水箱液位控制系統(tǒng)

-.z過程控制綜合訓練課程報告16—17學年第二學期課題名稱基于PLC和組態(tài)王的系統(tǒng)姓名**班級成績水箱液位控制系統(tǒng)[摘要]在工業(yè)生產(chǎn)過程中，液位貯槽如進料罐、成品罐、中間緩沖器、水箱等設備應用十分普遍，為了保證生產(chǎn)正常進展，物料進出需均衡，以保證過程的物料平衡。因此，工藝要求貯槽內(nèi)的液位需維持在給定值上下，或在*一小*圍內(nèi)變化，并保證物料不產(chǎn)生溢出。例如，鍋爐系統(tǒng)汽包的液位控制，自流水生產(chǎn)系統(tǒng)過濾池、澄清池水位的控制等等。根據(jù)課題要求，設計一個單容水箱的液位過程控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能對一個單容水箱液位的進展恒高度控制。關鍵詞：過程控制液位控制PID控制Abstract:Intheprocessofindustrialproduction,liquidstoragetanksuchasproductcans,buffer,tanksandotherequipmentsarewidelyused.Inordertoensurethenormalproduction,materialsupplyanddemandmustbebalancedtoguaranteetheprocessoftheproduction.So,theprocessrequiresthattheliquidlevelinthetankshouldbemaintainedatagivenvalue,orchangeinasmallrange,andensurethatthematerialdoesnotoverflow,forinstance,systemofboilerdrumlevelcontrol,levelcontroloffilterpoolandclarificationpoolofself-flowingwaterproductionsystemandsoon.Accordingtotherequirementofproject,weneeddesignaliquidlevelprocesscontrolsystemforasingletankwhichmaketheliquidlevelontheconstantheight.Keywords:ProcessControlLiquidLevelControlPIDControl一、系統(tǒng)建模如下列圖，單容液位過程只有一個儲液箱。流入量為Q1，由進水閥的開度μ控制Q1的大??；流出量為Q2，隨下游工序的需要而變化，其大小由出水閥的開度控制；在出水閥開度不變的情況下，液位h越高，儲液箱靜壓越大，流出量Q2越大。下面分析進水閥的開度μ與液位h之間的動態(tài)關系，建立該單容水箱的數(shù)學模型。圖1-1單容水箱模型根據(jù)動態(tài)物質(zhì)平衡關系可得：其中設穩(wěn)態(tài)時變量為：各變量相對穩(wěn)態(tài)的增量為：由的增量形式可得：得到：令則有取拉氏變換得：由上述可知，單容水箱系統(tǒng)為一階慣性系統(tǒng)，其中時間常數(shù)T是表征液位過程響應快慢的重要參數(shù)。系統(tǒng)設計2.1系統(tǒng)總體設計恒液位水箱控制系統(tǒng)是一個閉環(huán)負反響控制系統(tǒng)，將給定輸入和實際輸出相比較，得到的誤差經(jīng)PID控制器計算后送給D/A，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換后得到0～10V的電壓來控制變頻器的頻率，以此來控制電動調(diào)節(jié)閥的開度到達控制液位的目的。液位經(jīng)過傳感器轉(zhuǎn)換成4～20mA的電流信號在經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換反響至輸入端，這樣就形成了一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，當液位過高時，控制輸出減小，當液位過低時，控制輸出增大，以此來到達恒液位控制。圖2-1液位控制系統(tǒng)總體框圖2.2D/A模塊設計端子接線本模塊采用電壓輸出方式，故接線圖如圖2-2所示。圖2-2D/A模塊端子接線圖圖2-3輸入輸出特性其輸入輸出特性如圖2-3所示，當輸入數(shù)字*圍為0～4000時，輸出模擬電壓為0～10V，且成線性關系。2.2.2編程設計圖2-4D/A轉(zhuǎn)換程序如圖2-4所示，首先將D10存放器中的數(shù)值傳到輔助繼電器〔M100～M115〕中，然后寫低8位數(shù)據(jù)并保持，接著寫高4位數(shù)據(jù)并保持，最后執(zhí)行D/A轉(zhuǎn)換，輸出0～10V電壓。2.3變頻器設置2.3.1接線因為本次設計只用到了正轉(zhuǎn)功能，所以只連接了STF端和端，電壓輸入并聯(lián)在2和5端口來控制頻率輸出。接線圖如圖2-5所示。圖2-5變頻器接線圖變頻器參數(shù)設置參數(shù)79可以用來設置變頻器運行模式，其中79-1為固定PU運行模式，即所有指令通過控制面板輸入；79-2為固定外部運行模式，即所有指令通過外部輸入；79-3為組合運行模式1，啟動指令通過外部控制，而頻率通過面板上的旋鈕來控制；79-4為組合運行模式2，其啟動指令通過控制面板上的RUN來發(fā)出，而頻率則通過外部模擬量來控制，如圖2-6所示。本次設計采用79-2固定外部運行模式。圖2-6變頻器運行模式2.4A/D模塊設計端子接線液位變送器輸出的是4～20mA電流信號，所以接線采用電流輸入方式，將V+和l+短接，如圖2-7所示。圖2-7A/D模塊端子接線圖編程設計圖2-8A/D轉(zhuǎn)換程序如圖2-8所示，首先設置A/D轉(zhuǎn)換的工作方式，因為連線接的是通道3，所以將通道3設置成模擬量輸入*圍為4mA～20mA,數(shù)字量輸出*圍為0～4000的模式3，其他通道禁用，設置成F；然后進展A/D轉(zhuǎn)換，將通道3BFM12的值讀出到D0中。2.5PID控制器與組態(tài)王設計定義變量圖2-9變量定義如圖2-9所示，其中Y0為PLC輸出，連接到變頻器的STR來控制電機轉(zhuǎn)動；輸入為設定的液位；實際液位是由傳感器的輸出轉(zhuǎn)換得到的；sp、pv、M為PID控制器的參數(shù)；D0為A/D轉(zhuǎn)換的值；D10為D/A轉(zhuǎn)換的值?？傮w設計圖2-10控制界面圖2-11命令語言如圖2-11所示，因為傳感器經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字量和實際液位之間成一次函數(shù)關系，所以可以測量幾組數(shù)據(jù)來求得它們的關系以此獲得實際液位值。SP為PID控制器的設定值，PV為反響跟蹤值，M為輸出。將液位高度除以滿量程40，這樣便使得PID控制器的輸出M在0%～100%內(nèi)變化，這樣便能很好的表征電動調(diào)節(jié)閥的開度；又由于要使變頻器在0～50Hz內(nèi)變化，且變頻器50Hz時D/A的輸入值為2000，因為M的值已經(jīng)在0～1之間變化，所以只要將M的值直接乘以2000寫入D/A即可。至此便通過組態(tài)王完成了對整個系統(tǒng)的連接，實現(xiàn)了對整個系統(tǒng)的控制。PID參數(shù)整定組態(tài)王中的PID控件可以實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制，而為了獲得較好的控制效果，則需要整定PID參數(shù)，下面簡單介紹一下PID控制及其整定方法。3.1PID控制在工程實際中，應用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其構造簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術之一。當被控對象的構造和參數(shù)不能完全掌握，或得不到準確的數(shù)學模型時，控制理論的其它技術難以采用時，系統(tǒng)控制器的構造和參數(shù)必須依靠經(jīng)歷和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應用PID控制技術最為方便。即當我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象，或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。P是比例環(huán)節(jié)，引入比例環(huán)節(jié)可以提高穩(wěn)態(tài)精度，加快系統(tǒng)的反響速度。但是Kp過大，超調(diào)增大穩(wěn)定裕度降低，甚至可能不穩(wěn)定；I是積分環(huán)節(jié)，引入積分環(huán)節(jié)可以消除靜差，改善系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能。但是積分環(huán)節(jié)降低系統(tǒng)穩(wěn)定裕度，有滯后，反響不靈敏，Ki過大，是系統(tǒng)超調(diào)增大，甚至有可能不穩(wěn)定；D微分環(huán)節(jié)，引入微分環(huán)節(jié)可以提高系統(tǒng)的響應速度，超調(diào)減小，振蕩減輕。但是微分環(huán)節(jié)會放大高頻噪聲，抗干擾能力差。PID控制綜合了他們的優(yōu)點，平和了缺點，可以獲得很好的控制效果。3.2PID參數(shù)整定方法3.2.1穩(wěn)定邊界法在生產(chǎn)工藝容許的情況下，先讓調(diào)節(jié)器按比例調(diào)節(jié)工作。從大到小逐漸改變調(diào)節(jié)器的比例度，直至系統(tǒng)產(chǎn)生等幅振蕩；記錄此時的比例度和周期，再通過經(jīng)歷公式計算，求出調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)。穩(wěn)定邊界法適用于一般的流量、壓力、液位和溫度控制系統(tǒng)，但不適用于比例度特別小的過程。3.2.2響應曲線法響應曲線法也稱動態(tài)特性參數(shù)法，是一種開環(huán)整定方法，它利用系統(tǒng)廣義對象的動態(tài)特性，即廣義對象輸入變量作單位階躍變化時被控參數(shù)的響應曲線，再根據(jù)響應曲線確定該廣義對象動態(tài)特性參數(shù)，然后利用這些參數(shù)計算出最正確整定參數(shù)。測試實驗時，要求參加擾動幅度足夠大，使被控參數(shù)產(chǎn)生足夠大的變化，保證測試的準確性，但這在一些生產(chǎn)過程中是不允許的。因此，響應曲線法只適用于允許被控參數(shù)變化*圍較大的生產(chǎn)過程。3.2.3衰減曲線法衰減曲線法也是在調(diào)節(jié)器投入運行的情況下進展，通過獲得4:1的衰減比來確定整定參數(shù)。衰減曲線法不需要系統(tǒng)在穩(wěn)定邊界運行，比較平安，而且容易掌握，能適用于各類控制系統(tǒng)。從反響時間較長的溫度控制系統(tǒng)到反響時間短到幾秒的流量控制系統(tǒng)，都可以應用衰減曲線法。3.3系統(tǒng)參數(shù)整定因為單容水箱的數(shù)學模型為一階慣性環(huán)節(jié)，所以穩(wěn)定邊界法和衰減曲線法均不適用。本次設計采用響應曲線法，經(jīng)過不斷地嘗試，最終在Kp=2，Ki=,Kd=8時，獲得了較好的控制效果，如圖3-1和3-2所示。圖3-1給定輸入圖3-2系統(tǒng)響應曲線總結在這次單容水箱液位控制系統(tǒng)設計過程中，我深刻的理解了什么是一個完整的控制系統(tǒng)以及怎樣去搭建一個控制系統(tǒng)；我也真正理解了什么是PID控制，以前PID控制對我來說只是書本上生硬的知識，而現(xiàn)在自己有了切身的體會，比方比例作用會加快響應，水放的會更快；而積分作用能夠提高穩(wěn)態(tài)精度，穩(wěn)定時液位會更準確，但系統(tǒng)反響卻變得不靈敏；而微分作用則可以提升系統(tǒng)的靈敏度，這些現(xiàn)象讓我更加了解了PID控制。本次實訓中總結了以下幾點：第一，要善于搜集資料。當你對一樣東西不是太了解的時候首先應該做的就是尋找它的有關資料，然后去了解、學習。第二，要善于求助他人。請教一個有經(jīng)歷的人可以讓你少走彎路。相比自學，有一個經(jīng)歷豐富的人的指導會讓你節(jié)省大量珍貴的時間，做到事半功倍。第三，要有團隊精神。任何一個大的工程都不可能一個人完成，要有互助