基于PLC的双溶水箱液位串级控制的设计.doc

I 基于基于 PLCPLC 的双溶水箱液位串级控制的双溶水箱液位串级控制 摘要摘要 本文首介绍了一种基于 PLC 的双溶水箱液位窜级控制的设计 文章首先介绍 了 PLC 的产生和定义 过程控制的发展 其次根据水箱的特性确定与曲线分析 对西门子 S7 200 系列可编程控制器的硬件进行掌握 进行了 PID 参数的整定及 各个参数的控制性能的比较 应 PID 控制算法所得到的曲线分析 在 MCGS 软件 上进行交互界面 通过整个系统各个部分的介绍和讲解 PLC 的过控制指令 PID 指 令来控制水箱水位 此方法使用简单可靠 可广泛应用于工业生产过程中的液位 控制问题 此系统同样可以满足工厂对控制系统的需求 有着巨大的前景 关键词 关键词 PLC 串级控制 组态软件 MCGS PID 控制算法 Abstract Abstract this article first describes the channeling for a double dissolution based on PLC water tank liquid level control design Article first describes the definitions process control and development of PLC Second according to the characteristics determine II the water tank and curves analysis Siemens S7 200 series PLC hardware for mastering PID parameter tuning and comparison of control performance of individual parameters PID control algorithm and analysis of the resulting curve On MCGS software interface Throughout various parts of the system of introducing and explaining the PID control instructions instructtions of PLC to control water tank water level Keywords Keywords control configuration software MCGS of PLC cascade PID control algorithm 1 目录目录 1 1 绪论绪论 3 1 1 过程控制系统的发展概况及趋势 3 1 2 PLC 的发展概况及趋势 4 1 3 组态软件的发展概况及趋势 4 1 4 本文研究的主要内容 5 2 2 水箱液位串级控制系统总体设计水箱液位串级控制系统总体设计 6 2 1 水箱系统的组成 6 2 1 1 西门子 PLC 控制系统 6 2 1 2 CPU 模块 7 2 1 3 I O 模块 7 2 1 4 I O 接线图 8 2 1 5 信号间的转换关系 8 2 2 双容水箱系统结构 9 2 2 1 双容水箱系统结构 9 2 2 2 双容水箱系统结构图 10 2 2 3 双容水箱对象特性 11 3 3 串级控制串级控制 15 3 1 串级控制系统概述 15 3 2 串级控制系统的优点 15 3 3 串级控制系统的适用场合 16 4 4 控制规律控制规律 17 4 1 控制规律选择 17 4 2 PID 控制规律特点 17 4 3 PID 控制调节规律 17 4 4 西门子 S7 200 系列 PLC 中 PID 指令的使用 18 4 5 在 PLC 中的 PID 控制的编程 19 4 5 1 回路的输入输出变量的转换和标准化 19 4 5 2 变量的范围 20 5 5 控制系统的设计控制系统的设计 22 5 1 系统设计 22 5 1 1 水箱液位的自动调节 22 5 1 2 左水箱右水箱液位串级控制系统 22 5 2 硬件设计 23 5 2 1 检测单元 23 5 2 2 执行单元 24 5 2 3 控制单元 24 5 3 运行 24 5 3 1 左水箱液位比例调节 24 2 5 3 2 右水箱液位比例积分调节 25 5 3 3 左水箱液位比例积分微分调节 25 6 6 程序的编写程序的编写 26 6 1 主程序 26 6 2 子程序 27 7 7 MCGSMCGS 简单交互界简单交互界 30 7 1 MCGS 组态软件的概述 30 7 2 MCGS 交互界面设计流程 30 7 2 1 建立 MCGS 新工程 30 7 2 2 建立新画面 30 7 2 3 工具箱的用应 32 7 2 4 建立文字框 32 7 2 5 对象元件库管理 33 7 2 6 完整动画演示 33 结束语结束语 34 致致 谢谢 35 参考文献参考文献 36 3 1 1 绪论绪论 液位控制问题是工业生产过程中的一类常见问题 例如在饮料 食品加工 溶液过建 化工生产等多种行业的生产加工过程都需要对液位进行适当的控制 双溶水箱液位的控制作为过程控制的一种 由于其自身存在滞后 对象随负荷变 化而表现非线性特性及控制系统比较复杂的特点 传统的控制不能达到满意的控 制效果 以 PLC 组态软件为单元 可以组成从简单到复杂的各种工业控制系统 PLC 可以实现复杂的逻辑编程及简单的算法编程 但是对于先进控制算法 如模 糊控制算法等涉及到矩阵运算 由于算法本身的复杂性 单纯依靠 PLC 编程功能 已经不能满足要求 在这组态软件编程语言可以弥补它的不足 因为运用此方法 非常简单 本文在 S7 200 环境中编写了传统的 PID 控制算法 实现了对双溶水 箱液位的控制 1 11 1 过程控制系统的发展概况及趋势过程控制系统的发展概况及趋势 过程控制是一门与工业生产过程联系十分紧密的科学 随着科学技术的飞速 前进 过程控制也在日新月异地发展 它不仅在传统地工业改造中起到了提高质 量 节约原材料和能源 减少环境污染等十分重要的作用 而且正在成为新建的 规模大 结构复杂的工业生产过程中不可缺少的组成部分 生产过程自动化是保 持生产稳定 降低消耗 减少成本 改善劳动条件 保证安全和提高劳动生产率 重要手段 在社会生产的各个行业起着及其重要的作用 其发展经历了一下几个 方面 1 局部自动化阶段 50 年代 2 过程计算机控制系统阶段 60 年代 3 集中控制 多参数控制阶段 70 年代 4 集散控制阶段 80 年代 目前过程控制正走向高阶级段的未来 不论是从过程控制的历史和现状看 还是 从过程控制发展的必要性 可能性来看 过程控制是朝着综合化 智能化的方向 发展 即计算机集成制造系统 以智能控制理论为基础 以计算机及网络为主要 手段 对企业的经营 计划 调度 管理和控制全面综合 实现从原料进库到产 品出厂的自动化 整个生产系统信息管理的最优化 智能化是过程控制的发展必 然趋势 对工业的发展有十分重要而现实的意义 4 1 21 2 PLCPLC 的发展概况及趋势的发展概况及趋势 PLC 的发展是提高生产力的要求推动的 最早的自动控制采用继电器板进行 的控制逻辑简单 体积大 维护不便升级换代困难 随着电子元器件的发展 1969 年前后发明了 PLC Programmable Logic Controller 最早的 PLC 主要作 用是代替继电器 完全用于逻辑 顺序 控制内存小 功能单一 但是 在回路 调节时 仍需要单回路仪表或者 OCS 随着电子技术 控制技术的发展 PLC 从 单纯的数字量控制发展到简单的模拟量控制和数字量控制相结合 部分代替了单 回路仪表的功能 PLC 的网络能力从无到有 今天已经非常强大 通过网络 可 以实现分散控制 降低安装成本 提高集成度 正是因为这种灵活性 用户可以 很方便地建立自己地自动化控制系统 PLC 在设计时就是面向工业环境地 因此 可靠性和抗干扰能力都很强 PLC 在长期应用中 经受了考验 几乎成为高可靠 性的代名词 几乎所有大型地顺序控制 重要的应用 都是 PLC 实现的 可以说 没有 PLC 就没有现代制造业 PLC 进一步融合 OCS 技术 发展到 PAC Programmable Automation Controller PAC 可以方便的和企业网集成 实现信息化工厂 PLC 网络中 Profibus Modbus 应用也非常广泛 随着电子技术 的发展 PLC 体积越来越小 但小型化是有限度的 并不是越小越好 因为阻容 元件等的体积很难缩小而抗干扰措施需要这些分立元件 同时 为了使用更加方 便 功能更强 控制器的内存不断扩大 处理能力不断增强 PLC 厂家积极向过 程自动控制领域拓展 PLC 保持了灵活 可靠和高性价比的优势 同时在标准化 和开放性方面有了长足的进步得到很多用户的喜爱和使用 在功能方面只有某些 在 PLC 基础之上发展起来的 PAC 系统才能满足全厂控制的要求 因此 PLC 的根基 依然牢固 目前自动化领域主要的发展方向是企业层和车间层的融合 在提高生 产力 全球化 创新和可持续发展的要求推动下 信息 通讯 控制和动力的融 合是自动化发展的必有之路 总之 PLC 顺应企业融合的需要 向标准化 多功 能方向不断发展 应用领域不断拓展功能不断增强 发展前景非常乐观 1 31 3 组态软件的发展概况及趋势组态软件的发展概况及趋势 随着计算机技术的飞速发展 新型的工业自动控制系统正以标准的工业计算 机软 硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统 它具有适应性强 开放 型好 易于扩展 经济及开发周期短等优点 监控组态软件在新型的工业自动控 制系统起到越来越重要的作用 通常可以把组态软件系统划分为控制层 监控层 管理层三个层次结构 其中监控层对下连接控制层 对上连接管理层 它不但实 现对现场的实时监控与控制 且常在自动控制系统中完成上传下达 组态开发的 5 重要作用 监控层的硬件以工业级的微型计算机和工作站为主 目前更趋向于工 业微机 监控层的软件功能由监控组态软件来实现 组态软件指一些数据采集与 过程控制的专业软件 它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境 能以灵活多样的组态方式 而不是编程方式 提供良好用户开发界面和简捷的使 用方法 其预设置的各种软件模块可以非常容易地实现和完成监控层地各项功能 并能同时支持各种硬件厂家地计算机和 I O 设备 与高性能地工控计算机和网络 系统结合 向控制层和管理层提供软 硬件地全部接口 进行系统集成 目前世 界上有不少专业厂商生产和提供各种组态软件产品 1 41 4 本文研究的主要内容本文研究的主要内容 1 一个系统是否能达到预期的控制效果 其系统的数学模型相当的重要 直接关系到控制结果的正确与否 2 在液位控制系统中 调节阀是否与所控制的液体发生化学反应等 直接 的影响到控制结果 3 控制方案的选取 一个好的方案会让系统更加完美 所以方案的选取也 非常重要 4 调节器参数的整定 一个系统有了好的方案 但是如果参数整定错误那 也是功亏一篑 6 2 2 水箱液位串级控制系统总体设计水箱液位串级控制系统总体设计 2 12 1 水箱系统的组成水箱系统的组成 水箱系统由两个串联水箱 一个大水箱 一个水泵 两个压力变送器 管道 及若干阀组成 两个压力变送器通过分别检测两个水箱压力来确定水位高度 控制系统面板左侧 电源 220V AC 单相电源 空气开关 对象系统流程图 右侧 S7 200 CPU224 EM235 扩展模块 I O 接口 图 2 1 为双溶水箱控制实验台 2 1 12 1 1 西门子西门子 PLCPLC 控制系统控制系统 S7 200 系列 PLC 适用于各行各业 各种场合中的检测 监测及控制的自动化 S7 200 系列的强大功能使其无论在独立运行中 或相连成网络皆能实现复杂控制 功能 因此 S7 200 系列具有极高的性能 价格比 S7 200 系列在集散自动化系统 中充分发挥其强大功能 S7 200 系列 PLC 可提供 4 个不同的基本型号的 8 种 CPU 供您使用 集成的 24V 负载电源 CPU 221 226 各有 2 种类型 CPU 具有不同的电 源电压和控制电压 图 2 1 1 为 PLC 的原理图 7 图 2 1 1PLC 的原理图 2 1 22 1 2 CPUCPU 模块模块 CPU 是 PLC 的核心组成部分 与通用微机的 CPU 一样 它在 PLC 系统中的作 用类似于人体的神经中枢 故称为 电脑 其功能是 1 PLC 中系统程序赋予的功能 接收并存储从编程器输入的用户程序和数据 2 用扫描方式接受现场输入装置的状态 并存入映像寄存器 3 诊断电源 PLC 内部电路工作状态和编程过程中的语法错误 在 PLC 进入运行状态后 从存储器中逐条读去用户程序 按指令规定的任务 产生相应的控制信号 去起闭有关控制电路 2 1 32 1 3 I OI O 模块模块 I O 模块是 CPU 与现成 I O 装置或其他外部设备之间的连接部件 PLC 提供 了各种操作电平与驱动能力的 I O 模块和各种用途 I O 元件供用户选用 如输入 输出电平转换 电气隔离 串 并行转换 数据传送 误码校验 A D 或 D A 变 换以及其他功能模块等 I O 模块将外部输入信号变换成 CPU 能接受的信号 或 将 CPU 的输出信号变换成需要的控制信号去驱动控制对象 以确保整个系统正常 的工作 其中输入信号要通过光电隔离 通过滤波进入 CPU 控制板 CPU 发出输出信 外 存 接 口 其 他 接 口 中央处理器 CPU ROM RAM 编辑器 CPROM EPROM RAM 其他设备 计算机 A D D A 输入接口 光电耦合 输出接口 继电器或晶管 8 号至输出端 输出方式有三种 继电器方式 晶体管方式和晶闸管方式 2 1 42 1 4 I OI O 接线图接线图 图 2 1 2 I O 接线示意图 2 1 52 1 5 信号间的转换关系信号间的转换关系 压力变送器检测水箱压力在 0 5000pa 范围内 经过压力变送器转换成 1 5V 模拟量电压信号 经过模拟信号接口输送给 EM235 扩展模块 1 5V 模拟 量信号经过 EM235 转换成 6400 32000 数量信号 再将其输送到 PLC 中 经过程 序控制 对应 0 50cm 水箱水位 本设计应用到水箱压力在 0 2000pa 之间 经过压力变送器转换成电压信号 为 1 2 6V 经过 EM235 转换成数字量信号 6400 16640 其对应的水箱水位在 0 20cm 之间 水箱压力值 0 5000pa 经压力变送器转换成电压值 1 5V 其转换关系可用函 数表达式表示 Y x 1 x 0 5 1 5000 0 2 1 3 化简为 Y x 0 0008x 1 2 1 4 EM235 模块将 1 5V 压力信号转换为 6400 32000 数字信号 其转换关系为 Y x 6400 x 1 32000 6400 5 1 2 1 5 化简为 Y x 1600 x 4800 2 1 6 6400 32000 数字信号进行标准化处理为 除以 32000 得到结果为 0 2 1 标 准化处理结果 0 2 1 与 0 50cm 水箱水位的对应关系表达式为 Y x 0 x 0 2 50 0 1 0 2 2 1 7 水 泵 驱 动 模 块 水泵 左水箱 LT2 传感器 2 AI1 AI1 AI2 AI2 AO AO LT1 传感器 1 右水箱 EM 235 9 化简为 Y x 62 5x 12 5 2 1 8 本设计中数据之间的转换关系 水箱压力值 0 2000pa 经压力变送器转换成电压值 1 2 6V 其转换关系可用 函数表达式表示 Y x 0 0008x 1 2 1 9 EM235 模块将 1 2 6V 压力信号转换为 6400 16640 数字信号 其转换关系为 Y x 6400 x 2 1 10 6400 16640 数字信号进行标准化处理为 除以 32000 得到结果为 0 2 0 52 标 准化处理结果 0 2 0 52 与 0 20cm 水箱水位的对应关系表达式为 Y x 62 5x 12 5 2 1 11 2 22 2 双容水箱系统结构双容水箱系统结构 2 2 2 12 1 双容水箱系统结构双容水箱系统结构 双容水箱是两个串联在一起的水箱 整个系统有左水箱 右水箱 储水箱爱 及管和阀门组成 本系统由双容水箱作为控制对象 水箱的液位 h1 和 h2 作为被 控量 水箱里液位的变化 由压力传感器转换成 4 20mA 的标准电信号 在 I O 接口的 A D 转换成二进制编码的数学信号后 送入计算机端口 经计算机算出的 控制控制量通过 D A 转换成 1 5V 的控制电信号 通过改变调节阀的开度向水箱 水从左水箱进入 左水箱闸板开度 8 毫米 进入右水箱 右水箱闸板开度 5 6 毫 米 要保证右水箱闸板开度大约下水箱闸板开度 这样控制效果好些 水流入量 Qi 由调节阀 u 控制 流出量 Qo 则由用户通过闸板来改变 被调量为下水位 H 双溶水箱系统结构如图 2 2 1 所示 图 2 2 1 双溶水箱系统结构 10 2 2 22 2 2 双容水箱系统结构图双容水箱系统结构图 双溶水箱液位控制系统的逻辑结构如图 2 2 2 所示 a 结构图 b 方框图 图 2 2 2 双闭环液位控制系统 图 2 2 2 为双闭环串级控制系统的结构图和方框图 本系统是由左 右两个 水箱串联组成 右上水箱的液位为系统的主控制量 左上水箱的液位为副控制量 本系统的控制目的 不仅要使右上水箱的液位等于给定值 而且当扰动出现 在左上水箱时 由于它们的时间常数均小于右上水箱 故在右上水箱的液位未发 生明显变化前 扰动所产生的影响已通过内回路的控制及时地被消除 为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制 系统的主调节器 应为 PI 或 PID 控制 由于副控回路的输出要求能快速 准确地复现主调节器输 出信号的变化规律 对副参数的动态性能和余差无特殊要求 因而副调节器采用 P 或 PI 调节器 11 2 2 32 2 3 双容水箱对象特性双容水箱对象特性 在工业生产过程中 被控过程往往是由多个容积和阻力构成 这种过程称为 多容过程 现在 以具有自衡能力的双容过程为例 来讨论其建立数学模型的方法 图 2 2 3 a 所示为两只水箱串联工作的双容过程 其被控量是第二只水箱 的液位 输入量为与上述分析方法相同 根据物料平衡关系可以列出下 2 h 1 Q 列方程 2 2 dt hd CQQ 1 121 4 2 2 5 2 1 2 R h Q 0 0 0 Q 0 00 图 2 2 3 双容过程及其响应曲线 12 2 2 6 dt hd CQQ 2 232 2 2 7 3 2 3 R h Q 为了消去双容过程的中间变量 将上述方程组进行拉氏变换 1 h 2 Q 3 Q 并画出方框图如 2 2 9 所示 双容过程的数学模型为 2 2 1 1 21 0 1 2 0 sTsT K sQ sH sW 8 1 C1s1 R21 C2s 1 R3 图 2 2 9 双容过程方框图 式中 第一只水箱的时间常数 1 R 211 RCT 第二只水箱的时间常数 2 T 322 RCT 过程的放大系数 0 K 30 RK 分别是两只水箱的容量系数 21 C C 图 2 2 10 所示为流量有一阶跃变化时 被控量的响应曲线 与单容过 1 Q 2 h 程比较 多容过程受到扰动后 被控参数的变化速度并不是一开始就最大 而 2 h 是要经过一段时延之后才达到最大值 即多容过程对于扰动的响应在时间上存在 时延 被称为容量时延 产生容量时延的原因主要是两个容积之间存在阻力 所 以使的响应时间向后推移 容量时延可用作图法求得 即通过响应曲线 2 h 2 h 的拐点 D 作切线 与时间 图 2 2 10 无自衡能力的双容过程 t t t 13 轴相交与 A 与相交与 C C 点在时间轴上的投影 B OA 即为容量时延时间 2 h AB 即为过程的时间常数 T 对与无自衡能力的双容过程 可见图 2 2 10 图 C t 中 被控量为 输入量为 产生阶跃变化时 液位并不立即以最大的 2 h 1 Q 1 Q 2 h 速度变化 由于中间具有容积和阻力 对扰动的响应有他 一定的时延和惯性 2 h 同上所述 所示过程的数学模型为 2 2 11 1 11 01 2 0 TssTsQ sH sW 式中 过程积分时间常数 0 T 20 CT T 第一只水箱的时间常数 同理 无自衡多容过程的数学模型为 2 2 12 n TssT sW 1 11 0 0 当然无自衡多容过程具有纯时延时 则其数学模型为 2 2 13 st n e TssT sW 0 1 11 0 0 14 3 3 串级控制串级控制 3 13 1 串级控制系统概述串级控制系统概述 图 3 1 是串级控制系统的方框图 该系统有主 副两个控制回路 主 副调 节器相串联工作 其中主调节器有自己独立的给定值 R 它的输出 m1 作为副调节 器给定值 副调节器的输出 m2 控制执行器 以改变主参数 C1 15 图 3 1 串级控制系统方框图 R 主参数的给定值 C1 被控的主参数 C2 副参数 f1 t 作用在主对象上的扰动 f2 t 作用在副对象上的扰动 3 23 2 串级控制系统的优点串级控制系统的优点 串级控制系统从总体上看 仍然是一个定值控制系统 因此 主变量在干扰 作用下的过渡过程和单回路定值控制系统的过渡过程具有相同的品质指标 但是 串级控制系统和单回路系统相比 在结构上从对象中引入一个中间变量 副变量 构成一个回路 因此具有一系列的特点 串级控制系统的主要优点由 a 副回路的干扰抑制作用 发生在副回路的干扰 在影响主回路之前即可由副控制器加以校正 b 主回路响应速度的改善 副回路的存在 使副对象的相位滞后对控制系统的影响减小 从而改善了主回路 的响应速度 c 鲁棒性的增强 串级系统对副对象及调节阀特性的变化具有较好的鲁棒性 d 副回路控制的作用 副回路可以按照主回路的需要对于质量流实施精确的控制 3 33 3 串级控制系统的适用场合串级控制系统的适用场合 与单回路回馈控制系统比较 串级控制系统有许多优点 如串级控制系统能 改善对象的动态特性 提高系统的控制质量 能迅速克服进入副回路的二次扰动 能提高系统的工作频率以及对负荷变化的适应性较强等等 串级控制方案主要使 用场合如下 a 应用于容量滞后较大的对象当对象的容量滞后较大时 若采用串级控制 16 使等效对象的时间常数减小 以提高系统的工作效率 加快反映速度 可以得到 较好的控制质量 b 应用于纯滞后较大的对象当对象滞后较大 有时可以利用串级控制系统 来改善系统的控制质量 c 应用于扰动变化激烈而且幅度大的对象串级控制系统的副回路对于进入其 中的扰动具有较强的校正能力 d 应用于参数互相关联的对象在有些过程中 有时两个互相关联的参数需要 利用同一个介质进行控制 鉴于串级控制方式所具有的这一优势 本设计最终采用串级控制方式来控制 水箱液位 4 4 控制规律控制规律 4 14 1 控制规律选择控制规律选择 本设计采用的是工业控制中最常用的 PID 控制规律 内环与外环的控制算法 采用 PID 算法 PID 算法实现简单 控制效果好 系统稳定性好 外环 PID 的输 出作为内环的输入 内环跟随外环的输出 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 它结构简 单 参数易于调整 在长期的应用中积累了丰富的经验 17 4 24 2 PIDPID 控制规律特点控制规律特点 a 技术成熟 PID 调节是连接系统理论中技术最成熟 应用最广泛的控制方 法 它的结构灵活 不仅可实现常规的 PID 调节 而且还可根据系统的要求 采 用 PI PD 带死区的 PID 控制等 b 不许求出系统的数学模型 c 控制效果好 虽然计算机控制是非连续的 但由于计算机的运算速度越来 越快 因此用数字 PID 完全可以代替模拟调节器 并且能得到比较满意的效果 4 34 3 PIDPID 控制调节规律控制调节规律 典型的 PID 控制结构如图 4 1 所示 图 4 1 PID 控制结构图 1 比例部分 在模拟 PID 控制器中 比例环节的作用是对偏差瞬间作出反应 偏差一旦产 生控制器立即产生控制作用 使控制量向减少偏差的方向变化 控制作用的强弱 取决于比例系数 Kp 比例系数 Kp 越大 控制作用越强 则过渡过程越快 控制 过程的静态偏差也就越小 但是 Kp 越大 也越容易产生振荡 破坏系统的稳定 性 故而 比例系数 Kp 选择必须恰当 才能过渡时间少 静差小而又稳定的效 果 2 积分部分 积分部分的数学表达如公式 2 可见 积分部分表达式 2 从积分部分的数学表达式可以知道 只要存在偏差 则它的控制作用就不断 18 的增加 只有在偏差 e t 0 时 它的积分才能是一个常数 控制作用才是一 个不会增加的常数 可见 积分部分可以消除系统的偏差 积分环节的调节作用虽然会消除静态误差 但也会降低系统的影响速度 增 加系统的超调量 积分常数 Ti 越大 积分的积累作用越弱 这时系统在过渡时 不会产生振荡 但是增大积分常数 Ti 会减慢静态误差的消除过程 消除偏差所需 的时间也较长 但可以减少超调量 提高系统的稳定性 当 Ti 较小时 则积分 的作用较强 这时系统过渡时间中有可能产生振荡 不过消除偏差所需的时间较 短 所以必须根据实际控制的具体要求来确定 Ti 3 微分部分 实际的控制系统除了希望消除静态误差外 还要求加快调节过程 在偏差出 现的瞬间 或在偏差变化的瞬间 不但要对偏差量做出立即响应 而且要根据偏 差的变化趋势预先给出适当的纠正 为了实现这一作用 可在 PI 控制的基础上 加入微分环节 形成 PID 控制器 微分环节的作用使阻止偏差的变化 它是根据 偏差值变化趋势进行控制 偏差变化的越快 微分控制器的输出就越大 并能在 偏差值变大之前进行修正 微分作用的引入 将有助于减小超调量 克服振荡 使系统趋于稳定 特别对高阶系统非常有利 它加快了系统的跟踪速度 但微分 的作用对输入信号的噪声很敏感 对那些噪声较大的系统一般不用微分 或在微 分起作用之前先对输入信号进行滤波 微分部分的作用由微分时间常数 Td 决定 Td 越大时 则它抑制偏差 e t 变化的作用越强 Td 越小时 则它反抗偏差 e t 变化的作用达到最优 所以 PID 调节器的数学描述如公式 4 可见 PID 数学描述式 4 4 44 4 西门子西门子 S7 200S7 200 系列系列 PLCPLC 中中 PIDPID 指令的使用指令的使用 比例积分微分指令即 PID 指令其指令格式如下 PID 指令用的算术表达式为 输出值 1 dtTdtdTKK IDDP 上式中表示误差 该指令可以用中断 子程序 步进梯形指令和条件跳步 指令 指令的应用如图 4 2 所示 当 X0 ON 时执行 PID 指令 把 PID 控制回路的设定值存放在 D100 D124 这 25 个数据寄存器中 对 S2 的当前值 D1 和 S1 的设定值 D0 进行比较 通 过 PID 回路处理数值之间的偏差后计算出一个调节值 此调节值存入目标操作数 D150 中 19 4 54 5 在在 PLCPLC 中的中的 PIDPID 控制的编程控制的编程 4 5 14 5 1 回路的输入输出变量的转换和标准化回路的输入输出变量的转换和标准化 PID 控制器调节输出 保证偏差 e 为零 使系统达到稳定状态 偏差 e 是 设定值 SP 和过程变量 PV 的差 PID 控制的原理基于下面的算式 输出 M t 是 比例项 积分项和微分项的函数 输出 比例项 积分项 微分项 dt de KMinitaledtKeKM DIPt 其中 是作为时间函数的回路输出 是回路增益 是回路误差 t M Ke 设定值和过程变量之间的差 是回路输出的初始值 为了能让数字计 Minitial 算机处理这个控制算式 连续算式必须离散化为周期采样偏差算式 才能用来计 算输出值 数字计算机处理的算式如下 输出 比例项 微分项 1 1 nnD n xInPn eeKMinitialeKeKM 其中 是在采样时刻 n PID 回路输出的计算值 是回路增益 n M P K 是采样时刻 n 的回路误差值 是回路误差的前一个数值 在采样时刻 n 1 n e 1 n e 是采样时刻 x 的回路误差值 是积分项的比例常数 是回路输 x e I K Minitial 出的初始值 是微分项的比例常数 D K 从这个公式可以看出 积分项是从第 1 个采样周期到当前采样周期所有误差 项的函数 微分项是当前采样和前一次采样的函数 比例项仅是当前采样的函数 在数字计算机中 不保存所有的误差项 实际上也不必要 由于计算机从第一次 采样开始 每有一个偏差采样值必须计算一次输出值 只需要保存偏差前值和积 分项前值 作为数字计算机解决的重复性的结果 可以得到在任何采样时刻必须 计算的方程的一个简化算式 简化算式是 输出 比例项 积分项 微分项 1 nnDxnInPn eeKMeKeKM 其中 是在采样时间 n 时 回路输出的计算值 是回路增益 n M P K 是采样时刻 n 的回路误差值 是回路误差的前一个数值 在采样时刻 n 1 n e 1 n e 是积分项的比例常数 是积分项的前一个数值 在采样时刻 n 1 I K x M 是微分项的比例常数 D K 1 回路输入的转换和标准化 是将现实世界的值的实数值表达形式转换成 0 0 1 0 之间的标准化值 下面的算式可以用于标准化设定值或过程变量值 X0 PIDD0D1D100D150 S1 S2S3D 图 4 2 PID 指令的应用 20 偏移量跨度 RrawRnorm 其中 是现实世界数值的标准化的实数值表达式 是现实世 RnormRraw 界数值的未标准化的或原始的实数值表达式 偏移量对于单极性为 0 0 对于双 极性为 0 5 跨度是最大可能值减去最小可能值 对于单极性数值 典型值 为 32 000 对于双极性数值 典型值 为 64 000 2 回路输出值转换成刻度整数值 回路输出值一般是控制变量 比如 在汽车速度控制中 可以是油阀开度的 设置 回路输出是 0 0 和 1 0 之间的一个标准化了的实数值 在回路输出可以用 于驱动模拟输出之前 回路输出必须转换成一个 16 位的标定整数值 这一过程 是将 PV 和 SP 转换为标准值的逆过程 第一步是使用下面给出的公式 将回路输 出转换成一个标定的实数值 偏移量 跨度 RScaln M 其中 是回路输出经过标定的实数值 是回路输出标准化的实数 RScaln M 值 偏移量对于单极性值为 0 0 对于双极性值为 0 5 跨度值域大小 可能的 最大值减去可能的最小值 对于单极性为 32 000 典型值 对于双极性为 64 000 典型值 4 5 24 5 2 变量的范围变量的范围 过程变量和设定值是 PID 运算的输入值 因此回路表中的这些变量只能被 PID 指令读而不能被改写 输出变量是由 PID 运算产生的 所以在每一次 PID 运 算完成之后 需更新回路表中的输出值 输出值被限定在 0 0 1 0 之间 当输 出由手动转变为 PID 自动 控制时 回路表中的输出值可以用来初始化输出值 如果使用积分控制 积分项前值要根据 PID 运算结果更新 这个更新了的值用作 下一次 PID 运算的输入 当计算输出值超过范围 大于 1 0 或小于 0 0 那么积 分项前值必须根据下列公式进行调整 当计算输出 0 1 nnx MDMPM 或 当计算输出 0 1 n M nnx MDMPM 0 0 n M 其中 是调整过的偏差的数值 是在采样时间 n 时回路输出的比 x M n MP 例项的数值 是在采样时间 n 时回路输出的微分项的数值 是在采样 n MD n M 时间 n 时回路输出的数值 这样调整积分前值 一旦输出回到范围后 可以提高系统的响应性能 而且 积分项前值也要限制在 0 0 0 1 之间 然后在每次 PID 运算结束之后 把积分项 前值写入回路表 以备在下次 PID 运算中使用 用户可以在执行 PID 指令以前修 改回路表中积分项前值 在实际运用中 这样做的目的是找到由于积分项前值引 起的问题 手工调整积分项前值时 必须小心谨慎 还应保证写入的值在 0 0 21 1 0 之间 5 5 控制系统的设计控制系统的设计 5 15 1 系统设计系统设计 5 1 15 1 1 水箱液位的自动调节水箱液位的自动调节 在这个部分中控制的是左右箱的液位 系统原理图如图 5 1 所示 单相泵正 常运行 打开阀 1 打开俩水箱连通阀 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 22 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流量 LT1 LT3 LT2 驱动电路水泵 储水箱 储水箱 左水箱 右水箱 LC3 图 5 1 系统原理图 当左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 流量也不变 同时水箱的液位也维持不变 5 1 25 1 2 左水箱右水箱液位串级控制系统左水箱右水箱液位串级控制系统 左水箱右水箱液位控制系统由于控制过程特性呈现大滞后 外界环境的扰动 较大 要保持左水箱右水箱液位最后都保持设定值 用简单的单闭环反馈控制不 能实现很好的控制效果 所以采用串级闭环反馈系统 左水箱右水箱液位控制系统图如图 5 2 所示 该系统中 左水箱液位作为副 调节器调节对象 右水箱液位作为主调节器调节对象 这里的扰动主要是水箱的 出水阀的扰动 有时是认为的因素 有时是机械的因素 扰动总是不可避免的 主回路和副回路结合有效地抑制环境的扰动 主对象副对象执行器PID1PID2 A D D A 主变送器 副变送器A D SP PV e 图 5 2 左右水箱控制方框图 23 在这里 执行机构仍然是电动调节阀 依旧由 PLC 经过 PID 算法后控制它的 开度以控制水管里的水流量 控制两个水箱的水位 它有两个 PID 回路 分别是 PID1 和 PID2 PID1 为外环 控制下水箱的液位 它的输出值作为 PID2 的设定值 PID2 控制上水箱的液位 5 25 2 硬件设计硬件设计 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 他们互相联系 组成一个完整的系统 5 2 15 2 1 检测单元检测单元 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 0 10KPa 精度为 由 24V 直流电源供电 可以从 PLC 的电源中获得 输出为 4 20mA 直流 5 2 25 2 2 执行单元执行单元 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 由执行机构和调节机构 调节阀 两部分组成 执行机 24 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 改变调节阀的阀芯或阀座间的流通面积 以达到最终调节被 控介质的目的 来自调节器的信号经信号转换单元转换信号制式后 与来自执行 机构的位置反馈信号比较 其信号差值输入到执行机构 以确定执行机构作用的 方向和大小 其输出的力或位移控制调节阀的动作 改变调节阀的流通面积 从 而改变被控介质的流量 当位置反馈信号与输入信号相等时 系统处于平衡状态 调节阀处于某一开度 系统中用到的调节阀是 QS 智能型调节阀 所用到的执行机构为电动执行机 构 输出为角行程 控制轴转动 电动执行机构的组成框图 来自 PLC 的模拟量输出 DC4 20mA 信号 Ii 与位置反馈信号 If 进行比较 其 差值经放大后 控制伺服电动机正转或反转 再经减速器后 改变调节器的开度 同时输出轴的位移 经位置发生器转换成电流信号 If 当 Ii If 时 电动机停止 转动 调节阀处于某一开度 即 Q KIi 式中 Q 为输出轴的转角 K 为比例常数 电动调节阀还提供手动操作 它的上部有个手柄 和轴连在一起 在系统掉电时 可进行手动控制 保证系统的调节作用 5 2 35 2 3 控制单元控制单元 控制单元是整个系统的心脏 在系统中 PLC 是控制的中心元件 它的选择 是控制单元设计的重要部分 系统应用的是西门子 S7 200 系列的 PLC 其结构简单 使用灵活且易于维护 它采用模块化设计 本系统主要包括 CPU 模块 模拟量输入模块 模拟量输出模 块和电源模块 5 35 3 运行运行 5 3 15 3 1 左水箱液位比例调节左水箱液位比例调节 以图 6 3 所示的液位比例调节系统为例 被调参数是左水箱的液位 在输入 的偏差信号为阶跃信号 当比例调节器的小于 1 时 其比例调节器的实验 e p K 特性图为图 5 3 a 所示 当比例调节器的大于 1 时 其比例调节器的实验 p K 特性图为图 5 3 b 所示 比例调节器 e u a b 图 5 3 比例调节器的实验特性图 00 0 25 5 3 25 3 2 右水箱液位比例积分调节右水箱液位比例积分调节 当输入信号为阶跃变化时 才用 PI 调节器的情况 我们得到了 PI 调节器的 实验的变化曲线图 如图 5 2 所示 5 3 35 3 3 左水箱液位比例积分微分调节左水箱液位比例积分微分调节 对左水箱进行比例积分微分调节即 PID 调节进行实验 当输入信号为阶跃号 时 对应的 PID 阶跃响应实验曲线图如图 5 4 图 5 4 t tt e P u I u PI u 0 0 00 6 6 程序程序的编写的编写 6 16 1 主程序主程序 此程序中首先是设定值 VD104 除以 50 传送到 VD204 寄存器上 比例系数 采样时间 积分时间 微分时间通过实数传送指令传送到寄存器上 这部分是主 控制器 副比例系数 副采样时间 积分时间 微分时间通过实数传送指令传送 到寄存器上 这部分是福控制器 6 26 2 子程序子程序 在这个子程序中可以用一个公式加以总结 AIW2 除以 32000 减 0 2 乘 1 25 传送到 VD200 再乘以 50 传送到 VD100 在控制右水箱的程序中可用此公式加以概括 AIW0 除以 32000 减 0 2 乘 1 25 传送到 AVD400 再乘 50 传送到 VD300 7 7 MCGSMCGS 简单交互界简单交互界 7 17 1 MCGSMCGS 组态软件的概述组态软件的概述 MCGS 组态软件具有动画显示 流程控制 数据采集 设备控制与输出 工程 报表 数据与曲线等强大功能 在自动控制中占据主力军的位置 已逐渐成为工 业自动化的灵魂 7 27 2 MCGSMCGS 交互界面交互界面设计流程设计流程 7 2 17 2 1 建立建立 MCGSMCGS 新工程新工程 首先在计算机上安装 MCGS 组态软件 在 Windows 桌面上 会有 Mcgs 组态环境 与 Mcgs 运行环境 图标 鼠标双击 Mcgs 组态环境 图标 进 入 MCGS 组态环境 在菜单 文件 中选 新建工程 如图 7 1 图 7 1 7 2 27 2 2 建立新画面建立新画面 在 MCGS 组态平台上 单击 用户窗口 在 用户窗口 中单击 新建窗口 按钮 则产生新 窗口 0 即 选中 窗口 0 如图 7 2 图 7 2 选中 窗口 0 单击 窗口属性 进入 用户窗口属性设置 将 窗口名 称 改为 水位控制 将 窗口标题 改为 水位控制 在 窗口位置 中选 中 最大化显 示 其它不变 单击 确认 如图 7 3 图 7 3 选中 水位控制 单击 动画组态 进入动画制作窗口 如图 7 4 图 7 4 7 2 37 2 3 工具箱工具箱的用应的用应 单击工具条中的 工具箱 按钮 则打开动画工具箱 图标 对应于选择 器 用于在编辑图形时选取用户窗口中指定的图形对象 常用图符工具箱包括 27 种常用的图符对象 在工具箱中提供了 8 种图元称为系统图符对象 如图 7 5 7 2 47 2 4 建立文字框 建立文字框 鼠标点击工具条中 工具箱 按钮 打开系统图符 工具箱 选择 工具箱 内的 标签 按钮 鼠标的光标变 为 十字 形 在窗口任何位置拖拽鼠标 拉出一个一定大小的 矩形 输入文字 设置框