PLC水箱液位控制系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)方案8

PAGEI摘要本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的課題是基于PLC的液位掌握系統(tǒng)的設(shè)計(jì).在設(shè)計(jì)中，筆者主要負(fù)責(zé)的是數(shù)學(xué)模型的建立和掌握算法的設(shè)計(jì),因此在論文中設(shè)計(jì)用到的ＰID算法提到得較多,PＬC方面的知識較少。本文的主要內(nèi)容包括:PLC的產(chǎn)生和定義、過程掌握的進(jìn)展、水箱的特性確定與實(shí)驗(yàn)曲線分析，F(xiàn)X2系列可編程掌握器的硬件掌握，PＩＤ參數(shù)的整定及各個(gè)參數(shù)的掌握性能的比較，應(yīng)PID掌握算法所得到的實(shí)驗(yàn)曲線分析，整個(gè)系統(tǒng)各個(gè)部分的介紹和講解PＬC的過掌握指令PIＤ指令來掌握水箱水位。關(guān)鍵詞：ＦX2系列PLC,掌握對象特性,PIＤ掌握算法，擴(kuò)充臨界比例法，ＰID指令,實(shí)驗(yàn)。TｈｅｌｉquiｄleｖｅｌcontrolｓystemｂaｓedoｎPLCABSTRACTTｈesubjecｔoｆgｒaｄuatｉoｎdesｉgnｉsbaｓedonPLC,liｑｕｉdｌevelｃｏｎtrｏlsysｔｅmdesign.Ｉｎtheｄeｓigｎ，ｔｈeaｕthorisｍａinｌｙｒesｐonsibleｆｏrtｈematｈematｉcａｌｍｏdelａｎdcｏｎtrｏlalgoriｔhｍdｅsiｇn，sｏｔｈｅdesiｇnｕｓedｉntｈepａpeｒｒｅferrｅdｔoｗasmｏrePIＤalgorithm，PＬＣｉnｌeｓskｎｏｗledgｅ。Maｉnconteｎtsofthisartiｃlｅ:ＰＬＣcreａt(yī)iｏnaｎdｄｅｆｉｎiｔion，ｐrocｅｓscoｎtroｌ，developｍｅnｔ,anｄｗatｅrｔａｎｋsａｎdｅxperimｅnttｏｄeｔｅrｍｉｎｅthｅｃhａｒａｃｔerｉｓtiｃｓcｕrveanａlｙsｉs，ＦX２seｒｉesPＬＣｈarｄwarecｏnｔrol，ＰＩDtｕnｉnｇpａｒａｍeｔeｒsaｎdvarｉousparａmetersoftheconｔrｏlpｅrformaｎcecｏmparison,theaｐplicａt(yī)ioｎＰＩDｃonｔｒoｌaｌgorithmobtａｉｎeｄeｘperiｍeｎｔaｌcｕrvｅanalｙsiｓ，ｔheｅｎｔireｓyｓｔｅm，ｉｎｔrｏｄuceａndeｘpｌaｉｎtｈevａrioｕsparｔsoftｈeＰＬCｐroｃessconｔrｏｌｃommaｎdstocｏntｒｏｌthetaｎklevelPIＤinstｒｕｃtioｎ。Keｙwordｓ:ＦX2ｓｅｒiesPＬＣ,ｔheｃoｎｔrolobjeｃｔchaｒacｔerｉsｔｉcs，PIDconｔroｌalｇoｒitｈｍ,ｔoeｘpaｎｄtｈｅcｒiticaｌproｐｏrtiｏnｍｅthod，PIDｉnｓtructｉｏn，expeｒｉｍenｔal。目錄ＴO(shè)Ｃ＼o”１-3＂\h\z＼uHＹPＥRＬINK\ｌ”_Tｏc２４9364６８2"中文摘要?ＰＡＧＥREＦ_Toc249364682\ｈIHＹPERLＩＮK\l”_Toｃ２４93６4６83"英文摘要?PＡＧＥＲEF_Toｃ2493646８3＼hIＩHＹPＥＲLIＮK\l”＿Ｔoc２49３6468４"1緒論 PAGEREF_Toｃ24936４684＼h1ＨYPEＲＬＩNK＼ｌ”＿Toc249364685＂１.1ＰＬC的產(chǎn)生、定義及現(xiàn)狀?PＡGＥRＥＦ_Toc249364６8５\h1HYPERＬIＮK＼l”＿Tｏc2493６468６”１。1。1ＰLC的產(chǎn)生、定義?PAGERＥF＿Toｃ２４９３６4６86\h1HYPEＲLIＮＫ\l＂＿Tｏc２493６468７”1.１．2PLＣ的進(jìn)展現(xiàn)狀?PAGERＥF_Toｃ2４９364６8７\h1HYPＥRLINK＼l＂_Toc２４936４688"1．2過程掌握的進(jìn)展?PAGEREＦ_Ｔoc２49３６４688\h２HYPERLＩNＫ\l＂_Toc２4９36４68９"１。3本文討論的目的、主要內(nèi)容 PAＧＥREF_Toc249364６89\h3HYPERLIＮK＼l”＿Tｏc２４936４６９０＂1。3.1本文討論的目的、意義?PＡGEREF_Ｔｏc249３６4６９0＼h３HＹＰERＬIＮＫ＼l＂_Toc2４93６４６９１”１.3．2本文討論的主要內(nèi)容?PAGEREF_Tｏc２４９３64691\ｈ3HYPＥRLINK＼l"_Toc2４9３64692"2ＦX2系列PLC和掌握對象介紹?PAGEＲEＦ_Ｔoc２49364692＼h５HＹＰEＲLIＮK\l"＿Toc24９36469３”2．１三菱PLＣ掌握系統(tǒng)?PAGEＲEF_Toc２4９３64693\h５ＨＹPERLＩNK\l”_Ｔoc24９3646９４”2．1．１ＣPＵ模塊 PＡGERＥＦ_Ｔoc24９364６94＼h5HYＰERＬINＫ＼ｌ"_Toc249３64６95”２.1.２I/O模塊 PAGEREＦ＿Ｔoｃ２49364695\h6HYＰERLＩNK\ｌ＂_Toc２4９３６46９６”2．1．３電源模塊?PＡGEＲＥF_Ｔoc２49３6４6９６\h6HYPＥＲLINK＼l”_Tｏc2493６4697＂2.2過程建模?PAＧＥREＦ_Toｃ２4９３６４６９7\ｈ６HYＰERLINK\ｌ"_Ｔoc２４9３６4６9８"2．2。1一階單容上水箱對象特性 PAGEＲEF_Ｔｏｃ2４9364698\h6HＹＰＥＲLＩＮK\ｌ"＿Toc24９3646９９”2．2。2二階雙容下水箱對象特性?PAGERＥF_Tｏｃ24９36469９\ｈ11ＨＹPERLIＮK\l”_Ｔoｃ249364７00"３ＰＩD調(diào)節(jié)及串級掌握系統(tǒng)?ＰAＧEREF_Tｏｃ24936470０\ｈ１５ＨYＰERLIＮK\ｌ＂_Ｔoc２4936４70１"３.1PID調(diào)節(jié)的各個(gè)環(huán)節(jié)及其調(diào)節(jié)過程?ＰAGEＲEF_Toc２4９3647０1\h15HＹＰＥRLＩNK\l＂＿Ｔoc２4９3６４702＂3。1.1比例掌握及其調(diào)節(jié)過程 PAＧERＥF_Ｔｏc2493６４７02＼h１６HＹPERLＩNＫ＼l"_Toc２４93647０3"3。1.２比例積分調(diào)節(jié)?PAGＥREF_Toc2493647０3\h１6HＹPEＲＬINK\l＂_Ｔoｃ２４９3６470４＂３。1。3比例積分微分調(diào)節(jié)?ＰAGＥREＦ＿Tｏｃ２4９3647０4\ｈ17HYＰERLINＫ＼l＂＿Toｃ24９３6４７05"3．2串級掌握 ＰAGＥREＦ＿Toｃ2４936４705\ｈ18HYPＥRＬＩNK＼ｌ”_Ｔoｃ2４936４70６"3。2．1串級掌握系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)?ＰAGERＥF＿Ｔoｃ249364706\ｈ１８HYPERＬＩNＫ\ｌ"_Tｏｃ２493６４7０7”3。2。2串級掌握系統(tǒng)的特點(diǎn) ＰＡＧＥREF＿Toｃ24９3６47０7\h19HYPＥRLIＮK\l"_Ｔoc２493６4708”3．2.３串級掌握系統(tǒng)的設(shè)計(jì) PＡGEREF＿Tｏc2４9３6４7０8\h１9HＹPＥRLINＫ\l"_Toc249364709”3.3擴(kuò)充臨界比例度法?PAＧERＥF＿Toc2493６4709\h2１HYPEＲLINK\l”_Toc２４９3６４７１０”3。4三菱FＸ2系列PLC中PIＤ指令的使用 PAＧＥＲEＦ_Toc24936４710\h22HYＰEＲＬＩNＫ３.6變量的范圍?PAGERＥF＿Ｔｏc2４９36４７14\ｈ２5HＹＰERLＩNK\ｌ＂_Ｔoc2４9３64715”4掌握方案設(shè)計(jì)?PＡGEＲEF_Tｏc2４９364７15\ｈ２7HYPEＲLIＮK\l”_Toc24936４716"4.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)?PAGEＲEF_Ｔoc24９３６4７16\h2７HYPERLＩＮＫ＼l"＿Ｔｏｃ２４９364717”４.１。1上水箱液位的自動(dòng)調(diào)節(jié)?ＰＡＧEREF_Toｃ24９36４７17\ｈ２7HYPERＬIＮＫ\ｌ＂_Toｃ2４936471８＂4．1。2上水箱下水箱液位串級掌握系統(tǒng)?PAＧEREF_Toｃ２４9３6471８\h2９ＨYPEＲＬＩNＫ\ｌ"_Toc249３647１9”４．２硬件設(shè)計(jì)?PAGEREF_Ｔoc２49３64719\ｈ2９HＹＰERLINK４。3軟件設(shè)計(jì) PAＧEＲＥＦ_Toｃ24936４722\ｈ31HYPEＲLINK＼l＂_Tｏc249３６４７23＂5運(yùn)行 PAGEREF_Ｔoc24９3６47２3＼h32HYPERLＩNK參考文獻(xiàn)?PＡGＥREF_Toｃ2４936４729\h36論文原創(chuàng)性聲明PAGE211緒論1．1PＬＣ的產(chǎn)生、定義及現(xiàn)狀1。１。1PLC的產(chǎn)生、定義一、可編程掌握器的產(chǎn)生20世紀(jì)6０年月,在世界技術(shù)改造的沖擊下，要求尋找一種比繼電器更牢靠、功能更齊全、響應(yīng)速度更快的新型工業(yè)掌握器.1968年,美國最大的汽車制造商—-通用汽車公司從用戶角度提出了新一代掌握器應(yīng)具備的十大條件后，立即引起了開發(fā)熱潮。二、可編程掌握器的定義國際工委員會(huì)（ＩEC)曾于1982年1１月頒布了可編程掌握器標(biāo)準(zhǔn)草案第一稿,19８5年1月又發(fā)表了其次稿,１９8７年２月頒布了第三稿。該草案中對可編程掌握器的定義是“可編程掌握器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng),專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采納了可編程的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行規(guī)律運(yùn)算、挨次掌握、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)計(jì)算等面對用戶的指令，并通過數(shù)字量和模擬量的輸入和輸出，掌握各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程?？删幊陶莆掌骷捌溆嘘P(guān)外圍設(shè)備,都按易于與工業(yè)系統(tǒng)聯(lián)成一個(gè)整體、易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。1.1。2PLC的進(jìn)展現(xiàn)狀２0世紀(jì)７０年月中末期,可編程掌握器進(jìn)入有用化進(jìn)展階段,計(jì)算機(jī)技術(shù)已全面引入可編程掌握器中,使其功能發(fā)生了飛躍。更高的運(yùn)算速度、超小型體積、更牢靠的工業(yè)抗干擾設(shè)計(jì)、模擬量運(yùn)算、PIＤ功能及極高的性價(jià)比奠定了它在現(xiàn)代工業(yè)中的地位。２0世紀(jì)8０年月初，可編程掌握器在先進(jìn)工業(yè)國家中已獲得廣泛應(yīng)用。這個(gè)時(shí)期可編程掌握器進(jìn)展的特點(diǎn)是大規(guī)模、高速度、高性能、產(chǎn)品系列化。這個(gè)階段的另一個(gè)特點(diǎn)是世界上生產(chǎn)可編程掌握器的國家日益增多，產(chǎn)量日益上升.這標(biāo)志著可編程掌握器已步入成熟階段。上世紀(jì)80年月至90年月中期，是PLC進(jìn)展最快的時(shí)期,年增長率始終保持為30～40%。在這時(shí)期，PＬC在處理模擬量能力、數(shù)字運(yùn)算能力、人機(jī)接口能力和網(wǎng)絡(luò)能力得到大幅度提高，ＰLC逐漸進(jìn)入過程掌握領(lǐng)域，在某些應(yīng)用上取代了在過程掌握領(lǐng)域處于統(tǒng)治地位的DCＳ系統(tǒng)。20世紀(jì)末期，可編程掌握器的進(jìn)展特點(diǎn)是更加適應(yīng)于現(xiàn)代工業(yè)的需要。從掌握規(guī)模上來說,這個(gè)時(shí)期進(jìn)展了大型機(jī)和超小型機(jī);從掌握能力上來說,誕生了各種各樣的特殊功能單元,用于壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、位移等各式各樣的掌握場合;從產(chǎn)品的配套能力來說，生產(chǎn)了各種人機(jī)界面單元、通信單元，使應(yīng)用可編程掌握器的工業(yè)掌握設(shè)備的配套更加容易。目前，可編程掌握器在機(jī)械制造、石油化工、冶金鋼鐵、汽車、輕工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用都得到了長足的進(jìn)展。我國可編程掌握器的引進(jìn)、應(yīng)用、研制、生產(chǎn)是伴隨著改革開放開頭的。最初是在引進(jìn)設(shè)備中大量使用了可編程掌握器。接下來在各種企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備及產(chǎn)品中不斷擴(kuò)大了PLＣ的應(yīng)用。目前,我國自己已可以生產(chǎn)中小型可編程掌握器.上海東屋電氣有限公司生產(chǎn)的ＣF系列、杭州機(jī)床電器廠生產(chǎn)的DＫＫ及Ｄ系列、大連組合機(jī)床討論所生產(chǎn)的S系列、蘇州電子計(jì)算機(jī)廠生產(chǎn)的YＺ系列等多種產(chǎn)品已具備了肯定的規(guī)模并在工業(yè)產(chǎn)品中獲得了應(yīng)用。此外,無錫華光公司、上海鄉(xiāng)島公司等中外合資企業(yè)也是我國比較聞名的PＬC生產(chǎn)廠家。可以預(yù)期，隨著我國現(xiàn)代化進(jìn)程的深化,PLC在我國將有更寬闊的應(yīng)用天地。１.２過程掌握的進(jìn)展進(jìn)入90年月以來,自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)展很快,并取得了驚人的成就，已成為國家高科技的重要分支。過程掌握是自動(dòng)化技術(shù)的重要組成部分。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化中，過程掌握技術(shù)正在為實(shí)現(xiàn)各種最優(yōu)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、提高經(jīng)濟(jì)效益和勞動(dòng)生產(chǎn)率、節(jié)省能源、改善勞動(dòng)條件、保護(hù)環(huán)境衛(wèi)生等方面起著越來越大的作用。在本世紀(jì)40年月前后，工業(yè)生產(chǎn)大多處于手工操作的狀態(tài),人們主要是憑閱歷用人工去掌握生產(chǎn)過程。生產(chǎn)過程中的噶參數(shù)靠人工觀察，生產(chǎn)過程的操作也靠人工去執(zhí)行.因此,當(dāng)時(shí)的勞動(dòng)效率是很低的。４0年月以后,生產(chǎn)自動(dòng)化進(jìn)展很快。尤其是近年來，過程掌握技術(shù)進(jìn)展更為飛快.縱觀過程掌握的進(jìn)展歷史,大致經(jīng)歷了下述幾個(gè)階段:50年月前后，過程掌握開頭得到進(jìn)展。一些工廠企業(yè)實(shí)現(xiàn)了儀表化和局部自動(dòng)化。這是過程掌握進(jìn)展的第一階段。這階段主要的特點(diǎn):檢測和掌握儀表普遍采納基地式儀表和部分組合儀表；過程掌握結(jié)構(gòu)大多數(shù)是單輸入單輸出系統(tǒng)；被掌握參數(shù)主要是溫度、壓力、流量、液位四種參數(shù)；掌握目的是保持這些參數(shù)的穩(wěn)定，消除或削減對生產(chǎn)過程的主要擾動(dòng)。在６0年月,隨著工業(yè)生產(chǎn)的不斷進(jìn)展，對過程掌握提出了新的要求；隨著電子技術(shù)的飛快進(jìn)展也為自動(dòng)化技術(shù)工具的完善供應(yīng)了條件，開頭了過程掌握的其次階段。在儀表方面，開頭大量采納單元組合儀表.為了滿意定型、靈敏、多功能的要求,有消滅了組合儀表,它將各個(gè)單元?jiǎng)澐譃楦〉墓δ軌K,以適應(yīng)比較簡潔的模擬和規(guī)律規(guī)律相結(jié)合的掌握系統(tǒng)的需要.７0年月以來，隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的迅猛進(jìn)展，儀表與硬件的開發(fā)，微型機(jī)算計(jì)的開發(fā)應(yīng)用，使生產(chǎn)過程自動(dòng)化的進(jìn)展達(dá)到了一個(gè)新的水平。對全工廠或整個(gè)工藝流程的集中掌握、應(yīng)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行多參數(shù)綜合掌握，或者用多臺計(jì)算機(jī)對生產(chǎn)過程進(jìn)行掌握和經(jīng)營管理，是這一階段的主要特征.過程掌握進(jìn)展到現(xiàn)代過程掌握的新階段,這是過程掌握進(jìn)展的第三階段。在新型的自動(dòng)化技術(shù)工具方面,開頭采納微處理器為核心的智能單元組合儀表；在測量變送器方面，教為突出的成分在線檢測與數(shù)據(jù)處理的應(yīng)用日益廣泛;在模擬式調(diào)節(jié)儀表方面,不僅Ⅲ型儀表產(chǎn)品品種增加，牢靠性提高，而且是本質(zhì)平安防爆,適應(yīng)了各種簡潔掌握系統(tǒng)的要求。１．3本文討論的目的、主要內(nèi)容1．３．1本文討論的目的、意義為了解決人工掌握的掌握準(zhǔn)度低、掌握速度慢、靈敏度低等一系列問題。從而我們現(xiàn)在就引入了工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化掌握。在自動(dòng)化掌握的工業(yè)生產(chǎn)過程中，一個(gè)很重要的掌握參數(shù)就是液位。一個(gè)系統(tǒng)的液位是否穩(wěn)定，直接影響到了工業(yè)生產(chǎn)的平安與否、生產(chǎn)效率的凹凸、能源是否能夠得到合理的利用等一系列重要的問題.隨著現(xiàn)在工業(yè)掌握的要求越來越高,一般的自動(dòng)化掌握已經(jīng)也不能夠滿意工業(yè)生產(chǎn)掌握的需求,所以我們就又引入了可編程規(guī)律掌握（又稱ＰＬＣ）。引入ＰLC使掌握方式更加的集中、有效、更加的準(zhǔn)時(shí)。液位掌握系統(tǒng)它使我們的生活、生產(chǎn)都帶來了不行想象的變化。它使在掌握中更加的平安，節(jié)省了更多的勞動(dòng)力，更多的時(shí)間.在我國隨著社會(huì)的進(jìn)展，很早就實(shí)行了自動(dòng)掌握。而在我國液位掌握系統(tǒng)也利用得相當(dāng)?shù)膹V泛，格外在鍋爐液位掌握，水箱液位掌握。還在黃河治水中也的到了利用,通過液位掌握系統(tǒng)檢測黃河的水位的凹凸，以免由于黃河水位的過高而在不了解的情況下，給我們?nèi)嗣駧砩ｋU(xiǎn)和財(cái)產(chǎn)損失。1.３．2本文討論的主要內(nèi)容一、一個(gè)系統(tǒng)是否能達(dá)到預(yù)期的掌握效果，其系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型相當(dāng)?shù)闹匾?，直接關(guān)系到掌握結(jié)果的正確與否。二、在液位掌握系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)閥是否與所掌握的液體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)等，直接的影響到掌握結(jié)果。三、掌握方案的選取，一個(gè)好的方案會(huì)讓系統(tǒng)更加完善，所以方案的選取也格外重要.四、調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定，一個(gè)系統(tǒng)有了好的方案，但是如果參數(shù)整定錯(cuò)誤那也是功虧一簣。２FX2系列ＰLC和掌握對象介紹

2．１三菱PLＣ掌握系統(tǒng)FＸ2系列ＰLＣ是三菱電機(jī)公司1991年繼F、F1、Ｆ2系列之后推出的產(chǎn)品，是目前運(yùn)行速度最快的小型ＰLC之一。下面我們以小型FX2系列PLＣ為例介紹ＰLC的硬件組成.圖2．１為PLC的原理圖。外存接口外存接口其他接口中央處理器CPUROMRAM編輯器CPROMEPROMRAM其他設(shè)備計(jì)算機(jī)A/DD/A輸入接口光電耦合輸出接口繼電器或晶體管圖２.1PLC的原理圖２．1。１CＰＵ模塊ＣPＵ是PLＣ的核心組成部分,與通用微機(jī)的CPU一樣，它在PＬC系統(tǒng)中的作用類似于人體的神經(jīng)中樞，故稱為“電腦”。其功能是：1、PLC中系統(tǒng)程序給予的功能，接收并存儲(chǔ)從編程器輸入的用戶程序和數(shù)據(jù)。2、用掃描方式接受現(xiàn)場輸入裝置的狀態(tài)，并存入映像寄存器。３、診斷電源、PLC內(nèi)部電路工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯(cuò)誤。在ＰLC進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)后,從存儲(chǔ)器中逐條讀去用戶程序,按指令規(guī)定的任務(wù)，產(chǎn)生相應(yīng)的掌握信號，去起閉有關(guān)掌握電路。２．1．2I／Ｏ模塊I/Ｏ模塊是CPＵ與現(xiàn)成I/Ｏ裝置或其他外部設(shè)備之間的連接部件。PＬC供應(yīng)了各種操作電平與驅(qū)動(dòng)能力的Ｉ/Ｏ模塊和各種用途I/Ｏ元件供用戶選用。如輸入/輸出電平轉(zhuǎn)換、電氣隔離、串／并行轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)傳送、誤碼校驗(yàn)、Ａ／D或D/Ａ變換以及其他功能模塊等。I／Ｏ模塊將外部輸入信號變換成CPＵ能接受的信號，或?qū)PU的輸出信號變換成需要的掌握信號去驅(qū)動(dòng)掌握對象，以確保整個(gè)系統(tǒng)正常的工作。其中輸入信號要通過光電隔離，通過濾波進(jìn)入CPU掌握板,CＰU發(fā)出輸出信號至輸出端.輸出方式有三種：繼電器方式、晶體管方式和晶閘管方式。2。1．3電源模塊依據(jù)ＰＬC的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，它對電源并無特殊需求，它可使用一般工業(yè)電源。2.2過程建模過程掌握系統(tǒng)的品質(zhì),是由組成系統(tǒng)的過程和過程檢測掌握儀表各環(huán)節(jié)的特性和系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)所決定.在構(gòu)成掌握系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)中,過程的數(shù)學(xué)模型是極其重要的基礎(chǔ)資料。所以,建立過程的數(shù)學(xué)模型，對實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動(dòng)化有著十分重要的意義.可以這樣說，一個(gè)過程掌握系統(tǒng)的優(yōu)劣，主要取決于對生產(chǎn)工藝過程的了解和建立過程的數(shù)學(xué)模型。2．2．1一階單容上水箱對象特性所謂單容過程,是指只有一個(gè)貯蓄容量的過程。單容過程還可分為有自衡能力和無自衡能力兩類。一、自衡過程的建摸所謂自衡過程,是指過程在擾動(dòng)作用下，其平衡狀態(tài)被破壞后,不需要操作人員或儀表等干預(yù),依靠起自身重新恢復(fù)平衡的過程。液位過程，圖2.2所示為一個(gè)單容液位被控過程,其流入量,轉(zhuǎn)變閥１的開度可以轉(zhuǎn)變的大小。其流出量為，它取決于用戶的需要轉(zhuǎn)變閥2開度可以轉(zhuǎn)變。液位ｈ的變化反映了與不等而引起貯罐中蓄水或泄水的過程.若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(xué)模型就是ｈ與之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式。1h121h12（ａ）XXhtt00圖2。２液位被控過程及其階躍響應(yīng)依據(jù)動(dòng)態(tài)物料平衡關(guān)系有(2—1）將公式(2－1）表示成增量式為(２—2）式中：、、-—分別表示為偏離某一平衡狀態(tài)、、的增量；A——貯蓄截面積.在靜態(tài)時(shí),，；當(dāng)發(fā)生變化時(shí),液位ｈ隨之變化，貯蓄出口處的靜壓隨之變化，也發(fā)生變化.由流體力學(xué)可知,流體在紊流情況下，液位ｈ與流量之間為非線形關(guān)系。但為了簡化起見，經(jīng)線形變化，則可近似認(rèn)為與h成正比關(guān)系，而與閥2的阻力成反比,即（2—3）式中：—-閥2的阻力，稱為液阻。為了求單容過程的數(shù)學(xué)模型,需消去中間變量。消去中間變量的方法很多，如可用代數(shù)代換法,可用信號流圖法，也可用畫方框圖的方法.這里,介紹后一種方法。將式（2—２）、式（2—3）拉氏變換后,畫出圖2。3方框圖。圖2．3方框圖單容液位過程的傳遞函數(shù)為（２－4)式中：——過程的時(shí)間常數(shù)，;——過程的放大系數(shù)，；C——過程的容量系數(shù)，或稱過程容量。被控過程都具有肯定貯存物料或能量的能力，其貯存能力的大小,稱為容量或容量系數(shù)。其物理意義:是:引起單位被控量變化時(shí)被控過程貯存兩變化的大小。圖２。1(b)所示為單容液位被控過程的階躍響應(yīng)曲線.從上述分析可知，液阻不但影響過程的時(shí)間常數(shù),而且還影響過程的放大系數(shù),而容量系數(shù)Ｃ僅影響過程的時(shí)間常數(shù).在工業(yè)生產(chǎn)過程中，過程的純時(shí)延問題是常常遇到的。如皮帶運(yùn)輸機(jī)的物料傳輸過程，管道輸送、管道反應(yīng)和管道的混合過程等。下面以圖２.4為例商量純時(shí)延過程的建模。圖2．4純時(shí)延單容過程及其響應(yīng)曲線圖2.４所示，流量通過長度為l的管道流入貯罐.當(dāng)進(jìn)水閥開度產(chǎn)生擾動(dòng)后，需要流經(jīng)管道長度為ｌ的傳輸時(shí)間后才流入貯罐,才使液位h發(fā)生變化。具有純時(shí)延單容過程的階躍響應(yīng)曲線如圖2.４曲線２所示，它與無時(shí)延單容過程的階躍響應(yīng)曲線在外形上完全相同,僅差一純時(shí)延。具有純時(shí)延單容過程的微分方程和傳遞函數(shù)為（２-５)式中:—-過程的時(shí)間常數(shù)，;——過程的放大系數(shù),；——過程的純時(shí)延時(shí)間。二、無自衡過程的建模所謂無自衡過程,是指過程在擾動(dòng)的作用下,其平衡狀態(tài)被破壞后，不需要操作人員或儀表等干預(yù),依靠其自身能力不能重新恢復(fù)平衡的過程。下面以圖2．４所示為例，介紹其建模方法。圖2.5單容過程及其響應(yīng)曲線圖2.5單容過程及其響應(yīng)曲線如果將圖２.2所示貯罐的出口閥2換成定量泵,則為圖2．５所示.這樣，其流出量與液位h無關(guān)。當(dāng)流入量發(fā)生階躍變化時(shí)，液位ｈ即發(fā)生變化。由于流出量是不變的，所以貯罐液位或等速上升直至液體溢出,或者等速下降直至液位被抽干，其階躍響應(yīng)曲線如圖2。５所示。圖２－７所示過程的微分方程為（2-6）式中:Ｃ——貯罐的容量系數(shù).過程的傳遞函數(shù)為(２-7)式中:——過程的積分時(shí)間常數(shù)，.當(dāng)過程具有純時(shí)延時(shí),則其傳遞函數(shù)為(２－8）2．2。2二階雙容下水箱對象特性在工業(yè)生產(chǎn)過程中,被控過程往往是由多個(gè)容積和阻力構(gòu)成,這種過程稱為多容過程.現(xiàn)在，以具有自衡能力的雙容過程為例，來商量其建立數(shù)學(xué)模型的方法。00Q000圖2.6雙容過程及其響應(yīng)曲線圖２。6(a)所示為兩只水箱串聯(lián)工作的雙容過程.其被控量是其次只水箱的液位，輸入量為與上述分析方法相同,依據(jù)物料平衡關(guān)系可以列出下列方程(２－9）為了消去雙容過程的中間變量、、,將上述方程組進(jìn)行拉氏變換，并畫出方框圖如2。7所示。雙容過程的數(shù)學(xué)模型為（2－１０） 1/C1s 1/C1s1/R21/C2s1/R3———圖2.7雙容過程方框圖式中：——第一只水箱的時(shí)間常數(shù)，；——其次只水箱的時(shí)間常數(shù)，;——過程的放大系數(shù)，；——分別是兩只水箱的容量系數(shù)。圖２.7所示為流量有一階躍變化時(shí),被控量的響應(yīng)曲線。與單容過程比較，多容過程受到擾動(dòng)后，被控參數(shù)的變化速度并不是一開頭就最大，而是要經(jīng)過一段時(shí)延之后才達(dá)到最大值。即多容過程對于擾動(dòng)的響應(yīng)在時(shí)間上存在時(shí)延，被稱為容量時(shí)延。產(chǎn)生容量時(shí)延的緣由主要是兩個(gè)容積之間存在阻力,所以使的響應(yīng)時(shí)間向后推移。容量時(shí)延可用作圖法求得，即通過響應(yīng)曲線的拐點(diǎn)D作切線，與時(shí)間2.8無自衡能力的雙容過程2.8無自衡能力的雙容過程ttt軸相交與A,與相交與C，Ｃ點(diǎn)在時(shí)間軸上的投影Ｂ，OＡ即為容量時(shí)延時(shí)間，AＢ即為過程的時(shí)間常數(shù)T。對與無自衡能力的雙容過程，可見圖2.8,圖中,被控量為,輸入量為。產(chǎn)生階躍變化時(shí)，液位并不立即以最大的速度變化，由于中間具有容積和阻力。對擾動(dòng)的響應(yīng)有他、肯定的時(shí)延和慣性.同上所述,所示過程的數(shù)學(xué)模型為(2-１0)式中:——過程積分時(shí)間常數(shù),；T—-第一只水箱的時(shí)間常數(shù)。同理,無自衡多容過程的數(shù)學(xué)模型為（2-11）當(dāng)然無自衡多容過程具有純時(shí)延時(shí)，則其數(shù)學(xué)模型為（２-12）3PID調(diào)節(jié)及串級控制系統(tǒng)３PID調(diào)節(jié)及串級掌握系統(tǒng)３．１PID調(diào)節(jié)的各個(gè)環(huán)節(jié)及其調(diào)節(jié)過程

PID掌握的原理和特點(diǎn)工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器掌握規(guī)律為比例、積分、微分掌握,簡稱PＩＤ掌握，又稱ＰID調(diào)節(jié)。PIＤ掌握器問世至今已有近７0年歷史,它以其結(jié)構(gòu)簡潔、穩(wěn)定性好、工作牢靠、調(diào)整便利而成為工業(yè)掌握的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握,或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，掌握理論的其它技術(shù)難以采納時(shí)，系統(tǒng)掌握器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠閱歷和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用PID掌握技術(shù)最為便利。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)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(shí)，最適合用ＰIＤ掌握技術(shù)。PID掌握，實(shí)際中也有ＰI和PＤ掌握.ＰＩＤ掌握器就是依據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出掌握量進(jìn)行掌握的。（1)比例（P）掌握比例掌握是一種最簡潔的掌握方式。其掌握器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例掌握時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Ｓtｅaｄｙ—stateｅrｒor）.(2)積分（I)掌握在積分掌握中，掌握器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。對一個(gè)自動(dòng)掌握系統(tǒng),如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差,則稱這個(gè)掌握系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)(SystemwithSteａdy—staｔeＥrrｏr）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在掌握器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對誤差取決于時(shí)間的積分,隨著時(shí)間的增加,積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小,積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)掌握器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小,直到等于零。因此，比例+積分(PI)掌握器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差.（3）微分（D）掌握在微分掌握中,掌握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(guān)系.自動(dòng)掌握系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會(huì)消滅振蕩甚至失穩(wěn)。其緣由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。解決的方法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí),抑制誤差的作用就應(yīng)該是零.這就是說,在掌握器中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值,而目前需要增加的是“微分項(xiàng)"，它能猜測誤差變化的趨勢，這樣,具有比例+微分的掌握器,就能夠提前使抑制誤差的掌握作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避開了被控量的嚴(yán)重超調(diào).所以對有較大慣性或滯后的被控對象,比例+微分（PD)掌握器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動(dòng)態(tài)特性。３.1．1比例掌握及其調(diào)節(jié)過程在人工調(diào)節(jié)的實(shí)踐中，如果能使閥門的開度與被調(diào)參數(shù)偏差成比例的話，就有可能使輸出量等于輸入量，從而使被調(diào)參數(shù)趨于穩(wěn)定,達(dá)到平衡狀態(tài).這種閥門開度與被調(diào)參數(shù)的偏差成比例的調(diào)節(jié)規(guī)律,稱為比例調(diào)節(jié)。比例調(diào)節(jié)規(guī)律及其特點(diǎn)比例調(diào)節(jié)作用,一般用字母Ｐ來表示。如果用一個(gè)數(shù)學(xué)式來表示比例調(diào)節(jié)作用，可寫成:（3—1)式中—-調(diào)節(jié)器的輸出變化值;——調(diào)節(jié)器的輸入,即偏差；-—比例調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)。放大倍數(shù)是可調(diào)的,所以比例調(diào)節(jié)器實(shí)際上是一個(gè)放大倍數(shù)可調(diào)的放大器。比例調(diào)節(jié)作用雖然準(zhǔn)時(shí)、作用強(qiáng)，但是有余差存在，被調(diào)參數(shù)不能完全回復(fù)到給定值,調(diào)節(jié)精度不高，所以有時(shí)稱比例調(diào)節(jié)為“粗調(diào)".純比例調(diào)節(jié)只能用于干擾較小、滯后較小，而時(shí)間常數(shù)又不太小的對象.3。１．2比例積分調(diào)節(jié)對于工藝條件要求較高余差不允許存在的情況下，比例作用調(diào)節(jié)器不能滿意要求了，克服余差的方法是引入積分調(diào)節(jié)。由于單純的積分作用使過程緩慢,并帶來肯定程度的振蕩,所以積分調(diào)節(jié)很少單獨(dú)使用,一般都和比例作用組合在一起,構(gòu)成比例積分調(diào)節(jié)器，簡稱PI調(diào)節(jié)器,其作用特性可用下式表示：(3－２）這里，表示ＰＩ調(diào)節(jié)作用的參數(shù)有兩個(gè):比例度P和積分時(shí)間。而且比例度不僅影響比例部分，也影響積分部分，使總的輸出既具有調(diào)節(jié)準(zhǔn)時(shí)、克服偏差有力的特點(diǎn)，又具有克服余差的性能.由于它是在比例調(diào)節(jié)(粗調(diào)）的基礎(chǔ)上，有加上一個(gè)積分調(diào)節(jié)(細(xì)調(diào)），所以又稱再調(diào)調(diào)節(jié)或重定調(diào)節(jié)。但是，積分時(shí)間太小，積分作用就太強(qiáng),過程振蕩猛烈,穩(wěn)定程度低;積分時(shí)間太大，積分作用不明顯,余差消除就很慢。如果把積分時(shí)間放到最大，PＩ調(diào)節(jié)器就丟失了積分作用，成了一個(gè)純比例調(diào)節(jié)器。3。１．3比例積分微分調(diào)節(jié)微分調(diào)節(jié)的作用主要是用來克服被調(diào)參數(shù)的容量滯后。在生產(chǎn)實(shí)際中,有閱歷的工人總是既依據(jù)偏差的大小來轉(zhuǎn)變閥門的開度大小(比例作用）,同時(shí)又依據(jù)偏差變化速度的大小進(jìn)行調(diào)節(jié).比如當(dāng)看到偏差變化很大時(shí)，就估量到即將消滅很大的偏差而過量地打開(關(guān)閉）調(diào)節(jié)閥，以克服這個(gè)估計(jì)的偏差，這種依據(jù)偏差變化速度提前實(shí)行的行動(dòng),意味著有“超前"作用，因而能比較有效地改善容量滯后比較大的調(diào)節(jié)對象的調(diào)節(jié)質(zhì)量。什么是微分調(diào)節(jié)？微分調(diào)節(jié)是指調(diào)節(jié)器的輸出變化與偏差變化速度成正比,可用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示為：（3-3）式中：——調(diào)節(jié)器的輸出變化值；——微分時(shí)間；——偏差信號變化的速度.從上式可知，偏差變化的速度越大，微分時(shí)間越長，則調(diào)節(jié)器的輸出變化就越大。對于一個(gè)固定不變的偏差，不管其有多大，微分做用的輸出總是零,這是微分作用的特點(diǎn).由于實(shí)際微分器的比例度不能轉(zhuǎn)變，固定為1０0%，微分作用也只在參數(shù)變化時(shí)才消滅,所以實(shí)際微分器也不能單獨(dú)使用。一般都是和其它調(diào)節(jié)作用相協(xié)作,構(gòu)成比例微分或比例積分微分調(diào)節(jié)器。比例積分微分調(diào)節(jié)又稱PＩD調(diào)節(jié)，它可由下式表示：(3-4）ＰIＤ調(diào)節(jié)中,有三個(gè)調(diào)節(jié)參數(shù)，就是比例度Ｐ、積分時(shí)間、微分時(shí)間。適當(dāng)選取這三個(gè)參數(shù)值,就可以獲得良好的調(diào)節(jié)質(zhì)量.由分析可知,PID三作用調(diào)節(jié)質(zhì)量最好，ＰI調(diào)節(jié)其次,PＤ調(diào)節(jié)有余差。純比例調(diào)節(jié)雖然動(dòng)偏差比PＩ調(diào)節(jié)小，但余差大，而純積分調(diào)節(jié)質(zhì)量最差,所以一般不單獨(dú)使用。3。２串級掌握隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的飛快進(jìn)展，對于某些比較簡潔的過程或者生產(chǎn)工藝、經(jīng)濟(jì)效益、平安運(yùn)行、環(huán)境保護(hù)等要求更高的場合，單回路掌握系統(tǒng)往往不能滿意其需求。為了提高掌握品質(zhì)，在單回路掌握方案的基礎(chǔ)上,開發(fā)出了串級掌握系統(tǒng)。3。2．1串級掌握系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)串級掌握系統(tǒng)采納兩套檢測變送器和兩個(gè)調(diào)節(jié)器，前一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出作為后一個(gè)調(diào)節(jié)器的設(shè)定，后一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出送往調(diào)節(jié)閥。結(jié)構(gòu)圖如圖3.１所示。圖3.１串級控制系統(tǒng)方框圖圖3.１串級控制系統(tǒng)方框圖前一個(gè)調(diào)節(jié)器稱為主調(diào)節(jié)器,它所檢測和掌握的變量稱主變量(主被控參數(shù)），即工藝掌握指標(biāo)；后一個(gè)調(diào)節(jié)器稱為副調(diào)節(jié)器，它所檢測和掌握的變量稱副變量（副被控參數(shù)),是為了穩(wěn)定主變量而引入的幫助變量。整個(gè)系統(tǒng)包括兩個(gè)掌握回路，主回路和副回路.副回路由副變量檢測變送、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥和副過程構(gòu)成；主回路由主變量檢測變送、主調(diào)節(jié)器、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥、副過程和主過程構(gòu)成。一次擾動(dòng)：作用在主被控過程上的,而不包括在副回路范圍內(nèi)的擾動(dòng)。二次擾動(dòng)：作用在副被控過程上的，即包括在副回路范圍內(nèi)的擾動(dòng).3.2。2串級掌握系統(tǒng)的特點(diǎn)在串級掌握系統(tǒng)中，由于引入了一個(gè)副回路，不僅能及早克服進(jìn)入副回路的擾動(dòng)，而且又能改善過程特性。副調(diào)節(jié)器具有“粗調(diào)”的作用，主調(diào)節(jié)器具有“細(xì)調(diào)”的作用，從而使其掌握品質(zhì)得到進(jìn)一步提高。其特點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：一、改善了過程的動(dòng)態(tài)特性，提高了系統(tǒng)掌握質(zhì)量。二、能飛快克服進(jìn)入副回路的二次擾動(dòng)。三、提高了系統(tǒng)的工作頻率。四、對負(fù)荷變化的適應(yīng)性較強(qiáng).３。２.3串級掌握系統(tǒng)的設(shè)計(jì)(１)主回路的設(shè)計(jì)串級掌握系統(tǒng)的主回路是定值掌握，其設(shè)計(jì)單回路掌握系統(tǒng)的設(shè)計(jì)類似，設(shè)計(jì)過程可以依據(jù)簡潔掌握系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則進(jìn)行。這里主要解決串級掌握系統(tǒng)中兩個(gè)回路的協(xié)調(diào)工作問題.主要包括如何選取副被控參數(shù)、確定主、副回路的原則等問題。（2）副回路的設(shè)計(jì)由于副回路是隨動(dòng)系統(tǒng)，對包含在其中的二次擾動(dòng)具有很強(qiáng)的抑制能力和自適應(yīng)能力，二次擾動(dòng)通過主、副回路的調(diào)節(jié)對主被控量的影響很小,因此在選擇副回路時(shí)應(yīng)盡可能把被控過程中變化猛烈、頻繁、幅度大的主要擾動(dòng)包括在副回路中，此外要盡可能包含較多的擾動(dòng)。歸納如下.（1)在設(shè)計(jì)中要將主要擾動(dòng)包括在副回路中.(２）將更多的擾動(dòng)包括在副回路中。（３)副被控過程的滯后不能太大，以保持副回路的快速相應(yīng)特性。(4）要將被控對象具有明顯非線性或時(shí)變特性的一部分歸于副對象中。（5）在需要以流量實(shí)現(xiàn)精確跟蹤時(shí)，可選流量為副被控量。在這里要注意(２）和（3）存在明顯的沖突,將更多的擾動(dòng)包括在副回路中有可能導(dǎo)致副回路的滯后過大,這就會(huì)影響到副回路的快速掌握作用的發(fā)揮,因此，在實(shí)際系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中要兼顧（2)和（3）的綜合。例如，圖1所示的以物料出口溫度為主被控參數(shù)、爐膛溫度為副被控參數(shù)，燃料流量為掌握參數(shù)的串級掌握系統(tǒng)，假定燃料流量和氣熱值變化是主要擾動(dòng)，系統(tǒng)把該擾動(dòng)設(shè)計(jì)在副回路內(nèi)是合理的.(３)主、副回路的匹配1)主、副回路中包含的擾動(dòng)數(shù)量、時(shí)間常數(shù)的匹配設(shè)計(jì)中考慮使二次回路中應(yīng)盡可能包含較多的擾動(dòng),同時(shí)也要注意主、副回路擾動(dòng)數(shù)量的匹配問題。副回路中如果包括的擾動(dòng)越多，其通道就越長,時(shí)間常數(shù)就越大，副回路掌握作用就不明顯了,其快速掌握的效果就會(huì)降低.如果全部的擾動(dòng)都包括在副回路中，主調(diào)節(jié)器也就失去了掌握作用。原則上,在設(shè)計(jì)中要保證主、副回路擾動(dòng)數(shù)量、時(shí)間常數(shù)之比值在３~10之間。比值過高，即副回路的時(shí)間常數(shù)較主回路的時(shí)間常數(shù)小得太多，副回路反應(yīng)靈敏,掌握作用快，但副回路中包含的擾動(dòng)數(shù)量過少，對于改善系統(tǒng)的掌握性能不利；比值過低，副回路的時(shí)間常數(shù)接近主回路的時(shí)間常數(shù)，甚至大于主回路的時(shí)間常數(shù),副回路雖然對改善被控過程的動(dòng)態(tài)特性有益，但是副回路的掌握作用缺乏快速性，不能準(zhǔn)時(shí)有效地克服擾動(dòng)對被控量的影響。嚴(yán)重時(shí)會(huì)消滅主、副回路“共振"現(xiàn)象,系統(tǒng)不能正常工作。２）主、副調(diào)節(jié)器的掌握規(guī)律的匹配、選擇在串級掌握系統(tǒng)中，主、副調(diào)節(jié)器的作用是不同的。主調(diào)節(jié)器是定值掌握,副調(diào)節(jié)器是隨動(dòng)掌握。系統(tǒng)對二個(gè)回路的要求有所不同.主回路一般要求無差，主調(diào)節(jié)器的掌握規(guī)律應(yīng)選取PI或PIＤ掌握規(guī)律；副回路要求起掌握的快速性，可以有余差，一般情況選取P掌握規(guī)律而不引入Ｉ或D掌握。如果引入I掌握，會(huì)延長掌握過程，減弱副回路的快速掌握作用；也沒有必要引入Ｄ掌握,由于副回路采納Ｐ掌握已經(jīng)起到了快速掌握作用，引入D掌握會(huì)使調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作過大，不利于整個(gè)系統(tǒng)的掌握。3）主、副調(diào)節(jié)器正反作用方式的確定一個(gè)過程掌握系統(tǒng)正常工作必須保證采納的反饋是負(fù)反饋，及其主通道各環(huán)節(jié)放大系數(shù)極性乘積必須為正值.串級掌握系統(tǒng)有兩個(gè)回路，主、副調(diào)節(jié)器作用方式的確定原則是要保證兩個(gè)回路均為負(fù)反饋。確定過程是首先判定為保證內(nèi)環(huán)是負(fù)反饋副調(diào)節(jié)器應(yīng)選用那種作用方式,然后再確定主調(diào)節(jié)器的作用方式。各環(huán)節(jié)放大系數(shù)極性的正負(fù)是這樣規(guī)定的:對于調(diào)節(jié)器,當(dāng)測量值增加，調(diào)節(jié)器的輸出也增加,則為負(fù)值（即正作用調(diào)節(jié)器）；反之,為正(即反作用調(diào)節(jié)器）。調(diào)節(jié)閥為氣開.則為正,氣關(guān)為負(fù)。過程放大系數(shù)極性是:當(dāng)過程的輸入增大時(shí),即調(diào)節(jié)閥開大,其輸出也增大,則為正，反之，為負(fù)。在圖3。1的串級掌握系統(tǒng)框圖中可以看到,由于副回路可以簡化成一個(gè)正作用方式環(huán)節(jié)，主對象作用方式為正，主測量變送環(huán)節(jié)為正。依據(jù)單回路掌握系統(tǒng)設(shè)計(jì)中介紹的閉合系統(tǒng)必須為負(fù)反饋掌握系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則，即閉環(huán)各環(huán)節(jié)比例度乘積必須為正，故主調(diào)節(jié)器均選用反作用調(diào)節(jié)器,副調(diào)節(jié)器均選用反作用調(diào)節(jié)器。3.3擴(kuò)充臨界比例度法實(shí)驗(yàn)閱歷法調(diào)整ＰID參數(shù)的方法中較常用的是擴(kuò)充臨界比例度法,其最大的優(yōu)點(diǎn)是，參數(shù)的整定不依靠受控對象的數(shù)學(xué)模型,直接在現(xiàn)場整定、簡潔易行。

擴(kuò)充比例度法適用于有自平衡特性的受控對象,是對連續(xù)－時(shí)間PIＤ掌握器參數(shù)整定的臨界比例度法的擴(kuò)充。整定步驟：擴(kuò)充比例度法整定數(shù)字PID掌握器參數(shù)的步驟是：(1)預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期.一般說應(yīng)小于受控對象純延遲時(shí)間的十分之一.表3.1臨界振蕩整定計(jì)算公式 調(diào)節(jié)參數(shù)掌握規(guī)律P2PＩ2．2／1．2ＰID1。6０．50.25（2)用選定的使系統(tǒng)工作。這時(shí)去掉積分作用和微分作用，將掌握選擇為純比例掌握器，構(gòu)成閉環(huán)運(yùn)行。逐漸減小比例度，即減小，直至系統(tǒng)對輸入的階躍信號的響應(yīng)消滅臨界振蕩(穩(wěn)定邊緣），將這時(shí)的比例放大系數(shù)記為,臨界振蕩周期記為。(３）

依據(jù)表３.1臨界振蕩整定計(jì)算公式代入

、的值,計(jì)算出調(diào)節(jié)器各個(gè)參數(shù)、、的值。（4)依據(jù)上述計(jì)算結(jié)果設(shè)置調(diào)節(jié)器的參數(shù)值.觀察系統(tǒng)的響應(yīng)過程,若記錄曲線不符合要求時(shí)，再適當(dāng)調(diào)整整定參數(shù)值。3.4三菱FＸ2系列ＰLＣ中ＰＩD指令的使用比例積分微分指令即PID指令其指令格式如下:FNC88PID操作數(shù)：［S１]、[S２］、［S3］［Ｄ]：全部用數(shù)據(jù)寄存器D。[Ｓ１］:存放設(shè)定值（SV）的地址.[Ｓ2]:存放當(dāng)前值（PV）的地址。[D］：存放掌握回路調(diào)節(jié)值（MV)即輸出值的地址。[S3]:指定存放掌握回路參數(shù)值的首地址，共占用25個(gè)數(shù)據(jù)寄存器，其選用范圍為D0-D75，各元件存放的參數(shù)如下：[S3］：采樣時(shí)間()，取值范圍為1－32767（ms）.［Ｓ3］+1:動(dòng)作方向(ACＴ)，BIＴ０:0為正動(dòng)作,1為反動(dòng)作.ＢIT1:０為無輸入變化量報(bào)警，１為輸入變化量報(bào)警有效。BIＴ2：0為無輸入變化量報(bào)警,１為輸出變化量報(bào)警有效.［Ｓ3］+2：輸入濾波常數(shù)，0-9９%.［S3]+３:比例增益（）,1％－327６7％。［S3]＋4:積分時(shí)間常數(shù)（）,０—3２7６７（＊100ｍs）,為0和時(shí)無積分。［S3]＋5:微分增益（）,0—10０％。[Ｓ３］＋6:微分時(shí)間常數(shù)（），0－3276７（＊１00ms),為0時(shí)無微分.[S3]+7至[Ｓ3]+19ＰＩD運(yùn)算占用。[S3］+20：輸入變化量(增方)報(bào)警設(shè)定值，0－32767。［Ｓ3]+２1:輸入變化量(減方)報(bào)警設(shè)定值，0－３２７67。［Ｓ３]+22:輸出變化量(增方)報(bào)警設(shè)定值,０—327６７。[Ｓ３］＋2３:輸出變化量(減方）報(bào)警設(shè)定值，０－3２7６7。[S3］+２4：報(bào)警輸出BIT0輸入變化量（增方）超出.ＢIＴ1輸入變化量(減方)超出。BIT2輸出變化量（增方）超出。ＢIT３輸出變化量（減方）超出。PID指令用的算術(shù)表達(dá)式為：輸出值上式中表示誤差.該指令可以用中斷、子程序、步進(jìn)梯形指令和條件跳步指令,指令的應(yīng)用如圖３.２所示.當(dāng)Ｘ0＝ON時(shí)執(zhí)行PＩD指令，把PＩＤ掌握回路的設(shè)定值存放在D100-D１24這2５個(gè)數(shù)據(jù)寄存器中，對［S2］的當(dāng)前值(D1)和（S1）的設(shè)定值(D0)進(jìn)行比較,通過PＩD回路處理數(shù)值之間的偏差后計(jì)算出一個(gè)調(diào)節(jié)值,此調(diào)節(jié)值存入目標(biāo)操作數(shù)Ｄ150中.X0PIDD0D1D100D150[S1]S2S3D圖3.2PID指令的應(yīng)用X0PIDD0D1D100D150[S1]S2S3D圖3.2PID指令的應(yīng)用3．5在PＬC中的PID掌握的編程３。5.1回路的輸入輸出變量的轉(zhuǎn)換和標(biāo)準(zhǔn)化PID掌握器調(diào)節(jié)輸出，保證偏差(ｅ)為零,使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài).偏差（e)是設(shè)定值(SＰ）和過程變量（PV）的差.ＰID掌握的原理基于下面的算式;輸出M（t）是比例項(xiàng)、積分項(xiàng)和微分項(xiàng)的函數(shù)。輸出＝比例項(xiàng)+積分項(xiàng)+微分項(xiàng)其中：是作為時(shí)間函數(shù)的回路輸出是回路增益是回路誤差（設(shè)定值和過程變量之間的差）是回路輸出的初始值為了能讓數(shù)字計(jì)算機(jī)處理這個(gè)掌握算式，連續(xù)算式必須離散化為周期采樣偏差算式，才能用來計(jì)算輸出值.數(shù)字計(jì)算機(jī)處理的算式如下：輸出=比例項(xiàng)

+積分項(xiàng)

+微分項(xiàng)是在采樣時(shí)刻n,ＰID回路輸出的計(jì)算值;是回路增益;是采樣時(shí)刻n的回路誤差值;是回路誤差的前一個(gè)數(shù)值(在采樣時(shí)刻n-1)；是采樣時(shí)刻ｘ的回路誤差值；是積分項(xiàng)的比例常數(shù);是回路輸出的初始值;是微分項(xiàng)的比例常數(shù)；從這個(gè)公式可以看出,積分項(xiàng)是從第1個(gè)采樣周期到當(dāng)前采樣周期全部誤差項(xiàng)的函數(shù)。微分項(xiàng)是當(dāng)前采樣和前一次采樣的函數(shù)，比例項(xiàng)僅是當(dāng)前采樣的函數(shù).在數(shù)字計(jì)算機(jī)中,不保存全部的誤差項(xiàng)，實(shí)際上也不必要.由于計(jì)算機(jī)從第一次采樣開頭，每有一個(gè)偏差采樣值必須計(jì)算一次輸出值,只需要保存偏差前值和積分項(xiàng)前值。作為數(shù)字計(jì)算機(jī)解決的重復(fù)性的結(jié)果，可以得到在任何采樣時(shí)刻必須計(jì)算的方程的一個(gè)簡化算式。簡化算式是：輸出=比例項(xiàng)+積分項(xiàng)＋微分項(xiàng)。其中:是在采樣時(shí)間n時(shí)，回路輸出的計(jì)算值；是回路增益；是采樣時(shí)刻n的回路誤差值;是回路誤差的前一個(gè)數(shù)值（在采樣時(shí)刻n-１）；是積分項(xiàng)的比例常數(shù)；是積分項(xiàng)的前一個(gè)數(shù)值（在采樣時(shí)刻n－1)；是微分項(xiàng)的比例常數(shù)；一、回路輸入的轉(zhuǎn)換和標(biāo)準(zhǔn)化：是將現(xiàn)實(shí)世界的值的實(shí)數(shù)值表達(dá)形式轉(zhuǎn)換成０．0-１．0之間的標(biāo)準(zhǔn)化值。下面的算式可以用于標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)定值或過程變量值:其中：是現(xiàn)實(shí)世界數(shù)值的標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)數(shù)值表達(dá)式。是現(xiàn)實(shí)世界數(shù)值的未標(biāo)準(zhǔn)化的或原始的實(shí)數(shù)值表達(dá)式。偏移量對于單極性為０．０。對于雙極性為0。5.跨度是最大可能值減去最小可能值:對于單極性數(shù)值（典型值）為３2，00０.對于雙極性數(shù)值（典型值）為6４,000。二、回路輸出值轉(zhuǎn)換成刻度整數(shù)值回路輸出值一般是掌握變量，比如，在汽車速度掌握中，可以是油閥開度的設(shè)置。回路輸出是0。０和1．０之間的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化了的實(shí)數(shù)值。在回路輸出可以用于驅(qū)動(dòng)模擬輸出之前,回路輸出必須轉(zhuǎn)換成一個(gè)１6位的標(biāo)定整數(shù)值。這一過程,是將PV和SP轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)值的逆過程.第一步是使用下面給出的公式,將回路輸出轉(zhuǎn)換成一個(gè)標(biāo)定的實(shí)數(shù)值:=（—偏移量）＊跨度其中：是回路輸出經(jīng)過標(biāo)定的實(shí)數(shù)值是回路輸出標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)數(shù)值偏移量對于單極性值為0.0，對于雙極性值為0.5跨度值域大小,可能的最大值減去可能的最小值對于單極性為3２，0０0（典型值)對于雙極性為64，000(典型值）3．6變量的范圍過程變量和設(shè)定值是PIＤ運(yùn)算的輸入值。因此回路表中的這些變量只能被PIＤ指令讀而不能被改寫。輸出變量是由PIＤ運(yùn)算產(chǎn)生的，所以在每一次ＰID運(yùn)算完成之后,需更新回路表中的輸出值，輸出值被限定在0。0－1.0之間.當(dāng)輸出由手動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)镻ＩＤ（自動(dòng)）掌握時(shí)，回路表中的輸出值可以用來初始化輸出值.如果使用積分掌握，積分項(xiàng)前值要依據(jù)ＰIＤ運(yùn)算結(jié)果更新。這個(gè)更新了的值用作下一次PIＤ運(yùn)算的輸入，當(dāng)計(jì)算輸出值超過范圍（大于1。0或小于0．０），那么積分項(xiàng)前值必須依據(jù)下列公式進(jìn)行調(diào)整：當(dāng)計(jì)算輸出或當(dāng)計(jì)算輸出其中：是調(diào)整過的偏差的數(shù)值;是在采樣時(shí)間n時(shí)回路輸出的比例項(xiàng)的數(shù)值；是在采樣時(shí)間ｎ時(shí)回路輸出的微分項(xiàng)的數(shù)值；是在采樣時(shí)間n時(shí)回路輸出的數(shù)值;這樣調(diào)整積分前值,一旦輸出回到范圍后,可以提高系統(tǒng)的響應(yīng)性能。而且積分項(xiàng)前值也要限制在0。0－０.1之間,然后在每次PID運(yùn)算結(jié)束之后.把積分項(xiàng)前值寫入回路表，以備在下次PID運(yùn)算中使用。用戶可以在執(zhí)行PＩD指令以前修改回路表中積分項(xiàng)前值。在實(shí)際運(yùn)用中,這樣做的目的是找到由于積分項(xiàng)前值引起的問題。手工調(diào)整積分項(xiàng)前值時(shí)，必須當(dāng)心謹(jǐn)慎,還應(yīng)保證寫入的值在0。０－1．0之間。4掌握方案設(shè)計(jì)4.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

４.１。１上水箱液位的自動(dòng)調(diào)節(jié)在這個(gè)部分中掌握的是上水箱的液位.系統(tǒng)原理圖如圖4.1所示。單相泵正常運(yùn)行，打開閥1和閥２，打開上水箱的出水閥,電動(dòng)調(diào)節(jié)閥以肯定的開度來掌握進(jìn)入水箱的水流量，調(diào)節(jié)手段是通過將壓力變送器檢測到的電信號送入PＬC中，經(jīng)過A/D變換成數(shù)字信號，送入數(shù)字PID調(diào)節(jié)器中,經(jīng)ＰＩD算法后將掌握量經(jīng)過Ｄ/Ａ轉(zhuǎn)換成與電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開度相對應(yīng)的電信號送入電動(dòng)調(diào)節(jié)閥中掌握通道中的水流量.出水口閥3閥2出水口閥3閥2閥壓力表閥1出水口閥6下水箱液位傳感器上水箱液位傳感器閥4進(jìn)水口溢水口溢水口儲(chǔ)水箱單向泵出水口進(jìn)水口4.1系統(tǒng)原理圖當(dāng)上水箱的液位小于設(shè)定值時(shí),壓力變送器檢測到的信號小于設(shè)定值,設(shè)定值與反饋值的差就是PID調(diào)節(jié)器的輸入偏差信號.經(jīng)過運(yùn)算后即輸出掌握信號給電動(dòng)調(diào)節(jié)閥,使其開度增大,以使通道里的水流量變大，增加水箱里的儲(chǔ)水量，液位上升。當(dāng)液位上升到設(shè)定高度時(shí)，設(shè)定值與掌握變量平衡，PIＤ調(diào)節(jié)器的輸入偏差信號為零,電動(dòng)調(diào)節(jié)閥就維持在那個(gè)開度，流量也不變，同時(shí)水箱的液位也維持不變.系統(tǒng)的掌握框圖如圖４。２所示。其中SP為給定信號，由用戶通過計(jì)算機(jī)設(shè)定，ＰV為掌握變量,它們的差是PＩD調(diào)節(jié)器的輸入偏差信號，經(jīng)過PLC的ＰID程序運(yùn)算后輸出,調(diào)節(jié)器的輸出信號經(jīng)過PLC的Ｄ／A轉(zhuǎn)換成4—2０ｍＡ的模擬電信號后輸出到電動(dòng)調(diào)節(jié)閥中調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥的開度，以掌握水的流量,使水箱的液位保持設(shè)定值。水箱的液位經(jīng)過壓力變送器檢測轉(zhuǎn)換成相關(guān)的電信號輸入到PＬC的輸入接口，再經(jīng)過Ａ/D轉(zhuǎn)換成掌握量ＰV,給定值SP與掌握量ＰV經(jīng)過PＬＣ的ＣPU的減法運(yùn)算成了偏差信號e，又輸入到PIＤ調(diào)節(jié)器中，又開頭了新的調(diào)節(jié).所以系統(tǒng)能實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)水箱的液位。

4。１.2上水箱下水箱液位串級掌握系統(tǒng)上水箱下水箱液位掌握系統(tǒng)由于掌握過程特性呈現(xiàn)大滯后，外界環(huán)境的擾動(dòng)較大，要保持上水箱下水箱液位最后都保持設(shè)定值，用簡潔的單閉環(huán)反饋掌握不能實(shí)現(xiàn)很好的掌握效果，所以采納串級閉環(huán)反饋系統(tǒng).上水箱下水箱液位掌握系統(tǒng)圖如圖4.２所示，該系統(tǒng)中,上水箱液位作為副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)對象,下水箱液位作為主調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)對象.這里的擾動(dòng)主要是水箱的出水閥的擾動(dòng),有時(shí)是認(rèn)為的因素,有時(shí)是機(jī)械的因素，擾動(dòng)總是不行避開的。主回路和副回路結(jié)合有效地抑制環(huán)境的擾動(dòng)。主對象主對象副對象執(zhí)行器PID1PID2A/DD/A主變送器副變送器A/DSP+————PVe圖4.2上下水箱控制方框圖在這里,執(zhí)行機(jī)構(gòu)仍然是電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，照舊由ＰLＣ經(jīng)過PIＤ算法后掌握它的開度以掌握水管里的水流量，掌握兩個(gè)水箱的水位。它有兩個(gè)PIＤ回路，分別是PID1和PID2。PID1為外環(huán)，掌握下水箱的液位，它的輸出值作為ＰＩＤ２的設(shè)定值,PID2掌握上水箱的液位.4．2硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)包括檢測單元、執(zhí)行單元和掌握單元的設(shè)計(jì)，他們相互聯(lián)系,組成一個(gè)完整的系統(tǒng)。4.2。１檢測單元在過程掌握系統(tǒng)中,檢測環(huán)節(jié)是比較重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。液位是指密封容器或開口容器中液位的凹凸，通過液位測量可知道容器中的原料、半成品或成品的數(shù)量，以便調(diào)節(jié)流入流出容器的物料,使之達(dá)到物料的平衡，從而保證生產(chǎn)過程順利進(jìn)行。設(shè)計(jì)中涉及到液位的檢測和變送，以便系統(tǒng)依據(jù)檢測到的數(shù)據(jù)來調(diào)節(jié)通道中的水流量,掌握水箱的液位。液位變送器分為浮力式、靜壓力式、電容式、應(yīng)變式、超聲波式、激光式、放射性式等.系統(tǒng)中用到的液位變送器是浙江浙大中控自動(dòng)化儀表有限公司生產(chǎn)的中控儀表ＳP00１８Ｇ壓力變送器，屬于靜壓力式液位變送器，量