液位控制系統(tǒng)PID控制的調(diào)試和分析畢業(yè)論文

1、液位控制系統(tǒng)PID控制的調(diào)試和分析摘 要： 為實(shí)現(xiàn)液位的自動控制，分析液位控制系統(tǒng)的PID控制調(diào)節(jié)原理。以SunyTDCS9200系統(tǒng)、調(diào)節(jié)閥、傳感器為核心，運(yùn)用水箱液位控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的軟件畫面， 分析PID的控制方法。關(guān)健詞：液位控制，SunyTDCS9200，PID。目 錄1 引言12 SunyTDCS9200概述13 系統(tǒng)的軟件組態(tài)14 調(diào)試及結(jié)果分析45 結(jié)束語7 參考文獻(xiàn)8 致謝9 1 引 言本人畢業(yè)實(shí)習(xí)單位是浙江正泰中自控制工程有限公司。該公司是一家集工業(yè)自動化的研發(fā)、生產(chǎn)、銷售、工程服務(wù)于一體的企業(yè)?，F(xiàn)如今的工業(yè)自動化被應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，包括石油油化、精細(xì)化工、污保水處理等。

2、而在這些領(lǐng)域的工程自動化過程中，最常涉及到的便是液位的控制系統(tǒng)。在這樣的背景下公司的工程人員都必須對液位的控制系統(tǒng)有個(gè)全面的了解和掌握，而液位控制系統(tǒng)的核心便是PID控制。于是我應(yīng)用了單容水箱的液位控制系統(tǒng)，并進(jìn)行了調(diào)試和分析PID的控制規(guī)律來掌握液位的控制方法，以利于將來的工作中在這些工業(yè)領(lǐng)域的工程中能夠減少組態(tài)錯誤，降低事故，提高企業(yè)安全和個(gè)人人身安全。2SunyTDCS9200概述在這里我采用浙大中自的SunyTDCS9200集散控制系統(tǒng)。SunyTDCS9200是浙大中自 Distributed Control System9200的縮寫詞， 它基于全智能化、全數(shù)字化、全網(wǎng)絡(luò)化的核心設(shè)

3、計(jì)思想，系統(tǒng)以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，配以各種掛接在網(wǎng)絡(luò)上的模板、模塊和組件，實(shí)現(xiàn)和部分協(xié)調(diào)工作和數(shù)據(jù)共享，共同完成各種自動控制和信息管理功能，是一套分層分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。它能夠滿足各種設(shè)備的自動化需求。 3. 系統(tǒng)的軟件組態(tài) 組態(tài)操作一般按照如圖3.1.10步驟進(jìn)行：圖3.1.10組態(tài)步驟示意圖3.1.工程建立 根據(jù)項(xiàng)目的硬件配置情況及項(xiàng)目概況中對操作畫面、控制方案、用戶權(quán)限等方面的設(shè)計(jì)要求，我們需要新建一個(gè)組態(tài)文件，在新建的組態(tài)文件中完成上述項(xiàng)目要求的設(shè)置。 1.雙擊桌面上的“Sunytech8.0”圖標(biāo)，進(jìn)入工程界面 2.單機(jī)新建工程，準(zhǔn)備建立一個(gè)本課題準(zhǔn)備使用的工程。3.選定工程路徑，在這里我

4、們可以建立一個(gè)名為“液位控制”的新建文件夾，將工程建立在里面。 3.2組態(tài)操作 工程建立完畢后，需要根據(jù)工程的硬件配置情況在軟件界面建立操作站和控制站。這里我們可以分別單獨(dú)建立一個(gè)操作站和控制站，分別取名為FCS和OPS。 1. 右鍵單擊軟件界面的【液位控制】，選中【新建節(jié)點(diǎn)】，將彈出站點(diǎn)的建立界面。圖3.2.10站點(diǎn)的建立 2 這里我們可以根據(jù)系統(tǒng)要求分別建立一個(gè)FCS控制站和OPS操作站，建立控制站時(shí)要在【時(shí)鐘服務(wù)器】的復(fù)選框上打上，以確定系統(tǒng)的全局時(shí)間。操作站和控制站建立完畢之后，便可以進(jìn)行工程的算法組態(tài)和界面組態(tài)，并進(jìn)行工程的調(diào)試等。3.3常規(guī)控制方案組態(tài)控制方案分為兩種，常規(guī)控制方案

5、和自定義控制方案。常規(guī)控制方案是一些比較通用的控制方案，易于組態(tài)、操作方便。這些控制方案在系統(tǒng)內(nèi)部已經(jīng)編程完畢，只要進(jìn)行簡單的組態(tài)即可。自定義控制方案是一些要求比較特殊的控制方案，需要用到圖形化編程軟件來實(shí)現(xiàn)。本項(xiàng)目中我們我們用到的是常規(guī)控制方案的組態(tài)。在本項(xiàng)目中我們用到的是單回路PID控制。圖3.2.14 回路控制框圖 其中控制參數(shù)包括：比例度P，積分時(shí)間I，微分時(shí)間D，控制周期Ts。表3.1 參數(shù)說明變量變量說明SV給定值PV測量值MV控制量DV偏差（PV-SV）單回路PID控制是最常用的控制系統(tǒng)，絕大多數(shù)情況下，它已經(jīng)能夠滿足生產(chǎn)的需要。它的基本控制思路是取控制對象的測量值PV和最初的設(shè)

6、定值SV進(jìn)行比較，差值輸入PID調(diào)節(jié)控制器，計(jì)算閥位MV應(yīng)當(dāng)輸出多少，新的閥位值MV會導(dǎo)致新的測量值PV，繼續(xù)與設(shè)定值SV進(jìn)行比較，直到測量值與設(shè)定值相同為止。本項(xiàng)目中，以液位調(diào)節(jié)為例，我們需要控制的是液位測量量LI_101，通過閥門LV_101來調(diào)節(jié)，設(shè)定值可以在監(jiān)控中設(shè)置。根據(jù)LI_101和設(shè)定值的偏差，計(jì)算出閥門LV_101的開度，然后輸出至現(xiàn)場。圖3.2.15 液位調(diào)節(jié)回路 根據(jù)課題要求，我們首先要建立一系列的變量來連接和顯示現(xiàn)場設(shè)備的變化。雙擊控制站中的數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行變量編輯，位號命名要盡量符合國家規(guī)定；如若沒有明文規(guī)定，則盡量按照各自公司的不成文的規(guī)則。數(shù)據(jù)庫建立完成之后，雙擊控制站

7、下面的算法進(jìn)入算法組態(tài)界面?？晒┪覀兪褂玫倪壿嬚Z言有FBD、LD、SFC、ST、IL五種。根據(jù)課題要求，建立對應(yīng)的PID控制邏輯。 回路的設(shè)定值SV、回路的PID參數(shù)等都是在監(jiān)控畫面中設(shè)置的。4.調(diào)試及結(jié)果分析4.1流程圖圖4.1.10系統(tǒng)當(dāng)前狀況 流程圖是流經(jīng)一個(gè)系統(tǒng)的信息流、觀點(diǎn)流或部件流的圖形代表。在工業(yè)現(xiàn)場，流程圖反映的是生產(chǎn)線上的工藝流程，是為完成一項(xiàng)任務(wù)必需的管理。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，流程圖反映是當(dāng)前水箱的液位值以及調(diào)節(jié)閥的開度。如圖4.1.10顯示，監(jiān)控畫面顯示當(dāng)前水箱的液位值為20.01CM，調(diào)節(jié)閥的開度為6.89%，很直觀的描述了當(dāng)前的工況。4.2 PID控制的原理PID控制器問

8、世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、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。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。也就是說當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控的參數(shù)對象，或者不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制，實(shí)際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)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(dāng)僅

9、有比例控制時(shí)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(gè)自動控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)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）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會隨著時(shí)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(jìn)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(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。 微分（

10、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)節(jié)）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(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)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(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對有

11、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。4.3 PID調(diào)試根據(jù)PID調(diào)試的特點(diǎn)，由于液位控制的慣性（滯后）不是很大，所以在PID調(diào)試時(shí)，一般只要調(diào)節(jié)P或PI就可以了。1.如圖4.1.11所示：控制器 P=200%I=0.04min圖4.1.11 趨勢圖12.如圖4.1.12所示：控制器 P=150% I=0.5min圖4.1.12 趨勢圖24.4結(jié)果分析在液位控制中，由于液位控制的慣性（滯后）比較小，一般在調(diào)PID的時(shí)候，只需要調(diào)P或PI。P作用：是按比例反應(yīng)系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用用以減少偏差。比例作用大，可以加快調(diào)

12、節(jié)，減少誤差，但是過大的比例，會使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。I作用：是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度。因?yàn)橛姓`差，積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行，直至無差，積分調(diào)節(jié)停止，積分調(diào)節(jié)輸出是一個(gè)常值。所以在調(diào)試過程中，如圖4.1.11所示，當(dāng)P=200%,I=0.04min時(shí)，圖中曲線顯示系統(tǒng)不太穩(wěn)定，有不同程度振蕩，這是因?yàn)镻值過大，所以應(yīng)該調(diào)節(jié)P值，使P值在小一些。由此得出，如圖4.1.12所示，當(dāng)P=150%，I=0.5min時(shí)，圖中曲線顯示，系統(tǒng)比較穩(wěn)定。5.結(jié)束語在畢業(yè)論文的撰寫過程中，我學(xué)到了很多知識，尤其是關(guān)于工業(yè)自動化方面的知識。通過本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我了解了DCS的一個(gè)發(fā)展過程以及DCS

13、的特點(diǎn)，了解了中自的發(fā)展歷史。掌握了SunyTDCS9200系統(tǒng)的硬件、軟件以及整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)工藝流程。在組態(tài)軟件中，本課題要完成的內(nèi)容有：工程建立、操作站和控制站的建立、數(shù)據(jù)庫的編輯、算法組態(tài)的編輯、趨勢畫面組態(tài)和流程圖組態(tài)。 畢業(yè)設(shè)計(jì)的結(jié)束，也標(biāo)志著我大學(xué)生活的結(jié)束。畢業(yè)設(shè)計(jì)是我對大學(xué)三年的一個(gè)總結(jié)。通過這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)，我增加了新的專業(yè)知識，同時(shí)也看到了我所學(xué)知識的不足。在今后的工作崗位上我一定會好好工作，更加努力的學(xué)習(xí)專業(yè)知識。參考文獻(xiàn)1 SunyTech工業(yè)控制應(yīng)用軟件平臺控制組態(tài)手冊， 浙大中自 20052 吳秋峰.自動化系統(tǒng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò) ，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20013 賴壽宏.微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20004 席裕庚.預(yù)測控制. 國防工業(yè)出版社. 19935 舒迪前.預(yù)測控制系統(tǒng)及其應(yīng)用，北京：機(jī)械工業(yè)出版社,20016 厲玉鳴.化工儀表及自動化，北京：北京化工大學(xué)出版社，19987 侯志林.過程控制與自動化儀表，北京：機(jī)械工業(yè)出版社,20038 梁森，王侃夫，黃杭美.自動檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20059 薛定宇.反饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析MATLAB語言應(yīng)用. 清華大學(xué)出版社，200010 王萬良