單容水箱PI控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)習(xí)報(bào)告

年4月19日單容水箱PI控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)習(xí)報(bào)告文檔僅供參考過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)習(xí)報(bào)告學(xué)院名稱：電子與信息工程學(xué)院班級名稱：測控09-1學(xué)生姓名：程喜學(xué)號(hào)：13107066指導(dǎo)教師：張慶思提交日期：年11月15日過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)題目：單容水箱PI控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)二、設(shè)計(jì)目的：掌握液位傳感器的零點(diǎn)和增益調(diào)整方法。掌握西門子200PLCPI控制程序的編寫方法。掌握MCGS組態(tài)軟件的使用方法。三、設(shè)計(jì)原理： 1、PID調(diào)節(jié)原理： PID控制器問世至今已有近70年歷史,它

以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。PID控制,實(shí)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(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。

比例（P）控制

：

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(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-state

error）。

積分（I）控制

：

在積分控制中,控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng),如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差,則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的

或簡稱有差系統(tǒng)（System

with

Steady-state

Error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差,在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對誤差取決于時(shí)間的積分,隨著時(shí)間的增加,積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣,即便誤差很小,積

分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大,它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小,直到等于零。因此,比例+積分(PI)控制器,能夠使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)

態(tài)誤差。

微分（D）控制

：

在微分控制中,控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。

自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會(huì)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(delay)組件,具有抑制誤差的作用,

其變化總是落后于誤差的變化。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(shí),抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說,在控制器中僅引入

“比例”項(xiàng)往往是不夠的,比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值,而當(dāng)前需要增加的是“微分項(xiàng)”,它能預(yù)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(fù)值,從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。因此對有較大慣性或滯后的被控對象,比例+微分(PD)控制器能改進(jìn)系統(tǒng)在

調(diào)節(jié)過程中的動(dòng)態(tài)特性。

PID控制器的參數(shù)整定：

PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被

控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法很多,概括起來有兩大類：一是理論計(jì)算整定法。它主要是

依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,經(jīng)過理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必能夠直接用,還必須經(jīng)過工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定方法,它主

要依賴工程經(jīng)驗(yàn),直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行,且方法簡單、易于掌握,在工程實(shí)際中被廣泛采用。PID控制器參數(shù)的工程整定方法,主要有臨界比例法、反應(yīng)

曲線法和衰減法。三種方法各有其特點(diǎn),其共同點(diǎn)都是經(jīng)過試驗(yàn),然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù),都需

要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善?，F(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進(jìn)行

PID控制器參數(shù)的整定。PID參數(shù)整定步驟如下：首先預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作;(2)僅加入比例控制環(huán)節(jié),直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩,

記下這時(shí)的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期;(3)在一定的控制度下經(jīng)過公式計(jì)算得到PID控制器的參數(shù)。

在實(shí)際調(diào)試中,只能先大致設(shè)定一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值,然后根據(jù)調(diào)節(jié)效果修改。

對于溫度系統(tǒng)：P（%）20--60,I（分）3--10,D（分）0.5--3

對于流量系統(tǒng)：P（%）40--100,I（分）0.1--1

對于壓力系統(tǒng)：P（%）30--70,I（分）0.4--3

對于液位系統(tǒng)：P（%）20--80,I（分）1--5

參數(shù)整定找最佳,從小到大順序查

先是比例后積分,最后再把微分加

曲線振蕩很頻繁,比例度盤要放大

曲線漂浮繞大灣,比例度盤往小扳

曲線偏離回復(fù)慢,積分時(shí)間往下降

曲線波動(dòng)周期長,積分時(shí)間再加長

曲線振蕩頻率快,先把微分降下來

動(dòng)差大來波動(dòng)慢。微分時(shí)間應(yīng)加長

理想曲線兩個(gè)波,前高后低4比1

一看二調(diào)多分析,調(diào)節(jié)質(zhì)量不會(huì)低。 2、本次實(shí)習(xí)面板連接圖：四、實(shí)習(xí)內(nèi)容：調(diào)整液位傳感器參數(shù)，使其能夠準(zhǔn)確檢測水箱液位。=1\*GB2⑴、調(diào)零點(diǎn)：啟動(dòng)THKGK-1型試驗(yàn)臺(tái),查看液位顯示面板數(shù)值與實(shí)際零點(diǎn)液位是否相同，如果不同則取下液位傳感器后蓋旋轉(zhuǎn)調(diào)零旋鈕進(jìn)行調(diào)零。(2)、調(diào)增益：關(guān)閉上水箱出水閥同時(shí)向上水箱抽入一定量的水。待液位穩(wěn)定后調(diào)整增益旋鈕，使液位顯示面板與實(shí)際液位相同即完成增益調(diào)零。設(shè)計(jì)基于西門子200PLC的水箱液位PI控制程序=1\*GB2⑴、啟動(dòng)STEP7-Micro/WINSP3程序，首先進(jìn)行通信連接設(shè)置。正確設(shè)置PG/PC接口類型（確保PLC處于運(yùn)行狀態(tài)）。如下圖：(2)、待設(shè)置完成，雙擊刷新地址，待刷新完全部地址后，無錯(cuò)誤提示即連接成功。(3)、確認(rèn)后回到主界面進(jìn)行編程。程序包括讀取液位信號(hào)及轉(zhuǎn)換，PID程序塊，相關(guān)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和輸出控制。程序如下：(4)、完成程序的編寫后進(jìn)行編譯，若無錯(cuò)誤即可將程序下載至PLC中（若出現(xiàn)錯(cuò)誤查看所在位置錯(cuò)誤原因并修改）如下圖：(5)、下載完成后將PLC轉(zhuǎn)為運(yùn)行狀態(tài)并監(jiān)控程序狀態(tài)。(6)、在符號(hào)表的向?qū)е心軌虿榭唇⒌腜ID的相關(guān)參數(shù)的所在地址。如下圖：(7)、在狀態(tài)表中能夠?qū)ο鄳?yīng)地址中的參數(shù)進(jìn)行修改達(dá)到調(diào)整PID參數(shù)的目的。如下圖：(7)、能夠在工具菜單中的PID調(diào)節(jié)控制面板中整定PID參數(shù)知道達(dá)到理想響應(yīng)曲線位置。如下圖：設(shè)計(jì)基于MCGS組態(tài)軟件的上位機(jī)監(jiān)控程序，完成PI參數(shù)的調(diào)整、手自動(dòng)控制、液位曲線的監(jiān)控、數(shù)據(jù)歸檔、故障報(bào)警功能。(1)、雙擊桌面上的“MCGS通用組態(tài)環(huán)境”進(jìn)入運(yùn)行環(huán)境。新建工程后再新建窗口，選中窗口后選擇窗口屬性進(jìn)行相關(guān)設(shè)置。完成后并將其設(shè)置為啟動(dòng)窗口。如此一次建立液位控制、實(shí)時(shí)曲線、存盤數(shù)據(jù)、歷史曲線、報(bào)警記錄等窗口如下圖：(2)、切換到設(shè)備窗口，雙擊設(shè)備管理后在彈出的窗口中點(diǎn)擊右鍵，添加設(shè)備。點(diǎn)擊設(shè)備管理，在窗口左側(cè)選擇通用串口父設(shè)備，雙擊添加到右側(cè)窗口。再選擇西門子S7-200PPI雙擊添加到右側(cè)窗口。確認(rèn)后回到設(shè)備管理界面。雙擊通用串口父設(shè)備和S7-200PPI將其添加到設(shè)備窗口。(3)、雙擊通用串口父設(shè)備0進(jìn)入通用串口設(shè)備屬性編輯界面。編輯如下圖并確認(rèn)：(4)、設(shè)備調(diào)試。雙擊設(shè)備0，在彈出的窗口中切換到通道連接選項(xiàng)卡，點(diǎn)擊快速鏈接并確認(rèn)，切換到設(shè)備調(diào)試選項(xiàng)卡點(diǎn)擊檢查，若通道值顯示全部為0，表示通道連接正常，若為其它值能夠查閱相關(guān)材料并改正使其正常(5)、繪制工程效果圖。返回到用戶窗口中雙擊進(jìn)入用戶窗口。在工具欄中選擇工具箱并應(yīng)用里面的工具繪制工程圖。最終效果圖如下：(6)、西門子200PLC與MCGS通信連接。添加通道，切換到設(shè)備窗口，雙擊設(shè)備0進(jìn)入屬性設(shè)置。在基本屬性選項(xiàng)卡中的設(shè)備內(nèi)部屬性欄中點(diǎn)擊“…”在新彈出的窗口中點(diǎn)擊添加通道新增通道，選擇存儲(chǔ)器類型、輸入地址、選擇數(shù)據(jù)位的位數(shù)、讀寫類型等。確認(rèn)后完成通道添加。切換到通道連接選項(xiàng)卡能夠?qū)π绿砑拥耐ǖ肋M(jìn)行命名，完成后通道添加成功。(7)、添加數(shù)據(jù)組。將窗口切換到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)選項(xiàng)卡，新建對象，并雙擊新建的對象進(jìn)入屬性設(shè)置。將其重命名，將對象類型改為組對象，點(diǎn)擊組對象成員選項(xiàng)卡，向數(shù)據(jù)組中添加組對象成員，完成后確認(rèn)。(8)、數(shù)據(jù)連接對象（由于內(nèi)容較多不過與詳細(xì)的介紹，只給出部分重點(diǎn)的數(shù)據(jù)連接的介紹及截圖）雙擊對象進(jìn)入構(gòu)建屬性設(shè)置。如下所示： 在基本屬性選項(xiàng)卡勾選顯示輸出，然后點(diǎn)擊顯示輸出選項(xiàng)卡進(jìn)行設(shè)置： 在基本屬性選項(xiàng)卡勾選按鈕輸入，然后點(diǎn)擊按鈕輸入選項(xiàng)卡進(jìn)行設(shè)置：標(biāo)準(zhǔn)按鈕操作屬性設(shè)置（打開關(guān)閉用戶窗口、數(shù)據(jù)對象值操作、退出運(yùn)行系統(tǒng)等類似）：實(shí)時(shí)曲線構(gòu)件屬性設(shè)置，如下圖：歷史曲線窗口構(gòu)建設(shè)置。雙擊歷史曲線構(gòu)件后在數(shù)據(jù)來源選項(xiàng)中選擇之前建立的數(shù)據(jù)組，然后切換到曲線標(biāo)識(shí)做如下圖設(shè)置完成歷史曲線設(shè)置。存儲(chǔ)數(shù)據(jù)構(gòu)件設(shè)置。雙擊數(shù)據(jù)存盤窗口進(jìn)入，在添加的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)構(gòu)件上雙擊，進(jìn)行屬性設(shè)置。數(shù)據(jù)來源選擇：組對象對應(yīng)的存盤數(shù)據(jù)并選擇之前建立的數(shù)據(jù)組。再切換到顯示屬性選項(xiàng)卡進(jìn)行如下圖設(shè)置：即時(shí)液位警報(bào)記錄設(shè)置。在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)窗口中雙擊即時(shí)液位，為其添加警報(bào)設(shè)置，首先勾選允許警報(bào)處理，并勾選上限警報(bào)、下線警報(bào)，并修改其警報(bào)值。之后再警報(bào)記錄新建警報(bào)記錄構(gòu)件完成。如下圖：至此完成數(shù)據(jù)連接。(9)、環(huán)境系統(tǒng)運(yùn)行，點(diǎn)擊工具欄中的運(yùn)行系統(tǒng)環(huán)境按鈕。進(jìn)入組態(tài)系統(tǒng)環(huán)境控制界面（由于軟件問題流動(dòng)塊消失）。在運(yùn)行狀態(tài)下，能夠經(jīng)過修改相應(yīng)的PID參數(shù)得到滿意的響應(yīng)曲線，同時(shí)能夠?yàn)g覽存盤數(shù)據(jù)、警報(bào)記錄、歷史曲線等內(nèi)容。以下為部分截圖：輸入目標(biāo)液位：PLC自動(dòng)模式下調(diào)節(jié)：歷史曲線窗口：數(shù)據(jù)存盤窗口：警報(bào)記錄窗口：(10)、退出運(yùn)行環(huán)境，到這里已經(jīng)完成本次實(shí)習(xí)的全部內(nèi)容。五、實(shí)習(xí)總結(jié)與體會(huì)： 經(jīng)過本次實(shí)習(xí)，我對PLC在實(shí)際的應(yīng)用有了更多的了解。將課本中的知識(shí)運(yùn)用到實(shí)踐。同時(shí)能夠獨(dú)立編寫一些基本的PLC程序。用于實(shí)現(xiàn)一些簡單的功能。對組態(tài)環(huán)境的軟件也有一些認(rèn)識(shí)，熟悉了一個(gè)完整地工程