水箱液位控制系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì).doc

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1、昌吉學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)題目 水箱液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 系 別 物理系 專(zhuān) 業(yè) 能源工程及自動(dòng)化 班 級(jí) 物理系B1105班 學(xué) 生 陳希嘉 學(xué) 號(hào) 1125862019 指 導(dǎo) 教 師 李斌 目 錄摘 要31 緒 論41.1過(guò)程控制的發(fā)展41.2液位控制系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中的意義41.3液位串級(jí)控制系統(tǒng)的介紹51.4 PLC的發(fā)展現(xiàn)狀51.4.1 PLC的定義51.4.2 PLC的發(fā)展現(xiàn)狀52 水箱液位控制系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)72.1液位控制系統(tǒng)組成72.2 流量液位串級(jí)控制系統(tǒng)的工作原理82.3 PID控制算法102.3.1 PLC中的PID算法102.3.2PID控制的各種常見(jiàn)的控制規(guī)律如下：112.4

2、串級(jí)控制系統(tǒng)的PID整定方法142.5選擇適合本系統(tǒng)的控制規(guī)律143 PLC系統(tǒng)的硬件配置163.1 S7-200的工作原理163.2PLC硬件配置173.2.1CPU的選擇173.2.2檢測(cè)裝置173.2.3執(zhí)行機(jī)構(gòu)183.2.4執(zhí)行單元194 監(jiān)控系統(tǒng)MCGS214.1實(shí)驗(yàn)過(guò)程224.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析234.2.1 整定過(guò)程分析234.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果23總結(jié)25摘 要隨著生產(chǎn)水平和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代控制系統(tǒng)的規(guī)模日趨大型化、復(fù)雜化，控制對(duì)象變得越來(lái)越復(fù)雜，應(yīng)用常規(guī)PID控制，系統(tǒng)的精度和魯棒性較差。為適應(yīng)復(fù)雜系統(tǒng)的控制要求，人們研制了種類(lèi)繁多的先進(jìn)的智能控制器，PID控制器便是其中之一

3、。這篇論文的目的是設(shè)計(jì)一個(gè)水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)水箱液位的串級(jí)控制，采用了計(jì)算機(jī)技術(shù)，通訊技術(shù)，自動(dòng)化儀表技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)。首先我們要對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行分析，根據(jù)被控對(duì)象和被控過(guò)程特性設(shè)計(jì)一個(gè)串級(jí)控制系統(tǒng)。通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)，加深對(duì)所學(xué)傳感器技術(shù)、轉(zhuǎn)換技術(shù)、電子技術(shù)、自動(dòng)控制原理以及過(guò)程控制的基本原理、基本知識(shí)的理解和應(yīng)用，掌握串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟和方法，掌握工程整定參數(shù)方法，培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)，增強(qiáng)動(dòng)手能力，為今后工作打下一定的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)1 緒 論 1.1過(guò)程控制的發(fā)展自本世紀(jì)30年代以來(lái)，伴隨著自動(dòng)控制理論的日趨成熟，自動(dòng)化技術(shù)不斷地發(fā)展并獲得了驚人的成就，在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)發(fā)展中起著關(guān)鍵

4、性的作用。過(guò)程控制技術(shù)是自動(dòng)化技術(shù)的重要組成部分，普遍運(yùn)用于石油，化工，電力，冶金，輕工，紡織，建材等工業(yè)部門(mén)。初期的過(guò)程控制系統(tǒng)采用基地式儀表和部分單元組合儀表，過(guò)程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大多是單輸入，單輸出系統(tǒng)，過(guò)程控制理論是以頻率法和根軌跡法為主體的經(jīng)典控制理論，以保持被控參數(shù)液位，溫度，壓力，流量的穩(wěn)定和消除主要擾動(dòng)為控制目的過(guò)程。其后，串級(jí)控制，比值控制和前饋控制等復(fù)雜過(guò)程控制系統(tǒng)逐步應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，氣動(dòng)和電動(dòng)單元組合儀表也開(kāi)始大量采用，同時(shí)電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于過(guò)程控制領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了直接數(shù)字控制（DDC）和設(shè)定值控制（SPC）。隨著工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)在各領(lǐng)域已百花齊放，過(guò)

5、程控制是自動(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(guò)程控制技術(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)約能源、改善勞動(dòng)條件、保護(hù)環(huán)境衛(wèi)生等方面起著越來(lái)越大的作用。1.2液位控制系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中的意義為了解決人工控制的控制準(zhǔn)度低、控制速度慢、靈敏度低等一系列問(wèn)題。從而我們現(xiàn)在就引入了工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化控制。在自動(dòng)化控制的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，尤其是在石油化工環(huán)保水處理冶金等行業(yè)，液位是過(guò)程控制系統(tǒng)的重要被控量，在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，常常需要對(duì)某些設(shè)備和容器的液位進(jìn)行測(cè)量和控制。通過(guò)液位的檢測(cè)與控制，了解容器中的原料半成品或成品的數(shù)量，以便調(diào)節(jié)容器內(nèi)的輸入輸出物料的平衡，保證生

6、產(chǎn)過(guò)程中各環(huán)節(jié)的物料搭配得當(dāng)。通過(guò)控制計(jì)算機(jī)可以不斷監(jiān)控生產(chǎn)的運(yùn)行過(guò)程，即時(shí)地監(jiān)視或控制容器液位，保證產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。如果控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)欠妥，系統(tǒng)的液位是否穩(wěn)定，會(huì)造成生產(chǎn)中對(duì)液位控制的不合理，導(dǎo)致原料的浪費(fèi)產(chǎn)品的不合格，影響工業(yè)生產(chǎn)的安全與否、生產(chǎn)效率的高低、能源是否能夠得到合理的利用等一系列重要的問(wèn)題。隨著現(xiàn)在工業(yè)控制的要求越來(lái)越高，甚至造成生產(chǎn)事故，所以設(shè)計(jì)一個(gè)良好的液位控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中有著重要的實(shí)際意義。 水箱液位控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是一個(gè)研究和開(kāi)發(fā)先進(jìn)的控制方法、策略的平臺(tái)，它具有體積小、功耗小、靈活安全等諸多優(yōu)點(diǎn)，它不僅能夠完成控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，還可以通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。它是

7、專(zhuān)門(mén)針對(duì)于過(guò)程控制中液位控制研究的實(shí)驗(yàn)研究系統(tǒng)，它包含有溫度、壓力、液位等多種被控變量，通過(guò) PLC 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)控制器，可實(shí)現(xiàn)多種控制方式。同時(shí)也可以對(duì)液位控制系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行設(shè)計(jì)、驗(yàn)證與研究。水箱液位控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)為解決實(shí)際工程應(yīng)用提供了良好的研發(fā)平臺(tái)。1.3液位串級(jí)控制系統(tǒng)的介紹在單回路控制系統(tǒng)是過(guò)程控制中結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的一種形式，它只用一個(gè)調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器也只有一個(gè)輸入信號(hào)，從系統(tǒng)方框圖看，只有一個(gè)閉環(huán)。在大多數(shù)情況下，這種簡(jiǎn)單系統(tǒng)已經(jīng)能夠滿(mǎn)足工藝生產(chǎn)的要求，因此，它是一種最基本的、使用最廣泛的控制系統(tǒng)。但是也有另外一些情況，譬如調(diào)節(jié)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性決定了它很難控制，而工藝對(duì)調(diào)節(jié)質(zhì)量

8、的要求又很高；或者調(diào)節(jié)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性雖然并不復(fù)雜，但控制的任務(wù)卻比較特殊，則單回路控制系統(tǒng)就無(wú)能為力了，而串級(jí)控制系統(tǒng)可以改善和提高控制品質(zhì)。單回路控制系統(tǒng)是過(guò)程控制中結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的一種形式，它只用一個(gè)調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器也只有一個(gè)輸入信號(hào)，從系統(tǒng)方框圖看，只有一個(gè)閉環(huán)。在大多數(shù)情況下，這種簡(jiǎn)單系統(tǒng)已經(jīng)能夠滿(mǎn)足工藝生產(chǎn)的要求。但在復(fù)雜的控制系統(tǒng)中，則需在單回路的基礎(chǔ)上，采取其它措施，組成復(fù)雜控制系統(tǒng)，而串級(jí)控制系統(tǒng)就是其中一種改善和提高控制品質(zhì)的極為有效的控制系統(tǒng)。液位和流量是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中最常用的兩個(gè)參數(shù)，對(duì)液位和流量進(jìn)行控制的裝置在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的十分普遍。液位的時(shí)間常數(shù)T一般很大，因此有很大的容

9、積遲延，如果用單回路控制系統(tǒng)來(lái)控制，可能無(wú)法達(dá)到較好的控制質(zhì)量。而串級(jí)控制系統(tǒng)則可以起到十分明顯的提高控制質(zhì)量的效果，因此往往采用串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)液位進(jìn)行控制。1.4 PLC的發(fā)展現(xiàn)狀1.4.1 PLC的定義國(guó)際工委員會(huì)（IEC）曾于1982年11月頒布了可編程控制器標(biāo)準(zhǔn)草案第一稿，1985年1月又發(fā)表了第二稿，1987年2月頒布了第三稿。該草案中對(duì)可編程控制器的定義是“可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專(zhuān)為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用了可編程的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)計(jì)算等面向用戶(hù)的指令，并通過(guò)數(shù)字量和模擬量的輸入和輸出，控制各種類(lèi)型的機(jī)械或生

10、產(chǎn)過(guò)程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘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)。1.4.2 PLC的發(fā)展現(xiàn)狀20世紀(jì)70年代中末期，可編程控制器進(jìn)入實(shí)用化發(fā)展階段，計(jì)算機(jī)技術(shù)已全面引入可編程控制器中，使其功能發(fā)生了飛躍。更高的運(yùn)算速度、超小型體積、更可靠的工業(yè)抗干擾設(shè)計(jì)、模擬量運(yùn)算、PID功能及極高的性?xún)r(jià)比奠定了它在現(xiàn)代工業(yè)中的地位。20世紀(jì)80年代初，可編程控制器在先進(jìn)工業(yè)國(guó)家中已獲得廣泛應(yīng)用。這個(gè)時(shí)期可編程控制器發(fā)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)可編程控制器的國(guó)家日益增多，產(chǎn)量日益上升。這標(biāo)志著可編程控制器已步入成熟階段。 上世

11、紀(jì)80年代至90年代中期，是PLC發(fā)展最快的時(shí)期，年增長(zhǎng)率一直保持為3040%。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(guò)程控制領(lǐng)域，在某些應(yīng)用上取代了在過(guò)程控制領(lǐng)域處于統(tǒng)治地位的DCS系統(tǒng)。 20世紀(jì)末期，可編程控制器的發(fā)展特點(diǎn)是更加適應(yīng)于現(xiàn)代工業(yè)的需要。從控制規(guī)模上來(lái)說(shuō)，這個(gè)時(shí)期發(fā)展了大型機(jī)和超小型機(jī)；從控制能力上來(lái)說(shuō)，誕生了各種各樣的特殊功能單元，用于壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、位移等各式各樣的控制場(chǎng)合；從產(chǎn)品的配套能力來(lái)說(shuō)，生產(chǎn)了各種人機(jī)界面單元、通信單元，使應(yīng)用可編程控制器的工業(yè)控制設(shè)備的配套更加容易。目前，可編程控制器在機(jī)械制造、石

12、油化工、冶金鋼鐵、汽車(chē)、輕工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用都得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。 我國(guó)可編程控制器的引進(jìn)、應(yīng)用、研制、生產(chǎn)是伴隨著改革開(kāi)放開(kāi)始的。最初是在引進(jìn)設(shè)備中大量使用了可編程控制器。接下來(lái)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(guó)自己已可以生產(chǎn)中小型可編程控制器。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(chǎng)生產(chǎn)的DKK及D系列、大連組合機(jī)床研究所生產(chǎn)的S系列、蘇州電子計(jì)算機(jī)廠(chǎng)生產(chǎn)的YZ系列等多種產(chǎn)品已具備了一定的規(guī)模并在工業(yè)產(chǎn)品中獲得了應(yīng)用。此外，無(wú)錫華光公司、上海鄉(xiāng)島公司等中外合資企業(yè)也是我國(guó)比較著名的PLC生產(chǎn)廠(chǎng)家?？梢灶A(yù)期，隨著我國(guó)現(xiàn)代化進(jìn)程的深入，PLC在我國(guó)將有更廣闊的

13、應(yīng)用天地。2 水箱液位控制系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)液位控制系統(tǒng)實(shí)際是通過(guò)控制流量對(duì)液位進(jìn)行控制的，液位的時(shí)間常數(shù)T一般很大，因此有很大的容積遲延，如果用液位做為反饋信號(hào)進(jìn)行單一回路控制，控制質(zhì)量難以達(dá)到要求。而串級(jí)控制系統(tǒng)可以將流量納入副回路進(jìn)行控制，不僅有效地克服了流量對(duì)液位造成的干擾，能夠?qū)σ何粚?shí)行較快的控制。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)將在SUPCON高級(jí)過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置的基礎(chǔ)上，通過(guò)PLC及各傳感、執(zhí)行單元、上位機(jī)，以流量液位串級(jí)控制策略和的PID控制算法，努力使系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)性能，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。當(dāng)然，還有一些其它的克服大容積遲延的控制方案，例如前饋控制、大遲延滯后補(bǔ)償控制。但它們較難用一般常規(guī)儀

14、表來(lái)實(shí)現(xiàn)，在經(jīng)濟(jì)性和簡(jiǎn)便性上不如串級(jí)控制。2.1液位控制系統(tǒng)組成液位控制系統(tǒng)的構(gòu)成如下圖2.1中所示，開(kāi)度調(diào)節(jié)閥流量調(diào)節(jié)器流量測(cè)量變送器液位對(duì)象U儲(chǔ)水箱液位調(diào)節(jié)器液位測(cè)量變送器水泵上位機(jī)PLC圖2.1液位控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)該水箱流量和液位串級(jí)控制系統(tǒng)主要由水箱、管道、水泵、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、液位傳感器、渦輪流量計(jì)、可編程控制器及其輸入（檢測(cè)）輸出（控制）通道電路構(gòu)成。系統(tǒng)包括3路信號(hào)，測(cè)量信號(hào)有2個(gè)分別是上水箱液位和管道流量，變送過(guò)來(lái)以后是標(biāo)準(zhǔn)的模擬信號(hào)控制信號(hào)，有1個(gè)用來(lái)控制電動(dòng)閥門(mén)的開(kāi)度。PLC的模擬量輸入模塊SM235相連，SM235和CPU直接相連。系統(tǒng)接通電源后，水泵開(kāi)始工作，將儲(chǔ)水箱里的

15、水泵送至管道，水流經(jīng)管道后進(jìn)入水箱。管道里連接流量變送器檢測(cè)管道水的流量，水箱底部連接液位傳感器檢測(cè)液位，并轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)后傳送給的模擬量輸入接口。通過(guò)上位機(jī)組態(tài)界面設(shè)置液位給定值，PLC采用PID算法得出電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度調(diào)節(jié)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制流量，實(shí)現(xiàn)流量的控制，最終能夠控制水箱內(nèi)水的液位。2.2 流量液位串級(jí)控制系統(tǒng)的工作原理該系統(tǒng)有主調(diào)節(jié)器、副調(diào)節(jié)器兩個(gè)控制回路串接工作，液位控制是外回路（主調(diào)節(jié)器）負(fù)責(zé)液位的定值控制，流量控制是隨動(dòng)控制的內(nèi)回路（副調(diào)節(jié)器）。，串級(jí)控制系統(tǒng)的目的是為了更好地穩(wěn)定主變量，使之等于給定值，圖2.2是串級(jí)控制系統(tǒng)的方框圖。副調(diào)節(jié)器電動(dòng)閥流量水箱液位流量變送器液位變送器

16、h（液位）一次干擾二次干擾給定值+-+-Q1主調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器圖2.2串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖主變量就是主回路的輸出，所以說(shuō)主回路是定值控制系統(tǒng)。副回路的輸出是副變量，副回路的給定值是主控制器的輸出，所以在串級(jí)控制系統(tǒng)中，副變量不是要求不變的，而是要求隨主控制器的輸出變化而變化，因此是一個(gè)隨動(dòng)控制系統(tǒng)。主控制器的輸出作為副控制器的給定值，副控制器的輸出去操縱控制閥，以實(shí)現(xiàn)對(duì)變量的定值控制其中主調(diào)節(jié)器有自己獨(dú)立的給定值R，它的輸出m1作為副調(diào)節(jié)器的給定值，副調(diào)節(jié)器的輸出m2控制執(zhí)行器，以改變主參數(shù)C1。在串級(jí)控制系統(tǒng)中，主、副調(diào)節(jié)器所起的作用是不同的。主調(diào)節(jié)器起定值控制作用，它的控制任務(wù)是使主參數(shù)等于給定

17、值（無(wú)余差），故一般宜采用PI或PID調(diào)節(jié)器。由于副回路是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，它的輸出要求能快速、準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)主調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)的變化規(guī)律，對(duì)副參數(shù)的動(dòng)態(tài)性能和余差無(wú)特殊的要求，因而副調(diào)節(jié)器可采用P或PI調(diào)節(jié)器。本系統(tǒng)的主控量為上水箱的液位高度H，副控量為氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥支路流量Q，它是一個(gè)輔助的控制變量。系統(tǒng)由主、副兩個(gè)回路所組成。主回路是一個(gè)定值控制系統(tǒng)，要求系統(tǒng)的主控制量H等于給定值，因而系統(tǒng)的主調(diào)節(jié)器應(yīng)為PI或PID控制。副回路是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，要求副回路的輸出能正確、快速地復(fù)現(xiàn)主調(diào)節(jié)器輸出的變化規(guī)律，以達(dá)到對(duì)主控制量H的控制目的，因而副調(diào)節(jié)器可采用P控制。但選擇流量作副控參數(shù)時(shí)，為了保持系統(tǒng)穩(wěn)定，比例

18、度必須選得較大，這樣比例控制作用偏弱，為此需引入積分作用，即采用PI控制規(guī)律。引入積分作用的目的不是消除靜差，而是增強(qiáng)控制作用。顯然，由于副對(duì)象管道的時(shí)間常數(shù)小于主對(duì)象上水箱的時(shí)間常數(shù)，因而當(dāng)主擾動(dòng)（二次擾動(dòng)）作用于副回路時(shí)，通過(guò)副回路快速的調(diào)節(jié)作用消除了擾動(dòng)的影響。1克服被控過(guò)程較大的容量滯后在過(guò)程控制系統(tǒng)中，被控過(guò)程的容量滯后較大，特別是一些被控量是溫度等參數(shù)時(shí)，控制要求較高，如果采用單回路控制系統(tǒng)往往不能滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝的要求。利用串級(jí)控制系統(tǒng)存在二次回路而改善過(guò)程動(dòng)態(tài)特性，提高系統(tǒng)工作頻率，合理構(gòu)造二次回路，減小容量滯后對(duì)過(guò)程的影響，加快響應(yīng)速度。在構(gòu)造二次回路時(shí)，應(yīng)該選擇一個(gè)滯后較小的副

19、回路，保證快速動(dòng)作的副回路。2克服被控過(guò)程的純滯后被控過(guò)程中存在純滯后會(huì)嚴(yán)重影響控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，使控制系統(tǒng)不能滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝的要求。使用串級(jí)控制系統(tǒng)，在距離調(diào)節(jié)閥較近、純滯后較小的位置構(gòu)成副回路，把主要擾動(dòng)包含在副回路中，提高副回路對(duì)系統(tǒng)的控制能力，可以減小純滯后對(duì)主被控量的影響。改善控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量。3抑制變化劇烈幅度較大的擾動(dòng)串級(jí)控制系統(tǒng)的副回路對(duì)于回路內(nèi)的擾動(dòng)具有很強(qiáng)的抑制能力。只要在設(shè)計(jì)時(shí)把變化劇烈幅度大的擾動(dòng)包含在副回路中，即可以大大削弱其對(duì)主被控量的影響。4.克服被控過(guò)程的非線(xiàn)性在過(guò)程控制中，一般的被控過(guò)程都存在著一定的非線(xiàn)性。這會(huì)導(dǎo)致當(dāng)負(fù)載變化時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的特性發(fā)生變化，影響控

20、制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。單回路系統(tǒng)往往不能滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝的要求，由于串級(jí)控制系統(tǒng)的副回路是隨動(dòng)控制系統(tǒng)，具有一定的自適應(yīng)性，在一定程度上可以補(bǔ)償非線(xiàn)性對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響。2.3 PID控制算法2.3.1 PLC中的PID算法常規(guī)的PID控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成。PID算法的輸入量e是設(shè)定值r和檢測(cè)值y的偏差量，即 ，經(jīng)過(guò)運(yùn)算，并輸出控制信號(hào)u。PID控制算法的理想形式為 式中 控制器比例增益；積分時(shí)間； 微分時(shí)間。PLC對(duì)PID控制算法計(jì)算需要得到它的離散表達(dá)式。由連續(xù)的PID算法換算成離散的表達(dá)式如下： 其中， 為采樣周期。S7-200 PLC中用的是PID控制的

21、增量算法落實(shí)是增量還是未知為相鄰兩次采樣時(shí)刻所計(jì)算的位置值之差，即 S7-200 PLC的PID指令中，PID控制算法是基于理想PID控制算法的改進(jìn)得到的。其微分項(xiàng)采用微分先行改進(jìn)，積分項(xiàng)采用抗積分飽和法改進(jìn)。微分先行，是指只對(duì)被控量微分，而對(duì)偏差無(wú)微分作用，這樣避免了當(dāng)改變?cè)O(shè)定值時(shí)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊?？癸柡头e分，是指對(duì)計(jì)算出的控制量限幅。在S7-200 PLC中，積分項(xiàng)的積分公式為式中第n次采樣的積分項(xiàng)數(shù)值；第n次采樣的設(shè)定值數(shù)值；第n次采樣的檢測(cè)值數(shù)值第n-1次采樣的積分項(xiàng)數(shù)值。對(duì)控制量的限幅為式中第n次采樣的比例計(jì)算輸出數(shù)值；第n次采樣的積分計(jì)算輸出數(shù)值；第n次采樣的PID控制量計(jì)算輸出數(shù)值

22、。通過(guò)按照上述方式調(diào)節(jié)，一旦計(jì)算輸出返回適當(dāng)范圍即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)應(yīng)答能力的改善。控制量也被固定在0.01.0。2.3.2PID控制的各種常見(jiàn)的控制規(guī)律如下：一、比例調(diào)節(jié)（P調(diào)節(jié)）在P調(diào)節(jié)中，調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)與偏差信號(hào)成比例，即 （3.1） 式中Kc稱(chēng)為比例增益（視情況可設(shè)置為正或負(fù)）, 為調(diào)節(jié)器的輸出，是對(duì)調(diào)節(jié)器起始值的增量，的大小可以通過(guò)調(diào)整調(diào)節(jié)器的工作點(diǎn)加以改變。在過(guò)程控制中習(xí)慣用比例增益的倒數(shù)表示調(diào)節(jié)器輸入與輸出之間的比例關(guān)系： （3.2）其中稱(chēng)為比例帶。比例調(diào)節(jié)的顯著特點(diǎn)就是有差調(diào)節(jié)。比例調(diào)節(jié)的余差隨著比例帶的加大而加大。從這一方面考慮，人們希望盡量減小比例帶。然而，減小比例帶就等于加大調(diào)

23、節(jié)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)增益，其后果是導(dǎo)致系統(tǒng)激烈振蕩甚至不穩(wěn)定。穩(wěn)定性是任何閉環(huán)控制系統(tǒng)的首要要求，比例帶的設(shè)置必須保證系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定裕度。此時(shí)，如果余差過(guò)大，則需通過(guò)其它的途徑解決。很大意味著調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作幅度很小，因此被調(diào)量的變化比較平穩(wěn),甚至可以沒(méi)有超調(diào)，但余差很大，調(diào)節(jié)時(shí)間也很長(zhǎng)。減小就加大了調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作幅度，引起被調(diào)量來(lái)回波動(dòng)，但系統(tǒng)仍可能是穩(wěn)定的，余差相應(yīng)減小。具有一個(gè)臨界值，此時(shí)系統(tǒng)處于穩(wěn)定邊界的情況，進(jìn)一步減小系統(tǒng)就不穩(wěn)定了。二、積分調(diào)節(jié)（I調(diào)節(jié)）的特點(diǎn)在I調(diào)節(jié)中，調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)的變化速度(t)/t與偏差信號(hào)e成正比，即 （或 （3.4）式中KI稱(chēng)為積分速度，可視情況取正值或負(fù)值。上

24、式表明，調(diào)節(jié)器的輸出與偏差信號(hào)的積分成正比。I調(diào)節(jié)的特點(diǎn)是無(wú)差調(diào)節(jié)，與P調(diào)節(jié)的有差調(diào)節(jié)形成鮮明對(duì)比。式（3.3）表明，只有當(dāng)被調(diào)量偏差e為零時(shí)，I調(diào)節(jié)器的輸出才會(huì)保持不變。然而與此同時(shí)，調(diào)節(jié)器的輸出卻可以停在任何數(shù)值。這意味著被控對(duì)象在負(fù)荷擾動(dòng)的調(diào)節(jié)過(guò)程結(jié)束后，被調(diào)量沒(méi)有余差，而調(diào)節(jié)閥則可以停在新的負(fù)荷所要求的開(kāi)度上。I調(diào)節(jié)的另一特點(diǎn)是它的穩(wěn)定作用比P調(diào)節(jié)差。例如，根據(jù)奈氏穩(wěn)定判據(jù)可知，對(duì)于非自衡的被控對(duì)象采用P調(diào)節(jié)時(shí)，只要加大比例帶總可以使系統(tǒng)穩(wěn)定（除非被控對(duì)象含有一個(gè)以上的積分環(huán)節(jié)）；如果采用I調(diào)節(jié)則不可能得到穩(wěn)定的系統(tǒng)。對(duì)于同一個(gè)被控對(duì)象，采用I調(diào)節(jié)時(shí)其調(diào)節(jié)過(guò)程的進(jìn)行總比采用P調(diào)節(jié)時(shí)緩慢

25、，表現(xiàn)在振蕩頻率較低。把它們各自在穩(wěn)定邊界上的振蕩頻率加以比較就可以知道，在穩(wěn)定邊界上若采用P調(diào)節(jié)則被控對(duì)象須提供180相角滯后。若采用I調(diào)節(jié)則被控對(duì)象只須提供90相角滯后。這就說(shuō)明用I調(diào)節(jié)取代P調(diào)節(jié)就會(huì)降低系統(tǒng)的振蕩頻率。采用I調(diào)節(jié)時(shí)，控制系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)增益與積分速度KI成正比。因此，增大積分速度將會(huì)降低控制系統(tǒng)的穩(wěn)定程度，直到最后出現(xiàn)發(fā)散的振蕩過(guò)程。因?yàn)镵I愈大，則調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作愈快，就愈容易引起和加劇振蕩。但與此同時(shí)，振蕩頻率將愈來(lái)愈高，而最大動(dòng)態(tài)偏差則愈來(lái)愈小。被調(diào)量最后都沒(méi)有余差，這是I調(diào)節(jié)的特點(diǎn)。三、比例積分調(diào)節(jié)（PI調(diào)節(jié)）PI調(diào)節(jié)就是綜合P、I兩種調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)，利用P調(diào)節(jié)快速抵消干擾的影

26、響，同時(shí)利用I調(diào)節(jié)消除余差。它的調(diào)節(jié)規(guī)律為： (3.5)或 (3.6)式中為比例帶，可為積分時(shí)間。和是PI調(diào)節(jié)器的兩個(gè)重要參數(shù)。圖3.1是PI調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)，它是由比例動(dòng)作和積分動(dòng)作兩部分組成的。在施加階躍輸入的瞬間，調(diào)節(jié)器立即輸出一個(gè)幅值為e/的階躍，然后以固定速度e/TI變化。當(dāng)t=TI時(shí)，調(diào)節(jié)器的總輸出為2e/。這樣，就可以根據(jù)圖3.1確定和TI的數(shù)值。還可以注意到，當(dāng)t=TI時(shí)，輸出的積分部分正好等于比例部分。由此可見(jiàn)，TI可以衡量積分部分在總輸出中所占的比重：TI愈小，積分部分所占的比重愈大。tTIOKcA2KcAu(t)tOAe(t)圖3.11PI調(diào)節(jié)器引入積分動(dòng)作帶來(lái)消除余差之

27、好處的同時(shí)，卻降低了原有系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為保持控制系統(tǒng)原來(lái)的衰減率，PI調(diào)節(jié)器比例帶必須適當(dāng)加大，這樣會(huì)使調(diào)節(jié)時(shí)間ts增大，最大偏差也會(huì)增大。四、微分調(diào)節(jié)的特點(diǎn)比例調(diào)節(jié)和積分調(diào)節(jié)都是根據(jù)當(dāng)時(shí)偏差的方向和大小進(jìn)行調(diào)節(jié)的，而不管那時(shí)被控對(duì)象中流入量與流出量之間有多大的不平衡，而這個(gè)不平衡正決定著此后被調(diào)量將如何變化的趨勢(shì)。由于被調(diào)量的變化速度（包括其大小和方向）可以反映當(dāng)時(shí)或稍前一些時(shí)間流入、流出量之間的不平衡情況，因此，如果調(diào)節(jié)器能夠根據(jù)被調(diào)量的變化速度來(lái)移動(dòng)調(diào)節(jié)閥，而不要等到被調(diào)量已經(jīng)出現(xiàn)較大偏差后才開(kāi)始動(dòng)作，那么調(diào)節(jié)的效果將會(huì)更好，等于賦予調(diào)節(jié)器以某種程度的預(yù)見(jiàn)性，這種調(diào)節(jié)動(dòng)作稱(chēng)為微分調(diào)節(jié)。此

28、時(shí)調(diào)節(jié)器的輸出與被調(diào)量或其偏差對(duì)于時(shí)間的導(dǎo)數(shù)成正比，即 (3.7)然而，單純按上訴規(guī)律動(dòng)作的調(diào)節(jié)器是不能工作的。這是因?yàn)閷?shí)際的調(diào)節(jié)器都有一定的失靈區(qū)，如果被控對(duì)象的流入、流出量只相差很少以致被調(diào)量只以調(diào)節(jié)器不能察覺(jué)的速度緩慢變化時(shí)，調(diào)節(jié)器并不會(huì)動(dòng)作。但是經(jīng)過(guò)相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間以后，被調(diào)量偏差卻可以積累到相當(dāng)大的數(shù)字而得不到校正。這種情況當(dāng)然是不能允許的。因此微分調(diào)節(jié)只能起輔助的調(diào)節(jié)作用，它可以與其它調(diào)節(jié)動(dòng)作結(jié)合成PD和PID調(diào)節(jié)動(dòng)作。2.4 串級(jí)控制系統(tǒng)的PID整定方法在工程實(shí)踐中，串級(jí)控制系統(tǒng)常用的整定方法有以下三種：1、逐步逼近法：在主回路斷開(kāi)的情況下，按照單回路的整定方法求取副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)，

29、把副調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)置在所求的數(shù)值上，然后使主回路閉合，仍按單回路整定方法求取主調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)。爾后，將主調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置在所求得的數(shù)值上，再進(jìn)行整定，求取第二次副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)值，然后再整定主調(diào)節(jié)器。依此類(lèi)推，逐步逼近，直至滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)品質(zhì)指標(biāo)要求為止。2、兩步整定法：兩步整定法就是第一步整定副調(diào)節(jié)器參數(shù)，第二步整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)。整定的具體步驟為： (1) 在工況穩(wěn)定，主回路閉合，主、副調(diào)節(jié)器都在純比例作用條件下，主調(diào)節(jié)器的比例度置于100%，然后用單回路控制系統(tǒng)的衰減（如4：1）曲線(xiàn)法來(lái)整定副回路。記下相應(yīng)的比例度2S和振蕩周期T2S。(2) 將副調(diào)節(jié)器的比例度置于所求得的2S值上，且把副回路

30、作為主回路中的一個(gè)環(huán)節(jié)，用同樣方法整定主回路，求取主回路的比例度1S和振蕩周期T1S。(3) 根據(jù)求取的1S、T1S和2S、T2S值，按單回路系統(tǒng)衰減曲線(xiàn)法的整定公式，計(jì)算主、副調(diào)節(jié)器的比例度、積分時(shí)間TI和微分時(shí)間Td的數(shù)值。(4) 按“先副后主”，“先比例后積分最后微分”的整定程序，設(shè)置主、副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，再觀察過(guò)渡過(guò)程曲線(xiàn)，必要時(shí)進(jìn)行適當(dāng)?shù)卣{(diào)整，直到過(guò)程的動(dòng)態(tài)品質(zhì)達(dá)到滿(mǎn)意為止。3、一步整定法：一步整定法，就是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)先確定副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，然后將副回路作為主回路的一個(gè)環(huán)節(jié)，按單回路反饋控制系統(tǒng)的整定方法整定主調(diào)節(jié)器的參數(shù)。具體的整定步驟為：(1) 在工況穩(wěn)定，系統(tǒng)為純比例作用的情況下，根據(jù)

31、K02/20.5這一關(guān)系式，通過(guò)副回路的放大系數(shù)K02，求取副調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù)2或按經(jīng)驗(yàn)選取，并將其設(shè)置在副調(diào)節(jié)器上。(2) 按照單回路控制系統(tǒng)的任一種參數(shù)整定方法來(lái)整定主調(diào)節(jié)器的參數(shù)。(3) 改變給定值，觀察被控制量的響應(yīng)曲線(xiàn)。根據(jù)主調(diào)節(jié)器放大系數(shù)K1 和副調(diào)節(jié)器放大系數(shù)K2的匹配原理，適當(dāng)調(diào)整調(diào)節(jié)器的參數(shù)，使主參數(shù)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)指標(biāo)最佳。(4) 如果出現(xiàn)較大的振蕩現(xiàn)象，只要加大主調(diào)節(jié)器的比例度或增大積分時(shí)間常數(shù)TI，即可得到改善。2.5選擇適合本系統(tǒng)的控制規(guī)律一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于串級(jí)控制系統(tǒng)，主變量不允許有余差。而對(duì)副變量的要求一般都不是很?chē)?yán)格，允許它有波動(dòng)和余差。為了主變量的穩(wěn)定，主調(diào)節(jié)器必須

32、具有積分作用。因此，主調(diào)節(jié)器通常都選用比例積分規(guī)律。有時(shí)，對(duì)象控制通道容量滯后比較大（像溫度對(duì)象和成分對(duì)象等），為了克服容量滯后，選用比例積分微分三作用的調(diào)節(jié)器作為主調(diào)節(jié)器。副調(diào)節(jié)器的給定值隨主調(diào)節(jié)器輸出的變化而變化，為了能快速跟蹤，副調(diào)節(jié)器一般不設(shè)置積分作用，微分作用也不需要，因?yàn)楫?dāng)副調(diào)節(jié)器有微分作用時(shí)，一旦主調(diào)節(jié)器的輸出稍有變化，執(zhí)行機(jī)構(gòu)就將大幅度地變化。但副調(diào)節(jié)器容量滯后比較大時(shí)，可以適當(dāng)加一點(diǎn)微分作用，一般情況下，副調(diào)節(jié)器只需用比例作用就可以了。本系統(tǒng)的液位對(duì)象容量滯后比較大，故主調(diào)節(jié)器選用比例積分微分調(diào)節(jié)作用，而流量對(duì)象時(shí)間常數(shù)很小，副調(diào)節(jié)器只用比例作用。3 PLC系統(tǒng)的硬件配置SI

33、MATIC S7-200系列是西門(mén)子公司20世紀(jì)90年代投入市場(chǎng)的小型可編程序控制器，適用于各行各種場(chǎng)合中的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)及控制的自動(dòng)化。S7-200系列的強(qiáng)大功能使其無(wú)論在獨(dú)立運(yùn)行中或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制功能，其應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，覆蓋所有與自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)化控制有關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域。3.1 S7-200的工作原理S7-200采用循環(huán)掃描方式，一個(gè)掃描周期一般包括五個(gè)階段:輸入處理、執(zhí)行程序、處理通訊請(qǐng)求、執(zhí)行CPU自診斷測(cè)試和寫(xiě)輸出。 輸入處理階段對(duì)個(gè)數(shù)字量輸入點(diǎn)的當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行輸入掃描，并將各掃描結(jié)果分別寫(xiě)入對(duì)應(yīng)的映像寄存器中。在執(zhí)行程序階段，CPU從第一條指令開(kāi)始順序取指令并執(zhí)行，直到最后

34、一條指令結(jié)束。執(zhí)行指令時(shí)從映像寄存器中讀取各輸入點(diǎn)的狀態(tài)，每條指令的執(zhí)行是對(duì)各數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)或邏輯運(yùn)算，然后將運(yùn)算結(jié)果送到輸出映像寄存器中。在掃描周期的信息處理階段，CPU自動(dòng)檢測(cè)并處理各通訊端口接收到的任何信息。即檢查是否有編程器、計(jì)算機(jī)等的通信請(qǐng)求，若有則進(jìn)行相應(yīng)處理，在這一階段完成數(shù)據(jù)通訊任務(wù)。CPU自診斷階段，CPU檢測(cè)主機(jī)硬件，同時(shí)也檢查所有的輸入輸出模塊的狀態(tài)。如果發(fā)現(xiàn)異常，則停機(jī)并顯示出錯(cuò)。若自診斷正常，繼續(xù)向下掃描。寫(xiě)輸出階段，CPU用輸出映像寄存器中的數(shù)據(jù)幾乎同時(shí)集中對(duì)輸出點(diǎn)進(jìn)行刷新，通過(guò)輸出部件轉(zhuǎn)換成被控設(shè)備所能接受的電壓或電流信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)被控設(shè)備。掃描周期執(zhí)行的任務(wù)依賴(lài)于C

35、PU的工作模式，S7-200 CPU有兩種操作模式：STOP模式和RUN模式。對(duì)于掃描周期，STOP模式和RUN模式的主要差別是在RUN模式下運(yùn)行用戶(hù)程序，而在STOP模式下不運(yùn)行用戶(hù)程序。PLC包括中央處理單元(CPU)、存儲(chǔ)器、電源，采用循環(huán)掃描的工作方式1）每次掃描過(guò)程。集中對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣并對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行刷新。 2）輸入刷新過(guò)程。當(dāng)輸入端口關(guān)閉時(shí)，程序在進(jìn)行執(zhí)行階段時(shí)，輸入端有新?tīng)顟B(tài)，新?tīng)顟B(tài)不能被讀入。只有程序進(jìn)行下一次掃描時(shí)，新?tīng)顟B(tài)才被讀入。 3）一個(gè)掃描周期分為輸入采樣，程序執(zhí)行，輸出刷新。 4）元件映象寄存器的內(nèi)容是隨著程序的執(zhí)行變化而變化的。 5）掃描周期的長(zhǎng)短由三條決定：C

36、PU執(zhí)行指令的速度；指令本身占有的時(shí)間；指令條數(shù)。 3.2PLC硬件配置3.2.1CPU的選擇S7-200系列PLC可提供4種不同的基本單元和6種型號(hào)的擴(kuò)展單元如表2.1所示。其系統(tǒng)構(gòu)成包括基本單元、擴(kuò)展單元、編程器、存儲(chǔ)卡、寫(xiě)入器等。表2.1 S7-200系列CPU22X單元型號(hào)輸入點(diǎn)輸出點(diǎn)可帶擴(kuò)展模塊數(shù)S7-200CPU221640S7-200CPU222862個(gè)擴(kuò)展模塊S7-200CPU22424107個(gè)擴(kuò)展模塊S7-200CPU224XP24167個(gè)擴(kuò)展模塊S7-200CPU22624167個(gè)擴(kuò)展模塊本論文采用的是CPU222： 8路輸入、6路輸出。可連接2個(gè)擴(kuò)展模塊， 26K字節(jié)程序

37、和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。6個(gè)獨(dú)立的30kHz高速計(jì)數(shù)器，2路獨(dú)立的20kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。2個(gè)RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。I/O端子排可很容易地整體拆卸。可完全適應(yīng)于一些復(fù)雜的中小型控制系統(tǒng)。3.2.2檢測(cè)裝置壓力傳感器、變送器：采用SIEMENS帶PROFIBUS-PA通訊協(xié)議的壓力傳感器和工業(yè)用的擴(kuò)散硅壓力變送器，擴(kuò)散硅壓力變送器含不銹鋼隔離膜片，同時(shí)采用信號(hào)隔離技術(shù)，對(duì)傳感器溫度漂移跟隨補(bǔ)償。對(duì)于不可壓縮的液體，液位高度與液體的靜壓力成正比，所以測(cè)出液體的靜壓力，即可知道液體的高度圖3.1測(cè)量變送環(huán)節(jié)的作用是將工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的參

38、數(shù)經(jīng)過(guò)檢測(cè)、變送單元轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。在模擬儀表中，標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)通常采用420mADC、15VDC的電流（電壓）信號(hào)，或20100kPa的氣壓信號(hào)；在現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)儀表中，標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)是指數(shù)字信號(hào)。因在水箱液位控制系統(tǒng)中測(cè)量的是水箱液位，所以實(shí)驗(yàn)室選用的是壓力液位變送器。液位傳感器用來(lái)對(duì)水箱的液位進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)控制精度有直接的影響，DBYG擴(kuò)散硅壓力變送器是一種新型的壓力檢測(cè)儀表。壓力測(cè)量頭的核心部件是擴(kuò)散硅壓力傳感器，因此沒(méi)有可動(dòng)部件，抗震性能優(yōu)良。儀表在工業(yè)測(cè)量和自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中作為檢測(cè)環(huán)節(jié)用來(lái)測(cè)量液體、氣體或蒸氣的壓力，并將被測(cè)參量轉(zhuǎn)換成420mADC的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)輸出，與其它儀表配合實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中的自動(dòng)檢

39、測(cè)和控制。另外，本變送器按標(biāo)準(zhǔn)的二線(xiàn)制傳輸，采用高品質(zhì)、低功耗的精密器件，穩(wěn)定性、可靠性大大提高。因此，本設(shè)計(jì)采用工業(yè)用的DBYG擴(kuò)散硅壓力變送器，如圖2.4所示。流量傳感器、轉(zhuǎn)換器：流量傳感器分別用來(lái)對(duì)調(diào)節(jié)閥支路、變頻支路及盤(pán)管出口支路的流量進(jìn)行測(cè)量。本裝置采用兩套流量傳感器、變送器分別對(duì)變頻支路及盤(pán)管出口支路的流量進(jìn)行測(cè)量，調(diào)節(jié)閥支路的流量檢測(cè)采用SIEMENS帶PROFIBUS-PA通訊接口的檢測(cè)和變送一體的電磁式流量計(jì)。 AIW0+ AQW0+ AIW0- AQW0_AIW1+ AIW1- Em235管道流量傳感器水箱液位傳感器電動(dòng)調(diào)節(jié)閥PLCI0.0+I0.0-3.2.3執(zhí)行機(jī)構(gòu)電動(dòng)

40、調(diào)節(jié)閥對(duì)控制回路流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用高性能稀土磁性材料制造的同步電機(jī)，運(yùn)行平穩(wěn)，體積小，力矩大，抗堵轉(zhuǎn)，控制精度高?？刂茊卧c電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)一體化，可靠性高，操作方便，并可與計(jì)算機(jī)配套使用，組成最佳調(diào)節(jié)回路。有輸入控制信號(hào)4-20mA及單相電源即可控制與轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力流量溫度壓力等參數(shù)的調(diào)節(jié)，具有體積小，重量輕，連線(xiàn)簡(jiǎn)單，泄漏量少的優(yōu)點(diǎn)。采用PS電子式直行程執(zhí)行機(jī)構(gòu)，4-20mA閥位反饋信號(hào)輸出雙導(dǎo)向單座柱塞式閥芯，流量具有等百分比特性，直線(xiàn)特性和快開(kāi)特性，閥門(mén)采用彈簧連接，可預(yù)置閥門(mén)關(guān)斷力，保證閥門(mén)的可靠關(guān)斷，防止泄露。性能穩(wěn)定可靠，控制精度高，使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。調(diào)節(jié)閥：采用SIEMENS

41、帶PROFIBUS-PA通訊協(xié)議的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，用來(lái)進(jìn)行控制回路流量的調(diào)節(jié)。它具有精度高、體積小、重量輕、推動(dòng)力大、耗氣量少、可靠性高、操作方便等優(yōu)點(diǎn)。水泵：本裝置采用磁力驅(qū)動(dòng)泵，型號(hào)為16CQ-8P，流量為32升/分，揚(yáng)程為8米，功率為180W。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(guò)程順利進(jìn)行。設(shè)計(jì)中涉及到液位的檢測(cè)和變送，以便系統(tǒng)根據(jù)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)來(lái)調(diào)節(jié)通道中的水流量，控制水箱的液位。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

42、液位變送器，量程為010KPa，精度為，由24V直流電源供電，可以從PLC的電源中獲得，輸出為420mA直流。3.2.4執(zhí)行單元執(zhí)行單元是構(gòu)成自動(dòng)控制系統(tǒng)不可缺少的重要組成環(huán)節(jié)，它接受來(lái)自調(diào)節(jié)單元的輸出信號(hào)，并轉(zhuǎn)換成直角位移或轉(zhuǎn)角位移，以改變調(diào)節(jié)閥的流通面積，從而控制流入或流出被控過(guò)程的物料或能量實(shí)現(xiàn)過(guò)程參數(shù)的自動(dòng)控制。執(zhí)行器由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（調(diào)節(jié)閥）兩部分組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)首先將來(lái)自調(diào)節(jié)器的信號(hào)轉(zhuǎn)變成推力或位移，對(duì)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（調(diào)節(jié)閥）根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的推力或位移，改變調(diào)節(jié)閥的閥芯或閥座間的流通面積，以達(dá)到最終調(diào)節(jié)被控介質(zhì)的目的，來(lái)自調(diào)節(jié)器的信號(hào)經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換信號(hào)制式后，與來(lái)自執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置反饋

43、信號(hào)比較，其信號(hào)差值輸入到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以確定執(zhí)行機(jī)構(gòu)作用的方向和大小，其輸出的力或位移控制調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作，改變調(diào)節(jié)閥的流通面積，從而改變被控介質(zhì)的流量。當(dāng)位置反饋信號(hào)與輸入信號(hào)相等時(shí)，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，調(diào)節(jié)閥處于某一開(kāi)度。系統(tǒng)中用到的調(diào)節(jié)閥是QS智能型調(diào)節(jié)閥，所用到的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，輸出為角行程，控制軸轉(zhuǎn)動(dòng)。電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的組成框圖。來(lái)自PLC的模擬量輸出DC420mA信號(hào)Ii與位置反饋信號(hào)If進(jìn)行比較，其差值經(jīng)放大后，控制伺服電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，再經(jīng)減速器后，改變調(diào)節(jié)器的開(kāi)度，同時(shí)輸出軸的位移，經(jīng)位置發(fā)生器轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)If。當(dāng)Ii=If時(shí)，電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)節(jié)閥處于某一開(kāi)度，即Q=KIi，

44、式中Q為輸出軸的轉(zhuǎn)角，K為比例常數(shù)。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥還提供手動(dòng)操作，它的上部有個(gè)手柄，和軸連接在一起，在系統(tǒng)掉電時(shí)可進(jìn)行手動(dòng)控制，保證系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用。液位是否符合要求水箱檢測(cè)液位是否符合要求調(diào)節(jié)主控面板調(diào)節(jié)SV1YNNY手動(dòng)/自動(dòng)控制起動(dòng)返回4 監(jiān)控系統(tǒng)MCGS本章介紹工業(yè)自動(dòng)化控制組態(tài)軟件MCGS( Monitor and Control Generated System，通用監(jiān)控系統(tǒng))的基本組成部分及其功能。MCGS組態(tài)通用監(jiān)控系統(tǒng)軟件是集動(dòng)畫(huà)顯示、流程控制、數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制與輸出、數(shù)據(jù)與曲線(xiàn)等諸多強(qiáng)大功能于一身，并支持國(guó)內(nèi)外眾多數(shù)據(jù)采集與設(shè)備輸出，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集處理，以動(dòng)畫(huà)顯示、報(bào)警處

45、理、流程控制和報(bào)表輸出等多種方式向用戶(hù)提供解決實(shí)際問(wèn)題的方案，在自動(dòng)化的各個(gè)領(lǐng)域起著極其重要的作用。4.1實(shí)驗(yàn)過(guò)程本實(shí)驗(yàn)選擇上水箱和氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥支路組成串級(jí)控制系統(tǒng)（也可采用變頻器支路）。實(shí)驗(yàn)之前先將儲(chǔ)水箱中貯足水量，然后將閥門(mén)F1-1、F1-2、F1-6全開(kāi)，將上水箱出水閥門(mén)F1-9開(kāi)至適當(dāng)開(kāi)度，其余閥門(mén)均關(guān)閉。1、接通控制系統(tǒng)電源，打開(kāi)用作上位監(jiān)控的的PC機(jī)，進(jìn)入的實(shí)驗(yàn)主界面。2、在實(shí)驗(yàn)主界面中選擇本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)即“上水箱液位與進(jìn)水口流量串級(jí)控制實(shí)驗(yàn)”，系統(tǒng)進(jìn)入正常的測(cè)試狀態(tài)，呈現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)界面如圖3.3所示。圖3.3 實(shí)驗(yàn)界面3、在上位機(jī)監(jiān)控界面中，將副調(diào)節(jié)器設(shè)置為“手動(dòng)”，并將輸出值設(shè)置為一個(gè)合適

46、的值。4、合上三相電源空氣開(kāi)關(guān)，磁力驅(qū)動(dòng)泵上電打水，適當(dāng)增加/減少副調(diào)節(jié)器的輸出量，使上水箱的液位穩(wěn)定于設(shè)定值。5、整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)，并按整定得到的參數(shù)對(duì)調(diào)節(jié)器進(jìn)行設(shè)定。6、待上水箱進(jìn)水流量相對(duì)穩(wěn)定，且其液位穩(wěn)定于給定值時(shí)，將調(diào)節(jié)器切換到“自動(dòng)”狀態(tài)，待液位平衡后，通過(guò)以下幾種方式加干擾：(1) 突增（或突減）設(shè)定值的大小，使其有一個(gè)正（或負(fù)）階躍增量的變化；(2) 將氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的旁路閥F1-3或F1-4（同電磁閥）開(kāi)至適當(dāng)開(kāi)度；(3) 將閥F1-5、F1-13開(kāi)至適當(dāng)開(kāi)度；以上幾種干擾均要求擾動(dòng)量為控制量的515，干擾過(guò)大可能造成水箱中水溢出。加入干擾后，水箱的液位便離開(kāi)原平衡狀態(tài)，經(jīng)過(guò)一段

47、調(diào)節(jié)時(shí)間后，水箱液位穩(wěn)定于新的設(shè)定值（后面兩種干擾方法仍穩(wěn)定在原設(shè)定值）。通過(guò)實(shí)驗(yàn)界面下邊的切換按鈕，觀察計(jì)算機(jī)記錄的設(shè)定值、輸出值和參數(shù)，上水箱液位的響應(yīng)過(guò)程曲線(xiàn)將如圖3.4所示。圖3.4 上水箱液位階躍響應(yīng)曲線(xiàn)7、適量改變調(diào)節(jié)器的PID參數(shù)，重復(fù)步驟6，觀察計(jì)算機(jī)記錄不同參數(shù)時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)曲線(xiàn)。4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析4.2.1 整定過(guò)程分析3.5 主調(diào)節(jié)器設(shè)定(1) 如圖3.5所示，在工況穩(wěn)定，主回路閉合，主、副調(diào)節(jié)器都在純比例作用條件下，主調(diào)節(jié)器的比例度置于100%，然后用單回路控制系統(tǒng)的衰減（如4：1）曲線(xiàn)法來(lái)整定副回路。置副調(diào)節(jié)時(shí)間為最大值，微分時(shí)間為0，比例帶為較大值，將系統(tǒng)投入運(yùn)行。

48、待系統(tǒng)穩(wěn)定之后，做設(shè)定值階躍擾動(dòng)，觀察響應(yīng)，若系統(tǒng)衰減太快，則減小比例帶；若過(guò)慢，則增大比例帶。如此反復(fù)直到系統(tǒng)出現(xiàn)4：1衰減震蕩過(guò)程。記下相應(yīng)的比例度2S和振蕩周期T2S。(2) 將副調(diào)節(jié)器的比例度置于所求得的2S值上，且把副回路作為主回路中的一個(gè)環(huán)節(jié)，用同樣方法整定主回路，求取主回路的比例度1S和振蕩周期T1S。(3) 根據(jù)求取的1S、T1S和2S、T2S值，按單回路系統(tǒng)衰減曲線(xiàn)法的整定公式，計(jì)算主、副調(diào)節(jié)器的比例度、積分時(shí)間TI和微分時(shí)間Td的數(shù)值。(4) 按“先副后主”，“先比例后積分最后微分”的整定程序，設(shè)置主、副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，再觀察過(guò)渡過(guò)程曲線(xiàn)，必要時(shí)進(jìn)行適當(dāng)?shù)卣{(diào)整，直到過(guò)程的動(dòng)態(tài)

49、品質(zhì)達(dá)到滿(mǎn)意為止。上述過(guò)程為根據(jù)圖形進(jìn)行的理論計(jì)算，在試實(shí)驗(yàn)中用試湊法進(jìn)行整定。其方法為設(shè)置幾組參數(shù)，分別投入運(yùn)行，觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線(xiàn)。原則為先整定副回路再整定主回路，先進(jìn)行比例積分最后進(jìn)行微分，比較各個(gè)步驟的曲線(xiàn)找出每組最優(yōu)。將所得的各個(gè)參數(shù)結(jié)合起來(lái)，得到最終的整定參數(shù)。4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)將目標(biāo)液位設(shè)定為30mm，起始時(shí)間為零，起始液位為零。系統(tǒng)經(jīng)一段時(shí)間運(yùn)行后觀察歷史曲線(xiàn)圖如下圖6-2圖6-2通過(guò)本次課程設(shè)計(jì),加深對(duì)PLC知識(shí)的理解；了解力基于PLC的過(guò)程控制工程設(shè)計(jì)流程及方法；重點(diǎn)掌握PLC的I/O地址分配、信號(hào)采集、PID控制算法、程序編輯以及調(diào)試運(yùn)行方法。結(jié)合課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容，熟悉過(guò)

50、程控制工程中需要編寫(xiě)的技術(shù)文檔；加強(qiáng)對(duì)PLC編程能力；培養(yǎng)全面、周到的考慮實(shí)際問(wèn)題的習(xí)慣；學(xué)會(huì)查閱有關(guān)專(zhuān)業(yè)技術(shù)資料及設(shè)計(jì)手冊(cè)，提高進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)的能力并完成課程設(shè)計(jì)相關(guān)任務(wù)。（1）了解水箱液位控制系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)、閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)和PID控制算法。（2）逐一明確各路檢測(cè)信號(hào)到PLC的輸入通道，包括傳感器的原理、連接方法、信號(hào)種類(lèi)、信號(hào)調(diào)節(jié)電路、引入PLC的接線(xiàn)以及PLC中的編址。（3）逐一明確PLC到各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸入通道，包括各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的種類(lèi)和工作原理，驅(qū)動(dòng)電路的構(gòu)成，PLC輸出信號(hào)的種類(lèi)和地址。（4）繪制水箱液位控制系統(tǒng)的電路原理圖，編制I/O口地址分配表。（5）編制PLC的程序，結(jié)合實(shí)驗(yàn)

51、室現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行調(diào)試，要求盡可能多地在實(shí)驗(yàn)設(shè)備上演示控制過(guò)程。總結(jié)可編程序控制器PLC具有通用性強(qiáng)，可靠性高、適應(yīng)性強(qiáng)、編程方法簡(jiǎn)單易學(xué)、系統(tǒng)安裝調(diào)試方便等特點(diǎn)，使其在各行各業(yè)中得到廣泛應(yīng)用 。組態(tài)軟件所具備的實(shí)時(shí)多任務(wù)、接口開(kāi)放、使用靈活、功能多樣，以及運(yùn)行可靠等特點(diǎn)使運(yùn)用工控組態(tài)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的監(jiān)控任務(wù)已成為工業(yè)發(fā)展中的必然趨勢(shì)。本論文采用了可編程序控制器結(jié)合組態(tài)軟件監(jiān)控的控制方法，即采用SIEMENS公司的 S7-200系列PLC和MCGS組態(tài)軟件相結(jié)合的方法。通過(guò)設(shè)計(jì)和應(yīng)用后可以得到以下結(jié)論：（1）工業(yè)控制組態(tài)軟件MCGS是利用其設(shè)計(jì)的監(jiān)控畫(huà)面具有的動(dòng)態(tài)效果制作水箱的液位顯示圖，還可以在上面對(duì)參數(shù)值進(jìn)行設(shè)定和修改，用實(shí)時(shí)曲線(xiàn)的動(dòng)態(tài)顯示變化曲線(xiàn)觀看水箱的液位控制狀態(tài)的變化。（2）S7-200系列PLC的使用簡(jiǎn)化了水箱的控制系統(tǒng)。（3）MCGS組態(tài)軟件與PLC合用的控制系統(tǒng)，合理地分擔(dān)了水位監(jiān)控和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集和控制的任務(wù)，充分發(fā)揮不同設(shè)備各自的優(yōu)勢(shì)，大幅度降低了工程時(shí)間和人力物力的消耗。本課題許多工作完成得不盡圓滿(mǎn)，尚需進(jìn)一步完善深入，特別是軟件的數(shù)據(jù)處理功能有待加強(qiáng)。在保證實(shí)時(shí)性、可靠性的基礎(chǔ)上探索一些創(chuàng)新的、更有潛力的方案以提高系統(tǒng)控制的精確性和可靠性，進(jìn)一步完善系統(tǒng)的其他功能。