基于智能仪表和PLC的液位控制系统设计 - 图文

基于PID智能调节仪表的温度控制系统

第1章 绪论

1.1 课题背景

温度是生产过程和科学实验中基本的而且重要的物理参数之一，温度控制效果直接影响到生产效率和产品质量，因而对温度的监测和控制要求很高。近年来，温度的检测在理论上发展比较成熟，但在实际测量和控制中，如何保证实时地对温度进行采样，确保数据的正确传输，并能对所测温度场进行较精确的控制，仍然是目前需要解决的问题。在很多生产过程中，特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，温度的测量和控制都直接影响了安全生产、提高生产效率、保证产品质量、节约能源等重大技术经济指标相联系。因此，温度的测量与控制在国民经济各个领域中均受到了相当程度的重视。本系统便可以实现对控制系统的控制精度和准确度的要求。温度控制仪表广泛地使用在工业生产领域以及人们的日常生产、生活中，但是温度控制仪表普遍存在一些问题。首先，被控温度点的滞后性；其次，加热系统与PID调控系统设计不匹配[1]。因此本设计主要采用PID智能调节仪表来解决温度控制系统中存在的问题。 1.2 目的和意义

基于PID智能调节仪表的温度控制系统是用来对卤钨灯的温度进行采集、监控并调节。在工业生产中有很广泛的应用，这种温度控制系统包括对温度的检测、控制信息的输出以及温度的实时控制等，实现生产过程长期可靠地、无人干预地自动运行。这种温控系统的另一个特点是可以远程控制，避免生产环境的不安全，即把温度控制系统的温度值上传给PC机管理，以实现对温度控制系统的实时监控；同时可以通过上位机对下位机进行温度设定值、温度上限、温度下限、温度上上限、温度下下限、量程上下限、比例值、积分值、微分值的设置，方便控制系统的管理。整个系统可分为五部分：温度传感器单元、温度调节控制单元、数据通信单元、调压模块单元、上位机监控管理单元。

过程控制是通过各种检测仪表、控制仪表和电子计算机等自动化技术工 具，对整个生产过程进行自动检测、自动监督和自动控制。过程控制系统的设计是根据工业过程的特性和工艺要求，通过选用过程检测控制仪表构成系统，再通过PID参数的整定，实现对生产过程的最佳控制。过程控制系统广

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泛采用PID控制，它们的性能直接关系到生产过程的平稳运行与产品的最终质量，因而其优化设计具有重要的价值。PID控制器的特点是结构简单，适应性强，特别是不依赖对象的精确模型，对系统参数的变化具有较好的鲁棒性，可以解决工业过程精确建模的困难，而且其应用时期较长，控制工程师们已经积累了大量的PID控制器参数的调节经验[2]。但是，简单的PID控制往往不能达到令人满意的程度，对于时变对象和非线性系统，传统的PID控制更显得无能为力， 因此需要采用PID智能调节仪表来监控过程控制系统。PID智能调节仪表结构简单、性能可靠、价格低廉、测量精度较高,适合测量精度和准确度要求高的温度控制系统。 1.3 过程控制系统概述

1.3.1 过程控制系统的概念以及组成

过程控制是通过各种检测仪表、控制仪表(包括电动仪表和气动仪表、模拟仪表和智能仪表)和电子计算机(看作一台仪表)等自动化技术工具，对整个生产过程进行自动检测、自动监督和自动控制。一个过程控制系统是由被控过程和过程检测控制仪表两部分组成。过程检测控制仪表包括检测元件、变送器、调节器(包括计算机)、调节阀等。过程控制系统的设计是根据工业过程的特性和工艺要求，通过选用过程检测控制仪表构成系统，再通过PID参数的整定，实现对生产过程的最佳控制。 1.3.2 过程控制发展概述

自20世纪40年代以后，工业生产过程自动化技术发展很快。尤其是这些年来，过程控制技术发展更为迅猛。纵观过程控制的发展历史，大致经历了如下四个阶段：

1．第一阶段是50年代前后，过程控制实现了仪表化合局部自动化，过程控制系统结构大多数是单输入、单输出系统，被控参数主要是温度、压力、流量和液位四种参数，过程控制理论是以频率法和根轨迹法为主体的经 典控制理论，主要解决单输入、单输出的定值控制系统的分析和综合问题；

2．第二阶段是自60年代以来，过程控制开始大量采用气动和电动单元组合仪表，计算机控制系统开始应用于过程控制领域，在过程控制理论方面，现代控制理论得到了应用；

3．第三阶段是70年代，过程控制发展到现代过程控制的新阶段—计算机时代，计算机广泛应用在过程控制系统中；

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4．第四阶段是80年代以后，工业过程控制得到了一个飞跃的发展，现代控制理论得到广泛应用，过程控制的结构已成为具有高度自动化的集中、远动控制中心。

1.4 工业自动化仪表的发展过程 1.4.1 自动化仪表的发展过程

工业自动化仪表是用以实现信息的获取、传输、变换、存储、处理与分析，并根据处理结果对生产过程进行控制的重要技术工具，包括检测仪表、分析仪表、执行与控制仪表、记录仪等几大类，是工业控制领域的基础和核心之一[3]。近年来，微电子技术、计算机技术、网络通信技术和信息处理技术等日新月异发展的新技术对自动化仪表的革新产生了深远的影响，已成为工业自动化仪器仪表发展的新的推动力，使工业自动化仪表不仅能够更高速、更灵敏、更可靠、更简捷地获取对象的全方位信息，而且完全突破了传统的光、机、电的框架，朝着智能化、网络化、总线化、开放性的方向发展。自动化仪表经历了从气动液动仪表、电动仪表、电子式模拟仪表、数字智能仪表，到计算机集散控制系统等发展的阶段，为各行各业的现代化大规模生产提供了强大的支持[4]。

工业自动化仪表的智能化及其实现技术。工业自动化仪表的“智能化”是指在仪表中采用“人工智能”、“专家控制”等理论、方法和技术，能进行各种复杂计算和修正误差的数据处理、能自动完成某种测量任务或在程序指导下完成预定控制动作，具有自适应、自诊断、自修复等具有“拟人智能”的特性或功能，这可作为衡量是不是智能化装置、设备、系统的性能指标。工业自动化智能仪表是以微计算机(微处理器)为基础的，它带有CPU芯片和专用信号处理电路，仪表的智能功能在很大程度上受到软件功能的主宰，在软件方面应该有编程软件，各种特殊而复杂的功能模块，简化的用户组态编程功能，以及各种典型应用的控制策略包[5]。因此是硬件和软件的结合体。 1.4.2 记录仪的发展过程

随着计算机技术的飞速发展, 仪器仪表也不断更新换代, 使记录仪彻底摆脱了经典的机械记录方式, 进入全新的无纸时代。无纸记录仪具有清晰醒目的显示画面、丰富多样的显示方式、简便灵活的设置、友好的人机界面等优点, 必将逐渐代替老式走纸记录仪[6]。记录仪是一种十分常见的工业仪表目前用得最多的为机械式有纸有笔记录仪。由于这种记录仪内部具有复杂

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的齿轮传动和伺服驱动机构，其故障率远比其它电子式自动化仪表要高。同时，作为记录载体的纸和笔，不仅需要经常更换使其运行费用较高，而且其记录效果不理想。因此人们不断引进新技术来改善其性能，例如热印头技术、喷墨技术、微机技术。这在不同程度上有所改进，没有从根本上解决现存的两个问题：一是用纸作记录载体运行费用高维护工作量大；二是众多的机械传动部件使其可靠性低故障率高。

近几年来，国外主要自动化仪表生产厂家推出了一种全新记录仪—无纸记录仪。它是以微机为核心，利用超大容盆的半导体存贮器作为记录载体，图形液晶显示作为人机界面来显示数据和曲线。这种无任何可动机械部件的全电子化记录仪，不仅功能强大，而且可靠性高[7]。 1.5 论文的工作内容及论文的结构

本设计主要是基于PID智能调节仪表的温度控制系统。该论文首先描述温度控制系统的课题市场背景、设计目的、设计意义和课题的需求分析；其次介绍了系统总体设计的分析，包括性能指标、被控参数的选择、测量精度的分析和整体的设计方案；最后介绍的是温度控制系统的硬件设计、软件设计以及对温度控制系统调试时存在的问题和解决的方案等，这也是本设计最重要的部分。

1.5.1 论文的工作内容

1．在对温度控制发展现状、系统控制要求进行研究的基础上，选择了 整个控制系统的控制方案；

2．完成系统的硬件设计，包括对温度被控对象、温度传感器、温度PID智能调节仪表、通信设备、调压模块等部分的选择；

3．完成该系统的软件设计，包括主程序模块、控制运算模块、数据输入输出及处理模块等子功能模块的设计。 1.5.2 论文的结构

第一部分 绪论

本章主要介绍温度控制系统设计的课题背景知识、系统的设计目的和意义、过程控制系统概述以及工业自动化仪表的发展过程等；

第二部分 系统的总体设计分析

本章主要介绍过程控制系统的性能指标、被控参数的选择、系统测量精度的分析和系统的总体设计等；

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第三部分 系统的整体设计

本章主要介绍该温度控制系统的硬件和软件的选择及对温控系统的整体设计；

第四部分 系统的控制策略

本章主要介绍对基于PID智能调节仪表的温度控制系统的整体控制策略的设计；

第五部分 系统的整体调试

本章主要介绍该温度控制系统硬件和软件调试时存在的问题和解决的方案，对温度控制系统进行数学建模，再应用Matlab软件对系统进行Simulink仿真，确定PID参数的最优调节。

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第2章 系统总体设计分析

2.1 系统方案设计

对于过程控制系统的工程设计与应用来说，控制方案的设计是核心。单回路系统控制方案设计所包含的内容是，依据生产工艺要求合理选择系统性能指标，合理选择被控参数，合理设计控制规律，并兼顾被控过程参数的测量与变送、控制执行器的选择。对复杂过程的控制方案设计，除上述共性外，根据实际生产过程，选择合适的控制系统结构是最重要的。

2.1.1 过程控制系统的性能指标

过程控制系统在运行中有两种状态。一种是稳态，此时系统没有受到任何外来干扰或外来干扰恒定，同时给定值也保持不变，因而被控参数也不会随时间变化，整个系统处于稳定平衡的工作状况。另一种是动态，当系统受到变化着的外来干扰的影响或者在改变了给定值后，原来的稳态遭到破坏，系统中各组成部分的输入和输出量都相继发生变化，被控参数也将偏离原稳态值而随时间变化。设置控制系统的目的就是希望在经过一段时间后，被控参数能稳定在新的给定值或给定值的附近。这种从一个稳态到达另一个稳态的历程称为过渡过程。由于被控过程总是不时受到各种外来干扰的影响，即系统经常处于动态过渡过程，因而评价一个过程控制系统的性能、质量，主要看它在受到外来扰动作用或给定发生变化后，能否迅速地、准确地且平稳地回复到原给定值上。

超调量d： 对于定值系统来说，最大偏差是指被控参数第一个波的峰值与给定值的差，对于随动系统通常采用超调量指标，即:

d=y(tp)-y( )y(￥)100%

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过渡过程时间ts：

过渡过程时间是指系统从受扰动作用时起，到被控参数进入新的稳定值的范围内所经历的时间，是衡量控制快速性的指标。

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2.1.2 被控参数的选择

温度是生产过程和科学实验中基本的而且重要的物理参数之一，温度控制效果直接影响到生产效率和产品质量。因此本设计被控参数选择温度。 2.2 系统的总体设计

该设计是基于PID智能调节仪表的温度控制系统。系统采用五大模块：温度被控对象卤钨灯、PT100温度传感器、RS232串口转USB口的数据通信、XSR30无纸显示仪表、MCGS上位机组态监控。温度测量范围：0~300℃；测量精度：1%；控制精度：5%。

本系统针对一个被控过程(调节对象)，采用一个测量变送器监测被控过程，采用一个控制(调节)器来保持一个被控参数恒定(或在很小范围内变化)，其输出也只控制一个执行机构(调节阀)。从系统框图看，只有一个闭环回路。因此本系统为单回路过程控制系统。系统总体设计框图如图2-1所示。

MCGS上位机组态温度给定值+-调节器可控硅调压模块热源卤钨灯温度XSR30无纸显示仪表PT100铂电阻

图2-1 系统总体框图

2.3 系统的整体分析

在系统设计之初，需要对该温度控制系统进行一个详细的分析和估算并初步完成设计。测量精度是实现温度控制精确的基础，对基于PID智能调节仪表的温度控制系统进行系统测量精度分析。为简化设计和提高信号处理 能力，统筹兼顾了硬件和软件系统。系统分析包括性能要求、硬件和软件分 析及初步设计。

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2.3.1 系统测量精度分析

测量精度是实现精确温度控制目标的首要条件，在温度测量控制实验系统设计中，首先要分析系统选用的温度传感器和模拟量输入模块的精度是否满足控制要求。本系统采用PT100温度传感器，XSR30无纸显示仪表作为主要的温度控制核心。其显示精度高，基本误差为±0.2% F2S。此系统要求的测温范围是0~300℃，XSR30无纸显示仪是16位A/D通道的输入模块，转换精度为

1 <0.01216 ，满足系统要求。 2.3.2 系统设计要求

利用PID智能调节仪，其可以与各类传感器、变送器配合，可实现对各种工程量的测量、变送、显示、通讯和控制。测量范围是0~300℃；测量精度是1%；控制精度是5%；设计MCGS上位机组态监控画面。

1．系统的性能要求

控制系统所需的基本性能指标主要有：准确性、稳定性、快速性和通用性。

(1) 准确性：测量精度1%。由于仪器仪表测量时本身有误差，所以在选择仪表时要选择测量精度大于1%的仪器仪表进行设计，以免达不到设计要求造成不必要的麻烦。

(2) 稳定性：由于温度控制系统存在着惯性，当系统的各个参数分配不当时，将会引起系统的震荡甚至越来越远离平衡位置失去工作能力。为实现控制对象的稳定运行，该系统在采用PID控制时应合理分配参数。

(3) 快速性：在系统稳定运行的前提下进行的，当系统输出量与给定的输入量之间产生偏差时，消除这种偏差就必须保证响应的快速性。在硬件的选取和设计中对温度信号变化反应灵敏，因此用PT100温度传感器。 (4) 通用性：温度控制系统无论在人们的生活中还是在工业现场环境都得已经得到了广泛的应用，因此设计温度控制系统必须满足应用的通用性和可移植性。

2．系统的硬件分析

(1) 为实现系统温度信号采集的精确性和灵敏性，该系统采用测量精度高的PT100传感器。

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(2) 温度信号采集完成之后通过XSR30无纸显示仪表进行温度信号的调整，再通过RS232串口转USB口通信线传输到计算机，实现上位机与下位机的通信。

(3) XSR30无纸显示仪表把处理后的信号经过控制输出接在可控硅调压模块上，来控制加热源的温度变化。

3．系统的软件分析

软件设计通过MCGS组态软件实现。将系统所需要的模块依次通过设备工具箱添加到组态软件的设备中，设置相关参数，再应用组态软件中的软PID控制器进行PID参数的调节和控制，即实现对温度控制系统的调节。 2.4 本章小结

本章主要介绍了对系统控制方案的设计过程以及单回路系统在控制方案选择时需要考虑的问题。本章还介绍了过程控制系统的性能指标，其中包括超调量和过程控制时间的计算方法。本章还提到了被控参数的选择，对温度测量控制系统进行分析与初步设计。首先分析了实现温度控制所需的测量精度，在测温范围内选择测温精度满足要求的PT100热电阻作温度传感器；然后又对系统的性能、硬件和软件进行了初步设计。

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第3章 系统整体设计

3.1 系统的硬件设计

3.1.1 温度控制系统的总体硬件设计

基于PID智能调节仪表的温度控制系统整体结构图如图3-1所示。

上位机温度检测模块传感器数据处理卤钨灯控制算法监控界面控制输出模块调压模块

图3-1 系统总体结构图

下位机结构图如图3-2所示。

被控对象卤钨灯可控硅调压模块XSR30无纸显示仪表RS232传输PT100温度传感器

图3-2 下位机总体结构图

3.1.2 温度被控对象的选择

温度被控对象采用1000W卤钨灯泡，并有反光罩罩在其外[8]。

采用卤钨灯是因为卤钨灯具有体积小、发光效率高、色温稳定、几乎无光衰、寿命长等优点。卤钨灯泡也能以比一般白炽灯更高的温度运作，它们的亮度及效率亦更高，如图3-3所示。

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致 谢

衷心感谢导师李成伟教授对本人的精心指导。特别感谢李老师在这三个月的帮助与教导，在做课题的过程中，李老师渊博的学识、敏锐的思维、严谨的学术作风以及宽以待人的高尚品质对学生将是永远的鞭策。在课题进行到关键时刻和困难时期为我指明前进的方向。李老师严谨的治学态度和科学的工作方法给我极大的帮助和影响，对我的科研工作和论文提出了许多宝贵的意见，使我受益匪浅。在此，谨向我的导师致以真诚的谢意。

感谢彭鹏老师这段时间对我的帮助，他扎实的基础知识和丰富的经验帮我解决了课题中遇到的很多实际问题，在做课题的过程中，在各个方面都给了我非常大的支持，在此向他表示衷心的感谢和祝福。

感谢胡瑞强老师和蒋方胜师兄，感谢刘辉、范宁、孙志坚同学，在共同学习和工作的过程中，他们给予了我很多帮助和建议，在生活中也给予我关心和关怀，与你们在一起的日子是我终生难忘的一段时光。

最后，衷心感谢所有关心、帮助过我的老师和同学们！

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附录

改进的专家智能PID算法在网络信息管理中的应用

1．经典PID算法

当AQM算法作用于路由器设计PID控制器的，整个TCP控制系统如图1所示。

图1 PID控制系统的框图

2．专家智能PID算法

在这个系统中，我们利用专家经验。该算法基于PID控制，根据E(k)和它的导数调整PID控制器的参数。我们设定三个值M1和M2，M和三个调节参数K1，K2和K3，其中M1> M2>M，K1>K2>1>K3>0.在调整策略分述如下：

(1)当|e(k)|> M1，无论怎样的|e(k)|趋势,PID控制器参数应变化很快；? ? (2)当|e(k)|

a) 当e(k)增大时，如果|e(k)|大于 M ； b) 当e(k)变少时，如果|e(k)|大于 M2。

3．专家智能PID控制的改进算法

由于在EI-PID的调节策略不够完善，更详细的规则应该被添加到优化了的整个系统中。专家智能PID应添加其他两个K4、其中k1>K2>K4>1>K3>K5 >0。K5调节参数，

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该算法的执行过程如图2所示。

图2 算法过程中的智能-PID控制

从图2我们可以看到，专家智能-PID算法控制的过程是一个动态过程。加入专家经验优化的PID算法参数，这种方式的无限循环的动态过程的收益，使PID算法和专家的经验可以更好地参与协调工作，直至整个系统的控制过程结束。

4．模拟及结果分析

我们通过实施NS2方案，PID算法模拟器评估的丢包率，队列长度动态，并利用其性能网络链接。该仿真网络拓扑描绘如图3。唯一R1和R2之间的错误与有关

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