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plc控制的水箱液位控制系统毕业论文,毕业设计
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毕业论文 （ 2008 ） 题 目 PLC 控制的水箱液位控制系统 系 别 机电工程系 专 业 电子信息工程技术 班 级 05 电信（ 2） 姓 名 zqsy 指导教师 2008 年 6月 8 日 nts 1 PLC 控制的水箱液位控制系统 摘要 在人们生活以及工业生产等诸多领域经常涉及到液位和流量的控制问题 , 例如居民生活用水的供应 , 饮料、食品加工 , 溶液过滤 , 化工生产等多种行业的生产加工过程 , 通常需要使用蓄液池 , 蓄液池中的液位需要维持合适的高度 , 既不能太满溢出造成浪费 , 也不能过少而无法满足需求。 因此液面高度是工业控制过程中一个重要的参数，特别是在动态的状态下，采用适合的方法对液位进行检测、控制，能收到很 好的效果。可编程控制器（ PLC）是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的，主要用来代替继电器实现逻辑控制。 PID控制（比例、积分和微分控制）是目前采用最多的控制方法。 本文主要是对一水箱液位控制系统的设计过程，涉及到液位的动态控制、控制系统的建模、 PLC 控制、 PID 算法、传感器和调节阀等一系列的知识。作为单容水箱液位的控制系统，其模型为一阶惯性函数，控制方式采用了 PID算法，控制核心为 S7-200系列的 CPU222以及 A/D、 D/A转换模块，传感器为扩散硅式压力传感器，调节阀为电动调节阀。选用以 上的器件设备、控制方案和算法等，是为了能 最大限度地满足系统对诸如控制精度、调节时间和超调量等控制品质的要求。 关键词 PLC PID 液位控制 nts 2 目 录 第一章 绪论 . 4 第二章 设计任务与要求 . 6 2 . 1 基本任务 .6 2.2基本要求 . 6 2.3 给定条件 . 6 2.4 主要性能指标 . 6 2.5 扩展功能 . 7 第三章 总体论证 . 7 3.1 总体方案的选择 . 7 3.1.1 控制方法选择 . 7 3.1.2 系统组成 . 8 3.2 确定系统功能、性能指标 . 8 第四章 系统设计 . 9 4.1 建模过程 . 9 4. 模型参数的确定 . 10 4. 软、 硬件功能划分 . 12 4. 系统功能划分、指标分配和框图构成 . 12 （ 1） PLC 系统 . 13 （ 2）前向通道 . 13 （ 3）后向通道 . 13 第五章 系统开发 . 14 5.1 硬件开发 系统配置 . 14 5.1.1 PLC系统 CPU、模 /数转换模块、数 /模转换模块 . 14 5.1.2 前向通道 传感器 . 15 5.1.3 后向通道 电动调节阀 . 15 nts 3 5.2 PID操作指令 . 16 5.2.1 PID算法 . 16 5.2.2 回路输入、输出转换及标准化 . 19 5.2.3 控制方式 . 20 5.2.4 回路表 . 21 5.2.5 PID指令 . 22 5.2.6 PID的编程步骤 . 23 5.3 软件开发 . 24 5.3.1 确定输入 /输出关系，建立数学模型，寻找合适算法 . 24 5.3.2 调节器参数整定 . 25 5.3.3 程序流程图 . 27 5.3.4 程序 . 29 第六章 连 机调试 . 33 总 结 . 35 致 谢 . 37 参考文献 . 38 nts 4 第一章 绪论 可编程控制器（简称 PLC 或 PC）是一种新型的具有极高可靠性的通用工业自动化控制装置，是一种数字运算操作的电子系统。它以微处理器为核心，有机地将微型计算机技术、自动化控制技术及通信技术容为一体，主要用来代替继电器实现逻辑控制，随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围。它具有控制能力强、可靠性高、配置灵活、编程简单、使用方便、易于扩展等优点，是当今及今后工业控制的主要手段和重要的自动化控制设备。 PLC等主要品牌有：西门子、三菱、 Koyo、 OMRO等，近年 来，德国西门子（ SIEMENS）公司的 SIMATIC-S7系列的 PLC，在我国已经广泛应用于各行各业的生产过程的自动控制中。 液面高度是工业控制过程中一个重要的参数，特别是在动态的状态下，采用适合的方法对液位进行检测、控制，能收到很好的效果。液位控制是工业生产中典型的过程控制问题，对液位准确的测量和有效的控制是一些设备优质、高产、低耗和安全生产的重要指标。由于它便于直接观察、容易测量、获取方便、过程时间常数一般比较小、价格低廉等特点，所以被广泛应用于工业测量。 在工业过程控制系统中，目前采用最多的控制方式 依然是 PID控制。即使在美国、日本等工业发达国家， PID控制的使用率仍达 90%，可见 PIDnts 5 控制在工业过程控制中占有异常重要的地位。 PID控制技术经历了数十年的发展，从模拟 PID 控制发展到数字 PID 控制，技术不断完善与成熟。尤其近十多年来，随着微处理技术的发展，国内外对智能控制的理论研究和应用研究十分活跃，智能控制技术发展迅速，如专家控制、自适应控制、模糊控制等，现己成为工业过程控制的重要组成部分。 由于液体本身的属性及控制机构的摩擦、噪声等的影响，控制对具有一定的纯滞后和容量滞后的特点，液位上升的过程缓慢， 呈非线性。因此液位控制装置的可靠性与控制方案的准确性是影响整个系统性能的关键。本课题针对液位控制设计了一个由压力传感器、 PLC、电动调节阀等组成的系统，并采用了增量式 PID算法对其控制。 nts 6 第二章 设计任务与要求 2.1 基本任务 对单容水箱液位 /压力控制系统。这是一个单回路反馈控制系统 ,控制的任务是使水箱的液位 /压力等于给定值 ,减小或消除来自系统内部或外部扰动的影响。用液位 /压力参数为被控对象。交流电动机带动齿轮泵通过阀 1 向上水箱供水 ,调节阀 2 使之同时向外排水 ,令入水的速度大于出水的 速度 ,达到被控参数 (液位 /压力 )的动态调整 。 2.2 基本要求 对单容水箱，用西门子 S7-200为控制核心， 辅助以单片机系统配套的 A/D、D/A 转换单元及电路 ,通过执行数字 PID 程序实现参数的自动调整 (设定值在单片机键盘上完成 ),使水箱的实际液位 /压力值与设定值接近 ,最终稳定于设定值。 组成单闭环水位调节系统， ,要求水位可以在一定范围内由人工设定，且各种测量、控制参数可在人机界面上显示、设定。 2.3给定条件 控制对象：单容水箱为核心的水循环系统 检测元件：压力式液位传感器 执行元件：电动调节阀 2.4 主要性能指标 液位控制范围： 0-30cm nts 7 最小区分度： 1cm 控制精度：液位控制的静态误差 1cm 2.5扩展功能 通讯端口采用的是 RS-485总线，允许将 S7-200 CPU同编程器或其它一些设备连接起来。 通过扩展模块可增加 CPU的 I/O点数，也可提供其它通讯功能。 人机界面 触摸屏 第三章 总体论证 3.1 总体方案的选择 单容水箱的液位控制系统是一阶惯性系统，原因是此系统的数学模型为： 00 0()() ( ) 1KHSWS Q S T S ，此模型为一阶传递函数。 3.1.1 控制方法选择 单容水箱液位控制系统可归属于一阶惯性环节，一般来说，对一阶惯性环节的过渡过程控制，可采用以下几种控制方案： （ 1）输出开关量控制 ;（ 2）比例控制（ P控制） ;（ 3）比例积分控制（ PI控制） ;（ 4）比例积分加微分控制（ PID控制）。 PID控制适用与负荷变化大、容量滞后较大、控制品质要求又较高的控制系统。另外， PID算法有两种常见的实现形式：位置型 PID算法和增nts 8 量型 PID 算法，结合本系统设计任务与要求，以及以上对几种控制方法的分析来看，增量式 PID控制方法最适合本系统采用。 3.1.2 系统组成 以现 代控制理论和 PLC为基础，采用数字控制、显示、 A/D与 D/A转换，配合执行器与控制阀构成的 PLC 控制系统，在过程控制中得到越来越广泛的应用。 由于本例是一个典型的检测、控制型应用系统，因此，应以 PLC为核心组成一个专用 PLC应用系统，以满足检测、控制应用类型的功能要求。 3.2 确定系统功能、性能指标 本例以实现设计任务基本要求为重点，力求在满足主要性能指标的基础上实现系统的最佳性能 /价格比，对于系统要求的扩展功能将在最后讨论。 根据设计任务基本要求，本系统应具有以下几种基本功能： 可以进行水位设定，并自动 调节水位到给定水位值； 可以调整 PID控制参数，以满足不同控制对象与控制品质的要求； 可以实时显示给定值与水位实测值。 系统主要性能指标如下： 液位控制范围： 0-30cm 最小区分度： 1cm 控制精度：液位控制的静态误差 1cm nts 9 第四章 系统设计 4.1 建模过程 系统示意图如图 4-1所示： 其具体的建模过程为：被控过程的数学模型就是液位高度 h与流入量Q1 之间的数学表达式。根据动态物料平衡关系，有： 12 dhQ Q A dt 写成增量形式： nts 10 12 dhQ Q A dt 式中， 1Q 、 2Q 和 h 分别为偏离某平衡状态 10Q 、 20Q 和 0h 的增量， A 为水箱的横截面积。 静态 时应有 12QQ ， 0dhdt 。 1Q 发生变化，液位 h 也随之变化，使水箱出口处静压力发生变化，因此 2Q 也发生变化，与 h的近似线性关系为： 2 2hQ R 式中， R2为阀门 2的阻力系数，称为液阻。将、两式整理得： 2 2 1dhR A h R Qdt 经拉氏变换，得单容液位过程传递函数为： 020 1 2 0()() ( ) 1 1KRHsWs Q s R C s T s 式中， 0K 为过程放大系数， 02KR ； 0T 为过程的时间常数， 02T RC ； C为过程容量， CA 。 式为一阶传递函数，可 知单容水箱液位控制系统为一阶惯性系统。确定其放大系数和过程的时间常数便可以完整的把模型建好，以下便讨论模型参数的确定过程。 4. 模型参数的确定 由公式我们知道，放大系数和时间常数与液阻和过程容量有关，所以如何确定液阻 R2 和过程容量 C便成为问题的关键，又根据公式可知液阻 R2可由 2 2hR Q 得出，而这些值可以由实验获得，其具体过程如nts 11 下： 在不考虑容器扰动影响的情况下，管口流出处液体的速度为： = 2ghv D 为水箱底部 出水口的直径，其测量值为 0.007m，所以出水口的横截面积 S=0.00003848m2。 在此实验中，由于出水阀开度保持不变，出水速度只与液位高度有关。因出水管的流量为 = Svqv，根据实验所测得的多组数据，可以计算出出水管的液阻，见表 4-1。 多次求平均可得液阻值为 6370.207。 另外，水箱底部截面积的实验测量值为 0.06605 m2，由此可求得过程放大系数 K0=6370.207，过程的时间常数 T0=420.7648。所以系统无时延模型为： 0006370() 1 4 2 0 1KWs T s s 表 4-1 实验数据 h(cm) v（ m/s） qv 1i i ih h h 1i i iq q q 液阻 R2 46.2 3.0092 0.000115807 43.0 2.9031 0.000111724 3.2 0.000004 8000 40.0 2.8 0.000108 3 0.000004 7500 38.2 2.736275 0.000105 1.8 0.000003 6000 36.2 2.663682 0.000102 2 0.000003 6666.667 34.2 2.589054 0.0000996 2 0.0000024 83333.333 32.2 2.51221 9.66*10-5 2 0.000003 6666.667 30.2 2.432941 9.36*10-5 2 0.000003 6666.667 28.2 2.351 9.04*10-5 2 0.0000032 6250 nts 12 26.2 2.266098 8.72*10-5 2 0.0000032 6250 24.2 2.177889 8.38*10-5 2 0.0000034 5882.353 22.2 2.085953 8.02*10-5 2 0.0000036 5555.556 20.2 1.989774 7.65*10-5 2 0.0000037 5405.405 18.2 1.888703 7.26*10-5 2 0.0000039 5128.205 16.2 1.781909 6.85*10-5 2 0.0000041 4878.049 4. 软、硬件功能划分 为了简化系统硬件、降低硬件成本、提高系统灵活性和可靠性，有关PID运算、输入信号滤波及大部分控制过程都可由软件来完成，硬件的主要功能是液位信号的传感、 A/D转换、 D/A转换及输出命令的执行。 4. 系统功能划分、指标分配和框图构成 根据系统总体方案，系统由四个主要功能模块组成，其总体框图如图 4-2所示： 水槽水位传感器电动调节阀信号调理电路人机界面S - 7 0 0 系 统图 4-2 水位 控制系统总体框图 nts 13 4.4.1 PLC 系统 PLC系统是整个控制系统的核心，它完成整个系统信息处理及协调控制功能。由于系统对控制速度、精度及功能的要求无特别之处，因此可以选用目前广泛使用的 MCS-51 系列的单片机以及西门子 S7-200 系列的PLC。 P 所以本系统选用了西门子 S7-200 系列的 PLC。 PLC 本身的 CPU 不带有 A/D、 D/A转化功能，而本系统有模拟输入、输出量，所以 PLC系统中还要包括扩展模块：模 /数转换模块、数 /模转换模块。 4.4.2 前向通道 前向通道是信息采集的通道，主要包括传 感器、信号放大等电路。由于液位变化是一个相对缓慢的过程，因此前向通道中没有使用采样保持电路。另外，信号的滤波可由软件实现，以简化硬件，降低硬件成本。 4.4.3 后向通道 后向通道是实现信号输出的通道， PLC 系统产生的控制信号控制电动调节阀的转动角度，实现对进水量的控制，从而最终实现对液位的控制目的。 nts 14 第五章 系统开发 5.1 硬件开发 系统配置 5.1.1 PLC 系统 CPU、模 /数转换模块、数 /模转换模块 PLC 系统以西门子 S7-200 系列 CPU222 为系统的核心，外扩 EM 231作为 A/D转换模块和 EM 232作为 D/A转换模块，如图 5-1所示。 图 5-1 PLC 原理示意图 （ 1） CPU：因本系统只有 1模拟量输入 液位， 1模拟量输出 电动调节阀转动的角度，而且要有扩展能力，所以选用 PLC 的型号为：西门子 S7-200系列的 CPU 222 DC/DC/DC，即直流输入、直流输出、晶闸管输出型。 （ 2）模拟量输入模块 EM 231 nts 15 （ 3） 模拟量输出模块 EM 232 CPU222 可以提供 DC 5V 电流为 340mA，而 EM 231 模块耗 DC 5V 总电流为 10mA， EM 232模块耗 DC 5V总电流为 10mA。扩展模块消耗的 DC 5V总电流小于 CPU222可以提供 DC 5V的电流，所以这种配置是可行的。 5.1.2 前向通道 传感器 液位经压力式液位传感器和信号放大电路产生 0-5V的模拟电压信号送入 A D转换器的输入端。前向通道的设计主要是传感器的选择。本系统为液位控制系统，其目的是把水箱液体的高度控制在给定值，被控参数是高度 h，而不同的高度会产生不同的液压，所以液位控制系统选用压力式液位传感器，我们这里选用了扩散 硅式压力传感器。 本系统环境温度变化不大，而且温度因素对控制参数影响很小，所以相对于其他类型的压力传感器，选用扩散硅传感器还是比较适合本系统的。 5.1.3 后向通道 电动调节阀 在实际工业生产中，调节器是构成自动控制系统的核心仪表，它将来自变送器的测量信号 Vi 与调节器的内给定或外给定信号 Vs 进行比较，得到其偏差 E，即 E=Vi-Vs，然后调节器对该偏差信号按某一规律进行运算，输出调节信号控制执行机构的动作，以实现对被控参数如温度、压力、流量或液位等的自动控制作用。 根据本系统的特性，我们选取了电动调节器， 其主要的工作原理如下： nts 16 图 5-2为角行程电动调节阀的组成框图，它是由伺服放大器和伺服电动机两部分组成。来自调节器的 DC 4 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两个伺服电动机正转或反转，再经减速器后，改变调节阀的开度。同时，输出轴的位移经位置发生器转换成电流信号 If。当时，电动机停止转动，调节阀处于某一开度，即 iKI 式中， 为输出轴的转角； K为比例系数。 由图 5-2 可见，电动调节阀还提供手动操作，以便在系统掉电时提供手动控 制，保证系统的调节作用。 图 5-2 电动调节阀的组成框图 5.2 PID操作指令 S7-200 CPU提供 PID回路指令（成比例、积分、微分循环），进行 PID计算。 PID回路的操作取决于存储在 36字节回路表内的 9个参数。 5.2.1 PID 算法 PID 控制器管理输出数值，以便使偏差（ e）为零，系统达到稳定状态。偏差是给定值 SP和过程变量 PV的差。 PID控制原则以下列公式为基nts 17 础，其中将输出 M（ t）表示成比例项、积分项和微分项的函数： 0()tp i d i n i t a ldeM t K e K e d t K Mdt 式中， ()Mt PID运算的输出，是时间的函数； pK PID回路的比例系数； iK PID回路的积分系数； dK PID回路的微分系数； e PID回路 的偏差； initalM PID回路输出的初始值。 为了在数字计算机内运算此控制函数，必须将连续函数化成为偏差值的间断采样。数字计算机使用下列相应公式为基础的离散化 PID 运算模式： 11 ()nn p n i l i n i t a l d n nlM K e K e M K e e 式中， nM 采样时刻 n 的 PID运算输出值； ne 采样时刻 n 的 PID回路的偏差； 1ne 采样时刻 n 的 PID回路的偏差； le 采样时刻 l 的 PID回路的偏差。 利用计算机处理的重复性，可对上述公式进行简化。简化后的公式为： 1( ) ( )n p n i n d n nM K e K e M X K e e 式中， MX 积分项前值。 计算回路输出值时， CPU实际使用对上述简化公式略微修改的格式。修改后的公式为： nts 18 n n n nM M P M I M D 式中， nMP 采样时刻 n 的回路输出比例项值； nMI 采样时刻 n 的回路输出积分项值； nMD 采样时刻 n 的回路输出微分项值。 1.比例项 比例项 MP 是 PID 回路的比例系数 pK 及偏差 e 的乘积，其中比例系数控制输出计算的敏感性，而偏差是采样时刻设定值 SP 及过程变量 PV之间的差。为了方便计算取 pcKK 。 CPU采用的计算比例项的公式为： nMP = cK （ SPn-PVn） 式中， cK 回路的增益； SPn 采样时刻 n 的设定值； PVn 采样时刻 n 的过程变量。 2.积分项 积分项 MI 与偏差和成比例。为了方便计算取 csi iKTK T 。 CPU 采用的积分项公式为： ()csn i n nKTM I M XT S P P V 式中， MX 采样时刻 n-1 的积分项（又称为积分前项值）。 积分项 MX 是积分项全部先前数值的和。每次计算出 nMI 以后 ，都要用 nMI 去更新 MX，其中 nMI 可以被调整或被限定。 MX的初始值通常在第一次计算出输出之前被置为 Minital（初值）。其他几个常量也是积分项的一部分，如增益、采样时刻（ PID 循环重复计算输出数值的循环时间），nts 19 以及积分时间（用于控制积分项对输出计算影响的时间）。 3.微分项 微分项 MD 与偏差的改变成比例，为方便计算，取 Kd=KcTd/Ts。计算微分项的公式为： 11( ) ( )dn c n n n nsTM D K S P P V S P P VT 为了避免步骤改变或由于对设定值求导而带来的输出变化，对此公式进行修改，假定设定值为常量（ SPn=SPn-1），因此将计算过程变量的改变，而不计算偏差的改变，计算公式可以改进为： 1()dn c nsTM D K P V P V nT 式中， Td 微分时间； SPn-1 采样时刻 n-1 的设定值； PVn-1 采样时刻 n-1 的过程变量。 为了下一次计算微分项的值，必须保存过程变量而非偏差项。第一次采样时刻，初始化为 PVn-1=PVn。 5.2.2 回路输入、输出转换及标准 化 1.输入转换及标准化 一个回路具有两个输入变量，设定值 SP 和过程变量 PV。设定值通常为固定值，类似水箱液位控制的液位设定。过程变量是与回路输出有关的量，因此可测量回路输出对被控制系统的影响。在水箱液位保持在设定值的例子中，过程变量为电动调节阀的转动角度。 nts 20 设定值及过程变量均为实际数值，它们的大小、范围及工程单位可能不同。在这些实际数值可用于 PID指令之前，必须将其转化成标准化的、浮点数表示形式。 实际数值转换为实数：第一步是将实际数值从 16 为整数数值转换为浮点数或实数数值。 数值标准化：下一步是将数值的 实数表示转换为位于 0.0 1.0 之间的标准化数值。可采用下列公式对设定值及过程变量实现这种转换： Rnorn（ Rraw Span） Offset 水箱液位控制系统中的数值为单极性，其标准化公式为： norn raw 32000 2.输出转换及标准化 回路输出转换成比例的整数数值：回路输出是控制变量，是标准化的、位于 0.0-1.0 之间的实数数值。在回路输出可用于驱动模拟输出之前，回路输出必须被转换为 16位的、成比例的整数数值。这一过程是将过程变量转化及设定值转换为标准化的反过程。 5.2.3 控制方式 S7-200 PID 回路没有内置的自动和手动控制方式，只要 PID块有效，就可以执行 PID运算，从这种意义上说， PID运算存在一种自动运行方式；当 PID运算不被执行时，则可以说那是一种手动运行方式。 同其他指令， PID指令有一个使能位（即允许位），当允许位检测到一信号出现正跳变时， PID指令将进行一系列运算，实现从手动方式到自动nts 21 方式的转变。为了顺利转变为自动方式，在转换至自动方式之前由手动方式所设定的输出值必须作为 PID指令的输入写入回路表。 PID指令对回路表内的数值进行下列计算，保证当检测到 0-1 过渡时从 手动方式顺利转换为自动方式： 置设定值 SPn=过程变量 PVn 置过程变量前值 PVn-1=过程变量 PVn 置积分项前值 MX=输出值 Mn 5.2.4 回路表 PID指令根据表（ TBL）内的输入输出配置信息对引用回路（ LOOP）执行 PID 运算。 PID 指令有两个操作数，表示循环表起始地址及回路号LOOP，回路号是 0-7 的常量。程序内可使用 8 条 PID 指令。如果两个或多个 PID 指令使用相同的回路号（即使它们的表地址不同）， PID 运算将相互干扰，结果难以预料。循环表存储 9 个参数，用于控制及监控循环操作，包括过程变量、设定 值、输出值、增益、采样时间、积分时间、微分时间、积分前项以及过程变量前项值。在 PID指令块内输入的表（ TBL）起始位置开始为回路表分配 36个字节的空间，见表 5-2。 nts 22 偏移地址 域 格式 类型 说明 0 过程变量 PVn 双字 - 实数 输入 在 0.00.1之间 4 设定值 SPn 双字 - 实数 输入 在 0.00.1之间 8 输出 Mn 双字 - 实数 输入 / 输出 在 0.00.1之间 12 增益 Kc 双字 - 实数 输入 可为正数或负数 16 采样时间 Ts 双字 - 实数 输入 以秒为单位，必 须为正数 20 积分时间 Ti 双字 - 实数 输入 以分钟为单位，必须为正数 24 微分时间 Td 双字 - 实数 输入 以分钟为单位，必须为正数 28 积分前项 MX 双字 - 实数 输入 / 输出 在 0.00.1之间 32 过程变量前值 双字 - 实数 输入 / 输出 最后一次运算的过程变量 表 5-2 PID 的回路表 5.2.5 PID 指令 PID指令的表示：其梯形图和语句表示如图 5-3所示。 nts 23 PID 指令的操作： PID 指令必须用在定时发生的中断程序中，当 PID指令被允许时， PID指令根据回路表中的数据进行 PID（比例、积分、微 分 ） 运 算 ， 并 得 到 输 出 控 制 量 。 图 5-3 PID 指令 数值范围 回路表 TBL： VB 回路号 LOOP：常数（ 0 7） 5.2.6 PID 的编程步骤 1.设定回路输入及输出选项 回路输入选项：循环进程变量可指定为字地址或已经定义的符号。在回路计算之前，应选好缩放比例。 回路输出选项：确定 PID回路输出变量是数字量还是模拟量。如果是模拟量输出，可指定为字地址或已经定义的符号。如果是数字量输出，可指定为位地址或已经定义的符号。在循环计算之后，应选好缩放比例。 2.设定回路参数 在 PID 指令中，必须指定内存区内的 36 个字节参数表的首地址。其中，要选定过程变量、设定值、回路增益、采样时间、积分时间和微分时间，并转换成标准值存入 回路表中。 不建议为参数表地址创建符号名， PID 向导生成的代码使用此参数表地址创建操作数，作为参数表内的相对偏移量。如果为参数表地址创建符号名，然后改变为该符号指定的地址，由 PID 向导生成的代码将不能nts 24 正确执行。 3.为计算指定内存区域 PID计算需要一定点存储空间，存储暂时结果。需要指定此计算区域的起始内存字节地址。 是否增加 PID手动控制？（可选） 4.指定初始化子程序及中断程序 应该为 PID运算指定初始化子程序及执行 PID运算的定时中断程序。 5.生成 PID程序。 5.3 软件开发 对于过程 控制系统而言，控制方案的选择和调节器参数的整定是其两个重要的内容，如果控制方案设计的不合理，仅凭调节器参数的整定无法获得良好的控制质量；相反，控制方案很好，但是调节器参数整定得不合适，也不能使系统运行在最佳状态。 5.3.1 确定输入 /输出关系，建立数学模型，寻找合适算法 本系统水箱需要维持一定的水位，该水箱里水以变化的速度从水箱的出水管中流出，因而需要有一个调节器以不同的阀门开度通过水箱的进水管向水箱供水，以维持设定水位不变。 系统的设定值是水箱满水位的百分数，过程变量是由扩散硅压力传感器给出的。输 出值是电动调节阀转过的角度，可以是允许最大值的 0%100%。设定值可以预先设定后直接输入回路表中。过程变量是来自压力nts 25 传感器的单极性模拟量，回路输出值也是一个单极性的模拟量，用来控制电动调节阀的转度，这个模拟量的范围是 0.0 1.0，分辨率为 1/32000（标准化）。 5.3.2 调节器参数整定 过程控制系统的控制质量取决于组成该系统的各个环节的特性和系统结构。一个单回路控制系统可以看作由广义过程和调节器所构成。当一个系统组成后，过程各通道的静态与动态特性已定，此时，系统控制过程的品质取决于调节器各个参数 值的设置。 系统整定，一般是指选择调节器的比例度、积分时间 TI 和微分时间 TD的具体数值。系统整定的实质，就是通过改变系统参数，使调解器特性和被控过程特性配合好，以改善系统的动态和静态特性，求得最佳的控制效果。 由控制理论可知，在过程控制中，通常以瞬间响应的衰减率 =0.75作为系统性能的主要指标，以保证系统具有一定的稳定储备。一般在满足的 条件下，还要尽量减小稳态偏差（余差）、最大偏差和过渡过程时间。对 于大多数过程控制系统来说，系统过渡过程曲线达到 4 1状态时，则习惯上被成为为最佳的过程曲线。 在连续控制系统中， PID调节器参数整定的方法较多，可分为三类：一是理论计算整定法；二是工程整定法；三是计算机仿真寻优整定法。 综合各种因素来说，简单易行的方法还是简易工程整定法。工程整定法主要包括：反应曲线法、临界比例度法和衰减曲线法。由于水箱液nts 26 位控制系统为单容过程，液位变化迅速，不宜采用临界比例度法和衰减曲线法，故可采用反应曲线法整定调节器的参数。 反应曲线法也称动态特性参数整定法，它是在系统开环情况下进行的，利 用广义过程的阶跃响应曲线对调节器的参数进行整定。图 5-4中， 图 5-4 求广义过程阶跃响应曲线示意图 在调节阀的输入端加入一阶跃信号，利用快速显示记录仪在变送器的输出端记录被控参数的响应曲线，见图 5-5。 由图 5-5可写出广义过程的传递函数为： 3 . 000 00 1 / 1() 1 1 2 5 1s s sKW s e e eT s T S s 式中， 0T 为过程的时间常数； 为时延时间； 为自衡度。 由于 /T0=3.0/25=0.120.2，根据 =0.75准则，查表 5-2，取自衡度 =1，则 PID调节器的个参数为： 比例度 =0.102 积分时间 TI =6min nts 27 微分时间 TD=1.5min 采样时间 TS=1s 再 由 1 100%PK 得增益 1PK =0.98 调节规律 WC（ s） /T0.2 0.2 /T2.5 TI TD TI TD P 1 01T002.6 0.080.7TTPI 11ITs01.1T3.3 000 .0 82 .60 .6TT00.8T PID 11 DI TsTs00.85T2 0.5 000 .1 52 .60 .0 8TT00.8 0.19T 0.25IT 表 5-2 =0.75时有自衡能力过程的整定公式 5.3.3 程序流程图 有了前面所讲述的 S7-200 CPU提供的 PID操作指令、 PID编程步骤、电动调节阀参数的整定过程，再结合水箱液位控制系统
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