)分別編寫程序。畫面命令語言是和畫面聯(lián)系在一起的，每個(gè)畫面對(duì)應(yīng)一個(gè)命令語言，畫面顯示時(shí)畫面命令語 言按照指定時(shí)間間隔定時(shí)執(zhí)行。 在組態(tài)王中定義實(shí)時(shí)曲線畫面，在實(shí)時(shí)曲線名的編輯框中可輸入有效的變量名或者表達(dá)式，同時(shí)可定義變量的曲線顏色。接下來進(jìn)行 數(shù)據(jù)庫以 及 ODBC 數(shù)據(jù)源的建立：首先需內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 22 要在 Access 中建立一個(gè)空白數(shù)據(jù) 庫，例如建立路徑為 ： D： \報(bào)警存儲(chǔ) 與查詢 \報(bào)警數(shù)據(jù)庫 .mdb。彈出如圖 所示窗口，填寫 ODBC 數(shù)據(jù)源的名稱，根據(jù)需要對(duì)數(shù)據(jù)源進(jìn)行命名，如 ―報(bào)警 ‖，點(diǎn)擊【選擇 (S)】，如圖 所示。 圖 ODBC 數(shù)據(jù)源 管理器 圖 圖 選擇數(shù)據(jù)源的驅(qū)動(dòng)程序 圖 數(shù)據(jù)源定義 圖 選擇數(shù)據(jù)庫 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 23 3）報(bào)警配置 數(shù)據(jù)庫以 及 ODBC 數(shù)據(jù)源定義 完成后，進(jìn)行報(bào)警配置中的數(shù)據(jù)庫配置。在組態(tài)王中，內(nèi)置 的曲線分為溫控曲線、趨勢(shì)曲線和超級(jí) XY 曲線。變量屬性設(shè)置的對(duì)話框如圖 所示： 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 24 圖 設(shè)置記錄歷史數(shù)據(jù) 歷史曲線是監(jiān)控系統(tǒng)必不可少的部分，操作人員以曲線的形式查詢重要?dú)v史數(shù)據(jù)，分析控制過程，進(jìn)而調(diào)節(jié)控制參數(shù) 。在組態(tài)王中右擊控件，點(diǎn)擊【控件屬性】，在 ―曲線 ‖目錄下點(diǎn)擊【歷史庫中添加】，在【坐標(biāo)系】、【游標(biāo)配置選項(xiàng)】中對(duì)記錄的時(shí)間格式游標(biāo)等進(jìn)行設(shè)置。在歷史曲線顯示模塊中，包含了歷史曲線控件及用以及用來查詢各個(gè)時(shí)刻記錄曲線的按鈕。目前，變頻調(diào)速的控制法有恒壓頻比控制、轉(zhuǎn)差率控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等 ，其控制原理如下： 根據(jù)異步電機(jī)的基本原理，異步電機(jī)轉(zhuǎn)速公式為： )1(60 spfn ?? （ ） 其 中 n 為電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)， f 為電源頻率， s 為轉(zhuǎn)差率， p 為定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的極對(duì)數(shù)，所以從這個(gè)公式就可以看出，要想改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以改變 f， s， p 這三個(gè)中的任意一個(gè)，就能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)速，其中改變電源頻率 f 是比較方便和有效的方法，只要改變了電源頻率就能都改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn) 速。具體是將異步電動(dòng)機(jī)的定子電流矢量分解為矢量控制方式。早期的矢量控制通用變頻器基礎(chǔ)上都是采用的基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式。 ③ 采用矢量控制方式的通用變頻器不僅可在調(diào)速范圍上與直流電動(dòng)機(jī)相匹配，而且可以控制異步電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。為了防止異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速偏差以及在低速區(qū)域獲得較理想的平滑轉(zhuǎn)速，應(yīng)用大規(guī)模集成電路并采用專用數(shù)組時(shí)自動(dòng)電壓調(diào)整控制技術(shù)的控制方式，以實(shí)用化并取得良好效果。 變頻器 特別適合作為水泵和風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置，或者作為各種工業(yè)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)裝置，例如，食品工業(yè)，紡織工業(yè)和包裝內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 28 工業(yè)，以及傳送帶驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，工廠大門和車庫大門傳動(dòng)鏈的驅(qū)動(dòng)，還可以作為移動(dòng)是廣告牌的驅(qū)動(dòng)裝置。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 31 操作面板及其功能介紹 圖 操作面板 變頻器的作用 變頻器調(diào)速能夠應(yīng)用在大部分的電機(jī)拖動(dòng)場(chǎng)合，由于它能夠提供精確的速度控制，因此可以方便地控制機(jī)械傳動(dòng)的上升、下降和變速運(yùn)行。使用變頻器調(diào)速能充分減低啟動(dòng)電流，提高繞組承受能力，用戶最直接的好處就是電動(dòng)機(jī)維護(hù)成本將進(jìn)一步降低、電動(dòng)機(jī)的壽命則相應(yīng)增加。電動(dòng)機(jī)功率與電壓和電流的乘積成正比，那么通過工頻直接啟動(dòng)的電動(dòng)機(jī)消耗的功率將大大高于變頻啟動(dòng)所需要的頻率。通過變頻器素能優(yōu)化工藝過程，并能根據(jù)工藝工程迅速改變，還能通過遠(yuǎn)程的 PLC 或其它控制器來實(shí)現(xiàn)速度變化。 （ 7）受控的停止方式。 （ 9）可逆運(yùn)行控制。 控制系統(tǒng)調(diào)試 本設(shè)計(jì)選用變頻器，水泵，壓力液位變送器對(duì)液位高度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，其接線 如 圖 所示： 圖 外部接線圖 液位變送器輸出 4～ 20mA 電流信號(hào)，經(jīng)過串聯(lián)其中的 250 歐姆 電阻 之后轉(zhuǎn)換為 1～內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 33 5V 電壓信號(hào)，電阻兩端的電壓信號(hào)輸 入到變頻器中，變頻器通過內(nèi)部的 PID 運(yùn)算得出輸出值，進(jìn)而對(duì)水泵的轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，最終達(dá)到控制液位的目的。接下來要設(shè)置編號(hào) 128 的數(shù)據(jù)即 PID 動(dòng)作選擇數(shù)據(jù)，變頻器提供了多種動(dòng)作方式，而本設(shè)計(jì)中選用的是負(fù)反饋的工作方式，所以將其代碼設(shè) 置 為 20，即為負(fù)反饋工作方式。 參數(shù)整定 不同的 PID 參數(shù)所實(shí)現(xiàn)的控制效果不同，那么我們?nèi)绾芜x擇出最為合適的一組 PID值呢？本設(shè)計(jì)通過不同的 PID 參數(shù)的設(shè)定通過組態(tài)王軟件得到并觀察實(shí)時(shí)曲線走勢(shì)，最后比較幾組數(shù)據(jù)的控制效果，從而得出最合適的 PID 參數(shù)。副回路中的調(diào)節(jié)器稱副調(diào)節(jié)器，被控對(duì)象為上水槽，為系統(tǒng)副被控對(duì)象，上水槽液位 值 為副被控 變