毕业设计（论文）基于GA的双容水箱液位PID控制系统设计

1、目 录0. 前言11. 方案设计22. dde通信的实现方法22.1 组态王中的dde通信设计32. 2 matlab中的dde通信32.3 matlab与组态王的dde通信实现43. 组态王界面的开发53.1 建立组态王新工程63.2 com1的建立73.3 定义变量83.4 动画连接94. 系统的设备实现104.1 液位压力传感器124.2 电动调节阀135. 软件编程136. 系统调试和结果分析167. 结论及进一步设想17参考文献19基于ga的双容水箱液位pid控制系统设计（二） 沈阳航空航天大学自动化学院摘要：本次课设是毕业设计的一部分，主要研究双容水箱液位pid控制系统的设计，为相

2、同题目（一）的基于ga的pid控制算法提供验证平台。该系统需要建立组态王和matlab的动态数据交换（dde），充分集合了matlab计算功能强和组态王具有很好的可视化界面的优点。设计方案采用组态王对控制过程进行监控，在组态王中开发组态界面、定义相应的变量和设备，并实现动画连接；同时利用matlab作为后台主控，通过编辑pid控制算法计算控制量，采用dde方式传递给组态王以控制电动调节阀的开度，从而实现对水箱液位的监控。关键词：matlab程序；组态界面；pid控制；dde通信。0. 前言随着自动化技术的快速发展，许多领域中都引入了计算机自动检测与控制技术，并取得了惊人的成果。在现代工业生产过

3、程自动化中，过程控制起了大大的推动作用。过程控制广泛应用于石油、化工、电力、冶金等工业部门。液体的液位测量在工业生产中非常普遍，应用领域也比较广，例如自来水水位的测量和控制，油田、炼油厂的油罐和储油槽的油位的测量等。液位测量的方法很多，锅炉液位控制的稳定与否，是关系到生产安全的重要因素之一。液位太高，易使供出的蒸汽带水，高温高速的蒸汽水珠会损坏后工段的工艺设备；而液位太低，有造成锅炉烧干的危险。组态软件是近年来在工业自动化领域兴起的一种新型的软件开发技术，是数据采集与过程控制的专用软件。开发人员通常不需要编制具体的指令和代码，只要利用组态软件包中的工具，通过硬件组态（硬件配置）、数据组态、图形

4、图像组态等工作即可完成所需应用软件的开发工作，它具有二次开发简便、开发周期短、通用性强、可靠性高等优点。matlab具有强大的数值分析和图形绘制功能，这与组态王的可视化界面功能相结合，实现了用组态王和matlab混合编程的方法进行系统组态设计。应用此方法设计双容水箱液位pid控制系统，用组态王编制人机交互界面，用matlab完成控制算法，二者通过dde进行实时数据交换，系统在线运行稳定。这种装置的实时控制系统现在应用十分广泛。 本次课设整体方案及要求内容：（1）根据设计要求，进行整体方案设计 。（2）建立组态王与matlab之间的dde通信。（3）进行pid参数程序的流程设计。（4）完成上位机

5、的组态画面设计。（5）进行调试，达到设计要求。1. 方案设计本文主要研究双容水箱液位pid控制系统的设计，由于本次课设是毕业设计的一部分，主要是从方案论证来完成本次课程设计。本设计将基于a3000过程控制实验系统，以液位为被控参数，利用matlab主控程序的pid算法，作为双容水箱液位控制系统的上位机应用组态软件实现系统的监测和控制。上位机组态界面显示实时数据，主控程序根据实时的数据与给定数据进行比较计算输出数据对调节阀开度进行调节。a3000过程控制实验系统作为下位机负责采集硬件设备的数据，并且根据组态王pid参数得出相应的命令对硬件设备做相应调节，使液位达到设定值。本方案充分发挥了组态王的

6、可视化界面功能与matlab强大的数值分析和图形绘制功能的各自优势，利用dde技术，实现了组态王与matlab之间的通信，形成了实现装置的实时监控系统。首先完成上位机的组态画面的设计，其中包括连接设备、定义变量、动画连接等任务。其次在matlab中编写pid控制程序，建立matlab与组态王之间的dde通信，组态王把从下位机中读取的数据通过dde通信传给matlab程序中，matlab程序把接收数据与给定值作差值用pid算出输出值返回给组态王以实现对调节阀进行控制，从而达到对下位机液位控制。最后进行调试得到理想波形从而达到控制的技术要求。2. dde通信的实现方法dde是windows平台上的

7、一个完整的通讯协议，它使应用程序能彼此交换数据和发送指令。dde通讯可以比喻为两个人的对话，一方向另一方提出问题，然后等待回答。提问的一方称为顾客，回答的一方称为服务器。一个应用程序可以是顾客和服务器，当它向其他应用程序请求数据时，它充当的是顾客，若有其他的应用程序需要它提供数据时，它又变成了服务器。dde对话的内容通过三个标识来实现。应用程序名（application）：进行dde通讯的双方名称；主题（topic）：被讨论的数据域（domain）对组态王来说主题规定为：“tagname”；项目（item）：这是被讨论的特定数据对象。dde交换数据的方法根据连接方式主要有三种：冷链（cold

8、link），温链（warm link）和热链（hot link）。由客户申请数据，服务器发送数据的这种方式称为冷链；服务器的数据变化时，服务器通知客户，再由客户来取数据，这种方式称为温链；服务器的数据变化时，服务器通知客户，由客户对对这些数据进行处理，这种方式称为热链。2.1 组态王中的dde通信设计组态王既可以作为客户应用程序也可以作为服务器应用程序。当它作为客户应用程序时，需进行两步工作。第一步在组态王中定义dde设备，并为该设备指定逻辑名称、设置程序服务明、朱提名和选择标准的windows项目数据交换形式。第二步定义i/o变量，连接dde设备，确认允许dde访问。当组态王作为服务器应用程

9、序时，它的工作是驱动程序下位机采集数据，并向客户应用程序发送数据。2. 2 matlab中的dde通信matlab是矩阵实验室（matrix laboratory）之意。它除了具备卓越的数值计算功能外，还提供了专业水平的符号计算，文字处理，可视化建模仿真和实时控制等功能。matlab主要特点有功能强大；语言简单；扩充能力强，可开发性强；编程容易，效率高。matlab5.1版本后都提供了有关dde的一些基本函数，如ddeinit()、ddepoke()、ddereq()、ddeterm()等。dde通讯中，matlab作为一个“server”时的通讯示意图如图1所示。在“client”应用程序中

10、的dde函数与matlab的dde“server”模块进行通讯，“client”的dde函数能被应用程序或matlabengine library提供。图1 matlab作为服务器时的通讯示意图当matlab作为一个“client”时的通讯示意图如图2，在“server”应用程序中的dde“server”模块与matlab的dde“client”模块进行通讯。matlab作为一个“client”和windows应用程序之间进行动态数据交换时比较方便，只需使用matlab的dde函数来建立和维持双方的对话。图2 matlab作为客户机时的通讯示意图matlab作为客户应用程序时，支持本格式的数据

11、传送，可以使用matlab中的dde客户端模块所提供的函数与服务器进行数据通信。matlab提供了七个客户函数，它们分别是ddeinit函数与服务器建立对话，建立成功则该函数返回一个通道号。以后的操作均对这个通道号进行。ddeadv函数请求建立热链。ddereq函数向服务器索要数据，返回值是存有数据的矩阵。ddepoke函数向服务器发送数据。ddeterm函数请求撤消与服务器已建立的热链连接。ddecxec函数用于向dde服务器应用程序发送执行命令。ddeunadv函数是释放连接。2.3 matlab与组态王的dde通信实现在本次设计中，matlab和组态王为实现双向数据自动传输，matlab

12、应用程序和组态王应用程序都既是客户程序又是服务器程序，所以采用热链方式。组态王具有dde动态数据通讯功能，能够和matlab进行数据交换。当组态王作为服务器或客户机程序时，设置dde的方法基本相同，都需要在定义io 变量时设置服务器程序的三个标识名，即：服务程序名、话题名、项目名。matlab和组态王同时作为dde服务器和客户机的使用方法如图3所示：图3 matlab和组态王的双向数据自动传输示意图matlab 的dde 传输程序设计在本次设计中，组态王编制的主控程序将从下位机读取的数据送到matlab 程序进行仿真计算，计算后将结果返回主程序，采用热链方式。dde 热链工作方式需要用ddea

13、dv。在matlab中建立m文件，输入以下程序，下面是matlab以热链方式与服务器连接的程序结构：matlab客户程序主体:%dde. m ，初始化dde 程序function dde = dde()global channel;channel = ddeinit(view,agname);if channel = = 0disp (dde initialization failed);elsedisp (dde initialization is ready);endrc = ddeadv(channel,ad. ai0,control(x),x); %ad.ai0为组态王中定义的io寄存

14、器。上述函数将matlab 与组态王的ad设备的ai0通道之间建立了热链接,一旦ai0的数据有变化,则调用control()函数进行处理。%control . m , 数据计算处理模块function uk = control (pv)channel = ddeinit (view,tagname);pv = ddereq(channel,ad. ai0) ; %将现场采集值赋给pvuk = (pv) ; %具体的计算式,如pid计算式ddepoke (channel ,da. ao0, uk) ; %将计算结果uk送给da.ao0寄存器control()函数根据现场测量值pv的变化进行相应的

15、计算处理后通过ddepoke将结果uk返回组态王的da.ao0寄存器，再经过da转换成模拟信号后到执行机构(调节阀)执行。组态王和matlab之间的dde通讯方便及时，从而可使用二者混合编程的方法实现一些具有复杂控制算法的控制系统的设计。3. 组态王界面的开发进入组态王开发系统后，就可以为每个工程建立数目不限的画面，在每个画面上生成互相关联的静态或动态图形对象。这些画面都是由“组态王”提供的类型丰富的图形对象组成的。系统为用户提供了矩形（圆角矩形）、直线、椭圆（圆）、扇形（圆弧）、点位图、多边形（多边线）、文本等基本图形对象，及按钮、趋势曲线窗口、报警窗口、报表等复杂的图形对象。提供了对图形对

16、象在窗口内任意移动、缩放、改变形状、复制、删除、对齐等编辑操作，全面支持键盘、鼠标绘图，并可提供对图形对象的颜色、线型、填充属性进行改变的操作工具。进入新建的组态王工程，选择工程浏览器左侧大纲项“文件画面”，在工程浏览器右侧用鼠标左键双击“新建”图标，在弹出对话框中选择相应的属性后，就可以在开发系统中利用工具箱进行组态画面的设置，本文设计的组态画面如图4所示：图4 组态界面上图是左面是水箱、调节阀、传感器等器件在组态王软件中的连接图；右上角的图本课题设计中的面板设置；右下角的图是测量过程中的实时曲线。3.1 建立组态王新工程要建立新的组态王工程，首先为工程指定工作目录（或称“工程路径” ）。组

17、态王用工作目录标识工程，不同的工程应置于不同的目录。工作目录下的文件由组态王自动管理。启动组态王工程管理器（projmanager），选择菜单“文件新建工程”或单击“新建”按钮，弹出如图5所示的对话框：图5 新建工程向导点击下一步, 在工程路径文本框中输入一个有效的工程路径，再点击下一步,为新建工程命名为“水箱液位仿人智能控制”，工程描述为“实验室建设”，并将新建的工程设置为当前工程，点击“完成”，其信息如图6所示:图6 新建工程基本信息3.2 com1的建立在工程浏览器中，从左边的工程目录显示区中选择“设备/com1”，然后在右边的内容显示区中双击“新建”图标，则弹出“设备配置向导”。然后根

18、据其提示配置dde设备。在com1设备配置中，连接对象设为xm类仪表，逻辑名称设为baitel，设备地址设为1，通讯方式为串口。其信息总结列表框如图7所示：图7 com1信息总结列表3.3 定义变量数据库是组态王软件的核心部分，工业现场的生产状况要以动画的形式反映在屏幕上，操作者在计算机前发布的指令也要迅速送达生产现场，所有这一切都是以实时数据库为中介环节，所以说数据库是联系上位机和下位机的桥梁。在touchview运行时，它含有全部数据变量的当前值。变量在画面制作系统组态王画面开发系统中定义，定义时要指定变量名和变量类型，某些类型的变量还需要一些附加信息。数据库中变量的集合形象地称为“数据词

19、典”，数据词典记录了所有用户可使用的数据变量的详细信息。在本文的设计中，共需要定义6个变量。选择工程浏览器左侧大纲项“数据库数据词典”，在工程浏览器右侧用鼠标左键双击“新建”图标，然后就可以根据提示完成各个变量的定义及修改。定义变量时主要需要设置变量的名字、变量类型、寄存器和变量类型。变量“测量值a”的信息总列表框如图8所示，它的主要作用是用于存储采样值。变量“过程值b”的信息总结列表框如图9所示，它的主要作用是存储matlab计算出来的控制量，其连接设备为采样设备。变量“设定值p”的信息总结列表框如图10所示，主要用于存储操作者想要控制的液位值。图8 变量“测量值a”的信息总结列表框图9 变

20、量“过程值b”的信息总结列表框图10 变量“设定值p”的信息总结列表框3.4 动画连接定义动画连接是指在画面的图形对象与数据库的数据变量之间建立一种关系，当变量的值改变时，在画面上以图形对象的动画效果表示出来；或者由软件使用者通过图形对象改变数据变量的值。一共有21种动画连接方式：属性变化：线属性变化、填充属性变化、文本属性变化。位置与大小变化：填充、缩放、旋转、水平移动、垂直移动。值输出： 模拟值输出、离散值输出、字符串输出。值输入：模拟值输入、离散值输入、字符串输入。特殊：闪烁、隐含、流动。滑动杆输入：水平、垂直。命令语言：按下时、弹起时、按住时。双击图形对象，可弹出“动画连接”对话框，如

21、图11所示：图11 动画连接对话框然后根据变量的性质，设置模拟值输出或输入等，比如变量“fmtov”的动画连接，点击模拟值输出弹出对话框如图12所示。在表达式中输入“本站点 fmtov”即可，其它的动画连接与此相似。图12 变量fmtov的动画连接对话框图 4. 系统的设备实现设计的下位机连的是a3000过程控制实验系统，整个部分设计在一个工业机柜中，开放性极强。一个前门，保证了设备防尘、散热等需要。控制系统结构图如图14所示。a3000过程控制实验系统过程控制系统包括a3000过程控制实验系统常规现场系统和a3000过程控制实验系统控制系统两个部分。a3000过程控制实验系统高级过程控制实验

22、系统独创现场系统概念，而不是对象系统。现场系统包括三个水箱，一个大储水箱，一个锅炉，一个工业用板式换热器，两个水泵，大功率加热管，滞后时间可以调整的滞后系统，一个硬件连锁保护系统。传感器和执行器系统包括5个温度、3个液位、1个压力，1个电磁流量计，1个涡轮流量计，1个电动调节阀，两个电磁阀，2个液位开关。现场系统包含两个支路。支路1有1#水泵，换热器，锅炉，还可以直接注水到三个水箱以及锅炉。支路2有2#水泵，压力变送器，电动调节阀，三个水箱，还有一路流入换热器进行冷却。a3000过程控制实验系统现场系统结构原理图如图13所示。在本次设计中，我们主要采用去支路2中的3#水箱和4#水箱，fv101

23、电调节阀，pt101压力传感器。a3000过程控制实验系统控制系统(a3000过程控制实验系统-cs)包括了传感器执行器i/o连接板、三个可换的子控制系统板，第三方控制系统接口板。图13 控制系统结构图标准机柜传感器执行器连接板第一级控制系统第三级控制系统第二级控制系统网关系统控制系统结构举例常规仪表，ddc，或plc实验接口rs485到以太网网络接入设备过程级管理级图14 a3000过程控制实验系统控制系统结构4.1 液位压力传感器本设计要用到一个液位压力传感器，接在下水箱的下部，用于测量下水箱的液位。液位传感器实际是一个压力传感器。当水箱液位高度不同时，传感器把接收到的不同信号传给matl

24、ab主控程序，实现其功能。液位压力传感器是两线制接法，输出信号为420ma电流信号。如图15所示： 图15 压力传感器接线原理图端口ab之间接负载(250500)。检验压力传感器信号时，在ab之间串一个标准电阻，然后测其上的压降，可以算出ab间的电流。无水时应显示3.854.00ma，吹入空气，电流值增大。液位传感器实际是一个压力传感器。当水箱中没有水时，ab间的电流应当为4.00ma(标准状态)，但由于安装位置原因，ab间的电流约为3.84.0ma(百特仪表量程范围设为420ma)。如果误差比较大，则可以在控制系统中进行校正。例如如果测量值低于4毫安，则直接显示0。然后测量值上加上一定高度，

25、从而获得比较准确的液位高度。一般过程控制不要求这个绝对高度。液位的控制范围在0%-85%之间，而电流范围在4-17.5ma之间。压力的控制范围在35%-70%之间，而电流范围10-15.5ma之间。4.2 电动调节阀本设计使用的调节阀为智能电动单座调节阀，主要由阀座和执行机构组成。等百分比特性。如图16所示。输入信号：420madc，输入阻抗：250/500。正作用，也就是随着输入的电流加大，开度加大。阀位反馈信号：420madc，输出最大负载：小于500断信号阀位置：可任意设置为保持/全开/全关。出厂设置为保持原来状态。电源：220v10%/50hz，温度0-50度，相对湿度小于85%。死区

26、：0.5-5%连续可调，出厂设置为1.5%。 图16 电动调节阀5. 软件编程在过程控制中，按偏差的比例（p）、积分（i）和微分（d）进行控制的pid控制器（亦称pid调节器）是应用最为广泛的一种自动控制器。它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点；而且在理论上可以证明，对于过程控制的典型对象“一阶滞后纯滞后”与“二阶滞后纯滞后”的控制对象，pid控制器是一种最优控制。pid调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法，它的参数整定方式简便，结构改变灵活（pi、pd、）。控制点目前包含三种比较简单的pid控制算法，分别是：增量式算法，位置式算法，微分先行。

27、本次设计中采用的是增量式算法在matlab中m文件编写控制算法。在增量式算法中，比例项与积分项的符号有以下关系：如果被控量继续偏离给定值，则这两项符号相同，而当被控量向给定值方向变化时，则这两项的符号相反。由于这一性质，当被控量接近给定值的时候，反号的比例作用阻碍了积分作用，因而避免了积分超调以及随之带来的振荡，这显然是有利于控制的。但如果被控量远未接近给定值，仅刚开始向给定值变化时，由于比例和积分反向，将会减慢控制过程。 为了加快开始的动态过程，我们可以设定一个偏差范围v，当偏差|e(t)|= 时，则不管比例作用为正或为负，都使它向有利于接近给定值的方向调整，即取其值为|e(t)-e(t-1

28、)|，其符号与积分项一致。利用这样的算法，可以加快控制的动态过程。在pid增量算法中，由于执行元件本身是机械或物理的积分储存单元，如果给定值发生突变时，由算法的比例部分和微分部分计算出的控制增量可能比较大，如果该值超过了执行元件所允许的最大限度，那么实际上执行的控制增量将时受到限制时的值，多余的部分将丢失，将使系统的动态过程变长，因此，需要采取一定的措施改善这种情况。纠正这种缺陷的方法是采用积累补偿法，当超出执行机构的执行能力时，将其多余部分积累起来，而一旦可能时，再补充执行。在matlab中建立m文件，在m文件中编写程序，其主程序要实现与组态王的dde通信功能，子程序实现pid算法。工作流程

29、图如图17所示图17 增量型pid工作流程图matlab以热链方式与服务器连接的程序结构：matlab客户程序主体:%dde. m ，初始化dde 程序function dde = dde()global channel;channel = ddeinit(view,agname);0if channel = = 0disp (dde initialization failed);elsedisp (dde initialization is ready);endrc = ddeadv(channel,ad. ai0,control(x),x); %ad.ai0为组态王中定义的io寄存器。上述

30、函数将matlab 与组态王的ad设备的ai0通道之间建立了热链接,一旦ai0的数据有变化,则调用control()函数进行处理。%control . m , 数据计算处理模块function uk = control (pv)channel = ddeinit (view,tagname);pv = ddereq(channel,ad. ai0) ; %将现场采集值赋给pvuk = (pv) ; %具体的计算式,如pid计算式ddepoke (channel ,da. ao0, uk) ; %将计算结果uk送给da.ao0寄存器control()函数根据现场测量值pv的变化进行相应的计算处理

31、后通过ddepoke将结果uk返回组态王的da.ao0寄存器，再经过da转换成模拟信号后到执行机构(调节阀)执行。主程序%liuyuyan.mglobal chann;chann=ddeinit(view,tagname);range40=real2;range43=real5;cb=ddeadv(chann,range43,control2(x),x);cc=ddeadv(chann,range40,control2(x),x);子程序%control.mfunction uk=control(pv)chann=ddeinit(view,tagname);range40=real2;pv=d

32、dereq(chann,range40);range41=real4;range42=real3;range43=real5;uk1=ddereq(chann,range41);e1=ddereq(chann,range42);p=ddereq(chann,range43);e=p-pv;fe=e-e1;接pid控制算法，由于本次设计与毕业设计是同一题目，所以这部分算法的编程有待于下学期继续完成。if uk=100 uk=100;endddepoke(chann, range42,e);ddepoke(chann, range41,uk);pause(10);6. 系统调试和结果分析调试过程的

33、一般步骤如下：（1）在a3000过程控制实验系统-fs上，打开手动调节阀pt102、jv102，调节下水箱闸板开度（可以稍微大一些），其余阀门关闭。（2）在a3000过程控制实验系统-cs上，将电磁调节阀输出连接到ai0，ao0输出连到电动调节阀上。（3）打开a3000过程控制实验系统电源。在a3000过程控制实验系统-fs上，启动右边水泵。（4）启动计算机组态软件，点击进入工程式：双容水箱液位过程监控系统设计。（5）进入组态王的运行环境。（6）启动调节器，设置控制液位。在组态王监控画面中，观察控制效果，并进行相应参数的修改，直到达到最佳控制效果。在组态王的运行界面，观察下水箱液位的时时曲线图

34、，将实际控制效果与我们计算的控制效果进行比较，找出其中失败的原因，根据其原因在控制程序中对相应的参数进行修改，直到达到最佳控制效果。进入组态王的运行界面时，显示不能与设置的dde设备进行连接。原因分析：在组态王中新建dde设备时，配置的dde设备的服务程序名、应用程序名和话题名可能不对。matlab在dde通讯中作为服务器使用时，有一个固定的dde名称体系，其话题名只能是system和engine，得根据其通讯情况选择其中的一个作为话题名，而不能选取别的。解决方法：在配置dde设备时，服务程序名任意选取，如matlab，应用程序名应设为固定的“matlab”，而话题名设为“engine”。7.

35、 结论及进一步设想本次课程设计是毕业设计的一部分，所以要求掌握的东西要多一些，还涉及到以前没接触过的内容如dde通信。通过两周的学习我能过熟练的创建组态界面、定义变量及动画连接。基本了解了matlab的dde通信，组态王的dde通信及matlab于组态王的dde通信。这些收获让我很高兴。本次课程设计能够顺利完成，很大部分都归功于王昱老师的帮助，正是她耐心的帮助与指导，才使我顺利完成了任务。同时在我做课程设计的过程中，许多同学也给我提出了宝贵的意见，也给了许多帮助，在此一并向他们表示最真挚的谢意！本文设计基于ga的双容水箱液位pid控制系统是在matlab、组态王和a3000过程控制实验系统三个独立应用软件组合应用的基础上实现的，它充分发挥了三个应用软件各自的优点，达到了比较好的控制效果。整个课题的开发过程主要包括了三个方面的内容，一是windows操作系统下组态王和a300