控制的水箱液位控制系統(tǒng)畢業(yè)論文

1、畢業(yè)論文 （2008 ）    題 目 PLC控制的水箱液位控制系統(tǒng)  系 別 機(jī)電工程系  專 業(yè) 電子信息工程技術(shù)   班 級 05電信（2）  姓 名 zqsy  指導(dǎo)教師 2008 年 6月 8 日PLC控制的水箱液位控制系統(tǒng)摘要在人們生活以及工業(yè)生產(chǎn)等諸多領(lǐng)域經(jīng)常涉及到液位和流量的控制問題, 例如居民生活用水的供應(yīng), 飲料、食品加工, 溶液過濾, 化工生產(chǎn)等多種行業(yè)的生產(chǎn)加工過程, 通常需要使用蓄液池, 蓄液池中的液位需要維持合適的高度, 既不能太滿溢出造成浪費(fèi), 也不能過少而無法滿足需求。因此液面高度是

2、工業(yè)控制過程中一個(gè)重要的參數(shù)，特別是在動(dòng)態(tài)的狀態(tài)下，采用適合的方法對液位進(jìn)行檢測、控制，能收到很好的效果?？删幊炭刂破鳎≒LC）是計(jì)算機(jī)家族中的一員，是為工業(yè)控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)制造的，主要用來代替繼電器實(shí)現(xiàn)邏輯控制。 PID控制（比例、積分和微分控制）是目前采用最多的控制方法。本文主要是對一水箱液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程，涉及到液位的動(dòng)態(tài)控制、控制系統(tǒng)的建模、PLC控制、PID算法、傳感器和調(diào)節(jié)閥等一系列的知識。作為單容水箱液位的控制系統(tǒng)，其模型為一階慣性函數(shù)，控制方式采用了PID算法，控制核心為S7-200系列的CPU222以及A/D、D/A轉(zhuǎn)換模塊，傳感器為擴(kuò)散硅式壓力傳感器，調(diào)節(jié)閥為電動(dòng)調(diào)節(jié)閥。

3、選用以上的器件設(shè)備、控制方案和算法等，是為了能最大限度地滿足系統(tǒng)對諸如控制精度、調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量等控制品質(zhì)的要求。關(guān)鍵詞 PLC PID 液位控制目 錄第一章 緒論4第二章 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求62 . 1基本任務(wù).62.2基本要求62.3 給定條件62.4 主要性能指標(biāo)62.5 擴(kuò)展功能6第三章 總體論證73.1 總體方案的選擇73.1.1 控制方法選擇73.1.2 系統(tǒng)組成73.2 確定系統(tǒng)功能、性能指標(biāo)8第四章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)94.1 建模過程94. 模型參數(shù)的確定104. 軟、硬件功能劃分114. 系統(tǒng)功能劃分、指標(biāo)分配和框圖構(gòu)成12（1）PLC系統(tǒng)12（2）前向通道13（3）后向通道13第五章

4、系統(tǒng)開發(fā)145.1 硬件開發(fā)系統(tǒng)配置145.1.1 PLC系統(tǒng)CPU、模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊145.1.2 前向通道傳感器155.1.3 后向通道電動(dòng)調(diào)節(jié)閥155.2 PID操作指令165.2.1 PID算法165.2.2 回路輸入、輸出轉(zhuǎn)換及標(biāo)準(zhǔn)化195.2.3 控制方式205.2.4 回路表215.2.5 PID指令225.2.6 PID的編程步驟235.3 軟件開發(fā)245.3.1 確定輸入/輸出關(guān)系，建立數(shù)學(xué)模型，尋找合適算法245.3.2 調(diào)節(jié)器參數(shù)整定255.3.3 程序流程圖275.3.4 程序29第六章 連機(jī)調(diào)試32總 結(jié)34致 謝36參考文獻(xiàn)37第一章 緒論可編程控制器

5、（簡稱PLC或PC）是一種新型的具有極高可靠性的通用工業(yè)自動(dòng)化控制裝置，是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)。它以微處理器為核心，有機(jī)地將微型計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)及通信技術(shù)容為一體，主要用來代替繼電器實(shí)現(xiàn)邏輯控制，隨著技術(shù)的發(fā)展，這種裝置的功能已經(jīng)大大超過了邏輯控制的范圍。它具有控制能力強(qiáng)、可靠性高、配置靈活、編程簡單、使用方便、易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)今及今后工業(yè)控制的主要手段和重要的自動(dòng)化控制設(shè)備。PLC等主要品牌有：西門子、三菱、Koyo、OMRO等，近年來，德國西門子（SIEMENS）公司的SIMATIC-S7系列的PLC，在我國已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)的生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制中。 液面高度是工業(yè)

6、控制過程中一個(gè)重要的參數(shù)，特別是在動(dòng)態(tài)的狀態(tài)下，采用適合的方法對液位進(jìn)行檢測、控制，能收到很好的效果。液位控制是工業(yè)生產(chǎn)中典型的過程控制問題，對液位準(zhǔn)確的測量和有效的控制是一些設(shè)備優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗和安全生產(chǎn)的重要指標(biāo)。由于它便于直接觀察、容易測量、獲取方便、過程時(shí)間常數(shù)一般比較小、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，所以被廣泛應(yīng)用于工業(yè)測量。在工業(yè)過程控制系統(tǒng)中，目前采用最多的控制方式依然是PID控制。即使在美國、日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國家，PID控制的使用率仍達(dá)90%，可見PID控制在工業(yè)過程控制中占有異常重要的地位。PID控制技術(shù)經(jīng)歷了數(shù)十年的發(fā)展，從模擬PID控制發(fā)展到數(shù)字PID控制，技術(shù)不斷完善與成熟。尤其近十多

7、年來，隨著微處理技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外對智能控制的理論研究和應(yīng)用研究十分活躍，智能控制技術(shù)發(fā)展迅速，如專家控制、自適應(yīng)控制、模糊控制等，現(xiàn)己成為工業(yè)過程控制的重要組成部分。由于液體本身的屬性及控制機(jī)構(gòu)的摩擦、噪聲等的影響，控制對具有一定的純滯后和容量滯后的特點(diǎn)，液位上升的過程緩慢，呈非線性。因此液位控制裝置的可靠性與控制方案的準(zhǔn)確性是影響整個(gè)系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。本課題針對液位控制設(shè)計(jì)了一個(gè)由壓力傳感器、PLC、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥等組成的系統(tǒng)，并采用了增量式PID算法對其控制。第二章 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求2.1基本任務(wù)對單容水箱液位/壓力控制系統(tǒng)。這是一個(gè)單回路反饋控制系統(tǒng),控制的任務(wù)是使水箱的液位/壓力等于給定值,

8、減小或消除來自系統(tǒng)內(nèi)部或外部擾動(dòng)的影響。用液位/壓力參數(shù)為被控對象。交流電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)齒輪泵通過閥1向上水箱供水,調(diào)節(jié)閥2使之同時(shí)向外排水,令入水的速度大于出水的速度,達(dá)到被控參數(shù)(液位/壓力)的動(dòng)態(tài)調(diào)整。2.2 基本要求 對單容水箱，用西門子S7-200為控制核心，輔助以單片機(jī)系統(tǒng)配套的A/D、D/A轉(zhuǎn)換單元及電路,通過執(zhí)行數(shù)字PID程序?qū)崿F(xiàn)參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整(設(shè)定值在單片機(jī)鍵盤上完成),使水箱的實(shí)際液位/壓力值與設(shè)定值接近,最終穩(wěn)定于設(shè)定值。組成單閉環(huán)水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)，,要求水位可以在一定范圍內(nèi)由人工設(shè)定，且各種測量、控制參數(shù)可在人機(jī)界面上顯示、設(shè)定。2.3給定條件² 控制對象：單容水箱為核

9、心的水循環(huán)系統(tǒng)² 檢測元件：壓力式液位傳感器² 執(zhí)行元件：電動(dòng)調(diào)節(jié)閥2.4 主要性能指標(biāo)² 液位控制范圍：0-30cm² 最小區(qū)分度：1cm² 控制精度：液位控制的靜態(tài)誤差1cm2.5擴(kuò)展功能² 通訊端口采用的是RS-485總線，允許將S7-200 CPU同編程器或其它一些設(shè)備連接起來。² 通過擴(kuò)展模塊可增加CPU的I/O點(diǎn)數(shù)，也可提供其它通訊功能。² 人機(jī)界面觸摸屏第三章 總體論證3.1 總體方案的選擇單容水箱的液位控制系統(tǒng)是一階慣性系統(tǒng)，原因是此系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為：，此模型為一階傳遞函數(shù)。3.1.1 控制方法選擇

10、 單容水箱液位控制系統(tǒng)可歸屬于一階慣性環(huán)節(jié)，一般來說，對一階慣性環(huán)節(jié)的過渡過程控制，可采用以下幾種控制方案：（1）輸出開關(guān)量控制;（2）比例控制（P控制）;（3）比例積分控制（PI控制）;（4）比例積分加微分控制（PID控制）。PID控制適用與負(fù)荷變化大、容量滯后較大、控制品質(zhì)要求又較高的控制系統(tǒng)。另外，PID算法有兩種常見的實(shí)現(xiàn)形式：位置型PID算法和增量型PID算法，結(jié)合本系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)與要求，以及以上對幾種控制方法的分析來看，增量式PID控制方法最適合本系統(tǒng)采用。3.1.2 系統(tǒng)組成以現(xiàn)代控制理論和PLC為基礎(chǔ)，采用數(shù)字控制、顯示、A/D與D/A轉(zhuǎn)換，配合執(zhí)行器與控制閥構(gòu)成的PLC控制系統(tǒng)

11、，在過程控制中得到越來越廣泛的應(yīng)用。由于本例是一個(gè)典型的檢測、控制型應(yīng)用系統(tǒng)，因此，應(yīng)以PLC為核心組成一個(gè)專用PLC應(yīng)用系統(tǒng)，以滿足檢測、控制應(yīng)用類型的功能要求。3.2 確定系統(tǒng)功能、性能指標(biāo)本例以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)任務(wù)基本要求為重點(diǎn)，力求在滿足主要性能指標(biāo)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最佳性能/價(jià)格比，對于系統(tǒng)要求的擴(kuò)展功能將在最后討論。根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)基本要求，本系統(tǒng)應(yīng)具有以下幾種基本功能：² 可以進(jìn)行水位設(shè)定，并自動(dòng)調(diào)節(jié)水位到給定水位值；² 可以調(diào)整PID控制參數(shù)，以滿足不同控制對象與控制品質(zhì)的要求；² 可以實(shí)時(shí)顯示給定值與水位實(shí)測值。系統(tǒng)主要性能指標(biāo)如下：² 液位控制范

12、圍：0-30cm² 最小區(qū)分度：1cm² 控制精度：液位控制的靜態(tài)誤差1cm第四章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1 建模過程系統(tǒng)示意圖如圖4-1所示： 其具體的建模過程為：被控過程的數(shù)學(xué)模型就是液位高度h與流入量Q1 之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式。根據(jù)動(dòng)態(tài)物料平衡關(guān)系，有：寫成增量形式： 式中，、和分別為偏離某平衡狀態(tài)、 和的增量，A為水箱的橫截面積。靜態(tài)時(shí)應(yīng)有，。發(fā)生變化，液位h也隨之變化，使水箱出口處靜壓力發(fā)生變化，因此也發(fā)生變化，與h的近似線性關(guān)系為： 式中，R2為閥門2的阻力系數(shù)，稱為液阻。將、兩式整理得：經(jīng)拉氏變換，得單容液位過程傳遞函數(shù)為：式中，為過程放大系數(shù)，；為過程的時(shí)間常數(shù)，；C為過

13、程容量，。式為一階傳遞函數(shù)，可知單容水箱液位控制系統(tǒng)為一階慣性系統(tǒng)。確定其放大系數(shù)和過程的時(shí)間常數(shù)便可以完整的把模型建好，以下便討論模型參數(shù)的確定過程。4. 模型參數(shù)的確定由公式我們知道，放大系數(shù)和時(shí)間常數(shù)與液阻和過程容量有關(guān)，所以如何確定液阻R2和過程容量C便成為問題的關(guān)鍵，又根據(jù)公式可知液阻R2可由 得出，而這些值可以由實(shí)驗(yàn)獲得，其具體過程如下：在不考慮容器擾動(dòng)影響的情況下，管口流出處液體的速度為：D為水箱底部出水口的直徑，其測量值為 0.007m，所以出水口的橫截面積S=0.00003848m2。 在此實(shí)驗(yàn)中，由于出水閥開度保持不變，出水速度只與液位高度有關(guān)。因出水管的流量為，根據(jù)實(shí)驗(yàn)所

14、測得的多組數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出出水管的液阻，見表4-1。多次求平均可得液阻值為6370.207。另外，水箱底部截面積的實(shí)驗(yàn)測量值為 0.06605 m2，由此可求得過程放大系數(shù)K0=6370.207，過程的時(shí)間常數(shù)T0=420.7648。所以系統(tǒng)無時(shí)延模型為：表4-1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)h(cm) （m/s） qv液阻R2 46.2 3.00920.000115807 43.0 2.90310.0001117243.20.0000048000 40.0 2.80.00010830.0000047500 38.22.7362750.0001051.80.0000036000 36.22.6636820.000

15、10220.0000036666.667 34.22.5890540.000099620.000002483333.333 32.2 2.51221 9.66*10-520.0000036666.667 30.22.432941 9.36*10-520.0000036666.667 28.2 2.351 9.04*10-520.00000326250 26.22.266098 8.72*10-520.00000326250 24.22.177889 8.38*10-520.00000345882.353 22.22.085953 8.02*10-520.00000365555.556 20.2

16、1.989774 7.65*10-520.00000375405.405 18.21.8887037.26*10-520.00000395128.205 16.21.7819096.85*10-520.00000414878.0494. 軟、硬件功能劃分為了簡化系統(tǒng)硬件、降低硬件成本、提高系統(tǒng)靈活性和可靠性，有關(guān)PID運(yùn)算、輸入信號濾波及大部分控制過程都可由軟件來完成，硬件的主要功能是液位信號的傳感、A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換及輸出命令的執(zhí)行。4. 系統(tǒng)功能劃分、指標(biāo)分配和框圖構(gòu)成根據(jù)系統(tǒng)總體方案，系統(tǒng)由四個(gè)主要功能模塊組成，其總體框圖如圖4-2所示：圖4-2水位控制系統(tǒng)總體框圖4.4.1 PLC

17、系統(tǒng) PLC系統(tǒng)是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，它完成整個(gè)系統(tǒng)信息處理及協(xié)調(diào)控制功能。由于系統(tǒng)對控制速度、精度及功能的要求無特別之處，因此可以選用目前廣泛使用的MCS-51系列的單片機(jī)以及西門子S7-200系列的PLC。P所以本系統(tǒng)選用了西門子S7-200系列的PLC。PLC本身的CPU不帶有A/D、D/A轉(zhuǎn)化功能，而本系統(tǒng)有模擬輸入、輸出量，所以PLC系統(tǒng)中還要包括擴(kuò)展模塊：模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊。4.4.2 前向通道前向通道是信息采集的通道，主要包括傳感器、信號放大等電路。由于液位變化是一個(gè)相對緩慢的過程，因此前向通道中沒有使用采樣保持電路。另外，信號的濾波可由軟件實(shí)現(xiàn)，以簡化硬件，降低硬件

18、成本。4.4.3 后向通道 后向通道是實(shí)現(xiàn)信號輸出的通道，PLC系統(tǒng)產(chǎn)生的控制信號控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，實(shí)現(xiàn)對進(jìn)水量的控制，從而最終實(shí)現(xiàn)對液位的控制目的。第五章 系統(tǒng)開發(fā)5.1 硬件開發(fā)系統(tǒng)配置5.1.1 PLC系統(tǒng)CPU、模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊PLC系統(tǒng)以西門子S7-200系列CPU222為系統(tǒng)的核心，外擴(kuò)EM 231作為A/D轉(zhuǎn)換模塊和EM 232作為D/A轉(zhuǎn)換模塊，如圖5-1所示。 圖5-1 PLC原理示意圖（1）CPU：因本系統(tǒng)只有1模擬量輸入液位，1模擬量輸出電動(dòng)調(diào)節(jié)閥轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，而且要有擴(kuò)展能力，所以選用PLC的型號為：西門子S7-200系列的CPU 222 DC/DC

19、/DC，即直流輸入、直流輸出、晶閘管輸出型。（2）模擬量輸入模塊EM 231（3） 模擬量輸出模塊EM 232 CPU222可以提供DC 5V電流為340mA，而EM 231模塊耗DC 5V總電流為10mA，EM 232模塊耗DC 5V總電流為10mA。擴(kuò)展模塊消耗的DC 5V總電流小于CPU222可以提供DC 5V的電流，所以這種配置是可行的。5.1.2 前向通道傳感器液位經(jīng)壓力式液位傳感器和信號放大電路產(chǎn)生0-5V的模擬電壓信號送入AD轉(zhuǎn)換器的輸入端。前向通道的設(shè)計(jì)主要是傳感器的選擇。本系統(tǒng)為液位控制系統(tǒng)，其目的是把水箱液體的高度控制在給定值，被控參數(shù)是高度h，而不同的高度會產(chǎn)生不同的液壓

20、，所以液位控制系統(tǒng)選用壓力式液位傳感器，我們這里選用了擴(kuò)散硅式壓力傳感器。本系統(tǒng)環(huán)境溫度變化不大，而且溫度因素對控制參數(shù)影響很小，所以相對于其他類型的壓力傳感器，選用擴(kuò)散硅傳感器還是比較適合本系統(tǒng)的。5.1.3 后向通道電動(dòng)調(diào)節(jié)閥在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，調(diào)節(jié)器是構(gòu)成自動(dòng)控制系統(tǒng)的核心儀表，它將來自變送器的測量信號Vi與調(diào)節(jié)器的內(nèi)給定或外給定信號Vs進(jìn)行比較，得到其偏差E，即E=Vi-Vs，然后調(diào)節(jié)器對該偏差信號按某一規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算，輸出調(diào)節(jié)信號控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)對被控參數(shù)如溫度、壓力、流量或液位等的自動(dòng)控制作用。根據(jù)本系統(tǒng)的特性，我們選取了電動(dòng)調(diào)節(jié)器，其主要的工作原理如下：圖5-2為角行程電動(dòng)

21、調(diào)節(jié)閥的組成框圖，它是由伺服放大器和伺服電動(dòng)機(jī)兩部分組成。來自調(diào)節(jié)器的DC 420mA信號Ii與位置反饋信號If進(jìn)行比較，其差值經(jīng)放大后控制兩個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，再經(jīng)減速器后，改變調(diào)節(jié)閥的開度。同時(shí)，輸出軸的位移經(jīng)位置發(fā)生器轉(zhuǎn)換成電流信號If。當(dāng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)節(jié)閥處于某一開度，即式中，為輸出軸的轉(zhuǎn)角；K為比例系數(shù)。 由圖5-2可見，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥還提供手動(dòng)操作，以便在系統(tǒng)掉電時(shí)提供手動(dòng)控制，保證系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用。圖5-2 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的組成框圖 5.2 PID操作指令S7-200 CPU提供PID回路指令（成比例、積分、微分循環(huán)），進(jìn)行PID計(jì)算。PID回路的操作取決于存儲在36字節(jié)回路表

22、內(nèi)的9個(gè)參數(shù)。5.2.1 PID算法 PID控制器管理輸出數(shù)值，以便使偏差（e）為零，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。偏差是給定值SP和過程變量PV的差。PID控制原則以下列公式為基礎(chǔ)，其中將輸出M（t）表示成比例項(xiàng)、積分項(xiàng)和微分項(xiàng)的函數(shù)： 式中，PID運(yùn)算的輸出，是時(shí)間的函數(shù)； PID回路的比例系數(shù)； PID回路的積分系數(shù)； PID回路的微分系數(shù)； PID回路的偏差； PID回路輸出的初始值。為了在數(shù)字計(jì)算機(jī)內(nèi)運(yùn)算此控制函數(shù)，必須將連續(xù)函數(shù)化成為偏差值的間斷采樣。數(shù)字計(jì)算機(jī)使用下列相應(yīng)公式為基礎(chǔ)的離散化PID運(yùn)算模式：式中，采樣時(shí)刻n 的PID運(yùn)算輸出值； 采樣時(shí)刻n 的PID回路的偏差； 采樣時(shí)刻n 的

23、PID回路的偏差； 采樣時(shí)刻 的PID回路的偏差。利用計(jì)算機(jī)處理的重復(fù)性，可對上述公式進(jìn)行簡化。簡化后的公式為：式中，積分項(xiàng)前值。計(jì)算回路輸出值時(shí)，CPU實(shí)際使用對上述簡化公式略微修改的格式。修改后的公式為：式中，采樣時(shí)刻n 的回路輸出比例項(xiàng)值； 采樣時(shí)刻n 的回路輸出積分項(xiàng)值；采樣時(shí)刻n 的回路輸出微分項(xiàng)值。1.比例項(xiàng)比例項(xiàng)是PID回路的比例系數(shù)及偏差的乘積，其中比例系數(shù)控制輸出計(jì)算的敏感性，而偏差是采樣時(shí)刻設(shè)定值SP及過程變量PV之間的差。為了方便計(jì)算取。CPU采用的計(jì)算比例項(xiàng)的公式為：=（SPn-PVn）式中，回路的增益； SPn采樣時(shí)刻n 的設(shè)定值； PVn采樣時(shí)刻n 的過程變量。2.

24、積分項(xiàng)積分項(xiàng)與偏差和成比例。為了方便計(jì)算取。CPU采用的積分項(xiàng)公式為：式中，采樣時(shí)刻n-1 的積分項(xiàng)（又稱為積分前項(xiàng)值）。 積分項(xiàng)是積分項(xiàng)全部先前數(shù)值的和。每次計(jì)算出以后，都要用去更新MX，其中可以被調(diào)整或被限定。MX的初始值通常在第一次計(jì)算出輸出之前被置為Minital（初值）。其他幾個(gè)常量也是積分項(xiàng)的一部分，如增益、采樣時(shí)刻（PID循環(huán)重復(fù)計(jì)算輸出數(shù)值的循環(huán)時(shí)間），以及積分時(shí)間（用于控制積分項(xiàng)對輸出計(jì)算影響的時(shí)間）。3.微分項(xiàng)微分項(xiàng)MD與偏差的改變成比例，為方便計(jì)算，取Kd=KcTd/Ts。計(jì)算微分項(xiàng)的公式為：為了避免步驟改變或由于對設(shè)定值求導(dǎo)而帶來的輸出變化，對此公式進(jìn)行修改，假定設(shè)定值

25、為常量（SPn=SPn-1），因此將計(jì)算過程變量的改變，而不計(jì)算偏差的改變，計(jì)算公式可以改進(jìn)為：式中，Td微分時(shí)間； SPn-1采樣時(shí)刻n-1 的設(shè)定值； PVn-1采樣時(shí)刻n-1 的過程變量。為了下一次計(jì)算微分項(xiàng)的值，必須保存過程變量而非偏差項(xiàng)。第一次采樣時(shí)刻，初始化為PVn-1=PVn。5.2.2 回路輸入、輸出轉(zhuǎn)換及標(biāo)準(zhǔn)化1.輸入轉(zhuǎn)換及標(biāo)準(zhǔn)化一個(gè)回路具有兩個(gè)輸入變量，設(shè)定值SP和過程變量PV。設(shè)定值通常為固定值，類似水箱液位控制的液位設(shè)定。過程變量是與回路輸出有關(guān)的量，因此可測量回路輸出對被控制系統(tǒng)的影響。在水箱液位保持在設(shè)定值的例子中，過程變量為電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。設(shè)定值及過程變量均

26、為實(shí)際數(shù)值，它們的大小、范圍及工程單位可能不同。在這些實(shí)際數(shù)值可用于PID指令之前，必須將其轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)化的、浮點(diǎn)數(shù)表示形式。² 實(shí)際數(shù)值轉(zhuǎn)換為實(shí)數(shù)：第一步是將實(shí)際數(shù)值從16為整數(shù)數(shù)值轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù)或?qū)崝?shù)數(shù)值。² 數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)化：下一步是將數(shù)值的實(shí)數(shù)表示轉(zhuǎn)換為位于0.01.0之間的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值。可采用下列公式對設(shè)定值及過程變量實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換：Rnorn（RrawSpan）Offset水箱液位控制系統(tǒng)中的數(shù)值為單極性，其標(biāo)準(zhǔn)化公式為：nornraw320002.輸出轉(zhuǎn)換及標(biāo)準(zhǔn)化回路輸出轉(zhuǎn)換成比例的整數(shù)數(shù)值：回路輸出是控制變量，是標(biāo)準(zhǔn)化的、位于之間的實(shí)數(shù)數(shù)值。在回路輸出可用于驅(qū)動(dòng)模擬輸出之

27、前，回路輸出必須被轉(zhuǎn)換為16位的、成比例的整數(shù)數(shù)值。這一過程是將過程變量轉(zhuǎn)化及設(shè)定值轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)化的反過程。5.2.3 控制方式S7-200 PID 回路沒有內(nèi)置的自動(dòng)和手動(dòng)控制方式，只要PID塊有效，就可以執(zhí)行PID運(yùn)算，從這種意義上說，PID運(yùn)算存在一種自動(dòng)運(yùn)行方式；當(dāng)PID運(yùn)算不被執(zhí)行時(shí)，則可以說那是一種手動(dòng)運(yùn)行方式。同其他指令，PID指令有一個(gè)使能位（即允許位），當(dāng)允許位檢測到一信號出現(xiàn)正跳變時(shí)，PID指令將進(jìn)行一系列運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)從手動(dòng)方式到自動(dòng)方式的轉(zhuǎn)變。為了順利轉(zhuǎn)變?yōu)樽詣?dòng)方式，在轉(zhuǎn)換至自動(dòng)方式之前由手動(dòng)方式所設(shè)定的輸出值必須作為PID指令的輸入寫入回路表。PID指令對回路表內(nèi)的數(shù)值進(jìn)行

28、下列計(jì)算，保證當(dāng)檢測到0-1過渡時(shí)從手動(dòng)方式順利轉(zhuǎn)換為自動(dòng)方式：置設(shè)定值SPn=過程變量PVn置過程變量前值PVn-1=過程變量PVn置積分項(xiàng)前值MX=輸出值Mn5.2.4 回路表PID指令根據(jù)表（TBL）內(nèi)的輸入輸出配置信息對引用回路（LOOP）執(zhí)行PID運(yùn)算。PID指令有兩個(gè)操作數(shù)，表示循環(huán)表起始地址及回路號LOOP，回路號是0-7的常量。程序內(nèi)可使用8條PID指令。如果兩個(gè)或多個(gè)PID指令使用相同的回路號（即使它們的表地址不同），PID運(yùn)算將相互干擾，結(jié)果難以預(yù)料。循環(huán)表存儲9個(gè)參數(shù)，用于控制及監(jiān)控循環(huán)操作，包括過程變量、設(shè)定值、輸出值、增益、采樣時(shí)間、積分時(shí)間、微分時(shí)間、積分前項(xiàng)以及過

29、程變量前項(xiàng)值。在PID指令塊內(nèi)輸入的表（TBL）起始位置開始為回路表分配36個(gè)字節(jié)的空間，見表5-2。偏移地址域格式類型說明0過程變量PVn雙字-實(shí)數(shù)輸入在0.00.1之間4設(shè)定值SPn雙字-實(shí)數(shù)輸入在0.00.1之間8輸出Mn雙字-實(shí)數(shù)輸入/輸出在0.00.1之間12增益Kc雙字-實(shí)數(shù)輸入可為正數(shù)或負(fù)數(shù)16采樣時(shí)間Ts雙字-實(shí)數(shù)輸入以秒為單位，必須為正數(shù)20積分時(shí)間Ti雙字-實(shí)數(shù)輸入以分鐘為單位，必須為正數(shù)24微分時(shí)間Td雙字-實(shí)數(shù)輸入以分鐘為單位，必須為正數(shù)28積分前項(xiàng)MX雙字-實(shí)數(shù)輸入/輸出在0.00.1之間32過程變量前值雙字-實(shí)數(shù)輸入/輸出最后一次運(yùn)算的過程變量 表5-2 PID的回

30、路表5.2.5 PID指令PID指令的表示：其梯形圖和語句表示如圖5-3所示。 ² PID指令的操作：PID指令必須用在定時(shí)發(fā)生的中斷程序中，當(dāng)PID指令被允許時(shí)，PID指令根據(jù)回路表中的數(shù)據(jù)進(jìn)行PID（比例、積分、微分）運(yùn)算，并得到輸出控制量。 圖5-3 PID指令² 數(shù)值范圍 Ø 回路表TBL：VB Ø 回路號LOOP：常數(shù)（07）5.2.6 PID的編程步驟1.設(shè)定回路輸入及輸出選項(xiàng)² 回路輸入選項(xiàng)：循環(huán)進(jìn)程變量可指定為字地址或已經(jīng)定義的符號。在回路計(jì)算之前，應(yīng)選好縮放比例。² 回路輸出選項(xiàng)：確定PID回路輸出變量是數(shù)字量還是模

31、擬量。如果是模擬量輸出，可指定為字地址或已經(jīng)定義的符號。如果是數(shù)字量輸出，可指定為位地址或已經(jīng)定義的符號。在循環(huán)計(jì)算之后，應(yīng)選好縮放比例。2.設(shè)定回路參數(shù)在PID指令中，必須指定內(nèi)存區(qū)內(nèi)的36個(gè)字節(jié)參數(shù)表的首地址。其中，要選定過程變量、設(shè)定值、回路增益、采樣時(shí)間、積分時(shí)間和微分時(shí)間，并轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)值存入回路表中。不建議為參數(shù)表地址創(chuàng)建符號名，PID 向?qū)傻拇a使用此參數(shù)表地址創(chuàng)建操作數(shù)，作為參數(shù)表內(nèi)的相對偏移量。如果為參數(shù)表地址創(chuàng)建符號名，然后改變?yōu)樵摲栔付ǖ牡刂?，由PID向?qū)傻拇a將不能正確執(zhí)行。3.為計(jì)算指定內(nèi)存區(qū)域PID計(jì)算需要一定點(diǎn)存儲空間，存儲暫時(shí)結(jié)果。需要指定此計(jì)算區(qū)域的起

32、始內(nèi)存字節(jié)地址。是否增加PID手動(dòng)控制？（可選）4.指定初始化子程序及中斷程序應(yīng)該為PID運(yùn)算指定初始化子程序及執(zhí)行PID運(yùn)算的定時(shí)中斷程序。5.生成PID程序。5.3 軟件開發(fā) 對于過程控制系統(tǒng)而言，控制方案的選擇和調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定是其兩個(gè)重要的內(nèi)容，如果控制方案設(shè)計(jì)的不合理，僅憑調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定無法獲得良好的控制質(zhì)量；相反，控制方案很好，但是調(diào)節(jié)器參數(shù)整定得不合適，也不能使系統(tǒng)運(yùn)行在最佳狀態(tài)。5.3.1 確定輸入/輸出關(guān)系，建立數(shù)學(xué)模型，尋找合適算法 本系統(tǒng)水箱需要維持一定的水位，該水箱里水以變化的速度從水箱的出水管中流出，因而需要有一個(gè)調(diào)節(jié)器以不同的閥門開度通過水箱的進(jìn)水管向水箱供水，以

33、維持設(shè)定水位不變。系統(tǒng)的設(shè)定值是水箱滿水位的百分?jǐn)?shù)，過程變量是由擴(kuò)散硅壓力傳感器給出的。輸出值是電動(dòng)調(diào)節(jié)閥轉(zhuǎn)過的角度，可以是允許最大值的0%100%。設(shè)定值可以預(yù)先設(shè)定后直接輸入回路表中。過程變量是來自壓力傳感器的單極性模擬量，回路輸出值也是一個(gè)單極性的模擬量，用來控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的轉(zhuǎn)度，這個(gè)模擬量的范圍是0.01.0，分辨率為1/32000（標(biāo)準(zhǔn)化）。5.3.2 調(diào)節(jié)器參數(shù)整定 過程控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量取決于組成該系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)的特性和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。一個(gè)單回路控制系統(tǒng)可以看作由廣義過程和調(diào)節(jié)器所構(gòu)成。當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)組成后，過程各通道的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)特性已定，此時(shí)，系統(tǒng)控制過程的品質(zhì)取決于調(diào)節(jié)器各個(gè)參數(shù)值的設(shè)

34、置。系統(tǒng)整定，一般是指選擇調(diào)節(jié)器的比例度、積分時(shí)間TI和微分時(shí)間TD的具體數(shù)值。系統(tǒng)整定的實(shí)質(zhì)，就是通過改變系統(tǒng)參數(shù)，使調(diào)解器特性和被控過程特性配合好，以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性，求得最佳的控制效果。由控制理論可知，在過程控制中，通常以瞬間響應(yīng)的衰減率=0.75作為系統(tǒng)性能的主要指標(biāo)，以保證系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定儲備。一般在滿足的條件下，還要盡量減小穩(wěn)態(tài)偏差（余差）、最大偏差和過渡過程時(shí)間。對于大多數(shù)過程控制系統(tǒng)來說，系統(tǒng)過渡過程曲線達(dá)到41狀態(tài)時(shí)，則習(xí)慣上被成為為最佳的過程曲線。在連續(xù)控制系統(tǒng)中，PID調(diào)節(jié)器參數(shù)整定的方法較多，可分為三類：一是理論計(jì)算整定法；二是工程整定法；三是計(jì)算機(jī)仿真尋優(yōu)整

35、定法。綜合各種因素來說，簡單易行的方法還是簡易工程整定法。工程整定法主要包括：反應(yīng)曲線法、臨界比例度法和衰減曲線法。由于水箱液位控制系統(tǒng)為單容過程，液位變化迅速，不宜采用臨界比例度法和衰減曲線法，故可采用反應(yīng)曲線法整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)。反應(yīng)曲線法也稱動(dòng)態(tài)特性參數(shù)整定法，它是在系統(tǒng)開環(huán)情況下進(jìn)行的，利用廣義過程的階躍響應(yīng)曲線對調(diào)節(jié)器的參數(shù)進(jìn)行整定。圖5-4中， 圖5-4 求廣義過程階躍響應(yīng)曲線示意圖在調(diào)節(jié)閥的輸入端加入一階躍信號，利用快速顯示記錄儀在變送器的輸出端記錄被控參數(shù)的響應(yīng)曲線，見圖5-5。由圖5-5可寫出廣義過程的傳遞函數(shù)為： 式中，為過程的時(shí)間常數(shù)；為時(shí)延時(shí)間；為自衡度。由于/T0=3.

36、0/25=0.12<0.2，根據(jù)=0.75準(zhǔn)則，查表5-2，取自衡度=1，則PID調(diào)節(jié)器的個(gè)參數(shù)為：比例度=0.102 積分時(shí)間TI =6min微分時(shí)間TD=1.5min 采樣時(shí)間TS=1s再由得增益=0.98調(diào)節(jié)規(guī)律WC（s）/T0.2 0.2/T2.5 TITDTITDPPIPID 表5-2 =0.75時(shí)有自衡能力過程的整定公式5.3.3 程序流程圖 有了前面所講述的S7-200 CPU提供的PID操作指令、PID編程步驟、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥參數(shù)的整定過程，再結(jié)合水箱液位控制系統(tǒng)本身的特點(diǎn)，可以從整體上來構(gòu)思和規(guī)劃出本系統(tǒng)的程序流程圖，它應(yīng)包括主程序、初始化子程序、定時(shí)中斷程序三部分：

37、78; 主程序OB1主程序的功能是PLC首次運(yùn)行時(shí)利用SM0.1調(diào)用初始化程序SBR0。² 子程序SBR0子程序SBR0的功能是形成PID的回路表，建立100ms的定時(shí)中斷，并開中斷。其流程圖如下：² 定時(shí)中斷程序INT0定時(shí)中斷程序INT0的功能是輸入水箱的水面高度AIW0的值，并送入回路表。其流程圖如下：5.3.4 程序² 主程序OB1： ² 初始化子程序SBRO： ²² 定時(shí)中斷程序INTO： （a）模擬量輸入 （b）PID指令 （c）模擬量輸出系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，調(diào)節(jié)閥控制方式有兩種，一是手動(dòng)控制，一是自動(dòng)控制，兩種運(yùn)行方式之間的切換

38、由一個(gè)輸入的開關(guān)量控制，具體描述如下：I0.0位控制手動(dòng)到自動(dòng)方式的切換，0代表手動(dòng)，1代表自動(dòng)。本系統(tǒng)的程序僅有自動(dòng)控制方式的設(shè)計(jì)，I0.0=1時(shí)進(jìn)行PID“自動(dòng)”控制，把PID運(yùn)算的輸出值送到AQW0中，從而控制調(diào)節(jié)閥的開度，以使水箱的液位達(dá)到設(shè)定的水位高度。第六章 連機(jī)調(diào)試連機(jī)調(diào)試就是在樣機(jī)中全速運(yùn)行系統(tǒng)軟件，觀察系統(tǒng)運(yùn)行情況，并根據(jù)運(yùn)行結(jié)果修改控制參數(shù)，或?qū)?、硬件方案件進(jìn)行必要的修改，重復(fù)調(diào)試過程，直到系統(tǒng)能滿足各項(xiàng)性能指標(biāo)要求為止。控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，最主要的任務(wù)就是調(diào)試，調(diào)試工作分為兩大階段，一是實(shí)驗(yàn)室調(diào)試階段，二是現(xiàn)場調(diào)試階段：一、 實(shí)驗(yàn)室調(diào)試：應(yīng)分為硬件調(diào)試和軟件調(diào)試兩部分，

39、首先是硬件調(diào)試，根據(jù)設(shè)計(jì)邏輯圖搭建好系統(tǒng)后，便進(jìn)入硬件調(diào)試階段。其次是軟件調(diào)試，即為調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定。經(jīng)過硬件、軟件的單獨(dú)調(diào)試后，即可進(jìn)入硬件、軟件聯(lián)合調(diào)試階段，找出硬件、軟件之間不相匹配的地方，反復(fù)修改和調(diào)試。二、 現(xiàn)場調(diào)試：實(shí)驗(yàn)室調(diào)試工作完成以后，即可組裝成系統(tǒng)，在現(xiàn)場投運(yùn)行和進(jìn)一步調(diào)試，并根據(jù)運(yùn)行及調(diào)試中的問題反復(fù)進(jìn)行修改。值得說明的是，軟件、硬件的調(diào)試是一個(gè)綜合性的系統(tǒng)工程，必須反復(fù)進(jìn)行才能完成。本例中最主要的連機(jī)調(diào)試過程是進(jìn)行PID參數(shù)整定。不同的控制對象和控制環(huán)境需要不同的PID參數(shù)，即使是同一個(gè)控制對象和控制環(huán)境，對控制品質(zhì)的不同要求也需要對PID參數(shù)重新進(jìn)行整定。根據(jù)生產(chǎn)過程的

40、實(shí)際情況，首先將檢測傳感器投入運(yùn)行，觀察其測量顯示的參數(shù)是否正確；其次利用調(diào)節(jié)閥手動(dòng)遙控，待被控參數(shù)在給定值附近穩(wěn)定下來后，再從手動(dòng)切換到自動(dòng)控制。在調(diào)節(jié)器從手動(dòng)切換到自動(dòng)運(yùn)行前必須做好細(xì)致的檢查工作，檢查調(diào)節(jié)器的PID參數(shù)是否配置好等。檢查完畢后，當(dāng)測量值與給定值的偏差為零時(shí)，將調(diào)節(jié)器由手動(dòng)切換到自動(dòng)，于是實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的投運(yùn)。系統(tǒng)投入自動(dòng)運(yùn)行后，觀察系統(tǒng)的控制質(zhì)量指標(biāo)是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，否則，在對調(diào)節(jié)器的PID參數(shù)適當(dāng)?shù)奈⒄{(diào)，以期達(dá)到較好的控制質(zhì)量的設(shè)計(jì)。總 結(jié)隨著現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)迅速發(fā)展，各生產(chǎn)工藝設(shè)備相互間緊密地聯(lián)系著，各設(shè)備的生產(chǎn)操作也是相互聯(lián)系、相互影響的，所以分析、設(shè)計(jì)和應(yīng)用好一個(gè)過程控

41、制系統(tǒng)，首先應(yīng)全面了解被控過程，其次根據(jù)工藝要求對系統(tǒng)進(jìn)行研究，確定最佳的控制方案，最后對過程控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)、整定和投運(yùn)。依據(jù)以上系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟，在指導(dǎo)老師 老師的引導(dǎo)和幫助下，我學(xué)習(xí)了以下水箱液位控制系統(tǒng)和PLC系統(tǒng)的相關(guān)知識：1、 水箱控制系統(tǒng)的一般認(rèn)識，包括：² 水位控制原理、傳感器的類型、特點(diǎn)。² 執(zhí)行器件，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的原理與組成。² 水箱控制系統(tǒng)特性的了解：Ø 系統(tǒng)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性、過渡過程；Ø 自動(dòng)控制的基本要求，如穩(wěn)定性、快速性、準(zhǔn)確性等品質(zhì)指標(biāo)；Ø 受控對象的容量特性、平衡特性、時(shí)間特性。² 過程控制基本規(guī)律：Ø 雙位控制；Ø 傳統(tǒng)PID控制；Ø 數(shù)字控制。2控制核心，PLC系統(tǒng)的了解：² PLC的一般概念。² PLC的特點(diǎn)及分類。² PLC的一般組成，如整體式、模塊式（CPU模塊、I/O模塊、模擬量模塊、通訊模塊等）。另外，還包括外圍接口如人機(jī)界面等。²