过程控制课程设计

液位控制系统综合设计与调试

过程控制课程设计设计题目：液位控制系统综合设计与调试 设计题目： 控制科学与工程系实验中心

液位控制系统综合设计与调试

一、设计目的 综合控制理论、过程控制、微机控制、可编程 控制器、软件程序设计等课程的相关理论知识， 设计一个完整的液位控制系统，全面学习和掌 握典型控制系统的设计方法、控制方法、调试 方法。 设计需求： 二、设计需求： 设备： 设备：液位过程控制对象以及相应的检测装置、执 行装置，可编程控制器，计算机等。 设计目标：用所提供的设备构建如图2 设计目标：用所提供的设备构建如图2所示系统，设 计控制界面，实现液位的实时控制和监测。

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图2

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任务要求 1、实现计算机与PLC之间的通讯。编制计算 、实现计算机与PLC之间的通讯。编制计算 机与PLC通信程序，实现采集数据的上传， 机与PLC通信程序，实现采集数据的上传， 控制量下传(见参考图1 控制量下传(见参考图1)。

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2、实现计算机对PLC的实时读、写并显示读、 、实现计算机对PLC的实时读、写并显示读、 写数据曲线 。

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3、实现控制功能： 基本功能：设置参数，实现基本PID算法， 基本功能：设置参数，实现基本PID算法， 进行实时控制，实时显示动态曲线等。

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高级功能(选做):智能控制算法实现(模 糊、仿人控制，PID参数自动整定方法等); 糊、仿人控制，PID参数自动整定方法等); 开发平台 上位机软件开发平台不限(推荐使用 Labwindows/CVI 7.0) ,PLC梯形图设计平 7.0) PLC梯形图设计平 台为FXGP_WIN台为FXGP_WIN-C。

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三、设计要求 1、每2~3人一组，分工合作，在4周时间内完成 、每2~3人一组，分工合作，在4 设计与调试任务。 2、到实验室熟悉和掌握仪器设备的基本工作原 理、使用方法，为设计工作的开展做好准备。 3、根据设计目标，查阅相关资料手册，制定设 计方案，论证方案的可行性。 4、选择自己熟悉的编程语言，写出控制软件， 完善帮助文档，提供相关的语句注释。(本 实验不规定控制软件用什么语言来完成。演 示程序的软件开发平台为：Labwindows/CVI 示程序的软件开发平台为：Labwindows/CVI 7.0 ,FXGP_WIN-C) FXGP_WIN-

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5、调试程序，整定控制参数，获取控制曲线、 响应曲线，完整的演示控制过程，通过指导 教师的现场测试与答辩。 6、撰写设计报告，报告内容应包含：设计题目、 设计内容、方案设计与论证、控制算法、软 件设计框图、设计难点、调试中所遇到的问 题、实际问题的解决方法、结果对比与分析、 达到的性能指标、体会建议与改进措施等， 并提交程序原代码文件。

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四、评分标准 四、评分标准 完成任务1——满分30 完成任务1—

—满分30 完成任务2——满分20 完成任务2——满分20 完成任务3的基本部分——满分40 完成任务3的基本部分——满分40 完成任务3的选做部分——满分10分 完成任务3的选做部分——满分10分 五、预备知识 了解设计原理和任务设计。 六、设计原理 液位控制系统原理结构图(见下图) 液位控制系统原理结构图(见下图)

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控制系统的结构组成 如图7 如图7所示，计算机与可编程控制器构成主、 从结构形式，计算机为主机，计算机控制 软件完成用户界面的设计，控制算法的设 计，以及完成与PLC的串行通讯。可编程控 计，以及完成与PLC的串行通讯。可编程控 制器为从机，并带有A/D、D/A转换器，计 制器为从机，并带有A/D、D/A转换器，计 算机可通过串口读入可编程控制器中A/D转 算机可通过串口读入可编程控制器中A/D转 换结果，在本系统中代表液位检测值；计 算机可通过串口写出控制量到可编程控制 器，由可编程控制器自动完成D/A转换，转 器，由可编程控制器自动完成D/A转换，转 换结果为4~20mA电流，控制电动流量伺服 换结果为4~20mA电流，控制电动流量伺服 阀的开度，从而控制水箱入水量。

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PID控制描述 PID控制描述 由文献[1],模拟过程控制的PID控制算式为 由文献[1],模拟过程控制的PID控制算式为

(2) 对上式进行离散化处理，以一系列采样时刻点kT代表连续时间t 对上式进行离散化处理，以一系列采样时刻点kT代表连续时间t,以和式 代替积分，以增量代替微分，则可得离散的PID控制算式为 代替积分，以增量代替微分，则可得离散的PID控制算式为 (3) 若令 ， ,则上式写成

上述式子中， u(t)——t时刻的控制输出(控制量),KP——比例控制系数， u(t)——t时刻的控制输出(控制量),KP——比例控制系数， TI——积分时间常数，TD——微分时间常数， TI——积分时间常数，TD——微分时间常数， KI——积分控制系数，KD——微分控制系数， KI——积分控制系数，KD——微分控制系数， T——采样时间，u(k)——第k时刻的控制输出(控制量)。 ——采样时间，u(k)——第

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在PID控制中，比例(P)控制是起主导作用的，也保证了控制的快 PID控制中，比例(P 速性，积分(I)控制保证了系统无稳态误差，微分(D 速性，积分(I)控制保证了系统无稳态误差，微分(D)控制为辅助 控制，起到了增大系统阻尼是控制过程更加平滑。

PID算法中的量程转换问题 PID算法中的量程转换问题在工业现场中的变量量程千变万化，直接使用具有变量工 程量量程的误差计算PID控制输出，虽然不会导致计算错 程量量程的误差计算PID控制输出，虽然不会导致计算错 误，

但是由于量程的不统一，在PID参数整定时整定出的 误，但是由于量程的不统一，在PID参数整定时整定出的 参数必然有很大的差异，在整定过程中操作人员也没有什 么参考标准。为了消除各个变量的量程差异，需要对变量 的量程进行转换，并且将误差进行归一化，例如，液位设 定值的范围为0~100mm,将液位设定值/100以后，量程转 定值的范围为0~100mm,将液位设定值/100以后，量程转 化为0~1之间的值；液位测量值的范围为A/D转换对应范 化为0~1之间的值；液位测量值的范围为A/D转换对应范 围L_MIN~L_MAX,如果将(液位测量值-L_MIN)/ L_MIN~L_MAX,如果将(液位测量值-L_MIN) (L_MAX-L_MIN),则将测量值的量程转化为0~1之间的 L_MAX-L_MIN),则将测量值的量程转化为0~1之间的 值。

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量程转换的另外一个意义就是PID控制输出和模拟量输出 量程转换的另外一个意义就是PID控制输出和模拟量输出 之间的量程转换，上面我们已经讲过，误差的量程已经转 换为0 ,经过PID计算以后，控制输出的量程也为0 换为0~1,经过PID计算以后，控制输出的量程也为0~1, 经过控制输出增量限幅和控制量限幅，可以保证最后计算 出的PID控制输出量在0~1的范围内。但是PLC提供的4 出的PID控制输出量在0~1的范围内。但是PLC提供的4个 D/A输出允许输出的电流值为0mA~25mA,为了适应调节 D/A输出允许输出的电流值为0mA~25mA,为了适应调节 阀门开度的控制范围，这里有必要将0 阀门开度的控制范围，这里有必要将0~1范围内的控制输 出，经过量程转换化为4mA~20mA间的一个数值，具体 出，经过量程转换化为4mA~20mA间的一个数值，具体 的转换代码为：PID控制输出量* C_MAX-C_MIN) 的转换代码为：PID控制输出量*(C_MAX-C_MIN) +C_MIN

可编程控制器简介EASY-M0808R-A0404HB型可编程控制器是黄石科威公司 EASY-M0808R-A0404HB型可编程控制器是黄石科威公司 生产的嵌入式PLC产品。有8路开关量输入和8 生产的嵌入式PLC产品。有8路开关量输入和8路开关量输 出，开关量输出为继电器型；有4路模拟量输入和4 出，开关量输出为继电器型；有4路模拟量输入和4路模拟 量输出，模拟量输入信号和模拟量输出信号的类型为 4~20mA电流输入。有三种通讯接口，分别为串口0 4~20mA电流输入。有三种通讯接口，分别为串口0 (RS0),串口1(RS1),CAN总线口。 RS0),串口1 RS1),CAN总线口。

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RUN、COM0:运行控制端子，短接RUN和COM0,可编 RUN、COM0:运行控制端子，短接RUN和COM0,可编 程控制器处STOP状态；RUN和COM0断开，可编程控制器 程控制器处STOP状态；RUN和COM0断开，可编程控制器 处RUN状态。 RUN状态。 X00—X07、COM0:开关量输入端

子，COM0为公共端。 X00—X07、COM0:开关量输入端子，COM0为公共端。 Y00—Y03、COM1:开关量输出端子，COM1为公共端。 Y00—Y03、COM1:开关量输出端子，COM1为公共端。 Y04—Y07、COM2:开关量输出端子，COM2为公共端。 Y04—Y07、COM2:开关量输出端子，COM2为公共端。 CANH、CANL:CAN网络接口端子。 CANH、CANL:CAN网络接口端子。 AI0+、AI0- 0#通道模拟量输入端子。 AI0+、AI0-:0#通道模拟量输入端子。 AI1+、AI1- 1#通道模拟量输入端子。 AI1+、AI1-:1#通道模拟量输入端子。 AI2+、AI2- 2#通道模拟量输入端子。 AI2+、AI2-:2#通道模拟量输入端子。 AI3+、AI3- 3#通道模拟量输入端子。 AI3+、AI3-:3#通道模拟量输入端子。 DAC0+、DAC0- 0#通道模拟量输出端子。 DAC0+、DAC0-:0#通道模拟量输出端子。 DAC1+、DAC1- 1#通道模拟量输出端子。 DAC1+、DAC1-:1#通道模拟量输出端子。 DAC2+、DAC2- 2#通道模拟量输出端子。 DAC2+、DAC2-:2#通道模拟量输出端子。 DAC3+、DAC3- 3#通道模拟量输出端子。 DAC3+、DAC3-:3#通道模拟量输出端子。

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N、L:工作电源接入端子，电压范围：180—260VAC, :工作电源接入端子，电压范围：180—260VAC, 50Hz。 50Hz。 RS0:编程口，配专用通讯电缆PRG_02,下载程序、与人 RS0:编程口，配专用通讯电缆PRG_02,下载程序、与人 机界面连接。 RS1:RS232网络串口，配专用通讯电缆PRG_02,固化 RS1:RS232网络串口，配专用通讯电缆PRG_02,固化 CAN网络配置、组建RS485网络。 CAN网络配置、组建RS485网络。 模拟量输入特性：输入范围为4~20mA电流输入，12位逐 模拟量输入特性：输入范围为4~20mA电流输入，12位逐 次逼近法测量，数据字格式为0 4095。 次逼近法测量，数据字格式为0—4095。 模拟量输出特性：输出范围为4~20mA电流输出，输出分 模拟量输出特性：输出范围为4~20mA电流输出，输出分 辨率为12位，转换速度为4个通道5ms。 辨率为12位，转换速度为4个通道5ms。 D5000—D5031:各模拟量输入通道对应的AD输入值。 D5000—D5031:各模拟量输入通道对应的AD输入值。 D5064—D5095:各模拟量输出通道对应的DA输出值。 D5064—D5095:各模拟量输出通道对应的DA输出值。 通过完成附1 PLC熟悉实验掌握PLC的使用方法。 通过完成附1的PLC熟悉实验掌握PLC的使用方法。

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前端控制平台开发简介完成本设计任务的上位机软件开发平台不限，可 采用Labwindows/CVI,VC++,VB,Matlab, 采用Labwindows/CVI,VC++,VB,Matlab, Delphi等，可自由选择。这里以Labwindows/CVI Delphi等，可自由选择。这里以Labwindows/CVI 软件为例做些介绍。Labwindows/CVI为专业虚拟 软件为例做些介绍。Labwindows/CVI为专业虚拟 仪器开发软件，提供多种仪表、绘图控件，

且其 开发语言为标准C 开发语言为标准C,很适合该设计的前端控制平台 开发。通过完成Labwindows/CVI基本教程掌握 开发。通过完成Labwindows/CVI基本教程掌握 Labwindows/CVI的编程方法。 Labwindows/CVI的编程方法。

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七、任务设计设备连接

PLC的模拟输入输出为标准4 20mA电流信号，此 PLC的模拟输入输出为标准4~20mA电流信号，此 外，标准模块伺服阀、DDM和传感器也都为标准 外，标准模块伺服阀、DDM和传感器也都为标准 4~20mA电流信号接口。转接面板提供普通导线 20mA电流信号接口。转接面板提供普通导线 到标准七芯电缆之间的接口。

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