基于pid二階水箱液位控制

1、11. 緒論液位控制問題是工業(yè)生產(chǎn)過程中的一類常見問題，例如在飲料、食品加工， 溶液過建，化工生產(chǎn)等多種行業(yè)的生產(chǎn)加工過程都需要對液位進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂啤?雙溶水箱液位的控制作為過程控制的一種， 由于其自身存在滯后， 對象隨負(fù)荷變 化而表現(xiàn)非線性特性及控制系統(tǒng)比較復(fù)雜的特點(diǎn)， 傳統(tǒng)的控制不能達(dá)到滿意的控 制效果。以PLG組態(tài)軟件為單元，可以組成從簡單到復(fù)雜的各種工業(yè)控制系統(tǒng)。PLC可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯編程及簡單的算法編程，但是對于先進(jìn)控制算法，如模 糊控制算法等涉及到矩陣運(yùn)算，由于算法本身的復(fù)雜性，單純依靠PLC編程功能 已經(jīng)不能滿足要求；在這組態(tài)軟件編程語言可以彌補(bǔ)它的不足，因?yàn)檫\(yùn)用此方法 非常簡

2、單。 本文在S7-200環(huán)境中編寫了傳統(tǒng)的PID控制算法，實(shí)現(xiàn)了對二階水 箱液位的控制。1.1本設(shè)計(jì)主要研究內(nèi)容（1）水箱液位串級控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)（2）PLC程序設(shè)計(jì)（3）MCG監(jiān)控畫面設(shè)計(jì)（4）PLC與MCG變量連接和通訊（5）PID參數(shù)的整定2串級控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1水箱系統(tǒng)組成水箱系統(tǒng)由兩個(gè)串聯(lián)水箱、一個(gè)大水箱、一個(gè)水泵、兩個(gè)壓力變送器、管道 及若干閥組成。兩個(gè)壓力變送器通過分別檢測兩個(gè)水箱壓力來確定水位高度。2.2信號間轉(zhuǎn)換關(guān)系壓力變送器檢測水箱壓力在05000pa范圍內(nèi)，經(jīng)過壓力變送器轉(zhuǎn)換成1-5V模擬量電壓信號；15V模擬量信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換成640032000數(shù)量信號，再 將其輸送到PL

3、C中；經(jīng)過程序控制，對應(yīng)050cm水箱水位。本設(shè)計(jì)用PLC檢測到下水箱壓力變送器傳來的數(shù)字量信號為320016000, 其對應(yīng)的水箱水位在030cm之間。2.3二階水箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2二階水箱液位控制系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)如圖2.3.1圖 2.3.1本系統(tǒng)是由上下兩個(gè)水箱串聯(lián)組成，下水箱的液位為系統(tǒng)的主控制量，上水 箱的液位為副控制量。本系統(tǒng)的控制目的，不僅要使下水箱的液位等于給定值，而且當(dāng)擾動出現(xiàn)在 上水箱時(shí)，由于它們的時(shí)間常數(shù)均小于下水箱， 故在下水箱的液位未發(fā)生明顯變 化前，擾動所產(chǎn)生的影響已通過內(nèi)回路的控制及時(shí)地被消除。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在階躍給定和階躍擾動作用下的無靜差控制，系統(tǒng)的主調(diào)節(jié)器 應(yīng)為PI或P

4、ID控制。由于副控回路的輸出要求能快速、準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)主調(diào)節(jié)器輸 出信號的變化規(guī)律，對副參數(shù)的動態(tài)性能和余差無特殊要求，因而副調(diào)節(jié)器采用P或PI調(diào)節(jié)器。2.4串級控制系統(tǒng)概述圖2.4.1是串級控制系統(tǒng)的方框圖。該系統(tǒng)有主、副兩個(gè)控制回路，主、副 調(diào)節(jié)器相串聯(lián)工作，其中主調(diào)節(jié)器有自己獨(dú)立的給定值R,它的輸出ml作為副調(diào)節(jié)器給定值，副調(diào)節(jié)器的輸出m2控制執(zhí)行器，以改變主參數(shù)C1。3圖 2.4.1R-主參數(shù)的給定值；C1-被控的主參數(shù)；C2-副參數(shù)f1(t)-作用在主對象上的擾動f2(t)-作用在副對象上的擾動2.5串級控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)串級控制系統(tǒng)從總體上看，仍然是一個(gè)定值控制系統(tǒng)，因此，主變量在干擾作用

5、下的過渡過程和單回路定值控制系統(tǒng)的過渡過程具有相同的品質(zhì)指標(biāo)。但是串級控制系統(tǒng)和單回路系統(tǒng)相比，在結(jié)構(gòu)上從對象中引入一個(gè)中間變量(副變量) 構(gòu)成一個(gè)回路，因此具有一系列的特點(diǎn)。串級控制系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)由：a.副回路的干擾抑制作用發(fā)生在副回路的干擾，在影響主回路之前即可由副控制器加以校正；b.主回路響應(yīng)速度的改善副回路的存在，使副對象的相位滯后對控制系統(tǒng)的影響減小，從而改善了主回路的響應(yīng)速度；c.魯棒性的增強(qiáng)串級系統(tǒng)對副對象及調(diào)節(jié)閥特性的變化具有較好的魯棒性；d.副回路控制的作用副回路可以按照主回路的需要對于質(zhì)量流實(shí)施精確的控制。3.可編程控制器（PLC 設(shè)計(jì)3.1可編程控制器（PLQ概述4PLC

6、的發(fā)展是提高生產(chǎn)力的要求推動的。 最早的自動控制采用繼電器板進(jìn)行 的控制邏輯簡單、體積大。維護(hù)不便升級換代困難。 隨著電子元器件的發(fā)展，1969年前后發(fā)明了PLC（Programmable Logic Controller）。最早的PLC主要作用是 代替繼電器。完全用于邏輯（順序）控制內(nèi)存小、功能單一.但是，在回路調(diào)節(jié) 時(shí)，仍需要單回路儀表或者OCS隨著電子技術(shù)、 控制技術(shù)的發(fā)展，PLC從單純 的數(shù)字量控制發(fā)展到簡單的模擬量控制和數(shù)字量控制相結(jié)合，部分代替了單回路 儀表的功能。PLC的網(wǎng)絡(luò)能力從無到有，今天已經(jīng)非常強(qiáng)大。通過網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí) 現(xiàn)分散控制，降低安裝成本，提高集成度。正是因?yàn)檫@種靈活性

7、，用戶可以很方 便地建立自己地自動化控制系統(tǒng)。PLC在設(shè)計(jì)時(shí)就是面向工業(yè)環(huán)境地。因此，可 靠性和抗干擾能力都很強(qiáng)。PLC在長期應(yīng)用中，經(jīng)受了考驗(yàn)，幾乎成為高可靠性 的代名詞。幾乎所有大型地順序控制、重要的應(yīng)用，都是PLC實(shí)現(xiàn)的?？梢哉f，沒有PLC就沒有現(xiàn)代制造業(yè)。PLC進(jìn)一步融合OCS技術(shù)，發(fā)展到PACProgrammableAutomation Controller）。PAC可以方便的和企業(yè)網(wǎng)集成， 實(shí)現(xiàn)信息化工廠。PLC網(wǎng)絡(luò)中Profibus.Modbus應(yīng)用也非常廣泛。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，PLC體積越來 越小。但小型化是有限度的， 并不是越小越好。 因?yàn)樽枞菰鹊捏w積很難縮小 而抗干擾

8、措施需要這些分立元件。同時(shí)，為了使用更加方便，功能更強(qiáng)，控制器 的內(nèi)存不斷擴(kuò)大，處理能力不斷增強(qiáng)。PLC廠家積極向過程自動控制領(lǐng)域拓展。PLC保持了靈活、可靠和高性價(jià)比的優(yōu)勢。同時(shí)在標(biāo)準(zhǔn)化和開放性方面有了長足 的進(jìn)步得到很多用戶的喜愛和使用。在功能方面只有某些在PLC基礎(chǔ)之上發(fā)展起 來的PAC系統(tǒng)才能滿足全廠控制的要求。因此PLC的根基依然牢固。目前自動化 領(lǐng)域主要的發(fā)展方向是企業(yè)層和車間層的融合。 在提高生產(chǎn)力、 全球化、 創(chuàng)新和 可持續(xù)發(fā)展的要求推動下， 信息、 通訊、控制和動力的融合是自動化發(fā)展的必有 之路?？傊?，PLC順應(yīng)企業(yè)融合的需要，向標(biāo)準(zhǔn)化、多功能方向不斷發(fā)展，應(yīng)用 領(lǐng)域不斷拓展

9、功能不斷增強(qiáng)，發(fā)展前景非常樂觀。3.2 PLC程序設(shè)計(jì)主程序如下列圖所示53VD30Q11S水箱踱儻6網(wǎng)絡(luò)4PIDENENDTBLLOOPHS5VD10&主控輸岀值，盲接賦值給副控的VD加4給定愼SMOOJ1_rhjMOV_RENOC. 11/IVD1O0-INOUT-VD204CMMUL_RENOVJ匚INVD10B-30 0-IN1IN2OUT-VD308SMQ0JI_CMMUL_RENO1 1-tNVD100INICl LIT300INS-VD300VB100-0-SM0.07SHOOI_DIENENO1 1-AIW2 -INOUT-AGOACO-DI_RENENDOUTENSU

10、B_RENOA匚卜IN1OUT1510.0-IN2-AGOENDIV_RrMHSJt NU/lAC0-INIOUTACO11950,0-12MOV_RENENOAC0- INOUTVD200VD40堤上水箱液位1_SMOO| |MIKENENOIN1OUTIN2SJVD200-30.0-網(wǎng)絡(luò)EA-VD4001網(wǎng)絡(luò)注釋SMOO1 IPIDENENO7BLLOOP|1 1VB200A8網(wǎng)絡(luò)10VD40電晞?wù){(diào)節(jié)閥開度曠1Q站94. MCGS 監(jiān)控畫面設(shè)計(jì)4.1 MCGS組態(tài)軟件概述MCGS組態(tài)軟件具有動畫顯示、流程控制、數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制與輸出、工 程報(bào)表、數(shù)據(jù)與曲線等強(qiáng)大功能，在自動控制中占據(jù)主力

11、軍的位置，已逐漸成為 工業(yè)自動化的靈魂。4.2操作界面設(shè)計(jì)操作界面是用于控制上下水箱液位，例如參數(shù)設(shè)置，實(shí)時(shí)曲線，歷史曲線等。 單擊工具條中的“工具箱”按鈕，常用圖符工具箱包括27種常用的圖符對象。 在工具箱中提供了8種圖元稱為系統(tǒng)圖符對象。設(shè)計(jì)主界面如圖421所示。設(shè)定值tsv)0.0 Dicm測量OT)cm輸岀( (0P)Kg.no儲水箱吸比例系數(shù)0*糅分時(shí)間D貓分時(shí)間CD主控參數(shù)整回蔽41晝翌T閥泵水謨定值估V)冋亍廠 5湄量值(FIT) iifi(0P)副控參數(shù)整1 Slfe百比例系數(shù)(P)和分時(shí)間( (I)鍛分時(shí)間0D怪警覺耶浪薈募樸實(shí)時(shí)曲線歷史曲箜通訊狀態(tài)10圖 4.2.3圖422

12、是實(shí)時(shí)曲線界面實(shí)時(shí)曲線返回圖 4.2.2圖423是歷史曲線界面 2）動畫爼吉厲史回塗歷史曲線設(shè)定值丹確雖萌P面冊MTT TTN冊mHNHH冊刖KM MI MK冊冊M冊HH冊冊302?242118151290設(shè)定値V上水養(yǎng)面返回圖 4.3.2114.3 MCGS變量設(shè)定和連接MCG與PLC的連接和控制建立在變量通道相連的基礎(chǔ)上，圖431是MCGS設(shè)置設(shè)備內(nèi)部屬性的途徑，圖432是MCGS! PLC的通道設(shè)定謨備屈飪謨畫=-1：謨備 町確認(rèn)CO圖 4.3.1nS7-2 0 OPLCJg性謖置序號PLC通道諛弓類型増加通道01DF1 aa讀寫PLC數(shù)據(jù)刪除一個(gè)02DF1 04讀寫FLC數(shù)據(jù)03DF1

13、 08謨寫FL C數(shù)據(jù)QlDF112讀寫FLC數(shù)據(jù)全部刪除05DF116克寫PLC數(shù)據(jù)06DF120讀寫PLC數(shù)據(jù)索引拷貝07DT124讀寫PLC數(shù)據(jù)08DF20Oi賣寫PLC數(shù)據(jù)09DF20i+讀弓PLC數(shù)據(jù)1 8DF208謨弓PLC數(shù)據(jù)11DF212諫弓PLC數(shù)據(jù)12DF216饌弓PLC數(shù)據(jù)13DF22O饃弓P數(shù)據(jù)1 4DF22U諫弓卩 5 數(shù)據(jù)確認(rèn)Dd取消MJ幫助HJ基本屬性 適道逵接|謖盞調(diào)試|數(shù)揭處理檢查凹取消凹幫助Itu12u丿|.圖 4.3.213圖433是MCG實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的變量設(shè)置M主控窗口設(shè)備窗口尿用戶窗口韜實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫名字類型注釋SliInputETime字符型系統(tǒng)內(nèi)建數(shù)據(jù)對

14、魚$0lnpulSTIme字符塑系統(tǒng)內(nèi)建數(shù)揚(yáng)對象InputUserl字符型系統(tǒng)內(nèi)建數(shù)據(jù)對貌t9*lnputUser2字符型系統(tǒng)內(nèi)建數(shù)據(jù)對象B9VD1M數(shù)值型主控給定值feVD108數(shù)值型主控輸出值VD112數(shù)值型主控pgVD116數(shù)值型主控下水箱采樣時(shí)IIOOms|VD120數(shù)值型主控iVD124數(shù)值型主控d數(shù)值型副控設(shè)定值|VD2DB數(shù)值型副控輸出值VD?12數(shù)值型副控piOVD216數(shù)值型副控上水箱采樣時(shí)tlOOmsS8VD220數(shù)值型副控i1?VD224數(shù)值型制控d能電磯調(diào)節(jié)閥數(shù)值型vd?08副控輸出值鱸閥門開關(guān)型軻上水箱液位數(shù)值型輸水泵開關(guān)型鉅通訊狀態(tài)開關(guān)型詢下水箱液位數(shù)值型猖下水箱液

15、位設(shè)數(shù)值塑鱸疲位組組對象詢主輸出值和副數(shù)值型圖 4.3.35.PID 參數(shù)整定根據(jù)PID整定口訣，把比例積分微分三個(gè)參數(shù)一點(diǎn)一點(diǎn)調(diào)試，經(jīng)過兩天的整 定，確定了較為快速的使液位到達(dá)設(shè)定值的參數(shù)。PID整定口訣茲抄錄如下：參數(shù)整定找最佳,曲線振蕩很頻繁,曲線偏離回復(fù)慢,曲線振蕩頻率快,理想曲線兩個(gè)波,從小到大順序查。比例度盤要放大。積分時(shí)間往下降。先把微分降下來。前高后低四比一。先是比例后積分,曲線漂浮繞大彎,曲線波動周期長,動差大來波動慢,一看二調(diào)多分析,最后再把微分加比例度盤往小扳積分時(shí)間再加長微分時(shí)間應(yīng)加長調(diào)節(jié)質(zhì)量不會低146. 現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)液位控制圖6.1是現(xiàn)場MCG控制界面，圖6.2是水箱液

16、位控制現(xiàn)場圖（右上和右下水箱）圖 6.1cm_!設(shè)定111諂設(shè)定ffi(sv)生15 cm比例爲(wèi)數(shù)（F）|薦量值（FT）m機(jī)乃時(shí)間（D |說定輸岀ft（OP）%微分時(shí)閆助時(shí)間對象宅報(bào)警類型警事件當(dāng)F實(shí)時(shí)曲線歷史曲線主揑墓救整定設(shè)定值（S）IB.（1O測晁值B）肚加匚 eWf岀值（0P） |cm設(shè)足丨比例罷我機(jī)分時(shí)阿（D誡分吋何 5）15圖 6.2167. 結(jié)束語本報(bào)告講述了如何將組態(tài)軟件MCGS口PLC相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，根 據(jù)這一思路對二階水箱實(shí)現(xiàn)液位串級控制， 二階水箱是較為典型的非線性、 延時(shí) 對象，工業(yè)上許多被控對象的整體或局部都可以抽象成二階水箱數(shù)學(xué)模型， 具有 很強(qiáng)的代表和工業(yè)背景。 二階水箱的數(shù)學(xué)建模以及控制策略的研究對工業(yè)生產(chǎn)中 液位控制系統(tǒng)的研究有積極的指導(dǎo)作用， 為研究更加復(fù)雜的系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。 本 文以通過二階水箱液位的PID控制為研究對象， 在機(jī)理分析的基礎(chǔ)上， 建立了二 階水箱的數(shù)學(xué)模型；結(jié)合二階水箱的特點(diǎn)，研究了二階水箱在組態(tài)軟件