计算机控制系统及过程控制系统课程设计.docx

沈阳理工大学课程设计计算机控制系统及过程控制系统课程设计摘 要在工业生产过程控制中，常需要用闭环控制方式来实现温度、流量的控制。因为pid（比例、积分、微分）调节不需要精确的控制系统数学模型而且易于实现，所以单闭环温度pid控制、单闭环流量pid控制是常见的闭环控制方式，工程上易于实现。比例作用可以对系统作出快速响应积分作用可以消除系统的静差，微分作用有助于减小超调，克服震荡。比例、积分、微分三者有效地结合可以满足不同的控制要求。plc作为一种新型的工业控制装置，在工业控制、生产生活的诸多领域得到了越来越广泛的应用。本次设计利用西门子plc实现对温度和流量的pid的闭环控制，具有用户使用方便，可靠性高、抗干扰能力强等优点。本次课程设计在thj-fcs型高级过程控制系统实验装置上做实验， 配套计算机及相关软件。关键词：pid；西门子plc；thj-fcs型高级过程控制系统实验装置目录1计算机控制系统部分31.1温度控制对象31.1.1功能特点与技术参数31.1.2控制手段31.2方案设计31.2.1现场总线概述31.2.2 wincc+s7-200温度控制系统的硬件组成31.3 wincc+s7-200温度控制系统的软件配置31.3.1 step7-micro/win32的介绍31.3.2 wincc的介绍31.3.3 pc access的介绍31.3.4 wincc+s7-200温度控制系统的网络结构31.3.5 温度控制算法31.4 s7-200 plc控制程序的设计31.4.1 控制程序的组成31.4.2 温度采集程序设计31.4.3 数字滤波程序设计31.4.4 pid控制程序设计31.5 wincc组态31.5.1 变量组态31.5.2 画面组态31.5.3 变量连接31.6 程序调试31.6.1 plc调试方法与结果31.6.2 wincc调试方法与结果31.7 pid参数的整定31.7.1 整定方法31.7.2 整定结果及分析31.8 梯形图程序32过程控制系统部分32.1概述32.1.1 设计目的32.1.2 课程设计主要任务及要求32.1.3 过程控制系统简介32.1.4 单回路控制系统的概述32.2 控制规律的选择32.3 调节器参数的整定方法32.4 实验原理32.5 实验控制系统流程图32.6 实验内容与步骤32.7测试结果32.7.1不同控制规律下的系统响应32.7.2 结论3结束语3参考文献3171计算机控制系统部分1.1温度控制对象温度控制对象，在工业控制过程中，是相当重要的控制对象，因为温度直接的影响到了燃烧、化学反应、发酵、烘烤、蒸馏、浓度，结晶以及空气流动等物理的和化学的变化过程。温度控制的不好很有可能引起严重的安全事故，产品质量和产量等一系列的问题。温度控制是许多设备的重要的构成部分，它的功能是将温度控制在所需要的温度范围内，以利于进行工件的加工与处理。不论是在生活中还是在工业生产过程中，温度的变化对生活、生产的某些细节环节都会造成不同程度的影响，所以适时地对温度进行控制具有重要的意义。1.1.1功能特点与技术参数实践证明温度对象的特点是:时间常数大，滞后现象严重，反应在控制系统上，就是被控温度的变化滞后于调节器的输出。我们知道热量的传递是需要一定时间的，温度上升的快慢与其热容量的大小有关，通常温度的上升与下降和时间的关系是一个指数曲线关系。而产生滞后则与热量的传递过程有关，再者测温元件也有一定的惯性，这些都会产生滞后现象。本次设计选用的是电阻炉加热器，该加热器同样的具有滞后大和惯性大的特点。该加热器用的是0v到5v的电压加热。1.1.2控制手段 通过以上的分析，系统的总的滞后时间比较大，升温的滞后时间相对降温来说是比较小的。因此，在pid调节中，要使系统的品质变好，除了加入适当的积分以消除静态误差外，还应该加强比例作用使调节更加灵敏，减小调节时间，同时还应该加入适当的微分作用，引入微分作用之后，由于微分的超前作用，能增加系统的稳定度，加快系统的调节过程，减小动态误差。但微分抗干扰能力较差，且微分过大，易导致调节阀动作向两端饱和调节变快，调节阀变化速度加快。综上所述pid调节器是最为理想的调节器，它具有各类调节器的优点，因而使系统具有更高的控制质量。1.2方案设计主要是通过实验的需要选择硬件。然后将选择的硬件组成控制系统，根据任务的要求选择西门子的s7-200的plc，电阻炉加热器等硬件，硬件选择完成后，跟据所选择的硬件选择合适的软件进行程序设计，只有拥有完整的硬件和软件的系统才能所需要的功能。下面就仔细的介绍在设计中运用到的硬件和软件。1.2.1 现场总线概述目前世界上存在着大约四十余种现场总线，如法国的fip，英国的era，德国西门子公司siemens的profibus，挪威的fint，echelon公司的lonworks，phenixcontact公司的interbus，roberbosch公司的can，rosemounr公司的hart，carlogarazzi公司的dupline，丹麦processdata公司的p-net，peterhans公司的f-mux，以及asi（actratursensorinterface）、modbus、sds、arcnet，国际标准组织-基金会现场总线ff：fieldbusfoundation、worldfip、bitbus，美国的devicenet与controlnet等等。这些现场总线大都用于过程自动化、医药领域、加工制造、交通运输、国防、航天、农业和楼宇等领域，大概不到十种的总线占有80左右的市场。1.2.2 wincc+s7-200温度控制系统的硬件组成温度控制系统的主要硬件组成：带有wincc和有step7micro/win软件的计算机、plc、ppi数据线、tkplc-2型加热炉。下面是本次系统的硬件组成图，如图1.2.1所示。上位机plcs7-200电阻炉加热器图 1.2.1 系统硬件图该系统是通过简单的闭环控制系统实现的。由plc控制的加热炉温度控制系统构成如图1.2.2所示，系统工作过程：一是给定值（0100）通过键盘输入plc主机，再由plc主机传递给数字量输出模块，控制固态继电器的开关状态，从而控制电阻炉的加热情况；二是通过温度检测装置热电偶检测到的变换为电流信号的炉温值通过模拟量输入模块读入plc主机，由plc主机内部pid的程序与温度给定值相比较，对数字量输出模块进行下一度的控制。其中plc是整个系统的主控核心。plc主机计算机pid调节执行机构温度检测装置图1.2.2 电阻炉温度控制系统图实际温度电阻炉1. s7-200plc的选型s7-200系列plc是siemens公司新推出的一种小型plc。s7-200plc包含了一个单独的s7-200cpu和各种可选择的扩展模块，可以十分方便地组成不同规模的控制器。其控制规模可以从几点上到几百点。s7-200的编程软件step7-micro/win32可以方便地在windows环境下对plc编程、调试、监控，使得plc的编程更加方便、快捷。s7-200有四种cpu，其性能差异很大。这些性能直接影响到plc的控制规模和plc系统的配置。本次设计选用的是cpu226。2. 加热炉的选型本次实验选用的加热炉为电阻炉加热器。这种加热炉集成有驱动模块和温度变送器使用简单，只需将输入端和输出端分别接到plc的输出模块和输入模块就可以了。免去了硬件设计的麻烦。电阻炉加热器，也具有惯性大，滞后大的特点，在实际控制过程的过程中会比较麻烦，而且该加热炉是靠周边环境自然降温，所以降温过程比较长。不过通过改良pid调节的参数，能勉强控制好加热炉的温度，使得稳态误差和动态误差都能达到任务的要求。3. 传感器的选型温度传感器是最早开发，应用最广的一类传感器。1821年德国物理学家赛贝发明了电偶传感器。50年以后，另一位德国人西门子发明了铂电阻温度计。在半导体技术的支持下，本世纪相继开发了半导体热电偶传感器、pn结温度传感器和集成温度传感器。与之相应，根据波与物质的相互作用规律，相继开发了声学温度传感器、红外传感器和微波传感器。这里我们用热电阻和热电偶。1.3 wincc+s7-200温度控制系统的软件配置本次设计使用的软件step7-micro/win32和wincc以及pc access，通过step7-micro/win32编写plc的程序，通过wincc的组态实现对控制过程的控制和监视。plc与wincc之间通过ppi总线实现通信，实时的监控加热炉的工作状态。1.3.1 step7-micro/win32的介绍step7-micro/win32是西门子公司专为simatic s7-200系列可编程序控制器研制开发的编程软件，它是基于windows的应用软件，功能强大，既可用于开发用户程序，又可实时监控用户程序的执行状态。step7-micro/win32编程软件的基本功能是协助用户完成应用软件的开发，其主要实现以下功能：1）在脱机（离线）方式下创建用户程序，修改和编辑原有的用户程序。在脱机方式时，计算机与plc断开连接，此时能完成大部分的基本功能，如编程、编译、调试和系统组态等，但所有的程序和参数都只能存放在计算机的磁盘上。2）在联机（在线）方式下可以对与计算机建立通信关系的plc直接进行各种操作，如上载、下载用户程序和组态数据等。3）在编辑程序的过程中进行语法检查，可以避免一些语法错误和数据类型方面的错误。经语法检查后，梯形图中错误处的下方自动加红色波浪线，语句表的错误行前自动画上红色叉，且在错误处加上红色波浪线。4）对用户程序进行文档管理，加密处理等。5）设置plc的工作方式、参数和运行监控等。1.3.2 wincc的介绍西门子公司的wincc是wlndowscontroiconter(视窗控制中心)的简称。 它集成了scada、组态、脚本(script)语言和opc等先进技术，为用户提供了windows操作系统(w1ndows2000或xp)环境下使用各种通用软件的功能。wincc继承了西门子公司的全集成自动化(tia)产品的技术先进和无缝集成的特点。wincc运行于个人计算机环境，可以与多种自动化设备及控制软件集成，具有丰富的设置项目、可视窗口和菜单选项，使用方式灵活，功能齐全。用户在其友好的界面下进行组态、编程和数据管理，可形成所需的操作画面、监视画面、控制画面、报警画面、实时趋势曲线、历史趋势曲线和打印报表等。它为操作者提供了图文并茂、形象直观的操作环境，不仅缩短了软件设计周期，而且提高了工作效率。wincc的另一个特点在于其整体开放性，它可以方便地与各种软件和用户程序组合在一起，建立友好的人机界面，满足实际需要。用户也可将wincc作为系统扩展的基础，通过开放式接口，开发其自身需要的应用系统。1.3.3 pc access的介绍西门子最新推出的pc access 软件是专用于s7-200 plc的 opc server（服务器）软件，它向opc客户端提供数据信息，可以与任何标准的opc client（客户端）通讯。pc access软件自带opc客户测试端，用户可以方便的检测其项目的通讯及配置的正确性。opc作为一种工业标准，提供了工业环境中信息交换的统一标准软件接口，数据用户不用再为不同厂家的数据源开发驱动或服务程序。opc将数据来源提供的数据以标准方式传输至任何客户机应用程序。opc（用于进程控制的ole）是一种开放式系统接口标准，可允许在自动化/plc应用、现场设备和基于pc的应用程序（例如 hmi或办公室应用程序）之间进行简单的标准化数据交换。 定义工业环境中各种不同应用程序的信息交换，它工作于应用程序的下方。您可以在pc机上监控、调用和处理可编程控制器的数据和事件。pc access可以用于连接西门子，或者第三方的支持opc技术的上位软件。pc access可以通过如下硬件连接与s7-200通讯：通过pc/ppi电缆（usb/ppi电缆）连接pc机上的usb口和s7-200、通过pc/ppi电缆（rs-232/ppi电缆）连接 pc机上的串行com口和 s7-200、通过西门子通讯处理器（cp）卡和 mpi电缆连接 s7-200、通过pc机上安装的调制解调器（modem）连接s7-200上的em241模块、通过以太网连接 s7-200上的cp243-1或cp243-1 it模块，上述s7-200的通讯口可以是cpu通讯口，也可以是em277的通讯口。1.3.4 wincc+s7-200温度控制系统的网络结构 wincc和s7-200的网络连接，只要是通过rs232或usb接口进行数据传输。数据传输速率在1.2 kbps 至 115.2 kbps 之间。wincc和s7-200的网络连接是点对点的连接，遵循ppi的通信协议，网络结构主要有3种：单主站ppi网络、多主站ppi网络、复杂ppi网络。虽然ppi网络能够成很多种网络结构，本次根据设计的要求，我们只需控制一台s7-200，所以我使用了单主站网络结构。1.3.5 温度控制算法在工程实际中，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。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用pid控制技术最为方便5。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用pid控制技术。pid控制，实际中也有pi和pd控制。pid控制器就是根据系统的误差，利用比例、 积分、微分计算出控制量进行控制的。比例（p）控制：比例控制是一种最简单,最常用的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。 积分（i）控制：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。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。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。因此，比例+积分(pi)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 微分（d）控制：在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分成正比关系。 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组件（环节）或有滞后(delay)组件，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。需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(pd)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。pid算法的种类：pid的基本算式有：位置型、增量型和速度型三种形式，其中最常用的是增量型式。设u(n)为本周期pid控制器的输出（控制量），e(n)为本周期的pid输入偏差信号，e(n-1)为上一个周期的偏差信号，e(n-2)为上上个周期的偏差信号。kp 为比例增益，ti为积分时间，td为微分时间，则pid基本算式的公式如下：1）位置型pid算式 （3.1）根据微分方程和差分方程的对应关系可知，如果微分方程中的积分运算对应差分方程 的累加运算，微分方程对应一个周期的增量变化，则能很容易的推导出表达式1.3.1。2）增量型pid算式 （3.2）由增量型pid算式也可以得到pid控制器的位置输出： （3.3）回路定义表：从在pid指令框中输入的表格（tbl）起始地址为回路表分配八十（80个字节。s7-200的pid指令引用一个包含回路参数的回路表。此表起初的长度为36个字节。在增加了pid自动调谐后，回路表现已扩展到80个字节。如果使用pid调谐控制面板，与pid回路表的全部相互作用将由此控制面板代您完成。如果需要由操作员板提供自动调谐能力，您的程序必须提供操作员和pid回路表之间的相互作用，以发起和监视此自动调谐进程，以及随后套用建议的调谐数值。表1.3.1 回路定义表偏移量域格式类型说明0pvn进程变量双字实数入包含进程变量，必须在0.0至1.0范围内。4spn设定值双字实数入包含设定值，必须在0.0至1.0范围内。8mn输出双字实数入/出包含计算输出，在0.0至1.0范围内。12kc增益双字实数入包含增益，此为比例常数，可为正数或负数。16ts采样时间双字实数入包含采样时间，以秒为单位，必须为正数。20ti积分时间或复原双字实数入包含积分时间或复原，以分钟为单位，必须为正数。24td微分时间或速率双字实数入包含微分时间或速率，以分钟为单位，必须为正数。28mx偏差双字实数入/出包含0.0和1.0之间的偏差或积分和数值。32pvn-1以前的进程变量双字实数入/出包含最后一次执行pid指令存储的进程变量以前的数值。1.4 s7-200 plc控制程序的设计1.4.1 控制程序的组成控制程序主要由温度采集程序、数据滤波程序、pid控制程序组成，温度采集程序的作用是将温度值转换成plc能够识别的数值。数据滤波程序是为了消除干扰对测量结果的影响，在pid控制前，需要对采集的数据进行处理，这样是为了避免由于外部的干扰而导致pid运算出错。1.4.2 温度采集程序设计 图 1.4.1 温度采集程序 温度采集程序，由于温度变送器送出的是4-20ma的标准电流信号，信号采集模块将采集到的电流转化成数字信号过后，再通过一系列的数据类型的转换，使得采集到的数据变成标准的温度数据信号，方便识别。同时采集到的数值也需要转化成plc的pid运算要求的标准数据类型。炉温实际温度的检测是要将温度量转化为plc可识别的量，所以，将温度变送器输出的值先由16位的整型转化为32位的双整型，再由双整型转化为实型，实型小数点后可有6位，故比较精确。此时得到测得温度值在plc中计算所对应的数，将该数送入变量寄存器vd296。1.4.3 数字滤波程序设计图1.4.2网络一网络一的程序是将每次采集到的值进行累加，将累加后得到的值存入vd300中，进行累加后就将得到所采集到的温度值的总和。每次采集十组数据。图1.4.3网络二 网络二是找出最大值和最小值。图1.4.4网络三网络三是将vb0寄存器中的数据清零。图1.4.5网络四网络四是将最大值和最小值从所求的总和中减去，从而实现，减去一个最大值和减去一个最小值，达到限幅的作用。图1.4.6 网络五网络五是将剩下的总和求平均，从而得到设计中想的到的温度值。图1.4.7 网络六网络六的作用是将所有使用过的寄存器初始化。数据滤波的方法有很多种，其中软件滤波的方法包括：限幅滤波、中位值滤波法、算术平均滤波法、递推平均滤波法、中位值平均滤波法、限幅平均滤波法、一阶滞后滤波法、加权递推平均滤波法、限幅消抖滤波法。图1.4.2到图1.4.7的程序图使用的是限幅平均值滤波。整体思想是，将十次采集到的数据，先去掉一个最大值，然后去掉一个最小值，然后将剩下的8个数求和取平均值。1.4.4 pid控制程序设计 图1.4.8 pid控制程序pid控制程序在整个程序中是重要的组成部分，通过pid控制程序可以很好的控制加热炉的工作状态。通过pid控制程序可以很好的控制加热炉的工作状态。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用pid控制技术最为方便。本设计采用的是闭环控制系统。比例增益、积分时间、比例时间，根据回路定义表的要求分别存到vd332、vd340、vd344中。沈阳理工大学课程设计1.5 wincc组态wincc的组态在人机界面的制作中是必不可少的过程，只有正确的将各个变量正确的组合到wincc当中，我们才能正常的监视加热炉的工作状态和实时的对加热炉进行控制。1.5.1 变量组态变量组态是通过pc access完成的，pc access是专用于s7-200 plc的 opc server（服务器）软件，它向 opc客户端提供数据信息，可以与任何标准的opc client（客户端）通讯。变量组态完成后，可以用软件自带的opc客户测试端检测其项目的变量是否通讯及配置是否正确。变量组态在画面组态前是相当重要的工作，只有通过opc客户测试端检测通讯正常后，wincc组态后的变量才能正常和plc通讯。opc的使用步骤：设置通讯访问通道、创建plc、创建folder、创建item、测试通讯质量。当测试通讯质量显示好时，说明了变量组态完成。变量组态如表1.5.1。表1.5.1 变量组态表名称地址数据类型存取tvd296realrwinputvd200realrwkcvd332realrwtivd340realrwtdvd344realrwpvd204realrw1.5.2 画面组态打开 wincc explorer 窗口 创建一个 wincc单用户项目，在变量管理器添加新的驱动程序opc。在opc 项目管理器中添加s7-200的系统参数。将所需要的变量全部添加到变量管理器中。然后在wincc资源管理器中，右击“图形编辑器”，在弹出的菜单中，单击“新建画面”选项，选择新建画面，系统默认画面名为“newpdl.pdl”，双击击“newpdl.pdl”，进入图形编辑画面。进入图形编辑界面后，就要进行图形的编辑，首先是利用静态文本显示输出值，这种窗口的数据只能看，不能进行修改，所以只适用于我温度输出值显示。而需要输入数据的就使用输入输出文本。这种文本的数据可以进行实时的修改，并把修改的变量值传送plc，例如温度设定值，pid算法的增益，积分时间，微分时间都需要用这种方式。然后再建立曲线图，曲线图主要用来进行设定值与显示值的对比。整个画面组态完成后的图如图1.5.1所示。图1.5.1 画面组态1.5.3 变量连接s7-200与wincc的通讯是ppi协议，ppi协议是西门子s7-200系列plc常用通信协议，但wincc中没有集成该协议，即wincc不能直接监控s7-200系列plc组成的控制系统。s7-200 opc server是西门子公司推出的专为解决上位机监控s7-200系列plc控制系统的接口软件。因此，wincc可以通过该软件与s7-200系列plc很方便的建立通信。在wincc变量管理器中添加一个新的驱动程序，新的驱动程序选择opc.chn，在opc group中新建一个连接，打开属性，选择 opc group setting，opc服务器名称为opcserver.microcomputing。然后在新添加的连接中新建变量，变量的item name与s7-200系列plc中用于监控的变量名对应。变量连接的基本步骤如下：1)用step7 microwin完成s7-200的工程建立和编程，其中必须为opc准备好符号表。注意符号表名称以及表中变量名都禁用中文，这是opc的要求。2)安装pc access，然后导入前面建立的s7-200符号表，同时定义pc access到s7-200的通讯。这在pg/pc interface中完成。具体通过ppi，或mpi，或profibus，或以太，或modem均可以，根据所用硬件定。3)进入wincc，添加opc驱动，定义opc的属性时点击浏览。浏览路径是local/simatic s7-200 opc server，由此按提示将导入到pc access中的变量添加到wincc。4)进入wincc完成其他组态，即可引用s7-200中的变量。变量连接后，运行wincc，相应的变量的值就会在wincc上很好的显示出来，显示结果如图1.5.2.图1.5.2 变量显示图1.6 程序调试1.6.1 plc调试方法与结果plc程序的调试分为模拟调试和现场调试两个调试过程，在此之前首先对plc外部接线作仔细检查，外部接线一定要准确无误。也可以用事先编写好的试验程序对外部接线做扫描通电检查来查找接线故障。将编写完成的程序逐条仔细检查，并改正写入时出现的错误。写完程序过后，首先编译检查错误，看使用的语句中是否有违反plc规定的用法。下面就是检查是否有逻辑错误，看整个程序的运行状况怎么样，能否达到预期的效果。程序是分块写的，首先写的是数据采集块，数据采集就是主要是将采集到的数据进行处理，经过一系列的数据变换使的最后的显示值和所测量的温度值一致。然后写的是数据输出，数据输出程序也包括了pid运算程序，写好后就是出现了数据溢出的情况，后来分析发现是pid算法内的数据搞错了。最后进行了数据滤波程序的编写。通过多天的程序调试和修改，通过状态表监视，整个程序基本符合设计要求。为人机界面的编写做好了准备。1.6.2 wincc调试方法与结果wincc配合s7-plcsim调试程序的步骤：1.在step7编程软件中生成项目，编写用户程序。2.在wincc组态软件中生成项目，组态变量，建立和编辑反映用户程序工作过程的过程画面。3.点击step7的simatic管理器工具条中的图标，打开s7-plcsim窗口，将程序下载到仿真plc中。4.建立wincc与s7-plcsim的通讯连接。5.通过观察过程画面的对象工作情况，检查用户程序是否能正确执行。wincc的调试主要是查各个变量是否准确无误的连接上了，是否能正常的通讯，wincc人机界面的制作还算比较顺利，除了曲线设置出了点问题外，其他都还能正常通讯，通过变量的连接，可以通过wincc实时的修改pid参数，得到控制曲线，通过多次的调整wincc最后成功的完成了。沈阳理工大学课程设计1.7 pid参数的整定准确地选择pid调节器的结构和它的参数，能使系统在受到扰动后仍保持稳定，并将静态误差和动态误差保持在最小值。在整定调节器的参数之前，应首先确定调节器的结构，对于具有平衡性质的控制对象或生产过程应选择有积分环节的调节器；对于纯滞后性质的控制对象，在调节器中往往应加入微分环节。调节器参数的选择，必须考虑到具体的工程的工艺控制要求，并结合实验、经验和凑试等方法进行整定。1.7.1 整定方法控制器参数的整定，就是按照已定的控制方案，求取使控制质量最好的控制器参数值。具体来说，就是确定最合适的控制器比例度p、积分时间ti，和微分时间td。控制器参数整定的方法很多，主要有两大类，一类是理论计算的方法，另一类是工程整定法。工程整定法主要包括：1)稳定边界法（临界比例度法） 稳定边界法属于闭环整定方法，根据纯比例控制系统临界振荡试验所得数据（临界比例度pm和振荡周期tm），按经验公式求出调节器的整定参数。2)衰减曲线法衰减曲线法也属于闭环整定方法，但不需要寻找等幅振荡状态，只需寻找最佳衰减振荡状态即可。3)响应曲线法响应曲线法属于开环整定方法。以被控对象控制通道的阶跃响应为依据，通过经验公式求取调节器的最佳参数整定值。4)经验法 经验法是凭经验凑试。 其关键是“看曲线，调参数”。在闭环的控制系统中，凭经验先将控制器参数放在一个数值上，通过改变给定值施加干扰，在记录仪上观察过渡过程曲线，根据p、 ti 、 td对过渡过程的影响为指导，对比例度p 、积分时间ti和微分时间td逐个整定，直到获得满意的曲线为止。我在这次参数整定过程中采用的是临界比例度法，利用该方法进行 pid控制器参数的整定步骤如下：(1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；(2)仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；(3)在一定的控制度下通过公式计算得到pid控制器的参数。最主要还是靠经验及工艺的熟悉，参考测量值跟踪与设定值曲线，从而调整p、i、d的大小。1.7.2 整定结果及分析当加热炉刚启动加热时，由于测到的炉温为常温，sp-pvu为正值且较大，u为pid调节器的输入，此时pid调节器中p起主要作用，使plc为最大电压给加热炉加热。当加热炉温度达到30以上时，sp-pvu为负值，经pid调节，使plc输出电压减小，加热炉温度降低。当温度正好达到30时，u为零pid不调节，此时plc输出的电压正好平衡加热炉消耗的热量，系统达到动态平衡。系统平衡后的界面如图1.7.1所示。图 1.7.1 系统平衡界面1.8 梯形图程序 2过程控制系统部分2.1概述2.1.1 设计目的通过thj-fcs型高级过程控制系统实验装置，结合所学理论知识，按照定值系统的控制要求，设计集中单回路控制规律，了解单闭环流量控制系统的结构组成与原理，进行单闭环流量控制系统调节器参数的整定，分析调节器相关参数的变化对系统静、动态性能的影响，研究p、pi、pd和pid四种控制分别对流量系统的控制作用。2.1.2 课程设计主要任务及要求1、了解单闭环流量控制系统的结构组成与原理。2、进行单闭环流量控制系统调节器参数的整定。3、分析调节器相关参数的变化对系统静、动态性能的影响。4、研究p、pi、pd和pid四种控制分别对流量系统的控制作用。2.1.3 过程控制系统简介系统组成：本实验装置由被控对象和上位控制系统两部分组成。系统动力支路分两路：一路由三相（380v交流）磁力驱动泵、气动调节阀、直流电磁阀、pa电磁流量计及手动调节阀组成；另一路由变频器、三相磁力驱动泵（220v变频）、涡轮流量计及手动调节阀组成。1被控对象 水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和储水箱。储水箱内部有两个椭圆形塑料过滤网罩，防止两套动力支路进水时有杂物进入泵中。 模拟锅炉：此锅炉采用不锈钢制成，由加热层（内胆）和冷却层（夹套）组成。做温度实验时，冷却层的循环水可以使加热层的热量快速散发，使加热层的温度快速下降。冷却层和加热层都装有温度传感器检测其温度。 盘管：长37米（43圈），可做温度纯滞后实验，在盘管上有两个不同的温度检测点，因而有两个不同的滞后时间。 管道：整个系统管道采用敷塑不锈钢管组成，所有的水阀采用优质球阀，彻底避免了管道系统生锈的可能性。 2检测装置 压力传感器、变送器：采用siemens带profibus-pa通讯协议的压力传感器和工业用的扩散硅压力变送器，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。 温度传感器：本装置采用六个pt100传感器，分别用来检测上水箱出口、锅炉内胆、锅炉夹套以及盘管的水温。六个pt100传感器的检测信号中检测锅炉内胆温度的一路到siemens带profibus-pa通讯协议的温度变送器，直接转化成数字信号；另外五路经过常规温度变送器，可将温度信号转换成4 20madc电流信号。 流量传感器、转换器：流量传感器分别用来对调节阀支路、变频支路及盘管出口支路的流量进行测量。本装置采用两套流量传感器、变送器分别对变频支路及盘管出口支路的流量进行测量，调节阀支路的流量检测采用siemens带profibus-pa通讯接口的检测和变送一体的电磁式流量计。 3执行机构 调节阀：采用siemens带profibus-pa通讯协议的气动调节阀，用来进行控制回路流量的调节。它具有精度高、体积小、重量轻、推动力大、耗气量少、可靠性高、操作方便等优点。变频器：本装置采用siemens带profibus-dp通讯接口模块的变频器，其输入电压为单相ac220v，输出为三相ac220v。 水泵：本装置采用磁力驱动泵，型号为16cq-8p，流量为32升/分，扬程为8米，功率为180w。 可移相scr调压装置：采用可控硅移相触发装置，输入控制信号为420ma标准电流信号。输出电压用来控制加热器加热，从而控制锅炉的温度。 电磁阀：在本装置中作为气动调节阀的旁路，起到阶跃干扰的作用。电磁阀型号为：2w-160-25 ；工作压力：最小压力为0kg/2，最大压力为7kg/2 ；工作温度：580。 4控制器 控制器采用siemens公司的s7300 cpu，型号为315-2dp，本cpu既具有能进行多点通讯功能的mpi接口，又具有profibus-dp通讯功能的dp通讯接口。“thj-3型 西门子plc过程控制系统”的控制柜主要由电源控制组件、西门子plc控制组件、变频器控制组件等几部分组成。一、 西门子plc控制组件可编程控制器（简称plc）是专为在工业环境下应用的一种数字运算操作的电子系统。目前国内外plc品种繁多，生产plc的厂商也很多，其中德国西门子公司在s5系列plc的基础上推出了s7系列plc，性能价格比越来越高。s7系列plc有很强的模拟量处理能力和数字运算功能，具有许多过去大型plc才有的功能，其扫描速度甚至超过了许多大型的plc，s7系列 plc功能强、速度快、扩展灵活，并具有紧凑的、无槽位限制的模块化结构，因而在国内工控现场得到了广泛的应用。根据学校要求，在本装置中采用了s7-300plc控制系统。s7-300plc控制系统采用了的中小型plc（cpu315-2dp主机模块，sm323：8路数字量输入输出模块，sm331：8路模拟量输入模块，sm332：4路模拟量输出模块，cp343-1以太网模块。）以及一块西门子cp5611专用网卡和一根mpi网线。二、 电源控制组件充分考虑人身安全保护，装有漏电保护空气开关。接上三相四线电源，打开总电源开关，此时三只电压表均指示380v左右，控制柜后面的插座带电；打开风扇开关，可以给控制柜散热；打开控制站电源，西门子s7-300plc既可上电。打开三相电源开关后，打开三相磁力泵和三相电加热管开关既可各自上电。打开单相电源开关后，打开电动调节阀、变频器、电磁阀开关既可各自上电。三、 总线控制柜 总线控制柜有以下几部分构成： (1) 控制系统供电板：该板的主要作用是把工频ac220v转换为dc24v，给主控单元和dp从站供电。(2) 控制站：控制站主要包含cpu、以太网通讯模块、dp链路、分布式i/o dp从站和变频器dp从站构成。 (3) 温度变送器： pa温度变送器把pt100的检测信号转化为数字量后传送给dp链路。2.1.4 单回路控制系统的概述单回路控制系统的概述：图2.1.1为单回路控制系统方框图的一般形式，它是由被控对象、执行器、调节器和测量变送器组成一个单闭环控制系统。系统的给定量是某一定值，要求系统的被控制量稳定至给定量。由于这种系统结构简单，性能较好，调试方便等优点，故在工业生产中已被广泛应用。图2.1.1 单回路控制系统方框图干扰对系统性能的影响：1干扰通道的放大系数、时间常数及纯滞后对系统的影响。干扰通道的放大系数kf会影响干扰加在系统中的幅值。若系统是有差系统，则干扰通道的放大系数愈大，系统的静差也就愈大。如果干扰通道是一惯性环节，令时间常数为tf，则阶跃扰动通过惯性环节后，其过渡过程的动态分量被滤波而幅值变小。即时间常数tf越大，则系统的动态偏差就愈小。通常干扰通道中还会有纯滞后环节，它使被调参数的响应时间滞后一个值，但不会影响系统的调节质量。2干扰进入系统中的不同位置。复杂的生产过程往往有多个干扰量，它们作用在系统的不同位置，如图2.1.2所示。同一形式、大小相同的扰动作用在系统中不同的位置所产生的静差是不一样的。对扰动产生影响的仅是扰动作用点前的那些环节。图2.1.2 扰动作用于不同位置的控制系统2.2 控制规律的选择pid控制规律及其对系统控制质量的影响已在有关课程中介绍，在此将有关结论再简单归纳一下。1比例(p)调节纯比例调节器是一种最简单的调节器，它对控制作用和扰动作用的响应都很快。由于比例调节只有一个参数，所以整定很方便。这种调节器的主要缺点是系统有静差存在。其传递函数为：gc(s)= kp = (3-1)式中kp为比例系数，为比例带。2比例积分(pi)调节pi调节器就是利用p调节快速抵消干扰的影响，同时利用i调节消除残差，但i调节会降低系统的稳定性，这种调节器在过程控制中是应用最多的一种调节器。其传递函数为：gc(s)=kp(1+)(1+) (3-2)式中ti为积分时间。3比例微分(pd)调节这种调节器由于有微分的超前作用，能增加系统的稳定度，加快系统的调节过程，减小动态和静态误差，但微分抗干扰能力较差，且微分过大，易导致调节阀动作向两端饱和。因此一般不用于流量和液位控制系统。pd调节器的传递函数为： gc(s)=kp(1+tds)(1+tds) (3-3)式中td为微分时间。4比例积分微分(pid)调节器pid是常规调节器中性能最好的一种调节器。由于它具有各类调节器的优点，因而使系统具有更高的控制质量。它的传递函数为gc(s)=kp(1+tds)(1+tds) (3-4) 2.3 调节器参数的整定方法调节器参数的整定一般有两种方法：一种是理论计算法，即根据广义对象的数学模型和性能要求，用根轨迹法或频率特性法来确定调节器的相关参数；另一种方法是工程实验法，通过对典型输入响应曲线所得到的特征量，然后查照经验表，求得调节器的相关参数。工程实验整定法有以下四种：（一）经验法若将控制系统按照液位、流量、温度和压力等参数来分类，则属于同一类别的系统，其对象往往比较接近，所以无论是控制器形式还是所整定的参数均可相互参考。表2.3.1为经验法整定参数的参考数据，在此基础上，对调节器的参数作进一步修正。表2.3.1 经验法整定参数系 统参 数(%)ti(min)td(min)温 度20603100.53流 量401000.11压 力30700.43液 位2080(二)临界比例度法图2.3.1 具有周期ts的等幅振荡这种整定方法是在闭环情况下进行的。设ti=，td=0，使调节器工作在纯比例情况下，将比例度由大逐渐变小，使系统的输出响应呈现等幅振荡，如图2.3.1所示。根据临界比例度k和振荡周期ts，按表2.3.2所列的经验算式，求取调节器的参考参数值，这种整定方法是以得到4：1衰减为目标。表2.3.2 临界比例度法整定调节器参数 调节器参数调节器名称ti(s)td(s)p2kpi2.2kts/1.2pid1.6k0.5ts0.125ts临界比例度法的优点是应用简单方便，但此法有一定限制。首先要产生允许受控变量能承受等幅振荡的波动，其次是受控对象应是二阶和二阶以上或具有纯滞后的一阶以上环节，否则在比例控制下，系统是不会出现等幅振荡的。在求取等幅振荡曲线时，应特别注意控制阀出现开、关的极端状态。（三）衰减曲线法（阻尼振荡法）图2.3.2 4：1衰减曲线法图形在闭环系统中，先把调节器设置为纯比例作用，然后把比例度由大逐渐减小，加阶跃扰动观察输出响应的衰减过程，直至出现图2.3.2所示的4：1衰减过程为止。这时的比例度称为4：1衰减比例度，用s表示之。相邻两波峰间的距离称为4：1衰减周期ts。根据s和ts，运用表2.3.3所示的经验公式，就可计算出调节器预整定的参数值。表2.3.3 衰减曲线法计算公式 调节器参数调节器名称（%）ti(min)td(min)pspi1.2s0.5tspid0.8s0.3ts0.1 ts （四）动态特性参数法所谓动态特性参数法，就是根据系统开环广义过程阶跃响应特性进行近似计算的方法，即根据第二章中对象特性的阶跃响应曲线测试法测得系统的动态特性参数（k、t、等），利用表2.3.4所示的经验公式，就可计算出对应于衰减率为4：1时调节器的相关参数。如果被控对象是一阶惯性环节，或具有很小滞后的一阶惯性环节，若用临界比例度法或阻尼振荡法（4：1衰减）就有难度，此时应采用动态特性参数法进行整定。表2.3.4 经验计算公式调节器参数调节器名称（%）titdp100%pi1.1100%3.3pid0.85100%20.52.4 实验原理本实验系统结构图和方框图如图2.4.1所示。被控量为气动调节阀支路（也可采用变频器支路）的流量，实验要求气动阀支路流量稳定至给定值。将电磁流量计