基于PLC的液位控制系统设计.doc

摘 要 本次课程设计的课题是基于 PLC 的液位控制系统的设计。本次课程设计的目 的是在于了解简单过程控制系统的构成，掌握简单过程控制的原理和 PLC 控制系 统软件的设计调试方法，并且熟悉掌握组态软件的应用方法。在设计中，主要负 责的是控制算法的设计，因此在论文中设计用到的 PID 算法提到得较多。 本文的主要内容包括：水箱的特性确定与实验曲线分析， S7-300 可编程控 制器的硬件掌握，PID 参数的整定及各个参数的控制性能的比较，应用 PID 控制 算法得到实验曲线，整个系统各个部分的介绍和应用 PLC 语句编程来控制水箱水 位。 关键词：关键词：S7-300 西门子 PLC、控制对象特性、PID 控制算法、压力变送器、电动 调节阀、PID 指令、变频器。 I 目 录 摘 要 .I 第 1 章 绪论.1 1.1 PLC 的产生、定义及现状 .1 1.2 过程工业控制算法的应用现状.2 1.3 PID 控制的历史和发展现状 3 1.4 论文的研究内容.5 第 2 章 S7-300 中小型 PLC 和控制对象介绍.6 2.1 西门子 PLC 控制系统6 2.1.1 CPU 模块7 2.1.2 模拟量输入模块8 2.1.3 模拟量输出模块9 2.1.4 电源模块10 2.2 控制对象特性.11 2.2.1 一阶单容上水箱特性11 2.2.2 二阶双容下水箱对象特性14 第 3 章 PID 控制算法介绍 .18 3.1 PID 控制算法 18 3.2 PID 调节的各个环节及其调节过程 20 3.2.1 比例控制与其调节过程21 3.2.2 比例积分调节21 3.2.3 比例积分微分调节22 3.3 串级控制.22 3.4 扩充临界比例法.24 3.5 在 PLC 中的 PID 控制的编程25 II 3.5.1 回路的输入输出变量的转换和标准化26 3.5.2 变量的范围28 3.5.3 控制方式与出错处理29 第 4 章 控制方案设计.31 4.1 系统设计.31 4.1.1 上水箱液位的自动调节31 4.1.2 上水箱下水箱液位串级控制系统.32 4.2 硬件设计.33 4.2.1 检测单元33 4.2.2 执行单元34 4.2.3 控制单元36 4.3 软件设计.36 第 5 章 实验情况介绍.39 5.1 上水箱液位比例调节.39 5.2 上水箱液位比例积分调节.40 5.3 上水箱液位比例积分微分调节.41 第 6 章 结论.43 参考文献.44 致谢.46 0 第 1 章 绪论 1.1 PLC 的产生、定义及现状的产生、定义及现状 可编程控制器出现前，继电器控制在工业控制领域占据主导地位。但是继电 器控制系统具有明显的缺点：设备体积大、可靠性低、故障查找困难以及维修不 方便。由于接线复杂，当生产工艺和流程改变时必须改变接线，因此，其通用性 和灵活性较差。 20 世纪 60 年代，计算机技术开始应用于工业控制领域，但由于价格高、输 入输出电路不匹配、编程难度大以及难以适应恶劣工业环境等原因，未能在工业 控制领域获得推广。20 世纪 60 年代末，美国汽车制造工业竞争激烈，为适应生 产工艺不断更新的需要，1968 年美国通用汽车公司(GM)提出了研制新型逻辑顺序 控制装置的十项招标指标。主要内容是： 1)编程方便，可现场修改程序。 2)维修方便，采用插件式结构。 3)可靠性高于继电器控制装置。 4)体积小于继电器控制盘。 5)数据可直接送入管理计算机。 6)成本可与继电器控制盘竞争。 7)输入可为市电 8)输出可为市电，容量要求在 2A 以上，可直接驱动接触器等。 9)扩展时原系统改变最小。 10)用户存储器大于 4KB。 这些实际上提出了将继电器控制的简单移动、使用方便、价格低的优点与计 算机的功能完善、灵活性、通用性好的优点结合起来，将继电接触器控制的硬连 线逻辑转变为计算机的软件逻辑编程的设想。美国数字设备公司(DEC)中标，并于 1969 年研制出第一台可编程控制器 PDP-14，在美国通用汽车公司的生产线上试 用成功，并取得了满意的效果，可编程控制器自此诞生。 1 随着电子技术的发展，可编程控制器(Programmable Logic Controller.以下简 称PLC)由原来简单的逻辑量控制，逐步具备了计算机控制系统的功能，同时，还 具有抗干扰性强、可靠性强、体积小、编程方便、修改容易、网络功能强大等显 著优点，它可以与计算机一起组成功能完备的控制系统。PLC在工业控制领域得 到了广泛的应用，在PLC组成的控制系统中，一般由上、下位机组成主从式控制 系统。PLC作为下位机，完成数据采集、状态判别、输入输出控制等，上位机(微 型计算机、工业控制机)，完成采集数据信息的存储、分析处理、复杂运算、状态 显示以及打印输出，以实现对系统的实时监控。微型计算机与PLC组成的主从式 实时监控系统，能够充分发挥各自的优点和功能，实现优势互补。 PLC的定义如下：“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为 工业环境下应用而设计的。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻 辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟 式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设 备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原理设计。 S7-300的CPU具有丰富的指令功能，编程十分方便。采用PLC作为液位控制 系统的核心，克服了以往仪表控制的单回路调节器的缺点，可以由用户自己定义 PID参数，控制液位变化曲线，同时利用PLC控制逻辑量的优点，与输入、输出信 号通过简单的编程实现连锁，可以对各种故障情况及时做出反应，使控制系统更 加安全可靠。 1.2 过程工业控制算法的应用现状过程工业控制算法的应用现状 毕业设计是基于PLC的液位控制系统的设计,在其中我主要负责的是控制算法 的设计。 过程控制在工业生产中应用广泛，在理论的研究与生产的实践中发展出很多 的控制算法，主要有下列几种： (1)PID控制算法 大量的事实证明，传统的PID控制算法对于绝大部分工业过程的被控对象(高 达90%)可取得较好的控制结果。采用改进的PID算法或者将PID算法与其他算法进 行有机的结合往往可以进一步提高控制质量。 2 (2)预测控制 预测控制是直接从工业过程控制中产生的一类基于模型的新型控制算法。它 高度结合了工业实际的要求，综合控制质量比较高，因而很快引起工业控制界以 及学术界的广泛兴趣与重视。预测控制有三要素，即预测模型、滚动优化和反馈 校正。它的机理表明它是一种开放式的控制策略,体现了人们在处理带有不确定性 问题时的一种通用的思想方法。 (3)自适应控制 在过程工业中，不少的过程是时变的，如采用参数与结构固定不变的控制器， 则控制系统的性能会不断恶化，这时就需要采用自适应控制系统来适应时变的过 程。它是辨识与控制的结合。目前，比较成熟的自适应控制分三类：A、自整定 调节器及其它简单自适应控制器；B、模型参考自适应控制；C、自校正调节与控 制。自适应控制己在工程实际中得到了不少的应用，但它至今仍然有许多待进一 步解决的问题(特别在参数估计方面)，这些问题不解决，自适应控制的广泛应用仍 将遇到许多困难。 (4)智能控制 随着科学技术的发展，对工业过程不仅要求控制的精确性，更加注重控制的 鲁棒性、实时性、容错性以及对控制参数的自适应和自学习能力。另外，被控工 业过程日趋复杂，过程严重的非线性和不确定性，使许多系统无法用数学模型精 确描述。没有精确的数学模型作前提，传统控制系统的性能将大打折扣。智能控 制对于复杂的工业过程往往可以取得很好的控制效果。常见的智能控制方法有以 下几种：模糊控制、分级递阶智能控制、专家控制、人工神经元网络控制、拟人 智能控制等。这些智能控制方法各有千秋，但又存在各自的不足。研究表明将它 们相互交叉结合或与传统的控制方法结合将会产生更佳的效果。智能控制在家电 行业及工业过程中取得了许多成功的应用。在国内外，模糊控制与人工神经元网 络也在石化、钢铁、冶金、食品等行业取得了成功的应用。 1.3 PID 控制的历史和发展现状控制的历史和发展现状 PID 控制技术的发展可以分为两个阶段。20 世纪 30 年代晚期微分控制的加入 标志着 PID 控制成为一种标准结构也是 PID 控制两个发展阶段的分水岭。第一个 3 阶段为发明阶段 (19001940)PID 控制的思想逐渐明确，气动反馈放大器被发明， 仪表工业的重心放在实际 PID 控制器的结构设计上。1940 年以后是第二阶段 革新阶段。在革新阶段，PID 控制器已经发展成一种鲁棒的、可靠的、易于应用 的控制器。仪表工业的重心是使 PID 控制技术能跟上工业技术的最新发展。从气 动控制到电气控制到电子控制再到数字控制，PID 控制器的体积逐渐缩小，性能 不断提高。一些处于世界领先地位的自动化仪表公司对 PID 控制器的早期发展做 出重要贡献，甚至可以说 PID 控制器完全是在实际工业应用中被发明并逐步完善 起来的。值得指出的是，1939 年 Taylor 仪器公司推出的一款带有所谓“Preact” 功能的名为“Fulscope”的气动控制器以及同时期 Foxboro 仪器公司推出的带有所 谓“Hyper-re-set”功能的“Stabilog”气动控制器都是最早出现的具有完整结构的 PID 控制器。 “Pre-act”与“Hyper-re-set”功能实际都是在控制器中加入了微分控 制。PID 控制至今仍是应用最广泛的一种实用控制器。各种现代控制技术的出现 并没有削弱 PID 控制器的应用，相反，新技术的出现对于 PID 控制技术发展起了 很大的推动作用。一方面，各种新的控制思想不断被应用于 PID 控制器的设计之 中，或者是用新的控制思想设计出具有 PID 结构的新控制器，PID 控制技术被注 入了新的活力。另一方面，某新控制技术的发展要求更精确的 PID 控制，从而刺 激了 PID 控制器设计与参数整定技术的发展。 总结近年来 PID 控制的发展趋势，可以将 PID 控制的发展分为两个大方向： 传统 PID 控制技术的继续发展和各种新型控制技术与 PID 控制的结合。传统 PID 控制的发展包括自整定技术，变增益控制和自适应控制。传统 PID 控制的发展可 以改善 PID 控制的效果,使 PID 控制器的自动化程度和对环境的适应能力不断提高。 各种新型控制技术与 PID 控制的结合包括新控制技术应用于 PID 控制器的设计与 整定之中，或者是使用新的控制思想设计出具有 PID 结构的新控制器。诸如模糊 控制、神经网络等新型控制技术与 PID 控制的结合扩大了 PID 控制器的应用范围， 对于解决非线性和不确定系统控制等采用传统 PID 控制器难以有效控制的情况收 到了很好的效果。 在生产过程自动化控制的发展历程中，PID 控制是历史最久、生命力最强的 基本控制方式。在本世纪 40 年代以前，除在最简单的情况下可采用开关控制外， 它是唯一的控制方式。此后，随着科学技术的发展特别是电子计算机的诞生和发 4 展，涌现出许多新的控制方式。然而直到现在，PID 控制由于它自身的优点仍然 是得到最广泛应用的基本控制方式。 PID 控制具有以下优点： 1)原理简单，使用方便。 2)适应性强，可以广泛应用于化工、热工、冶金、炼油以及造纸、建材等 各种生产部门。按 PID 控制进行工作的自动调节器早已商品化。在具体 实现上它们经历了机械式、液动式、气动式、电子式等发展阶段，但始 终没有脱离 PID 控制的范畴。系统中所用的 PLC 是 S7-300 系列的 PLC，其中配有 PID 的控制模块和专门的 PID 控制功能指令，方便进行 PID 控制。 3)鲁棒性强，即其控制品质对被控对象特性的变化不大敏感。 在连续生产过程计算机控制系统中，一般采用两种 PID 控制算法：一种是含 有理想微分的 PID 控制，另一种是含有实际微分的 PID 控制。 1.4 论文的研究内容论文的研究内容 本文的主要内容包括：水箱的特性确定与实验曲线分析， S7-300 可编程控制 器的硬件掌握，PID 参数的整定及各个参数的控制性能的比较，应用 PID 控制算 法所得到的实验曲线分析，整个系统各个部分的介绍和应用 PLC 语句编程来控制 水箱水位。 5 第 2 章 S7-300 中小型 PLC 和控制对象介绍 2.1 西门子西门子 PLC 控制系统控制系统 西门子的中小型 PLC S7-300 系列采用模块式结构，用搭积木的方法来组成系 统。模块式 PLC 由机架和模块组成，S7-300 是模块化的中小型 PLC，适用于中等 性能的控制要求。品种繁多的 CPU 模块和功能模块能满足各种领域的自动控制任 务，用户可以根据系统的具体情况选择合适的模块，维修时更换模块也很方便。 当系统规模扩大和更为复杂的时候，可以增加模块，对 PLC 进行扩展。简单实用 的分布式结构和强大的通信联网能力，使其应用十分灵活。 S7-300 的 CPU 模块集成了过程控制功能，用于执行用户程序。每个 CPU 都 有一个编程用的 RS-485 接口，可以和计算机连接，PLC 作为下位机，利用计算机 作为上位机进行编程。功能强大的 CPU 的 RAM 存储容量为 512KB，有 8192 个 存储器位，512 个定时器和 512 个计数器，数字量通道最大为 65536 点，模拟量 通道最大为 4096 个，由于使用 Flash EPROM，CPU 断电后无需后备电池可以长 时间保持动态数据，使 S7-300 成为完全无维护的控制设备。 S7-300 系列 PLC 的主要特点是： （1） 功能强 极强的计算性能，完善的指令集，MPI 接口和通过 SIMECLAMS 联网 的网络功能，使 S3-300 功能更强。 强劲的内部集成功能，全面的故障诊断功能、口令保护，便利的连接系 统和无槽位限制的模块化结构。 快速，极其快速的指令处理大大地缩短了循环周期。 （2） 通用，着眼未来 满足各种要求的高性能模块和三种 CPU 适用于任一场合。 模块可扩展至最多三个扩展机架，相当高的安装密度。 用于与 SIMATIC 其他产品相连的接口，集成了 MMI(人机界面)设备， 6 用户友好的 Windows STEP7 编程，使得 S7-300 成为对未来的安全投资。 2.1.1 CPU 模块 S7-300 PLC 有 CPU 312IFM、CPU 314、CPU 314IFM、CPU 315/315- 2DP、CPU 316-2DP、CPU 318-2DP 等 8 种不同的处理单元可供选择。CPU 314IFM 带有集成的数字和模拟输入/输出模块的紧凑型 CPU，用于要求快速反应 和特殊功能的装备。CPU 313、CPU 314、CPU 315 模块上不带集成的 I/O 端口， 其存储容量、指令速度、可扩展的 I/O 点数、计时器/定时器数量、软件块数量随 序号的递增而增加。CPU 315-2DP、CPU 316-2DP、CPU 318-2DP 都具有现场总 线扩展功能。 系统选用的 CPU 模块为 CPU 314。 S7-300 的 CPU 模块的方式选择开关都一样，有 4 种工作方式，通过可卸的专 用钥匙控制选择。 1)RUN-P：可编程运行方式。CPU 扫描用户程序，既可以用编程装置从 CPU 中读出，也可以由编程装置装入 CPU 中，用编程装置可以监控程序的运行。 在此位置钥匙不能拔出。 2)RUN：运行方式。CPU 不扫描用户程序，可以用变成装置读出并监控 PLC 的 CPU 中的程序，但不能改变装置存储器中的程序。在此位置可以拔出钥匙， 防止程序正常运行时被改变操作方式。 3)STOP：停止方式。CPU 不扫描用户程序，可以通过编程装置从 CPU 中读 出，也可以下载程序到 CPU 中。在此位置可以拔出钥匙。 4)MERS：该位置瞬间接通，用以清除 CPU 存储器。CPU 模块面板上有 6 个 LED 指示灯，显示运行状态和故障。 2.1.2 模拟量输入模块 系统中从检测装置过来的模拟量需经过 A/D 转换才能输入到 CPU 处理，这 就要求 PLC 有模拟量输入处理模块。 SM 331 模拟量输入 简称模入(AI) 模块目前有三种规格型号，即位128AI 模块、位模块和位模块。系统选用了位模入模块，其端168AI122AI128AI 7 子接线图如图 2-1 所示。 图 2-1 SM 331 端子接线图 SM 331 模入模块主要由 A/D 转换部件、模拟切换开关、补偿电路、恒流源、 光电隔离元件、逻辑电路组成。A/D 转换部件是模块的核心，其转换原理采用积 分方法。被测模拟量的精度是所设定的积分时间的正函数。SM 331 可选用 4 档积 分时间：2.5、16.7、20 和 100ms，相对应的以位表示的精度： 8、12、12、14。SM 331 的 8 个模拟量输入通道共用一个积分式 A/D 转换部件。 某一通道开始转换模拟量输入值起到再次开始转换的时间是模入模块的循环时间。 SM 331 的每两个输入通道构成一个输入通道组，可以按通道组任意选择测量 方法和测量范围。模块上需要接 24V 的直流电压 L+，有反接保护作用。不用的通 道要在组态软件中屏蔽掉，以免受干扰。 8 2.1.3 模拟量输出模块 经过 CPU 处理后的结果是数字量，而执行机构能接收的信号是模拟信号，这 就要求 PLC 配有模拟量输出模块。 SM 332 模拟量输出简称模出(AO)模块目前有 3 种规格型号：位模124AO 块、位模块和位模块。系统选用的模出模块，其端子122AO164AO124AO 接线图如图 2-2 所示。 图 2-2 SM 332 位模入模块端子接线图124AO SM 332 可以输出电压，也可以输出电流。在输出电压时，可以采用 2 线回路 和 4 线回路与负载连接。4 线回路的精度高，因此采用 4 线回路，它与负载的接 线如图 2-3 所示。 9 图 2-3 通过 4 线回路将负载与隔离的模出模块连接 2.1.4 电源模块 PS 307 电源模块是西门子公司为 S7-300 专配的 DC24V 电源，PS 307 系列模 块除输出额定电流不同外(有 2、5、10A)，其工作原理和参数都一样。系统选用 5A 的电源模块。 PS 307 5A 模块基本电路如图 2-4 所示。PS 307 5A 模块的输入接单相交流系 统，输入电压 120/230V，50/60HZ，在输入和输出之间有可靠的隔离。输出电压 允许范围 20()V，最大上升时间 2.5s，最大残留纹波 150mV，PS 307 可安装%5 在导轨上，除了给 S7-300 供电，也可给 I/O 模块提供负载电源。 图 2-4 PS 307 电源模块(10A)基本电路图 10 2.2 控制对象特性控制对象特性 2.2.1 一阶单容上水箱特性 单容水箱系统结构图如图 2-5 所示，电动调节阀由 S7-300PLC 手动输出，通 图 2-5 上水箱液位控制系统原理图 过阶跃响应测试确定系统的对象模型的各参数。阶跃响应测试法是系统在开环运 行条件下，待系统稳定后，通过调节器或其他操作器，手动改变对象的输入信号 (阶跃信号)。同时，记录对象的输出数据或阶跃响应曲线，然后根据已给定对象模 型的结构形式，对实验数据进行处理，决定模型中各参数。 由阶跃响应确定一阶过程参数有两种方法，一种是直角坐标图解法，一种是 半对数坐标图解法。毕业设计运用直角坐标图解法确定系统一阶系统的参数。系 统的阶跃响应曲线如图 2-6 所示，t=0 时曲线斜率最大，之后斜率减小，逐渐上升 到稳态值 h()，该曲线可用一阶有时延环节来近似。 图 2-6 一阶系统阶跃响应曲线 11 2.2.2 二阶双容下水箱对象特性 二阶双容水箱的系统结构图如图 2-9。这是由两个一阶非周期惯性环节串联 图 2-9 上水箱下水箱系统图 起来的，被调量是第二水槽的水位 h2。当输入量有一个阶跃增加 Q1时。被调量 变化的反应曲线如图 2-10 所示的 h2曲线。它不再是简单的指数曲线，而是呈 图 2-10 被调量变化的反映曲线 12 S 型的一条曲线。由于多了一个容器，就使调节对象的飞升特性在时间上更加落 后一步。在图中 S 型曲线的拐角 P 上作切线，它在时间轴上截出一段时间 OA， 这段时间可以近似地衡量由于多了一个容量而使飞升过程向后推迟的程度，因此 称容量滞后，通常以 c代表之。 13 第 3 章 PID 控制算法介绍 3.1 PID 控制算法控制算法 典型的 PID 模拟控制系统如图 3-1 所示。图中是给定值，为反馈量，tsptpv 为系统输出量，PID 控制器的输入输出关系式为：tc (3-1) initialD t I C MdtdeTedt T eKtM / 1 0 即输出=比例项+积分项+微分项+输出初始值，式中，是控制器的输出，)(tM 误差信号, initial M是回路输出的初始值，是 PID 回路的增益，tpvtspte C K 和分别是积分时间和微分时间常数。 I T D T 式(3-1)中等号右边前 3 项分别是比例、积分、微分部分，它们分别与误差、 误差的积分和微分成正比。如果取其中的一项或两项，可以组成 P、PD 或 PI 控 制器。需要较好的动态品质和较高的稳态精度时，可以选用 PI 控制方式；控制对 3-1 模拟量闭环控制系统 象的惯性滞后较大时，应选择 PID 控制方式。图 3-2 所示分别为当设定值由 0 突 变到 1 时，在比例(P)作用、比例积分(PI)作用和比例积分微分(PID)作用下，被调 量 T(s)变化的过渡过程。可以看出比例积分微分作用效果为最佳，能迅速地使 T(s)达 到设定值 1。比例积分作用则需要稍长的时间。比例作用则最终达不到设定值， 14 而有余差。 图 3-2 P、PI、PID 调节的阶跃响应曲线 为了方便计算机实现PID控制算式，必须把微分方程式(3-1)改写成差分，作如 下的近似，即 (3-2) n j t jTeedt 0 0 )( (3-3) T nene dt de) 1()( 其中T为控制周期，n为控制周期序号(n=0，1，2，)，e(n-1)和e(n)分别为 第(n-1)和第n控制周期所得的偏差。将式(3-2)和式(3-3)代入式(3-1)中可得差分方程 (3-4) initial D n j I C Mnene T T je T T neKnM ) 1()()()()( 0 其中M(n)为第n时刻的控制量。如果控制周期T与被控对象时间常数TD比较是相对 小的，那么这种近似是合理的，并与连续控制十分接近。 1. 位置型算法 系统中的电动调节阀的调节动作是连续的，任何输出控制量M都对应于调节 阀的位置。由式(3-4)可知，数字PID控制器的输出控制量M(n)也和阀门位置对应， 所以式(3-4)即是位置型算式。 数字PID控制器的输出控制量M(n)送给D/A转换器，它首先将M(n)保存起来， 再把M(n)转换成模拟量(420mADC)，然后作用于执行机构，直到下一个控制时 刻到来为止，因此D/A转换器具有零阶保持器的功能。 因为计算机实现位置型算式不够方便，这是因为要累加偏差e(j)，不仅要占用 较多的存储单元，而且不便于编程，为须此改进式(3-4)。 15 2. 增量型算式 第(n-1)时刻控制量M(n1)，即 (3-5) initial D n j I C Mnene T T je T T neKnM )2() 1()() 1()( 1 0 将式(210)减式(211)得n时刻控制量的增量M(n)为 initialDIC initial D I C MneneneKneKneneK Mnenene T T ne T T neneKnM )2() 1(2)()() 1()( )2() 1(2)()() 1()()( (3-6) 其中 称为比例增益 1 C K 称为积分系数 I CI T T KK 称为微分系数 T T KK D CD 式(3-6)中的M(n)对应于第 时刻阀门位置的增量，故称此式为增量型算式。n 因此第n时刻的实际控制量为 (3-7)() 1()(nMnMnM 其中M(n1)为第(n1)时刻的控制量。 计算M(n)和M(n)要用到第(n1)，(n2)时刻的历史数据e(n1)，e(n2)和 M(n1)，这三个历史数据也已在前时刻存于内存储器中。采用平移法保存这些数 据。采用增量型算式计算M(n)的优点是:编程简单，历史数据可以递推使用，占用 存储单元少，运算速度快。 3.2 PID 调节的各个环节及其调节过程调节的各个环节及其调节过程 水箱液位控制系统目前主要采用PID(比例积分微分)控制方式，这种方式，对 不同的控制对象要用不同的PID参数。 16 3.2.1 比例控制与其调节过程 比例作用实际上是一种线性放大(缩小) 功能。比例调节的显著特点是有差调 节，如果采用比例调节，则在负荷的扰动下调节过程结束后，被调量不可能与设 定值准确相等，它们之间一定有残差。采样偏差一旦产生,控制器立即产生正比于 偏差大小的控制作用,使被调量朝误差减小方向变化,其作用大小通过比例增益度量,比 例增益大时响应速度快,稳态误差小,但会产生较大的超调或产生不稳定,而过小 C K 会使响应速度缓慢,调节时间加长,调节精度降低。 在比例调节中调节器的输出信号M(n)与偏差信号e成比例，比例系数为KC，称 为比例增益。在过程控制中习惯用增益的倒数表示调节器的输入与输出之间的比 例关系，即 （3-8)eM 1 称为比例带。具有重要的物理意义。如果M直接代表调节阀开度的变化量， 那么就代表使调节阀开度改变100%即从全关到全开时所需要的被调量的变化范 围。根据P调节器的的输入输出测试数据，很容易确定它的比例带的大小。 比例调节的残差随比例带的加大而加大，从这方面考虑，人们希望尽量减小 比例带。然而，减小比例带就等于加大调节系统的开环增益，其后果是导致系统 激烈振荡甚至不稳定。稳定性是任何闭环控制的首要要求，比例带的设置必需保 证系统具有一定的稳定裕度。很大意味着调节阀的动作幅度很小，因此被调量 的变化比较平稳，甚至没有超调，但残差很大，调节时间也很长；减小就加大 了调节阀的动作幅度，引起被调量来回波动，但系统仍可能是稳定的，残差相应 减小。有一个临界值，此时系统处于稳定边界的情况，进一步减小系统就不 稳定了。的临界值可以根据实验测定。 3.2.2 比例积分调节 积分作用则是一种记忆,对误差进行累积,有利于消除静差。但积分作用如果太 强,会引起较大超调或振荡,且在实际当中会经常碰到积分饱和现象。在I调节中， 调节器的输出与偏差信号的积分成正比。I调节的特点是无差调节，与P调节的有 17 差调节成鲜明对比。只有当偏差e为零时，I调节器的输出才会保持不变。然而与 此同时，调节器的输出却可以停在任何值上。这意味着被控对象在负荷扰动下的 调节过程后，被调量没有残差，而调节阀可以停在新的负荷所要求的开度上。 PI调节就是综合P、I两种调节的优点，利用P调节快速抵消干扰，同时利用I 调节消除余差。PI调节引入积分动作带来消除系统残差的同时，却降低了原有系 统的稳定性。为保持控制系统原来的衰减率，PI调节器的比例带必须适当加大。 所以PI调节是在稍微牺牲控制系统的动态品质以换取较好的稳态性能。在比例带 不变的情况下，减小积分时间，将使系统稳定性降低、振荡加剧、调节过程加快、 振荡频率升高。 3.2.3 比例积分微分调节 微分作用主要是用来产生提前的控制作用,改善动态特性, 减小调整时间,使系 统易于稳定。以上的比例调节和积分调节都是根据当时的偏差方向和大小进行调 节的，不管被控对象中流入流出量之间有多大的不平衡，而这个不平衡正决定着 此后被调量将如何变化的趋势。 由于被调量的变化速度(包括大小和方向)可以反映当时或稍前一些时间流入、 流出量间的不平衡情况，因此，如果调节器能够根据被调量的变化速度来移动调 节阀，而不要等被调量已经出现较大的偏差后才开始动作，那么调节的效果将会 更好，等于赋予调节器以某种预见性，这种调节动作称为微分调节。单纯微分的 调节器是不能工作的，这是因为实际的调节器都有一定的失灵区，如果被控对象 的流入、流出量只相差很少以致被调量只以调节器不能察觉的速度缓慢变化时， 调节器并不会动作。当时经过相当长的时间后，被调量偏差却可以积累到相当大 的数字而得不到校正。这种情况是不被容许的。因此微分调节只能起辅助的调节 作用，它可以与其它调节动作结合成 PD 和 PID 调节动作。 3.3 串级控制串级控制 在大多数情况下，单回路控制系统能够满足工艺生产的基本要求。但是在有 些情况下，例如有些被控过程的动特性决定了它很难控制，又例如有些工艺过程 对控制质量的要求很高，此时单回路控制系统就满足不了要求，需要开发和运用 18 新的控制系统，以进一步提高控制质量。 对于过程控制系统装置，双级水箱液位控制比单级水箱液位控制困难，会遇到 许多的问题，滞后时间比较长，对于环境的变化多少会受一定的影响，如想要好 的控制效果就要引入新的控制系统，运用单回路控制系统来控制是不能达到控制 精度和要求。串级控制系统、前馈补偿控制、大时延预估控制等一类较为复杂的 控制系统就是适应上述要求而产生的。 串级控制系统的一般结构框图如图 3-3 所示。 图 3-3 一般串级控制系统框图 串级控制系统与简单控制系统的显著区别是，串级控制系统在结构上形成两 个闭环，一个闭环在里面，称为副环(或副回路)，它的输出送往调节阀直接控制生 产过程。串级控制只多了一个测量变送器，增加的仪表并不多，而控制效果却得 到了显著的改善。 串级控制特点及应用范围是： 特点： (1)能够迅速克服进入副回路的干扰，抗干扰能力强，控制质量强； (2)改善过程的动态特性，提高了系统的工作频率； (3)对负荷和操作条件的变化适应性强； 应用范围： (1)应用于容量滞后较大的过程； (2)应用于纯时延较大的过程； (3)应用于干扰变化激烈的而且幅度大的过程； (4)应用于参数互相关联的过程； 19 (5)应用于非线性过程； 采用串级可以大大提高调节品质。在上水箱下水箱液位串级控制系统中， 用上水箱的液位来控制调节阀，然后再用下水箱液位来修正上水箱的给定值。控 制方框图如图3-4所示。由图可以看出，上水箱的扰动包括在副环内，可以减小这 个扰动对系统的影响。 图3-4 上水箱下水箱液位控制系统框图 串级系统和简单系统有一个显著的区别，即其在结构上形成了两个闭环。一 个闭环在里面，被称为副环或者副回路，在控制中起着粗调的作用；一个环在外 面，被称为主环或主回路，用来完成细调任务，以最终保证被调量满足工艺要求。 系统有两个调节器，主调节器具有自己独立的设定值，它的输出作为副调节器的 设定值，而副调节器的输出信号则被送到调节阀去控制生产过程。 3.4 扩充临界比例法扩充临界比例法 要使 PID 控制取得好的效果，关键是选定 PID 控制参数。要选定这些参数， 首先要对这些参数的物理意义有所了解。 PID 控制参数的整定是先确定采样周期 T，再比例系数 Kc，然后为积分常数 TI，再就是微分常数 TD。而且这些参数选定，多都是凭经验，在现场调试中具体 确定。一般是，先取一组数据，将系统投运，然后对系统加一定扰动，如改变设 定值，再观察调节量的变化过程，若得不到满意的性能，则重选一组数据。反复 调试直到满意为止。在设计中用到一种在工程中广泛应用的扩充临界比例法来整 定 PID 参数,它是一种基于系统临界振荡参数的闭环整定法。这种方法实质上是模 20 拟调节器中采用的稳定边界法的推广，用来整定离散 PID 算式中的 T、KC、TI和 TD参数。下面就对扩充临界比例法进行简单的介绍。 扩充临界比例法的具体方法如下： （1） 选择一个足够短的采样周期。一般来说，应小于对象延迟时 min T min T 间 的 1/10。 （2） 令系统为纯比例控制，逐渐加大比例增益 KC(缩小比例带)，使系统 出现等幅振荡，此时的比例增益为临界比例增益(对应临界比例带),值为 cr K cr 1900，振荡周期称为临界振荡周期，值为 30s。 cr T （3） 选择控制度。控制度就是以模拟调节器为基础，定量衡量系统与模拟 调节器对同一对象的控制效果。控制效果的评价函数通常采用(最小 0 2 )(mindtte 误差平方面积)，那么 ANA DDC ANA DDC ISE ISE dtte dtte )min( )min( )(min )(min 0 2 0 2 控制度 式中下标 DDC 和 ANA 分别表示直接数字控制系统和模拟调节器控制。DDC 系统 的控制品质要低于模拟系统的控制品质，即控制度总是大于 1，且控制度越大， 相应的 DDC 系统控制品质越差。从提高系统控制品质出发，控制度可选小些，但 就系统的稳定性看，控制度宜选大些。在本系统中控制度选为 1.20。 4)根据选定的控制度，查表 3-1，计算 =3s，=893，=14.1s，=4.8s。T C K I T D T 5) 按所求的系统参数运行，观察系统的运行情况，得到一个满意的曲线。 3.5 在在 PLC 中的中的 PID 控制的编程控制的编程 21 第 4 章 控制方案设计 毕业设计的课题的液位控制系统原理图如图 2-1 和 2-5 所示。因为有两个水箱， 所以把它分成两个部分来分别设计。 4.1 系统设计系统设计 4.1.1 上水箱液位的自动调节 在这个部分中控制的是上水箱的液位。系统原理图如图 2-5 所示。单相泵正 常运行，打开阀 1 和阀 2，打开上水箱的出水阀，电动调节阀以一定的开度来控 制进入水箱的水流量，调节手段是通过将压力变送器检测到的电信号送入 PLC 中， 经过 A/D 变换成数字信号，送入数字 PID 调节器中，经 PID 算法后将控制量经过 D/A 转换成与电动调节阀开度相对应的电信号送入电动调节阀中控制通道中的水 流量。 当上水箱的液位小于设定值时，压力变送器检测到的信号小于设定值，设定 值与反馈值的差就是 PID 调节器的输入偏差信号。经过运算后即输出控制信号给 电动调节阀，使其开度增大，以使通道里的水流量变大，增加水箱里的储水量， 液位升高。当液位升高到设定高度时，设定值与控制变量平衡，PID 调节器的输 入偏差信号为零，电动调节阀就维持在那个开度，流量也不变，同时水箱的液位 也维持不变。 系统的控制框图如图 4-1 所示。其中 SP 为给定信号，由用户通过计算机设定， PV 为控制变量，它们的差是 PID 调节器的输入偏差信号，经过 PLC 的 PID 程序 运算后输出，调节器的输出信号经过 PLC 的 D/A 转换成 420mA 的模拟电信号后 输出到电动调节阀中调节调节阀的开度，以控制水的流量，使水箱的液位保持设 定值。水箱的液位经过压力变送器检测转换成相关的电信号输入到 PLC 的输入接 口，再经过 A/D 转换成控制量 PV，给定值 SP 与控制量 PV 经过 PLC 的 CPU 的 减法运算成了偏差信号 e ,又输入到 PID 调节器中，又开始了新的调节。所以系统 能实时地调节水箱的液位。 22 图 4-1 上水箱液位自动调节系统控制框图 4.2 硬件设计硬件设计 系统硬件的设计包括检测单元、执行单元和控制单元的设计，他们互相连接， 组成一个完整的系统。 4.2.1 检测单元 在过程控制系统中，检测环节是比较重要的一个环节。液位是指密封容器或 开口容器中液位的高低，通过液位测量可知道容器中的原料、半成品或成品的数 量，以便调节流入流出容器的物料，使之达到物料的平衡，从而保证生产过程顺 利进行。设计中涉及到液位的检测和变送，以便系统根据检测到的数据来调节通 道中的水流量，控制水箱的液位。 液位变送器分为浮力式、静压力式、电容式、应变式、超声波式、激光式、 放射性式等。系统中用到的液位变送器是浙江浙大中控自动化仪表有限公司生产 的中控仪表 SP0018G 压力变送器，属于静压力式液位变送器，量程为 010KPa， 精度为，由 24V 直流电源供电，可以从 PLC 的电源中获得，输出为%0 . 1 420mA 直流，接线如图 4-3 所示。 图 4-3 压力变送器的接线图 23 接线说明：传感器为二线制接法，它的端子位于中继箱内，电缆线从中继箱 的引线口接入，直流电源 24V+接中继箱内正端(+)，中继箱内负端()接负载电阻 的一端，负载电阻的另一端接 24V-。传感器输出 420mA 电流信号，通过负载电 阻 250 转换成 15V 电压信号。 零点和量程调整： 零点和量程调整电位器位于中继箱内的另一侧。校正时打开中继箱盖，即可 进行调整，左边的(Z)为调零电位器，右边的(R)为调增益电位器。 图 4-4 压力变送器工作原理图 压力变送器的工作原理见图 4-4。大气压力为 PA，选定的零液位处压力为 PB，零液位至液面高度为 H，其产生的压差 P 为 (4-1)gHPPP AB 式中， 为水的密度，g 为重力加速度。根据式(4-1)，利用压力变送器将 PB转换 成 DC420mA 统一标准信号送入 PLC 中，便得知被测的液位。 4.2.2 执行单元 执行单元是构成自动控制系统不可缺少的重要组成环节，它接受来自调节单 元的输出信号，并转换成直角位移或转角位移，以改变调节阀的流通面积，从而 控制流入或流出被控过程的物料或能量实现过程参数的自动控制。 执行器的工作原理见图 4-5，由执行机构和调节机构(调节阀)两部分组成。 24 图 4-5 执行器的工作原理图 执行机构首先将来自调节器的信号转变成推力或位移，对调节机构(调节阀)根据执 行机构的推力或位移，改变调节阀的阀芯或阀座间的流通面积，以达到最终调节 被控介质的目的。由图 4-5 可见来自调节器的信号经信号转换单元转换信号制式 后，与来自执行机构的位置反馈信号比较，其信号差值输入到执行机构，以确定 执行机构作用的方向和大小，其输出的力或位移控制调节阀的动作，改变调节阀 的流通面积，从而改变被控介质的流量。当位置反馈信号与输入信号相等时，系 统处于平衡状态，调节阀处于某一开度。 系统中用到的调节阀是 QS 智能型调节阀，所用到的执行机构为电动执行机 构，输出为角行程，控制轴转动。电动执行机构的组成框图如图 4-6 所示。 图 4-6 电动调节阀组成框图 4.2.3 控制单元 控制单元是整个系统的心脏。在系统中，PLC 是控制的中心元件，它的选择 是控制单元设计的重要部分。 系统应用的是西门子 S7-300 系列的 PLC，其结构简单，使用灵活且易于维护。 它采用模块化设计，本系统主要包括 CPU 模块、模拟量输入模块、模拟量输出模 块和电源模块。PLC 可以与计算机连接，便于计算机对 PLC 进行编程和管理。 25 系统选用的 S7-300PLC 的各个模块分别是 CPU 313、SM 331 位模拟128 A 量输入模块、SM 332 位模拟量输出模块、PS 307 电源模块，这些模块在前124 面已经作了详细的介绍。模块的选择是根据系统的实际要求选择的，能满足系统 的要求，符合节省成本的要求。 4.3 软件设计软件设计 26 第 6 章 结论 在整个设计过程中，完成了用 PID 算法对水箱液位的控制，在上水箱液位 PID 控制和上水箱下水箱液位串级控制上取得了良好的控制效果，取得了满意的 曲线。本文完成的工作主要包括了三个方面，首先是 PLC 结构和性能的研究，其 次是过程控制对象特性的确定和 PID 算法的研究，并能用 PLC 语言进行编程，使 PLC 能控制水箱的液位，最后是整个控制系统的组成，包括检测装置和执行机构 的选择。 在设计过程中遇到了比较多的问题：对硬件系统的不熟悉；对 PLC 的编程不 熟悉；对系统的调试过程的不了解和在写论文的过程中对 word 文档处理的不熟悉 等。 液位控制有滞后的环节，在具体的调试时，调节的过程比较缓慢。通过参数 的设定调整了调节的时间，因为要进行适合参数的确定，根据理论经过多次实验, 基本实现了毕业设计的任务。 27 参考文献 1. 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