《水箱液位控制系統(tǒng)畢業(yè)設計.doc》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《水箱液位控制系統(tǒng)畢業(yè)設計.doc（25頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、昌吉學院畢業(yè)設計題目 水箱液位控制系統(tǒng)的設計 系 別 物理系 專 業(yè) 能源工程及自動化 班 級 物理系B1105班 學 生 陳希嘉 學 號 1125862019 指 導 教 師 李斌 目 錄摘 要31 緒 論41.1過程控制的發(fā)展41.2液位控制系統(tǒng)實際應用中的意義41.3液位串級控制系統(tǒng)的介紹51.4 PLC的發(fā)展現(xiàn)狀51.4.1 PLC的定義51.4.2 PLC的發(fā)展現(xiàn)狀52 水箱液位控制系統(tǒng)總體方案的設計72.1液位控制系統(tǒng)組成72.2 流量液位串級控制系統(tǒng)的工作原理82.3 PID控制算法102.3.1 PLC中的PID算法102.3.2PID控制的各種常見的控制規(guī)律如下：112.4

2、串級控制系統(tǒng)的PID整定方法142.5選擇適合本系統(tǒng)的控制規(guī)律143 PLC系統(tǒng)的硬件配置163.1 S7-200的工作原理163.2PLC硬件配置173.2.1CPU的選擇173.2.2檢測裝置173.2.3執(zhí)行機構183.2.4執(zhí)行單元194 監(jiān)控系統(tǒng)MCGS214.1實驗過程224.2 實驗結果分析234.2.1 整定過程分析234.3 實驗結果23總結25摘 要隨著生產水平和科學技術的不斷發(fā)展，現(xiàn)代控制系統(tǒng)的規(guī)模日趨大型化、復雜化，控制對象變得越來越復雜，應用常規(guī)PID控制，系統(tǒng)的精度和魯棒性較差。為適應復雜系統(tǒng)的控制要求，人們研制了種類繁多的先進的智能控制器，PID控制器便是其中之一

3、。這篇論文的目的是設計一個水箱液位串級控制系統(tǒng)，為了實現(xiàn)對水箱液位的串級控制，采用了計算機技術，通訊技術，自動化儀表技術和自動控制技術。首先我們要對被控對象進行分析，根據(jù)被控對象和被控過程特性設計一個串級控制系統(tǒng)。通過畢業(yè)設計，加深對所學傳感器技術、轉換技術、電子技術、自動控制原理以及過程控制的基本原理、基本知識的理解和應用，掌握串級控制系統(tǒng)的設計步驟和方法，掌握工程整定參數(shù)方法，培養(yǎng)創(chuàng)新意識，增強動手能力，為今后工作打下一定的理論和實踐基礎1 緒 論 1.1過程控制的發(fā)展自本世紀30年代以來，伴隨著自動控制理論的日趨成熟，自動化技術不斷地發(fā)展并獲得了驚人的成就，在工業(yè)生產和科學發(fā)展中起著關鍵

4、性的作用。過程控制技術是自動化技術的重要組成部分，普遍運用于石油，化工，電力，冶金，輕工，紡織，建材等工業(yè)部門。初期的過程控制系統(tǒng)采用基地式儀表和部分單元組合儀表，過程控制系統(tǒng)結構大多是單輸入，單輸出系統(tǒng)，過程控制理論是以頻率法和根軌跡法為主體的經典控制理論，以保持被控參數(shù)液位，溫度，壓力，流量的穩(wěn)定和消除主要擾動為控制目的過程。其后，串級控制，比值控制和前饋控制等復雜過程控制系統(tǒng)逐步應用于工業(yè)生產中，氣動和電動單元組合儀表也開始大量采用，同時電子技術和計算機技術開始應用于過程控制領域，實現(xiàn)了直接數(shù)字控制（DDC）和設定值控制（SPC）。隨著工業(yè)技術的進步，工業(yè)自動化技術在各領域已百花齊放，過

5、程控制是自動化技術的重要組成部分。在現(xiàn)代工業(yè)生產自動化中，過程控制技術正在為實現(xiàn)各種最優(yōu)的技術經濟指標、提高經濟效益和勞動生產率、節(jié)約能源、改善勞動條件、保護環(huán)境衛(wèi)生等方面起著越來越大的作用。1.2液位控制系統(tǒng)實際應用中的意義為了解決人工控制的控制準度低、控制速度慢、靈敏度低等一系列問題。從而我們現(xiàn)在就引入了工業(yè)生產的自動化控制。在自動化控制的工業(yè)生產過程中，尤其是在石油化工環(huán)保水處理冶金等行業(yè)，液位是過程控制系統(tǒng)的重要被控量，在實際工業(yè)生產過程中，常常需要對某些設備和容器的液位進行測量和控制。通過液位的檢測與控制，了解容器中的原料半成品或成品的數(shù)量，以便調節(jié)容器內的輸入輸出物料的平衡，保證生

6、產過程中各環(huán)節(jié)的物料搭配得當。通過控制計算機可以不斷監(jiān)控生產的運行過程，即時地監(jiān)視或控制容器液位，保證產品的質量和數(shù)量。如果控制系統(tǒng)設計欠妥，系統(tǒng)的液位是否穩(wěn)定，會造成生產中對液位控制的不合理，導致原料的浪費產品的不合格，影響工業(yè)生產的安全與否、生產效率的高低、能源是否能夠得到合理的利用等一系列重要的問題。隨著現(xiàn)在工業(yè)控制的要求越來越高，甚至造成生產事故，所以設計一個良好的液位控制系統(tǒng)在工業(yè)生產中有著重要的實際意義。 水箱液位控制實驗系統(tǒng)是一個研究和開發(fā)先進的控制方法、策略的平臺，它具有體積小、功耗小、靈活安全等諸多優(yōu)點，它不僅能夠完成控制系統(tǒng)的設計，還可以通過大量的實驗來對系統(tǒng)進行優(yōu)化。它是

7、專門針對于過程控制中液位控制研究的實驗研究系統(tǒng)，它包含有溫度、壓力、液位等多種被控變量，通過 PLC 上位機軟件設計控制器，可實現(xiàn)多種控制方式。同時也可以對液位控制系統(tǒng)的控制策略進行設計、驗證與研究。水箱液位控制系統(tǒng)的研究與設計為解決實際工程應用提供了良好的研發(fā)平臺。1.3液位串級控制系統(tǒng)的介紹在單回路控制系統(tǒng)是過程控制中結構最簡單的一種形式，它只用一個調節(jié)器，調節(jié)器也只有一個輸入信號，從系統(tǒng)方框圖看，只有一個閉環(huán)。在大多數(shù)情況下，這種簡單系統(tǒng)已經能夠滿足工藝生產的要求，因此，它是一種最基本的、使用最廣泛的控制系統(tǒng)。但是也有另外一些情況，譬如調節(jié)對象的動態(tài)特性決定了它很難控制，而工藝對調節(jié)質量

8、的要求又很高；或者調節(jié)對象的動態(tài)特性雖然并不復雜，但控制的任務卻比較特殊，則單回路控制系統(tǒng)就無能為力了，而串級控制系統(tǒng)可以改善和提高控制品質。單回路控制系統(tǒng)是過程控制中結構最簡單的一種形式，它只用一個調節(jié)器，調節(jié)器也只有一個輸入信號，從系統(tǒng)方框圖看，只有一個閉環(huán)。在大多數(shù)情況下，這種簡單系統(tǒng)已經能夠滿足工藝生產的要求。但在復雜的控制系統(tǒng)中，則需在單回路的基礎上，采取其它措施，組成復雜控制系統(tǒng)，而串級控制系統(tǒng)就是其中一種改善和提高控制品質的極為有效的控制系統(tǒng)。液位和流量是工業(yè)生產過程中最常用的兩個參數(shù)，對液位和流量進行控制的裝置在工業(yè)生產中應用的十分普遍。液位的時間常數(shù)T一般很大，因此有很大的容

9、積遲延，如果用單回路控制系統(tǒng)來控制，可能無法達到較好的控制質量。而串級控制系統(tǒng)則可以起到十分明顯的提高控制質量的效果，因此往往采用串級控制系統(tǒng)對液位進行控制。1.4 PLC的發(fā)展現(xiàn)狀1.4.1 PLC的定義國際工委員會（IEC）曾于1982年11月頒布了可編程控制器標準草案第一稿，1985年1月又發(fā)表了第二稿，1987年2月頒布了第三稿。該草案中對可編程控制器的定義是“可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計。它采用了可編程的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術計算等面向用戶的指令，并通過數(shù)字量和模擬量的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生

10、產過程。可編程控制器及其有關外圍設備，都按易于與工業(yè)系統(tǒng)聯(lián)成一個整體、易于擴充其功能的原則設計。1.4.2 PLC的發(fā)展現(xiàn)狀20世紀70年代中末期，可編程控制器進入實用化發(fā)展階段，計算機技術已全面引入可編程控制器中，使其功能發(fā)生了飛躍。更高的運算速度、超小型體積、更可靠的工業(yè)抗干擾設計、模擬量運算、PID功能及極高的性價比奠定了它在現(xiàn)代工業(yè)中的地位。20世紀80年代初，可編程控制器在先進工業(yè)國家中已獲得廣泛應用。這個時期可編程控制器發(fā)展的特點是大規(guī)模、高速度、高性能、產品系列化。這個階段的另一個特點是世界上生產可編程控制器的國家日益增多，產量日益上升。這標志著可編程控制器已步入成熟階段。 上世

11、紀80年代至90年代中期，是PLC發(fā)展最快的時期，年增長率一直保持為3040%。在這時期，PLC在處理模擬量能力、數(shù)字運算能力、人機接口能力和網(wǎng)絡能力得到大幅度提高，PLC逐漸進入過程控制領域，在某些應用上取代了在過程控制領域處于統(tǒng)治地位的DCS系統(tǒng)。 20世紀末期，可編程控制器的發(fā)展特點是更加適應于現(xiàn)代工業(yè)的需要。從控制規(guī)模上來說，這個時期發(fā)展了大型機和超小型機；從控制能力上來說，誕生了各種各樣的特殊功能單元，用于壓力、溫度、轉速、位移等各式各樣的控制場合；從產品的配套能力來說，生產了各種人機界面單元、通信單元，使應用可編程控制器的工業(yè)控制設備的配套更加容易。目前，可編程控制器在機械制造、石

12、油化工、冶金鋼鐵、汽車、輕工業(yè)等領域的應用都得到了長足的發(fā)展。 我國可編程控制器的引進、應用、研制、生產是伴隨著改革開放開始的。最初是在引進設備中大量使用了可編程控制器。接下來在各種企業(yè)的生產設備及產品中不斷擴大了PLC的應用。目前，我國自己已可以生產中小型可編程控制器。上海東屋電氣有限公司生產的CF系列、杭州機床電器廠生產的DKK及D系列、大連組合機床研究所生產的S系列、蘇州電子計算機廠生產的YZ系列等多種產品已具備了一定的規(guī)模并在工業(yè)產品中獲得了應用。此外，無錫華光公司、上海鄉(xiāng)島公司等中外合資企業(yè)也是我國比較著名的PLC生產廠家?？梢灶A期，隨著我國現(xiàn)代化進程的深入，PLC在我國將有更廣闊的

13、應用天地。2 水箱液位控制系統(tǒng)總體方案的設計液位控制系統(tǒng)實際是通過控制流量對液位進行控制的，液位的時間常數(shù)T一般很大，因此有很大的容積遲延，如果用液位做為反饋信號進行單一回路控制，控制質量難以達到要求。而串級控制系統(tǒng)可以將流量納入副回路進行控制，不僅有效地克服了流量對液位造成的干擾，能夠對液位實行較快的控制。本系統(tǒng)的設計將在SUPCON高級過程控制實驗裝置的基礎上，通過PLC及各傳感、執(zhí)行單元、上位機，以流量液位串級控制策略和的PID控制算法，努力使系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)性能，改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。當然，還有一些其它的克服大容積遲延的控制方案，例如前饋控制、大遲延滯后補償控制。但它們較難用一般常規(guī)儀

14、表來實現(xiàn)，在經濟性和簡便性上不如串級控制。2.1液位控制系統(tǒng)組成液位控制系統(tǒng)的構成如下圖2.1中所示，開度調節(jié)閥流量調節(jié)器流量測量變送器液位對象U儲水箱液位調節(jié)器液位測量變送器水泵上位機PLC圖2.1液位控制系統(tǒng)的組成結構該水箱流量和液位串級控制系統(tǒng)主要由水箱、管道、水泵、電動調節(jié)閥、液位傳感器、渦輪流量計、可編程控制器及其輸入（檢測）輸出（控制）通道電路構成。系統(tǒng)包括3路信號，測量信號有2個分別是上水箱液位和管道流量，變送過來以后是標準的模擬信號控制信號，有1個用來控制電動閥門的開度。PLC的模擬量輸入模塊SM235相連，SM235和CPU直接相連。系統(tǒng)接通電源后，水泵開始工作，將儲水箱里的

15、水泵送至管道，水流經管道后進入水箱。管道里連接流量變送器檢測管道水的流量，水箱底部連接液位傳感器檢測液位，并轉換成模擬信號后傳送給的模擬量輸入接口。通過上位機組態(tài)界面設置液位給定值，PLC采用PID算法得出電動調節(jié)閥開度調節(jié)電動調節(jié)閥控制流量，實現(xiàn)流量的控制，最終能夠控制水箱內水的液位。2.2 流量液位串級控制系統(tǒng)的工作原理該系統(tǒng)有主調節(jié)器、副調節(jié)器兩個控制回路串接工作，液位控制是外回路（主調節(jié)器）負責液位的定值控制，流量控制是隨動控制的內回路（副調節(jié)器）。，串級控制系統(tǒng)的目的是為了更好地穩(wěn)定主變量，使之等于給定值，圖2.2是串級控制系統(tǒng)的方框圖。副調節(jié)器電動閥流量水箱液位流量變送器液位變送器

16、h（液位）一次干擾二次干擾給定值+-+-Q1主調節(jié)器調節(jié)器圖2.2串級控制系統(tǒng)方框圖主變量就是主回路的輸出，所以說主回路是定值控制系統(tǒng)。副回路的輸出是副變量，副回路的給定值是主控制器的輸出，所以在串級控制系統(tǒng)中，副變量不是要求不變的，而是要求隨主控制器的輸出變化而變化，因此是一個隨動控制系統(tǒng)。主控制器的輸出作為副控制器的給定值，副控制器的輸出去操縱控制閥，以實現(xiàn)對變量的定值控制其中主調節(jié)器有自己獨立的給定值R，它的輸出m1作為副調節(jié)器的給定值，副調節(jié)器的輸出m2控制執(zhí)行器，以改變主參數(shù)C1。在串級控制系統(tǒng)中，主、副調節(jié)器所起的作用是不同的。主調節(jié)器起定值控制作用，它的控制任務是使主參數(shù)等于給定

17、值（無余差），故一般宜采用PI或PID調節(jié)器。由于副回路是一個隨動系統(tǒng)，它的輸出要求能快速、準確地復現(xiàn)主調節(jié)器輸出信號的變化規(guī)律，對副參數(shù)的動態(tài)性能和余差無特殊的要求，因而副調節(jié)器可采用P或PI調節(jié)器。本系統(tǒng)的主控量為上水箱的液位高度H，副控量為氣動調節(jié)閥支路流量Q，它是一個輔助的控制變量。系統(tǒng)由主、副兩個回路所組成。主回路是一個定值控制系統(tǒng)，要求系統(tǒng)的主控制量H等于給定值，因而系統(tǒng)的主調節(jié)器應為PI或PID控制。副回路是一個隨動系統(tǒng)，要求副回路的輸出能正確、快速地復現(xiàn)主調節(jié)器輸出的變化規(guī)律，以達到對主控制量H的控制目的，因而副調節(jié)器可采用P控制。但選擇流量作副控參數(shù)時，為了保持系統(tǒng)穩(wěn)定，比例

18、度必須選得較大，這樣比例控制作用偏弱，為此需引入積分作用，即采用PI控制規(guī)律。引入積分作用的目的不是消除靜差，而是增強控制作用。顯然，由于副對象管道的時間常數(shù)小于主對象上水箱的時間常數(shù)，因而當主擾動（二次擾動）作用于副回路時，通過副回路快速的調節(jié)作用消除了擾動的影響。1克服被控過程較大的容量滯后在過程控制系統(tǒng)中，被控過程的容量滯后較大，特別是一些被控量是溫度等參數(shù)時，控制要求較高，如果采用單回路控制系統(tǒng)往往不能滿足生產工藝的要求。利用串級控制系統(tǒng)存在二次回路而改善過程動態(tài)特性，提高系統(tǒng)工作頻率，合理構造二次回路，減小容量滯后對過程的影響，加快響應速度。在構造二次回路時，應該選擇一個滯后較小的副

19、回路，保證快速動作的副回路。2克服被控過程的純滯后被控過程中存在純滯后會嚴重影響控制系統(tǒng)的動態(tài)特性，使控制系統(tǒng)不能滿足生產工藝的要求。使用串級控制系統(tǒng)，在距離調節(jié)閥較近、純滯后較小的位置構成副回路，把主要擾動包含在副回路中，提高副回路對系統(tǒng)的控制能力，可以減小純滯后對主被控量的影響。改善控制系統(tǒng)的控制質量。3抑制變化劇烈幅度較大的擾動串級控制系統(tǒng)的副回路對于回路內的擾動具有很強的抑制能力。只要在設計時把變化劇烈幅度大的擾動包含在副回路中，即可以大大削弱其對主被控量的影響。4.克服被控過程的非線性在過程控制中，一般的被控過程都存在著一定的非線性。這會導致當負載變化時整個系統(tǒng)的特性發(fā)生變化，影響控

20、制系統(tǒng)的動態(tài)特性。單回路系統(tǒng)往往不能滿足生產工藝的要求，由于串級控制系統(tǒng)的副回路是隨動控制系統(tǒng)，具有一定的自適應性，在一定程度上可以補償非線性對系統(tǒng)動態(tài)特性的影響。2.3 PID控制算法2.3.1 PLC中的PID算法常規(guī)的PID控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成。PID算法的輸入量e是設定值r和檢測值y的偏差量，即 ，經過運算，并輸出控制信號u。PID控制算法的理想形式為 式中 控制器比例增益；積分時間； 微分時間。PLC對PID控制算法計算需要得到它的離散表達式。由連續(xù)的PID算法換算成離散的表達式如下： 其中， 為采樣周期。S7-200 PLC中用的是PID控制的

21、增量算法落實是增量還是未知為相鄰兩次采樣時刻所計算的位置值之差，即 S7-200 PLC的PID指令中，PID控制算法是基于理想PID控制算法的改進得到的。其微分項采用微分先行改進，積分項采用抗積分飽和法改進。微分先行，是指只對被控量微分，而對偏差無微分作用，這樣避免了當改變設定值時對系統(tǒng)產生沖擊?？癸柡头e分，是指對計算出的控制量限幅。在S7-200 PLC中，積分項的積分公式為式中第n次采樣的積分項數(shù)值；第n次采樣的設定值數(shù)值；第n次采樣的檢測值數(shù)值第n-1次采樣的積分項數(shù)值。對控制量的限幅為式中第n次采樣的比例計算輸出數(shù)值；第n次采樣的積分計算輸出數(shù)值；第n次采樣的PID控制量計算輸出數(shù)值

22、。通過按照上述方式調節(jié)，一旦計算輸出返回適當范圍即可實現(xiàn)系統(tǒng)應答能力的改善?？刂屏恳脖还潭ㄔ?.01.0。2.3.2PID控制的各種常見的控制規(guī)律如下：一、比例調節(jié)（P調節(jié)）在P調節(jié)中，調節(jié)器的輸出信號與偏差信號成比例，即 （3.1） 式中Kc稱為比例增益（視情況可設置為正或負）, 為調節(jié)器的輸出，是對調節(jié)器起始值的增量，的大小可以通過調整調節(jié)器的工作點加以改變。在過程控制中習慣用比例增益的倒數(shù)表示調節(jié)器輸入與輸出之間的比例關系： （3.2）其中稱為比例帶。比例調節(jié)的顯著特點就是有差調節(jié)。比例調節(jié)的余差隨著比例帶的加大而加大。從這一方面考慮，人們希望盡量減小比例帶。然而，減小比例帶就等于加大調

23、節(jié)系統(tǒng)的開環(huán)增益，其后果是導致系統(tǒng)激烈振蕩甚至不穩(wěn)定。穩(wěn)定性是任何閉環(huán)控制系統(tǒng)的首要要求，比例帶的設置必須保證系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定裕度。此時，如果余差過大，則需通過其它的途徑解決。很大意味著調節(jié)閥的動作幅度很小，因此被調量的變化比較平穩(wěn),甚至可以沒有超調，但余差很大，調節(jié)時間也很長。減小就加大了調節(jié)閥的動作幅度，引起被調量來回波動，但系統(tǒng)仍可能是穩(wěn)定的，余差相應減小。具有一個臨界值，此時系統(tǒng)處于穩(wěn)定邊界的情況，進一步減小系統(tǒng)就不穩(wěn)定了。二、積分調節(jié)（I調節(jié)）的特點在I調節(jié)中，調節(jié)器的輸出信號的變化速度(t)/t與偏差信號e成正比，即 （或 （3.4）式中KI稱為積分速度，可視情況取正值或負值。上

24、式表明，調節(jié)器的輸出與偏差信號的積分成正比。I調節(jié)的特點是無差調節(jié)，與P調節(jié)的有差調節(jié)形成鮮明對比。式（3.3）表明，只有當被調量偏差e為零時，I調節(jié)器的輸出才會保持不變。然而與此同時，調節(jié)器的輸出卻可以停在任何數(shù)值。這意味著被控對象在負荷擾動的調節(jié)過程結束后，被調量沒有余差，而調節(jié)閥則可以停在新的負荷所要求的開度上。I調節(jié)的另一特點是它的穩(wěn)定作用比P調節(jié)差。例如，根據(jù)奈氏穩(wěn)定判據(jù)可知，對于非自衡的被控對象采用P調節(jié)時，只要加大比例帶總可以使系統(tǒng)穩(wěn)定（除非被控對象含有一個以上的積分環(huán)節(jié)）；如果采用I調節(jié)則不可能得到穩(wěn)定的系統(tǒng)。對于同一個被控對象，采用I調節(jié)時其調節(jié)過程的進行總比采用P調節(jié)時緩慢

25、，表現(xiàn)在振蕩頻率較低。把它們各自在穩(wěn)定邊界上的振蕩頻率加以比較就可以知道，在穩(wěn)定邊界上若采用P調節(jié)則被控對象須提供180相角滯后。若采用I調節(jié)則被控對象只須提供90相角滯后。這就說明用I調節(jié)取代P調節(jié)就會降低系統(tǒng)的振蕩頻率。采用I調節(jié)時，控制系統(tǒng)的開環(huán)增益與積分速度KI成正比。因此，增大積分速度將會降低控制系統(tǒng)的穩(wěn)定程度，直到最后出現(xiàn)發(fā)散的振蕩過程。因為KI愈大，則調節(jié)閥的動作愈快，就愈容易引起和加劇振蕩。但與此同時，振蕩頻率將愈來愈高，而最大動態(tài)偏差則愈來愈小。被調量最后都沒有余差，這是I調節(jié)的特點。三、比例積分調節(jié)（PI調節(jié)）PI調節(jié)就是綜合P、I兩種調節(jié)的優(yōu)點，利用P調節(jié)快速抵消干擾的影

26、響，同時利用I調節(jié)消除余差。它的調節(jié)規(guī)律為： (3.5)或 (3.6)式中為比例帶，可為積分時間。和是PI調節(jié)器的兩個重要參數(shù)。圖3.1是PI調節(jié)器的階躍響應，它是由比例動作和積分動作兩部分組成的。在施加階躍輸入的瞬間，調節(jié)器立即輸出一個幅值為e/的階躍，然后以固定速度e/TI變化。當t=TI時，調節(jié)器的總輸出為2e/。這樣，就可以根據(jù)圖3.1確定和TI的數(shù)值。還可以注意到，當t=TI時，輸出的積分部分正好等于比例部分。由此可見，TI可以衡量積分部分在總輸出中所占的比重：TI愈小，積分部分所占的比重愈大。tTIOKcA2KcAu(t)tOAe(t)圖3.11PI調節(jié)器引入積分動作帶來消除余差之

27、好處的同時，卻降低了原有系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為保持控制系統(tǒng)原來的衰減率，PI調節(jié)器比例帶必須適當加大，這樣會使調節(jié)時間ts增大，最大偏差也會增大。四、微分調節(jié)的特點比例調節(jié)和積分調節(jié)都是根據(jù)當時偏差的方向和大小進行調節(jié)的，而不管那時被控對象中流入量與流出量之間有多大的不平衡，而這個不平衡正決定著此后被調量將如何變化的趨勢。由于被調量的變化速度（包括其大小和方向）可以反映當時或稍前一些時間流入、流出量之間的不平衡情況，因此，如果調節(jié)器能夠根據(jù)被調量的變化速度來移動調節(jié)閥，而不要等到被調量已經出現(xiàn)較大偏差后才開始動作，那么調節(jié)的效果將會更好，等于賦予調節(jié)器以某種程度的預見性，這種調節(jié)動作稱為微分調節(jié)。此

28、時調節(jié)器的輸出與被調量或其偏差對于時間的導數(shù)成正比，即 (3.7)然而，單純按上訴規(guī)律動作的調節(jié)器是不能工作的。這是因為實際的調節(jié)器都有一定的失靈區(qū)，如果被控對象的流入、流出量只相差很少以致被調量只以調節(jié)器不能察覺的速度緩慢變化時，調節(jié)器并不會動作。但是經過相當長時間以后，被調量偏差卻可以積累到相當大的數(shù)字而得不到校正。這種情況當然是不能允許的。因此微分調節(jié)只能起輔助的調節(jié)作用，它可以與其它調節(jié)動作結合成PD和PID調節(jié)動作。2.4 串級控制系統(tǒng)的PID整定方法在工程實踐中，串級控制系統(tǒng)常用的整定方法有以下三種：1、逐步逼近法：在主回路斷開的情況下，按照單回路的整定方法求取副調節(jié)器的整定參數(shù)，

29、把副調節(jié)器的參數(shù)設置在所求的數(shù)值上，然后使主回路閉合，仍按單回路整定方法求取主調節(jié)器的整定參數(shù)。爾后，將主調節(jié)器參數(shù)設置在所求得的數(shù)值上，再進行整定，求取第二次副調節(jié)器的整定參數(shù)值，然后再整定主調節(jié)器。依此類推，逐步逼近，直至滿足動態(tài)品質指標要求為止。2、兩步整定法：兩步整定法就是第一步整定副調節(jié)器參數(shù)，第二步整定主調節(jié)器參數(shù)。整定的具體步驟為： (1) 在工況穩(wěn)定，主回路閉合，主、副調節(jié)器都在純比例作用條件下，主調節(jié)器的比例度置于100%，然后用單回路控制系統(tǒng)的衰減（如4：1）曲線法來整定副回路。記下相應的比例度2S和振蕩周期T2S。(2) 將副調節(jié)器的比例度置于所求得的2S值上，且把副回路

30、作為主回路中的一個環(huán)節(jié)，用同樣方法整定主回路，求取主回路的比例度1S和振蕩周期T1S。(3) 根據(jù)求取的1S、T1S和2S、T2S值，按單回路系統(tǒng)衰減曲線法的整定公式，計算主、副調節(jié)器的比例度、積分時間TI和微分時間Td的數(shù)值。(4) 按“先副后主”，“先比例后積分最后微分”的整定程序，設置主、副調節(jié)器的參數(shù)，再觀察過渡過程曲線，必要時進行適當?shù)卣{整，直到過程的動態(tài)品質達到滿意為止。3、一步整定法：一步整定法，就是根據(jù)經驗先確定副調節(jié)器的參數(shù)，然后將副回路作為主回路的一個環(huán)節(jié)，按單回路反饋控制系統(tǒng)的整定方法整定主調節(jié)器的參數(shù)。具體的整定步驟為：(1) 在工況穩(wěn)定，系統(tǒng)為純比例作用的情況下，根據(jù)

31、K02/20.5這一關系式，通過副回路的放大系數(shù)K02，求取副調節(jié)器的比例放大系數(shù)2或按經驗選取，并將其設置在副調節(jié)器上。(2) 按照單回路控制系統(tǒng)的任一種參數(shù)整定方法來整定主調節(jié)器的參數(shù)。(3) 改變給定值，觀察被控制量的響應曲線。根據(jù)主調節(jié)器放大系數(shù)K1 和副調節(jié)器放大系數(shù)K2的匹配原理，適當調整調節(jié)器的參數(shù)，使主參數(shù)的動態(tài)品質指標最佳。(4) 如果出現(xiàn)較大的振蕩現(xiàn)象，只要加大主調節(jié)器的比例度或增大積分時間常數(shù)TI，即可得到改善。2.5選擇適合本系統(tǒng)的控制規(guī)律一般來說，對于串級控制系統(tǒng)，主變量不允許有余差。而對副變量的要求一般都不是很嚴格，允許它有波動和余差。為了主變量的穩(wěn)定，主調節(jié)器必須

32、具有積分作用。因此，主調節(jié)器通常都選用比例積分規(guī)律。有時，對象控制通道容量滯后比較大（像溫度對象和成分對象等），為了克服容量滯后，選用比例積分微分三作用的調節(jié)器作為主調節(jié)器。副調節(jié)器的給定值隨主調節(jié)器輸出的變化而變化，為了能快速跟蹤，副調節(jié)器一般不設置積分作用，微分作用也不需要，因為當副調節(jié)器有微分作用時，一旦主調節(jié)器的輸出稍有變化，執(zhí)行機構就將大幅度地變化。但副調節(jié)器容量滯后比較大時，可以適當加一點微分作用，一般情況下，副調節(jié)器只需用比例作用就可以了。本系統(tǒng)的液位對象容量滯后比較大，故主調節(jié)器選用比例積分微分調節(jié)作用，而流量對象時間常數(shù)很小，副調節(jié)器只用比例作用。3 PLC系統(tǒng)的硬件配置SI

33、MATIC S7-200系列是西門子公司20世紀90年代投入市場的小型可編程序控制器，適用于各行各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動化。S7-200系列的強大功能使其無論在獨立運行中或相連成網(wǎng)絡皆能實現(xiàn)復雜控制功能，其應用領域極為廣泛，覆蓋所有與自動檢測、自動化控制有關的工業(yè)及民用領域。3.1 S7-200的工作原理S7-200采用循環(huán)掃描方式，一個掃描周期一般包括五個階段:輸入處理、執(zhí)行程序、處理通訊請求、執(zhí)行CPU自診斷測試和寫輸出。 輸入處理階段對個數(shù)字量輸入點的當前狀態(tài)進行輸入掃描，并將各掃描結果分別寫入對應的映像寄存器中。在執(zhí)行程序階段，CPU從第一條指令開始順序取指令并執(zhí)行，直到最后

34、一條指令結束。執(zhí)行指令時從映像寄存器中讀取各輸入點的狀態(tài)，每條指令的執(zhí)行是對各數(shù)據(jù)進行算術或邏輯運算，然后將運算結果送到輸出映像寄存器中。在掃描周期的信息處理階段，CPU自動檢測并處理各通訊端口接收到的任何信息。即檢查是否有編程器、計算機等的通信請求，若有則進行相應處理，在這一階段完成數(shù)據(jù)通訊任務。CPU自診斷階段，CPU檢測主機硬件，同時也檢查所有的輸入輸出模塊的狀態(tài)。如果發(fā)現(xiàn)異常，則停機并顯示出錯。若自診斷正常，繼續(xù)向下掃描。寫輸出階段，CPU用輸出映像寄存器中的數(shù)據(jù)幾乎同時集中對輸出點進行刷新，通過輸出部件轉換成被控設備所能接受的電壓或電流信號，以驅動被控設備。掃描周期執(zhí)行的任務依賴于C

35、PU的工作模式，S7-200 CPU有兩種操作模式：STOP模式和RUN模式。對于掃描周期，STOP模式和RUN模式的主要差別是在RUN模式下運行用戶程序，而在STOP模式下不運行用戶程序。PLC包括中央處理單元(CPU)、存儲器、電源，采用循環(huán)掃描的工作方式1）每次掃描過程。集中對輸入信號進行采樣并對輸出信號進行刷新。 2）輸入刷新過程。當輸入端口關閉時，程序在進行執(zhí)行階段時，輸入端有新狀態(tài)，新狀態(tài)不能被讀入。只有程序進行下一次掃描時，新狀態(tài)才被讀入。 3）一個掃描周期分為輸入采樣，程序執(zhí)行，輸出刷新。 4）元件映象寄存器的內容是隨著程序的執(zhí)行變化而變化的。 5）掃描周期的長短由三條決定：C

36、PU執(zhí)行指令的速度；指令本身占有的時間；指令條數(shù)。 3.2PLC硬件配置3.2.1CPU的選擇S7-200系列PLC可提供4種不同的基本單元和6種型號的擴展單元如表2.1所示。其系統(tǒng)構成包括基本單元、擴展單元、編程器、存儲卡、寫入器等。表2.1 S7-200系列CPU22X單元型號輸入點輸出點可帶擴展模塊數(shù)S7-200CPU221640S7-200CPU222862個擴展模塊S7-200CPU22424107個擴展模塊S7-200CPU224XP24167個擴展模塊S7-200CPU22624167個擴展模塊本論文采用的是CPU222： 8路輸入、6路輸出?？蛇B接2個擴展模塊， 26K字節(jié)程序

37、和數(shù)據(jù)存儲空間。6個獨立的30kHz高速計數(shù)器，2路獨立的20kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。2個RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。I/O端子排可很容易地整體拆卸?？赏耆m應于一些復雜的中小型控制系統(tǒng)。3.2.2檢測裝置壓力傳感器、變送器：采用SIEMENS帶PROFIBUS-PA通訊協(xié)議的壓力傳感器和工業(yè)用的擴散硅壓力變送器，擴散硅壓力變送器含不銹鋼隔離膜片，同時采用信號隔離技術，對傳感器溫度漂移跟隨補償。對于不可壓縮的液體，液位高度與液體的靜壓力成正比，所以測出液體的靜壓力，即可知道液體的高度圖3.1測量變送環(huán)節(jié)的作用是將工業(yè)生產過程中的參

38、數(shù)經過檢測、變送單元轉換成標準信號。在模擬儀表中，標準信號通常采用420mADC、15VDC的電流（電壓）信號，或20100kPa的氣壓信號；在現(xiàn)場總線儀表中，標準信號是指數(shù)字信號。因在水箱液位控制系統(tǒng)中測量的是水箱液位，所以實驗室選用的是壓力液位變送器。液位傳感器用來對水箱的液位進行檢測，對控制精度有直接的影響，DBYG擴散硅壓力變送器是一種新型的壓力檢測儀表。壓力測量頭的核心部件是擴散硅壓力傳感器，因此沒有可動部件，抗震性能優(yōu)良。儀表在工業(yè)測量和自動調節(jié)系統(tǒng)中作為檢測環(huán)節(jié)用來測量液體、氣體或蒸氣的壓力，并將被測參量轉換成420mADC的標準電流信號輸出，與其它儀表配合實現(xiàn)生產過程中的自動檢

39、測和控制。另外，本變送器按標準的二線制傳輸，采用高品質、低功耗的精密器件，穩(wěn)定性、可靠性大大提高。因此，本設計采用工業(yè)用的DBYG擴散硅壓力變送器，如圖2.4所示。流量傳感器、轉換器：流量傳感器分別用來對調節(jié)閥支路、變頻支路及盤管出口支路的流量進行測量。本裝置采用兩套流量傳感器、變送器分別對變頻支路及盤管出口支路的流量進行測量，調節(jié)閥支路的流量檢測采用SIEMENS帶PROFIBUS-PA通訊接口的檢測和變送一體的電磁式流量計。 AIW0+ AQW0+ AIW0- AQW0_AIW1+ AIW1- Em235管道流量傳感器水箱液位傳感器電動調節(jié)閥PLCI0.0+I0.0-3.2.3執(zhí)行機構電動

40、調節(jié)閥對控制回路流量進行調節(jié)。驅動電機采用高性能稀土磁性材料制造的同步電機，運行平穩(wěn)，體積小，力矩大，抗堵轉，控制精度高。控制單元與電動執(zhí)行機構一體化，可靠性高，操作方便，并可與計算機配套使用，組成最佳調節(jié)回路。有輸入控制信號4-20mA及單相電源即可控制與轉實現(xiàn)對壓力流量溫度壓力等參數(shù)的調節(jié)，具有體積小，重量輕，連線簡單，泄漏量少的優(yōu)點。采用PS電子式直行程執(zhí)行機構，4-20mA閥位反饋信號輸出雙導向單座柱塞式閥芯，流量具有等百分比特性，直線特性和快開特性，閥門采用彈簧連接，可預置閥門關斷力，保證閥門的可靠關斷，防止泄露。性能穩(wěn)定可靠，控制精度高，使用壽命長等優(yōu)點。調節(jié)閥：采用SIEMENS

41、帶PROFIBUS-PA通訊協(xié)議的氣動調節(jié)閥，用來進行控制回路流量的調節(jié)。它具有精度高、體積小、重量輕、推動力大、耗氣量少、可靠性高、操作方便等優(yōu)點。水泵：本裝置采用磁力驅動泵，型號為16CQ-8P，流量為32升/分，揚程為8米，功率為180W。量，以便調節(jié)流入流出容器的物料，使之達到物料的平衡，從而保證生產過程順利進行。設計中涉及到液位的檢測和變送，以便系統(tǒng)根據(jù)檢測到的數(shù)據(jù)來調節(jié)通道中的水流量，控制水箱的液位。液位變送器分為浮力式、靜壓力式、電容式、應變式、超聲波式、激光式、放射性式等。系統(tǒng)中用到的液位變送器是浙江浙大中控自動化儀表有限公司生產的中控儀表SP0018G壓力變送器，屬于靜壓力式

42、液位變送器，量程為010KPa，精度為，由24V直流電源供電，可以從PLC的電源中獲得，輸出為420mA直流。3.2.4執(zhí)行單元執(zhí)行單元是構成自動控制系統(tǒng)不可缺少的重要組成環(huán)節(jié)，它接受來自調節(jié)單元的輸出信號，并轉換成直角位移或轉角位移，以改變調節(jié)閥的流通面積，從而控制流入或流出被控過程的物料或能量實現(xiàn)過程參數(shù)的自動控制。執(zhí)行器由執(zhí)行機構和調節(jié)機構（調節(jié)閥）兩部分組成。執(zhí)行機構首先將來自調節(jié)器的信號轉變成推力或位移，對調節(jié)機構（調節(jié)閥）根據(jù)執(zhí)行機構的推力或位移，改變調節(jié)閥的閥芯或閥座間的流通面積，以達到最終調節(jié)被控介質的目的，來自調節(jié)器的信號經信號轉換單元轉換信號制式后，與來自執(zhí)行機構的位置反饋

43、信號比較，其信號差值輸入到執(zhí)行機構，以確定執(zhí)行機構作用的方向和大小，其輸出的力或位移控制調節(jié)閥的動作，改變調節(jié)閥的流通面積，從而改變被控介質的流量。當位置反饋信號與輸入信號相等時，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，調節(jié)閥處于某一開度。系統(tǒng)中用到的調節(jié)閥是QS智能型調節(jié)閥，所用到的執(zhí)行機構為電動執(zhí)行機構，輸出為角行程，控制軸轉動。電動執(zhí)行機構的組成框圖。來自PLC的模擬量輸出DC420mA信號Ii與位置反饋信號If進行比較，其差值經放大后，控制伺服電動機正轉或反轉，再經減速器后，改變調節(jié)器的開度，同時輸出軸的位移，經位置發(fā)生器轉換成電流信號If。當Ii=If時，電動機停止轉動，調節(jié)閥處于某一開度，即Q=KIi，

44、式中Q為輸出軸的轉角，K為比例常數(shù)。電動調節(jié)閥還提供手動操作，它的上部有個手柄，和軸連接在一起，在系統(tǒng)掉電時可進行手動控制，保證系統(tǒng)的調節(jié)作用。液位是否符合要求水箱檢測液位是否符合要求調節(jié)主控面板調節(jié)SV1YNNY手動/自動控制起動返回4 監(jiān)控系統(tǒng)MCGS本章介紹工業(yè)自動化控制組態(tài)軟件MCGS( Monitor and Control Generated System，通用監(jiān)控系統(tǒng))的基本組成部分及其功能。MCGS組態(tài)通用監(jiān)控系統(tǒng)軟件是集動畫顯示、流程控制、數(shù)據(jù)采集、設備控制與輸出、數(shù)據(jù)與曲線等諸多強大功能于一身，并支持國內外眾多數(shù)據(jù)采集與設備輸出，通過對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集處理，以動畫顯示、報警處

45、理、流程控制和報表輸出等多種方式向用戶提供解決實際問題的方案，在自動化的各個領域起著極其重要的作用。4.1實驗過程本實驗選擇上水箱和氣動調節(jié)閥支路組成串級控制系統(tǒng)（也可采用變頻器支路）。實驗之前先將儲水箱中貯足水量，然后將閥門F1-1、F1-2、F1-6全開，將上水箱出水閥門F1-9開至適當開度，其余閥門均關閉。1、接通控制系統(tǒng)電源，打開用作上位監(jiān)控的的PC機，進入的實驗主界面。2、在實驗主界面中選擇本實驗項即“上水箱液位與進水口流量串級控制實驗”，系統(tǒng)進入正常的測試狀態(tài)，呈現(xiàn)的實驗界面如圖3.3所示。圖3.3 實驗界面3、在上位機監(jiān)控界面中，將副調節(jié)器設置為“手動”，并將輸出值設置為一個合適

46、的值。4、合上三相電源空氣開關，磁力驅動泵上電打水，適當增加/減少副調節(jié)器的輸出量，使上水箱的液位穩(wěn)定于設定值。5、整定調節(jié)器的參數(shù)，并按整定得到的參數(shù)對調節(jié)器進行設定。6、待上水箱進水流量相對穩(wěn)定，且其液位穩(wěn)定于給定值時，將調節(jié)器切換到“自動”狀態(tài)，待液位平衡后，通過以下幾種方式加干擾：(1) 突增（或突減）設定值的大小，使其有一個正（或負）階躍增量的變化；(2) 將氣動調節(jié)閥的旁路閥F1-3或F1-4（同電磁閥）開至適當開度；(3) 將閥F1-5、F1-13開至適當開度；以上幾種干擾均要求擾動量為控制量的515，干擾過大可能造成水箱中水溢出。加入干擾后，水箱的液位便離開原平衡狀態(tài)，經過一段

47、調節(jié)時間后，水箱液位穩(wěn)定于新的設定值（后面兩種干擾方法仍穩(wěn)定在原設定值）。通過實驗界面下邊的切換按鈕，觀察計算機記錄的設定值、輸出值和參數(shù)，上水箱液位的響應過程曲線將如圖3.4所示。圖3.4 上水箱液位階躍響應曲線7、適量改變調節(jié)器的PID參數(shù)，重復步驟6，觀察計算機記錄不同參數(shù)時系統(tǒng)的響應曲線。4.2 實驗結果分析4.2.1 整定過程分析3.5 主調節(jié)器設定(1) 如圖3.5所示，在工況穩(wěn)定，主回路閉合，主、副調節(jié)器都在純比例作用條件下，主調節(jié)器的比例度置于100%，然后用單回路控制系統(tǒng)的衰減（如4：1）曲線法來整定副回路。置副調節(jié)時間為最大值，微分時間為0，比例帶為較大值，將系統(tǒng)投入運行。

48、待系統(tǒng)穩(wěn)定之后，做設定值階躍擾動，觀察響應，若系統(tǒng)衰減太快，則減小比例帶；若過慢，則增大比例帶。如此反復直到系統(tǒng)出現(xiàn)4：1衰減震蕩過程。記下相應的比例度2S和振蕩周期T2S。(2) 將副調節(jié)器的比例度置于所求得的2S值上，且把副回路作為主回路中的一個環(huán)節(jié)，用同樣方法整定主回路，求取主回路的比例度1S和振蕩周期T1S。(3) 根據(jù)求取的1S、T1S和2S、T2S值，按單回路系統(tǒng)衰減曲線法的整定公式，計算主、副調節(jié)器的比例度、積分時間TI和微分時間Td的數(shù)值。(4) 按“先副后主”，“先比例后積分最后微分”的整定程序，設置主、副調節(jié)器的參數(shù)，再觀察過渡過程曲線，必要時進行適當?shù)卣{整，直到過程的動態(tài)

49、品質達到滿意為止。上述過程為根據(jù)圖形進行的理論計算，在試實驗中用試湊法進行整定。其方法為設置幾組參數(shù)，分別投入運行，觀察系統(tǒng)的響應曲線。原則為先整定副回路再整定主回路，先進行比例積分最后進行微分，比較各個步驟的曲線找出每組最優(yōu)。將所得的各個參數(shù)結合起來，得到最終的整定參數(shù)。4.3 實驗結果實驗將目標液位設定為30mm，起始時間為零，起始液位為零。系統(tǒng)經一段時間運行后觀察歷史曲線圖如下圖6-2圖6-2通過本次課程設計,加深對PLC知識的理解；了解力基于PLC的過程控制工程設計流程及方法；重點掌握PLC的I/O地址分配、信號采集、PID控制算法、程序編輯以及調試運行方法。結合課程設計的內容，熟悉過

50、程控制工程中需要編寫的技術文檔；加強對PLC編程能力；培養(yǎng)全面、周到的考慮實際問題的習慣；學會查閱有關專業(yè)技術資料及設計手冊，提高進行獨立設計的能力并完成課程設計相關任務。（1）了解水箱液位控制系統(tǒng)的物理結構、閉環(huán)調節(jié)系統(tǒng)的數(shù)學結構和PID控制算法。（2）逐一明確各路檢測信號到PLC的輸入通道，包括傳感器的原理、連接方法、信號種類、信號調節(jié)電路、引入PLC的接線以及PLC中的編址。（3）逐一明確PLC到各執(zhí)行機構的輸入通道，包括各執(zhí)行機構的種類和工作原理，驅動電路的構成，PLC輸出信號的種類和地址。（4）繪制水箱液位控制系統(tǒng)的電路原理圖，編制I/O口地址分配表。（5）編制PLC的程序，結合實驗

51、室現(xiàn)有設備進行調試，要求盡可能多地在實驗設備上演示控制過程。總結可編程序控制器PLC具有通用性強，可靠性高、適應性強、編程方法簡單易學、系統(tǒng)安裝調試方便等特點，使其在各行各業(yè)中得到廣泛應用 。組態(tài)軟件所具備的實時多任務、接口開放、使用靈活、功能多樣，以及運行可靠等特點使運用工控組態(tài)軟件來實現(xiàn)系統(tǒng)的監(jiān)控任務已成為工業(yè)發(fā)展中的必然趨勢。本論文采用了可編程序控制器結合組態(tài)軟件監(jiān)控的控制方法，即采用SIEMENS公司的 S7-200系列PLC和MCGS組態(tài)軟件相結合的方法。通過設計和應用后可以得到以下結論：（1）工業(yè)控制組態(tài)軟件MCGS是利用其設計的監(jiān)控畫面具有的動態(tài)效果制作水箱的液位顯示圖，還可以在上面對參數(shù)值進行設定和修改，用實時曲線的動態(tài)顯示變化曲線觀看水箱的液位控制狀態(tài)的變化。（2）S7-200系列PLC的使用簡化了水箱的控制系統(tǒng)。（3）MCGS組態(tài)軟件與PLC合用的控制系統(tǒng)，合理地分擔了水位監(jiān)控和現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和控制的任務，充分發(fā)揮不同設備各自的優(yōu)勢，大幅度降低了工程時間和人力物力的消耗。本課題許多工作完成得不盡圓滿，尚需進一步完善深入，特別是軟件的數(shù)據(jù)處理功能有待加強。在保證實時性、可靠性的基礎上探索一些創(chuàng)新的、更有潛力的方案以提高系統(tǒng)控制的精確性和可靠性，進一步完善系統(tǒng)的其他功能。