水箱液位控制系统整体设计毕业论文.doc

水箱液位控制系统整体设计3.1 三水箱液位控制设计 为了能清晰地进行比较，对三容水箱闭环控制系统作了两个方案：三闭环液位控制和单闭环液位控制，以其控制效果说明其优缺点。本实验是控制下水箱的液位达到给定值。3.1.1 三闭环控制系统原理三闭环控制系统属于串级控制系统，是改善调节过程极其有效的方法。该系统由一个主控制回路和两个副控制回路组成。其中副环在控制过程中起着粗调的作用，主环用来完成细调任务，最终使被调量满足工艺要求，无论主环还是副环都有各自的调节对象，测量变送元件和调节器。系统中尽管有三个调节器，但他们作用各不相同。主调节器具有自己独立的设定值，它的输出作为副调节器1的设定值，副调节器1的输出作为副调节器2的设定值，而副调节器2的输出信号则是送到调节阀去控制生产过程。副环具有快速作用，它能有效的克服二次扰动的影响；改善了对象的动态特性，提高系统的工作频率；对负荷和操作条件的变化有一定的自适应能力1,5，框图如图3.1所示。图3.1三闭环系统方框图3.1.2 单闭环控制系统原理单闭环控制系统属于简单控制系统，只有一个控制器和一个变送器。控制器有一个自己独立的设定值，它的输出给调节阀去控制生产过程，当上中水箱有扰动时控制器不能马上动作，只有当扰动影响到下水箱时，变送器才能够检测到，液位控制的本身就有很大的滞后，加上多个容器就很难控制了。最后用具体的调试曲线比较说明这一点。方框图如图3.2所示。图3.2单闭环的系统方框图3.1.3 硬件组成部分1、水箱包括上水箱、中水箱、下水箱和储水箱。上、中、下水箱采用深蓝色优质有机玻璃，坚实耐用，透明度高。上、中水箱尺寸均为：D=25cm，H=20cm；下水箱尺寸为：D=35cm，H=20cm。水箱结构独特，由三个槽组成，分别为缓冲槽、工作槽和出水槽，进水时水管的水先流入缓冲槽，出水时工作槽的水经过带燕尾槽的隔板流入出水槽，这样经过缓冲和线性化的处理，工作槽的液位较为稳定，便于观察。水箱底部均接有扩散硅压力传感器与变送器，可对水箱的压力和液位进行检测和变送。上、中、下水箱可以组合成一阶、二阶、三阶单回路液位控制系统和双闭环、三闭环液位串级控制系统。储水箱由不锈钢板制成，尺寸为：长宽高为68cm52cm43cm完全能满足上、中、下水箱的实验供水需要。储水箱内部有两个椭圆形塑料过滤网罩，以防杂物进入水泵和管道。2、管道及阀门整个系统管道由敷塑不锈钢管连接而成，所有的手动阀门均采用优质球阀，彻底避免了管道系统生锈的可能性。有效提高了实验装置的使用年限。其中储水箱底部有一个出水阀，当水箱需要更换水时，把球阀打开将水直接排出。3、压力传感器、变送器三个压力传感器分别用来对上、中、下三个水箱的液位进行检测，其量程为05KPa，精度为0.5级。采用工业用的扩散硅压力变送器，带不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。采用标准二线制传输方式，工作时需提供24V直流电源，输出：420mADC。（本装置已将电流信号转换为电压信号）。4、电动调节阀采用智能直行程电动调节阀，用来对控制回路的流量进行调节。电动调节阀型号为：QSTP-16K。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，电源为单相220V，控制信号为420mADC或15VDC，输出为420mADC的阀位信号，使用和校正非常方便。5、水泵本装置采用磁力驱动泵，型号为16CQ-8P，流量为30升/分，扬程为8米，功率为180W。泵体完全采用不锈钢材料，以防止生锈，使用寿命长。6、电磁阀在本装置中作为电动调节阀的旁路，起到阶跃干扰的作用。电磁阀工作压力：最小压力为0Kg/cm2，最大压力为1MP/cm2 ；工作温度：580；工作电压：220VAC。3.1.4 三水箱液位系统结构图图3.3 三水箱液位系统结构图系统是由上中下三个水箱串联构成，主要是控制下水箱的液位达到给定值。由于延迟的存在，调节阀动作的效果往往需要经过一段延迟时间后才会在被调量上表现出来，所以每个水箱都有一个闭环进行控制。目的是减少上中水箱的时间常数，加快系统的响应速度。本系统控制的目的，不仅要使下水箱的液位等于给定值，而且当扰动出现在上中水箱时能够很快就被副调节器所克服，不至于对下水箱液位造成很大的影响，这比单闭环控制系统响应快的多。下水箱液位是主控制量，上中水箱的液位是副控制量。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的要求，因而副调节器可采用P或PI调节器1。3.2 PLC控制系统的硬件配置在PLC控制系统设计的初期，首先应根据系统的输入，输出信号的性质和点数，以及对控制系统的功能和要求，确定系统的硬件配置。硬件组态的任务就是在STEP7中生成一个与实际的硬件系统完全相同的系统。所有模块的参数都是用编程软件来设置的，完全取消了过去用来设置参数的硬件DIP开关和电位器。硬件组态确定了PLC输入输出变量的地址，为设计用户程序打下了基础4。组态时，CPU之外的其他模块的参数保存在CPU中。在PLC启动时，CPU自动向其他模块传送设置的参数。PLC在启动时，将STEP7中生成的硬件设置于实际的硬件配置进行比较，如果二者不符，将立即产生错误报告。图3.4系统的硬件组态窗口插槽4安装数字量的输入输出模块SM323， Q0.0，Q0.1，Q0.2分别对应控制上中下水箱进水的电磁阀的输出。具体的接线图如图3.5所示。图3.5 DI/DO模块SM323的接线图插槽5安装8输入模拟量模块SM331，起始地址为272，结束地址为287。前四个输入是15V的电压测量信号，分别对应下中上水箱的液位测量，后四个输入是温度测量信号。具体接线图如图3.6所示。图3.6 SM331 AI模块接线图插槽6安装模拟量4输出模块SM332，起始地址288，结束地址295，输出类型是420mA的电流信号，对应的是电动调节阀的开度。具体接线如图3.7所示。图3.7 AO模块SM332接线图插槽7是通讯模块CP343-1，通过工业以太网将计算机和PLC链接在一起。WinCC与PLC连接总体结构图如图3.8所示图3.8 WinCC与PLC连接总体结构图3.3 PLC的软件设计3.3.1 PLC的软件组成PLC的软件由系统程序和用户程序组成。系统程序由PLC制造厂商设计编写的，并存入PLC的系统存储器中，用户不能直接读写与更改。系统程序一般包括系统诊断程序、输入处理程序、编译程序、信息传送程序、监控程序等。PLC的用户程序是用户利用PLC的编程语言，根据控制要求编制的程序。在PLC的应用中，最重要的是用PLC的编程语言来编写用户程序，以实现控制目的。由于PLC是专门为工业控制而开发的装置，其主要使用者是广大电气技术人员，为了满足他们的传统习惯和掌握能力，PLC的主要编程语言采用比计算机语言相对简单、易懂、形象的专用语言。PLC编程语言是多种多样的，对于不同生产厂家、不同系列的PLC产品采用的编程语言的表达方式也不相同，但基本上可归纳两种类型：一是采用字符表达方式的编程语言，如语句表等；二是采用图形符号表达方式编程语言，如梯形图等。以下简要介绍几种常见的PLC编程语言。1、梯形图（LAD）梯形图是使用得最多的PLC图形编程语言。梯形图与继电器电路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂熟悉继电器控制的电气人员掌握，特别适合于数字量逻辑控制。梯形图由触点，线圈和用方框表示的指令框组成。触点代表逻辑输入条件，例如外部的开关，按钮和内部条件等。线圈通常代表逻辑运算的结果，常用来控制外部的指示灯，交流接触器和内部的标志位等。指令框用来表示定时器，计数器或者数学运算等附加指令。2、语句表（STL）S7系列PLC将指令表称为语句表（Statement List），它是一种类似于微机的汇编语言中的文本语言，多条语句组成一个程序段。语句表比较合适经验丰富的程序员使用，可以实现某些不能用梯形图或功能块图表示的功能。3、功能块图（FBD）功能块图(FBD)使用类似于布尔代数的图形逻辑符号来表示控制逻辑。一些复杂的功能（例如数学运算功能等）用指令框来表示，有数字电路基础的人很容易掌握。方框的左侧为逻辑运算的输入变量，右侧为输出变量，输入，输出端的小圆圈表示“非”运算，方框被“导线”连接在一起，信号自左向右流动。4、逻辑图语言 逻辑图是一种类似于数字逻辑电路结构的编程语言，由与门、或门、非门、定时器、计数器、触发器等逻辑符号组成。有数字电路基础的电气技术人员较容易掌握5、高级语言 随着PLC技术的发展，为了增强PLC的运算、数据处理及通信等功能，以上编程语言无法很好地满足要求。近年来推出的PLC，尤其是大型PLC，都可用高级语言，如BASIC语言、C语言、PASCAL语言等进行编程。采用高级语言后，用户可以像使用普通微型计算机一样操作PLC，使PLC的各种功能得到更好的发挥1,3。3.3.2 程序流程图是三闭环？下水箱液位与给定值比较送给主调节器中水箱的液位值与主调节器输出对应的液位比较送给副调节器1上水箱的液位值与副调节器1输出对应的液位值比较送给副调器2自动？是3.8控制器的输出给调节阀手动输出给控制器否单闭环？否是下水箱的液位值与给定值比较，送给调节器调节器的输出控制电动调节阀的开度否开始PQW288输出控制调节阀开度结束图3.9 程序流程图3.3.3 部分PLC程序设计图3.10 部分PLC程序设计程序段4：压力变送器3对应的是下水箱的传感器，从PIW272输出的是027648的模拟值，将其传送到存储器字MW2，为了运算精确，将整形数据转换成实数形式，放在存储器MD8中。程序段5：MD827648100将PIW272输出的027648的模拟值转换成0100的数，又乘以5，转换成对应的液位值，“5”是输入系数。程序段18和19：控制器控制电动调节阀的开度，控制器的输出是浮点数，转换成027648的数，取MD74的低字MW76中的16位整数运算结果送到PQW288，该地址连接着电动调节阀，进而控制调节阀的开度。FB41模块是PID控制模块，P-SEL、I-SEL和D-SEL是P、I、D选择允许的输入端口，当对应输入为“1”时，才起作用，SP-INT是设定值的输入端口，想让水箱液位达到多高就在此输入液位值，PV-IN是反馈回的液位的输入端口，即MD16存储的PIW272对应的液位值。GAIN、TI和TD是比例、积分和微分时间的输入端口。LMN是控制器的输出口。监控画面设计4.1 WinCC系统简介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。 WinCC因其具有独特的设计思想而具有广阔的应用前景。借助于模块化的设计，能以灵活的方式对其加以扩展。它不仅能用于单用户系统，而且能构成多用户系统，甚至包括多个服务器和客户机在内的分布式系统。WinCC集生产过程和自动化于一体，实现了相互间的集成。4.2 三水箱控制系统的WinCC画面组态过程4.2.1 WinCC通讯连接WinCC的通讯连接是组态上位机监控界面的第一步。本系统在上位监控机和控制器之间采用工业以太网方式通讯，在控制器和现场装置之间采用PROFIBUS方式通讯。将通讯程序添加到WinCC资源管理内的变量管理器中，计算机上安装的通讯驱动程序是具有.chn扩展名的文件。通道单元要读写PLC的过程值，必须建立与该PLC的连接。通过右键单击相应的通道单元条目，并从弹出式菜单中选择“新建驱动程序连接”来建立WinCC与PLC之间的连接。要获得PLC中的某个数据，必须组态WinCC变量，相对于没有过程驱动程序连接的内部变量，我们称这些变量为外部变量。要创建新的WinCC变量，可通过右键单击相应的条目，从弹出式菜单中选择“新建变量”。其操作界面如图4.1所示。在WinCC变量属性对话框中，可以定义不同的变量属性。图4.1 变量的建立4.2.2 监控界面组态打开WinCC组态环境：点击菜单“开始”-“Simatic”-“WinCC”-“Windows Control Center 6.0”，打开的WinCC组态画面如图4.2（系统会默认打开上次编辑的工程）所示。图4.2 WINCC组态画面4.2.3 新建一工程点击菜单“文件”-“新建”，打开如图4.3所示窗口。在打开的窗口中，选择“单用户项目”，点击确定按钮，打开图4.4所示窗口。在项目名称中输入“sza”。图4.3创建新项目向导 图4.4 输入新项目名称4.2.4 组态变量选中变量管理器，单击鼠标右键，在弹出的对话框中选择“添加新的驱动程序”，在弹出的对话框中，选择“SIMATIC S7 Protocol Suite.CHN”项，单击“OPEN”按钮，打开一个窗口选中“TCP/IP”项，新建一个驱动程序连接，在名称项中输入“S7”点击OK。这样就建立了一个新的驱动连接。双击“S7”项，在右侧的窗口中单击鼠标右键，在弹出的菜单中，选择“新建变量组”项，然后再在刚建的变量组中单击右键，选择“新建变量”项，打开如图4.5所示的窗口。图4.5变量属性设置 在名称中输入“p_select”，在数据类型中选择“二进制变量”，在地址一项中，单击“选择”按钮，弹出如图4.6所示的窗口。在DB号中输入“41”，在地址中选择“位”，在D项中输出“0”，位(I)中输出“3”，点击“OK”按钮。返回图4.5按钮（此时地址项中已经有数据存在）。在图4.5的窗口中，点击“OK”按钮，p_select变量组态完成。用同样的方法组态以下变量，组态好的变量如图4.7所示。图4.6 选择变量地址图4.7组态好的变量上图显示的只是LOOP1-DB41变量组的变量，总体的外部变量见表4.1内部变量见表4.3。名称类型参数程序中名称pv1man1-onman1lmn1d-select1i-select1p-select1dead-bgain1ti1di1lmn-hlmlmn-llmsp-int1tm-lagcom-rst1man2-ond-select2i-select2p-select2gain2ti2di2lmn-hlm-1lmn-llm-1sp-int2man2lmn2com-rst2pv2dead-b-1man3-onman3sp-int3lmn-hlmlmn-llmdead-b-232位浮点数IEEE754二进制变量32位浮点数IEEE75432位浮点数IEEE754二进制变量二进制变量二进制变量32位浮点数IEEE75432位浮点数IEEE75432位浮点数IEEE75432位浮点数IEEE75432位浮点数IEEE75432位浮点数IEEE75432位浮点数IEEE75432位浮点数IEEE754二进制变量二进制变量二进制变量二进制变量二进制变量32位浮点数IEEE75432位浮点数IEEE75432位浮点数IEEE75432位浮点数IEEE75432位浮点数IEEE75432位浮点数IEEE75432位浮点数IEEE75432位浮点数IEEE754二进制变量32位浮点数IEEE75432位浮点数IEEE754二进制变量32位浮点数IEEE75432位浮点数IEEE75432位浮点数IEEE75432位浮点数IEEE75432位浮点数IEEE754DB41， DD92DB41, D0.1DB41, DD16DB41, DD72DB41， D0.7DB41， D0.4DB41， D0.3DB41， DD36DB41， DD20DB41， DD24DB41， DD28DB41， DD40DB41， DD44DB41， DD6DB41, DD32DB41, D0.0DB42, D0.1DB42， D0.7DB42， D0.4DB42， D0.3DB42， DD20DB42， DD24DB42， DD28DB42， DD40DB42， DD44DB42， DD6DB42, DD16DB42, DD72DB42, D0.0DB42， DD92DB42， DD36DB43, D0.1DB43， DD16DB43, DD6DB43, DD40DB43, DD44DB43，DD36PVMAN-ONMANLMND-SELI-SELP-SELDEADB-WGAINTITDLMN-HLMLMN-LLMSP-INTTM-LAGCOM-RSTMAN-OND-SELI-SELP-SELGAINTITDLMN-HLMLMN-LLMSP-INTMANLMNCOM-RSTPVDEADB-WMAN-OMMANSP-INTLMN-HLMLMN-LLMDEADB-W表4.1外部过程变量表4.2 外部过程变量（续4.1）名称类型参数程序中名称d-select3i-select3p-select3gain3ti3di3pv3lmn3com-rstsbhxzdbhxzssxzsxxsx二进制变量二进制变量二进制变量32位浮点数IEEE75432位浮点数IEEE75432位浮点数IEEE75432位浮点数IEEE75432位浮点数IEEE754二进制变量二进制变量二进制变量二进制变量二进制变量二进制变量DB43，D0.7DB43，D0.4DB43，D0.3DB43，DD20DB43，DD24DB43，DD28DB43，DD92DB43，DD72DB43, D0.0DB1, D0.0DB1, D0.1DB1, D0.2DB1, D0.3DB1, D0.4D-SELI-SELP-SELGAINTITDPVLMNCOM-RST表4.3 内部变量对象变量类型实时曲线历史曲线数据报表主调节器副调节器副调节器单闭环自动手动ssqxlsqxsjbbztiaoftiaoftiao1dbhautoman二进制变量二进制变量二进制变量二进制变量二进制变量二进制变量二进制变量二进制变量二进制变量4.2.5 画面组态在图4.2中，选中“图形编辑器”，单击鼠标右键，在弹出的菜单中，选择“新建画面”项。窗口右侧增加了一个文件“NewPdl0.Pdl”，选中“NewPdl0.Pdl”，单击鼠标右键，在弹出的菜单中选择“重命名画面”，输出“New.pdl”，点击“确定”按钮，双击“New.pdl”，打开如图4.8所示的窗口。图4.8 图形编辑界面点击工具栏上的图标，弹出图库窗口。窗口中，选中需要的图形，单击鼠标左键不放，将其拖到画面组态窗口中。用同样的方法添加管道、水箱、阀及传感器等。系统组态画面（系统构造组态图和参数组态图）。可见图4.15。4.2.6 对象属性的动态化1、矩形对象的设定选中其中一个长方形图形，单击鼠标右键，选择“属性”项，弹出一对话框，在对话框中，选择“填充”项，在右侧的扩展项中，选择“填充量”，单击鼠标右键，打开对象属性窗口，选择“动态对话框”项。选择变量“PV1”，在数据类型中，选择“直接”项，界面如图4.9所示，点击“应用”按钮。在“其它”项单击，选中“显示”单击鼠标右键，打开对象属性窗口，选择“动态对话框”项。选择内部变量“ztiao”，在数据类型中，选择“布尔”型。副调节器1和副调节器2以及他们的设定值，测量值和输出值可以用同样的方法设定。 图4.9 选择变量 图4.10 I/O域组态窗口2、输出/输入区域的设定选中组态窗口中的输入输出域，单击鼠标右键，在弹出的菜单中，选择组态对话框。打开如图4.10所示I/O域组态窗口。在“变量”项，选择“PV1”，“更新”项选择“根据变化”，这样就组态了一个I/O域。 输出/输入域“显示”部分的设定方法和矩形的一样，属于哪个调节器的输入/输出就选择哪个内部变量。用同样的方法可以组态每个调节器的ti，di等。4.2.7 实时曲线和历史曲线的组态在图4.8的窗口中，点击“控件”项，打开如图4.11所示的控件选项窗口。图4.11 控件选项窗口在窗口中，点击“WinCC Online Trend Control”项，在组态窗口中，拖一个长方形的区域，历史曲线显示控件被放置到窗口中。双击这个控件，打开如图4.12所示的WinCC在线趋势控件属性窗口。图4.12 WINCC在线趋势控件属性窗口在“选择归档/变量”项中，点击“选择”按钮，添加需要显示的变量名。用同样的方法组态实时曲线和数据报表（显示归档变量）。4.2.8 添加按钮的动作给画面添加6个按钮，其名称分别为：历史曲线，实时曲线，实验流程，数据报表参数整定，退出实验，自动，手动，单闭环选择，三闭环选择。双击“历史曲线”按钮，打开属性窗口，点击“事件”项，在“按钮”-“鼠标”-“释放左键”项，单击鼠标右键，在弹出的菜单中，选择“C动作”，打开如图4.13所示的编辑动作窗口。在窗口中输入：“SetTagBit(ssqx,0); SetTagBit(lsqx,1);SetTagBit(sjbb,0);”三条语句，点击确定按钮。也就是想在点击哪个按钮，出现哪种情况时，就把那个情况置“1”，否则置“0”。图4.13编辑动作窗口选中“历史曲线”控件，单击鼠标右键，在打开的菜单中，选择“属性”项。在打开的对话框中，选择“属性”-“其它”-“允许操作员”项，单击鼠标右键，打开历史曲线对象属性窗口。选择“动态对话框”项，按图4.14进行变量连接79。图4.14 动态变量连接用同样的方法，分别定义其它几个按钮。系统完全组态好的画面如图4.15所示。图4.15 系统主监控界面网络通讯通过前面的介绍，编完了三水箱的控制程序和WinCC的监控界面，现在就需要通过网络使他们之间能够通讯进而控制整个系统。下面就简单的介绍实现的过程。首先，要保证硬件的配置要和实际的系统完全一样。其次，WinCC的PG/PC的端口选择，外部变量建立在TCP/IP里，单击TCP/IP，显示如图5.1。图5.1 变量设置在右边的界面里对“sy”点击右键，选择“属性”，在点击“属性”，在出现的对话框如图5.2。图5.2 连接参数 图5.3 系统参数改变“IP地址”要和系统设定的一样，本实验的地址为“172.16.13.200”，机架号“0”，插槽号“2”，然后点击“确定”。再在图5.1右面的界面里单击右键选择“系统参数”点击“单元”如图5.3所示。“CP类型/总线结构”填写TCP/IP，“逻辑设备名称”选择的是本机的网络适配器。再次，对STEP 7的设定，硬件中的CP343-1的IP地址也改为“172.16.13.200”，子网掩码“255.255.0.0”点击“确定”，然后将改变之后的硬件重新编译下。PG/PC的设定如图5.4。都选择和自己的电脑一样的适配器。图5.4 STEP 7的PG/PC接口设置最后，将STEP 7的硬件和程序都下载到PLC中，如果，没有红灯，则表示正常，否则，一部分一部分的查找原因，直到正常为止。控制系统PID参数整定6.1 数字PID控制PID控制是比例积分微分控制的简称。PID控制具有原理简单，使用方便，适应性强，鲁棒性强等优点。它是一种负反馈控制，能缓解对象中的不平衡，正确的达到自动控制的目的。PID调节的实质；根据输入的偏差值，按比例、积分、微分的函数关系进行运算，运算结果用以控制输出。即：调节器的输入与输出为比例-积分-微分关系10。6.1.1 PID控制的原理常规的PID控制系统的原理图如图6.1所示。系统由PID控制器，被控对象和反馈检测环节组成。比 例积分比例微分比例被控对象检测装置r(t)e(t)u(t)图6.1 PID控制系统图6.1.2 控制器公式实际应用中，可以根据受控对象的特性和控制性能的要求，灵活的采用不同的控制组合，构成比例（P）控制器： （6.1）比例+积分（PI）控制器： （6.2）比例+积分+微分（PID）控制器： （6.3）其中Kp比例系数；TI积分时间常数；TD微分时间常数。PID控制具有很多优点：不需要被控对象的数学模型，自动控制理论中的分析和设计方法主要是建立在被控对象的线性定常数学模型的基础上的。该模型忽略了实际系统中的非线性和时变性，与实际系统有较大的差距。对于许多工业控制对象，根本就无法建立较为准确的数学模型，因此自动控制理论中的设计方法很难用于大多数控制系统。对于这一类系统，使用PID控制可以得到比较满意的效果。PID控制器的结构典型，程序设计简单，计算工作量较小，各参数有明确的物理意义，参数调整方便，容易实现多回路控制、串级控制等复杂的控制。根据被控对象的具体情况，可以采用PID控制器的多种变种和改进的控制方式，例如PI、PD、带死区的PID、被控量微分PID、积分分离PID和变速积分PID等，但比例控制一般是必不可少的。随着智能控制技术的发展，PID控制与神经网络控制等现代控制方法结合，可以实现PID控制器的参数自整定，使PID控制器具有经久不衰的生命力10。6.1.3 PID的控制规律1、 比例调节的特点比例调节的显著特点就是有差调节。Kp太小虽然没有超调，系统的输出量变化缓慢，调节时间长，稳态误差与Kp成反比。增大Kp使系统反应灵敏，上升速度快，且可以减小稳态误差，但是太大会使闭环系统不稳定，震荡次数增加，调节时间长，导致动态性能变坏3,10。2、积分调节的特点积分调节的特点是无差调节。控制器中的积分作用与当前的误差大小和误差历史情况都有关，只要误差不为零控制器的输出就会因积分作用而不断变化，误差为正时积分项不断增大，反之减小。积分作用是消除稳态误差和提高控制精度，积分作用一般是必须的。因为积分时间项在分母中， 越小，积分速度越快，积分作用越强。但是积分作用有迟后特性，不像比例部分，只要误差一出现就立即起作用，积分作用太强会使系统的响应动态性能变差，超调量增大，甚至使系统不稳定，因此积分很少单独使用3,10。3、微分调节的特点微分部分的输出与误差的微分（即误差的变化速率）成正比，反映了被控量的变化趋势，其作用是阻碍被控量的变化。微分具有超前和预测的特性，在超调尚未出现之前就能提前给出控制的作用。适当的微分作用可以使超调量减少，调节时间缩短，增加系统的稳定性，其缺点是对干扰噪声敏感，使系统抑制干扰的能力降低。微分时间表示了微分作用的强弱，越大，微分作用越强，但是太大可能会引起频率较高的震荡，或是被控量接近稳态值时变化缓慢。这是因为接近稳态值时，误差很小，比例部分消除误差的能力很弱。由于微分部分太强，抑制了被控制量的上升，导致被控制量上升极为缓慢，达到稳态时间长3,10。总结起来，不同的控制规律有不同的特点，对于相同的控制对象，不同的控制规律，有不同的控制效果，图6.2是不同控制规律时的过渡过程式曲线。图6.2 不同控制规律时的过渡过程式曲线6.2 PID参数的调整方法为了减少需要整定的参数，可以首先采用PI控制算法。在调试开始时应设置比较保守的参数，比例增益不要太大。给出一个阶跃信号后，观察系统输出量的波形，根据输出波形提供给的信息和PID参数与系统性能的关系，反复调节PID的参数。如果阶跃响应的超调量太大，经过多次震荡才能稳定，应减小增益，增大积分时间，如果阶跃响应没有超调，但是被控制量上升过于缓慢，过渡时间太长应按相反的方向调整参数。如果消除误差的速度较慢，可以适当减小积分时间。如果反复调节Kp和，超调量仍然较大，可以加入微分从0逐渐增大，反复调节这三个参数3。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，所以无论是控制器的形式还是所整定的参数均可相互参考。表6.1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。若需加微分作用，微分时间常数按TD=(1/31/4)TI计算1。表6.1 经验法整定参数系统参数(%)TI(min)TD(min)温度流量压力液位206040100307020803100.110.430.53系统调试7.1 测试内容与步骤该设计选择上、中、下三只水箱串联组成三容对象（三阶系统），控制目标是下水箱的液位。实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-2、F1-6全开，将上水箱出水阀门F1-9开至适当开度（50%90%）、中水箱出水阀门F1-10开至适当开度（40%80%）、下水箱出水阀门F1-11开至适当开度（30%70% 要求阀门开度满足F1-9 F1-10 F1-11），其余阀门均关闭。具体步骤如下：1、接线：220V接面板COM，N与N1、N2、N3短接，D1、D2、D3分别接面板DO1、DO2、DO3；弱电连线：将“LT1上水箱液位”（1-5V信号）对应接至模拟量输入通道AI2； LT2中水箱液位（1-5V信号）对应接至模拟量输入通道AI1；LT3下水箱液位（1-5V信号）对应接至模拟量输入通道AI0；将模拟量输出通道AO0接至电动阀控制输入。2、接通总电源空气开关，闭合三相电源和单向电源，打开电动调节阀与控制站电源，给电动调节阀、S7-300PLC上电。3、打开Step 7软件，打开“S7-300 PLC”程序进行下载，然后将S7-300 PLC置于运行状态，然后运行WinCC组态软件，打开“S7-300 PLC控制系统”工程，然后激活WinCC运行环境。7.2 调试结果7.2.1 采用P调节在上位机监控界面中点击“三闭环”按钮输入一个适当的给定值，例如70mm。主调节器采用P调节：Kp=3.00；副调节器1参数：Kp1=0.5；副调节器2参数：Kp2=1.00；调试曲线见图7.1。再点击“单闭环”按钮，调节器的参数和三闭环的主调节参数一样，调试的曲线见图7.2。红色的线代表“下水箱”，蓝色的线代表“中水箱”，绿色的线代表“上水箱”。1、三闭环控制图7.1 三闭环采用P调节控制输出图2、单闭环控制图7.2 单闭环采用P调节控制输出由图可知：两种控制都有稳态误差，但是单闭环达到稳定的时间长，滞后较大。7.2.2 采用PI调节在上位机监控界面中点击“三闭环”按钮输入一个适当的给定值，例如70mm。主调节器采用PI调节：Kp=1.00；TI =100000.0;副调节器1参数：Kp1=0.5；副调节器2参数：Kp2=1.00；调试曲线见图7.3。再点击“单闭环”按钮，调节器的参数和三闭环的主调节参数一样，调试的曲线见图7.4。红色的线代表“下水箱”，蓝色的线代表“中水箱”，绿色的线代表“上水箱”。1、 三闭环控制图7.3 三闭环采用PI调节控制输出图2、单闭环控制图7.4 单闭环采用PI调节控制输出图7.1和图7.3相比知：同样是三闭环控制，PI控制能达到给定值，是无差控制但是达到稳定的时间较长。图7.3和图7.4相比知：单闭环控制达到稳定的时间更长。7.2.3 采用PID调节在上位机监控界面中点击“三闭环”按钮输入一个适当的给定值，例如70mm。主调节器采用PID调节：Kp=1.00；TI=200000.0；TD=10000；副调节器1参数：Kp1=0.5；副调节器2参数：Kp2=1.00；调试曲线见图7.5。再点击“单闭环”按钮，调节器的参数和三闭环的主调节参数一样，调试的曲线见图7.6。红色的线代表“下水箱”，蓝色的线代表“中水箱”，绿色的线代表“上水箱”。1、 三闭环控制 图7.5 三闭环采用PID调节控制输出2、 单闭环控制图7.6 单闭环采用PID调节控制输出图7.3和图7.5相比知：同样是三闭环控制，也都能到达给定值，无差调节，相比PI控制达到稳定的时间较长，因为微分时间TD有预见性，在没有出现超调的时候就能提前控制。图7.3和图7.4相比知：单闭环控制达到稳定的时间更长。结论：对三水箱进行控制，水由上水箱流到下水箱需要一段时间，液位控制本身存在很大的滞后，扰动出现在上水箱，简单的单闭环控制达到稳态的时间太长，已经不能达到控制的要求。采用三闭环，每个水箱有扰动都会有相应的控制器进行控制，这样调节比较及时，速度较快。（1） 比例Kp是PID调节器中最关键的调节作用，Kp增大，系统稳定性增加，但调节灵敏度减弱，一般曲线振荡频繁时，要增大Kp ，而曲线飘浮绕大弯时，要减小Kp 。（2） 积分TI的作用主要是起到消除静差的作用。减小TI ，消除静差快，但稳定性减小。一般曲线偏离恢复慢时，减小TI，而曲线波动周期长时，再增加TI 。（3） 微分TD的调节动作总是力图抑制被调量的振荡，它有提高控制系统稳定性的作用。适度引入微分作用动作可以允许稍许减小比例带，同时保持衰减率不变。袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿