基于PLC的液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)開題報(bào)告.doc

1.PID簡(jiǎn)述過程控制通常是指石油、化工、冶金、輕工、紡織、制藥、建材等工業(yè)生產(chǎn)過程中的自動(dòng)控制,它是自動(dòng)化技術(shù)的一個(gè)極其重要的方面。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是基于PLC的液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，它的控制對(duì)象是水箱的液位，是過程控制中經(jīng)常遇到熱工參數(shù)。本人在這次設(shè)計(jì)中主要負(fù)責(zé)控制策略PID算法的確定，就在次將PID算法作個(gè)簡(jiǎn)要的介紹。在生產(chǎn)過程自動(dòng)控制的發(fā)展歷程中,PID控制是歷史最久、生命力最強(qiáng)的基本控制方式。它簡(jiǎn)單實(shí)用,易于實(shí)現(xiàn),適用范圍廣,魯棒性好,在現(xiàn)今的工業(yè)過程中獲得了廣泛的應(yīng)用.據(jù)統(tǒng)計(jì),目前工業(yè)控制器中約有90%仍是PID控制器。PID控制器的設(shè)計(jì)及其參數(shù)整定一直是控制領(lǐng)域所關(guān)注的問題。其設(shè)計(jì)和整定方法得到國(guó)內(nèi)外廣泛研究,著名的如Ziegler-Nichols法、基于內(nèi)?？刂频姆椒盎谡`差的積分的優(yōu)化方法。基于誤差的積分準(zhǔn)則由于能較好地反映閉環(huán)系統(tǒng)的性能以及易于計(jì)算的原因,在PID優(yōu)化設(shè)計(jì)中被廣泛采用。（1）在工業(yè)生產(chǎn)過程控制中,模擬量的PID(比例、積分、微分)調(diào)節(jié)是常見的一種控制方式,這是由于PID調(diào)節(jié)不需要求出控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,至今為止,很難求出許多控制對(duì)象準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型,對(duì)于這一類系統(tǒng),使用PID控制可以取得比較令人滿意的效果,同時(shí)PID調(diào)節(jié)器又具有典型的結(jié)構(gòu),可以根據(jù)被控對(duì)象的具體情況,采用各種PID的變種,有較強(qiáng)的靈活性和適用性。在模擬量的控制中,經(jīng)常用到PID運(yùn)算來執(zhí)行PID回路的功能,PID回路指令使這一任務(wù)的編程和實(shí)現(xiàn)變得非常容易。如果一個(gè)PID回路的輸出M(t)是時(shí)間的函數(shù),則可以看作是比例項(xiàng)、積分項(xiàng)和微分項(xiàng)三部分之和(2)，即：dtdeKMedtKeKtMCtcC00)(式中e偏差；Ti積分常數(shù)；Td微分常數(shù)；Kc放大倍數(shù)（比例系數(shù)）M0偏差為零時(shí)的控制值，有積分環(huán)節(jié)存在，此項(xiàng)也可不加以上各量都是連續(xù)量,第一項(xiàng)為比例項(xiàng),最后一項(xiàng)為微分項(xiàng),中間兩項(xiàng)為積分項(xiàng)。其中e是給定值與被控制變量之差,即回路偏差。Kc為回路的增益。用數(shù)字計(jì)算機(jī)處理這樣的控制算式,連續(xù)的算式必須周期采樣進(jìn)行離散化,同時(shí)各信號(hào)也要離散化,公式如下（2）:)()()(1nnSdcnniscnnCnPVPVTTKMXPVSPTTKPVSPKMP式中SP給定值PV反饋值Ts采樣周期2.研究?jī)?nèi)容本課題是基于PLC的液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，控制的是過程控制中最常見的液位控制，在實(shí)際的生產(chǎn)應(yīng)用中非常廣泛。設(shè)計(jì)前要熟悉PLC的基本結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)語言，能夠進(jìn)行梯形圖的設(shè)計(jì)，并能根據(jù)梯形圖寫出語言，在實(shí)驗(yàn)裝置中實(shí)行，使其能確實(shí)的實(shí)現(xiàn)液位控制的功能。本項(xiàng)目要使用浙大中控設(shè)計(jì)生產(chǎn)的AE2000A型過程控制實(shí)驗(yàn)對(duì)象系統(tǒng)、AE2000A型過程控制實(shí)驗(yàn)儀表控制臺(tái)和西門子PLC（S7-300系列）控制系統(tǒng)等。S7-300系列是中小型的PLC，能夠?qū)崿F(xiàn)液位的控制，是個(gè)適合的機(jī)型。本項(xiàng)目要求學(xué)生以PLC為核心，整定液位系統(tǒng)的PID控制參數(shù)，并應(yīng)用PLC語句編程來控制液位的高度。設(shè)計(jì)要求給出PLC液位控制系統(tǒng)的梯形圖和程序，這就要求學(xué)生在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成PID參數(shù)的計(jì)算和PLC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，最后要求給出一套設(shè)計(jì)圖和設(shè)計(jì)說明書。3.初步方案這里采用的是水箱液位的PID調(diào)節(jié)，有兩級(jí)水箱。控制一個(gè)水箱的是單回路反饋PID控制。單回路系統(tǒng)是指在一個(gè)調(diào)節(jié)對(duì)象上用一個(gè)PID調(diào)節(jié)器來保持參數(shù)的恒定，而調(diào)節(jié)器只接受一個(gè)測(cè)量信號(hào)，其輸出也只控制一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。兩個(gè)水箱的液位通過串級(jí)反饋回路來控制。系統(tǒng)控制對(duì)象如下圖所示。圖1:上下水箱液位控制系統(tǒng)系統(tǒng)運(yùn)行前要把需要控制液位的水箱水路上的手動(dòng)閥門全部打開，打開水箱的出水閥至適當(dāng)位置。系統(tǒng)通過PLC控制液位的高度，當(dāng)液位下降時(shí)，需要PLC控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥門打開，進(jìn)水；當(dāng)液位達(dá)到指定的高度時(shí)，通過水位檢測(cè)的壓力變送器把檢測(cè)到的信號(hào)變成相應(yīng)的電信號(hào)傳到PLC的模擬量輸入通道中，由PLC經(jīng)過PID算法計(jì)算得出輸出信號(hào)，輸出到電動(dòng)調(diào)節(jié)閥中控制通道里的水流量，使其一直保持那個(gè)高度。輸出的信號(hào)和電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度成正比?？刂埔x擇控制參數(shù)，合適的控制參數(shù)可以帶來滿意的控制效果，反之，控制器參數(shù)選擇不合適，則會(huì)使控制質(zhì)量變壞，達(dá)不到預(yù)期效果。所以PID參數(shù)的選擇是很重要的，要很好地去整定。系統(tǒng)可以設(shè)定比例、積分、微分的參數(shù)，觀察控制的效果，使用比例控制、比例積分控制和比例積分微分控制進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將它們得到的結(jié)果進(jìn)行比較，就可以知道三個(gè)控制環(huán)節(jié)分別的作用。系統(tǒng)的控制框圖如圖2所示圖2：液位控制系統(tǒng)控制框圖其中SV為給定信號(hào)，由用戶通過計(jì)算機(jī)設(shè)定，PV為控制變量，它們的差是PID調(diào)節(jié)器的輸入偏差信號(hào)，經(jīng)過PLC的PID運(yùn)算后輸出，調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)經(jīng)過PLC的D/A轉(zhuǎn)換成420mA的模擬電信號(hào)后輸出到電動(dòng)調(diào)節(jié)閥中調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥的開度，以控制水的流量，使水箱的液位保持設(shè)定值。水箱的液位經(jīng)過壓力變送器檢測(cè)轉(zhuǎn)換成相關(guān)的電信號(hào)輸入到PLC的輸入接口，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成控制量PV，給定值SV與控制量PV經(jīng)過PLC的CPU的減法運(yùn)算成了偏差信號(hào)e,又輸入到PID調(diào)節(jié)器中，又開始了新的調(diào)節(jié)。所以系統(tǒng)能實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)水箱的液位。4.工作安排2006.2.2006.3.完成文獻(xiàn)檢索、文獻(xiàn)綜述，開題報(bào)告，熟悉實(shí)驗(yàn)裝置等2006.3.2006.4.完成PID控制器設(shè)計(jì)與計(jì)算、學(xué)習(xí)S7-300，并完成編程等2006.4.2006.5.完成實(shí)驗(yàn)調(diào)試2006.5.2006.6.對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，撰寫設(shè)計(jì)說明書、準(zhǔn)備畢業(yè)答辯5.參考文獻(xiàn)1金鑫等典型工業(yè)過程魯棒PID控制器的整定，控制理論與應(yīng)用第22卷第6期2005年12月（947953頁(yè)）2祁鴻芳等PID算法在西門子PLC模擬量閉環(huán)控制中的實(shí)現(xiàn)，機(jī)床電器2005年1月（2325）3楊智等.PID控制器設(shè)計(jì)與參數(shù)整定方法綜述.化工自動(dòng)化及儀表.2005年第5期32卷（17頁(yè)）4李銘等.模糊PID控制算法在氣缸位置伺服控制中的應(yīng)用.機(jī)床與液壓.2004年第10期(5557頁(yè))5MoradiMH.NewTechniquesforPIDControllerDesignA.ProceedingsofIEEEConferenceonControlApplicationsC.Istanbul,Turkey,2003.107.6JohnsonMA,MoradiMH.PIDControllerDesignM.London:Springer2Verlag,2003.7AstromKJ,HagglundT.PIDControllers:Theory,DesignandTuningM.N.C.:ResearchTrianglePark,InstrumentSocietyofAmerica,1995.8王偉等.PID參數(shù)先進(jìn)整定方法綜述J.自動(dòng)化學(xué)報(bào).2000年26卷第3期(347355頁(yè))9薛美盛等.工業(yè)過程的先進(jìn)控制.化工自動(dòng)