液位控制系統(tǒng)——過(guò)程控制課程設(shè)計(jì)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上過(guò)程控制課程設(shè)計(jì)液位控制系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)目 錄1.引言液位控制是工業(yè)中常見(jiàn)的過(guò)程控制，它對(duì)生產(chǎn)的影響不容忽視。單容液位控制系統(tǒng)具有非線性，滯后，耦合等特征，能夠很好的模擬工業(yè)過(guò)程特征。對(duì)于液位控制系統(tǒng)，常規(guī)的PID控制采用固定的參數(shù)，難以保證控制適應(yīng)系統(tǒng)的參數(shù)變化和工作條件變化，得不到理想效果，模糊控制具有對(duì)參數(shù)變化不敏感和魯棒性強(qiáng)等特征，但控制精度不太理想。如果將模糊控制和傳統(tǒng)的PID控制兩者結(jié)合，用模糊控制理論來(lái)整定PID控制器的比例，積分，微分系統(tǒng)，就能更好的適應(yīng)控制系統(tǒng)的參數(shù)變化和工作條件的變化。本課程設(shè)計(jì)所控制的是單容下水箱液位，根據(jù)控制系統(tǒng)要求，設(shè)計(jì)采用過(guò)程控

2、制器件液位變送器、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥以及可編程邏輯控制器組成單回路閉環(huán)控制系統(tǒng)。從而熟悉PID算法在過(guò)程控制中的應(yīng)用和閉環(huán)回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。2.系統(tǒng)工作原理擾動(dòng)整個(gè)液位控制系統(tǒng)采用典型的反饋式閉環(huán)控制，液位控制系統(tǒng)原理圖如圖2.1所示：液位給定液位變送器上水箱電動(dòng)調(diào)節(jié)閥PID控制器圖2.1 液位控制系統(tǒng)原理圖圖2.1為單回路上水箱液位控制系統(tǒng)，單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)一般指在一個(gè)調(diào)節(jié)對(duì)象上用一個(gè)調(diào)節(jié)器來(lái)保持一個(gè)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)。本系統(tǒng)所要保持的恒定參數(shù)是液位的給定高度，即控制的任務(wù)是控制上水箱液位等于給定值所要求的高度。根據(jù)控制框圖，這是一個(gè)閉環(huán)反饋單回路

3、液位控制，采用工業(yè)智能儀表控制。當(dāng)調(diào)節(jié)方案確定之后，接下來(lái)就是整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)，一個(gè)單回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)安裝就緒之后，控制質(zhì)量的好壞與控制器參數(shù)選擇有著很大的關(guān)系。合適的控制參數(shù)，可以帶來(lái)滿意的控制效果。反之，控制器參數(shù)選擇得不合適，則會(huì)使控制質(zhì)量變壞，達(dá)不到預(yù)期效果。因此，當(dāng)一個(gè)單回路系統(tǒng)組成好以后，如何整定好控制器參數(shù)是一個(gè)很重要的實(shí)際問(wèn)題。一個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)好以后，系統(tǒng)的投運(yùn)和參數(shù)整定是十分重要的工作。一般言之，用比例（P）調(diào)節(jié)器的系統(tǒng)是一個(gè)有差系統(tǒng)，比例度的大小不僅會(huì)影響到余差的大小，而且也與系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能密切相關(guān)。比例積分（PI）調(diào)節(jié)器，由于積分的作用，不僅能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)無(wú)余差，而且只要參數(shù)，T

4、i調(diào)節(jié)合理，也能使系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能。比例積分微分（PID）調(diào)節(jié)器是在PI調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上再引入微分D的作用，從而使系統(tǒng)既無(wú)余差存在，又能改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能（快速性、穩(wěn)定性等）。在單位階躍作用下，P、PI、PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)分別如圖3-2中的曲線、所示。圖2.2 P、PI和PID調(diào)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線3. 硬件設(shè)計(jì)部分3.1控制回路硬件圖如圖3.1所示，水介質(zhì)由泵P102從水箱V104中加壓獲得壓頭，經(jīng)由調(diào)節(jié)閥FV101進(jìn)入水箱V103，通過(guò)擋板QV16回流至水箱V104而形成水循環(huán)；其中，水箱V103的液位由LT103測(cè)得，用調(diào)節(jié)手擋板QV16的開(kāi)啟程度來(lái)模擬負(fù)載的大小。本例為定值自動(dòng)調(diào)

5、節(jié)系統(tǒng)，F(xiàn)V101為操縱變量，LT103為被控變量，采用PID調(diào)節(jié)來(lái)完成。需要全打開(kāi)的手閥：QV102、QV105；需要全關(guān)閉的手閥：QV103、QV104、QV107、QV109；擋板開(kāi)度：QV1160.5cm。圖3.1 單容下水箱液位調(diào)節(jié)閥PID單回路控制3.2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)根據(jù)系統(tǒng)的硬件回路圖（圖3.1）可作出液位控制系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)圖如圖3.2.1所示：HR水 箱伺服閥控制器液位檢測(cè)變送器圖3.2.1 液位控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖從系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)中可看出本系統(tǒng)的硬件部分主要包括：控制對(duì)象（上水箱）、液位檢測(cè)裝置、執(zhí)行裝置（電動(dòng)調(diào)節(jié)閥）、控制器（PLC）、上位機(jī)PC。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意框圖如圖3.2.2

6、所示：圖3.2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意框圖計(jì)算機(jī)液位過(guò)程控制對(duì)象傳感器調(diào)節(jié)閥可編程控制器3.3控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成如圖3.3所示，計(jì)算機(jī)與可編程控制器構(gòu)成主、從結(jié)構(gòu)形式，計(jì)算機(jī)為主機(jī)，計(jì)算機(jī)控制軟件完成用戶界面的設(shè)計(jì)，控制算法的設(shè)計(jì)，以及完成與PLC的串行通訊。可編程控制器為從機(jī)，并帶有A/D、D/A轉(zhuǎn)換器，計(jì)算機(jī)可通過(guò)串口讀入可編程控制器中A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，在本系統(tǒng)中代表液位檢測(cè)值；計(jì)算機(jī)可通過(guò)串口寫出控制量到可編程控制器，由可編程控制器自動(dòng)完成D/A轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果為420mA電流，控制電動(dòng)流量伺服閥的開(kāi)度，從而控制水箱入水量。控制軟件420mA圖3.3 控制系統(tǒng)的組成傳感器變送器控制對(duì)象控制閥420

7、mA帶A/D、D/A轉(zhuǎn)換器的可編程控制器計(jì)算機(jī)串行通信3.4 設(shè)備連接 設(shè)備連接圖如圖3.4所示，PLC的模擬輸入輸出為標(biāo)準(zhǔn)420mA電流信號(hào)，此外，標(biāo)準(zhǔn)模塊伺服閥、DDM和傳感器也都為標(biāo)準(zhǔn)420mA電流信號(hào)接口。轉(zhuǎn)接面板提供普通導(dǎo)線到標(biāo)準(zhǔn)七芯電纜之間的接口。七芯電纜串行通訊線水箱傳感器DDM伺服閥轉(zhuǎn)接面板 DAC0+ DAC0- PLCAIO0+AIO0-RS1RS-232PC機(jī)圖3.4 設(shè)備連接圖4.PID控制器程序設(shè)計(jì)4.1 PID原理如下S7200系列PLC的PID指令采用的是位置式輸出的PID控制算法：u (k ) = Kce(k)+(Ts/Ti)*e(k) +(Td/Ts)* e(

8、k) 可得到： Mn = Kc*(SPnPVn)+Kc*(Ts/Ti)*(SPkPVk) +Kc*(Td/Ts)*(SPnPVn)(SPnPVn-1)=Kc*(SPnPVn)+Kc*(Ts/Ti)*(SPnPVn) +Kc*(Td/Ts)*PVn-1PVn+Mx式中：e = SPnPVn從公式中可以看出，共9個(gè)參數(shù)，即：設(shè)定值：SPn，是控制目標(biāo)值，即期望的液位值，運(yùn)算時(shí)采用歸一化值；1個(gè)輸入：PVn，為當(dāng)前測(cè)量值，應(yīng)在PID運(yùn)算前，在應(yīng)用程序中被歸一化；1個(gè)輸出：Mn，即PID控制算法的運(yùn)算結(jié)果，為歸一化值；采樣時(shí)間：Ts，也是常數(shù)，單位為秒；3個(gè)PID運(yùn)算參數(shù)： Kc、Ti、Td分別為比例

9、、積分、微分三個(gè)參數(shù)，Ti、Td的單位為分。2個(gè)中間結(jié)果參數(shù)：PVn-1為上一次的歸一化測(cè)量值；Mx是計(jì)算中的中間參量，是積分之和。可見(jiàn)，9個(gè)參數(shù)中有：1個(gè)輸出變量，1個(gè)輸入變量，5個(gè)常數(shù)，2個(gè)中間變量。設(shè)定值SPn、采樣時(shí)間Ts和3個(gè)PID參數(shù)共個(gè)常數(shù)應(yīng)事先確定，并在程序初始化時(shí)、或在每次執(zhí)行PID模塊指令前，存放到數(shù)值存儲(chǔ)區(qū)，以供調(diào)用。其中：K為比例系數(shù) Ts 采樣時(shí)間 TI 積分時(shí)間Td微分時(shí)間SPn給定值PVn測(cè)量值 Mn輸出結(jié)果（歸一化值） 需要預(yù)置五個(gè)參數(shù)：SPn K TI Td Ts (Kc、Ti、Td是要計(jì)算出的值，與被控對(duì)象的特性有關(guān)。) Td采樣時(shí)間Ts取為0.1秒;用擴(kuò)充

10、響應(yīng)曲線法將Kc、Ti、Td估算出來(lái)。4.2 A/D、D/A轉(zhuǎn)換控制環(huán)節(jié)由于PLC處理數(shù)字量，所以要先將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，就是要將其變成雙精度數(shù)PLC才能接受，具體見(jiàn)下邊程序；由于調(diào)節(jié)閥的輸入是連續(xù)的模擬量，需要將其經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換從PLC輸出連續(xù)量。4.3 PID控制程序OB1LD SM0.1 /首次掃描時(shí)SM0.1位打開(kāi)，用于調(diào)用初始化子例行程序CALL SBR_0 /調(diào)用子程序SBR_0SBR_0LD SM0.0 /當(dāng)系統(tǒng)處于RUN模式時(shí)，SM0.0始終打開(kāi)（既SM0.0=1）MOVR 0.75, VD104 /裝入給定值75MOVR 0.5, VD112 /裝入回路增益0.5MOVR

11、0.1, VD116 /裝入采樣時(shí)間0.1sMOVR 12.0, VD120 /裝入積分時(shí)間12分鐘MOVR 0.0, VD124 /關(guān)閉微分作用MOVB 100, SMB34 /100ms放入特殊內(nèi)存字節(jié)SMB34，用于控制中斷0的時(shí)間間隔ATCH INT_0, 10 /調(diào)用中斷程序ENI /全局性啟用中斷INT0LD SM0.0 /RUN模式下，SM0.0=1ITD AIW0, AC0 /模擬量輸入映像寄存器AIW0的數(shù)轉(zhuǎn)雙精度數(shù)存入AC0寄存器DTR AC0, AC0 /將雙字轉(zhuǎn)換為實(shí)數(shù)/R 32000.0, AC0 /標(biāo)準(zhǔn)化累加器中的實(shí)數(shù)MOVR AC0, VD100 /存入回路表LD

12、 SM0.0PID VB100, 0 /回路表的起始地址為VB100，回路號(hào)為0LD SM0.0MOVR VD108, AC0 /PID控制器的輸出值送入累加器*R 32000.0, AC0 /將累加器中的數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)化ROUND AC0, AC0 /將AC0中的實(shí)數(shù)轉(zhuǎn)換為雙整數(shù)MOVW AC0, AQW0 /將AC0中雙精度數(shù)送入(D/A)映像寄存器AQW0，輸出到調(diào)節(jié)閥5.設(shè)計(jì)總結(jié)及心得體會(huì)通過(guò)對(duì)水箱液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，使我對(duì)實(shí)際工程中的自動(dòng)過(guò)程控制系統(tǒng)的應(yīng)用有了初步的設(shè)計(jì)理念。理論與實(shí)踐的結(jié)合，使我對(duì)過(guò)程控制及自動(dòng)儀表的特點(diǎn)以及其系統(tǒng)組成原理與應(yīng)用程序有了更進(jìn)一步的學(xué)習(xí)，通過(guò)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，使我更進(jìn)一步的鞏固了專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，提高了用理論知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的實(shí)踐能力。通過(guò)資料的收集及整理，也使我學(xué)到了許多相關(guān)專業(yè)課程的知識(shí)，并從中分析得到啟發(fā)，確立系統(tǒng)方案。通過(guò)對(duì)控制器程序的設(shè)計(jì)，使我掌握了運(yùn)用SIMATIC S7-200型PLC實(shí)現(xiàn)PID算法控制以及單閉環(huán)液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，使我對(duì)小型液位控制系統(tǒng)的硬件及軟件設(shè)計(jì)具備了綜合分析和獨(dú)立思考的能力。參考文獻(xiàn)1林錦國(guó).過(guò)程控制.第3版.南京.東南大學(xué)出版社.20112范永久.化工測(cè)量及儀表.北京.化工工業(yè)出版社.20023孫自強(qiáng).過(guò)程自動(dòng)化及