基于智能儀表和PLC的液位控制系統(tǒng)設計

1、本本 科科 生生 畢畢 業(yè)業(yè) 論論 文（設計）文（設計） 題 目：基于智能儀表和 PLC 的液位控制系統(tǒng)設計 院 系： 專 業(yè)： 學生姓名： 學 號： 指導教師： （職 稱）摘摘 要要 微電子技術和計算機技術的不斷發(fā)展，引起了儀表結構的根本性變革，以微型計算機（單片機）為主體，將計算機技術和檢測技術有機結合，組成新一代“智能化儀表” ，在測量過程自動化、測量數(shù)據(jù)處理及功能多樣化方面與傳統(tǒng)儀表的常規(guī)測量電路相比較，取得了巨大進展。智能儀表不僅能解決傳統(tǒng)儀表不易或不能解決的問題，還能簡化儀表電路，提高儀表的可靠性，更容易實現(xiàn)高精度、高性能、多功能的目的?？删幊炭刂破?Programmable Lo

2、gic Controller-PLC)是一種應用廣泛非常的自動控制裝置，它將傳統(tǒng)的繼電器控制技術、計算機技術和通訊技術融為一體，具有控制能力強、操作靈活方便、可靠性高、適宜長期連續(xù)工作的特點，非常適合液位控制的要求。本文介紹了基于智能儀表、西門子 S7-300 型可編程控制器（PLC） 、組態(tài)軟件的液位控制系統(tǒng)的設計方案。系統(tǒng)采用 PID 算法，實現(xiàn)液位的自動控制。利用組態(tài)軟件設計人機界面，通過串行口和可編程控制器通信，實現(xiàn)控制系統(tǒng)的實時監(jiān)控、現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集與處理。實驗證明，控制系統(tǒng)效果比較令人滿意，具有較大的工程實用價值。關鍵詞：液位控制；智能儀表；可編程控制器；PID；人機界面 Abstr

3、actNowadays intelligent measuring appliance is improving more and more quickly.It has been used in more an more place of our life.It can make Electric circuit much easier than before.And the control can be realized much more precise and convenient. Microelectronics and computer technology continues

4、to develop, led to fundamental changes in the structure of instruments to micro-computer (single chip) as the main body, the computer technology and the organic integration of detection technology to form a new generation of smart meters in Measurement of process automation, measurement data process

5、ing and functional diversification of the traditional instrument, compared to conventional measuring circuit, tremendous progress has been made.PLC is a very useful control installment . It is widely used in a lot of control system in ourlives. It is the product of the computer,control,communication

6、 technology.It can make Electric circuit much easier than before.And the control can be realized much more precise and convenient.It very suits the control of water level. It will relay the traditional control technology, computer and communication technologies together with the control, and operati

7、on of flexible convenient, high reliability, suitable for continuous long-term characteristics of the work, very suitable for liquid level control requirements.This thesis mainly introduces a design of water level control system with intelligent measuring appliance,SIMATIC programmable logic control

8、ler (PLC) and configuration soft. This system adopts increment type Proportional-Integral-Differential arithmetic to realize the water level automation. For convenience to monitor the system and process data in actual time, we have designed Human Machine Interface（HMI）with configuration soft. The re

9、sult of experimentation indicates that this system could run quickly, accurately and stably which accords with our aim perfectly. This system has been used widely in the temperature control system field for its low cost and high stabilization advantages. Experiment proved that the control system mor

10、e satisfactory results, with more practical engineering value. Keywords: Water Level Control；Intelligent measuring appliance；PLC；PID；HMI目目 錄錄摘摘 要要 .IABSTRACT.II第一章第一章前言前言.11.1 課題研究背景、意義和目的.11.2 液位控制系統(tǒng)的發(fā)展狀況.11.3 論文研究內容.2第二章第二章智能儀表與可編程控制器基礎智能儀表與可編程控制器基礎.42.1 智能儀表基礎.42.1.1 智能儀表的定義及發(fā)展現(xiàn)狀 .42.1.2 智能儀表的功能

11、.42.1.3 智能儀表的基本組成 .42.2 可編程控制器基礎.52.2.1 PLC 的歷史和發(fā)展趨勢 .62.2.2 PLC 的分類 .62.2.3 PLC 的基本結構 .72.2.4 PLC 的編程 .82.2.5 S7-300 型 PLC 的特性 .8第三章第三章PIDPID 控制器設計控制器設計.103.1PID 控制器.103.1.1 PID 控制器的基本結構.103.1.2 PID 控制器各參數(shù)的作用.113.1.3過程控制中常見 PID 參數(shù)整定方法 .123.1.4PID 參數(shù)整定公式.143.2數(shù)學模型.15第四章第四章控制系統(tǒng)設計控制系統(tǒng)設計.184.1硬件配置.184.

12、1.1 智能儀表 .184.1.2 PLC .194.1.3 檢測裝置 .204.1.4 執(zhí)行機構 .204.2控制流程.214.2.1智能儀表控制 .214.2.2S7-300PLC 控制.224.3PLC 程序設計簡介.234.3.1PID 功能.234.3.2 控制程序設計 .264.3.3 程序總體結構 .274.4STEP7 編程界面簡介 .284.5MATLAB 系統(tǒng)仿真.30第五章第五章 人機界面設計人機界面設計.325.1 組態(tài)軟件簡介.325.2 組態(tài)王人機界面開發(fā).335.2.1 組態(tài)王簡介 .335.2.2 組態(tài)王特點 .335.2.3 組態(tài)王開發(fā) .34第六章第六章 系

13、統(tǒng)運行結果系統(tǒng)運行結果.43第七章第七章 結論結論.44參考文獻參考文獻.45致謝致謝.46第一章第一章前言前言1.11.1 課題研究背景、意義和目的課題研究背景、意義和目的 在工業(yè)生產過程中，液位變量是最常見、最廣泛的過程參數(shù)之一。在石油工業(yè)、化工生產、電力工程、機械制造和食品加工等諸多領域中，人們都需要對各類流體的液位高度進行檢測和控制.由于其具有工況復雜、參數(shù)多變、運行慣性大、控制滯后等特點，它對控制調節(jié)器要求極高。 在工程實際中，應用最為廣泛的調節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱 PID 控制。PID 控制器問世至今已有近 70 年歷史，它以其結構簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調整方

14、便而成為液位控制的主要技術之一。微電子技術和計算機技術的不斷發(fā)展，引起了儀表結構的根本性變革，以微型計算機（單片機）為主體，將計算機技術和檢測技術有機結合，組成新一代“智能化儀表” ，在測量過程自動化、測量數(shù)據(jù)處理及功能多樣化方面與傳統(tǒng)儀表的常規(guī)測量電路相比較，取得了巨大進展。智能儀表不僅能解決傳統(tǒng)儀表不易或不能解決的問題，還能簡化儀表電路，提高儀表的可靠性，更容易實現(xiàn)高精度、高性能、多功能的目的。隨著科學技術的進一步發(fā)展，儀表的智能化程度將越來越高，不但能完成多種物理量的精確顯示，同時可以帶變送輸出、繼電器控制輸出、通訊、數(shù)據(jù)保持等多種功能。可編程控制器(Programmable Logic

15、 Controller-PLC)是一種應用廣泛非常的自動控制裝置，它將傳統(tǒng)的繼電器控制技術、計算機技術和通訊技術融為一體，具有控制能力強、操作靈活方便、可靠性高、適宜長期連續(xù)工作的特點，非常適合液位控制的要求。目前常用的可編程控制器中，西門子公司的 S7-300PLC 以其編程軟件 STEP7 的簡潔易用和通信網絡的功能強大得到業(yè)內人士的普遍認可。1.21.2 液位控制系統(tǒng)的發(fā)展狀況液位控制系統(tǒng)的發(fā)展狀況 近幾十年來，控制系統(tǒng)已被廣泛使用，在起研究和發(fā)展上也已趨于完備，控制的概念更是應用在許多生活周遭的事物。液位控制系統(tǒng)已是一般工業(yè)界所不可缺少的，舉凡蓄水槽、污水處理廠等都需要液位元的控制。使

16、用液位控制系統(tǒng)來自動維持液位高度，工作人員可以輕易在操作室獲知整個設備的儲水狀況，大大減低工作人員工作的危險性，同時更提高了工作的效率及簡便性。除了傳統(tǒng)的 PID 控制系統(tǒng)外，近年來隨著智能儀表和 PLC 的發(fā)展，加入智能型控制的系統(tǒng)也得以應用。近年來液位控制系統(tǒng)取得了很大的進步，出現(xiàn)了許多新型的液位控制儀，如超聲波液位計、雷達液位計、光電液位開關等，這些控制器的出現(xiàn)大大提高了控制系統(tǒng)的精度，實現(xiàn)了控制系統(tǒng)的豐富多樣性。近幾十年來，在自動控制理論和設計方法發(fā)展的推動下，國外液位控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，美國、德國、日本等技術領先國家，生產開發(fā)出一系列性能優(yōu)異、實用性強的液位控制器以及相應的儀器儀表，并

17、廣泛應用于生產生活的各個領域。這些先進的控制器不僅能實現(xiàn)各種復雜環(huán)境下的液位控制系統(tǒng)的控制，而且運用先進的算法，采用自適應控制、自校正控制、模糊控制、人工智能及計算機技術，使液位控制器的適用范圍更加廣泛。國外的液位控制器正朝著高精度、智能化等方向快速發(fā)展。反觀我國，雖然液位控制系統(tǒng)在國內生產生活的應用十分廣泛，但國內的液位控制器的發(fā)展水平仍然不高，同先進國家的差距仍然很大。國內液位控制器仍以常規(guī)的 PID 控制器為主，無法適用于滯后、復雜、時變的液位系統(tǒng)控制。智能化、自適應的控制系統(tǒng)，國內還沒有相關的成熟技術。我國相關控制器大量依靠國外的成熟技術，這些都是必須正視的現(xiàn)實。所以，發(fā)展先進的液位控

18、制技術是我們必須重視的趨勢。隨著科學技術的不斷發(fā)展，人們對液位控制系統(tǒng)的要求越來越高，特別是高精度、智能化、人性化的液位控制系統(tǒng)是國內外液位控制系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。1.31.3 論文研究內容論文研究內容 本論文研究的是智能儀表與 PLC 技術在液位控制系統(tǒng)上的應用。從整體上分析和研究了控制系統(tǒng)的硬件配置，控制對象數(shù)學模型的建立，控制算法的選擇和參數(shù)的整定，人機界面的設計等，具體有以下幾方面的內容：第一章，對液位控制系統(tǒng)應用的背景進行了闡述，并說明了智能儀表和 PLC 在工業(yè)控制系統(tǒng)領域的發(fā)展狀況，指出了本文的研究意義所在。第二章，簡單概述了智能儀表以及 PLC 的基本概念以及結構功能等基礎內容

19、。第三章，介紹了控制系統(tǒng)設計的基本步驟和方法，包括了硬件的配置，電路圖的設計，程序設計，系統(tǒng)的通信等內容。第四章，研究了控制器的設計方法。采用 PID 控制算法以及臨界比例度法整定參數(shù)，最終完成控制器的設計。第五章，介紹了人機界面的設計。第六章，介紹了系統(tǒng)的測試及應用。第七章，總結全文。第二章第二章智能儀表與可編程控制器基礎智能儀表與可編程控制器基礎2.12.1 智能儀表基礎智能儀表基礎2.1.12.1.1智能儀表的定義及發(fā)展現(xiàn)狀智能儀表的定義及發(fā)展現(xiàn)狀智能儀表是指儀表中配有微控制器，使其具有對數(shù)據(jù)、命令等進行存儲、運算、邏輯判斷及自動化操作等功能。隨著微控制器（包括單片機、DSP、ARM 等

20、）技術的不斷進步和普及，智能儀表得到了迅猛的發(fā)展。新型智能儀表在測量過程自動化、測量結果的數(shù)據(jù)處理以及功能的多樣化方面，都取得了巨大的進步3。 我國的儀表行業(yè)由于起步晚、水平低，與發(fā)達國家相比差距較大。我國的智能儀表行業(yè)還遠遠不能滿足國民經濟、科學研究、國防建設以及社會發(fā)展等各個方面日益增長的迫切需求。2.1.22.1.2 智能儀表的功能智能儀表的功能總結起來，智能儀表大體上能實現(xiàn)如下一些功能：自動校正零點、滿度和切換量程可進行多通道、多參數(shù)巡回檢測自動修正各類測量誤差數(shù)字濾波及數(shù)據(jù)處理控制算法多種輸出形式數(shù)據(jù)通信自診斷2.1.32.1.3 智能儀表的基本組成智能儀表的基本組成智能儀表由硬件和

21、軟件兩大部分組成。硬件部分包括微控制器及其接口電路、模擬量輸入輸出電路、開關量輸入輸出電路、數(shù)據(jù)通信接口電路、人機交互通道，以及其他外圍設備。智能儀表硬件組成框架圖如圖 2-1 所示。智能儀表的軟件，包括監(jiān)控程序、中斷服務程序以及實現(xiàn)各種算法的功能模塊。智能儀表的工作過程如下：輸入信號要經過開關量輸入電路或模擬量輸入電路進行變換、放大、整形、補償?shù)忍幚?。對于模擬量信號，需經 A/D 轉換器轉換成數(shù)字信號，再通過接口送入微控制器。由 CPU 對輸入數(shù)據(jù)進行加工處理、計算分析等一系列工作，通過接口送至顯示器或打印機，也可輸出開關量信號或經模擬量輸出電路的 D/A 轉換器轉換成模擬量輸出信號。還可通

22、過串行接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，完成更復雜的測量和控制任務。開關量 模擬量 信號 信號 通信數(shù)據(jù) 鍵盤 開關量輸入電路模擬量輸入電路通信接口電路鍵盤接口電路 微控制器及其接口電路開關量輸出電路模擬量輸出電路顯示器接口電路打印機接口電路 開關量 模擬量 顯示器 打印機 輸出信號 輸出信號 圖 2-1 智能儀表硬件組成框架圖。2.22.2 可編程控制器基礎可編程控制器基礎PLC 即可編程邏輯控制器，英文全稱是 Programmable Logic Controller，是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數(shù)字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)

23、和算術運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。PLC 以其可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單、功能強大、性價比高、體積小、能耗低等顯著特點廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)。2.2.12.2.1 PLCPLC 的歷史和發(fā)展趨勢的歷史和發(fā)展趨勢20 世紀 20 年代起，人們把各種繼電器、定時器、接觸器及其觸點按一定的邏輯關系連接起來組成控制系統(tǒng)，控制各種機械設備，這就是傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)。到 20 世紀 60 年代，汽車生產流水線的自動控制系統(tǒng)基本上都是由繼電器控制裝置構成的。20 世紀 6

24、0 年代末，美國的汽車制造業(yè)競爭激烈，各生產廠家汽車型號不斷更新，它必然要求加工的生產線亦隨之改變，以及對整個控制系統(tǒng)重新配置，這樣，繼電器控制系統(tǒng)就需要經常更新和安裝，阻礙了更新周期的縮短。為改變這一狀況，美國通用汽車公司（GM）在 1968 年公開招標，要求用新的控制裝置取代繼電器控制裝置。1969 年美國數(shù)字設備公司（DEC）根據(jù)美國通用汽車公司的這種要求，研制成功了世界上第一臺可編程控制器，并在通用汽車公司的自動裝配線上試用，取得很好的效果。這一新型工業(yè)控制裝置的出現(xiàn)，也受到了世界其他國家的高度重視。1971 年日本從美國引進了這項技術，很快研制了日本第一臺 PLC。1973 年西歐國

25、家也研制出它們的第一臺 PLC。我國從 1974 年開始研制，于 1977 年開始工業(yè)應用1。目前比較著名的 PLC 生產廠家有日本的三菱公司、歐姆龍公司、富士電機、松下電工，德國的西門子，法國的 TE 公司、施耐德公司，韓國的三星公司、LG 公司和美國的 AB、通用（GE）公司。PLC 現(xiàn)在的發(fā)展很快，總的趨勢是向高集成度、小體積、大容量、高速度、使用方便、高性能和智能化方向發(fā)展2。2.2.22.2.2 PLCPLC 的分類的分類 對于 PLC 的分類通?？梢愿鶕?jù)他的結構形式、容量或功能進行。按照硬件的結構形式，可將 PLC 分為整體式和模塊式兩類，還有一些 PLC 將整體式和模塊式的特點結

26、合起來，構成所謂疊裝式 PLC。PLC 的容量主要指其輸入/輸出點數(shù)。按容量大小，可將 PLC 分為：小型 PLC：I/O 點數(shù)一般在 256 點以下；中型 PLC：I/O 點數(shù)一般在 256-1024 點之間；大型 PLC：I/O 點數(shù)一般在 1024 點以上。按 PLC 功能上的強弱可分為低檔機，中檔機，高檔機。當然，上述分類的標準不是固定的，而是隨著 PLC 整體性能的提高不斷變化。2.2.32.2.3 PLCPLC 的基本結構的基本結構PLC 專為工業(yè)現(xiàn)場應用而設計，采用了典型的計算機結構，主要由中央處理器（CPU）、存儲器（RAM、ROM）、輸入輸出單元（I/O 接口）、電源及編程器

27、等幾大部分組成。PLC 的基本結構圖如圖 2-2 所示。輸入單元中央處理單元CPU輸出單元電源存儲單元 編程器或其他編程設備 圖 2-2 PLC 的基本結構圖中央處理器（CPU）是 PLC 的核心，一般由運算器、控制器、寄存器組成，這些電路都集成在一個芯片內。CPU 通過數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線與存儲單元、電源信號輸入信號檢查裝置輸入輸出接口電路相連接。它的功能是接收并存貯用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中，同時，診斷電源和 PLC 內部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯誤等。PLC 中采用的 CPU 一般有三大類：通用微處理器；單片機芯片

28、；位處理器。存儲器主要用于存放系統(tǒng)程序和應用軟件。PLC 所用的存儲器基本上由 ROM（只讀存儲器）、EPROM（可擦除的只讀存儲器）及 RAM（隨機存儲器）組成。根據(jù)存儲內容的不同，PLC 的存儲空間一般分為以下 3 個區(qū)域：系統(tǒng)程序存儲區(qū)、用戶程序存儲區(qū)、系統(tǒng) RAM 存儲區(qū)。輸入/輸出單元從廣義上分包含兩部分：與被控設備相連接的接口電路；輸入輸出的映像寄存器。PLC 是通過各種 I/O 接口模塊與外界聯(lián)系的，按 I/O 點數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量，I/O 模塊可多可少，但其最大數(shù)受 CPU 所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或機架槽數(shù)限制。I/O 模塊集成了 PLC 的 I/O 電路，

29、其輸入暫存器反映輸入信號狀態(tài)，輸出點反映輸出鎖存器狀態(tài)。2.2.42.2.4 PLCPLC 的編程的編程 常用的 PLC 程序設計方法有梯形圖(LAD)、功能塊圖(FBD)和語句表(STL)。梯形圖的使用直觀方便,可以建立與電器接線圖等價的梯形邏輯圖,而且在全世界范圍內通用,因此,成為多數(shù) PLC 程序設計和維護人員的首選方法,在實際設計中有著廣泛的應用。2.2.52.2.5 S7-300S7-300 型型 PLCPLC 的特性的特性S7-300PLC 是西門子公司的中型 PLC，最多可以擴展 32 個模塊。S7-300PLC 是模塊式中小型 PLC，電源、CPU 和其他模塊都是獨立的，可以通

30、過 U 形總線把電源（PS） 、CPU 和其他模塊緊密地固定在西門子 S7-300 標準的導軌（Rail）上。S7-300PLC 的結構示意圖如圖 2-3 和 2-4。 圖 2-3 S3-300PLC 實物圖 圖 2-4 S7-300PLC 主要結構示意圖 第三章第三章PIDPID 控制器設計控制器設計控制器的設計是基于模型控制設計過程中最重要的一步。首先要根據(jù)受控對象的數(shù)學模型和它的各特性以及設計要求，確定控制器的結構以及和受控對象的連接方式。然后根據(jù)所要求的性能指標確定控制器的參數(shù)值。3.1PIDPID 控制器控制器PID 控制技術是在反饋思想被實際應用以后在工業(yè)應中發(fā)展起來的。PID 控

31、制器早在一百年前就已經出現(xiàn)，經過長時間發(fā)展，已經有許許多多改進形式的PID 控制器出現(xiàn)，但到目前為止沒有一個 PID 控制器能夠適用于所有控制場合。PID 控制器具有結構簡單，魯棒性強等特點，因此，今天它己經成為應用最廣泛的控制技術，在石化，化工，造紙等工業(yè)領域，甚至有 97%的常規(guī)控制器都是 PID 控制器。3.1.1 PIDPID 控制器的基本結構控制器的基本結構最典型反饋控制系統(tǒng)的方塊圖如圖 3-1 所示，此系統(tǒng)為單位反饋，其中偏差值 e 為給定值與測量值的差值，u 為控制量，d 為系統(tǒng)中擾動量。圖 3-1 系統(tǒng)結構框圖PID 控制器基本可以由以下的傳遞函數(shù)表示： （3-1）1( )(1

32、)cdiG sKT sTs其中為比例增益，為積分時間，為微分時間。cKiTdTPID 控制器的另一種表示方式也比較常見，稱為并行結構（Parallel form），如下所示：PID被控對象給定值被控參數(shù)+d-+euPVSVsKsKKsGdip)( （3-2）其時域輸出方程為：dttdeKdtteKteKtudip)()()()(（3-3）式（3-1）與式（3-2）實際上可以互相轉換，兩者參數(shù)間的關系如下所式：， （3-4）pcKKciiKKTdcdKK T此時，模型的積分時間和微分時間也相應改變，分別為：，1iKdK3.1.2 PIDPID 控制器各參數(shù)的作用控制器各參數(shù)的作用PID 控制器包

33、括積分、比例、微分三個部分，分別代表過去，現(xiàn)在，還有未來的控制作用，相應的控制參數(shù),以式（3-1）為例，比例增益、積分時間cK、微分時間的取值影響到系統(tǒng)控制效果的好壞。三個部分對系統(tǒng)性能的影iTdT響如下所示：(1) 比例作用引入比例作用是為了即時地反映控制系統(tǒng)的偏差信號，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)了偏差，比例調節(jié)作用立即生效，使系統(tǒng)偏差快速向減小的趨勢變化。增大比例增益，可以提高系統(tǒng)的開環(huán)增益，減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，從而提高控制精度加快調節(jié)速度。但是過大的比例增益會使調節(jié)過程出現(xiàn)較大的超調量，從而降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在某些嚴重的情況下，甚至可能造成閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。(2) 積分作用引入積分作用是為了使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)

34、誤差，提高系統(tǒng)的無差度，以保證實現(xiàn)對設定值的無靜差跟蹤，改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。從原理上看，只要控制系統(tǒng)存在動態(tài)誤差，積分調節(jié)就產生作用，直至無差，積分作用就停止，此時積分調節(jié)的輸出為常數(shù)。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)的大小，越小，iTiT積分作用越強，反之則積分作用弱。但積分作用的引入同時使信號產生相位滯后，使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動態(tài)響應變慢。因此，實際中一般不單獨使用積分器，積分作用常與另外兩種調節(jié)規(guī)律結合，組成 PI 或 PID 控制器。 (3) 微分作用引入微分作用是為了改善控制系統(tǒng)的響應速度，同時使相位超前，提高系統(tǒng)的相位裕度增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。微分作用能反映系統(tǒng)偏差的變化律，預見偏差變化

35、的趨勢，因此能產生超前的控制作用。直觀而言，微分作用能在偏差還沒有形成之前，就已經消除偏差。因此，微分作用改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。微分作用的強弱取決于微分時間的大小，越大，微分作用越強，反之則越弱。dTdT此外，微分作用反映的是變化率，當偏差沒有變化時，微分作用的輸出為零。在微分作用合適的情況下，系統(tǒng)的超調量和調節(jié)時間可以被有效的減小。但是微分作用對噪聲干擾有放大作用，而這是我們在設計控制系統(tǒng)時不希望看到的。所以我們不能過強地增加微分調節(jié)，否則會對控制系統(tǒng)抗干擾能力產生 不利的影響。因此，微分器也不能單獨使用4。3.1.3 過程控制中常見過程控制中常見 PIDPID 參數(shù)整定方法參數(shù)整定方法從對象

36、的開環(huán)響應曲線來看大多數(shù)工業(yè)過程都能用一階慣性加純滯后(First Order Plus Delay Time)模型來近似描述，簡記為 FOPDT 模型，其傳遞函數(shù)如下所示： (3-5)seTsKsG1)(、分別為對象模型的開環(huán)增益、純滯后時間常數(shù)和慣性時間常數(shù)。KT（1）飛升曲線法（階躍響應法）將系統(tǒng)開環(huán)后（不加入控制環(huán)節(jié)） ，給其輸入一定幅值的階躍信號，可得如下圖所示的飛升曲線（即階躍響應曲線） 。在曲線上最大斜率點 P 處作切線，F(xiàn)OPDT 模型的參數(shù)如圖 3-2 所示。KTP圖 3-2 飛升曲線再根據(jù)飛升曲線法的經驗公式可得控制器各參數(shù)。飛升曲線法非常方便簡潔，只要知道過程對象的函數(shù)模

37、型，即可根據(jù)公式算得 PID 控制器的三個參數(shù)。但是飛升曲線法存在一定的弊端。首先，它難以確定最大斜率處，并且能夠利用的系統(tǒng)信息不足；其次，飛升曲線法只限定與FOPDT 模型，對象廣泛的其他經典過程對象，飛升曲線法則束手無策。（2）臨界振蕩法（臨界比例度法）1942 年，Ziegler 和 Nichols 提出的另一種參數(shù)整定方法叫臨界比例度法。這種方法不像飛升曲線法那樣依賴于對象的數(shù)學模型，而是通過實驗由經驗公式得到 PID 控制器的最優(yōu)整定參數(shù)。方法如下：在閉環(huán)的情況下，將 PID 控制器的積分和微分作用先去掉，僅留下比例作用，然后給系統(tǒng)輸入一個信號，如果系統(tǒng)響應是衰減的，則需要增大控制器

38、的比例增益，重做實驗；反之則需要減小。實驗的最終目的，是要使閉環(huán)cKcK系統(tǒng)做臨界等幅振蕩，此時的比例增益就被稱為臨界增益，記為而此時cKuK系統(tǒng)的振蕩周期被稱為臨界振蕩周期，記為。然后再根據(jù)經驗公式得出相應uT的 PID 參數(shù)4。臨界比例度法雖然非常簡單易用，在工程上也曾經得到廣泛的應用，但是仍然存在許多的缺陷。首先，對于參數(shù)和的獲取需要花費大量的調試時間；uKuT其次，現(xiàn)場實驗中存在的不確定影響會給試驗數(shù)據(jù)帶來一定甚至關鍵的噪聲，從影響最終的控制品質；最后，對于那些不允許做臨界振蕩實驗的系統(tǒng)，臨界比例度法根本無法應用，否則就會導致整個系統(tǒng)崩潰。3.1.4 PIDPID 參數(shù)整定公式參數(shù)整定

39、公式PID 參數(shù)自整定包括提取過程動態(tài)特性和 PID 控制器的設計兩部分。為了將復雜的設計過程應用于實際的 PID 自整定控制器，可以把 PID 控制器的設計結果表示為一些由過程的簡單模型參數(shù)或動態(tài)特性參數(shù)表示的整定公式。整定公式本身包含了 PID 控制器的設計過程，可以直接應用于 PID 自整定控制器中。其中最為常見的是 Ziegler-Nichols 整定公式，最早的 Z-N 公式是在 1942 年由Ziegler 和 Nichols 首先提出的，他們所使用的方法及其改進方法至今仍在廣泛應用，上文所提到的飛升曲線法也是基于 Z-N 公式的確定 PID 參數(shù)方法。對于線性時不變系統(tǒng)，如果輸入

40、信號是正弦信號，則穩(wěn)定后輸出信號為同頻率的正弦信號，只有幅度和相位發(fā)生變化。系統(tǒng)傳遞函數(shù)可以表述為頻率的函數(shù): （3-6） jG jAe 其中為輸入到輸出的幅值增益，是輸入信號與輸出信號之間的相移。 A 圖3-3 Nyquist曲線系統(tǒng)的Nyquist曲線如圖3-3所示。曲線上相位為的點的被稱為極限180o點該點的頻率稱為臨界振蕩頻率。如果在閉環(huán)系統(tǒng)中將控制器設為純比例控u制，當比例增益達到足夠高時，系統(tǒng)將不穩(wěn)定。調節(jié)比例增益使系統(tǒng)達到臨界狀態(tài)時，這時控制信號與過程輸出都是正弦信號，相位相差。簡單起見180o假設設定值SV=0。則u=-K*PV。由于系統(tǒng)等幅振蕩，可知，其中()1uuK G j

41、 臨界增益被稱為臨界比例系數(shù)，為過程傳遞函數(shù)。由此方程可知uK()uG j。這樣，Nyquist曲線上的極限點被確定，系統(tǒng)的頻域傳遞函數(shù)1()uuG jK就可以通過一次調節(jié)試驗辨識?；谝陨显砼c方法，Ziegler 和 Nichols 提出了除利用階躍響應法外的另一種 PID 參數(shù)整定方法頻率響應法。頻率響應法也就是上文提到的臨界比例度法。臨界比例度法的整定公式如下表 3-1 所示。 表表 3-13-1 臨界比例度法的整定公式臨界比例度法的整定公式控制器pKiTdTP0.5uKPI0.45uK0.85uTPID0.6uK0.5uT0.125uT除了 Z-N 整定公式外，后人還研究出多種 PI

42、D 參數(shù)整定公式，例如 RZN 整定公式、Kappa-tao 整定公式、Cohen-Coon 整定公式、AMIGO 整定公式等4，本文不做深入介紹。3.2數(shù)學模型數(shù)學模型被控對象數(shù)學模型的建立通常采用下列二種方法。一種是分析法，即根據(jù)過程的機理，物料或能量平衡關系求得它的數(shù)學模型；另一種是用實驗的方法確定。 圖3-4 單容自衡水箱特性測試系統(tǒng) （a）結構圖 （b）方框圖 圖3-4所示為單容自衡水箱特性測試結構圖及方框圖。閥門F1-1、F1-2和F1-8全開，設下水箱流入量為Q1，改變電動調節(jié)閥V1的開度可以改變Q1的大小，下水箱的流出量為Q2，改變出水閥F1-11的開度可以改變Q2。液位h 的

43、變化反映了Q1與Q2不等而引起水箱中蓄水或泄水的過程。若將Q1作為被控過程的輸入變量，h 為其輸出變量，則該被控過程的數(shù)學模型就是h 與Q1之間的數(shù)學表達式。根據(jù)動態(tài)物料平衡關系有 (3-7)將式(3-7)表示為增量形式 (3-8)dthdAQQ21式中：Q1，Q2，h分別為偏離某一平衡狀態(tài)的增量；A.為水箱截面積。在平衡時，Q1=Q2，；0dtdh當Q1發(fā)生變化時，液位h 隨之變化，水箱出口處的靜壓也隨之變化，Q2也發(fā)生變化。由流體力學可知，流體在紊流情況下，液位h 與流量之間為非線性關系。但為了簡化起見，經線性化處理后，可近似認為Q2與h 成正比關系，而與閥F1-dtdhAQQ2111的阻

44、力R成反比，即 （3-9）RhQ2式中：R.為閥F1-11的阻力，稱為液阻。將式(3-8)、式(3-9)經拉氏變換并消去中間變量Q2，即可得到單容水箱的數(shù)學模型為 （3-10）11)()()(10TsKRCsRsQsHsW式中T為水箱的時間常數(shù)，TRC ；K為放大系數(shù)，KR ；C為水箱的容量系數(shù)。若令Q1(s)作階躍擾動，即，X0=常數(shù)，則式(3-10)可改寫為sXsQ01)( （3-11）TsKXsXKsXTsTKsH11/)(000對上式取拉氏反變換得 （3-12）)1 ()(/0TteKXth當t 時，h（）-h（0）=KX0，因而有 （3-13）階躍輸入輸出穩(wěn)態(tài)值)0()(hhK當t=

45、T時，則有 （3-14）)(632. 0632. 0)1 ()(010hKXeKXTh式（3-12）表示一階慣性環(huán)節(jié)的響應曲線是一單調上升的指數(shù)函數(shù)，如圖3-5（a）所示，該曲線上升到穩(wěn)態(tài)值的63%所對應的時間，就是水箱的時間常數(shù)T。也可由坐標原點對響應曲線作切線OA，切線與穩(wěn)態(tài)值交點A 所對應的時間就是該時間常數(shù)T，由響應曲線求得K和T后，就能求得單容水箱的傳遞函數(shù)。 圖 3-5 單容水箱的階躍響應曲線 （a）無滯后特性響應曲線（b）具滯后特性響應曲線如果對象具有滯后特性時，其階躍響應曲線則為圖3-5（b） ，在此曲線的拐點D處作一切線，它與時間軸交于B點，與響應穩(wěn)態(tài)值的漸近線交于A點。圖中

46、OB即為對象的滯后時間，BC為對象的時間常數(shù)T，所得的傳遞函數(shù)為： （3-15）( )1sKeH sTs 其中為系統(tǒng)滯后時間， T為時間常數(shù)，K為放大倍數(shù)。通過實驗建模，傳遞函數(shù)中各參數(shù)為：K=4.2，T=12 min， =1 s。第四章第四章控制系統(tǒng)設計控制系統(tǒng)設計4.1硬件配置硬件配置 實驗使用“THSA-1 型過控綜合自動化控制系統(tǒng)實驗平臺”，該實驗臺是由實驗控制對象、實驗控制臺及上位監(jiān)控PC 機三部分組成 4.1.14.1.1 智能儀表智能儀表采用上海萬迅儀表有限公司生產的AI 系列全通用人工智能調節(jié)儀表，其中SA-12 智能調節(jié)儀控制掛件為AI-818 型，SA-13 智能位式調節(jié)儀

47、為AI-708 型。AI-818 型儀表為PID 控制型，輸出為420mADC 信號；而AI-708 型儀表為位式控制型，輸出為繼電器觸點型開關量信號。AI 系列儀表通過RS485 串口通信協(xié)議與上位計算機通訊，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的實時監(jiān)控。本實驗采用SA-12掛件。P、I、D參數(shù)可根據(jù)實驗需要調整。如圖4-1為SA-12智能儀表掛件。 圖4-1 儀表掛件4.1.24.1.2 PLCPLCS7 系列PLC 有很強的模擬量處理能力和數(shù)字運算功能，具有許多過去大型PLC才有的功能，其掃描速度甚至超過了許多大型的PLC，S7 系列 PLC功能強、速度快、擴展靈活，并具有緊湊的、無槽位限制的模塊化結構，因而

48、在國內工控現(xiàn)場得到了廣泛的應用。在本裝置中采用了S7-300PLC控制系統(tǒng)，使用SA-41S7-300PLC可編程控制器掛件。S7-300是采用模塊化結構的中小型PLC，包括一個CPU315-2DP 主機模塊、一個SM331 模擬量輸入模塊和一個SM332模擬量輸出模塊，以及一塊西門子CP5611 專用網卡和一根MPI 網線。其中SM331 為8 路模擬量輸入模塊， SM332 為4 路模擬量輸出模塊。圖4-2所示為S7-300PLC控制系統(tǒng)結構圖。 圖4-2 S7-300PLC控制系統(tǒng)框圖如圖4-3為S7-300PLC掛件。 圖4-3 S7-300PLC掛件4.1.34.1.3 檢測裝置檢測

49、裝置壓力傳感器、變送器：壓力傳感器用來對上、中、下水箱的液位進行檢測，其量程為05KP，精度為0.5 級。采用工業(yè)用的擴散硅壓力變送器，帶不銹鋼隔離膜片，同時采用信號隔離技術，對傳感器溫度漂移跟隨補償。采用標準二線制傳輸方式，工作時需提供24V 直流電源，輸出：420mADC。4.1.44.1.4 執(zhí)行機構執(zhí)行機構電動調節(jié)閥電動調節(jié)閥：采用智能直行程電動調節(jié)閥，用來對控制回路的流量進行調節(jié)。電動調節(jié)閥型號為：QSVP-16K。具有精度高、技術先進、體積小、重量輕、推動力大、功能強、控制單元與電動執(zhí)行機構一體化、可靠性高、操作方便等優(yōu)點，電源為單相220V，控制信號為420mADC 或15VDC

50、，輸出為420mADC的閥位信號，使用和校正非常方便。如圖4-4為電動調節(jié)閥。 圖4-4 電動調節(jié)閥 水泵水泵：本裝置采用磁力驅動泵，型號為16CQ-8P，流量為30 升/分，揚程為8 米，功率為180W。泵體完全采用不銹鋼材料，以防止生銹，使用壽命長。本裝置采用兩只磁力驅動泵,一只為三相380V 恒壓驅動，另一只為三相變頻220V輸出驅動。 電磁閥電磁閥：在本裝置中作為電動調節(jié)閥的旁路，起到階躍干擾的作用。電磁閥型號為：2W-160-25 ；工作壓力：最小壓力為0Kg/2 ，最大壓力為7Kg/2；工作溫度：580；工作電壓：24VDC。4.2控制流程控制流程 本系統(tǒng)選擇下水箱作為被測對象（也

51、可選擇上水箱或中水箱） 。實驗之前先將儲水箱中貯足水量，然后將閥門F1-1、F1-2、F1-8全開，將下水箱出水閥門F1-11開至適當開度，其余閥門均關閉。4.2.1 智能儀表控制智能儀表控制 將“SA-12 智能調節(jié)儀控制” 掛件掛到屏上，并將掛件的通訊線插頭插入屏內RS485通訊口上，將控制屏右側RS485通訊線通過RS485/232 轉換器連接到計算機串口2，并按照圖4-5的控制屏接線圖連接實驗系統(tǒng)。將“LT3 下水箱液位”鈕子開關撥到“ON”的位置。 圖 4-5 智能儀表單容水箱液位控制系統(tǒng)接線圖 接通總電源空氣開關和鑰匙開關，打開24V 開關電源，給壓力變送器上電，按下啟動按鈕，合上

52、單相、單相空氣開關，給智能儀表及電動調節(jié)閥上電。 打開上位機組態(tài)環(huán)境，打開“智能儀表控制系統(tǒng)”工程，然后進入組態(tài)運行環(huán)境，進入本控制系統(tǒng)的監(jiān)控界面。 在上位機監(jiān)控界面中將智能儀表設置為“手動”控制，并將輸出值設置為一個合適的值，此操作需通過調節(jié)儀表實現(xiàn)。 合上三相電源空氣開關，磁力驅動泵上電打水，適當增加/減少智能儀表的輸出量，使下水箱的液位處于某一平衡位置，記錄上位機曲線。上位機曲線，如圖 4-6 所示。 h 10 5 t/min 0 2 4 圖 4-6： 單容水箱液位測量曲線4.2.2 S7-300PLCS7-300PLC 控制控制 將“SA-41 S7-300PLC 控制”掛件掛到屏上，

53、并用MPI 通訊電纜線將S7-300PLC 連接到計算機CP5611 專用網卡，并按照下圖4-7控制屏接線圖連接實驗系統(tǒng)。將“LT3下水箱液位”鈕子開關撥到“ON”的位置。 接通總電源空氣開關和鑰匙開關，打開24V 開關電源，給S7-300PLC及壓力變送器上電，按下啟動按鈕，合上單相空氣開關，給電動調節(jié)閥上電。 打開 Step 7 軟件，打開“S7-300S7-300”程序進行下載，然后將 S7-300PLC 置于運行狀態(tài)，然后運行組態(tài)軟件，打開“S7-300PLCS7-300PLC 控制系統(tǒng)”工程，然后激活組態(tài)運行環(huán)境，進入本控制系統(tǒng)的監(jiān)控界面。參照上一實驗步驟進行操作。 圖 4-7 S7

54、-300PLC 單容水箱液位控制系統(tǒng)接線圖上位機曲線，如圖 4-8 所示 h 5 t/min 0 1 3 4-8 單容水箱液位測量曲線4.3PLCPLC 程序設計簡介程序設計簡介4.3.1 PIDPID 功能功能在Step 7 中集成了PID 調節(jié)功能塊FB41 (連續(xù)量)、FB42 (開關量) 和脈沖轉換功能塊FB43, 以便于用戶使用其PID 調節(jié)功能。因為在本設計方案中要多次用到PID 連續(xù)量控制, 故這里有必要對FB41作些簡要介紹。Step 7 還提供了標準閉環(huán)控制模塊FM 355, 可以實現(xiàn)定值控制、串級控制、比例控制和三分量控制等多種功能。由于本控制系統(tǒng)實現(xiàn)的控制功能較簡單, 故

55、只用Step 7 內置PID 功能塊即可。FB41 (CONT C) 命名為continuous controller , 在S7-300 PLC 中用于控制輸入和輸出量為連續(xù)信號的控制對象, 可以通過參數(shù)設置, 將其設定為P, PI 或PID 控制器, 也可以組成單獨的I 控制器和D 控制器。PID模塊輸入參數(shù)如表4-1所示。 表4-1 輸入參數(shù)參數(shù) 數(shù)據(jù)類型 數(shù)據(jù)范圍默認值描述COM_RST BOOL FALSE 完全重啟，當為真時執(zhí)行重啟程序 MAN_ON BOOL TRUE 手動操作，若為真，控制環(huán)中斷，操作值手動設定 PVPER_ON BOOL FALSE 過程變量直接從外設輸入 P

56、_SEL BOOL TRUE 為真則比例控制起作用 I_SEL BOOL TRUE 為真則積分控制起作用 D_SEL BOOL FALSE 為真則微分控制起作用 INT_HOLD BOOL FALSE 為真則積分控制的輸出不變 I_ITL_ON BOOL FALSE 為真，使積分器的輸出為I_ITLVAL CYCLE TIME =1ms T#1s 采樣時間 SP_INT REAL -100100%或者物理量0.0 內部的給定點的輸入值 PV_IN REAL -100100%或者物理量0.0 過程變量以浮點形式輸入的值 PV_PER WORD W#16#0000 過程變量從外設直接輸入的值 MA

57、N REAL -100100%或者物理量0.0 通過這個參數(shù)設定手動操作的值 GAIN REAL 2.0 比例控制增益 TI TIME =CYCLE T#20s 決定積分器的響應時間 TD TIME =CYCLE T#10s 微分時間 TM_LAG TIME =CYCLE/2 T#2s 微分器的延遲時間 LMN_HLM REAL 100.0 操作值的最高限 LMN_LLM REAL 0.0 操作值的最低限 PV_FAC REAL 1.0 過程變量因子，調整過程變量的范圍 PV_OFF REAL 0.0 過程變量偏置，調整過程變量的范圍 LMN_FAC REAL 1.0 操作值因子，調整操作值的

58、范圍 LMN_OFF REAL 0.0 操作值偏置，調整操作值的范圍 I_ITLVAL REAL -100100%或者物理量0.0 積分器的初始化值 DISV REAL -100100%或者物理量0.0 輸入的擾動變量 DEADE_W REAL -100100%或者物理量0.0 死區(qū)寬度 4.3.2 控制程序設計控制程序設計按照系統(tǒng)總體設計要求和系統(tǒng)實際情況，利用STEP7 編寫控制程序。圖4-9為系統(tǒng)接線原理圖，圖4-10為控制程序流程圖。 PLC 圖 4-9 系統(tǒng)接線原理圖PSCPUDIDOAI/O計算機液位檢測信號電動調節(jié)閥反饋信號電動調節(jié)閥控制信號報警信號現(xiàn)場手動控制信號 報警 手動

59、自動開機初始化 輸入量化現(xiàn)場 PID 輸出給定數(shù)值 圖 4-10 控制程序流程圖4.3.34.3.3 程序總體結構程序總體結構 在Step 7 中集成了PID 調節(jié)功能塊FB41 (連續(xù)量)、FB42 (開關量) 和脈沖轉換功能塊FB43, 以便于用戶使用其PID 調節(jié)功能。Step 7 還提供了標準閉環(huán)控制模塊FM 355, 可以實現(xiàn)定值控制、串級控制、比例控制和三分量控制等多種功能。由于本控制系統(tǒng)實現(xiàn)的控制功能較簡單, 故只用Step 7 內置PID 功能塊即可。在S7 系列PLC 的CPU 中, 有兩種不同的程序總被執(zhí)行: 操作系統(tǒng)和用戶程序。操作系統(tǒng)用于組織與特定的控制任務無關的CPU

60、 的功能和順序, 包括處理熱啟動、刷新輸入和輸出的過程印表、調用用戶程序、檢測中斷并調用中斷、檢測并處理錯誤、管理存儲區(qū)域、與編程設備和其它通訊伙伴之間的通訊等。系統(tǒng)中提供的OB 塊、SFC 塊和SFB 塊可以讓用戶設置和訪問一些重要的系統(tǒng)功能, 其中OB 塊是操作系統(tǒng)和用戶程序之間的界面5。 用戶程序是必須由用戶自己生成并下載到CPU 中的程序, 其中包含處理特定的自動化任務所需要的所有功能, 它包括: 指定在CPU 上暖啟動和熱啟動的條件, 處理過程數(shù)據(jù), 指定對中斷的響應, 處理程序在正常運行中的干擾等6。Step 7 的用戶程序允許線性編程和結構化編程。線性化編程是指整個用戶程序都寫在