液位控制系統(tǒng)PID控制的調試和分析畢業(yè)論文

1、液位控制系統(tǒng)PID控制的調試和分析摘 要： 為實現(xiàn)液位的自動控制，分析液位控制系統(tǒng)的PID控制調節(jié)原理。以SunyTDCS9200系統(tǒng)、調節(jié)閥、傳感器為核心，運用水箱液位控制的系統(tǒng)結構及相應的軟件畫面， 分析PID的控制方法。關健詞：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 調試及結果分析45 結束語7 參考文獻8 致謝9 1 引 言本人畢業(yè)實習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、工程服務于一體的企業(yè)。現(xiàn)如今的工業(yè)自動化被應用到各個領域，包括石油油化、精細化工、污保水處理等。

2、而在這些領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。于是我應用了單容水箱的液位控制系統(tǒng)，并進行了調試和分析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)絡化的核心設

3、計思想，系統(tǒng)以網(wǎng)絡為基礎，配以各種掛接在網(wǎng)絡上的模板、模塊和組件，實現(xiàn)和部分協(xié)調工作和數(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算機控制系統(tǒng)。它能夠滿足各種設備的自動化需求。 3. 系統(tǒng)的軟件組態(tài) 組態(tài)操作一般按照如圖3.1.10步驟進行：圖3.1.10組態(tài)步驟示意圖3.1.工程建立 根據(jù)項目的硬件配置情況及項目概況中對操作畫面、控制方案、用戶權限等方面的設計要求，我們需要新建一個組態(tài)文件，在新建的組態(tài)文件中完成上述項目要求的設置。 1.雙擊桌面上的“Sunytech8.0”圖標，進入工程界面 2.單機新建工程，準備建立一個本課題準備使用的工程。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建立一個操作站和控制站，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】，將彈出站點的建立界面。圖3.2.10站點的建立 2 這里我們可以根據(jù)系統(tǒng)要求分別建立一個FCS控制站和OPS操作站，建立控制站時要在【時鐘服務器】的復選框上打上，以確定系統(tǒng)的全局時間。操作站和控制站建立完畢之后，便可以進行工程的算法組態(tài)和界面組態(tài)，并進行工程的調試等。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)內部已經(jīng)編程完畢，只要進行簡單的組態(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現(xiàn)。本項目中我們我們用到的是常規(guī)控制方案的組態(tài)。在本項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，積分時間I，微分時間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

6、定值SV進行比較，差值輸入PID調節(jié)控制器，計算閥位MV應當輸出多少，新的閥位值MV會導致新的測量值PV，繼續(xù)與設定值SV進行比較，直到測量值與設定值相同為止。本項目中，以液位調節(jié)為例，我們需要控制的是液位測量量LI_101，通過閥門LV_101來調節(jié)，設定值可以在監(jiān)控中設置。根據(jù)LI_101和設定值的偏差，計算出閥門LV_101的開度，然后輸出至現(xiàn)場。圖3.2.15 液位調節(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)場設備的變化。雙擊控制站中的數(shù)據(jù)庫，進行變量編輯，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，建立對應的PID控制邏輯。 回路的設定值SV、回路的PID參數(shù)等都是在監(jiān)控畫面中設置的。4.調試及結果分析4.1流程圖圖4.1.10系統(tǒng)當前狀況 流程圖是流經(jīng)一個系統(tǒng)的信息流、觀點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，是為完成一項任務必需的管理。在本系統(tǒng)設計中，流程圖反映是當前水箱的液位值以及調節(jié)閥的開度。如圖4.1.10顯示，監(jiān)控畫面顯示當前水箱的液位值為20.01CM，調節(jié)閥的開度為6.89%，很直觀的描述了當前的工況。4.2 PID控制的原理PID控制器問

8、世至今已有近70年歷史，它以其結構簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調整方便而成為工業(yè)控制的主要技術之一。當被控對象的結構和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學模型時，控制理論的其它技術難以采用時，系統(tǒng)控制器的結構和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調試來確定，這時應用PID控制技術最為方便。也就是說當我們不完全了解一個系統(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，最適合用PID控制技術。PID控制，實際中也有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系。當僅

9、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）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。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，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（

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）成正比關系。 自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調節(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，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，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調。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)在調節(jié)過程中的動態(tài)特性。4.3 PID調試根據(jù)PID調試的特點，由于液位控制的慣性（滯后）不是很大，所以在PID調試時，一般只要調節(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PID的時候，只需要調P或PI。P作用：是按比例反應系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調節(jié)立即產(chǎn)生調節(jié)作用用以減少偏差。比例作用大，可以加快調

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。因為有誤差，積分調節(jié)就進行，直至無差，積分調節(jié)停止，積分調節(jié)輸出是一個常值。所以在調試過程中，如圖4.1.11所示，當P=200%,I=0.04min時，圖中曲線顯示系統(tǒng)不太穩(wěn)定，有不同程度振蕩，這是因為P值過大，所以應該調節(jié)P值，使P值在小一些。由此得出，如圖4.1.12所示，當P=150%，I=0.5min時，圖中曲線顯示，系統(tǒng)比較穩(wěn)定。5.結束語在畢業(yè)論文的撰寫過程中，我學到了很多知識，尤其是關于工業(yè)自動化方面的知識。通過本次畢業(yè)設計，我了解了DCS的一個發(fā)展過程以及DCS

13、的特點，了解了中自的發(fā)展歷史。掌握了SunyTDCS9200系統(tǒng)的硬件、軟件以及整個系統(tǒng)設計的一個工藝流程。在組態(tài)軟件中，本課題要完成的內容有：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)設計的結束，也標志著我大學生活的結束。畢業(yè)設計是我對大學三年的一個總結。通過這次的畢業(yè)設計，我增加了新的專業(yè)知識，同時也看到了我所學知識的不足。在今后的工作崗位上我一定會好好工作，更加努力的學習專業(yè)知識。參考文獻1 SunyTech工業(yè)控制應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)計算機網(wǎng)絡 ，北京：機械工業(yè)出版社，20013 賴壽宏.微型計算機控制技術，北京：機械工業(yè)出版社，20004 席裕庚.預測控制. 國防工業(yè)出版社. 19935 舒迪前.預測控制系統(tǒng)及其應用，北京：機械工業(yè)出版社,20016 厲玉鳴.化工儀表及自動化，北京：北京化工大學出版社，19987 侯志林.過程控制與自動化儀表，北京：機械工業(yè)出版社,20038 梁森，王侃夫，黃杭美.自動檢測與轉換技術，北京：機械工業(yè)出版社，20059 薛定宇.反饋控制系統(tǒng)設計與分析MATLAB語言應用. 清華大學出版社，200010 王萬良