液位串级控制系统研究与设计本科论文

液位串级控制系统研究与设计设计总说明在工业实际生产中，液位是过程控制系统的重要被控量，在石油化工环保水处理冶金等行业尤为重要。在工业生产过程自动化中，常常需要对某些设备和容器的液位进行测量和控制。本设计以过程控制实验室的TKJ2型高级过程控制实验设备为平台，设计了基于IPCPLC的分布式控制系统。上位机采用MCGS组态软件，用STEP7软件进行编程，下位机采用西门子S7200PLC。首先确定了中下水箱液位串级控制系统和主管流量下水箱液位串级控制系统两种控制方案。主要是看副控参数不同时其控制效果的变化，进行对比研究。然后完成了系统硬件和软件设计，硬件主要是选型和原理图的绘制，软件是完成组态画面的绘制、动画连接和PLC程序的编写。接着对中水箱、下水箱、中下水箱、主管流量用阶跃响应曲线法进行了建模与辨识，根据响应曲线法中的PID整定公式进行了调节器参数的整定，完成了下水箱、中下水箱和主管流量单回路PID控制，最终本着先副后主的串级整定方法对中下水箱液位串级控制系统和主管流量下水箱液位串级控制系统的主调节器参数进行了整定，完成了算法对比研究。通过系统调试得出了液位串级控制系统要比单回路控制效果好，表现在调节时间短，超调小，静差小等方面。关键词液位；PID整定；串级；响应曲线法RESEARCHANDDESIGNABOUTLEVELCASCADECONTROLSYSTEMDESIGNDESCRIPTIONININDUSTRIALPRODUCTION,THELEVELOFPROCESSCONTROLSYSTEMSCHARGEDWITHTHEAMOUNTOFPARTICULARLYIMPORTANTINTHEPETROLEUM,CHEMICAL,ENVIRONMENTALPROTECTION,WATERTREATMENT,METALLURGYANDOTHERINDUSTRIESAUTOMATIONOFINDUSTRIALPROCESSESOFTENNEEDTOMEASUREANDCONTROLTHELEVELOFCERTAINEQUIPMENTANDCONTAINERSTHISDESIGNPROCESSCONTROLLABORATORYTKJ2ADVANCEDPROCESSCONTROLLABORATORYEQUIPMENTASAPLATFORMTODESIGNADISTRIBUTEDCONTROLSYSTEMBASEDONIPCPLCHOSTCOMPUTERUSESMCGSCONFIGURATIONSOFTWARE,PROGRAMMINGWITHSTEP7SOFTWARE,THENEXTMACHINEWITHSIEMENSS7200PLCFIRSTDETERMINETHETWOCONTROLSCHEMESOFTHEFLOWOFTHELOWERTANKLEVELCASCADECONTROLSYSTEMANDCOMPETENTTANKLEVELCASCADECONTROLSYSTEMMAINLYTOSEETHEVICECONTROLPARAMETERSWHILETHEEFFECTOFCHANGES,ACOMPARATIVESTUDYANDTHENCOMPLETETHESYSTEMHARDWAREANDSOFTWAREDESIGN,HARDWARESELECTIONANDSCHEMATICDRAWING,THESOFTWAREISCOMPLETETHECONFIGURATIONSCREENDRAWING,ANIMATIONSCONNECTIONANDPLCPROGRAMTOWRITENONTHETANK,UNDERTANK,UNDERTANKCOMPETENTFLOWSTEPRESPONSECURVEMETHODFORMODELINGANDIDENTIFICATION,TUNINGTHEREGULATORPARAMETERSACCORDINGTOTHERESPONSECURVEMETHODOFPIDTUNINGFORMULA,COMPLETEDUNDERTHETANK,THENEXTTANKANDCOMPETENTFLOWSINGLELOOPPIDCONTROL,ULTIMATELYTHESPIRITOFTHEFIRSTVICEEMPERORCASCADETUNINGMETHODOFTUNINGCASCADECONTROLSYSTEMOFTANKLEVELANDINCHARGEOFTRAFFICOFTHEMAINREGULATOROFTHETANKLEVELCASCADECONTROLSYSTEMPARAMETERS,ANDCOMPLETEALGORITHMFORCOMPARATIVESTUDYLEVELCASCADECONTROLSYSTEMTHANTHESINGLELOOPCONTROLRESULTSOBTAINEDTHROUGHTHESYSTEMDEBUGGING,PERFORMANCEINTHESHORTADJUSTMENTTIME,SMALLOVERSHOOTANDSTATICERROR,ANDOTHERASPECTSKEYWORDSPROCESSCONTROL；PIDTUNING；CASCADE；THERESPONSECURVEMETHOD目录1绪论111研究背景112国内外研究现状2121国外研究现状2122国内研究现状313软件简介4131MCGS软件4132MATLAB软件514论文主要研究内容62系统控制方案设计821串级控制系统8211串级系统的组成结构8212串级系统设计822PID控制原理1023PID整定11231单回路PID整定方法11232串级系统PID整定方法1324方案设计14241中下水箱液位串级14242主管流量下水箱液位串级143系统硬件设计1631系统硬件选型1632系统硬件原理图174系统软件设计1841上位机组态设计18411建立数据对象及通道18412组态画面设计1942PLC程序设计24421PLC的I/O口分配24422中间变量24423程序流程图255被控对象建模与辨识2751阶跃响应曲线法建立模型2752被控对象参数辨识27521中水箱参数辨识27522下水箱参数辨识29523中下水箱参数辨识31524主管流量参数辨识326系统调试3461下水箱单回路3462中下水箱单回路3463中下水箱液位串级35631中水箱单回路35632中下水箱液位串级3664下水箱液位主管流量串级38641主管流量单回路38642下水箱液位主管流量串级397总结42致谢43参考文献44附录451绪论11研究背景随着工业生产的飞速发展，人们对控制系统的控制精度、响应速度、系统稳定性与适应能力的要求越来越高。而实际工业生产过程中的被控对象往往具有非线性、时线性、时延对象的先进控制策略，提高系统的控制水平，具有重要的实际意义。每一个先进实用的控制算法的出现都对工业生产具有巨大的推动作用。然而，当前的学术研究成果与实际生产应用技术水平并不是同步的，甚至相差几十年。在我国，越是高深的、先进的控制理论，其研究越是局限于少数科研院所的狭小范围内，也越是远离了国民生产这个应用基地。最近几年，国内一些控制领域已接近甚或超越了国际水平，然而，就先进理论应用于工业生产等领域的状况来讲，与发达国家相比却存在较大差距。其原因固然是多方面的。但是，一个很明显的原因就是在于理论研究尚缺乏实际背景的支持，理论的算法一旦应用于现场就会遇到各种各样的实际问题，制约了其应用前景。在目前尚不具有在实验室中复现真实工业过程条件的今天，开发经济实用的具有典型对象特性的实验装置无疑是一条探索将理论成果转化为应用技术的捷径。自本世纪30年代以来，伴随着自动控制理论的日趋成熟，自动化技术不断地发展并获得了惊人的成就，在工业生产和科学发展中起着关键性的作用。过程控制技术是自动化技术的重要组成部分，普遍运用于石油，化工，电力，冶金，轻工，纺织，建材等工业部门。初期的过程控制系统采用基地式仪表和部分单元组合仪表，过程控制系统结构大多是单输入，单输出系统，过程控制理论是以频率法和根轨迹法为主体的经典控制理论，以保持被控参数温度，液位，压力，流量的稳定和消除主要扰动为控制目的过程。其后，串级控制，比值控制和前馈控制等复杂过程控制系统逐步应用于工业生产中，气动和电动单元组合仪表也开始大量采用，同时电子技术和计算机技术开始应用于过程控制领域，实现了直接数字控制（DDC）和设定值控制（SPC）。之后，以最小二乘法为基础的系统辨识，以极大值和动态规划为主要方法的最优控制和以卡尔曼滤波理论为核心的最佳估计所组成的现代控制理论，开始应用于解决过程控制生产中的非线性，耦合性和时变性等问题，使得工业过程控制有了更好的理论基础。同时新型的分布式控制系统（DCS）集计算机技术、控制技术、通讯技术、故障诊断技术和图形显示技术为一体，使工业自动化进入控制管理一体化的新模式。现今工业自动化己进入计算机集成过程系统（CIPS）时代，并依托人工智能，控制理论和运筹学相结合的智能控制技术向工厂综合自动化的方向发展。代化过程工业向着大型化和连续化的方向发展，生产过程也随之日趋复杂，而对生产质量经济效益的要求，对生产的安全、可靠性要求以及对生态环境保护的要求却越来越高。不仅如此，生产的安全性和可靠性，生产企业的经济效益都成为衡量当今自动控制水平的重要指标。因此继续采用常规的调节仪表（模拟式与数字式）已经不能满足对现代化过程工业的控制要求。由于计算机具有运算速度快精度高存储量大编程灵活以及具有很强的通信能力等特点，目前以微处理器单片微处理器为核心的工业控制几与数字调节器过程计算机设备，正逐步取代模拟调节器，在过程控制中得到十分广泛的作用。在控制系统中引入计算机，可以充分利用计算机的运算逻辑判断和记忆等功能完成多种控制任务和实现复杂控制规律。在系统中，由于计算机只能处理数字信号，因而给定值和反馈量要先经过A/D转换器将其转换为数字量，才能输入计算机。当计算机接受了给定值和反馈量后，依照偏差值，按某种控制规律（PID）进行运算，计算结果再经D/A转换器，将数字信号转换成模拟信号输出到执行机构，从而完成对系统的控制作用。12国内外研究现状随着人们生活质量的提高和环境的变化，“水”已经成为人们关注的对象不管是生活用水，是工业用水，这都牵扯水的过程控制问题。将PID算法运用到水位控制系统中，不仅可以解决水塔的自动化给水问题而且还可以合理、安全、节约地使用水资源，进而使居民安居乐业，使我国工业自动化不断的向前发展121国外研究现状德国AMIRA自动化公司研制的水箱系统是著名的智能实验设备之一，在国外很多大学和实验室都已得到了广泛的应用，国内也有包括清华大学、浙江大学、吉林大学等高校引进了AMIRA公司研制的水箱过程控制实验装置。但是，由于德国AMIRA自动化公司研制的双容水箱系统价格太高，给购置这个实验设备带来很多困难。也正是受其高价格的限制，目前，国内只是少数高校的部分实验室引进了这个设备，给基于双容水箱系统的算法研究和仿真带来了困难。液位控制系统一般指工业生产过程中自动控制系统的被控变量为液位的系统。在生产过程中，对液位的相关参数进行控制，使其保持为一定值或按一定规律变化，以保证质量和生产安全，使生产自动进行下去。液位过程参数的变化不但受到过程内部条件的影响，也受外界条件的影响，而且影响生产过程的参数一般不止一个，在过程中的作用也不同，这就增加了对过程参数进行控制的复杂性，或者控制起来相当困难，因此形成了过程控制的下列特点1对象存在滞后热工生产大多是在庞大的生产设备内进行，对象的储存能力大，惯性也较大，设备内介质的流动或热量传递都存在一定的阻力，并且往往具有自动转向平衡的趋势。因此，当流入流出对象的质量或能量发生变化时，由于存在容量、惯性、阻力，被控参数不可能立即产生响应，这种现象叫做滞后。2对象特性的非线性对象特性大多是随负荷变化而变化，当负荷改变时，动态特性有明显的不同。大多数生产过程都具有非线性，弄清非线性产生的原因及非线性的实质是极为重要的。3控制系统较复杂从生产安全方面考虑，生产设备的设计制造都力求生产过程进行平稳，参数变化不超出极限范围，也不会产生振荡，作为被控对象就具有非振荡环节的特性。过程的稳定被破坏后，往往具有自动趋向平衡的能力，即被控量发生变化时，对象本身能使被控量逐渐稳定下来，这就具有惯性环节的特性。也有不能趋向平衡，被控量一直变化而不能稳定下来的，这就是具有积分的对象。任何生产过程被控制的参数都不是一个，这些参数又各具有不同的特性，因此要针对这些不同的特性设计相应不同的控制系统。122国内研究现状国内也有一些厂家研制了水箱液位系统。GWT系列水箱液位控制实验装置由固高科技有限公司协同香港城市大学联合研制开发而成，并经过香港城市大学多年的实践检验，充分证明了其教学、实验和研究价值。用户既可通过经典的PID控制器设计与调试，完成经典控制教学实验，也可通过模糊逻辑控制器的设计与调试，进行智能控制教学实验与研究。各种控制器的控制效果既通过水位的变化直观地反映出来，同时通过液位传感器对水位的精确检测，方便地获得瞬态响应指标，准确评估控制性能。开放的控制器平台，便于用户进行自己的控制器设计，满足创新研究的需要。THJS1型双容水箱对象系统实验装置由浙江天煌科技实业有限公司研制开发，它的出现为各大专院校，科研院所从事自动控制理论学习、研究及控制模型和算法探索的教师，科研人员及高年级本科生和研究生提供了一个具体的控制对象。液位控制系统在国内各行各业的应用已经十分广泛，但从国内生产的液位控制器来讲，同国外的日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有差距。目前，我国液位控制主要以常规的PID控制器为主，它只能适应一般系统控制，难于控制滞后、复杂、时变温度系统控制。而适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。由于工业过程控制的需要，特别是在微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外液位控制系统发展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果，在这方面，以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的液位控制器及仪器仪表，并在各行业广泛应用。13软件简介131MCGS软件计算机技术和网络技术的飞速发展，为工业自动化开辟了广阔的发展空间，用户可以方便快捷地组建优质高效的监控系统，并且通过采用远程监控及诊断等先进技术，使系统更加安全可靠，在这方面MCGS工控组态软件发挥着重要的作用MCGSMONITORANDCONTROLGENERATEDSYSTEM软件是一套几基于WINDOWS平台的32位工控组态软件，集动画显示、流程控制、数据采集、设备控制与输出、网络数据传输、工程报表、数据与曲线等诸多强大功能于一身，并支持国内外众多数据采集与输出设备,广泛应用于石油、电力、化工、钢铁、冶金、纺织、航天、建筑、材料、制冷、通讯、水处理、环保、智能楼宇、实验室等多种行业。MCGS组态软件由“MCGS组态环境”和“MCGS运行环境”两个部分组成。MCGS组态环境是生成用户应用系统的工作环境，由可执行程序MCGSSETEXE支持，用户在MCGS组态环境中完成动画设计、设备连接、编写控制流程、编制工程打印报表等全部组态工作后，生成扩展名为MCG的工程文件，又称为组态结果数据库，其与MCGS运行环境一起，构成了用户应用系统，统称为“工程”。MCGS运行环境是用户应用系统的运行环境，由可执行程序MCGSRUNEXE支持,以用户指定的方式运行,并进行各种处理,完成用户组态设计的目标和功能。利用MCGS软件组建工程的过程简介1工程项目系统分析分析工程项目的系统构成、技术要求和工艺流程，弄清系统的控制流程和测控对象的特征，明确监控要求和动画显示方式，分析工程中的设备采集及输出通道与软件中实时数据库变量的对应关系，分清哪些变量是要求与设备连接的，哪些变量是软件内部用来传递数据及动画显示的。2工程立项搭建框架主要内容包括定义工程名称、封面窗口名称和启动窗口名称，指定存盘数据库文件的名称以及存盘数据库，设定动画刷新的周期。经过此步操作，即在MCGS组态环境中，建立了由五部分组成的工程结构框架。3设计菜单基本体系为了对系统运行的状态及工作流程进行有效地调度和控制，通常要在主控窗口内编制菜单。编制菜单分两步进行，第一步首先搭建菜单的框架，第二步再对各级菜单命令进行功能组态。在组态过程中，可根据实际需要，随时对菜单的内容进行增加或删除，不断完善工程的菜单。4制作动画显示画面动画制作分为静态图形设计和动态属性设置两个过程。前一部分用户通过MCGS组态软件中提供的基本图形元素及动画构件库，在用户窗口内组合成各种复杂的画面。后一部分则设置图形的动画属性，与实时数据库中定义的变量建立相关性的连接关系，作为动画图形的驱动源。5编写控制流程程序在运行策略窗口内，从策略构件箱中，选择所需功能策略构件，构成各种功能模块，由这些模块实现各种人机交互操作。MCGS还为用户提供了编程用的功能构件，使用简单的编程语言，编写工程控制程序。6完善菜单按钮功能包括对菜单命令、监控器件、操作按钮的功能组态；实现历史数据、实时数据、各种曲线、数据报表、报警信息输出等功能；建立工程安全机制等。7编写程序调试工程利用调试程序产生的模拟数据，检查动画显示和控制流程是否正确。8连接设备驱动程序选定与设备相匹配的设备构件，连接设备通道，确定数据变量的数据处理方式，完成设备属性的设置。此项操作在设备窗口内进行。9工程完工综合测试最后测试工程各部分的工作情况，完成整个工程的组态工作，实施工程交接。132MATLAB软件MATLAB软件是由美国MATHWORKS公司开发的，是目前国际上最流行、应用最广泛的科学与工程计算软件，它广泛应用于自动控制、数学运算、信号分析、计算机技术、图形图象处理、语音处理、汽车工业、生物医学工程和航天工业等各行各业，也是国内外高校和研究部门进行许多科学研究的重要工具。MATLAB最早发行于1984年，经过10余年的不断改进，现今已推出基于WINDOWS2000/XP的MATLAB70版本。新的版本集中了日常数学处理中的各种功能，包括高效的数值计算、矩阵运算、信号处理和图形生成等功能。在MATLAB环境下，用户可以集成地进行程序设计、数值计算、图形绘制、输入输出、文件管理等各项操作。MATLAB提供了一个人机交互的数学系统环境，该系统的基本数据结构是复数矩阵，在生成矩阵对象时，不要求作明确的维数说明，使得工程应用变得更加快捷和便利。MATLAB系统由五个主要部分组成1MATALB语言体系MATLAB是高层次的矩阵数组语言具有条件控制、函数调用、数据结构、输入输出、面向对象等程序语言特性。利用它既可以进行小规模编程，完成算法设计和算法实验的基本任务，也可以进行大规模编程，开发复杂的应用程序。2MATLAB工作环境这是对MATLAB提供给用户使用的管理功能的总称包括管理工作空间中的变量据输入输出的方式和方法，以及开发、调试、管理M文件的各种工具。3图形图像系统这是MATLAB图形系统的基础，包括完成2D和3D数据图示、图像处理、动画生成、图形显示等功能的高层MATLAB命令，也包括用户对图形图像等对象进行特性控制的低层MATLAB命令，以及开发GUI应用程序的各种工具。4MATLAB数学函数库这是对MATLAB使用的各种数学算法的总称包括各种初等函数的算法，也包括矩阵运算、矩阵分析等高层次数学算法。5MATLAB应用程序接口API这是MATLAB为用户提供的一个函数库，使得用户能够在MATLAB环境中使用C程序或FORTRAN程序，包括从MATLAB中调用于程序动态链接，读写MAT文件的功能。MATLAB还具有根强的功能扩展能力，与它的主系统一起，可以配备各种各样的工具箱，以完成一些特定的任务。MATLAB具有丰富的可用于控制系统分析和设计的函数，MATLAB的控制系统工具箱CONTROLSYSTEMTOOLBOX提供对线性系统分析、设计和建模的各种算法；MATLAB的系统辨识工具箱（SYSTEMIDENTIFICATIONTOOLBOX）可以对控制对象的未知对象进行辨识和建模。MATLAB的仿真工具箱（SIMULINK）提供了交互式操作的动态系统建模、仿真、分析集成环境。它用结构框图代替程序智能化地建立和运行仿真，适应线性、非线性系统；连续、离散及混合系统；单任务，多任务离散事件系统。14论文主要研究内容本设计以过程控制实验室的TKJ2型高级过程控制实验设备为平台，设计了基于IPCPLC的分布式控制系统。上位机采用MCGS组态软件，用STEP7软件进行编程，下位机采用西门子S7200PLC。首先确定了中下水箱液位串级控制系统和主管流量下水箱液位串级控制系统两种控制方案。主要是看副控参数不同时其控制效果的变化，进行对比研究。然后完成了系统硬件和软件设计，硬件主要是选型和原理图的绘制，软件是完成组态画面的绘制、动画连接和PLC程序的编写。接着对中水箱、下水箱、中下水箱、主管流量用阶跃响应曲线法进行了建模与辨识，根据响应曲线法中的PID整定公式进行了调节器参数的整定，完成了下水箱、中下水箱和主管流量单回路PID控制，最终本着先副后主的串级整定方法对中下水箱液位串级控制系统和主管流量下水箱液位串级控制系统的主调节器参数进行了整定，完成了算法对比研究。2系统控制方案设计21串级控制系统211串级系统的组成结构串级控制系统是两个调节器串联起来工作，其中一个调节器的输出作为另一个调节器的给定值的系统。串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器，前一个调节器的输出作为后一个调节器的设定，后一个调节器的输出送往调节阀。前一个调节器称为主调节器，它所检测和控制的变量称主变量（主被控参数），即工艺控制指标；后一个调节器称为副调节器，它所检测和控制的变量称副变量（副被控参数），是为了稳定主变量而引入的辅助变量。整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成；主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。一次扰动作用在主被控过程上的，而不包括在副回路范围内的扰动。二次扰动作用在副被控过程上的，即包括在副回路范围内的扰动。在串级控制系统中，由于引入了一个副回路，不仅能及早克服进入副回路的扰动，而且又能改善过程特性。副调节器具有“粗调”的作用，主调节器具有“细调”的作用，从而使其控制品质得到进一步提高。212串级系统设计1、主回路的设计串级控制系统的主回路是定值控制，其设计单回路控制系统的设计类似，设计过程可以按照简单控制系统设计原则进行。这里主要解决串级控制系统中两个回路的协调工作问题。主要包括如何选取副被控参数、确定主、副回路的原则等问题。2、副回路的设计由于副回路是随动系统，对包含在其中的二次扰动具有很强的抑制能力和自适应能力，二次扰动通过主、副回路的调节对主被控量的影响很小，因此在选择副回路时应尽可能把被控过程中变化剧烈、频繁、幅度大的主要扰动包括在副回路中，此外要尽可能包含较多的扰动。归纳如下在设计中要将主要扰动包括在副回路中。将更多的扰动包括在副回路中。副被控过程的滞后不能太大，以保持副回路的快速相应特性。要将被控对象具有明显非线性或时变特性的一部分归于副对象中。在需要以流量实现精确跟踪时，可选流量为副被控量。在这里要注意2和3存在明显的矛盾，将更多的扰动包括在副回路中有可能导致副回路的滞后过大，这就会影响到副回路的快速控制作用的发挥，因此，在实际系统的设计中要兼顾2和3的综合。3主、副回路的匹配（1）主、副回路中包含的扰动数量、时间常数的匹配设计中考虑使二次回路中应尽可能包含较多的扰动，同时也要注意主、副回路扰动数量的匹配问题。副回路中如果包括的扰动越多，其通道就越长，时间常数就越大，副回路控制作用就不明显了，其快速控制的效果就会降低。如果所有的扰动都包括在副回路中，主调节器也就失去了控制作用。原则上，在设计中要保证主、副回路扰动数量、时间常数之比值在310之间。比值过高，即副回路的时间常数较主回路的时间常数小得太多，副回路反应灵敏，控制作用快，但副回路中包含的扰动数量过少，对于改善系统的控制性能不利；比值过低，副回路的时间常数接近主回路的时间常数，甚至大于主回路的时间常数，副回路虽然对改善被控过程的动态特性有益，但是副回路的控制作用缺乏快速性，不能及时有效地克服扰动对被控量的影响。严重时会出现主、副回路“共振”现象，系统不能正常工作。（2）主、副调节器的控制规律的匹配、选择在串级控制系统中，主、副调节器的作用是不同的。主调节器是定值控制，副调节器是随动控制。系统对二个回路的要求有所不同。主回路一般要求无差，主调节器的控制规律应选取PI或PID控制规律；副回路要求起控制的快速性，可以有余差，一般情况选取P控制规律而不引入I或D控制。如果引入I控制，会延长控制过程，减弱副回路的快速控制作用；也没有必要引入D控制，因为副回路采用P控制已经起到了快速控制作用，引入D控制会使调节阀的动作过大，不利于整个系统的控制。（3）主、副调节器正反作用方式的确定一个过程控制系统正常工作必须保证采用的反馈是负反馈。串级控制系统有两个回路，主、副调节器作用方式的确定原则是要保证两个回路均为负反馈。确定过程是首先判定为保证内环是负反馈副调节器应选用那种作用方式，然后再确定主调节器的作用方式。22PID控制原理目前，随着控制理论的发展和计算机技术的广泛应用，PID控制技术日趋成熟。先进的PID控制方案和智能PID控制器（仪表）已经很多，并且在工程实际中得到了广泛的应用。现在有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器，能实现PID控制功能的可编程控制器PLC，还有可实现PID控制的计算机系统等。在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例积分微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、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。YTRTRT比例P积分I微分D被控对象图21PID控制基本原理图PID控制器是一种线性负反馈控制器，根据给定值RT与实际值YT构成控制偏差（21）TYRTEPID控制规律为（22）10DTETTTKTUIP或以传递函数形式表示（23）1STSEGDIP式中，比例系数积分时间常数微分时间常数PKITDPID控制器各控制规律的作用如下（1）比例控制（P）比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系，能较快克服扰动，使系统稳定下来。但当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（2）积分控制（I）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，则称此控制系统是有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差的累积取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会越大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。但是过大的积分速度会降低系统的稳定程度，出现发散的振荡过程。比例积分PI控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。（3）微分控制（D）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环节或有滞后环节，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办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。所以在控制器中仅引入“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。特别对于有较大惯性或滞后环节的被控对象，比例积分控制能改善系统在调节过程中的动态特性。PID控制器的参数整定是控制系统设计的重要内容，应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。23PID整定231单回路PID整定方法PID控制器参数整定的方法分为两大类一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。由于实验测定的过程数学模型只能近似反映过程动态特，理论计算的参数整定值可靠性不高，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统试验中进行控制器参数整定，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减曲线法。三种方法都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。1临界比例法在闭合控制系统中，把调节器的积分时间置于最大，微分时间置零，ITDT比例度置于较大数值，把系统投入闭环运行，将调节器的比例度由大到小逐渐减小，得到临界振荡过程，记录下此时的临界比例度和临界振荡周期K。根据以下经验公式计算调节器参数MT表21临界振荡整定计算公式调节器参数控制规律PITDPM2PI21/PID61MT50M2阻尼振荡法在闭合控制系统中，把调节器的积分时间置于最大，微分时间置零，IDT比例度置于较大数值反复做给定值扰动实验，并逐渐减少比例度，直至记录曲线出现41的衰减为止。记录下此时的41衰减比例度和衰减周期。SPS根据以下经验公式计算调节器参数表22阻尼振荡整定计算公式调节器参数控制规律PITDPSPI21S50PIDS8T3S13反应曲线法若被控对象为一阶惯性环节或具有很小的纯滞后，则可根据系统开环广义过程测量变送器阶跃响应特性进行近似计算。在调节阀的输入端加一阶跃信号，记录测量变送器的输出响应曲线，并根据该曲线求出代表广义过程的动态特性参数。表23反应曲线法整定公式调节器参数控制规律PITDP0TPI1P03PID085T205232串级系统PID整定方法在工程实践中，串级控制系统常用的整定方法有以下三种1、逐步逼近法在主回路断开的情况下，按照单回路的整定方法求取副调节器的整定参数，把副调节器的参数设置在所求的数值上，然后使主回路闭合，仍按单回路整定方法求取主调节器的整定参数。而后，将主调节器参数设置在所求得的数值上，再进行整定，求取第二次副调节器的整定参数值，然后再整定主调节器。依此类推，逐步逼近，直至满足动态品质指标要求为止。2、两步整定法两步整定法就是第一步整定副调节器参数，第二步整定主调节器参数。整定的具体步骤为1在工况稳定，主回路闭合，主、副调节器都在纯比例作用条件下，主调节器的比例度置于100，然后用单回路控制系统的衰减（如41）曲线法来整定副回路。记下相应的比例度和振荡周期。ST22将副调节器的比例度置于所求得的值上，且把副回路作为主回路中S2的一个环节，用同样方法整定主回路，求取主回路的比例度和振荡周期。S1ST13根据求取的、和、值，按单回路系统衰减曲线法的整定公S1TS2式，计算主、副调节器的比例度、积分时间和微分时间的数值。ITDT4按“先副后主”，“先比例后积分最后微分”的整定程序，设置主、副调节器的参数，再观察过渡过程曲线，必要时进行适当地调整，直到过程的动态品质达到满意为止。3、一步整定法一步整定法，就是根据经验先确定副调节器的参数，然后将副回路作为主回路的一个环节，按单回路反馈控制系统的整定方法整定主调节器的参数。具体的整定步骤为1在工况稳定，系统为纯比例作用的情况下，根据这一关50/20SK系式，通过副回路的放大系数，求取副调节器的比例放大系数或按经验02K选取，并将其设置在副调节器上。2按照单回路控制系统的任一种参数整定方法来整定主调节器的参数。3改变给定值，观察被控制量的响应曲线。根据主调节器放大系数和1K副调节器放大系数的匹配原理，适当调整调节器的参数，使主参数的动态2K品质指标最佳。4如果出现较大的振荡现象，只要加大主调节器的比例度或增大积分时间常数，即可得到改善。IT24方案设计241中下水箱液位串级设计建立的串级控制系统由主副两个控制回路组成，每一个回路又有自己的调节器和控制对象。主回路中的调节器称主调节器，控制主对象（下水箱）。副回路中的调节器称副调节器，控制副对象（中水箱）。主调节器有自己独立的设定值，它的输出作为副调节器的给定值，副调节器的输出控制执行器，以改变下水箱液位液位调节器1液位调节器2电动调节阀中水箱下水箱液位变送器2液位变送器1一次干扰二次干扰图32中下水箱液位串级方框图242主管流量下水箱液位串级设计建立的串级控制系统由主副两个控制回路组成，每一个回路又有自己的调节器和控制对象。主回路中的调节器称主调节器，控制主对象（下水箱）。副回路中的调节器称副调节器，控制副对象（主管道）。主调节器有自己独立的设定值，它的输出作为副调节器的给定值，副调节器的输出控制执行器，以改变下水箱液位液位调节器流量调节器电动调节阀中下水箱流量变送器液位变送器管道一次干扰二次干扰图33主管流量下水箱液位串级方框图3系统硬件设计31系统硬件选型表31硬件选型表名称型号参数个数水箱无中水箱D25CM,H20CM下水箱D35CM,H20CM2扩散硅压力变送器MB400精度为05级，420MA电流（须外供24V直流电源）2涡轮流量计LWGY10流量范围012M3/H，精度10，输出420MA标准信号1智能型电动调节阀QSVP16K电源220VAC50HZ输入控制信号420MADC或15VDC1丹麦泵UPS2560电源220V功率45W至90W最大流量38M3/H最大扬程5M进出口径25MM1电磁阀2W16025工作压力最小压力为0KG/2，最大压力为7KG/2工作温度5801S7200PLCCPU224CNI/O14/101模拟量扩展模块EM235转换时间小于250US稳定时间电压100US,电流020MA132系统硬件原理图图31硬件原理图液位变送器采用压力传感器、变送器，采用工业用的扩散硅压力变送器，含不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。压力传感器用来对上、中、下水箱的液位进行检测，其精度为05级，因为为二线制，故工作时需串接24V直流电源。流量变送器采用流量传感器、转换器，流量传感器用来对电动调节阀支路、的流量进行测量。涡轮流量计型号LWGY10，流量范围012M3/H，精度10。输出420MA标准信号。执行机构用电动调节阀，采用智能型电动调节阀，用来进行控制回路流量的调节。电动调节阀型号为QSVP16K。具有精度高、技术先进、体积小、重量轻、推动力大、功能强、控制单元与电动执行机构一体化、可靠性高、操作方便等优点，控制信号为420MADC或15VDC，输出420MADC的阀位信号，使用和校正非常方便。4系统软件设计41上位机组态设计411建立数据对象及通道表41数据对象及通道类型数据对象注释通道类型自动手动切换MAN手动标志M00S1_PV水箱液位测量值DF100水箱特性测试S1_MV电动调节阀输出值DF104S2_PV水箱液位测量值DF110S2_MV电动调节阀输出值DF114单回路S2_SV水箱液位设定值DF118S3_PV1中水箱液位测量值DF130S3_PV2下水箱液位测量值DF134S3_MV1电动调节阀输出值DF138中下水箱液位串级S3_SV下水箱液位设定值DF142S4_PV主管流量测量值DF150S4_MV电动调节阀输出值DF154S4_SV主管流量设定值DF158S4_PV2下水箱液位测量值DF162液位流量串级S4_SV2下水箱液位设定值DF166KP0比例增益DF312TI0积分时间DF320副调节器TD0微分时间DF324KP1比例增益DF412TI1积分时间DF420主调节器TD1微分时间DF424412组态画面设计1、水箱特性测试及数据采集图41水箱特性测试图42水箱液位数据采集2、单回路PID及数据采集图43单回路PID整定图44单回路PID数据采集3、中下水箱液位串级图45中下水箱液位串级4、主管流量特性测试及数据采集图46主管流量特性测试图47主管流量数据采集5、主管流量PID及数据采集图48主管流量PID整定图49主管流量PID整定数据采集6、液位流量串级图410液位流量串级42PLC程序设计421PLC的I/O口分配表42I/O地址分配输入输出功能AIW0中水箱液位变送器信号输入/主管流量变送器信号输入AIW2下水箱液位变送器信号输入AQW0PID输出，用于控制电动调节阀开度422中间变量表43中间变量变量功能SM00PLC运行状态监控位M00手动运行SMB34用于存储定时中断时间间隔VD500由AIW0转换的工程量VD504由AIW2转换的工程量VD5PID输出值AC0累加器AC1累加器AC2累加器VB300PID0控制回路表的起始地址VD300LOOP0的过程变量值，标准化至0010之间VD304LOOP0的给定值，标准化至0010之间VD308LOOP0的输出值，标准化至0010之间VD316LOOP0的采样周期，以秒为单位VD328LOOP0的前一时刻积分项累计值，标准化至0010之间VB400PID1控制回路表的起始地址VD400LOOP1的过程变量值，标准化至0010之间VD404LOOP1的给定值，标准化至0010之间VD408LOOP1的输出值，标准化至0010之间VD416LOOP1的采样周期，以秒为单位VD428LOOP1的前一时刻积分项累计值，标准化至0010之间423程序流程图1、主程序流程图开始初始化设定电动调节阀开度结束图411水箱/主管流量特性测试开始初始化结束是否需要手动调节设定水箱液位/主管流量PID控制手动调节YN图412单回路水箱液位/主管流量PID开始初始化结束是否需要手动调节设定水箱液位PID串级控制手动调节YN图413液位串级PID2、中断程序流程图开始返回读AIW0的值标准化01之间读AIW2的值标准化01之间将VD5换算为工程实际值送至AQW0经D/A转换后输出图414中断程序流程图5被控对象建模与辨识51阶跃响应曲线法建立模型在本设计中将通过实验建模的方法，分别测定被控对象中水箱、下水箱和中下水箱在输入阶跃信号后的液位响应曲线和相关参数以及主管流量的响应曲线和参数。通过磁力驱动泵供水，手动控制电动调节阀的开度大小,改变水箱液位的给定量，从而对被控对象施加阶跃输入信号，记录阶跃响应曲线。在测定模型参数中通过在MCGS监控软件组建人机对话窗口，改变调节阀开度,控制水箱进水量的大小，从而改变水箱液位及主管流量，实现对被控对象的阶跃信号输入。控制进水量供水水施加阶跃输入信号阶跃响应输出丹麦泵电动调节阀阀水箱图51水箱模型测定原理图52被控对象参数辨识521中水箱参数辨识按图连接线路,手动操作调节器,控制调节阀开度,使初始开度OP140,等到水箱的液位处于平衡位置时。改变调节阀开度至OP260,即对中水箱输入阶跃信号,使其液位离开原平衡状态。经过一定调节时间后,水箱液位重新进入平衡状态。图52中水箱阶跃响应曲线由于实验测定数据可能存在误差，直接使用计算法求解水箱模型会使误差增大。所以使用MATLAB软件对实验数据进行处理，根据最小二乘法原理和实验数据对响应曲线进行最佳拟合后，再计算水箱模型。实验数据中将阶跃响应初始点的值作为Y轴坐标零点，后面的数据依次减去初始值处理，作为Y轴上的各阶跃响应数据点；将对应Y轴上阶跃响应数据点的采集时间作为曲线上各X点的值。M文件如下X0201100Y0910981892734405463515561663867701727752774793818278418548668768858949019089149292492993393693994194494694995195395495595795895996961969619629629629619695996091YY/20PPOLYFITX,Y,12Y1POLYVALP,XPLOTX,Y,BO,X,Y1,R在MATLAB中绘出拟合曲线如下图53中水箱阶跃响应拟合曲线根据曲线采用切线作图法计算中水箱特性参数如下图54中水箱参数计算曲线由图知204,18,2XYKST故中水箱传递函数为ESSG1812222下水箱参数辨识按图连接线路,手动操作调节器,控制调节阀开度,使初始开度OP130,等到水箱的液位处于平衡位置时。改变调节阀开度至OP250,即对中水箱输入阶跃信号,使其液位离开原平衡状态。经过一定调节时间后,水箱液位重新进入平衡状态。同理，在MATLAB中绘出拟合曲线如下图55下水箱阶跃响应拟合曲线根据曲线采用切线作图法计算下水箱特性参数如下图56下水箱参数计算曲线一图57下水箱参数计算曲线二由图知45209,12,478XYKST故下水箱传递函数为ESSG12478523中下水箱参数辨识按图连接线路,手动操作调节器,控制调节阀开度,使初始开度OP130,等到下水箱的液位处于平衡位置时。改变调节阀开度至OP250,即对中下水箱输入阶跃信号,使其液位离开原平衡状态。经过一定调节时间后,下水箱液位重新进入平衡状态。在MATLAB中绘出拟合曲线如下图58中下水箱阶跃响应拟合曲线根据曲线采用切线作图法计算中下水箱特性参数如下图59中下水箱参数计算曲线由图知204,30,54XYKST524主管流量参数辨识按图连接线路,手动操作调节器,控制调节阀开度,使初始开度OP130,等到主管流量处于平衡位置时。改变调节阀开度至OP280,即对主管输入阶跃信号,使其值离开原平衡状态。经过一定调节时间后,主管流量重新进入平衡状态。图510主管流量阶跃响应曲线M文件如下X0252Y1441436714229154921853923171276423281357640747458084987353815627157415782580145804658175582265823558175821258203581935820758221144YY/1000PPOLYFITX,Y,12Y1POLYVALP,XPLOTX,Y,BO,X,Y1,R在MATLAB中绘出拟合曲线如下图511主管流量阶跃响应拟合曲线根据曲线采用切线作图法计算主管流量特性参数如下图512主管流量参数计算曲线由图知8054,6,20XYKST故主管流量传递函数为ESSG63126系统调试61下水箱单回路根据响应曲线法中的PID整定公式，采用PI调节器得0684752110PTMIN393SI故,8IPK此时将参数输入，改变下水箱液位设定值，进行单回路整定，其动态响应结果如下图61下水箱单回路62中下水箱单回路根据响应曲线法中的PID整定公式，采用PI调节器得1340542310PTMIN693SI故,7IPK此时将参数输入，改变下水箱液位设定值，进行单回路整定，其动态响应结果如下图62