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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 控制科学与工程系实验中心 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。 二、设计需求： 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所示系统，设计控制界面，实现液位的实时控制和监测。 图2 任务要求 1、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，控制量下传（见参考图1）。 2、实现计算机对PLC的实时读、写并显示读、写数据曲线 。 3、实现控制功能： 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。 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）； 开发平台 上位机软件开发平台不限（推荐使用Labwindows/CVI 7.0） ，PLC梯形图设计平台为FXGP_WIN-C。 三、设计要求 1、每2~3人一组，分工合作，在4周时间内完成设计与调试任务。 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 7.0 ，FXGP_WIN-C） 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。 四、评分标准 完成任务1——满分30 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） 控制系统的结构组成 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。 PID控制描述 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，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 (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， 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， T——采样时间，u(k)——第k时刻的控制输出（控制量）。 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 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。