1、成绩课 程 设 计 报 告设计题目组态软件 MCGS 实现单容水箱 PID 控制课程名称 监控系统程序设计技术姓名 张安辉 学号 2009001107班级 自动化 0901 导师 刘 昱 光设计日期 2012 年 1 月 10 日组态软件单容水箱 PID 控制 IMCGS 组态软件实现单容水箱液位 PID 控制概要开发经济使用的教学实验装置、开拓理论联系实际的实验内容，对提高课程教学实验水平，具有重要的实际意义。就高校学生的实验课程来讲，由于单容水箱液位控制系统本身具有的复杂性和对实时性的高要求，使得在该系统上实现基于不同控制策略的实验内容，需要全面的掌握自动控制理论及相关知识。本文通过对单容
2、水箱液位控制系统现状的研究，选取了组态王软件 MCGS6.2 及PID 控制等策略对实验系统进行实时控制，建立了单容水箱的数学模型。介绍了 PID控制的基本原理及 PID 算法，并根据算法的比较选择了增量式 PID 算法，建立了基于组态王 MCGS6.2 的脚本语言的 PID 液位控制模拟界面和算法程序，进行系统仿真，并通过 PID 参数整定。过对实验系统结构的研究，建立了单容水箱实验系统是数学模型，并对系统的参数进行了辨识，验证了在组态王 MCGS6.2 控制下系统具有良好的可控制性和稳定性。关键字：单容水箱 PID 控制 增量式 PID 组态王 MCGS6.2 监控系统程序设计技术 IIM
3、CGS configuration software to realize the single tank water level control of PIDAbstractThe development of economic use of the teaching experimental device, develop the theory and practice of the experiment content, to improve the experiment teaching level, has important practical significance. On t
4、he college students experimental course, because the single tank water level control the complexity of this system and the real-time requirements of the high, the system control strategy based on different experimental content, need comprehensive grasp of automatic control theory and related knowled
5、ge.This article through to the single tank water level control system and Study on the current status of the Kingview software, select MCGS6.2 and PID control strategy on the experimental system for real-time control, establishes the mathematical model of single water tank. Introduces the basic prin
6、ciple of PID control and PID algorithm, and according to the algorithm comparison and selection of the incremental PID algorithm, based on Kingview MCGS6.2 script language PID level control simulation interface and the algorithm program, system simulation, and by adjusting the parameter of PID. The
7、experimental system structure research, established a single water tank experiment system is a mathematical model, and the system parameters identification, authentication in MCGS6.2 Kingview control system has good controllability and stability.Keywords: Single water tank PID control Incremental PI
8、D MCGS6.2 Kingvi组态软件单容水箱 PID 控制 III目录概要 .IAbstract.II第一章 设计目的和要求 .11.1.设计目的 11.2.设计要求 1第二章 PID 和组态软件 MCGS .32.1.PID 控制算法的介绍 32.1.1.PID 算法的历史 .32.1.2.PID 各个环节的作用 .32.1.3.增量式 PID 控制 42.1.4.PID 参数的整定 .52.2.流量系数介绍 62.3.MCGS 软件介绍 7第三章 系统设计 83.1.监控系统总体设计 83.1.1.系统介绍 .83.1.2.系统设计思想 .83.1.3.系统设计框架 .93.2.实时数
9、据库组态 103.3.窗口界面组态设计 113.4.实时数据和历史数据的趋势、曲线、报表组态设计 .123.5.实时报警信息和历史报警记录的组态设计 .153.6.报表输出组态设计 163.7.参数设置界面组态设计 .163.8.对象特性组态设计 173.9.运行策略组态设计 183.9.1.各个策略块设置 183.9.2.脚本程序 .19第四章 系统调试和改进 .214.1.系统调试 214.1.1 系统运行画面 .214.1.2 系统运行调试 .224.2.系统改善 25第五章 设计总结 26参考文献 27组态软件单容水箱 PID 控制 1第一章 设计目的和要求1.1.设计目的通过组态软件
10、，按照定值系统的控制要求，根据较快较稳的性能要求，采用单闭环控制结构和 pid 控制规律，设计一个具有美观组态画面和较完善组态控制程序的液位单回路过程控制系统。1.2.设计要求（1） 数据对象数量要求所选课题系统应具有一定数量的开关型 I/O 数据对象（至少 6 个，如：设备的驱动、状态等开关量信号） 。所选课题系统应具有一定数量的数值型 I/O 数据对象（至少 4 个，如：各种被测参数、设备转速、设备开度等模拟量信号） 。（2） 监控系统画面要求一个功能完善的监控系统，其系统画面应包括（但不局限于）下列内容，并具有动态显示和操作功能。 监控系统封面； 反映系统工艺的流程画面； 反映实时数据变
11、化的趋势图画面； 反映实时数据变化的报表画面； 可查询历史数据的历史数据曲线画面； 可查询历史数据的历史数据报表画面； 反映实时报警信息的报警画面（或某画面上的局部画面） ； 可查询历史报警记录的报警信息画面； 能对系统运行参数进行设置修改的参数设置画面。（3） 运行策略要求对象特性脚本语言程序，应能模拟实际被控对象的工艺流程及其逻辑关系。控制算法或控制逻辑脚本语言程序，应能使所设计的系统正常运行起来，实现系统的模拟运行。（4） 系统菜单要求监控系统程序设计技术 2所设计的监控系统应具有系统菜单，以实现对系统各个功能的运行调度。（5） 安全策略要求所设计的监控系统应具有登录后方可操作，并有不同
12、操作权限的安全策略功能。（6）在完成上述要求的设计和组态工作后，根据组态内容编写课程设计报告。组态软件单容水箱 PID 控制 3第二章 PID 和组态软件 MCGS2.1.PID 控制算法的介绍在实际工程中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID 控制，又称 PID 调节。PID 控制器问世至今已有近 70 年的历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。2.1.1.PID 算法的历史在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID 控制，又称 PID 调节。PID 控制器问世至今已有近 70 年历史，它以
13、其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用 PID 控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用 PID 控制技术。PID 控制，实际中也有 PI 和 PD 控制。PID 控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。2.1.2.PID 各个环节的作用PID 控制器由比例单元（P） 、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其输入 e
14、(t）与输出 u (t）的关系为u(t)=kpe(t)+1/TIe(t)dt+TD*de(t)/dt 式中积分的上下限分别是 0 和 t因此它的传递函数为：G(s)=U(s)/E(s)=kp1+1/(TI*s)+TD*s其中 kp 为比例系数； TI 为积分时间常数； TD 为微分时间常数（1） 比例单元比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error） 。（2） 积分环节在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动监控系统程序设计技术 4控制系统，如果在进入稳态后存在稳态
15、误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error） 。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“ 积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。（3） 微分环节在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后（
16、delay ）组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前” ，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入 “比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项” ，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+ 微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。2.1.3.增量式 PID 控制基本 PID 控制器的理想算式为(1)式中u(t)控制器(也称调节器
17、 )的输出；e(t)控制器的输入（常常是设定值与被控量之差，即 e(t)=r(t)-c(t)） ；Kp控制器的比例放大系数；Ti 控制器的积分时间；Td控制器的微分时间。设 u(k)为第 k 次采样时刻控制器的输出值，可得离散的 PID 算式组态软件单容水箱 PID 控制 5(2)式中 ， 增量式 PID 是指数字控制器的输出只是控制量的增量 u(k)。采用增量式算法时，计算机输出的控制量 u(k)对应的是本次执行机构位置的增量，而不是对应执行机构的实际位置，因此要求执行机构必须具有对控制量增量的累积功能，才能完成对被控对象的控制操作。执行机构的累积功能可以采用硬件的方法实现；也可以采用软件来
18、实现，如利用算式 u(k)=u(k-1)+u(k)程序化来完成。由式(2)可得增量式 PID 控制算式(3)式中 e(k)=e(k)-e(k-1)进一步可以改写成(4)式中 、 、一般计算机控制系统的采样周期 T 在选定后就不再改变，所以，一旦确定了Kp、Ti 、Td，只要使用前后 3 次测量的偏差值即可由式(3)或式(4) 求出控制增量。增量式算法优点：算式中不需要累加。控制增量 u(k)的确定仅与最近 3 次的采样值有关，容易通过加权处理获得比较好的控制效果；计算机每次只输出控制增量，即对应执行机构位置的变化量，故机器发生故障时影响范围小、不会严重影响生产过程；手动 自动切换时冲击小。当控
19、制从手动向自动切换时，可以作到无扰动切换。2.1.4.PID 参数的整定PID 控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定 PID 控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID 控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算监控系统程序设计技术 6数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID 控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线
20、法和衰减法。两种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行 PID 控制器参数的整定步骤如下：（1）首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；（2）仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；（3）在一定的控制度下通过公式计算得到 PID 控制器的参数。2.2.流量系数介绍流量系数即：CV 值（中国工业称为：KV 值）是阀门、调节阀等工业阀门的重要工艺参数和技术指标。流量系数释义是指单位
21、时间内、在测试条件中管道保持恒定的压力，管道介质流经阀门的体积流量，或是质量流量。即阀门的最大流通能力。阀门的 CV 值须通过测试和计算确定。流量系数与阀门开度阀门/调节阀流量系数（CV 值）与开度是两个不同的概念， CV 值名称起源于西方的工业流程控制领域对于阀门流量系数的定义。在中国通常称为：KV 值，KV 表示的是阀门的流通能力，其定义是：当调节阀全开时，阀门前、后两端的压差 P 为100KPa，流体重度 r 为 1gf/cm3（即常温水）时，每小时流经调节阀的流量数，以m3/h 或 t/h 计。（例如一台 Kv=50 的调节阀，则表示当阀两端压差为 100KPa 时，每小时的水量为50
22、m3/h。 ）阀门开度是指阀门在调节的时候，阀芯（或阀板）改变流道节流面积时阀芯（或阀板）运动的位置，通常用百分比表示，关闭状态为 0%，全开为 100%。流量系数的单位换算Kv 与 Cv 值的换算国外，流量系数常以 Cv 表示，其定义的条件与国内不同。Cv 的定义为：当调节组态软件单容水箱 PID 控制 7阀全开，阀两端压差 P 为 1 磅/英寸 ，介质为 60清水时每分钟流经调节阀的流量数，以加仑/分计。由于 Kv 与 Cv 定义不同，试验所测得的数值不同，它们之间的换算关系为：Cv=1.167Kv2.3.MCGS 软件介绍组态王开发监控系统软件，是新型的工业自动控制系统，它以标准的工业计
23、算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。组态王 kingview6.55 是亚控科技根据当前的自动化技术的发展趋势，面向低端自动化市场及应用，以实现企业一体化为目标开发的一套产品。该产品以搭建战略性工业应用服务平台为目标，集成了对亚控科技自主研发的工业实时数据库（KingHistorian）的支持，可以为企业提供一个对整个生产流程进行数据汇总、分析及管理的有效平台，使企业能够及时有效地获取信息，及时地做出反应，以获得最优化的结果。组态王 kingview6.55 保持了其早期版本功能强大、运行稳定且使用方便的特点，并根据国内众多用户的反馈及意见，对一些功能进行了完善和扩充。组态王k
24、ingview6.55 提供了丰富的、简捷易用的配置界面，提供了大量的图形元素和图库精灵，同时也为用户创建图库精灵提供了简单易用的接口；该款产品的历史曲线、报表及 web 发布功能进行了大幅提升与改进，软件的功能性和可用性有了很大的提高。组态王 6.55 在保留了原报表所有功能的基础上新增了报表向导功能，能够以组态王的历史库或 KingHistorian 为数据源，快速建立所需的班报表、日报表、周报表、月报表、季报表和年报表。此外，还可以实现值的行列统计功能。组态王 6.55 在 web 发布方面取得新的突破，全新版的 Web 发布可以实现画面发布，数据发布和 OCX 控件发布，同时保留了组态
25、王 Web 的所有功能：IE 浏览客户端可以获得与组态王运行系统相同的监控画面，IE 客户端与 Web 服务器保持高效的数据同步，通过网络您可以在任何地方获得与 Web 服务器上相同的画面和数据显示、报表显示、报警显示等，同时可以方便快捷的向工业现场发布控制命令，实现实时控制的功能。组态王 kingview6.55 集成了对 KingHistorian 的支持，且支持数据同时存储到组态王历史库和工业库，极大地提高了组态王的数据存储能力，能够更好地满足大点数用户对存储容量和存储速度的要求。KingHistorian 是亚控新近推出的独立开发的工业数据库。具有单个服务器支持高达 100 万点、25
26、6 个并发客户同时存储和检索数据、每秒检索单个变量超过 20,000 条记录的强大功能。能够更好地满足高端客户对存储速度和存储容量的要求，完全满足了客户实时查看和检索历史运行数据的要求。监控系统程序设计技术 8第三章 系统设计3.1.监控系统总体设计3.1.1.系统介绍单容水箱如图 3-1 所示。不断有水流入槽内，同时也有水不断的由槽中流出。水流入量 Q1 由调节阀开度 u 加以控制，流出量 Q2 则由用户根据需要通过负载阀开度 R 来改变。被控变量为水位 H，它反映了水的流入量与流出量之间的平衡关系。同过控制调节阀的开度实现单容水箱的自平衡控制。图 3-1 单容水箱3.1.2.系统设计思想通
27、过分析知，本系统的要求是通过控制调节阀的开度实现液位的的实际值等于设定值，即测量值为水箱当前液位。根据要求有如下的单回路 PID 控制系统。Q1HUQ2R组态软件单容水箱 PID 控制 9单闭环 PID 控制系统3.1.3.系统设计框架通过电机从水槽中抽水，给水罐 1 供水，通过调节阀给水罐 2 供水，通过调节阀（0 100%）的开度来达到水罐 2 液位的平衡控制，出水阀（0100%）根据用户的需要进行设置（本次设计 K2=50%） 。系统框图如下图：图 3-2 系统框架PID 调节阀 水箱液位变送器SV PVPVE监控系统程序设计技术 103.2.实时数据库组态图 3-3 实时数据库图 3-
28、4 数据存盘属性设置组态软件单容水箱 PID 控制 11图 3-5 数据报警属性设置3.3.窗口界面组态设计图 3-6 总画面监控系统程序设计技术 123.4.实时数据和历史数据的趋势、曲线、报表组态设计图 3-7 历史曲线及表格图 3-8 历史表格与数据链接组态软件单容水箱 PID 控制 13图 3-9 历史表格与数据链接图 3-10 历史表格与数据链接监控系统程序设计技术 143-11 历史曲线构件属性设置3-12 历史曲线构件属性设置组态软件单容水箱 PID 控制 153.5.实时报警信息和历史报警记录的组态设计图 3-13 报警窗口3-14 构件属性设置监控系统程序设计技术 163.6
29、.报表输出组态设计图 3-15 数据以报表形式存于 D:MCGSWorkPID.MDB3.7.参数设置界面组态设计图 3-16 PID 及液位参数设置组态软件单容水箱 PID 控制 17图 3-17 构件属性设置3.8.对象特性组态设计水箱液位变化设计引用了流量系数的概念所以，为了能够满足水罐 2 液位的平衡，调节阀的流量系数应该大于出水阀的流量系数，所以设 K1 流量系数(CV1)=15，K2 流量系数(CV2)=10，进水管(CV0)=30则：水罐液位=液位当前值+流量系数*开关阀开度（%）/100-出水量水罐 1 的液位=AL+(CV0*S/100-CV1*K1/100)/1000水罐
30、2 的液位=PV+(CV1*K1-CV2*K2)/1000脚本程序：AL=AL+30*S/1000-15*K1/100/1000PV=PV+(15*K1-10*K2)/100/1000监控系统程序设计技术 183.9.运行策略组态设计在本次设计中除了系统内部的策略外，加入了一个用户策略和一个循环策略，其中用户策略是增量式 PID 控制脚本程序，循环策略包含了电机的自动控制、手 _自动无扰切换、液位变化特性及 PID 控制的调用。 （循环时间 =100ms）3.9.1.各个策略块设置图 3-18 运行策略组态软件单容水箱 PID 控制 19图 3-19 循环时间为 100ms图 3-20 运行策
31、略3.9.2.脚本程序（1） 电机自动运行IF AL4.8 THEN S=0（2） 增量式 PID 控制E2=E1监控系统程序设计技术 20E1=E0E0=SV-PVPF=P*(E0-E1)IF TI=0 THEN JF=0ELSEJF=P*TS*E0/TIENDIFDF=P*TD*(E0-2*E1+E2)/TSZLPID=PF+JF+DFWZ=LASTWZ+ZLPIDIF WZ=MAXWZ THEN WZ=MAXWZIF WZ=MINWZ THEN WZ=MINWZLASTWZ=WZ组态软件单容水箱 PID 控制 21第四章 系统调试和改进通过设置不同的 P、I、D 及 PV 值来运行系统，
32、找出其中最优的 P、I 、D 的值，通过系统在手_ 自动运行状态比较 PID 控制的优越性，及对系统的改善提出意见。4.1.系统调试4.1.1 系统运行画面图 4-1 自动运行画面图 4-2 手动运行画面监控系统程序设计技术 224.1.2 系统运行调试（1）比例系数 P 的调试图 a（1）P=24 I=2.5 D=1.04图 a（2） P=37.6 I=2.5 D=1.04组态软件单容水箱 PID 控制 23图 a（3） P=59.2 I=2.56 D=1.04图 a（4） P=80.8 I=2.56 D=1.04监控系统程序设计技术 24通过调试可得比例系数的理想范围为 6080， P=70用同样的方法可得积分时间 TI I=5.0 微分时间 TD D=4.0图 a（5）P=70.4 I=4.8 D=4.08
