單容水箱PI控制系統(tǒng)設計實習報告

1、過程控制糸統(tǒng)設計賣習掖告 學院名稱：電子與信息工程學院 班級名稱：測控091 學生姓名：程喜 學 號：120093107066 指導教師：張慶思 提交日期：2012年11月15日 過程控制系統(tǒng)設計 一、設計題目：單容水箱PI控制系統(tǒng)設計 二、設計目的： 1、掌握液位傳感器的零點和增益調(diào)整方法。 2、掌握西門子200PLC PI控制程序的編寫方法。 3、掌握MCGS組態(tài)軟件的使用方法。 三、設計原理： 1 PID調(diào)節(jié)原理： PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)左性好、工作可靠、 調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。PID控制，實際中也有PI和PD控制。PID 控制器就是根據(jù)

2、系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分訃算出控制量進行控制的。 比例(P)控制： 比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。 當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差(Steady-state error). 積分(I)控制： 在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。對一個自動控制 系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差 系統(tǒng)(System with Steady-state Error)0為了消除穩(wěn)態(tài)誤差,在控制器中必須引入“枳分 項”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差 很小

3、,積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步 減小,直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。 微分(D)控制： 在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分(即誤差的變化率)成正比關(guān) 系。自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于 存在有較大慣性組件(環(huán)右)或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落 后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化超前，即在誤差接近零時，抑 制誤差的作用就應該是零。這就是說，在控制器中僅引入比例”項往往是不夠的，比例項 的作用僅是放大誤差的幅值，

4、而目前需要增加的是“微分項，它能預測誤差變化的趨勢，這 樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從 而避免了被控量的嚴重超涮。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分(PD)控制 器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。 PID控制器的參數(shù)整定： PID控制器的參數(shù)整泄是控制系統(tǒng)設計的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過程的特性確 左PID控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。PID控制器參數(shù)整圧的方法 很多,概括起來有兩大類：一是理論計算整左法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學模型,經(jīng)過理 論計算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的汁算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程 實

5、際進行調(diào)整和修改。二是工程整左方法，它主要依賴工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗 中進行，且方法簡單、易于掌握,在工程實際中被廣泛采用。PID控制器參數(shù)的工程整左 方法,主要有臨界比例法、反應曲線法和衰減法。三種方法各有英特點，其共同點都是通過試驗，然后按照工程經(jīng)驗公式對控制器參數(shù)進行整龍。但無論采用哪一種方法所得到 的控制器參數(shù)，都需要在實際運行中進行最后調(diào)整與完善?，F(xiàn)在一般采用的是臨界比例 法。利用該方法進行PID控制器參數(shù)的整定。 PID參數(shù)整定步驟如下： 首先預選擇一個足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作;(2)僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng) 對輸入的階躍響應出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時的比例放大系數(shù)和臨界

6、振蕩周期;(3)在一左 的控制度下通過公式計算得到PID控制器的參數(shù)。 在實際凋試中，只能先大致設定一個經(jīng)驗值,然后根據(jù)調(diào)盯效果修改。 對于溫度系統(tǒng):P (%) 20-60,1 (分)3-10,D (分)0.5-3 對于流量系統(tǒng):P (%) 40 -100,1 (分)0.1-1 對于壓力系統(tǒng)：P (%) 30-70,1 (分)0.4-3 對于液位系統(tǒng)：P (%) 20-80,1 (分)1-5 參數(shù)整泄找最佳，從小到大順序查 先是比例后積分，最后再把微分加 曲線振蕩很頻繁，比例度盤要放大 曲線漂浮繞大灣，比例度盤往小扳 曲線偏離回復慢，積分時間往下降 曲線波動周期長，積分時間再加長 曲線振蕩頻率

7、快，先把微分降下來 動差大來波動慢。微分時間應加長 理想曲線兩個波，前髙后低4比1 一看二調(diào)多分析，調(diào)石質(zhì)量不會低。 GK-O3 2、本次實習面板連接圖: GK-O2 37-MO nc 電忌 cm IMfi EO 四、實習內(nèi)容： 1、調(diào)整液位傳感器參數(shù)，使其能夠準確檢測水箱液位。 、調(diào)零點：啟動THKGK-1型試驗臺,查看液位顯示面板數(shù)值與實際零點 液位是否相同，如果不同則取下液位傳感器后蓋旋轉(zhuǎn)調(diào)零旋鈕進行調(diào)零。 (2).調(diào)增益：關(guān)閉上水箱出水閥同時向上水箱抽入一定量的水。待液位 穩(wěn)定后調(diào)整增益旋鈕，使液位顯示面板與實際液位相同即完成增益調(diào)零。 2.設計基于西門子200PLC的水箱液位PI控制

8、程序 、啟動STEP 7-Micro/WIN SP3程序，首先進行通信連接設置。正確設置 PG/PC接口類型(確保PLC處于運行狀態(tài))。如下圖： (2)、待設置完成，雙擊刷新地址，待刷新完全部地址后，無錯誤提示即 連接成功。 r STEP 7 Iicro/TIH單客木綺P丄榕制系統(tǒng)後計 IPX 丈件疋)蹄合舟切?() vflia (D) T.Hdj窗帝助 也址 斗地： S： PLC類型： CPU 224 R EL 02 03 ifiiH 2 POPPI cabtlPFIJ 地址:0 I 燔益 10 PID0_0ulpt/ VD124 碰化A侗空嫡出廿51值 11 PIDO.SP VD120 掠

9、準化換経給定值 12 e. PID0.FV VD116 砒化換程唾 13 PIDO.Icbk: VBI16 F1D 0的回陥表起多自地址 U 1 廉 5 2）倉看）押汕19寇希UH 1AII）扇口叩肋足 *珈療立（F ） 日踐 Nl cxgs. 實時曲線構(gòu)件屬性設置，如下圖: eCGS組態(tài)幵境話酉組態(tài)實時曲線】 二丈H D疾坊2】召者衛(wèi)符訃IP 1-三場口業(yè)J怖創(chuàng)QP 副創(chuàng)刎題底I !_劉已軸汐睥_ I坐 實只曲線構(gòu)件尺件設置 lOO 75 50 25 實時裁位 基本，膚悝I標注屆1生 畫筆席性|可見庚居性| 畫筆對應的耘達式和屬性 曲線1： HD轍出TOO ? 曲線2: 11*200 曲線3

10、：卩時閻0200 曲線4： 1線型 ! 線型 二縊型 1境型 曲線6： |線型 |施查兇|確認兇鬼消幫助 J n MM:SS 0 MM:SS 滬ss MM：SS；g中丄。邑會# 衛(wèi)開始 G f 花地翻8 （P：） 應FICGSiS衣環(huán)國-. 日惹型 Nihom. .E I JS 0:21 歷史曲線窗口構(gòu)建設置。雙擊歷史曲線構(gòu)件后在數(shù)據(jù)來源選項中選擇之前建 立的數(shù)據(jù)組，然后切換到曲線標識做如下圖設置完成歷史曲線設置。 置，首先勾選允許警報處理，并勾選上限警報.下線警報，并修改其警報值。 之后再警報記錄新建警報記錄構(gòu)件完成。如下圖： 至此完成數(shù)據(jù)連接。 (9)、環(huán)境系統(tǒng)運行，點擊工具欄中的運行系統(tǒng)

11、環(huán)境按鈕。進入組態(tài)系統(tǒng)環(huán)境 控制界面(山于軟件問題流動塊消失)。在運行狀態(tài)下，可以通過修改相應的 PID參數(shù)得到滿意的響應曲線，同時可以瀏覽存盤數(shù)據(jù)、警報記錄、歷史曲 線等內(nèi)容。以下為部分截圖： 陽紹態(tài)工稈亟區(qū)I 單容水箱PI控制 -3* X Jl 4.UU 00 iiii 西輸入目標液位: 枳井時時 比丙系數(shù)I 磋新值 磋新值 設定新值 轉(zhuǎn)抵樓式|出 I當甫模式：| |豐動| |毎制9式 WTOT 給定祓位值匕 設定新值 設定新值 I設定新值 單容水箱PI控制 輸入目標液隹(cm) 1 2 3 1 5 - 確認 6 7 8 9 0 一 CE 取消 Pto-*= 7 c f tr扛 *】23摩新 *本. 也 JV 1:15 0.00 PLC自動模式下調(diào)節(jié): 國紹態(tài)工稈匚岡 單容水箱PI控制 :1 歷史曲線窗口: 數(shù)據(jù)存盤窗口: 內(nèi)組態(tài)工程口莎|玄| .毎自定義宙n 數(shù)據(jù)存盤 * 123 警報記錄窗口: 00 I5JSH.本 野截 m1:CH (10)、退出運行環(huán)境，到這里已經(jīng)完成本次實習的全部內(nèi)容。 五、實習總結(jié)與體會： 通過本次實習，我對PLC在實際的應用有了更多的了解。將課本中的知識運用到實踐。 同時可以獨立編寫一些基本的PLC程序。用于實現(xiàn)一些簡單的功能。對組態(tài)環(huán)境的軟件也有 一些認識，熟悉了一個完整地工程的建立與運行的步驟。并能熟練地獨自完成本次實習的所 有內(nèi)容。