测控专业毕业实习报告基于计算机的单容水箱液位控制系统Word格式文档下载.docx
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1.3仪表选型
1.3.1变送器的选择
测量变送环节的作用是将工业生产过程中的参数经过检测、变送单元转换成标准信号。
在模拟仪表中，标准信号通常采用4～20mADC、1～5VDC的电流（电压）信号，或20～100kPa的气压信号；
在现场总线仪表中，标准信号是指数字信号。
因在水箱液位控制系统中测量的是水箱液位，所以实验室选用的是压力液位变送器。
其特点是小巧精致，安装简便，采用先进的传感器，适用于工业现场过程控制。
1.3.2执行器的选择
执行器接受来自控制器输出的控制信号，进而实现对操纵变量的改变，从而使被控变量向设定值靠拢。
控制阀接收来自控制器输出的控制信号，通过改变阀的开度达到控制流量的目的。
控制阀包括执行机构和调节机构两部分。
执行机构是控制信号产生推力或位移的装置；
调节机构是根据执行机构的输出信号改变能量或物料输送量的装置。
本设计的执行器选用电动调节阀。
第二章软件介绍和设计
2.1组态软件简介
组态软件功能强大,操作简单,易学易用。
使用组态软件能够避开复杂的计算机软、硬件问题,该设计结合仪表过程控制实验系统设备的实际情况,制作了多个控制界面。
主要完成通用工作站的数据采集、实时和历史数据的显示、报警、流程控制、动画显示、趋势曲线、报表输出等事件，系统稳定可靠，能够自动的完成监控和报警，并且，随时能够打印各种报表，反映了控制现场的状况，节省了人力，提高了效益。
因此，被广泛的应用于工业生产中。
2.2水箱液位控制系统的监控界面
分析工程中设备的采集及输出通道与实时数据库中定义的变量的对应关系，然后建立工程，构建实时数据库。
利用MCGS进行组态建立一个应用工程一般包括以下几个过程：
创建新工程；
定义硬件设备并添加工程变量；
制作图形画面并定义动画链接；
编写命令语言；
运行系统的配置，对运行系统、报警、历史数据记录、用户等进行设置；
保存工程运行并调试。
水箱液位整体监控画面如图2.1所示：
图2.1水箱液位整体监控画面图
2.3PCI板卡定义及组态王的数据采集
首先水箱和输入输出板卡之间的连线应当正确。
建立新工程项目：
在运行组态王程序时，弹出组态王工程管理器画面，此时建立一个新工程，执行以下的操作步骤：
（1）在工程管理器中选择菜单“文件/新建工程”，弹出“新建工程向导一欢迎使用本向导”对话框。
（2）点击“下一步”，弹出“新建工程向导二选择工程所在路径”对话框。
从对话框中选择或指定工程所在路径。
（3）点击“下一步”，弹出“新建工程向导三工程名称和描述”对话框。
往对话框中输入工程名称：
水箱液位控制界面，自己可以根据自己的需求输入工程名称；
在工程描述中输入：
模拟电压输入（可写可不写）。
（4）点击“完成”，再点击“是”，将新建的工程设为组态王当前工程，此时组态王工程管理器中出现新建的工程。
2.3.2图形画面的制作
按照实际工程的要求绘制监控画面，并使静态画面随着过程控制对象产生动态效果。
选择工程目录区的画面，双击新建后进入组态王开发系统，如图2.2所示：
图2.2组态王开发系统新画面
1）新建画面命名：
单容水箱液位控制，选择画面风格“大小可变”和“覆盖式”。
单击确定后进入开发系统新画面进行设计。
点击工具栏中的“打开图库”，单击反应器，选择需要的图素。
双击该图素到绘图区，在单击放下该图素。
画面名称可根据目标自己随意定；
从工具箱中找到图库，打开图库，在图形画面里添加一个仪表对象、一个“实时趋势曲线”、一个“历史曲线”、一个“报表数据”、一个“报警窗口”和一个“退出界面”。
对于已建立的实验主画面中的单容水箱可以在计算机监控界面上直接看到，单容水箱液位随控制信号变化而变化的图像。
结合实验现场系统的实际单容水箱的液位,可以将监控画面中的水箱液位动态变化与实际现场的水箱液位进行比较,有助于我们从理论和实际两方面,打开“水箱液位控制系统”主画面,如图2.3所示，双击“水箱”弹出动画连接对话框,如这样建立连接后水箱液位的高度随变量“水箱液位”的值变化而变化。
图2.3水箱液位控制系统主画面
在组态界面中选择新建的工程，双击进入组态王工程浏览器；
在组态王工程浏览器的左侧选择“设备”中的“板卡”，在右侧双击“新建…”，运行“设备配置向导”。
①找到智能模块\研华\YHPCI1710\YHPCI1710。
②点击“下一步”，给安装的设备指定名称，如：
YHPCI1710。
③点击“下一步”，给要安装的设备指定地址。
此处设置为dc00,此地址跟所使用的电脑的卡槽的位置有关。
④点击“下一步”。
⑤点击“下一步”，则显示安装设备的所有信息。
⑥最后检查各项设置是否正确，确定无误后，请点击“完成”。
完成以上步骤后，用户可以通过工程浏览器的右侧看到新建的外部设备“PCI1710”。
通过左侧看到设备的逻辑名称“YHPCI1710。
定义完数据库变量后，用户只要把I/O变量连接到这此设备上，即可与组态王进行数据的交换。
输出板卡的定义按照以上步骤即可，其地址为D800。
输出板卡设备安装向导信息总结
根据选择的系统分析被控对象涉及的各个变量，在组态王软件的数据词典中建立这些变量和所需的中间变量，已备动画连接和编程使用。
从工程浏览器的左侧树形菜单中选择“数据库\数据词典”，在右侧双击“新建”，出现“定义变量”对话框。
（1）定义变量“模拟量输入与输出”。
变量类型选I/O实数，因为按输入液位范围0～380，所以变量的最小值为0，最大值为380。
其中定义I/O实数变量时，关键是最小原始值和最大原始值的设置。
它们是由采集板卡的电压输入范围和A/D转换位数进行确定的。
电压与采样值成线性关系，因为此处液位采入范围是0～380，故最小原始值为0，最大原始值为4095。
本实验输电压选用板卡AI0通道，故寄存器选用AD0，数据类型为USHORT,读写属性为只读。
进行变量“模拟量输入”的定义。
变量“模拟量输出”定义与“模拟量输入”类似，输出电压选用板卡AD0通道,故寄存器选用AOV0，数据类型为SHORT，读写属性为只写。
（2）被控对象的动态连接。
双击画面中水箱对象，出现“水箱向导”对话框，通过点击变量名文本框右边的“？
”号出现“选择变量名”对话框。
选择变量名“PV”，点击“确定”，文本框中出现“\\本站点\PV”。
（3）建立当前液位值显示文本对象的动画连接
双击画面中当前电压值显示文本对象“000”，弹出“动画连接”对话框。
把“模拟值输出”与变量“模拟量输入”连接，其中输出格式：
整数1位，小数1位。
（4）建立水流的动画连接
变量闪烁0的隐含链接，表达式为真时，显示状态，变量闪烁1是闪烁链接，二者交替进行，产生水流动画效果。
（5）建立实时趋势曲线对象的动态连接
趋势曲线用来反应数据变量随时间的变化情况。
趋势曲线有两种：
实时趋势曲线和历史趋势曲线。
这两种曲线外形都类似于坐标纸，X轴代表时间，Y轴代表变量值。
所不同的是，在你的画面程序运行时，实时趋势曲线随时间变化自动卷动，以快速反应变量的新变化，但是不能随时间轴“回卷”，不能查阅变量的历史数据；
历史趋势曲线可以完成历史数据的查看工作，但它不会自动卷动，而需要通过命令语言来辅助实现查阅功能。
双击画面中实时曲线对象，在曲线定义选项中，点击“曲线1”文本框右边的“？
”号，选择变量名“SV”，设置其他参数的值，如图2.4所示。
图2.4实时趋势曲线对象动画连接——曲线定义界面
在“标识定义”选项卡中，设置时间轴长度为20秒，也可以根据实际情况设置时间轴长度，本实验选用水箱液位起始值为0cm，最大值为380cm如图2.5所示。
图2.5实时趋势曲线对象动画连接——标识定义界面
单容水箱的实时曲线与历史曲线运行画面如下图2.6所示：
图2.6水箱的实时曲线与历史曲线
5）数据报表的动画链接：
首先在报表工具箱的编辑栏中输入“=”，然后单击该按钮，在弹出的变量选择器中选择该变量，单击“确定”按钮关闭“变量选择”对话框，报表工具箱编辑栏中的内容为“=$时间”，单击工具箱上的输入按钮
，则该表达式被输入到当前单元格中，运行画面如图2.7所示：
图2.7数据报表运行画面
6）报警窗口动画连接：
报警窗口用以反应变量的不正常变化，组态王自动对需要报警的变量进行监视。
当发生报警时，将这些报警事件在报警窗口中显示出来。
在工具箱中选用报警窗口工具，在画面上绘制报警窗口，设置报警上下限以及运行画面如图2.8所示。
为使报警窗口内能显示变量的非正常变化，你必须先做如下设置：
切换到工程浏览器，在左侧选择“报警组”然后双击右侧的图标进入“报警组定义”对话框。
在“报警组定义”对话框中将“RootNode”修改为“水箱液位监控界面”。
单击“确认”，关闭“修改报警组”对话框。
单击“报警组定义”对话框的“确认”按钮。
图2.8水箱液位报警运行画面
7）退出界面的动画连接
双击开始按钮图素进入按钮动画连接窗口，选择“按下时”，弹出命令语言窗口，在窗口中写入命令语言Exit（0）;
后确定，完成退出界面动画连接。
动画链接如图2.9所示:
图2.9退出界面的动画连接
第三章PID算法及程序调试
3.1PID控制器介绍
PID控制器（比例-积分-微分控制器），由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成。
通过Kp，Ti和Td三个参数进行设定。
PID参数对系统的影响：
（1）比例增益Kp能及时地反映控制系统的偏差信号，系统一旦出现了偏差，比例环节立即产生调节作用，使系统偏差快速向减小的趋势变化。
当比例增益Kp越大，PID控制器调节速度越快。
但Kp不能太大，过大的比例增益会加大调节过程的超调量，从而降低系统的稳定性，甚至可能造成系统的不稳定。
（2）积分环节可以消除系统稳态误差。
积分作用的强弱取决于积分时间常数的大小，Ti越小，积分作用越强，反之则积分作用弱。
积分作用的引入会使系统稳定性下降，动态响应变慢。
（3）微分环节的引入，主要是为了改善控制系统的响应速度和稳定性。
微分作用具有超前的控制作用,因此，微分作用可以改善系统的动态性能。
微分作用的强弱取决于微分时间Td的大小，Td越大，微分作用越强，反之则越弱。
数字PID调节器就是将模拟信号（包括电流、电压）通过AD转换变为数字信号,微处理器（本设计采用单片机）再将数字信号通过一定的算法进行一定的处理。
3.2PID算法程序设计
我们知道，在模拟系统中，PID算法的表达式[1]为：
（3.1）
式中p（t）—调节器的输出信号；
e（t）—调节器的偏差信号，它等于给定值与测量值之差；
kp—调节器的比例系数；
Ti—调节器的积分时间；
Td—调节器的微分时间。
由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差来计算控制量。
因此，在计算机控制系统中，必须首先对式（3.1）进行离散化处理，用数字形式的差分方程代替连续系统的微分方程，此时积分项和微分项可用求和及增量式表示[16]：
（3.2）
（3.3）
将式（3.2）和式（3.3）代入式（3.1）得到离散化公式。
（3.4）△t=T—采样周期，必须使T足够小，才能保证系统有一定的精度；
E（k）—第k次采样时的偏差值；
E（k-1）—第（k-1）次采样时的偏差值；
k—采样序号，k=0，1，2，…；
p（k）—第k次采样时的调节器的输出。
由式（3.4）可以看出，要想计算p（k），不仅需要本次与上次的偏差信号E（k）和E（k-1），而且还要在积分项中把历次的偏差信号E（j）进行相加，即
E（j）。
这样，不仅计算烦琐，而且为保存E（j）还要占用很多内存。
因此，用式（3.4）直接进行控制很不方便。
为此，我们做如下改动
（3.5）
用式（3.4）减去式（3.5），可得：
（3.6）
式中，
----积分系数；
----微分系数。
由式（3.6）可知，要计算第k次输出值p（k），只需知道p（k-1），E（k），E（k-1），E（k-2）即可。
在很多控制系统中，由于执行机构式采用步进电机或多圈电位器进行控制的，所以，只要给一个增量信号即可。
=
（3.7）
式（3.7）表示第k次输出的增量△p（k），等于第k-1次调节器的输出值，即在第（k-1）次的基础上增加（或减少）的量，所以式（3.7）叫增量型PID控制式。
由式（3.7）可知，增量型PID算式为：
（3.8）
设
所以，有
（3.9）
上式为离散化的增量型PID编程表达式。
PID程序流程图如图3.10
如图3.10PID程序流程图
3.3程序调试及运行
设计完成后，从“文件”菜单中选择“全部存”，点击“全部存”。
从工程浏览器中，点击“VIEW”来启动运行系统。
然后在运行系统中打开所需要的画面即可。
组态制作水箱液位系统完成了监控界面、实现动画显示设定、制作液位报警显示和报警数据界面、制作液位实时报表和历史报表、制作实时曲线画面、设置工程权限等任务。
以动画形式直观地显示在监控画面上，进而使水箱液位稳定地保持在给定值范围之内。
用上述同样的方法可以对KP、KI、Kd、SV、UK、Pv后的”##”,进行动画连接。
水箱液位PID参数控制界面运行画面如图3.11所示：
图3.11水箱液位PID参数控制界面
第四章对象特性分析及仿真
4.1被控对象动态特性概述
被控对象的动态特性是指被控对象的输入发生变化时，其输出（被调量）随时间变化的规律。
控制系统的设计方案都是依据被控对象的动态特性进行的，所以要进行水箱的动态特性研究，调节器参数的整定也是依据对象的动态特性进行的。
从控制观点看，被控对象本质上都有相同之处，分析被控对象的动态特性，可知被控对象控制的难易程度与调节过程的快慢。
要评价一个系统的工作质量，只看稳态是不够的，还应看动态过程中被调量随时间的变化情况。
因此，研究系统的动态特性就显得特别重要。
4.2被控对象数学模型的建立
建立被控对象数学模型的方法主要有三种，分别是机理法、实验法、机理法与实验法相结合的混合法。
机理法根据被控过程的内部机理，运用已知的静态或动态平衡关系，用数学解析的方法求取被控过程的数学模型。
实验法是先给被控过程人为地施加一个输入作用，然后记录过程的输出变化量，得到一系列实验数据或曲线，最后再根据输入－输出实验数据确定其模型的结构（包括模型形式、阶次与纯滞后时间等）与模型的参数。
混合法是机理演绎法与实验辩识法相互交替使用的一种方法。
阶跃响应曲线法是实验法的一种，即对被控对象施加一阶跃信号,并且阶跃响应获取应注意以下的问题：
（1）合理选择阶跃扰动的幅度（一般约为额定负荷的10%～20%）
（2）实际阀门只能以有限速度移动（3）一般认为阶跃信号是在t1/2时加入（4）试验前确保被控对象处于稳定工况（5）考虑过程的非线性特性，应进行多次测试。
（6）若过程不允许同一方向扰动加入，则采用矩形脉冲扰动，可从脉冲响应曲线求出所需的阶跃响应。
由于是单容水箱，则其数学模型可以用一阶惯性环节加纯延迟的传递函数即
（式4-8）
来近似，确定参数k、T、
有两种方法：
作图法、参数两点法。
用作图法求参数时需注意：
（1）t1/2处为扰动起点
（2）在s型响应曲线找拐点，并作切线。
T、
值如下且
图4.2（a）阶跃信号图4.2（b）一阶惯性环节加纯延迟
显然，用这种方法求直线效果是很差的。
首先，与式（4-8）所对应的阶跃响应是一条向后平移了
时刻的指数曲线，它不可能完美的拟合成S型的曲线，再次，在做图中，切线的画法也有很大的随意性，这将直接关系到
和T的取值，因此，参数的确定排除用此方法，选用参数两点法，首先，将响应曲线标幺
（式4-9）
（式2-10）
取y*（t1）=0.39，取y*（t2）=0.63，记t1和t2
则
（式4-11）
（式4-12）
取
验证
基于以上原理，用Matlab编程,程序见附录[A],并且在误差的范围之内，可以接受。
则数学模型为：
（式4-13）
4.2.2PID控制器校正单容水箱系统
利用Simulink仿真模块集在模型编辑窗口建立PID控制器，如下图4.3所示：
图4.3PID控制子模块
之后，点击Edit—MaskSubsystem，对其进行封装。
其封装图如图4.4所示。
图4.4PID控制器的封装
加入PID调节器后，系统方框图如下图4.5所示：
图4.5系统方框图
此后，反复调试PID参数，得到如下较为理想的曲线。
因为微分对纯延迟环节不起作用，则纯延迟部分始终无法消除，其参数设计如图4.6所示.
图4.6PID参数
对应的阶跃响应曲线如下图4.7所示。
图4.7理想PID参数下的阶跃响应曲线
总结
单容水箱液位控制系统,是一个以计算机控制单容水箱的单回路控制系统，单容水箱控制系统设计用到数据采集与程序编写板卡连接对象特性分析等，用来实现对实验装置中的单容水箱液位进行监控。
本次设计由九人共同来完成，我负责的是单容水箱PID算法和程序部分。
PID算法中比例，积分，微分参数的确定，通过一次次的参数调整，我们终于找到了合适的参数，使实验达到预期效果，本设计难点是如何将组态王监控界面与实际水箱信号变连接起来。
系统调试时如何能够使水箱液位回到稳定值。
通过单容水箱控制系统的实验，让我对组态软件有了进一步认识，同时，在PID编程方面也有提高，知道了现场工艺的控制流程，更进一步巩固了过程控制的专业知识，使我们对于组态有了更深入的了解。
同时也让我懂得合作的重要性。
个人的能力是有限的，但是合作的力量是无穷的，我们必须保持合作共赢的心态，大家一起齐心协力，这样，我们的实验才是成功的。
最后感谢李文涛老师给我们这次机会，增强我们的动手能力，同时我们也在实验中锻炼了自己，谢谢同学，谢谢老师。
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