基于PID的單容液位控制系統(tǒng)

1、課程名稱：綜合實驗2項目名稱：基于PLC的單容液位PID控制系統(tǒng)的設計 學 院：信息工程學院專業(yè)班級：自動化112同 組 人：李智良、劉彥鋒、于振新 李金燕、張雪玉嵐、吳昊指導老師：謝新開老師實驗時間：2014-6-16至2014-6-20 2014 年 6 月 24日摘要PLC在工業(yè)自動化中應用的十分廣泛。PID控制經(jīng)過很長時間的發(fā)展，已經(jīng)成為工業(yè)中重要的控制手段。本設計就是基于PLC的PID算法對液位進行控制。PLC經(jīng)傳感電路進行液位高度的采集，然后經(jīng)過自動調節(jié)方式來確定完PID參數(shù)后，通過控制直流泵的工作時間來實現(xiàn)液位的控制。MCGS(監(jiān)視與控制通用系統(tǒng))是用于快速構造上位機監(jiān)控系統(tǒng)的組

2、態(tài)軟件系統(tǒng)，系統(tǒng)的監(jiān)測環(huán)節(jié)就是通過MCGS來設計的。這樣我們就可以通過組態(tài)畫面對液位高度和泵的起停情況進行監(jiān)測，而且可以對PLC進行啟動、停止、液位高度設置等控制。整個系統(tǒng)運行穩(wěn)定、簡單實用，MCGS與PLC通信流暢。 本文根據(jù)液位系統(tǒng)過程機理，建立了單容水箱的數(shù)學模型。在設計中用到的PID算法提到得較多，PLC方面的知識較少。并根據(jù)算法的比較選擇了增量式PID算法。建立了PID液位控制模擬界面和算法程序，進行了系統(tǒng)仿真，并通過整定PID參數(shù)，同時得出了整定后的仿真曲線和實際曲線。關鍵詞：PID算法，MCGS，液位控制目 錄第一章 課程設計內容與要求分析11.1課程設計內容11.2課程設計要求

3、分析11.3 PID控制的原理和特點11.3.1比例（P）控制及調節(jié)過程21.3.2積分（I）控制及調節(jié)過程21.3.3微分（D）控制及調節(jié)過程31.4單容上水箱自衡過程的建摸5第二章 課程設計的方案92.1 MCGS組態(tài)軟件概述92.2系統(tǒng)設計PLC程序102.3 軟件調試132.3.1 設備之間安裝與連接152.3.2 系統(tǒng)的聯(lián)機調試15第三章 課程設計總結18參考文獻19附錄2019第一章 課程設計內容與要求分析1.1課程設計內容針對液位控制過程與要求實現(xiàn)模擬控制，其工藝過程如下：用泵作為原動力，把水從低液位池抽到高液位池，實現(xiàn)對高液位池液位高度的自動控制。具體設計內容是利用西門子S7-

4、200PLC作為控制器，實現(xiàn)對單容水箱液位高度的定值控制，同時利用MCGS組態(tài)軟件建立單容水箱液位控制系統(tǒng)的監(jiān)控界面，實現(xiàn)實時監(jiān)控的目的。1.2課程設計要求分析（1）以RTGK-2型過程控制實驗裝置中的單個水箱作為被控對象、PLC作為控制器、靜壓式壓力表作為檢測元件、電動調節(jié)閥作為執(zhí)行器構成一個單容水箱單閉環(huán)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對水箱液位的恒值控制。（2）PLC控制器采用PID算法，各項控制性能滿足要求。（3）組態(tài)測控界面上，實時設定并顯示液位給定值、測量值及控制器輸出值；實時顯示液位給定值實時曲線、液位測量值實時曲線和PID輸出值實時曲線；并能顯示歷史曲線。（4）選擇合適的整定方法確定PID參數(shù)，

5、并能在組態(tài)測控界面上實時改變PID參數(shù)。（5）通過S7-200PLC編程軟件實現(xiàn)PLC程序設計與調試。（6）分析系統(tǒng)基本控制特性，并得出相應的結論。1.3 PID控制的原理和特點工程實際中，應用最為廣泛的調節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調節(jié)。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結構簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調整方便而成為工業(yè)控制的主要技術之一。當被控對象的結構和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學模型時，控制理論的其它技術難以采用時，系統(tǒng)控制器的結構和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調試來確定，這時應用PID控制技術最為方便。即當我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象或

6、不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用PID控制技術。PID控制，實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。1.3.1比例（P）控制及調節(jié)過程比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系。當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。在人工調節(jié)的實踐中，如果能使閥門的開度與被調參數(shù)偏差成比例的話，就有可能使輸出量等于輸入量，從而使被調參數(shù)趨于穩(wěn)定，達到平衡狀態(tài)。這種閥門開度與被調參數(shù)的偏差成比例的調節(jié)規(guī)律，稱為比例調節(jié)。比例調節(jié)規(guī)律及其特點比例調節(jié)作用，一般用字母P來表示。如果用一個數(shù)學式來表示比例調節(jié)作用

7、，可寫成： （1-1）式中 調節(jié)器的輸出變化值； 調節(jié)器的輸入，即偏差； 比例調節(jié)器的放大倍數(shù)。放大倍數(shù)是可調的，所以比例調節(jié)器實際上是一個放大倍數(shù)可調的放大器。比例調節(jié)作用雖然及時、作用強，但是有余差存在，被調參數(shù)不能完全回復到給定值，調節(jié)精度不高，所以有時稱比例調節(jié)為“粗調”。純比例調節(jié)只能用于干擾較小、滯后較小，而時間常數(shù)又不太小的對象。1.3.2積分（I）控制及調節(jié)過程在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于

8、時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。因此，比例+積分（PI）控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。對于工藝條件要求較高余差不允許存在的情況下，比例作用調節(jié)器不能滿足要求了，克服余差的辦法是引入積分調節(jié)。因為單純的積分作用使過程緩慢，并帶來一定程度的振蕩，所以積分調節(jié)很少單獨使用，一般都和比例作用組合在一起，構成比例積分調節(jié)器，簡稱PI調節(jié)器，其作用特性可用下式表示： （1-2）這里，表示PI調節(jié)作用的參數(shù)有兩個：比例度P和積分時間。而且比例度不僅影響比例部分，也影響積分部分，使

9、總的輸出既具有調節(jié)及時、克服偏差有力的特點，又具有克服余差的性能。由于它是在比例調節(jié)（粗調）的基礎上，有加上一個積分調節(jié)（細調），所以又稱再調調節(jié)或重定調節(jié)。但是，積分時間太小，積分作用就太強，過程振蕩劇烈，穩(wěn)定程度低；積分時間太大，積分作用不明顯，余差消除就很慢。如果把積分時間放到最大，PI調節(jié)器就喪失了積分作用，成了一個純比例調節(jié)器。1.3.3微分（D）控制及調節(jié)過程在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關系。 自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤

10、差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分（PD）控制器能改善系統(tǒng)在調節(jié)過程中的動態(tài)特性。微分調節(jié)的作用主要是用來克服被調參數(shù)的容量滯后。在生產(chǎn)實際中，有經(jīng)驗的工人總是既根據(jù)偏差的大小來改變閥門的開度大?。ū壤饔茫?，同時又根據(jù)偏差變化速度的大小進行調節(jié)。

11、比如當看到偏差變化很大時，就估計到即將出現(xiàn)很大的偏差而過量地打開（關閉）調節(jié)閥，以克服這個預計的偏差，這種根據(jù)偏差變化速度提前采取的行動，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節(jié)對象的調節(jié)質量。什么是微分調節(jié)？微分調節(jié)是指調節(jié)器的輸出變化與偏差變化速度成正比，可用數(shù)學表達式表示為： （1-3）式中： 調節(jié)器的輸出變化值；微分時間；偏差信號變化的速度。從上式可知，偏差變化的速度越大，微分時間越長，則調節(jié)器的輸出變化就越大。對于一個固定不變的偏差，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。由于實際微分器的比例度不能改變，固定為100%，微分作用也只在參數(shù)變化時才

12、出現(xiàn)，所以實際微分器也不能單獨使用。一般都是和其它調節(jié)作用相配合，構成比例微分或比例積分微分調節(jié)器。比例積分微分調節(jié)又稱PID調節(jié)，它可由下式表示： （1-4）PID調節(jié)中，有三個調節(jié)參數(shù)，就是比例度P、積分時間、微分時間。適當選取這三個參數(shù)值，就可以獲得良好的調節(jié)質量。第二章 課程設計的方案2.1 MCGS組態(tài)軟件概述MCGS(Monitor and Control Generated System，監(jiān)視與控制通用系統(tǒng))是一套基于windows95/98/NT操作系統(tǒng)(或更高版本)，用來可快速構造和生成上位機監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)，它為用戶提供了從設備驅動、數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)處理、報警處理、流程

13、控制、動畫顯示、報表輸出等解決實際工程問題的完整方案和操作工具。MCGS組態(tài)軟件具有多任務、多線程功能，其系統(tǒng)框架采用VC+語言編程，通過OLE技術向用戶提供VB編程接口，提供豐富的設備驅動件、動畫構件、策略構件，用戶可隨時方便地擴充系統(tǒng)的功能。工程創(chuàng)建的一般過程為：（1） 工程項目系統(tǒng)分析：分析工程項目的系統(tǒng)構成、技術要求和工藝流程，弄清系統(tǒng)的控制流程和監(jiān)控對象的特征，明確監(jiān)控要求和動畫顯示方式，分析工程中的設備采集及輸出通道與軟件中實時數(shù)據(jù)庫變量的對應關系，分清哪些變量是要求與設備連接的，哪些變量是軟件內部用來傳遞數(shù)據(jù)及動畫顯示的。（2） 工程各項搭建框架：MCGS稱為建立新工程。主要內容

14、包括：定義工程名稱、封面窗口名稱和啟動窗口（封面窗口退出后接著顯示的窗口）名稱，指定存盤數(shù)據(jù)庫文件的名稱以及存盤數(shù)據(jù)庫，設定動畫刷新的周期。經(jīng)過此步操作，即在MCGS組態(tài)環(huán)境中，建立了由五部分組成的工程結構框架。封面窗口和啟動窗口也可等到建立了用戶窗口后，再行建立。（3）設計菜單基本體系：為了對系統(tǒng)運行的狀態(tài)及工作流程進行有效地調度和控制，通常要在主控窗口內編制菜單。編制菜單分兩步進行，第一步首先搭建菜單的框架，第二步再對各級菜單命令進行功能組態(tài)。組態(tài)過程中，可根據(jù)實際需要，隨時對菜單的內容進行增加或刪除，不斷完善工程的菜單。（4）制作動畫顯示畫面：動畫制作分為靜態(tài)圖形設計和動態(tài)屬性設置兩個過

15、程。前一部分類似于“畫畫”，用戶通過MCGS組態(tài)軟件中提供的基本圖形元素及動畫構件庫，在用戶窗口內“組合”成各種復雜的畫面。后一部分則設置圖形的動畫屬性，與實時數(shù)據(jù)庫中定義的變量建立相關性的連接關系，作為動畫圖形的驅動源。（5） 編寫控制流程程序：在運行策略窗口內，從策略構件箱中，選擇所需功能策略構件，構成各種功能模塊（稱為策略塊），由這些模塊實現(xiàn)各種人機交互操作。MCGS還為用戶提供了編程用的功能構件（稱之為“腳本程序”功能構件），使用簡單的編程語言，編寫工程控制程序。（6）完善菜單按鈕功能：包括對菜單命令、監(jiān)控器件、操作按鈕的功能組態(tài)；實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)、各種曲線、數(shù)據(jù)報表、報警信息輸

16、出等功能；建立工程安全機制等。（7）編寫程序調試工程：利用調試程序產(chǎn)生的模擬數(shù)據(jù)，檢查動畫顯示和控制流程是否正確。（8）連接設備驅動程序：選定與設備相匹配的設備構件，連接設備通道，確定數(shù)據(jù)變量的數(shù)據(jù)處理方式，完成設備屬性的設置。此項操作在設備窗口內進行。2.2系統(tǒng)設計PLC程序DIV_R:實數(shù)除法AC0/32000-AC0(標準化實數(shù)0.21.0)SUB_R:實數(shù)減法AC00.2-AC0(標準化實數(shù)0.00.8)MUL_R:實數(shù)乘法AC0*1.25-AC0(標準化實數(shù)0.01.0)AC0® VD100測量單元PID控制模塊及參數(shù)所在地址DIV_R:實數(shù)除法VD108/1.25-AC2

17、(標準化實數(shù)0.00.8)ADD_R:實數(shù)加法AC2+0.2-AC2(標準化實數(shù)0.21.0)MUL_R:實數(shù)乘法AC0*32000-AC2(標準化實數(shù)640032000)AC2® AQW0測量單元MUL-R：AC0*40-VD400（將液位輸出標準化0.020.0）2.3 軟件調試 在STEP7環(huán)境中編寫、調試、下載PLC的梯形圖程序。在編寫PLC程序時，查閱了STEP7關于模擬量輸入處理、模擬量輸出處理、定時中斷、PID指令等內容。程序的流程圖如下圖2-2所示： 圖2.2 程序流程圖 2.3.1 設備之間安裝與連接按照圖2-3所示，將實驗所需的設備如液位變送器、PLC、調節(jié)閥等安

18、裝并接線。中水箱圖2-3 控制系統(tǒng)示意圖圖2-3控制系統(tǒng)框圖2.3.2 系統(tǒng)的聯(lián)機調試在計算機中，編制實時動態(tài)顯示畫面。最后系統(tǒng)聯(lián)調時，在畫面上可顯示和修改相關參數(shù)，在完成PID參數(shù)整定后，控制精度在2%以內。曲線輸出與設定值的屬性設置圖PID參數(shù)及設定值的設置圖表一：PID指令回路表主要內容偏移地址功能描述0PVn過程變量測量值（實數(shù)）4設定值0.258輸出值0.2312增益KC 30.016采樣時間 1.020積分時間TI 40.024微分時間TD 0.028積分前項值32過程變量前值圖一表二：PID指令回路表主要內容偏移地址功能描述0PVn過程變量測量值（實數(shù)）4設定值0.258輸出值0.2512增益KC 100.016采樣時間 1.020積分時間TI 25.024微分時間TD 50.0圖二表三：PID指令回路表主要內容偏移地址功能描述0PVn過