基于智能仪表和PLC的液位控制系统设计.doc

本本 科科 生生 毕毕 业业 论论 文 设计 文 设计 题 目 基于智能仪表和 PLC 的液位控制系统设计 院 系 专 业 学生姓名 学 号 指导教师 职 称 i i 摘摘 要要 微电子技术和计算机技术的不断发展 引起了仪表结构的根本性变革 以微型 计算机 单片机 为主体 将计算机技术和检测技术有机结合 组成新一代 智能 化仪表 在测量过程自动化 测量数据处理及功能多样化方面与传统仪表的常规测 量电路相比较 取得了巨大进展 智能仪表不仅能解决传统仪表不易或不能解决的 问题 还能简化仪表电路 提高仪表的可靠性 更容易实现高精度 高性能 多功 能的目的 可编程控制器 Programmable Logic Controller PLC 是一种应用广泛非常 的自动控制装置 它将传统的继电器控制技术 计算机技术和通讯技术融为一体 具有控制能力强 操作灵活方便 可靠性高 适宜长期连续工作的特点 非常适合 液位控制的要求 本文介绍了基于智能仪表 西门子 S7 300 型可编程控制器 PLC 组态软件 的液位控制系统的设计方案 系统采用 PID 算法 实现液位的自动控制 利用组态 软件设计人机界面 通过串行口和可编程控制器通信 实现控制系统的实时监控 现场数据的采集与处理 实验证明 控制系统效果比较令人满意 具有较大的工程实用价值 关键词 液位控制 智能仪表 可编程控制器 PID 人机界面 ii ii Abstract Nowadays intelligent measuring appliance is improving more and more quickly It has been used in more an more place of our life It can make Electric circuit much easier than before And the control can be realized much more precise and convenient Microelectronics and computer technology continues to develop led to fundamental changes in the structure of instruments to micro computer single chip as the main body the computer technology and the organic integration of detection technology to form a new generation of smart meters in Measurement of process automation measurement data processing and functional diversification of the traditional instrument compared to conventional measuring circuit tremendous progress has been made PLC is a very useful control installment It is widely used in a lot of control system in ourlives It is the product of the computer control communication technology It can make Electric circuit much easier than before And the control can be realized much more precise and convenient It very suits the control of water level It will relay the traditional control technology computer and communication technologies together with the control and operation of flexible convenient high reliability suitable for continuous long term characteristics of the work very suitable for liquid level control requirements This thesis mainly introduces a design of water level control system with intelligent measuring appliance SIMATIC programmable logic controller PLC and configuration soft This system adopts increment type Proportional Integral Differential arithmetic to realize the water level automation For convenience to monitor the system and process data in actual time we have designed Human Machine Interface HMI with configuration soft The result of experimentation indicates that this system could run quickly accurately and stably which accords with our aim perfectly This system has been used widely in the temperature control system field for its low cost and high stabilization advantages Experiment proved that the control system more satisfactory results with more practical engineering value Keywords Water Level Control Intelligent measuring appliance PLC PID HMI iii iii 目目 录录 摘摘 要要 I ABSTRACT II 第一章第一章前言前言 1 1 1 课题研究背景 意义和目的 1 1 2 液位控制系统的发展状况 1 1 3 论文研究内容 2 第二章第二章智能仪表与可编程控制器基础智能仪表与可编程控制器基础 4 2 1 智能仪表基础 4 2 1 1 智能仪表的定义及发展现状 4 2 1 2 智能仪表的功能 4 2 1 3 智能仪表的基本组成 4 2 2 可编程控制器基础 5 2 2 1 PLC 的历史和发展趋势 6 2 2 2 PLC 的分类 6 2 2 3 PLC 的基本结构 7 2 2 4 PLC 的编程 8 2 2 5 S7 300 型 PLC 的特性 8 第三章第三章PIDPID 控制器设计控制器设计 10 3 1PID 控制器 10 3 1 1 PID 控制器的基本结构 10 3 1 2 PID 控制器各参数的作用 11 3 1 3过程控制中常见 PID 参数整定方法 12 3 1 4PID 参数整定公式 14 3 2数学模型 15 第四章第四章控制系统设计控制系统设计 18 4 1硬件配置 18 4 1 1 智能仪表 18 4 1 2 PLC 19 4 1 3 检测装置 20 4 1 4 执行机构 20 4 2控制流程 21 4 2 1智能仪表控制 21 4 2 2S7 300PLC 控制 22 iv iv 4 3PLC 程序设计简介 23 4 3 1PID 功能 23 4 3 2 控制程序设计 26 4 3 3 程序总体结构 27 4 4STEP7 编程界面简介 28 4 5MATLAB 系统仿真 30 第五章第五章 人机界面设计人机界面设计 32 5 1 组态软件简介 32 5 2 组态王人机界面开发 33 5 2 1 组态王简介 33 5 2 2 组态王特点 33 5 2 3 组态王开发 34 第六章第六章 系统运行结果系统运行结果 43 第七章第七章 结论结论 44 参考文献参考文献 45 致谢致谢 46 1 第一章第一章前言前言 1 11 1 课题研究背景 意义和目的课题研究背景 意义和目的 在工业生产过程中 液位变量是最常见 最广泛的过程参数之一 在石油工业 化工生产 电力工程 机械制造和食品加工等诸多领域中 人们都需要对各类流体 的液位高度进行检测和控制 由于其具有工况复杂 参数多变 运行惯性大 控制滞 后等特点 它对控制调节器要求极高 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 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 调整方便而成为液位控制的主要技术之一 微电子技术和计算机技术的不断发展 引起了仪表结构的根本性变革 以微型 计算机 单片机 为主体 将计算机技术和检测技术有机结合 组成新一代 智能 化仪表 在测量过程自动化 测量数据处理及功能多样化方面与传统仪表的常规测 量电路相比较 取得了巨大进展 智能仪表不仅能解决传统仪表不易或不能解决的 问题 还能简化仪表电路 提高仪表的可靠性 更容易实现高精度 高性能 多功 能的目的 随着科学技术的进一步发展 仪表的智能化程度将越来越高 不但能完 成多种物理量的精确显示 同时可以带变送输出 继电器控制输出 通讯 数据保 持等多种功能 可编程控制器 Programmable Logic Controller PLC 是一种应用广泛非常的 自动控制装置 它将传统的继电器控制技术 计算机技术和通讯技术融为一体 具 有控制能力强 操作灵活方便 可靠性高 适宜长期连续工作的特点 非常适合液 位控制的要求 目前常用的可编程控制器中 西门子公司的 S7 300PLC 以其编程软 件 STEP7 的简洁易用和通信网络的功能强大得到业内人士的普遍认可 1 21 2 液位控制系统的发展状况液位控制系统的发展状况 近几十年来 控制系统已被广泛使用 在起研究和发展上也已趋于完备 控制 的概念更是应用在许多生活周遭的事物 液位控制系统已是一般工业界所不可缺少 2 的 举凡蓄水槽 污水处理厂等都需要液位元的控制 使用液位控制系统来自动维 持液位高度 工作人员可以轻易在操作室获知整个设备的储水状况 大大减低工作 人员工作的危险性 同时更提高了工作的效率及简便性 除了传统的 PID 控制系统外 近年来随着智能仪表和 PLC 的发展 加入智能型 控制的系统也得以应用 近年来液位控制系统取得了很大的进步 出现了许多新型的液位控制仪 如超 声波液位计 雷达液位计 光电液位开关等 这些控制器的出现大大提高了控制系 统的精度 实现了控制系统的丰富多样性 近几十年来 在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 美国 德国 日本等技术领先国家 生产开发出一系列性能优异 实用性 强的液位控制器以及相应的仪器仪表 并广泛应用于生产生活的各个领域 这些先 进的控制器不仅能实现各种复杂环境下的液位控制系统的控制 而且运用先进的算 法 采用自适应控制 自校正控制 模糊控制 人工智能及计算机技术 使液位控 制器的适用范围更加广泛 国外的液位控制器正朝着高精度 智能化等方向快速发 展 反观我国 虽然液位控制系统在国内生产生活的应用十分广泛 但国内的液位 控制器的发展水平仍然不高 同先进国家的差距仍然很大 国内液位控制器仍以常 规的 PID 控制器为主 无法适用于滞后 复杂 时变的液位系统控制 智能化 自 适应的控制系统 国内还没有相关的成熟技术 我国相关控制器大量依靠国外的成 熟技术 这些都是必须正视的现实 所以 发展先进的液位控制技术是我们必须重 视的趋势 随着科学技术的不断发展 人们对液位控制系统的要求越来越高 特别是高精 度 智能化 人性化的液位控制系统是国内外液位控制系统发展的必然趋势 1 31 3 论文研究内容论文研究内容 本论文研究的是智能仪表与 PLC 技术在液位控制系统上的应用 从整体上分析 和研究了控制系统的硬件配置 控制对象数学模型的建立 控制算法的选择和参数 的整定 人机界面的设计等 具体有以下几方面的内容 第一章 对液位控制系统应用的背景进行了阐述 并说明了智能仪表和 PLC 在 3 工业控制系统领域的发展状况 指出了本文的研究意义所在 第二章 简单概述了智能仪表以及 PLC 的基本概念以及结构功能等基础内容 第三章 介绍了控制系统设计的基本步骤和方法 包括了硬件的配置 电路图 的设计 程序设计 系统的通信等内容 第四章 研究了控制器的设计方法 采用 PID 控制算法以及临界比例度法整定 参数 最终完成控制器的设计 第五章 介绍了人机界面的设计 第六章 介绍了系统的测试及应用 第七章 总结全文 4 第二章第二章智能仪表与可编程控制器基础智能仪表与可编程控制器基础 2 12 1 智能仪表基础智能仪表基础 2 1 12 1 1智能仪表的定义及发展现状智能仪表的定义及发展现状 智能仪表是指仪表中配有微控制器 使其具有对数据 命令等进行存储 运算 逻辑判断及自动化操作等功能 随着微控制器 包括单片机 DSP ARM 等 技术 的不断进步和普及 智能仪表得到了迅猛的发展 新型智能仪表在测量过程自动化 测量结果的数据处理以及功能的多样化方面 都取得了巨大的进步 3 我国的仪表行业由于起步晚 水平低 与发达国家相比差距较大 我国的智能 仪表行业还远远不能满足国民经济 科学研究 国防建设以及社会发展等各个方面 日益增长的迫切需求 2 1 22 1 2 智能仪表的功能智能仪表的功能 总结起来 智能仪表大体上能实现如下一些功能 自动校正零点 满度和切换量程 可进行多通道 多参数巡回检测 自动修正各类测量误差 数字滤波及数据处理 控制算法 多种输出形式 数据通信 自诊断 2 1 32 1 3 智能仪表的基本组成智能仪表的基本组成 智能仪表由硬件和软件两大部分组成 硬件部分包括微控制器及其接口电路 模拟量输入输出电路 开关量输入输出 电路 数据通信接口电路 人机交互通道 以及其他外围设备 智能仪表硬件组成 5 框架图如图 2 1 所示 智能仪表的软件 包括监控程序 中断服务程序以及实现各种算法的功能模块 智能仪表的工作过程如下 输入信号要经过开关量输入电路或模拟量输入电路 进行变换 放大 整形 补偿等处理 对于模拟量信号 需经 A D 转换器转换成数 字信号 再通过接口送入微控制器 由 CPU 对输入数据进行加工处理 计算分析等 一系列工作 通过接口送至显示器或打印机 也可输出开关量信号或经模拟量输出 电路的 D A 转换器转换成模拟量输出信号 还可通过串行接口实现数据通信 完成 更复杂的测量和控制任务 开关量 模拟量 信号 信号 通信数据 键盘 开关量 输入电路 模拟量 输入电路 通信接口 电路 键盘接口 电路 微控制器及其接口电路 开关量 输出电路 模拟量 输出电路 显示器 接口电路 打印机 接口电路 开关量 模拟量 显示器 打印机 输出信号 输出信号 图 2 1 智能仪表硬件组成框架图 2 22 2 可编程控制器基础可编程控制器基础 PLC 即可编程逻辑控制器 英文全称是 Programmable Logic Controller 是一 种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置 它采用可以编制程 序的存储器 用来在其内部存储执行逻辑运算 顺序运算 计时 计数和算术运算 6 等操作的指令 并能通过数字式或模拟式的输入和输出 控制各种类型的机械或生 产过程 PLC 以其可靠性高 抗干扰能力强 编程简单 功能强大 性价比高 体积小 能耗低等显著特点广泛应用于钢铁 石油 化工 电力 建材 机械制造 汽车 轻纺 交通运输 环保及文化娱乐等各个行业 2 2 12 2 1 PLCPLC 的历史和发展趋势的历史和发展趋势 20 世纪 20 年代起 人们把各种继电器 定时器 接触器及其触点按一定的逻 辑关系连接起来组成控制系统 控制各种机械设备 这就是传统的继电器控制系统 到 20 世纪 60 年代 汽车生产流水线的自动控制系统基本上都是由继电器控制装置 构成的 20 世纪 60 年代末 美国的汽车制造业竞争激烈 各生产厂家汽车型号不 断更新 它必然要求加工的生产线亦随之改变 以及对整个控制系统重新配置 这 样 继电器控制系统就需要经常更新和安装 阻碍了更新周期的缩短 为改变这一 状况 美国通用汽车公司 GM 在 1968 年公开招标 要求用新的控制装置取代继 电器控制装置 1969 年美国数字设备公司 DEC 根据美国通用汽车公司的这种要求 研制成 功了世界上第一台可编程控制器 并在通用汽车公司的自动装配线上试用 取得很 好的效果 这一新型工业控制装置的出现 也受到了世界其他国家的高度重视 1971 年日本从美国引进了这项技术 很快研制了日本第一台 PLC 1973 年西欧国家 也研制出它们的第一台 PLC 我国从 1974 年开始研制 于 1977 年开始工业应用 1 目前比较著名的 PLC 生产厂家有日本的三菱公司 欧姆龙公司 富士电机 松 下电工 德国的西门子 法国的 TE 公司 施耐德公司 韩国的三星公司 LG 公司 和美国的 AB 通用 GE 公司 PLC 现在的发展很快 总的趋势是向高集成度 小体积 大容量 高速度 使 用方便 高性能和智能化方向发展 2 7 2 2 22 2 2 PLCPLC 的分类的分类 对于 PLC 的分类通常可以根据他的结构形式 容量或功能进行 按照硬件的结构形式 可将 PLC 分为整体式和模块式两类 还有一些 PLC 将整 体式和模块式的特点结合起来 构成所谓叠装式 PLC PLC 的容量主要指其输入 输出点数 按容量大小 可将 PLC 分为 小型 PLC I O 点数一般在 256 点以下 中型 PLC I O 点数一般在 256 1024 点之间 大型 PLC I O 点数一般在 1024 点以上 按 PLC 功能上的强弱可分为低档机 中档机 高档机 当然 上述分类的标准不是固定的 而是随着 PLC 整体性能的提高不断变化 2 2 32 2 3 PLCPLC 的基本结构的基本结构 PLC 专为工业现场应用而设计 采用了典型的计算机结构 主要由中央处理器 CPU 存储器 RAM ROM 输入输出单元 I O 接口 电源及编程器等几大 部分组成 PLC 的基本结构图如图 2 2 所示 输 入 单 元 中央处理单元 CPU输 出 单 元 电源 存储单元 编程器或其他编程设备 图 2 2 PLC 的基本结构图 中央处理器 CPU 是 PLC 的核心 一般由运算器 控制器 寄存器组成 这 些电路都集成在一个芯片内 CPU 通过数据总线 地址总线和控制总线与存储单元 电 源 信 号 输 入 信 号 检 查 装 置 8 输入输出接口电路相连接 它的功能是接收并存贮用户程序和数据 用扫描的方式 采集由现场输入装置送来的状态或数据 并存入规定的寄存器中 同时 诊断电源 和 PLC 内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等 PLC 中采用的 CPU 一般有 三大类 通用微处理器 单片机芯片 位处理器 存储器主要用于存放系统程序和应用软件 PLC 所用的存储器基本上由 ROM 只 读存储器 EPROM 可擦除的只读存储器 及 RAM 随机存储器 组成 根据存储 内容的不同 PLC 的存储空间一般分为以下 3 个区域 系统程序存储区 用户程序 存储区 系统 RAM 存储区 输入 输出单元从广义上分包含两部分 与被控设备相连接的接口电路 输入输 出的映像寄存器 PLC 是通过各种 I O 接口模块与外界联系的 按 I O 点数确定模 块规格及数量 I O 模块可多可少 但其最大数受 CPU 所能管理的基本配置的能力 即受最大的底板或机架槽数限制 I O 模块集成了 PLC 的 I O 电路 其输入暂存器 反映输入信号状态 输出点反映输出锁存器状态 2 2 42 2 4 PLCPLC 的编程的编程 常用的 PLC 程序设计方法有梯形图 LAD 功能块图 FBD 和语句表 STL 梯形 图的使用直观方便 可以建立与电器接线图等价的梯形逻辑图 而且在全世界范围内 通用 因此 成为多数 PLC 程序设计和维护人员的首选方法 在实际设计中有着广泛的 应用 2 2 52 2 5 S7 300S7 300 型型 PLCPLC 的特性的特性 S7 300PLC 是西门子公司的中型 PLC 最多可以扩展 32 个模块 S7 300PLC 是模块式中小型 PLC 电源 CPU 和其他模块都是独立的 可以通 过 U 形总线把电源 PS CPU 和其他模块紧密地固定在西门子 S7 300 标准的导轨 Rail 上 S7 300PLC 的结构示意图如图 2 3 和 2 4 9 图 2 3 S3 300PLC 实物图 图 2 4 S7 300PLC 主要结构示意图 10 第三章第三章PIDPID 控制器设计控制器设计 控制器的设计是基于模型控制设计过程中最重要的一步 首先要根据受控 对象的数学模型和它的各特性以及设计要求 确定控制器的结构以及和受控对 象的连接方式 然后根据所要求的性能指标确定控制器的参数值 3 1PIDPID 控制器控制器 PID 控制技术是在反馈思想被实际应用以后在工业应中发展起来的 PID 控 制器早在一百年前就已经出现 经过长时间发展 已经有许许多多改进形式的 PID 控制器出现 但到目前为止没有一个 PID 控制器能够适用于所有控制场合 PID 控制器具有结构简单 鲁棒性强等特点 因此 今天它己经成为应用最广 泛的控制技术 在石化 化工 造纸等工业领域 甚至有 97 的常规控制器都 是 PID 控制器 3 1 1 PIDPID 控制器的基本结构控制器的基本结构 最典型反馈控制系统的方块图如图 3 1 所示 此系统为单位反馈 其中偏 差值 e 为给定值与测量值的差值 u 为控制量 d 为系统中扰动量 图 3 1 系统结构框图 PID 控制器基本可以由以下的传递函数表示 3 1 1 1 cd i G sKT s Ts 其中为比例增益 为积分时间 为微分时间 c K i T d T PID 控制器的另一种表示方式也比较常见 称为并行结构 Parallel form 如下所示 PID 被控对象 给定值被控参数 d eu PVSV 11 sK s K KsG d i p 3 2 其时域输出方程为 dt tde KdtteKteKtu dip 3 3 式 3 1 与式 3 2 实际上可以互相转换 两者参数间的关系如下所式 3 4 pc KK c i i K K T dcd KK T 此时 模型的积分时间和微分时间也相应改变 分别为 1 i K d K 3 1 2 PIDPID 控制器各参数的作用控制器各参数的作用 PID 控制器包括积分 比例 微分三个部分 分别代表过去 现在 还有 未来的控制作用 相应的控制参数 以式 3 1 为例 比例增益 积分时间 c K 微分时间的取值影响到系统控制效果的好坏 三个部分对系统性能的影 i T d T 响如下所示 1 比例作用 引入比例作用是为了即时地反映控制系统的偏差信号 一旦系统出现了偏 差 比例调节作用立即生效 使系统偏差快速向减小的趋势变化 增大比例增 益 可以提高系统的开环增益 减小系统稳态误差 从而提高控制精度加快调 节速度 但是过大的比例增益会使调节过程出现较大的超调量 从而降低系统的稳 定性 在某些严重的情况下 甚至可能造成闭环系统不稳定 2 积分作用 引入积分作用是为了使系统消除稳态误差 提高系统的无差度 以保证实 现对设定值的无静差跟踪 改善系统的稳态性能 从原理上看 只要控制系统 存在动态误差 积分调节就产生作用 直至无差 积分作用就停止 此时积分 12 调节的输出为常数 积分作用的强弱取决于积分时间常数的大小 越小 i T i T 积分作用越强 反之则积分作用弱 但积分作用的引入同时使信号产生相位滞后 使系统稳定性下降 动态响 应变慢 因此 实际中一般不单独使用积分器 积分作用常与另外两种调节规 律结合 组成 PI 或 PID 控制器 3 微分作用 引入微分作用是为了改善控制系统的响应速度 同时使相位超前 提高系 统的相位裕度增加系统的稳定性 微分作用能反映系统偏差的变化律 预见偏 差变化的趋势 因此能产生超前的控制作用 直观而言 微分作用能在偏差还 没有形成之前 就已经消除偏差 因此 微分作用改善系统的动态性能 微分 作用的强弱取决于微分时间的大小 越大 微分作用越强 反之则越弱 d T d T 此外 微分作用反映的是变化率 当偏差没有变化时 微分作用的输出为零 在微分作用合适的情况下 系统的超调量和调节时间可以被有效的减小 但是微分作用对噪声干扰有放大作用 而这是我们在设计控制系统时不希 望看到的 所以我们不能过强地增加微分调节 否则会对控制系统抗干扰能力 产生 不利的影响 因此 微分器也不能单独使用 4 3 1 3 过程控制中常见过程控制中常见 PIDPID 参数整定方法参数整定方法 从对象的开环响应曲线来看大多数工业过程都能用一阶惯性加纯滞后 First Order Plus Delay Time 模型来近似描述 简记为 FOPDT 模型 其传递 函数如下所示 3 5 s e Ts K sG 1 分别为对象模型的开环增益 纯滞后时间常数和惯性时间常数 K T 1 飞升曲线法 阶跃响应法 将系统开环后 不加入控制环节 给其输入一定幅值的阶跃信号 可得如 下图所示的飞升曲线 即阶跃响应曲线 在曲线上最大斜率点 P 处作切线 FOPDT 模型的参数如图 3 2 所示 13 K T P 图 3 2 飞升曲线 再根据飞升曲线法的经验公式可得控制器各参数 飞升曲线法非常方便简洁 只要知道过程对象的函数模型 即可根据公式 算得 PID 控制器的三个参数 但是飞升曲线法存在一定的弊端 首先 它难以 确定最大斜率处 并且能够利用的系统信息不足 其次 飞升曲线法只限定与 FOPDT 模型 对象广泛的其他经典过程对象 飞升曲线法则束手无策 2 临界振荡法 临界比例度法 1942 年 Ziegler 和 Nichols 提出的另一种参数整定方法叫临界比例度法 这种方法不像飞升曲线法那样依赖于对象的数学模型 而是通过实验由经验公 式得到 PID 控制器的最优整定参数 方法如下 在闭环的情况下 将 PID 控制器的积分和微分作用先去掉 仅留下比例作 用 然后给系统输入一个信号 如果系统响应是衰减的 则需要增大控制器的 比例增益 重做实验 反之则需要减小 实验的最终目的 是要使闭环 c K c K 系统做临界等幅振荡 此时的比例增益就被称为临界增益 记为而此时 c K u K 系统的振荡周期被称为临界振荡周期 记为 然后再根据经验公式得出相应 u T 的 PID 参数 4 临界比例度法虽然非常简单易用 在工程上也曾经得到广泛的应用 但是 仍然存在许多的缺陷 首先 对于参数和的获取需要花费大量的调试时间 u K u T 14 其次 现场实验中存在的不确定影响会给试验数据带来一定甚至关键的噪声 从影响最终的控制品质 最后 对于那些不允许做临界振荡实验的系统 临界 比例度法根本无法应用 否则就会导致整个系统崩溃 3 1 4 PIDPID 参数整定公式参数整定公式 PID 参数自整定包括提取过程动态特性和 PID 控制器的设计两部分 为了 将复杂的设计过程应用于实际的 PID 自整定控制器 可以把 PID 控制器的设计 结果表示为一些由过程的简单模型参数或动态特性参数表示的整定公式 整定 公式本身包含了 PID 控制器的设计过程 可以直接应用于 PID 自整定控制器中 其中最为常见的是 Ziegler Nichols 整定公式 最早的 Z N 公式是在 1942 年由 Ziegler 和 Nichols 首先提出的 他们所使用的方法及其改进方法至今仍在广 泛应用 上文所提到的飞升曲线法也是基于 Z N 公式的确定 PID 参数方法 对于线性时不变系统 如果输入信号是正弦信号 则稳定后输出信号为同 频率的正弦信号 只有幅度和相位发生变化 系统传递函数可以表述为频率的 函数 3 6 j G jAe 其中为输入到输出的幅值增益 是输入信号与输出信号之间的相移 A 图3 3 Nyquist曲线 系统的Nyquist曲线如图3 3所示 曲线上相位为的点的被称为极限180 o 点该点的频率称为临界振荡频率 如果在闭环系统中将控制器设为纯比例控 u 制 当比例增益达到足够高时 系统将不稳定 调节比例增益使系统达到临界 15 状态时 这时控制信号与过程输出都是正弦信号 相位相差 简单起见180 o 假设设定值SV 0 则u K PV 由于系统等幅振荡 可知 其中 1 uu K G j 临界增益被称为临界比例系数 为过程传递函数 由此方程可知 u K u G j 这样 Nyquist曲线上的极限点被确定 系统的频域传递函数 1 u u G j K 就可以通过一次调节试验辨识 基于以上原理与方法 Ziegler 和 Nichols 提出了除利用阶跃响应法外的 另一种 PID 参数整定方法 频率响应法 频率响应法也就是上文提到的临界 比例度法 临界比例度法的整定公式如下表 3 1 所示 表表 3 13 1 临界比例度法的整定公式临界比例度法的整定公式 控制器 p K i T d T P0 5 u K PI0 45 u K0 85 u T PID0 6 u K0 5 u T0 125 u T 除了 Z N 整定公式外 后人还研究出多种 PID 参数整定公式 例如 RZN 整 定公式 Kappa tao 整定公式 Cohen Coon 整定公式 AMIGO 整定公式等 4 本文不做深入介绍 3 2数学模型数学模型 被控对象数学模型的建立通常采用下列二种方法 一种是分析法 即根据 过程的机理 物料或能量平衡关系求得它的数学模型 另一种是用实验的方法 16 确定 图3 4 单容自衡水箱特性测试系统 a 结构图 b 方框图 图3 4所示为单容自衡水箱特性测试结构图及方框图 阀门F1 1 F1 2和 F1 8全开 设下水箱流入量为Q1 改变电动调节阀V1的开度可以改变Q1的大小 下水箱的流出量为Q2 改变出水阀F1 11的开度可以改变Q2 液位h 的变化反映 了Q1与Q2不等而引起水箱中蓄水或泄水的过程 若将Q1作为被控过程的输入变 量 h 为其输出变量 则该被控过程的数学模型就是h 与Q1之间的数学表达式 根据动态物料平衡关系有 3 7 将式 3 7 表示为增量形式 3 8 dt hd AQQ 21 式中 Q1 Q2 h分别为偏离某一平衡状态的增量 A 为水箱截面积 在平衡时 Q1 Q2 0 dt dh 当Q1发生变化时 液位h 随之变化 水箱出口处的静压也随之变化 Q2也发生 变化 由流体力学可知 流体在紊流情况下 液位h 与流量之间为非线性关系 但为了简化起见 经线性化处理后 可近似认为Q2与h 成正比关系 而与阀F1 dt dh AQQ 21 17 11的阻力R成反比 即 3 9 R h Q 2 式中 R 为阀F1 11的阻力 称为液阻 将式 3 8 式 3 9 经拉氏变换并消去中间变量Q2 即可得到单容水箱的数学 模型为 3 10 11 1 0 Ts K RCs R sQ sH sW 式中T为水箱的时间常数 T RC K为放大系数 K R C为水箱的容量系数 若令Q1 s 作阶跃扰动 即 X0 常数 则式 3 10 可改写为 s X sQ 0 1 3 11 T s KX s X K s X T s TK sH 11 000 对上式取拉氏反变换得 3 12 1 0 Tt eKXth 当t 时 h h 0 KX0 因而有 3 13 阶跃输入 输出稳态值 0 h h K 当t T时 则有 3 14 632 0632 0 1 0 1 0 hKXeKXTh 式 3 12 表示一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数 如图3 5 a 所示 该曲线上升到稳态值的63 所对应的时间 就是水箱的时间常数 T 也可由坐标原点对响应曲线作切线OA 切线与稳态值交点A 所对应的时间就 是该时间常数T 由响应曲线求得K和T后 就能求得单容水箱的传递函数 图 3 5 单容水箱的阶跃响应曲线 18 a 无滞后特性响应曲线 b 具滞后特性响应曲线 如果对象具有滞后特性时 其阶跃响应曲线则为图3 5 b 在此曲线的拐 点D处作一切线 它与时间轴交于B点 与响应稳态值的渐近线交于A点 图中OB 即为对象的滞后时间 BC为对象的时间常数T 所得的传递函数为 3 15 1 s Ke H s Ts 其中为系统滞后时间 T为时间常数 K为放大倍数 通过实验建模 传 递函数中各参数为 K 4 2 T 12 min 1 s 第四章第四章控制系统设计控制系统设计 4 1硬件配置硬件配置 实验使用 THSA 1 型过控综合自动化控制系统实验平台 该实验台是由 实验控制对象 实验控制台及上位监控PC 机三部分组成 4 1 14 1 1 智能仪表智能仪表 采用上海万迅仪表有限公司生产的AI 系列全通用人工智能调节仪表 其中 SA 12 智能调节仪控制挂件为AI 818 型 SA 13 智能位式调节仪为AI 708 型 AI 818 型仪表为PID 控制型 输出为4 20mADC 信号 而AI 708 型仪表为位 式控制型 输出为继电器触点型开关量信号 AI 系列仪表通过RS485 串口通信 协议与上位计算机通讯 从而实现系统的实时监控 本实验采用SA 12挂件 P I D参数可根据实验需要调整 如图4 1为SA 12智能仪表挂件 19 图4 1 仪表挂件 4 1 24 1 2 PLCPLC 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 在本装置中采用了S7 300PLC控制系统 使用SA 41S7 300PLC可编程控制器挂件 S7 300是采用模块化结构的中小型PLC 包括一个CPU315 2DP 主机模块 一个SM331 模拟量输入模块和一个SM332模拟量输出模块 以及一块西门子 CP5611 专用网卡和一根MPI 网线 其中SM331 为8 路模拟量输入模块 SM332 为4 路模拟量输出模块 图4 2所示为S7 300PLC控制系统结构图 20 图4 2 S7 300PLC控制系统框图 如图4 3为S7 300PLC挂件 图4 3 S7 300PLC挂件 4 1 34 1 3 检测装置检测装置 压力传感器 变送器 压力传感器用来对上 中 下水箱的液位进行检测 其量程为0 5KP 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 4 20mADC 4 1 44 1 4 执行机构执行机构 电动调节阀电动调节阀 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 QSVP 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 21 优点 电源为单相220V 控制信号为4 20mADC 或1 5VDC 输出为4 20mADC 的阀位信号 使用和校正非常方便 如图4 4为电动调节阀 图4 4 电动调节阀 水泵水泵 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 本 装置采用两只磁力驱动泵 一只为三相380V 恒压驱动 另一只为三相变频220V 输出驱动 电磁阀电磁阀 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 5 80 工作电压 24VDC 4 2控制流程控制流程 本系统选择下水箱作为被测对象 也可选择上水箱或中水箱 实验之前先 将储水箱中贮足水量 然后将阀门F1 1 F1 2 F1 8全开 将下水箱出水阀门 F1 11开至适当开度 其余阀门均关闭 22 4 2 1 智能仪表控制智能仪表控制 将 SA 12 智能调节仪控制 挂件挂到屏上 并将挂件的通讯线插头插入 屏内RS485通讯口上 将控制屏右侧RS485通讯线通过RS485 232 转换器连接到 计算机串口2 并按照图4 5的控制屏接线图连接实验系统 将 LT3 下水箱液 位 钮子开关拨到 ON 的位置 图 4 5 智能仪表单容水箱液位控制系统接线图 接通总电源空气开关和钥匙开关 打开24V 开关电源 给压力变送器上电 按下启动按钮 合上单相 单相 空气开关 给智能仪表及电动调节阀上电 打开上位机组态环境 打开 智能仪表控制系统 工程 然后进入组态运 行环境 进入本控制系统的监控界面 在上位机监控界面中将智能仪表设置为 手动 控制 并将输出值设置为 一个合适的值 此操作需通过调节仪表实现 合上三相电源空气开关 磁力驱动泵上电打水 适当增加 减少智能仪表的 输出量 使下水箱的液位处于某一平衡位置 记录上位机曲线 上位机曲线 如图 4 6 所示 h 10 23 5 t min 0 2 4 图 4 6 单容水箱液位测量曲线 4 2 2 S7 300PLCS7 300PLC 控制控制 将 SA 41 S7 300PLC 控制 挂件挂到屏上 并用MPI 通讯电缆线将S7 300PLC 连接到计算机CP5611 专用网卡 并按照下图4 7控制屏接线图连接实验 系统 将 LT3下水箱液位 钮子开关拨到 ON 的位置 接通总电源空气开关和钥匙开关 打开24V 开关电源 给S7 300PLC及压力 变送器上电 按下启动按钮 合上单相 空气开关 给电动调节阀上电 打开 Step 7 软件 打开 S7 300S7 300 程序进行下载 然后将 S7 300PLC 置 于运行状态 然后运行组态软件 打开 S7 300PLCS7 300PLC 控制系统 工程 然后激 活组态运行环境 进入本控制系统的监控界面 参照上一实验步骤进行操作 24 图 4 7 S7 300PLC 单容水箱液位控制系统接线图 上位机曲线 如图 4 8 所示 h 5 t min 0 1 3 4 8 单容水箱液位测量曲线 4 3PLCPLC 程序设计简介程序设计简介 4 3 1 PIDPID 功能功能 在Step 7 中集成了PID 调节功能块FB41 连续量 FB42 开关量 和脉 冲转换功能块FB43 以便于用户使用其PID 调节功能 因为在本设计方案中要 多次用到PID 连续量控制 故这里有必要对FB41作些简要介绍 Step 7 还提供 了标准闭环控制模块FM 355 可以实现定值控制 串级控制 比例控制和三分 量控制等多种功能 由于本控制系统实现的控制功能较简单 故只用Step 7 内 置PID 功能块即可 FB41 CONT C 命名为continuous controller 在S7 300 PLC 中用于 控制输入和输出量为连续信号的控制对象 可以通过参数设置 将其设定为P PI 或PID 控制器 也可以组成单独的I 控制器和D 控制器 PID模块输入参数如表4 1所示 表4 1 输入参数 参数 数据类型 数据范围默认值描述 COM RST BOOL FALSE 完全重启 当为 真时执行重启程 25 序 MAN ON BOOL TRUE 手动操作 若为 真 控制环中断 操作值手动设定 PVPER ON BOOL FALSE 过程变量直接从 外设输入 P SEL BOOL TRUE 为真则比例控制 起作用 I SEL BOOL TRUE 为真则积分控制 起作用 D SEL BOOL FALSE 为真则微分控制 起作用 INT HOLD BOOL FALSE 为真则积分控制 的输出不变 I ITL ON BOOL FALSE 为真 使积分器 的输出为 I ITLVAL CYCLE TIME 1ms T 1s 采样时间 SP INT REAL 100 100 或者 物理量 0 0 内部的给定点的 输入值 PV IN REAL 100 100 或者 物理量 0 0 过程变量以浮点 形式输入的值 PV PER WORD W 16 0000 过程变量从外设 直接输入的值 MAN REAL 100 100 或者 物理量 0 0 通过这个参数设 定手动操作的值 GAIN REAL 2 0 比例控制增益 TI TIME CYCLE T 20s 决定积分器的响 应时间 TD TIME CYCLE T 10s 微分时间 TM LAG TIME CYCLE 2 T 2s 微分器的延迟时 间 LMN HLM REAL 100 0 操作值的最高限 LMN LLM REAL 0 0 操作值的最低限 PV FAC REAL 1 0 过程变量因子 调整过程变量的 范围 PV OFF REAL 0 0 过程变量偏置 调整过程变量的 范围 LMN FAC REAL 1 0 操作值因子 调 整操作值的范围 26 LMN OFF REAL 0 0 操作值偏置 调 整操作值的范围 I ITLVAL REAL 100 100 或者 物理量 0 0 积分器的初始化 值 DISV REAL 100 100 或者 物理量 0 0 输入的扰动变量 DEADE W REAL 100 100 或者 物理量 0 0 死区宽度 4 3 2 控制程序设计控制程序设计 按照系统总体设计要求和系统实际情况 利用STEP7 编写控制程序 图4 9为系统接线原理图 图4 10为控制程序流程图 PLC 27 图 4 9 系统接线原理图 PSCPUDIDOAI O 计算机 液位检测信号 电动调节阀 反馈信号 电动调节阀 控制信号 报警信号现场手动控制 信号 报警 手动 自动 开机 初始化 输入量化 现场 PID 输出 给定数值 图 4 10 控制程序流程图 4 3 34 3 3 程序总体结构程序总体结构 在Step 7 中集成了PID 调节功能块FB41 连续量 FB42 开关量 和脉 冲转换功能块FB43 以便于用户使用其PID 调节功能 Step 7 还提供了标准闭 环控制模块FM 355 可以