過(guò)程控制儀表課程設(shè)計(jì)論文報(bào)告-液位控制系統(tǒng)

1、中南大學(xué)過(guò)程控制儀表課程設(shè)計(jì)報(bào)告設(shè)計(jì)題目 液位控制系統(tǒng) 指導(dǎo)老師 設(shè)計(jì)者 專業(yè)班級(jí) 設(shè)計(jì)日期 2011年6月 目錄第一章 過(guò)程控制課程設(shè)計(jì)的目的和意義31.1課程設(shè)計(jì)的目的31.2課程設(shè)計(jì)的意義31.3課程設(shè)計(jì)在教學(xué)計(jì)劃中的地位和作用3第二章 液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)42.1設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求42.2課程設(shè)計(jì)的要求4第三章 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及調(diào)試中遇到的具體問(wèn)題和解決的辦法53.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?3.2實(shí)驗(yàn)內(nèi)容53.2.1流量單閉環(huán)控制系統(tǒng)53.2.2流量比值控制系統(tǒng)73.3實(shí)驗(yàn)調(diào)試中遇到的具體問(wèn)題和解決辦法8第四章 液位控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案94.1液位控制系統(tǒng)在工業(yè)上的應(yīng)用94.2液位控制系統(tǒng)變送器以及開(kāi)關(guān)閥的

2、選擇114.3控制算法114.4系統(tǒng)控制主機(jī)的選擇124.5系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)（單純的邏輯控制）134.5.1 水塔液位控制系統(tǒng)的主電路圖134.5.2 I/O接口的分配144.5.3 水塔液位控制系統(tǒng)的I/O設(shè)備144.5.2 控制系統(tǒng)硬件介紹15第五章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)175.1系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)1（單純的邏輯控制）175.1.1水塔液位控制系統(tǒng)的程序流程圖175.1.2 水塔液位控制系統(tǒng)的工作過(guò)程185.1.3 水塔液位控制系統(tǒng)的梯形圖195.2系統(tǒng)控制的程序205.3 加入PID控制的指令的軟件程序205.3.1PID控制系統(tǒng)梯形圖215.3.2PID控制系統(tǒng)的指令：24第六章 收獲、體會(huì)和建議25

3、參考文獻(xiàn)25第一章 過(guò)程控制課程設(shè)計(jì)的目的和意義1.1課程設(shè)計(jì)的目的本課程設(shè)計(jì)是為過(guò)程控制儀表課程而開(kāi)設(shè)的綜合實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，是對(duì)現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)、自動(dòng)控制理論、過(guò)程控制儀表、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)等前期課堂學(xué)習(xí)內(nèi)容的綜合應(yīng)用。其目的在于培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用理論知識(shí)來(lái)分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力，使學(xué)生通過(guò)自己動(dòng)手對(duì)一個(gè)工業(yè)過(guò)程控制對(duì)象進(jìn)行儀表設(shè)計(jì)與選型，促進(jìn)學(xué)生對(duì)儀表及其理論與設(shè)計(jì)的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)。課程設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是設(shè)計(jì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程經(jīng)常遇到的壓力、流量、液位及溫度控制系統(tǒng)，使學(xué)生將理論與實(shí)踐有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，有效的鞏固與提高理論教學(xué)效果。1.2課程設(shè)計(jì)的意義課程設(shè)計(jì)綜合了各門學(xué)科的知識(shí)，它將我們平時(shí)課堂上所學(xué)習(xí)的知識(shí)

4、有效的結(jié)合起來(lái)。使學(xué)生有更強(qiáng)的綜合運(yùn)用的能力，是一個(gè)從書本到實(shí)踐的過(guò)渡，以便畢業(yè)以后能夠更好的投入到實(shí)際的工作中去。而且，自動(dòng)化這個(gè)專業(yè)最后的目的就是要將這些只是靈活有效的運(yùn)用于各種工業(yè)上去，如鍋爐的系統(tǒng)控制、自來(lái)水廠的水流量的控制和發(fā)電廠的一系列控制系統(tǒng)等等。1.3課程設(shè)計(jì)在教學(xué)計(jì)劃中的地位和作用所謂“學(xué)有所用”，“學(xué)以致用”，我們平時(shí)在課堂中學(xué)習(xí)了很多的知識(shí)，但是我們都知道如果沒(méi)有把知識(shí)運(yùn)用于實(shí)際，那么學(xué)了也是白學(xué)。課程設(shè)計(jì)正是體現(xiàn)了這個(gè)“用”字，它是一個(gè)展示知識(shí)的平臺(tái)。通過(guò)課程設(shè)計(jì)我們能夠更好了解掌握平時(shí)課堂上所學(xué)到的知識(shí)，這也只是教學(xué)的目的?？梢?jiàn)，課程設(shè)計(jì)在教學(xué)計(jì)劃中有著至關(guān)重要的地位

5、和作用，它讓我們的學(xué)習(xí)不再是紙上談兵。第二章 液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)2.1設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求課程設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是設(shè)計(jì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中遇到的液位控制系統(tǒng)，使學(xué)生將理論與實(shí)踐有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，有效的鞏固與提高理論教學(xué)效果。具體內(nèi)容如下：1了解某種典型工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的工藝流程和控制要求；2分別設(shè)計(jì)典型工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中相應(yīng)的壓力、流量、液位及溫度控制系統(tǒng)（包括控制系統(tǒng)的軟硬件的總體設(shè)計(jì)，如參數(shù)檢測(cè)變送器、控制器、執(zhí)行器及調(diào)節(jié)閥的選型和控制算法的程序設(shè)計(jì)及控制系統(tǒng)參數(shù)整定）；3. 在實(shí)驗(yàn)室分別調(diào)試一種壓力、流量、液位的串級(jí)或比值控制系統(tǒng)，并調(diào)節(jié)參數(shù)使控制系統(tǒng)達(dá)到要求的技術(shù)指標(biāo)；4 提交系統(tǒng)設(shè)計(jì)報(bào)告一份，闡述系統(tǒng)設(shè)計(jì)

6、思想和方案，包括對(duì)所選取工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的工藝分析、控制要求、總體方案設(shè)計(jì)。2.2課程設(shè)計(jì)的要求本課程設(shè)計(jì)主要是通過(guò)對(duì)典型工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中常見(jiàn)的典型工藝參數(shù)的測(cè)量方法、信號(hào)處理技術(shù)和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，掌握測(cè)控對(duì)象參數(shù)檢測(cè)方法、變送器的功能、測(cè)控通道技術(shù)、執(zhí)行器和調(diào)節(jié)閥的功能、過(guò)程控制儀表的PID控制參數(shù)整定方法，進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)課堂理論知識(shí)的理解與綜合應(yīng)用能力，進(jìn)而提高學(xué)生解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。基本要求如下: 1. 掌握變送器功能原理，能選擇合理的變送器類型型號(hào)；2. 掌握?qǐng)?zhí)行器、調(diào)節(jié)閥的功能原理，能選擇合理的器件類型型號(hào)；3. 掌握PID調(diào)節(jié)器的功能原理，完成相應(yīng)的壓力、流量、液位及溫度控制系統(tǒng)的總體

7、設(shè)計(jì)，并畫出控制系統(tǒng)的原理圖和系統(tǒng)主要程序框圖。4 通過(guò)對(duì)一個(gè)典型工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程（如煤氣脫硫工藝過(guò)程）進(jìn)行分析，并對(duì)其中的一個(gè)參數(shù)（如溫度、壓力、流量、液位）設(shè)計(jì)其控制系統(tǒng)。第三章 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及調(diào)試中遇到的具體問(wèn)題和解決的辦法3.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、控制系統(tǒng)的全貌，建立一個(gè)感性的認(rèn)識(shí)。加深了解電子電動(dòng)勢(shì)執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)原理和使用方法。通過(guò)對(duì)電子執(zhí)行器的測(cè)試和校驗(yàn)，掌握?qǐng)?zhí)行器的校驗(yàn)方法，理解其相關(guān)的特性及性能指標(biāo)含義。2、PID調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)、工作原理，掌握調(diào)節(jié)器的使用及性能，對(duì)調(diào)節(jié)器的參數(shù)進(jìn)行整定。3、掌握流量控制系統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)功能，熟練的使用PID調(diào)節(jié)器，了解單閉環(huán)控制系統(tǒng)和流量比值控制系統(tǒng)的規(guī)律以及性能

8、。3.2實(shí)驗(yàn)內(nèi)容3.2.1流量單閉環(huán)控制系統(tǒng)流量單閉環(huán)控制系統(tǒng)的被控量選擇的是內(nèi)容器的流量，操作變量則是內(nèi)容器的調(diào)節(jié)閥。它的工藝流圖和方塊圖如圖3.2所示。圖3.1 內(nèi)容器單閉環(huán)流量控制系統(tǒng)工藝流程及方塊圖案 對(duì)于流量控制系統(tǒng)，采用的是LZ型金屬管浮子流量計(jì)，輸入050L/h，輸出420mA信號(hào)。流量控制中的電子執(zhí)行器就是用來(lái)控制流量計(jì)的閥門開(kāi)度來(lái)控制流量的大小。本系統(tǒng)采用單回路的PID控制，將人為設(shè)定的流量和變送器測(cè)量的流量做比較，通過(guò)PID算法調(diào)節(jié)電子調(diào)節(jié)閥VL1的閥位開(kāi)度輸出，從而使測(cè)量的流量達(dá)到要求。PID控制算式是很常用和很靈活的一種工業(yè)控制算法，對(duì)于一個(gè)不確定的系統(tǒng)，通過(guò)試湊法整定

9、PID參數(shù)，一般都可以達(dá)到很好的設(shè)計(jì)效果。并且，還可以采用PID的改進(jìn)式，如積分分離和微分先行，在一些場(chǎng)合會(huì)達(dá)到更好的控制效果。PID湊試法： 湊試法是參考PID參數(shù)對(duì)控制過(guò)程的影響趨勢(shì)，對(duì)參數(shù)實(shí)行下述先比例，后積分，再微分的整定步驟。1.首先只整定比例部分。 即將比例系數(shù)由小變大，并觀察相應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)，直到得到反應(yīng)快，超調(diào)小的響應(yīng)曲線。如果系統(tǒng)沒(méi)有靜差或靜差已小到允許范圍內(nèi)，并且響應(yīng)曲線已屬滿意，則只需用比例調(diào)節(jié)器即可，最優(yōu)比例系數(shù)可由此確定。2.如果在比例調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上系統(tǒng)的靜差不能滿足設(shè)計(jì)要求，則需加入積分環(huán)節(jié)。整定時(shí)首先置積分時(shí)間TI為一較大值，并將經(jīng)第一步整定得到的比例系數(shù)略微縮小(如

10、縮小為原值的0.8倍)，然后減小積分時(shí)間，使在保持系統(tǒng)良好動(dòng)態(tài)性能的情況下，靜態(tài)誤差得到消除。在此過(guò)程中，可根據(jù)響應(yīng)曲線的好壞反復(fù)改變比例系數(shù)與積分時(shí)間，以期得到滿意的控制過(guò)程與整定參數(shù)。3.若使用比例積分調(diào)節(jié)器消除了靜態(tài)誤差，但動(dòng)態(tài)過(guò)程經(jīng)反復(fù)調(diào)整仍不能滿意，則可加入微分環(huán)節(jié)，構(gòu)成比例積分微分調(diào)節(jié)器。在整定時(shí)，可先置微分時(shí)間TD為0。在第二步整定的基礎(chǔ)上，增大TD，同時(shí)相應(yīng)地改變比例系數(shù)和積分時(shí)間，逐步湊試，以獲得滿意的調(diào)節(jié)效果和控制參數(shù)。3.2.2流量比值控制系統(tǒng)本裝置中有兩個(gè)可控制的水流量，一路進(jìn)夾套，一路進(jìn)內(nèi)容器。一般可從中任意選擇一路流量為主動(dòng)量，另一路則為從動(dòng)量，以此組成單閉環(huán)比值控

11、制系統(tǒng)或雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)。下圖示例是以進(jìn)內(nèi)容器水流量Q1為主動(dòng)量、進(jìn)外容器水流量Q2為從動(dòng)量的雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)。它的工藝流圖和方塊圖如圖3.3所示。 圖3.2雙閉環(huán)流量比值控制工藝流程及方塊圖案本系統(tǒng)有兩個(gè)輸出，以進(jìn)內(nèi)容器水流量Q1為主動(dòng)量，進(jìn)外容器水流量Q2為從動(dòng)量的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。其中主控制器的輸出（Q1）直接決定第二個(gè)控制系統(tǒng)的輸入，故第一個(gè)系統(tǒng)稱為定常系統(tǒng)，而第二個(gè)系統(tǒng)稱為隨動(dòng)系統(tǒng)，顯然第二個(gè)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)一些，控制難度會(huì)更大一些。很顯然，隨動(dòng)系統(tǒng)在用PID算法進(jìn)行控制時(shí)，必須去掉微分項(xiàng)，否則輸入發(fā)生變化就會(huì)引起輸出便或波動(dòng)相當(dāng)大，甚至?xí)鹫麄€(gè)系統(tǒng)的不穩(wěn)定。這里就可以看出定

12、常系統(tǒng)和隨動(dòng)系統(tǒng)在PID控制上參數(shù)選擇的區(qū)別了。3.3實(shí)驗(yàn)調(diào)試中遇到的具體問(wèn)題和解決辦法實(shí)驗(yàn)中主要的問(wèn)題是在PID的調(diào)節(jié)上，這是一個(gè)比較漫長(zhǎng)而且也比較細(xì)致的工作，它需要不斷的調(diào)節(jié)PID中的參數(shù)，來(lái)使系統(tǒng)達(dá)到試驗(yàn)的要求，在短時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)能夠達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)，而且靜差要在1%2%。（1）如果一開(kāi)始就使用湊試法，要達(dá)到接近的實(shí)驗(yàn)要求效果是很困難的，因?yàn)闇愒嚪ù嬖诤艽蟮幕鶖?shù)，要是很多次才能達(dá)到想要的效果。所以最開(kāi)始我們只能按照實(shí)驗(yàn)儀器上以及指導(dǎo)書上對(duì)流量控制給出的PID的參數(shù)來(lái)進(jìn)行一個(gè)基本參數(shù)，然后再開(kāi)始在這個(gè)范圍內(nèi)開(kāi)始調(diào)節(jié)。（2）我們使用的是金屬管浮子流量計(jì)，所以根據(jù)測(cè)量的結(jié)果可知，有效的工作區(qū)是在15

13、L/h40L/h之間，所以當(dāng)我們的參數(shù)設(shè)定在P=240,I=25,D=1時(shí)，各個(gè)階段的動(dòng)態(tài)性能是不一樣的。a、當(dāng)前值是25，設(shè)定值是30時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定所用的時(shí)間是60s左右，而且穩(wěn)定后的閥門開(kāi)度是29.8；b、當(dāng)前值是30，設(shè)定值是35時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定所用的時(shí)間是60s左右，而且穩(wěn)定后的閥門開(kāi)度是35.3；c、當(dāng)前值是30，設(shè)定值是25時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定作用的時(shí)間是90s左右，而且穩(wěn)定后的閥門開(kāi)度是25.3；從上面的數(shù)值可見(jiàn)，系統(tǒng)在這個(gè)PID的參數(shù)下還算是比較穩(wěn)定，但是在從2025以及3540這個(gè)階段的閥門開(kāi)度的調(diào)節(jié)時(shí)，靜差就會(huì)很大了，而且達(dá)到穩(wěn)定所需的時(shí)間也在100s以上，這個(gè)問(wèn)

14、題使我們?cè)赑ID的調(diào)節(jié)上費(fèi)了很大的功夫。首先，設(shè)定20這個(gè)閥門開(kāi)度值時(shí)，系統(tǒng)很難達(dá)到這個(gè)值，而且一直不能穩(wěn)定，跳動(dòng)的范圍為2123，這樣的話靜差就非常的大。分析出現(xiàn)的這個(gè)情況的原因，系統(tǒng)的穩(wěn)定線性是在15L/h40L/h之間，在值為20時(shí)，是在線性區(qū)的起始階段，所以會(huì)不穩(wěn)定。所以最后也不用去要求在這個(gè)值上的穩(wěn)定，所以最后可以確定穩(wěn)定的線性曲線是在2440這個(gè)階段。最后我們定的PID是P=240、I=25、D=1時(shí)，單閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性比較好。（3）在比值系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)，遇到的問(wèn)題更麻煩，將Q1的輸出作為隨動(dòng)系統(tǒng)的輸入，經(jīng)過(guò)乘法器將隨動(dòng)系統(tǒng)的輸入值減小到1/2，這樣調(diào)節(jié)出來(lái)的穩(wěn)定系統(tǒng)的靜差就能減小。但

15、是在這個(gè)比值系統(tǒng)中調(diào)節(jié)的PID就不能像單閉環(huán)系統(tǒng)一樣調(diào)節(jié)PID，而且原來(lái)單閉環(huán)系統(tǒng)的PID參數(shù)用于比值系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)特別不穩(wěn)定，所以只能一直增大P值來(lái)使系統(tǒng)能夠穩(wěn)定。最后能使系統(tǒng)基本穩(wěn)定是P=400、I=27、D=0時(shí)。（4）在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)變送器上顯示的流量值和無(wú)紙無(wú)筆記錄儀上顯示的流量值相差很大（20左右），對(duì)于這個(gè)問(wèn)題一直不知道是怎么回事，不清楚是哪個(gè)地方導(dǎo)致了這個(gè)誤差。在上面的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，我們一直看的是變送器上的值，最后老師告訴我們輸出值要看記錄儀上的，因?yàn)橛涗泝x上的值才是反饋值。（5）還有一個(gè)比較重要的問(wèn)題是，我們所用的金屬管浮子流量計(jì)，靜差的大小還要根據(jù)電子執(zhí)行器的步長(zhǎng)來(lái)定，所

16、以有時(shí)候?qū)嶋H值不能達(dá)到設(shè)定值就是因?yàn)殡娮訄?zhí)行器的步長(zhǎng)的限制，所以有時(shí)候我們?cè)谶x擇電子執(zhí)行器事也要要求其動(dòng)作步長(zhǎng)越短越好。第四章 液位控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案4.1液位控制系統(tǒng)在工業(yè)上的應(yīng)用這是一個(gè)簡(jiǎn)單的關(guān)于水塔液位控制系統(tǒng)的示意圖：圖4.1水塔液位控制示意圖水塔液位控制系統(tǒng)的工作方式：當(dāng)水池液位低于下限液位開(kāi)關(guān)S1，S1此時(shí)為ON，電磁閥打開(kāi)，開(kāi)始往水池里注水，當(dāng)經(jīng)過(guò)4s以后，若水池液位沒(méi)有超過(guò)水池下限液位開(kāi)關(guān)，則系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警，需要對(duì)電磁閥的進(jìn)水處進(jìn)行檢測(cè)；若系統(tǒng)正常，此時(shí)水池下限液位開(kāi)關(guān)S1為OFF,表示水位高于下限水位。當(dāng)水位液面高于上限水位，則S2為ON，電磁閥關(guān)閉。當(dāng)水塔水位低于水塔下限水

17、位時(shí)，則水塔下限水位開(kāi)關(guān)S3為ON，水泵開(kāi)始工作，向水塔供水，當(dāng)S3為OFF時(shí)，表示水塔水位高于水塔下限水位。當(dāng)水塔液面高于水塔上限水位時(shí)，則水塔上限水位開(kāi)關(guān)S4為OFF，水泵停止。當(dāng)水塔水位低于下限水位，同時(shí)水池水位也低于下限水位時(shí)，水泵不能啟動(dòng)。水塔液位控制系統(tǒng)框圖：調(diào)節(jié)器2液位變送器2水 泵水塔液位變送器1調(diào)節(jié)器1電磁閥水 池副調(diào)節(jié)器2副調(diào)節(jié)器1圖4.2 水塔液位控制系統(tǒng)框圖 由于電磁閥的開(kāi)關(guān)是需要一個(gè)過(guò)程的，而且控制水池與水塔中水位要能使系統(tǒng)保持穩(wěn)定，需要考慮很多方面。比如需要水泵的抽水量要與電磁閥門處的級(jí)水量保持一個(gè)穩(wěn)定的范圍，才不會(huì)使電磁閥的開(kāi)度始終搖擺不定，或者是使水泵的轉(zhuǎn)動(dòng)大小

18、變化太大，這樣會(huì)減小電動(dòng)機(jī)的壽命，嚴(yán)重者還會(huì)導(dǎo)致電機(jī)燒壞或者是出現(xiàn)事故。4.2液位控制系統(tǒng)變送器以及開(kāi)關(guān)閥的選擇通過(guò)水塔液位控制系統(tǒng)的示意圖可知，主要對(duì)變送器的選擇和電子執(zhí)行器的選擇：（1）變送器的選擇：此處需要兩個(gè)液位變送器為L(zhǎng)SRY或者LART，液位變送器1：安裝在水池上的變送器，輸入量程為0100mm水，變送輸出為420mA；它控制這水池的上下限報(bào)警控制以及電磁閥的開(kāi)度問(wèn)題；液位變送器2：安裝在水塔上的變送器，輸入量程為0100mm水，變送輸出為420mA；它控制這水塔上上下限報(bào)警控制以及水泵的功率大小。（2）電子執(zhí)行器的選擇：電子式調(diào)節(jié)閥微電子大流量調(diào)節(jié)閥，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的輸入420mA電

19、流信號(hào)，對(duì)應(yīng)閥門輸出開(kāi)度0100%。在我們選擇電子執(zhí)行器時(shí)要盡量選擇步長(zhǎng)較短的電子執(zhí)行器。（3）水泵的轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)也需要用電子式控制方式，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的輸入420mA電流信號(hào)，對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)功率為0Pmax。4.3控制算法由以上的系統(tǒng)控制框圖可知，由于水池控制回路與說(shuō)他的控制回路之間存在相互關(guān)聯(lián)，相互耦合，電磁閥和水泵是由單回路一和單回路二的輸出共同影響的，構(gòu)成了雙輸入雙輸出的變量控制系統(tǒng)，因此在使用控制算法的時(shí)候就要用到解耦控制使系統(tǒng)框圖變得簡(jiǎn)單。解耦控制的原理：解耦控制的主要目的就是通過(guò)設(shè)計(jì)解耦補(bǔ)償裝置，使各控制器只對(duì)各自相應(yīng)的被控量施加作用，從而消除回路的相互影響。就相當(dāng)于將一個(gè)多變量控制

20、系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)矩陣轉(zhuǎn)換成為一個(gè)對(duì)角線矩陣，這樣就可以使各控制回路之間是相互獨(dú)立的。4.4系統(tǒng)控制主機(jī)的選擇 這個(gè)系統(tǒng)用到的到的電子開(kāi)關(guān)很多，所以選擇有S7200PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制，雖然PLC的成本較高，但是水塔系統(tǒng)是一個(gè)較大的工程，需要比較穩(wěn)定的控制硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)，所以相比之下，用PLC是最好的選擇。而S7200PLC是德國(guó)西門子公司生產(chǎn)的一種小型PLC，其許多功能達(dá)到大、中型PLC的水平，而價(jià)格卻和小型PLC的一樣，由于它具有多種功能模塊和人機(jī)界面可供選擇，所以系統(tǒng)的集成非常方便，并且可以很容易的組成PLC網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，它具有功能齊全的編程和工業(yè)控制組態(tài)軟件，使得在完成控制的設(shè)計(jì)時(shí)更加簡(jiǎn)單

21、，幾乎可以完成任何功能的控制任務(wù)。一下有PLC的具體優(yōu)點(diǎn)：1、高可靠性（1）所有的I/O接口電路均采用光電隔離，使工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的外電路與PLC內(nèi)部電路之間電氣上隔離。（2）各輸入端均采用R-C濾波器，其濾波時(shí)間常數(shù)一般為1020ms.（3）各模塊均采用屏蔽措施，以防止輻射干擾。（4）采用性能優(yōu)良的開(kāi)關(guān)電源。（5）對(duì)采用的器件進(jìn)行嚴(yán)格的篩選。（6）良好的自診斷功能，一旦電源或其他軟，硬件發(fā)生異常情況，CPU立即采用有效措施，以防止故障擴(kuò)大。（7）大型PLC還可以采用由雙CPU構(gòu)成冗余系統(tǒng)或有三CPU構(gòu)成表決系統(tǒng),使可靠性更進(jìn)一步提高。2、豐富的I/O接口模塊PLC針對(duì)不同的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，如：交流或直

22、流；開(kāi)關(guān)量或模擬量；電壓或電流；脈沖或電位； 強(qiáng)電或弱電等。有相應(yīng)的I/O模塊與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的器件或設(shè)備，如：按鈕；行程開(kāi)關(guān)；接近開(kāi)關(guān)；傳感器及變送器；電磁線圈；控制閥等直接連接。另外為了提高操作性能，它還有多種人-機(jī)對(duì)話的接口模塊; 為了組成工業(yè)局部網(wǎng)絡(luò)，它還有多種通訊聯(lián)網(wǎng)的接口模塊，等等。3、采用模塊化結(jié)構(gòu)為了適應(yīng)各種工業(yè)控制需要，除了單元式的小型PLC以外，絕大多數(shù)PLC均采用模塊化結(jié)構(gòu)。PLC的各個(gè)部件，包括CPU，電源，I/O等均采用模塊化設(shè)計(jì)，由機(jī)架及電纜將各模塊連接起來(lái)，系統(tǒng)的規(guī)模和功能可根據(jù)用戶的需要自行組合。4、編程簡(jiǎn)單易學(xué)PLC的編程大多采用類似于繼電器控制線路的梯形圖形式，對(duì)

23、使用者來(lái)說(shuō)，不需要具備計(jì)算機(jī)的專門知識(shí)，因此很容易被一般工程技術(shù)人員所理解和掌握。5、安裝簡(jiǎn)單，維修方便PLC不需要專門的機(jī)房，可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運(yùn)行。使用時(shí)只需將現(xiàn)場(chǎng)的各種設(shè)備與PLC相應(yīng)的I/O端相連接，即可投入運(yùn)行。各種模塊上均有運(yùn)行和故障指示裝置，便于用戶了解運(yùn)行情況和查找故障。由于采用模塊化結(jié)構(gòu)，因此一旦某模塊發(fā)生故障，用戶可以通過(guò)更換模塊的方法，使系統(tǒng)迅速恢復(fù)運(yùn)行。4.5系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)（單純的邏輯控制）4.5.1 水塔液位控制系統(tǒng)的主電路圖圖4.3 水塔液位控制系統(tǒng)的主電路圖4.5.2 I/O接口的分配表4-1 水塔液位控制系統(tǒng)PLC的輸入/輸出接口分配表輸入信號(hào)輸入變量名輸

24、出信號(hào) 輸出變量名I0.1水塔上限位Q0.1電磁閥I0.2水塔下限位Q0.2水泵I0.3水池上限位Q0.3水池下限指示燈a1I0.4水池下限位Q0.4水池上限指示燈a2I0.0控制開(kāi)關(guān)Q0.5水塔下限指示燈a3Q0.6水塔上限指示燈a4Q0.7報(bào)警指示燈a5注意：水塔上下限位的開(kāi)關(guān)是由液位變送器1給出的信號(hào)控制完成的水池的上下限位的開(kāi)關(guān)是有液位變送器2給出的，他需要采用A/D轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)PLC的邏輯控制，而上表中電子執(zhí)行器1控制電磁閥的閥門開(kāi)度，電子執(zhí)行器2控制水泵電動(dòng)機(jī)的功率大小。然后液位變送器的控制的解耦還是要用到PID的設(shè)定，所以我們可以用到PLC的PID回路指令，此處有兩個(gè)單閉環(huán)，PID

25、的控制指令大致相同，所以這里只以一個(gè)單閉環(huán)的PID指令為例來(lái)編寫程序4.5.3 水塔液位控制系統(tǒng)的I/O設(shè)備這是一個(gè)單體控制小系統(tǒng)，沒(méi)有特殊的控制要求，它有5個(gè)開(kāi)關(guān)量，開(kāi)關(guān)量輸出觸點(diǎn)數(shù)有8個(gè)，輸入、輸出觸點(diǎn)數(shù)共有13個(gè)，只需選用一般中小型控制器即可。據(jù)此，可以對(duì)輸入、輸出點(diǎn)作出地址分配，水塔水位控制系統(tǒng)的I/O接線圖如圖4.4所示。 圖4.4 水塔水位控制系統(tǒng)的I/O接線圖4.5.2 控制系統(tǒng)硬件介紹可編程控制器（Programmable Controller）,也稱可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller），是以微處理器為核心的工業(yè)自動(dòng)控制通用裝置，是計(jì)算

26、機(jī)家族的一名成員，簡(jiǎn)稱PC，為了避免與個(gè)人電腦（也簡(jiǎn)稱為PC）相混淆，通常將可編程控制器簡(jiǎn)稱為PLC。可編程控制器的產(chǎn)生與繼電器接觸器控制系統(tǒng)有很大的關(guān)系。繼電器接觸器控制已有上百年的歷史，它是一種用弱電信號(hào)控制強(qiáng)電信號(hào)的電磁開(kāi)關(guān)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、電路直觀、價(jià)格低廉、容易操作、易于維修的優(yōu)點(diǎn)。此種控制系統(tǒng)布局固定，按預(yù)先規(guī)定的時(shí)間、條件、順序工作。對(duì)于工作模式固定、要求比較簡(jiǎn)單的場(chǎng)合非常適用，至今仍有廣泛的用途。但是當(dāng)工作模式改變時(shí)，就必須改變控制系統(tǒng)的硬件接線，控制柜內(nèi)的物件和接線都要作相應(yīng)的變動(dòng)，改造工期長(zhǎng)，費(fèi)用高，用戶改造時(shí)寧愿扔掉舊控制柜，另作一個(gè)新控制柜使用，阻礙了產(chǎn)品更新?lián)Q代。隨著工

27、業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，產(chǎn)品更新?lián)Q代的周期日益縮短，工業(yè)生產(chǎn)從大批量、少品種向小批量、多品種轉(zhuǎn)換，繼電器接觸器控制難以滿足市場(chǎng)需要，此問(wèn)題首先被美國(guó)通用汽車公司（GM公司）提了出來(lái)。通用汽車公司為適合汽車型號(hào)的不斷翻新，滿足用戶對(duì)產(chǎn)品的多樣性的需求，公開(kāi)對(duì)外招標(biāo)，要求制造一種新的工業(yè)控制裝置，取代傳統(tǒng)的繼電器接觸器控制。其對(duì)新裝置性能提出的要求就是著名的GM10條，即 （1）編程簡(jiǎn)單，可在現(xiàn)場(chǎng)修改程序。（2）維護(hù)方便，最好是插件式。（3）可靠性高于繼電器控制柜。（4）體積小于繼電器控制柜（5）可將數(shù)據(jù)直接送入管理計(jì)算機(jī)。（6）在成本上可與繼電器控制柜競(jìng)爭(zhēng)。（7）輸入可以是交流115V。

28、（8）輸出可以是交流115V、2A以上，可直接驅(qū)動(dòng)電磁閥。（9）在擴(kuò)展時(shí)，原有系統(tǒng)只要很小變更。（10）用戶程序存儲(chǔ)器容量至少能擴(kuò)展4KB。這十項(xiàng)指標(biāo)就是現(xiàn)代PLC的最基本功能，值得注意的是PLC并不等同于普通計(jì)算機(jī)，它與有關(guān)的外部設(shè)備，按照“易于與工業(yè)控制系統(tǒng)連成一體”和“便于擴(kuò)充功能”的原則來(lái)設(shè)計(jì)。用可編程控制器代替了繼電器接觸器的控制，實(shí)現(xiàn)了邏輯控制功能，并且具有計(jì)算機(jī)功能靈活、通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，用程序代替硬接線，減少了重新設(shè)計(jì)，重新接線的工作，此種控制器借鑒計(jì)算機(jī)的高級(jí)語(yǔ)言，利用面向控制過(guò)程，面向問(wèn)題的“自然語(yǔ)言”編程，其標(biāo)志性語(yǔ)言是極易為IT電器人員掌握的梯形圖語(yǔ)言，使得不熟悉計(jì)算機(jī)的

29、人也能方便地使用。這樣，工作人員不必在編程上發(fā)費(fèi)大量的精力，只需集中精力去考慮如何操作并發(fā)揮該裝置的功能即可，輸入、輸出電平與市電接口，是控制系統(tǒng)可方便地在需要的地方運(yùn)行。所以，可編程控制器廣泛地應(yīng)用于各工業(yè)領(lǐng)域。第五章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 5.1系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)1（單純的邏輯控制）5.1.1水塔液位控制系統(tǒng)的程序流程圖 根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，得到的程序流程圖如圖5.1 圖4.5 水塔液位控制系統(tǒng)的PLC控制流程圖5.1.2 水塔液位控制系統(tǒng)的工作過(guò)程單純的邏輯控制：設(shè)水塔、水池初始狀態(tài)都為空著的，4個(gè)液位指示燈全亮。當(dāng)執(zhí)行程序時(shí)，掃描到水池為液位低于水池下限液位時(shí)，電磁閥打開(kāi)，開(kāi)始往水池離境稅，如果進(jìn)水超過(guò)

30、4秒，而水池液位沒(méi)有超過(guò)水池下限位，說(shuō)明系統(tǒng)出現(xiàn)故障，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)報(bào)警。若4秒之后水池液位按預(yù)定的超過(guò)水池下限位，說(shuō)明系統(tǒng)在正常的工作，水池下限位的指示燈A1滅，此時(shí)，水池的液位已經(jīng)超過(guò)了下限位了，系統(tǒng)檢測(cè)到此信號(hào)時(shí)，由于水塔液位低于水塔水位下限，水泵開(kāi)始工作，向水塔供水，當(dāng)水池的液位超過(guò)水池上限液位時(shí)，水池上限指示燈A2滅，電磁閥就關(guān)閉，但是水塔現(xiàn)在還沒(méi)有裝滿，可此時(shí)水塔液位已經(jīng)超過(guò)水塔下限水位，則水塔下限指示燈A3滅，水泵繼續(xù)工作，在水池抽水向水塔供水，水塔抽滿時(shí)，水塔液位超過(guò)水塔上限，水塔上限指示燈A4滅，但剛剛給水塔供水的時(shí)候，水泵已經(jīng)把水池的水抽走了，此時(shí)水塔液位已經(jīng)低于水池上限，水

31、池上限指示燈A2亮。此次給水塔供水完成。經(jīng)過(guò)解耦控制技術(shù)后的PID控制回路：是兩個(gè)單回路系統(tǒng)，就水池的單回路控制系統(tǒng)而言，將水泵的功率看作是一個(gè)定值，設(shè)定水池液位為上線報(bào)警時(shí)的一半，然后通過(guò)調(diào)節(jié)PID參數(shù)來(lái)驅(qū)動(dòng)電子執(zhí)行器，從而達(dá)到控制電磁閥來(lái)控制水池的液位；同理，對(duì)于水塔中的液位控制也是一樣的運(yùn)用。而且通過(guò)模擬量的輸入就不需要太多的數(shù)字量通道來(lái)作為開(kāi)關(guān)，直接通過(guò)模擬量的大小來(lái)控制上下限報(bào)警系統(tǒng)，這樣雖然比較復(fù)雜，但是系統(tǒng)更穩(wěn)定，出現(xiàn)故障時(shí)的修整會(huì)變得容易，而且危險(xiǎn)系數(shù)也會(huì)降低。關(guān)于上下限報(bào)警的燈控制還是沒(méi)有變化，變化的是使用電子執(zhí)行器去控制電磁閥門的開(kāi)度和水泵的功率，其實(shí)就是控制水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)

32、頻率。5.1部分主要講了單純的可編程邏輯控制的程序設(shè)計(jì)，在5.3會(huì)有PID回路指令的程序設(shè)計(jì)，本程序只是將PID程序的主干進(jìn)行了編輯，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際問(wèn)題，還要考慮很多的影響因素。5.1.3 水塔液位控制系統(tǒng)的梯形圖圖5.2 水塔液位控制系統(tǒng)的梯形圖5.2系統(tǒng)控制的程序?qū)τ赑LC來(lái)說(shuō)，程序語(yǔ)句是相對(duì)簡(jiǎn)單而且容易掌握的，它是由一條條指令語(yǔ)句組成的，下面就是水塔液位控制系統(tǒng)梯形圖對(duì)應(yīng)的指令表Network 1LD I0.0O Q0.1A I0.3= Q0.1Network 2 LD Q0.1TON T37, 40Network 3 LD I0.4= Q0.3Network 4 LD T37A I0.4

33、LPSAN T38= Q0.7LPPAN T39TON T38, 10Network 5 LD T38TON T39, 10Network 6 LD I0.3= Q0.4Network 7 LD I0.2O Q0.2A I0.1AN I0.4= Q0.2Network 8 LD I0.2A Q0.6= Q0.5Network 9 LD I0.1= Q0.65.3 加入PID控制的指令的軟件程序前面的PLC是單純的邏輯控制，沒(méi)有PID參數(shù)調(diào)節(jié)的加入，雖然在現(xiàn)實(shí)中也可以使用，但是會(huì)使電子執(zhí)行器等受到很大的損壞，所以當(dāng)完成解耦控制后系統(tǒng)就變成兩個(gè)非常簡(jiǎn)單的單閉環(huán)控制回路。調(diào)節(jié)器4液位變送器2水 泵水

34、塔液位變送器1調(diào)節(jié)器3電磁閥水 池圖4.3 經(jīng)過(guò)解耦控制后的兩個(gè)單閉環(huán)控制回路圖中調(diào)節(jié)器3與調(diào)節(jié)器4都是經(jīng)過(guò)加上了解耦補(bǔ)償裝置后的傳遞函數(shù)。這里就不計(jì)算解耦補(bǔ)償函數(shù)了。分析：以水池為例 有一處進(jìn)水管和抽水管，該處我們將兩個(gè)回路作為了單獨(dú)的互不影響的閉環(huán)控制系統(tǒng)，所以水泵的抽水流量是一定的，所以我們要控制水池里的水位在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的值就需要對(duì)電磁閥進(jìn)行控制。假設(shè)我們要控制水位在上線報(bào)警水位的一半。系統(tǒng)使用比例、積分及微分控制，假設(shè)采用下列控制參數(shù)值：Kc為0.5，Ts為0.2s，Ti為20min，Td為10min。 本程序的主程序、回路表初始化程序SBR_0、初始化子程序SBR_1和中斷程序INT_0，模擬量輸入通道為AIW2，模擬量輸出通道為AQW0.I0.4是手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)信號(hào)，I0.4為1時(shí)，為系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。5.3.1PID控制系統(tǒng)梯形圖主程序PID回路表初始化子程序初始化主程序SBR_1中斷程序INT_05.3.2PID控制系統(tǒng)的指令：主程序LD SM0.1CALL SBR_0:SBR0CALL SBR_1:SBR1子程序SBR_0LD SM0.0MOVR 0.5, VD204MOVR 0.5, VD212MOVR 0.2, VD216MOVR 30.0, VD220MOVR 15.0, VD224子程序SBR_1LD SM0.0MOVB 200