【文章內容簡介】 ...................... 13 第三章 基于以太網的液位控制系統(tǒng)設計 ................................... 15 基于 ADAM 模塊的以太網液位控制系統(tǒng)設計 ...................... 15 基于 ADAM 模塊的控制系統(tǒng)的硬件設計 ................. 15 基于 EVC 的應用程序設計 ......................................... 19 基于 C8051F020 單片機的以太網現場控制模塊設計 .......... 25 控制模塊的硬件設計 .................................................. 25 控制模塊的軟件設計 .................................................. 29 第四章 總結與展望 ................................................................. 32 參考文獻 ...................................................................................... 33 外文資料 2 中文譯文 致謝 天津大學仁愛學院 2021屆本科生畢業(yè)設計（論文） 1 第一章 緒論 課題研究的背景及意義 三容水箱實驗系統(tǒng)發(fā)展概況 三容水箱液位控制系統(tǒng)一直是自動控制、化工過程等領域中非常典型的教學實驗設備，在出現之初系統(tǒng)構成相對單一化，三個水箱或者呈連通結構，亦或三個水箱上下級聯(lián)構成；功能相對單一，僅能完成系統(tǒng)特性測試、液位 的定值控制、耦合控制和串級控制等基本項目；通路也較少，僅有一個控制通路。 隨著研究的需要和技術的進步，三容水箱實驗系統(tǒng)也在不斷進行革新，積木式結構、系統(tǒng)開放化、功能完善的三容水箱實驗系統(tǒng)成為過程控制實驗裝置的主流。目前三容水箱實驗系統(tǒng)大多平行連通，或以上下級聯(lián)的水箱主體結構為基礎，增設了擾動通路，添加了延遲環(huán)節(jié)和熱容對象，加裝了智能儀表，涵蓋了液位、流量、壓力、溫度四個典型過程參數的測量，可以模擬不同階次、線性或非線性、單容或多容、耦合與非耦合、大滯后等過程特性，甚至通過插入具有水力學特性的堰形隙縫式阻力板 或加裝不同流量特性的閥門改變水箱的流量特性。三容水箱的控制手段也多種多樣， PLC、 PC 機控制，亦或構成集散控制系統(tǒng)或現場總線控制系統(tǒng)，實驗平臺更加開放，方便地實現各種常規(guī)或先進控制策略 [13]。 液位控制系統(tǒng)研究的意義 隨著工業(yè)生產的飛速發(fā)展，人們對生產過程的自動化控制水平、工業(yè)產品和服務產品質量的要求也越來越高。每一個先進、實用控制算法和監(jiān)測算法的出現都對工業(yè)生產具有積極有效的推動作用。然而，當前的學術研究成果與實際生產應用技術水平并不是同步的，通常情況下實際生產中大規(guī)模應用的算法要比理論方面的研究滯后幾年，甚至有的時候這種滯后相差幾十年。這是目前控制領域所面臨的最大問題，究其根源主要在于理論研究尚缺乏實際背景的支持，一旦應用于現場就會遇到各種各樣的實際問題，制約了其應用。 因而，在目前尚不具有在實驗室中重現真實工業(yè)過程條件的今天，開發(fā)經濟實用且具有典型對象特性的實驗裝置無疑是一條探索將理論成果快速轉換為實際應用技術的捷徑。多容器流程系統(tǒng)是具有純滯后的非線性耦合系統(tǒng)，是過程控制中的一種典型的控制對象，在實際生產中有著非常廣泛的應用背景。用經典控制方法和常規(guī)儀表控制這類過程時，常因系統(tǒng)的多輸入 多輸出關系以及系統(tǒng)的內部關聯(lián)而使系統(tǒng)構成十分復雜，會明顯地降低控制系統(tǒng)的調節(jié)品質，在耦合嚴重的情況時會使各個系統(tǒng)均無法投入運行。液位控制系統(tǒng)液位控制系統(tǒng)是模擬多容天津大學仁愛學院 2021屆本科生畢業(yè)設計（論文） 2 器流程系統(tǒng)的多輸入多輸出、大遲延、非線性、耦合系統(tǒng)，它的液位控制算法的研究對實際的工程應用有著非常重要的意義 [4]。 工業(yè)生產過程控制中的被控對象往往是多輸入多輸出系統(tǒng)，回路之間存在著耦合的現象。即系統(tǒng)的某一個輸入影響到系統(tǒng)的多個輸出，或者系統(tǒng)的某一個輸出受到多個系統(tǒng)輸入的影響。有時對該多變量系統(tǒng)進行解耦能夠獲得滿意的控制效果。液位控制系統(tǒng)實驗裝置 模擬了工業(yè)現場多種典型的非線性時變多耦合系統(tǒng)，用常規(guī)的控制手段往往很難實現理想的控制效果，因此對其控制算法進行研究具有非常重要的實際意義。 過程控制的發(fā)展 隨著科學技術的發(fā)展，工業(yè)過程控制系統(tǒng)也不斷改變著。尤其是新技術的出現，采用新科技的工業(yè)過程控制系統(tǒng)能夠極大提高生產率，并產生巨大的社會效益。過程控制系統(tǒng)的發(fā)展是一個不斷進步的全方位技術升級過程，除了技術的提升以外還有理論的進步和觀念的更新。從上世紀 50 年代以來，過程控制的發(fā)展并大致經過了以下幾個階段：直接數字控制（ DDC）、分散集中控制 (DCS)和基于現場總線的過程控制系統(tǒng) (FCS)。過程控制系統(tǒng)呈現出向網絡化、集成化、節(jié)點智能化和分布化的方向發(fā)展。 現場總線是近年來迅速發(fā)展起來的一種數據總線。通訊協(xié)議采用現場總線技術構成的現場總線控制系統(tǒng)，功能更加分散，系統(tǒng)構成更加靈活，系統(tǒng)可靠性大大提高?，F場總線具有的這些技術特點簡化了控制系統(tǒng)的結構，提高了系統(tǒng)的準確性和可靠性。但是現場總線技術在其發(fā)展過程中又表現出以下的不足： (1)現有的總線標準過多，僅國際標準 IEC61158 就包含了 8 個類型，未能統(tǒng)一到單一標準上來。 (2)不同總線之間不能兼容，不能真正 實現透明信息互訪，無法實現信息的無縫集成。 (3)現場總線專有通信網絡的特點注定了它的高成本。 (4)現場總線的速度較低，支持的應用有限。出現上述的問題，根本原因在于現場總線的開放性是有條件的、不徹底的 [58]。 工業(yè)以太網的發(fā)展 正當傳統(tǒng)的現場總線的發(fā)展遭遇到瓶頸時，以太網以其數字式、可互操作、開放性等特點受到越來越多的關注和重視，很多專家學者預測以太網是網絡控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。以太網技術是目前最為成熟，應用最為廣泛的一種局域網技術。它是一種總線型局域網，采用帶沖突檢測的載波偵聽多路訪問方式 (CDMA/CD)進行數據傳輸。這種傳輸方式原理簡單，即一個站點要傳送數據時，它首先進行載波偵聽，即監(jiān)聽信道，如果這時信道有數據傳輸，則等待到信道空閑再傳送數據。當同時有多個站點偵聽到信道空閑并發(fā)出數據 (多路訪問 )時，就會發(fā)生沖突。為天津大學仁愛學院 2021屆本科生畢業(yè)設計（論文） 3 此，每個站點在發(fā)送數據的同時進行沖突檢測，一旦發(fā)生沖突便立即停止數據傳輸，然后按照二進制數退避算法 (BEB)退避一段時間來等待沖突平息，接著再偵聽信道準備發(fā)送數據 [ 10]。 和傳統(tǒng)的現場總線相比，以太網具有以下優(yōu)勢： (1)開放性好?；?TCP/IP 協(xié)議的以太網是標準的開放式網 絡，不同廠商的設備容易互聯(lián)，非常適合于解決控制系統(tǒng)中不同廠商設備的兼容和互操作的問題。以太網是應用最廣泛的局域網技術，受到最普遍的技術支持。幾乎所有的編程語言都支持以太網的應用開發(fā)。采用以太網作為現場總線，可以保證多種開發(fā)工具和平臺供選擇。 (2)成本低廉。由于以太網的廣泛應用，以太網的協(xié)議和標準受到硬件開發(fā)商與生產商的高度重視和廣泛支持。目前，已經有了很多價格相對低廉的以太網硬件產品，而且隨著集成電路技術的發(fā)展，其價格還會進一步下降。 (3)數據傳輸率高。以太網支持 10Mbps， 100Mbps 和 1Gbps 的數據傳輸速率，比目前任何一種現場總線都快：以太網發(fā)展到結構化的交換模式后，任意終端之間的通信通過交換機實現透明的轉發(fā)，不存在信道共享引起的競爭問題，系統(tǒng)的通信容量成倍增加。 (4)有利于資源共享。作為主流局域網技術，以太網己經滲透到世界各個角落，其巨大的用戶數量所造就的強大的網絡資源共享能力，是目前任何現場總線都無法比擬的。以太網能在同一總線上運行不同的傳輸協(xié)議，從而能建立企業(yè)的公共網絡平臺和基礎構架。 (5)可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ?。由于以太網的廣泛應用，使得它的發(fā)展一直受到廣泛的關注和大量的技術投入。以太網支 持多種傳輸介質，用戶可根據帶寬、距離、價格等因素作多種選擇。以太網支持總線型和星型等拓撲結構，可擴展性大。信息技術與通信技術的發(fā)展和不斷成熟，也保證了以太網技術不斷地持續(xù)向前發(fā)展。 所謂“工業(yè)以太網”是指應用于工業(yè)監(jiān)控領域的以太網，它在技術上與商業(yè)以太網兼容。盡管商業(yè)以太網具備諸多優(yōu)點，將以太網應用于工業(yè)控制領域存在實時性和可靠性差、有不確定性等問題，這些問題也是阻礙以太網進入工業(yè)控制領域的主要障礙。但是隨著國內外的學者不懈努力，在過去幾年中以太網技術取得巨大進步： (l)交換技術的發(fā)展與應用，提高了以太網 的確定性，使以太網應用于控制系統(tǒng)成為可能。交換式以太網是在源端和交換設備的目標端之問提供一個直接快速的點到點連接。從交換機流入的數據包直接從和它相連的目的端接口流出。這天津大學仁愛學院 2021屆本科生畢業(yè)設計（論文） 4 樣，在體系結構上和簡單的點到點連接完全一樣，每個設備都有一個專用的單獨信道連接到另一個設備，因此不需要競爭底層傳輸信道。交換式以太網克服了傳統(tǒng)以太網的特點，大大提高了網絡性能，并解決了網絡帶寬的問題。 (2)各制造商正在研制適應于工業(yè)環(huán)境的以太網產品以提高以太網硬件的穩(wěn)定性問題。目前，己有一些廠家推出抗污染、抗震動、防止誤接、防水、帶導軌、帶 冗余電源的工業(yè)以太網設備。 (3)由于受到各大公司的支持，工業(yè)以太網應用標準及相關協(xié)議得到良好的改進。 (4)以太網的傳輸速度得到了很大的提高，從最初的 10Mb/s 發(fā)展到現在的千兆以太網，甚至萬兆以太網。在通信量不變的前提下，通信速率的提高意味著網絡負荷的減輕，實際上也就意味著確定性的提高。因此，隨著以太網傳輸速度的不斷提高，以太網的實時性、確定性會有進一步的提高。 綜上所述，隨著以太網速度的不斷加快及在確定性、實時性、可靠性方面性能的不斷改善，工業(yè)以太網毫無疑問將在控制網絡中扮演越來越重要的角色，以太網將 是過程控制發(fā)展的新方向 [913]。 PID 控制器的應用與發(fā)展 在過去的幾十年里， PID 控制器在工業(yè)控制中得到了廣泛應用。在控制理論和技術飛速發(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結構，并且許多高級控制都是以 PID 控制為基礎的 [14]。我們今天所熟知的 PID 控制器產生并發(fā)展于 1915— 1940 年期間。盡管自 1940 年以來，許多先進控制方法不斷推出，但 PID 控制器以其結構簡單，對模型誤差具有魯棒性及易于操作等優(yōu)點，仍被廣泛應用于冶金、化工、電力、輕工和機械等工業(yè)過程控制中 [15]。 PID 控制器作為最早實用化的控制器己有 70多年歷史，它的算法簡單易懂、使用中參數容易整定，也正是由于這些優(yōu)點， PID控制器現在仍然是應用最廣泛的工業(yè)控制器。 PID 的發(fā)展過程，很大程度上是它的參數整定方法和參數自適應方法的研究過程。最早的 PID 參數工程整定方法是在 1942 年由 Ziegler 和 Nichols 提出的簡稱為 ZN 的整定公式 [16]，盡管時間已經過去半個世紀了，但至今還在工業(yè)控制中普遍應用。 1953 年 Cohen 和 Coon 繼承和發(fā)展了 ZN公式，同時也提出了一種考慮被控過程時滯大小的 Cohencoon 整定公式 [17]。 自 Ziegler 和 Nichols 提出 PID 參數整定方法起，有許多技術己經被用于PID 控制器的手動和自動整定。按照發(fā)展階段劃分，可分為常規(guī) PID參數整定方法及智能 PID 參數整定方法；按照被控對象個數來劃分，可分為單變量 PID 參數天津大學仁愛學院 2021屆本科生畢業(yè)設計（論文） 5 整定方法及多變量 PID 參數整定方法，前者包括現有大多數整定方法，后者是最近研究的熱點及難點；按控制量的組合形式來劃分，可分為線性 PID參數整定方法及非線性 PID 參數整定方法，前者用于經典 PID 調節(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。 從目前 PID 參數整定方法的研究和應用現狀來看，以下幾個方面將是今后一段時間內研究和實踐的重點： (1)對于單入單出被控對象，需要研究針對不穩(wěn)定對象或被控過程存在較大干擾情況下的 PID 參數整定方法，使其在初始化、抗干擾和魯棒性能方面進一步增強，使用最少量的過程信息及較簡單的操作就能較好地完成整定。 (2)對于多入多出被控對象，需要研究針對具有顯著 耦 合的多變量過程的多變量 PID 參數整定方法，進一步完善分散繼電反饋方法，盡可能減少所 t需先驗信息量，使其易于在線整定。 (3)智能 PID 控制技術有待進一 步研究，將自適應、自整定和增益計劃設定有機結合，使其具有自診斷功能；結合專家經驗知識、直覺推理邏輯等專家系統(tǒng)思想和方法對原有 PID 控制器設計思想及整定方法進行改進；將預測控制、模糊控制和 PID 控制相結合 [18]，進一步提高控制系統(tǒng)性能。這些都是智能 PID 控制發(fā)展的極有前途的方向。 課題提出的目的及意義 計算機技術、通信技術、控制技術的迅速發(fā)展，正深刻地改變著人們的生活方式和工作方式，對企業(yè)信息化和自動化領域的發(fā)展也產生了巨大的影響。隨著以太網技術的廣泛應用，建網所需的成本不斷的降低，基