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1、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：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
2、令、变频器。目 录摘 要I第1章 绪论11.1 PLC的产生、定义及现状11.2 过程工业控制算法的应用现状21.3 PID控制的历史和发展现状31.4 论文的研究内容5第2章 S7-300中小型PLC和控制对象介绍62.1 西门子PLC控制系统62.1.1 CPU模块72.1.2 模拟量输入模块82.1.3 模拟量输出模块92.1.4 电源模块102.2 控制对象特性112.2.1 一阶单容上水箱特性112.2.2 二阶双容下水箱对象特性14第3章 PID控制算法介绍183.1 PID控制算法183.2 PID调节的各个环节及其调节过程203.2.1 比例控制与其调节过程213.2.2 比例
3、积分调节213.2.3 比例积分微分调节223.3 串级控制223.4 扩充临界比例法243.5在PLC中的PID控制的编程253.5.1 回路的输入输出变量的转换和标准化263.5.2 变量的范围283.5.3 控制方式与出错处理29第4章 控制方案设计314.1 系统设计314.1.1 上水箱液位的自动调节314.1.2上水箱下水箱液位串级控制系统324.2 硬件设计334.2.1 检测单元334.2.2 执行单元344.2.3 控制单元364.3 软件设计36第5章 实验情况介绍395.1 上水箱液位比例调节395.2 上水箱液位比例积分调节405.3 上水箱液位比例积分微分调节41第6
4、章 结论43参考文献44致谢46第1章 绪论1.1 PLC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
5、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-
6、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。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
7、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
8、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
9、一步提高控制质量。(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、
10、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
11、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
12、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“S
13、tabilog”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PI
14、D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，P
15、ID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
16、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。第2章 S7-300中小型PLC和控制对象介绍2.1 西门子PLC控制系统西门子的中小型PLC
17、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
18、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l 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。l 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。l 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l 满足各种要求的高性能
19、模块和三种CPU适用于任一场合。l 模块可扩展至最多三个扩展机架，相当高的安装密度。l 用于与SIMATIC其他产品相连的接口，集成了MMI(人机界面)设备，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
20、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
21、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，即位模块、位模块和位模块。系统选用了位模入模块，其端子接线图如图2-1所示。图
22、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
23、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。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：位模块、位模块和位模块。系统选用的模出模块，其端子接线图如图2-2所示。图2-2 SM 332 位模入模块端子接线图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。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 30
24、7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2.2 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
25、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
26、一阶有时延环节来近似。图2-6 一阶系统阶跃响应曲线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。第3
27、章 PID控制算法介绍3.1 PID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，为系统输出量，PID控制器的输入输出关系式为： (3-1) 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，误差信号,是回路输出的初始值，是PID回路的增益，和分别是积分时间和微分时间常数。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。
28、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，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) (3-3)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)
29、中可得差分方程 (3-4)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
30、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)。2. 增量型算式第(n-1)时刻控制量M(n1)，即 (3-5)将式(210)减式(211)得n时刻控制量的增量M(n)为 (3-6)其中 称为比例增益 称为积分系数 称为微分系数式(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。因此第n时刻的实际控制量为 (3-7)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
31、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。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
32、超调或产生不稳定,而过小会使响应速度缓慢,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)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
33、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调节的有差调节成
34、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
35、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
36、、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
37、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
38、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；(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
39、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
40、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),
41、值为1900，振荡周期称为临界振荡周期，值为30s。（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(最小误差平方面积)，那么式中下标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。5) 按所求的系统参数运行，观察系统
42、的运行情况，得到一个满意的曲线。3.5在PLC中的PID控制的编程第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
43、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
44、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。图4-1 上水箱液位自动调节系统控制框图4.2 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
45、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420mA直流，接线如图4-3所示。图4-3 压力变送器的接线图接线说明：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
46、，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)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。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
