自动化毕业论文管道流量调节阀PID远程控制系统设计

西 安 邮 电 学 院 毕 业 设 计（论 文）题 目： 管道流量调节阀PID远程控制系统设计 院 （系）： 自动化学院 专 业： 自动化 班 级： 自动0703 学生姓名： 导师姓名： 职称： 讲师 起止时间： 2011年01月10日 至 2011年06月17日 毕业设计（论文）诚信声明书本人声明：本人所提交的毕业论文 管道流量调节阀PID远程控制系统是本人在指导教师指导下独立研究、写作的成果，论文中所引用他人的文献、数据、图件、资料均已明确标注；对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明并表示感谢。本人完全清楚本声明的法律后果，申请学位论文和资料若有不实之处，本人愿承担相应的法律责任。论文作者签名： 时间： 年 月 日指导教师签名： 时间： 年 月 日西 安 邮 电 学 院毕业设计(论文)任务书 学生姓名李紫鹏指导教师沈建冬职称讲师院系自动化学院专业自动化题目管道流量调节阀PID远程控制系统设计 任务与要求1、 了解PID的基本原理。2、 熟练掌握组态王6.52软件。3、 掌握PID调节水箱液位的原理及作用。4、 了解用PLC编程的思想，并能够画组态界面。5、 会用S7-300编程，具有一定的编程能力。开始日期2011年01月10日完成日期2011年06月17日院长(签字)2011年01月10日西 安 邮 电 学 院毕 业 设 计 (论文) 工 作 计 划 学生姓名 李紫鹏 指导教师 沈建冬 职称 讲师 院（系） 自动化学院 专业 自动化 题目 管道流量调节阀PID远程控制系统设计 _工作进程起 止 时 间工 作 内 容 1月10日3月30日 了解PID的基本原理 4月1日4月26日 熟悉S7-300软件编程环境及组态王软件 4月27日5月8日 画出组态王监控画面 5月9日6月1日 编写并并调试控制程序 6月1日6月17日 撰写毕业论文、答辩 主要参考书目(资料)1胡寿松.自动控制原理.科学出版社,2002。2邵裕森. 过程控制工程. 机械工业出版社，2002。3A3000过程控制实验系统指导书.清华大学深圳研究院工程教育中心，2006。4张运刚 宋小春 郭武强 西门子S7-300/400PLC技术与应用 人民邮电出版社，2007.主要参考书目(资料)主要仪器设备及材料A3000高级过程控制实验系统及S7-300软件、组态王软件、计算机论文(设计)过程中教师的指导安排 每周检查一次设计进程，每周三下午、周五下午进行辅导答疑对计划的说明尽量在自己的努力下独立完成毕业设计。西安邮电学院毕业设计(论文)开题报告 自动化 学院 自动化 专业 07 级 03 班课题名称：管道流量调节阀 PID远程控制系统设计 学生姓名： 李紫鹏 学号：06071079指导教师： 沈建冬 报告日期： 2011年03月28日 1本课题所涉及的问题及应用现状综述1.1 过程控制是生产过程自动控制的简称，这是自动化技术的一个重要组成部分。通常是指石油、化工、电力、冶金、轻工、建材、核能等工业生产中连续的进行的生产过程自动控制。 在现代工术正在为实现各种最优的技术经济指标、提或按一定周期与程序高经济效益和劳动生产率、改善劳动业生产过程中，过程控制技条件、保护生态环境等方面起着越来越大的作用近年来我国各企业采用多功能PID控制器生产各类产品，国内PID控制器产品技术工艺应用有很好的前景。 PID技术工艺的发展对行业项目也有一定的影响。国外更大程度的发展PID技术，在美国、日本、欧盟等国家这方面的技术更是成熟，在控制方面有很大的贡献，还占有着相当大的市场，而且，这方面得知识技术也是日新月异，发展很快。1.2 PID控制是工业过程控制中应用最广泛的一种控制规律，PID控制表示比例、积分、微分控制。其工作原理是：由于来自外界的各种扰动不断产生，要想达到现场控制对象值保持恒定的目的，控制作用就必须不断进行。若扰动出现使得现场控制对象值发生变化，现场检测原件就会将这种变化记录并传送给PID控制器，改变过程变量值，经变送器送至PID控制器的输入端，并与给定值SP进行比较得到偏差值e，调节器按此偏差以预先设定的整定参数控制规律发出控制信号，去改变调节器的开度，使调节器的开度增加或减少，从而使被调参数发生改变，并趋向于给定值SP，以达到控制的目的，用流量调节阀PID控制来调节流量有重要的研究价值。2本课题需要重点研究的关键问题、解决的思路及实现预期目标的可行性分析重点研究的关键问题：PID原理、A3000过程控制系统及软件的编写解决思路：见原理图预期目标的可行性分析：水介质由泵P102从水箱V104中加压获得压头，经由调节阀FT-102进入水箱V103，通过手阀QV-116回流至水箱V104形成水循环；通过FV101获得当前流量经过PID整定来控制流量调节阀FT102的开度，本例为定值自动调节系统，FV-101为操作变量，FT-102为被控变量，采用PID调节来完成。3完成本课题的工作方案 首先了解PID调节流量的国内外现状以及本课题的可行性。接着开始对PID原理和A3000过程控制系统的熟悉。在开始熟悉软件编程环境及组态王软件。然后画出管道容量PID过程控制系统的框图及流程图。做好这些准备工作之后就进行程序的编写。最后撰写毕业论文。4指导教师审阅意见指导教师(签字)： 年 月 日说明：本报告必须由承担毕业论文(设计)课题任务的学生在毕业论文(设计) 正式开始的第1周周五之前独立撰写完成，并交指导教师审阅。西安邮电学院毕业设计 (论文)成绩评定表学生姓名李紫鹏性别男学号06071079专 业班 级自动0703班课题名称 管道流量调节阀PID远程控制系统设计课题类型实际应用难度一般毕业设计（论文）时间2011年01月 10日06月 17 日 指导教师沈建冬 (职称讲师)课题任务完成情况论 文 (千字)；设计、计算说 明书 (千字)； 图纸 (张)；其它(含附 件)：指导教师意见分项得分：开题调研论证 分； 课题质量（论文内容） 分； 创新 分；论文撰写（规范） 分； 学习态度 分； 外文翻译 分指导教师审阅成绩： 指导教师(签字)： 年 月 日评阅教师意见分项得分：选题 分； 开题调研论证 分； 课题质量（论文内容） 分； 创新 分；论文撰写（规范） 分； 外文翻译 分评阅成绩： 评阅教师(签字)： 年 月 日验收小组意见 分项得分：准备情况 分； 毕业设计（论文）质量 分； （操作）回答问题 分验收成绩： 验收教师(组长)(签字)： 年 月 日答辩小组意见分项得分：准备情况 分； 陈述情况 分； 回答问题 分； 仪表 分答辩成绩： 答辩小组组长(签字)： 年 月 日成绩计算方法(填写本系实用比例)指导教师成绩 () 评阅成绩 () 验收成绩 () 答辩成绩 ()学生实得成绩(百分制)指导教师成绩 评阅成绩 验收成绩 答辩成绩 总评 答辩委员会意见毕业论文(设计)总评成绩(等级)： 答辩委员会主任(签字)： 院（系）(签章) 年 月 日备注西安邮电学院毕业论文(设计)成绩评定表(续表)管道流量调节阀PID远程控制系统设计目录摘 要IABSTRACTII引 言11 .现状及发展趋势21.1 本课题研究的国内外现状21.2 本课题研究的意义31.3 本论文的研究内容32原理42.1 单回路控制系统的组成及原理42.2 PID原理及PID控制器42.3 PID被调参数的选定82.4 PID参数的整定92.5 PLC的PID控制器实现102.6 小结103.程序及组态设计113.1 S7-300介绍113.2程序设计123.3组态介绍163.4 组态设计163.5小结234.调试过程及结果分析244.1调试过程244.2结果分析255.结论及展望295.1 结论295.2 展望29致谢30参考文献31摘 要本文介绍了PID原理、组态王、PLC（可编程控制器）的国内外现状和发展趋势，以A3000过程控制实验系统为平台，采用西门子S7-300PLC为控制器，PID控制原理，在STEP7编程软件和组态王软件的基础上，实现了单回路流量调节阀PID的控制，最终实现管道流量的PID控制。可编程控制器，简称PLC（Programmable Logic Controller）,是指以计算机为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编程控制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计算和算术运算等操作的指令，并能通过数学式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PID控制规律是一种教理想的控制规律，它在比例的基础上引入积分，可以消除余差，再加入微分作用，又能提高系统的稳定性。PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。关键词： PID ； 组态王； PLC；AbstractThis article describes the principle of the PID, Kingview, PLC (programmable logic controller) of the status quo at home and abroad and development trends, based on A3000 experimental system for process control platform, use Siemens S7-300PLC controller and PID control principle, on the basis of the STEP7 .Programmable Logic Controller, which refers to the computer technology-based new industrial control devices. In 1987, International Electrical Committee issued a draft standard for PLC like the following definition: PLC is a specialized in industrial environments for applications designed to operate electronic digital computing device. It uses the memory which can be programmed to store implementation logic operating Instructions, the order of operations, timing, counting and arithmetic operations, and operating instructions in its internal, it also can digital or analog input and output to control of various types of machinery or the production process. PID control law is ideal controlled. It is based on the introduction of the proportion of points, which can eliminate the residual error, and then joined the differential role, but also improve system stability. PID controller parameter tuning control system is the core of the design. It is a process in accordance with the characteristics of the accused to determine the ratio of coefficient of PID controller, integration time and the size of the time differential .Keywords: PID； Kingview； PLC； II引 言随着科学技术的发展，现代工业生产工艺中的控制问题也日趋复杂。在人们的沈国中以及木屑刮宫和能源的生产过程中，常常设计一些液位或流量控制的问题，例如居民胜过用水的供应，通常需要使用蓄水池，蓄水池中的液位需要维持合适的高度，还有一些水处理的过程也需要对蓄水池中的液位实施控制，另外涉及蓄液容器的生产过程液很多见，例如在核动力蒸汽发生器工作过程中以及乙稀工程污水处理厂的自动排水处理场等，因此，需要涉及合适的控制器自动调整容器的出入液流量，使的容器内液位保持正常水平。工业生产过程是流量控制应用的一大领域，流量与温度、压力和物位一起统称为过程控制中的四大参数，人们通过这些参数对生产过程进行监视与控制。对流体流量进行正却测量和调节是保证生产过程安全经济运行、提高产品 质量、降低物质消耗、提高经济效益、实现科学管理的基础。在科学试验领域，对中流体的高温、高压、高黏度以及变组分、脉动流和微小流量等都是经常要面对的流量控制对象。除了上述的应用领域之外，流量控制在现代农业、水利建设、生物工程、管道输送、航天航空、军事领域等也都有广泛的应用。由于PID控制器易操作、鲁棒性能、易于整定控制参数等有点。因此利用PID控制算法不仅简单而且可以达到满意的控制效果。1 .现状及发展趋势1.1 本课题研究的国内外现状随着工业自动化技术的发展，人们对自动化检测、测控系统的要求越来越高。一方面希望可靠性、实施性强，界面友好，操作简单，另一方面又要求开发周期短，系统便于升级改造。因此最好的办法就是在系统中利用各种控制软件包，即组态软件，并以此为平台进行二次开发。组态软件实际上是一个专为工控开发的工具软件。它为用户提供了多种通用工具模块，用户不需要掌握太多的编程语言技术，就能很好地完成一个复杂工程所要求的多个功能。另外，用组态软件开发的系统具有与Windows一致的图形化操作界面，非常便于生产的组织和管理。21世纪，PLC会有更好更广的发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的新型产品出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型的方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更加丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通讯设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看，可编程控制器和其他工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械构造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个领域。目前的挑战在于1）硬件上如何适应工业恶劣环境；2）通讯机制如何提高其可靠性。以太网能否顺利进入工控领域，还存在争论。但以太网在工控系统的应用却日益增多，适应这一过程，各PLC厂商纷纷推出适应以太网的产品或中间产品。S7-300是模块化小型PLC系统，各种单独的模块之间可进行广泛组合构成不同要求的系统。与S7-200PLC比较，S7-300采用模块化结构，具备高速（0.60.1us）的指令运算速度；用浮点数运算比较有效的实现了更为复杂的算术运算；一个带标准用户接口的软件工具方便用户给所有模块进行参数赋值；方便的人机界面服务已经集成在S7-300的操作系统内，人机对话的编程要求大大减小。SIMATIC人机界面（HMI）从S7-300中取得数据，S7-300按用户指定的刷新速度传送这些数据。S7-300操作系统自动地处理数据的传送；CPU的智能化的诊断系统连续监控系统的功能是否正常、记录错误和特殊系统事件（超时，模块更换等）；多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密，防止未经允许的复制和修改；S7-300PLC设有操作方式选择开关，操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出，当钥匙拔出时，就不能改变操作方式，这样就可防止非法删除或改写用户程序。具备强大的通讯功能，S7-300可通过编程软件STEP7的用户界面提供通信组态功能，这使得组态非常容易、简单。S7-300PLC具有多种不同的通信接口，并通过多种通信处理器来完成连接AS-1总线接口和工业以太网总线系统；串行通信处理器用来连接点到点的通信系统；多点接口（MPI）集成在CPU中，用于同时连接编辑器、PC人机界面系统及其他SIMATIC S7/M7/C7等自动化控制系统。S7-300能满足中等性能要求的应用，是S7系列PLC中应用最广的产品，它以成功的用于范围广泛的自动化领域。S7-300的重点在于为生产制造工程中的系统解决方案提供一个通用的自动化平台。这就是说，S7-300是用于集中式或分布式结构的优化解决方案。1.2 本课题研究的意义液位作为工业过程中的重要参数，广泛应用于化工、冶金、医药、航空灯领域，对流量的控制效果直接影响到产品的质量，甚至影响生产设备的安全性。流量控制和人们的生活息息相关，我们有必要对其进行一些简单的研究。为了提高我再进入自动化专业工作岗位之前的实际动手能力，提前接触和适应自动化专业工作岗位中可能遇到的问题，本课题通过学习和使用自动化专业可能用到的编程软件S7-300和组态王，使我能够提前学习并掌握自动化专业的相关软件。1.3 本论文的研究内容本次实验所用的A3000过程控制实验系统是以工业现场工艺设备为背景，以自动化教学要求和自动化工程师认证技能测试要求为依据推出的实验、培训和测试平台。本论文主要介绍了PID的原理、S7-300介绍、S7-300编程、组态王6.5介绍、组态王6.5制图。本次实验具体需要应用组态王6.5软件来建立控制组态，并且通过S7-300来进行编程，然后将上位机软件系统与现场系统相连接，实现对流量的控制。2原理2.1 单回路控制系统的组成及原理单回路调节系统，一般是指用一个控制器来控制一个被控对象，其中控制器只接收一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。单回路流量PID控制系统就是一种单回路调节系统，典型的单回路流量PID控制系统如图2-1所示图2-1单回路流量PID控制系统方框在图2-1中单回路流量PID控制系统，控制的任务是使水箱液位等于给定值所要求的高度（液位为被控量）；减小或消除来自系统内部或外部扰动的影响。其中，测量电路主要功能是测量对象的液位并对其进行归一化等处理；PID控制器是整个控制系统的核心，它根据设定值和测量值的偏差信号来进行调节，从而控制单回路的流量达到期望的设定值。单回路调节系统可以满足大多数工业生产的要求，只有在单回路调节系统不能满足生产更高要求的情况下，才采用复杂的调节系统。2.2 PID原理及PID控制器PID控制是工业过程控制中应用最广泛的一种控制规律，PID控制表示比例、积分、微分（Proportional， Integral， Differential）控制。其工作原理是：由于来自外界的各种扰动不断产生，要想达到现场控制对象值保持恒定的目的，控制作用就必须不断进行。若扰动出现使得现场控制对象值（即被调参数）发生变化，现场检测原件就会将这种变化记录并传送给PID控制器，改变过程变量值，经变送器送至PID控制器的输入端，并与其给定值（简称SP值）进行比较得到偏差值（简称e值），调节器按此偏差并以预先设定的整定参数控制规律发出控制信号，去改变调节器的开度，使调节器的开度增加或减少，从而使被调参数发生改变，并趋向给定值（SP值），以达到控制的目的。其优点是不需要精确的控制系统数学模型，有较强的灵活性和适应性，而且PID控制器的结构典型、程序设计简单、工程上易于实现、参数调整方便。下面分别介绍一下比例控制、积分控制、微分控制；a) 比例控制在基本控制规律中，比例作用是最基本、最主要也是最普遍的控制规律，它能较快的克服扰动的影响，使系统很快的稳定下来。其输出与输入误差信号成比例关系，系统一出现偏差，控制器立即将偏差放大Kp倍输出。在PID控制器中Kp值的选取决定了系统的响应速度。增大Kp能提高响应速度，减小稳态误差；但是Kp值过大会产生较大的超调，甚至使得系统不稳定；减小Kp可以减小超调，提高稳定性，但Kp过小会减慢响应速度，延长调节时间。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。虽然它能叫快地克服扰动的影响，使系统很快地稳定下来，但不能很好稳定在一个理想的数值，因为它常有余差出现。它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、控制要求不高、允许在一定范围内有余差的场合。b) 积分调节积分调节作用的输出与输入偏差的积分成正比。积分作用的输出不仅取决与偏差信号的大小，还取决与偏差存在的时间。只要有偏差存在，尽管偏差可能很小，但它存在的时间越长，输出信号就越大，只有消除偏差，输出才停止变化。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。由于某些原因（如饱和非线性），积分过程有可能在调节过程的初期产生积饱和，从而引起调节过程的较大超调。因此，调节过程的初期，为防止积分饱和，其积分作用应当弱一点，甚至可以取零；而在调节中期，为了影响稳定性，其积分作用应该比较适中；最后在调节过程的后期，则应增强积分作用，使稳态误差进一步减小，直到等于零。在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，直到等于零。因此，比例加积分控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。c) 微分调节微分调节的输出是与被调量的变化率成正比。在比例微分调节作用下，有时尽管偏差很小，但其变化速度很快，则微分调节器就有一个较大的输出。在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后（delay）组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的方法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例加微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例加微分（PD）控制器能改善系统在调剂过程中的动态特性。另外,再介绍几种常用的控制规律：1) 比利积分控制规律（PI）。在工程中比利积分控制规律是应用最广泛的一种控制规律。积分能在比例的基础上消除余差，它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、被调参数不允许有余差的场合。2) 比例微分控制规律（PD）。微分具有超前作用，对于具有容量滞后的控制通道，引入微分参与控制，在微分项设置得当的情况下，对于提高系统的动态性能指标有显著效果。因此，对于控制通道的时间常数或容量滞后较大的场合，为了提高系统的稳定性，减小动态偏差等，可选用比例微分控制规律。3) 比利积分微分控制规律（PID）。PID控制规律是一种较理想的控制规律，它在比例的基础上引入积分，可以消除余差，再加入微分作用，又能提高系统的稳定性。它适用于控制通道时间常数或容量滞后较大、控制要求较高的场合，如温度控制。成分控制等。一般而言，用比例（P）调节器的系统是一个有差系统，比例度 （比例系数Kp的倒数，即1/Kp）的大小不仅会影响到余差的大小，而且也与系统的动态性能密切相关。系统的余差与比例放大倍数成反比，也就是与比例度成正比，即比例度越大。比例放大倍数由小到大变化，系统将由稳定向震荡发展，系统的稳定性在变差。因此，比例放大倍数增大，控制精度提高（余差减少），但系统的稳定性下降。比例积分（PI）调节器，由于积分的作用，不仅能实现系统无余差，而且只要参数、T；调节合理，也能使系统具有良好的动态性能。比例积分微分（PID）调节器是在PI调节器的基础上再引入微分D的作用，微分时间常数调整得当，可使过渡过程缩短，从而使系统既无余差存在，又能改善系统的动态性能（快速性、稳定性等）。在单位阶跃作用下，P、PI、PID调节系统的阶跃响应分别如图2 -2中的曲线、所示。图2-2 P、PI和PID调节的阶跃响应曲线PID控制算法具有很强的灵活性，根据被控对象特点的不同，可以使用PI控制、PD控制、PID控制等多种形式，从而达到更好的控制效果。随着智能控制技术的发展，PID控制与模糊控制、神经网络控制等现代控制方法的结合，可以实现PID控制器的参数自整定，使PID控制器具有经久不衰的生命力。、在工业生产中，常需要用闭环控制方式来控制温度、压力、流量等连续变化的模拟量，无论是使用模拟量控制器的模拟控制系统还是使用计算机（包括PLC）的数字控制系统，PID控制都得到了广泛的应用。PID控制在生产过程中是一种普遍采用的控制方法，在冶金、机械、化工等行业中获得了广泛的应用。PLC由于具有数值运算的能力和处理模拟信号的功能，所以可设计出各种PID控制器，运用于具有连续量控制的闭环系统；还可以根据被控对象具有特点和要就来调整必要的控制参数，具有监控功能，并可以在运行中调整参数。在实际应用中，利用PLC来完成PID控制，须进行理想PID控制算式转换。另外，在实际控制过程中控制变量因受执行元件机械和物理的束缚，被限制在有限范围内。如果计算机输出的控制量在此范围内变化，则可以达到预期的效果；一旦超出范围，将引起不良的效果；因此，为了改善控制品质，应针对不同的对象和工业现场，对PID的控制算法进行一些改善，以满足不同控制系统的需要。在工业生产过程中，一般用闭环控制方式来控制温度、压力、流量、转速等这些连续变化的模拟量。无论是模拟调节器的模拟控制系统或者是PLC的数字控制系统，PID控制，都得到了广泛的应用。这是因为PID控制具有三个优点：1)不需求出控制系统的数字模型2）PID调节器具有典型的结构，程序设计简单，参数调整方便。3）它具有较强的灵活性和适应性，根据被控对象，可以采用PID控制的改进方式，如PI、PD、带死区的PID、变速积分PID等。模拟量PID调节是一种常见的控制方式，这是由于PID调节不需要求出控制系统的数学模型。至今为止，很难求出许多控制对象的准确数学模型。对于这一类系统，使用PID控制可以取得比较令人满意的效果。同时，PID调节器又具有典型的结构，可以根据被控对象的具体情况，采用各种PID的变种，有较强的灵活性和适应性。PID控制器问世至今已有近70年的历史，以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。被控对象的结构和参数不能完全掌握，获得不到精确的数学模型时，控制理论的其他技术难以才用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。在实际过程控制中，为使现场过程值在较理想的时间内跟定SP值，如何确定选用何种控制系统组合来满足现场控制的需要显得十分重要。常用的各种控制规律的控制特点如下：PID控制算法是经典的闭环控制，它是连续系统中技术最成熟、应用最广泛的调节方式。PID调节的实质就是根据输入的偏差值，按比例、积分和微分的函数关系进行运算，其运算结果用以输出控制。在系统输出误差绝对值较大时系统采取饱输出工作方式，这样可以减小液位系统的时滞性。同时为了防止系统过大的超调量，在系统误差的绝对值比较小时才用增大积分系数的办法，从而可以提高系统的稳态精度。微分控制算法简单，参数调整方便，并且有一定的控制精度，能感觉出误差的变化趋势。增大微分控制作用可以加快系统响应，使超调减小，可以获得比较满意的控制效果。因此，它成为当前最为普遍使用最广的控制算法。2.3 PID被调参数的选定在生产过程中，影响工艺过程的工艺参数很多，但并非所有的参数都要加以控制，而且也不可能都进行控制。因此，正确选定被调参数显得尤为重要。选择被调参数要根据生产工艺的要求，深入分析生产工艺过程，找出对产品的产量、质量、安全、节能和环保等具有决定性作用，能较好地反映工艺生产状态变化的参数，并且这些参数可以直接测量，或者是人工控制难以满足要求，劳动强度较大，客观上要求进行自动控制的参数。被调参数的选择一般要注意一下几个方面：一是被调参数一定是反映工艺操作指标或状态的重要参数。二是被调参数是为保持生产稳定，需要经常控制调节的参数。三是如果工艺参数本身就是要求控制的指标，则应选用与直接指标有单值对应关系且反应又快的间接指标为被调参数。四是被调参数一般应该是独立可调的，不至于因调整它时引起其他参数的明显变化，发生关联作用而影响系统稳定。五是被调参数应是易于测量、灵敏度足够高的变量。2.4 PID参数的整定PID的整定参数一般包括Kc，TI，TD等3个常用的控制参数，准确有效地选定PID的最佳整定参数是PID控制器是否有效的关键。参数整定通常有理论设计和现场经验整定两种方法。现场经验整定法是人们在长期工作工程实践中，从各种控制规律对系统控制质量的影响的定性分析总结出来的一种行之有效，并且得到广泛使用的工程整定方法。在现场整定过程中，实行PID按先比例，后积分，最后微分的顺序进行，在观察现场过程值PV的趋势曲线的同时，慢慢地改变PID参数，进行反复凑试，直到控制质量符合要求为止。首先只整定比例系数，将PID调节器的TI设置为无穷大、TD设置为零，使其成为纯比例调节。初期比例度按经验数据设定，根据PV曲线，再慢慢地整定比例控制比例度，使系统达到4:1衰减振荡的PV曲线；然后，再加积分作用。在加积分作用之前，应将比例度加大到原来的1.2倍左右。将积分时间TI由大到小地进行调整，直到系统再次得到4:1衰减振荡的PV曲线为止。若需引入微分作用，微分时间按TD= （1/31/4）TI计算，这时可将比例度调到原来数值或更小一些，再将微分时间由小到大整定，直到PV曲线达到满意为止。在找到最佳整定参数之前，要对PV值进行走势分析，判断扰动存在的变化大小，再慢慢进行凑试。如果经过多次仍然找不到最佳整定参数或参数无法达到理想状态，而生产工艺又必须要求较为准确时，那就得考虑单回路PID控制的有效性，看是否要考虑其他的控制方案，如串级控制、前馈控制、大滞后控制等。2.5 PLC的PID控制器实现 PLC的PID控制器的设计是以连续的PID控制规律为基础，将其数字化，写成离散形式的PID方程，再根据离散方程进行控制程序的设计。在连续系统中，典型的PID闭环控制系统如图2-3所示。图1中sp（t）是给定值；pv（t）为反馈值；c（t）为系统的输出量图2-3 连续闭环控制系统方框图 基于PLC的闭环控制系统如图2-4所示，图中虚线部分在PLC内，spn，pvn，Mn分别为模拟量sp（t），pv（t），e（t），M（t）在第n次采样的数字量。在许多控制系统中，可能只需要P，I，D中的一种或者2中控制类型。例如，可能只要求比例或比例与积分控制，通过设置参数可对回路控制类型进行选择。图2-4 PLC闭环控制系统方框图2.6 小结采用单回路调节系统可以满足大多数工业生产的要求，在单回路调节系统中，PID控制算法是经典的闭环控制，它是连续系统中技术最成熟、应用最广泛的调节方式。采用PLC的PID控制，借助于组态王的WEB功能，在中央控制室可以实现对于生产过程的整个监测与控制。3.程序及组态设计3.1 S7-300介绍S7-300是模块化的通用性PLC，适用于中等性能的控制要求。用户可以根据系统的具体情况选择合适的模块，维修时更换模块十分方便。当系统规模扩大和功能复杂时，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（简称为CPU）集成了过程控制功能，用于执行用户程序。不需要附加任何硬件、软件和编程，就可以建立一个MPI（多点接口）网络。如果有PROFIBUS-DP接口，可以建立一个网络。1. SIMATIC S7-300 可编程控制器是模块化结构设计。各种单独的模块之间可进行广泛组合以用于扩展。系统组成包括：中央处理单元（CPU）：各种CPU有各种不同的性能，例如，我们通常所配的CPU313C-2DP集成了数字量输入和输出，以及PROFIBUS-DP主站/从站接口。带有与过程相关的功能，可以连接标准I/O设备。CPU运行时需要微存储器卡。信号模块（SM）：用于数字量和模拟量输入/输出。负载电源模块（PS）：用于将SIMATIC S7-300连接到120/230V AC电源。功能模块（FM）：用于高速计数，定位操作（开环或闭环控制）和闭环控制。接口模块（IM）：用于多机架配置时连接主机架（CR）和扩展机架（ER）。S7-300通过分布式的主机架（CR）和3个扩展机架（ER），可以操作多达32个模块。此课题的研究中，S7-300的配置如下图所示：图3-1 S7-300的配置S7-300的指令集包含350多条指令，其中包括位指令、比较指令、定时指令、计数指令、整数和浮点数运算指令等。CPU的集成系统功能提供了中断处理和诊断信息等这样一类系统功能。由于它们是集成在CPU的操作系统中，因此也省了很多RAM空间。使用STEP 7软件可对S7-300进行编程。而且，能简单方便地将S7-300全部功能加以利用。STEP 7包含了自动化项目中从项目的启动、实施到测试、服务，每一阶段所需的全部功能。STEP 7是用于SIMATIC PLC组态和编程的基本软件包。它包括功能强大、适用于各种自动化项目任务的工具。3.2程序设计要进行程序设计，首先要了解它的流程，本课题流量调节的PID控制的流程图如下：图3.2 总的流程图在编程过程中共生成了6个模块：OB1：主程序组织块；FB41：FB41功能模块即PID控制块；FC201：功能进行数据转换，将WORD格式的数据转换成REAL格式（0100）；FC202：将REAL格式的数据转换成WORD格式；DB1：FB41的背景数据块，PID控制所涉及到的所有参数都在这个数据块中。可以通过组态软件控制这些参数，PID的输入输出、手自动切换、参数、控制功能都能通过DB1中的数据进行控制；DB3：用户数据存储块。便于OB1主程序存储使用，也可供组态软件进行监控访问。这六个模块关系结构见图3-3：图3-3模块的关系图下面是主程序：主要由三个程序段组成：程序段1调用了FC201模块，主要作用是将检测到的4-20mA的信号转换成0-100之间的数据输入PID模块；程序段2就是PID模块，进行PID运算；程序段3调用FC202模块，作用是将PID运算结果转换成5530-27648之间的数据，传输到控制的执行器。在FC201即数值转换功能中，有五个输入：IN、IN_MIN、IN_MAX、OUT_MIN、OUT_MAX和一个输出：OUT。其中：IN：需要进行转换的原始输入变量；IN_MIN：原始变量的下限值IN_MAX：原始变量的上限值；OUT_MIN：转换城的目标变量的下限值；OUT_MAX：转换成的目标变量的上限值；OUT：输出目标变量；程序段1的意义是：将AI0转化成0100的数，存储到“MYDATA”.AI0 (DB3.DBD0)中。再将AI1转换成0100的数存储到“MYDATA”.AI1中。 进行转换的公式是：图3-4是FC201进行数据转化的流程图，通过这个流程图，并且结合上面的公式与分析，我们可以很好的理解FC201的功能，同理可以得到FC202的运算过程。图3-4输入模块流程图关于PID模块的主要参数的介绍如表1：参数数据类型默认值描述MAN_ONBOOLTURE手动操作，为真时手动有效P_SELBOOLTURE为真时比例控制起作用I_SELBOOLTURE为真时积分控制起作用D_SELBOOLFALSE为真时微分控制起作用CYCLEETIMT#1S采样时间控制起作用SP_INTREA0.0内部给定点的输入值PV_INREAL0.0过程变量值以浮点型MANREAL0.0通过这个参数设置手动值GAINREAL2.0比例控制增益TITIMET#20S决定积分器响应时间TDTIMET#2S微分时间LMNREAL0.0浮点型输出有效操作表1：PID模块的主要参数3.3组态介绍3.3.1对上位监控软件的要求组态现场工艺流程画面，要求生动、形象；要求有采集现场的模拟量和数字量的信号，并以文字或者图形方式显示。被控对象的工作参数包括温度、液位、流量、压力等；在自动方式下，在现场有关条件满足的情况下，可以通过中控室工控远程控制各个开关；被控对象的各个模拟量参数要求加以范围限制，超出范围的要求报警；被控对象的各个模拟量参数要求有趋势曲线图，便于查看变化过程；模拟量的数据要求归档，以保证操作的可靠性和安全性；3.3.2上位监控画面的设计程序运行时首先进入主画面，显示流量调节阀PID控制的整个工艺过程。显示画面显示各个模拟量实时值和开关量的状态。在中央控制室的工程师站和操作员都可以对现场设备进行启动、停止控制，参数采集以及仪表数据显示。3.4 组态设计通常情况下，建立一个应用工程大致可分为以下几个步骤： 第一步：创建新工程 为工程创建一个目录来存放与工程先关的文件。 第二步：定义硬件设备并添加工程变量 添加工程中需要的硬件设备和工程中使用的变量，包括内存变量和I/O变量。 第三步：制作图形画面并定义动画连接 按照实际工程的要求绘制监控画面并使静态画面随着过制对象产生动态效果。 第四步：编写命令语言 通过脚本程序的编写以完成较复杂的操作上位控制。 第五步：进行运行系统的配置 对运行系历史数据记录、网络、用户等设置，使系统完成用于现场前的必备工作。第六步：保存工程并运行3.4.1组态王对控制器的设备组态西门子S7300在与组态网通讯时，通常采用MPI多点接口电缆连接，这里我们主要介绍这种通讯方式。运行组态王6.5软件，弹出组态王工程管理器。单击新建按钮或点击文件中的新建工程，如图所示：图3-5 新建组态王工程输入保存路径和名称等，即可建立一个新的组态工程，如图所示：图3-6 输入保存路径图3-7 输入工程名称在工程浏览器中，选择左侧大纲项“设备”“COM1”，在工程浏览器右侧用鼠标左键双击“新建”图标，运行“设备配置向导”，如图所示：图3-8 选择COM1选择“PLC”“西门子”“S7-300系列”“MPI（电缆）”。如图所示：图3-9 设备配置单击“下一步”，弹出“逻辑名称”窗口，可任意输入一个名称。再单击“下一步”，弹出“选择串口号”。为设备选择连接串口，现今的电脑通常只有一个串口，为COM1。选择完毕后单击“下一步”，弹出“设备地址设置指南”，如图所示：图3-10 选择串口号填写设备地址，输入“2.2”。其中小数点前为MPI地址（即站点），小数后为MPI设备（即所使用的通讯模块或CPU模块）的槽号（slot number）范围为0.0126.126，建议使用通用的地址为2.2126.30。一般PLC默认的地址（即站号）为2，槽号为2，故将组态王设备地址定义为2.2.设置通信故障恢复参数（一般情况下使用系统默认设置即可），单击“下一步”，弹出“信息总结”，如图所示：图3-11 设置地址3.4.2组态王定义数据变量数据库是“组态王”软件的核心部分，工业现场的生产状况要以动画的形式反映在屏幕上，操作者在计算机前发布的指令也要迅速送达生产现场，所以这一切都是以实时数据库为中介环节，所以说数据库是联系上位机和下位机的桥梁。选择工程浏览器左侧大纲项“数据库/数据词典”，双击“新建”图标，如图所示：图3-12 新建数字词典弹出“变量属性”对话框，此对话框可以对数据变量完成定义、修改等操作，以及数据库的管理工作。在“变量名”处输入变量名，如PID0_PV;在“变量类型”处选择变量类型如：IO实数，如图所示：图3-13 变量属性本范例中所能用到的变量如图所示。变量类型、连接设备、寄存器号2可以从图中得知。图3-14 定义所用变量3.4.3建立新画面为建立一个新的画面请执行一下操作：在工程浏览器左侧的“工程目录显示区”中选择“画面”选项，在右侧视图中双击“新建”图标，弹出新建画面对话框。如图所示： 图3-15 建立新画面最终画面，如图3-16所示：图3-16 组态王监控画面3.5小结在这一部分，我们主要介绍了组态王和S7-300的相关知识，并且在相关知识的基础之上，简单的介绍了相关的程序和组态的设计。4.调试过程及结果分析4.1调试过程首先介绍一下A3000高级过程控制实验系统的接线，如图4-1图4-1 运行接线图调试时下水箱挡板开度为2cm。1) 在现场系统上，打开手阀QV102、QV105，调节下水箱阀板QV116开度，其余阀门关闭。2) 在控制系统上，将IO面板的流量计（支路二）的输出连接到AI0，IO面板的电动调节阀控制端连接AO03) 打开电源设备，启动右边水泵P102和调节阀。4) 启动计算机组态软件，进入测试项目界面。启动调节器，设置各项参数，可以将调节器的手动控制切换到自动控制。5) 设置PID参数。观察计算机显示屏上的曲线，待被调节参数基本稳定在给定值后，可以加干扰测试。6) 减小P，增大P，寻找P的合适范围。7) 在比例调节的实验基础上，加入积分作用，即在界面上设置I参数不是特别大的数。固定比例P值（中等大小），改变PI调节器的积分时间常数Ti，然后观察加阶跃扰动后被调量的输出波形，并记录不同Ti值下的超调量。8) 选择合适的P，Ti和Td,使