【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 量更加接近設(shè)定值。 [2] 本設(shè)計(jì)采用的是北京市樂維機(jī)電設(shè)備有限公的 ML7420A，其特點(diǎn)為：安裝方便快速、無需連桿、標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)管式接線連接、無需調(diào)整、閥門定位準(zhǔn)確、低功耗、高的關(guān)斷壓力、終端推力限位開關(guān)、 0～ 10Vdc 或 2～ 10Vdc 信號(hào)輸入、帶位置反饋信號(hào)輸出、正反作用可選、同步馬達(dá)、防腐設(shè)計(jì)、免維護(hù)。 圖 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥 壓力液位變送器的選擇 傳感器是一種以一定精度把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為與之有確定關(guān)系、便于應(yīng)用的某種物理量的測(cè)量裝置，其一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、轉(zhuǎn)換電路組成。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]。本設(shè)計(jì)選用的是由北京昆侖海岸傳感技術(shù)中心研制生產(chǎn)的 JYBK 型號(hào)的壓力液位變送器，其主要技術(shù)參數(shù)如下： 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 6 1）輸出形式： 4～ 20mADC、 0～ 5VDC 2）供電電源： 24VDC（ 177。10%）、 12VDC 3）準(zhǔn)確度： 177。％ FS、 177。％ 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。％ FS 9）長(zhǎng)期穩(wěn)定性： =177。％ FS/年 10)非線性： =％ FS 11)熱力零點(diǎn)溫漂： =％ FS/℃ 12）過載壓力： 2 倍量程 13）電氣連接：電纜連接 14）測(cè)量介質(zhì)：油、水 、氣體及其他與 316 不銹鋼兼容介質(zhì) 實(shí)驗(yàn)室中采用端子型二線制電流輸出接線方式，其具體方式如圖 所示： 圖 端子型二線制接法 研華板卡 PCI1710L 簡(jiǎn)介 研華（中國(guó)）公司生產(chǎn)的 PCI1710L 多功能數(shù)據(jù)采集卡是一款功能強(qiáng)大的低成本多功能 PCI 總線數(shù)據(jù)采集卡。 用 PCI1710L 板卡構(gòu)成的控制系統(tǒng)框圖如圖 所示。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) 。 [7] 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 7 P CPCI1710液 位 變 送器液 位 傳 感 器 水 箱電 動(dòng) 調(diào) 節(jié) 閥3 4 （ A I 1 ）2 5（ A 0 R E F ）圖 基于 PCI1710L 板卡的控制系統(tǒng)框圖 接線端子板各端子的位置及功能如圖 所示，信號(hào)描述如表 21 所示。 圖 ADAM3968 接線端子板信號(hào)端子位置及功能 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 8 表 21 板卡對(duì)應(yīng)端口功能 信號(hào)名稱 參考端 方向 描述 AI0～ 15 AIGND Input 模擬量輸入通道： 0～ 15 AIGND 模擬量輸入地 AOGND 模擬量輸出地 DI0～ 15 DGND Input 數(shù)字量輸入通道： 0～ 15 DO0～ 15 DGND Output 數(shù)字量輸出通道： 0～ 15 DGND 數(shù)字地（輸入或輸出） +12V DGND Output +12V 直流電源輸出 +5V DGND Output +5V 直流電源輸出 模擬量輸入連接 PCI1710L 卡既支持 16 路單端模擬量輸入，又支持 8 路差分模擬量輸入。輸入通道的配置可通過軟件進(jìn)行選擇，這種方式比通過卡上的跳線選擇配置更為簡(jiǎn)便。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。但是 PCI1710L卡與之不同 —即使通過軟件將一個(gè)通道設(shè)置為單端輸入，其它通道也可保留原有配置。 單端輸入配置只為每個(gè)通道提供 1 根信號(hào)線，且被測(cè)量的電壓以公共地為參考。沒有接地端的信號(hào)源稱為 “ 浮動(dòng)信號(hào)源 ” 。將單端通道連接至浮動(dòng)信號(hào)源尤為簡(jiǎn)單。在這種模式下， PCI1710L 板卡為外部浮動(dòng)信號(hào)源提供一個(gè)參考地。如下圖 所示。 圖 單端輸入通道連接 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 9 PID 控制算法概述 PID 控制器的應(yīng)用與發(fā)展 在過去的幾十年里，控制器在工業(yè)控制中得到了廣泛應(yīng)用。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。今天所熟知的控制器產(chǎn)生并發(fā)展于 19151940 年期間。盡管自 1940 年以來，許多先進(jìn)控制方法不斷推出，但 PID 控制器以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)模型誤差具有魯棒性及易于操作等優(yōu)點(diǎn)，仍被廣泛應(yīng)用于冶金、化工、電力、輕工和機(jī)械等工業(yè)過程控制中。 PID 控制器作為最早實(shí)用化的控制器已有 70 多年歷史，它的算法簡(jiǎn)單易懂、使用中參數(shù)容易整定，也正是由于這些優(yōu)點(diǎn)， PID 控制器現(xiàn)在仍然是應(yīng)用最廣泛的工業(yè)控制器。 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。最早的參數(shù)工程整定方法是在 1942 年由 Ziegler 和 Niehols 提出的簡(jiǎn)稱為 ZN 的整定公式，盡管時(shí)間已經(jīng)過去半個(gè)世紀(jì)了，但至今還在工業(yè)控制中普遍應(yīng)用。 1953 年 Cohen和 Coon 繼承和發(fā)展了 ZN 公 式，同時(shí)也提出了一種考慮被控過程時(shí)滯大 小的CohenCoon 整定公式 。 自 Ziegler 和 Nichols 提出參 數(shù)整定方法起，有許多技術(shù)已經(jīng)被用 于 PID 控制 器的手動(dòng)和自動(dòng)整定。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。 液面高度是工業(yè)控制過程中一個(gè)重要的參數(shù)，特別是在動(dòng)態(tài)的狀態(tài)下，采用適合的方法對(duì)液位進(jìn)行檢測(cè)、控制，能收到很好的效果。液位控制是工業(yè)生產(chǎn)中典型的過程控制問題，對(duì)液位準(zhǔn)確的測(cè)量和有效的控制是一些設(shè)備優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗和安全生產(chǎn)的重要指標(biāo)。由 于它便于直接觀察、容易測(cè)量、獲取方便、過程時(shí)間常數(shù)一般比較小、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，所以被廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)量。 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 。即使在美國(guó)、日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家 ， PID 控制的 使用率仍達(dá) 90%，可 見 PID 控制在 工業(yè)過程控制中占有異常重要的地 位。 PID 控制技術(shù) 經(jīng)歷了數(shù)十年的發(fā)展，從模 擬 PID 控 制發(fā)展到數(shù)字 PID控制，技 術(shù)不斷完善與成熟。尤其近十多年來，隨著微處理技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外對(duì)智能控制的理論研究和應(yīng)用研究十分活躍，智能控制技術(shù)發(fā)展迅速，如專家控制、自適應(yīng)控制、模糊控制等 ，現(xiàn)己成為工業(yè)過程控制的重要組成部分。 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。因此液位控制裝置的可靠性與控制方案的準(zhǔn)確性是影響整個(gè)系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。本課題針對(duì)液位控制設(shè)計(jì)了一個(gè)由壓力傳感器 、 PLC、 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥等組成的系統(tǒng)，并采用了增量式 PID 算法對(duì)其控制。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在液位控制方面有很多不同的方法，而計(jì)算機(jī)控制技術(shù)在過程控制中占有十分重要的地位。 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。其本身根據(jù)控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，按需要可以分解成 P、 PI、 PD 調(diào)節(jié)模塊，而且多數(shù)復(fù)雜 控制 (如串級(jí)調(diào)節(jié)，比值控制 )中均采用了 PID 控制規(guī)律。生產(chǎn)實(shí)際證明， PID控制能滿足絕大多數(shù)工業(yè)過程被控對(duì)象的控制要求 ， 至今仍然是一種最基本的控制方法。 比例控制：就是對(duì)偏差進(jìn)行控制，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即就發(fā)生作用即調(diào)節(jié)控制輸出，使被控量朝著減小偏差的方向變化，偏差減小的速度取決于比例系數(shù) Kp， Kp越大偏差減小的越快，但是很容易引起振蕩，尤 其是在遲滯環(huán)節(jié)比較大的情況下； Kp減小，發(fā)生振蕩的可能性減小但是調(diào)節(jié)速度變慢。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。 積分控制：實(shí)質(zhì)上就是對(duì)偏差累積進(jìn)行控制，直至偏差為零。積分控制作用始終施加指向給定值的作用力，有利于消除靜差，其效果不僅與偏差大小有關(guān)，而且還與偏差持續(xù)的時(shí)間有關(guān)。簡(jiǎn)單來說就是把偏差積累起來，一起算總帳。 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。但微分作用很容易放大高頻噪聲，降低系統(tǒng)的信噪比，從而使系統(tǒng)抑制干擾的能力下降。因此，內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 11 在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)慎用微分控制 。 PID 兩種控制方式 1）位置型控制 ? ? 00 )1()()()()( uneneTTieTTneKnu ni DIP??????? ????? ?? （ ） 2）增量型控制 ? ? ? ?)2()1(2)()()1()()1()()(?????????????neneneTTKneTTKneneKnununuDPIPP （ ） 為了方便編程進(jìn)一步整理可得： ? ? ? ? ? ?2*31*2*1)( ?????? neqneqneqnu （ ） 其中： ?????? ??? TTdTiTKpq 11； ?????? ??? TTdKpq 212； TTdKpq ?3 ； P I D 位 置 型 算 法 調(diào) 節(jié) 閥 被 控 對(duì) 象R ( t )+E ( t )c ( t )Δ u 圖 位置型 PID 算法流程圖 P I D 增 量 型 算 法 調(diào) 節(jié) 閥 被 控 對(duì) 象R ( t )+E ( t )c ( t )Δ u 圖 增量型 PID 算法流程圖 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 12 取 S p ， 求 出 偏 差 e （ k ）計(jì) 算 q 1 * e （ k ）計(jì) 算 q 2 * e ( k 1 )q 3 e ( k 2 ) + q 2 e ( k 1 ) + q 1 e ( k )計(jì) 算 q 3 * e ( k 2 )q 3 e ( k 2 ) q 2 e ( k 1 ) + q 1 e ( k ) + u ( k 1 )輸 出 u ( k )u ( k ) → u ( k 1 )e ( k ) → e ( k 1 )e ( k 1 ) → e ( k 2 )返 回輸 入 圖 PID 程序 流程圖 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 13 第三章 基于組態(tài)王的單容水箱液位控制 系統(tǒng) 組態(tài)王簡(jiǎn)介 [8] 組態(tài)王軟件由于其界面友好，使用簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，近年來成為很受歡迎的上層組態(tài)軟件。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)。由于其采用了 PC 機(jī)開發(fā)系統(tǒng)工程，因此，比使用工控機(jī)控制系統(tǒng)更具有通用性，減少了在重復(fù)性方面的工作量，可以方便進(jìn)行二次開發(fā)。 具體來說，組態(tài)王的主要特點(diǎn)有以下幾方面： 1）主畫面顯示功能。 2）良好的開放性。 3）豐富的功能模塊。 4）強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫。 5）強(qiáng)大地 ODBC 功能。 6）可編程的命令語言。 7）系統(tǒng)安全性。 組態(tài)王軟件的組成 組態(tài)王軟件包由工程管理器、工程瀏覽器、畫面運(yùn)行系統(tǒng)、三大部分組成。其中，工程管理器用于新建工程、工程管理等。工程瀏覽器內(nèi)嵌換面開發(fā)系統(tǒng)，及組態(tài)王開發(fā)系統(tǒng)。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。 在工程瀏覽器中可以查看工程的各個(gè)組成部分，也可以完成數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建、定義外部設(shè)備的等工作；工程瀏覽器內(nèi)嵌畫面 管理系統(tǒng)，用于新工程的創(chuàng)建和已有工程的管理；畫面的開發(fā)和運(yùn)行由工程瀏覽器調(diào)用畫面制作系統(tǒng)和畫面運(yùn)行系統(tǒng)來完成。 畫面制作系統(tǒng)是應(yīng)用工程的開發(fā)環(huán)境，可以在這個(gè)環(huán)境中完成畫面設(shè)計(jì)、動(dòng)畫連接等工作。畫面制作系統(tǒng)具有先進(jìn)完善的圖形生成功能；數(shù)據(jù)庫提供多種數(shù)據(jù)的類型，能合理地提取控制對(duì)象的特性；對(duì)變量報(bào)警、趨勢(shì)曲線、過程記錄、安全防范等重要功能