Intouch+PCL-812PG水箱液位控制系统设计(3)
稳定性是指当工业生产环境发生变化或受到随机因素的干扰和影响时，生产过程仍能不间断地平稳运行，并保持稳定的产品质量。生产过程中采用的各类控制系统主要就是针对各种干扰而设计的，它们对生产过程的平稳运行起到了关键性的作用[6]。
经济性是指在保证生产安全和产品质量的前提下，以最小的投资、最少的能耗和最低的成本，使生产装置在高效率运行中获取最大的经济收益。这是随着市场竞争的日益加剧，对过程控制提出的一项高标准要求，正在受到过去从未有过的重视。
1.4 论文研究内容及章节安排
本论文研究的内容是以实验室水箱系统为被控对象，利用PCL-812PG板卡实现液位定值控制系统的设计。接着用Intouch工业组态软件绘制监控界面，再利用DDE动态数据交换技术实现其与测控软件的实时数据交换。
论文分为五章，第一章介绍过程控制系统的发展概况及特点；第二章介绍实验室的水箱系统、PCL-812PG板卡和所用的增量式PID控制算法；第三章完成Intouch工业组态软件制作监控界面；第四章介绍单回路液位定值控制程序的编写以及DDE动态数据交换技术，完成监控界面和测控软件的实时数据交换；第五章是对运行结果的简单分析。
2 水箱控制系统及PID算法介绍
2.1 实验室水箱系统
实验室水箱系统图如图2-1所示。
图2-1 FESTO的水箱系统
本系统包括：水箱、连接管道、液位传感器、流量传感器、比例阀和水泵等。其中液位传感器、比例阀的工作电压为24V，液位传感器的测量范围为：0~400mm，输出信号范围为：0~5V直流电压。比例阀的控制电压为0~10V。
本次实验中，首先由液位传感器检测出水箱水位，通过PCL-812PG板卡A/D转换，变成数字信号后，输入计算机中。然后，在计算机中根据水位给定值与实际输出值之差，利用增量式PID控制算法得到控制量，再将控制量输出到PCL-812PG板卡的D/A口，由PCL-812PG板卡的输出模拟信号控制比例阀，从而形成一个单回路的闭环系统，实现液位定值的计算机自动控制。
2.2 PCL-812PG板卡功能介绍
PCL-812PG是为IBM或其他兼容计算机设计的一款高性能、高速多功能数据采集卡。它是一款ISA总线的半长卡，能够提供五种最需要的测量与控制功能，包括：A/D转换，D/A转换，数字量输入，数字量输出及计数器/定时功能。
该板卡在全部增益下最高可达到30KHz的高速采样率。它具有16 路单端输入和双极性输出，2 路12 位双缓冲模拟输出以及16 路数字输入和16 路数字输出，并且提供1 个通用定时/计数器。PCL-812PG板卡如图2-2所示。
图2-2 PCL-812PG板卡图片
2.3 PID控制算法介绍
随着控制理论的发展，各种控制策略也飞速发展，常见的控制算法有PID算法、Fuzzy模糊控制、Optimal优化控制、Robust控制和神经网络控制等等。本文使用的是增量式PID控制算法。
2.3.1 最优控制算法的评价
在规定的限度下，使被控系统的性能指标达到最佳状态的控制就是最优控制。
评价最优控制算法的两个主要问题是：
① 算法的收敛性或数值稳定性，它是保证计算过程能达到正确结果的前提。
② 算法的计算复杂性，这对实时控制具有特别重要的意义。一个好的算法应使计算量和存储量尽可能小，以便能由尽可能简单的计算机来实现计算。此外，好的算法还应具有较好的数值稳定性，即计算的结果对初始数据和运算过程的误差不过于敏感,以及处理问题的能力。
2.3.2 PID控制算法优势和发展
PID调节是连续系统中技术最成熟、应用最广泛的一种调节方式，其调节的实质是根据输入的偏差值，按比例、积分、微分的函数关系进行运算，其运算结果用于输出控制。PID控制算法在相当多的控制领域的应用中都取得了比较满意的效果，而由微机、单片机、DSP等数字芯片实现的数字PID控制算法，由于其软件系统的灵活性，使算法得到了进一步的修正和完善[7]。