单容水箱液位恒值控制系统设计报告.doc

精品文档过程控制系统课程设计专 业： 自 动 化 设计题目：单容水箱液位恒值控制系统设计 班级： 学生姓名： 学号：指导教师： 分院院长： 教研室主任： 电气工程学院一、课程设计任务书 1. 设计内容针对某厂的液位控制过程与要求实现模拟控制，其工艺过程如下：用泵作为原动力，把水从低液位池抽到高液位池，实现对高液位池液位高度的自动控制。具体设计内容是利用西门子S7-200PLC作为控制器，实现对单容水箱液位高度的定值控制，同时利用MCGS组态软件建立单容水箱液位控制系统的监控界面，实现实时监控的目的。2. 设计要求1）以RTGK-2型过程控制实验装置中的单个水箱作为被控对象、PLC作为控制器、静压式压力表作为检测元件、电动调节阀作为执行器构成一个单容水箱单闭环控制系统，实现对水箱液位的恒值控制。2）PLC控制器采用PID算法，各项控制性能满足要求：超调量15%，稳态误差0.1；调节时间ts10s；3）组态测控界面上，实时设定并显示液位给定值、测量值及控制器输出值；实时显示液位给定值实时曲线、液位测量值实时曲线和PID输出值实时曲线；并能显示历史曲线。4）选择合适的整定方法确定PID参数，并能在组态测控界面上实时改变PID参数；5）通过S7-200PLC编程软件Step7实现PLC程序设计与调试；6）分析系统基本控制特性，并得出相应的结论；7）设计完成后，提交打印设计报告。 3. 参考资料1）邵裕森,戴先中主编.过程控制工程(第2版).北京:机械工业出版社.20032）崔亚嵩主编.过程控制实验指导书（校内）3）廖常初主编.PLC编程及应用(第2版).北京:机械工业出版社.20074）吴作明主编.工业组态软件与PLC应用技术.北京:北京航空航天大学出版社.20074. 设计进度（2012年12月3日至2011年12月16日）时间设计内容2012年12月3日 布置设计任务、查阅资料、进行硬件系统设计2012年12月4日2012年12月5日编制PLC控制程序，并上机调试；2012年12月6日2012年12月7日利用MCGS组态软件建立该系统的工程文件2012年12月10日2012年12月12日进行MCGS与PLC的连接与调试进行PID参数整定2012年12月13日2012年12月14日系统运行调试，实现单容水箱液体定值控制2012年1月15日2012年1月16日写设计报告书5. 设计时间及地点设计时间：上午：8：0011：00下午：1：004：00晚上：6：009：00设计地点：新实验楼，过程控制实验室（310） 机房（323）二、评语及成绩评分项目评分标准量化分数1.独立分析与解决问题的能力很强较强一般不能102组态界面设计、PLC程序编制及系统调试界面程序硬件分析调试353.报告撰写情况规范整洁逻辑杂乱有错误254.辅导答疑积极认真应付消极105.设计态度积极认真应付消极107.出勤全勤缺勤次数10 附加评语量化总分课程设计成绩： 指导教师：过程控制系统课程设计报告班 级： 姓 名： 学 号： 指导教师： 撰写日期： 6欢迎下载6欢迎下载。精品文档目 录第一章 课程设计内容与要求分析11.1 课程设计内容11.2 课程设计要求分析11.3 PID控制的原理和特点11.3.1比例（P）控制及调节过程21.3.2积分（I）控制及调节过程21.3.3微分（D）控制及调节过程31.4 临界振荡整定计算公式5第二章 系统组态设计62.1 MCGS组态软件概述62.1.1如何创建MCGS组态工程62.1.2 设备配置72.1.3新建画面72.1.4 设备连接10第三章 PLC设计133.1 PLC概述133.2系统PLC设计程序14第四章 单容水箱液位恒值系统数据调试164.1 等幅震荡164.2 P调节器174.3 PI调节器174.4 PID调节器184.5 P 、PI、PID调的比较19课程设计总结20参考文献21精品文档第一章 课程设计内容与要求分析1.1 课程设计内容针对某厂的液位控制过程与要求实现模拟控制，其工艺过程如下：用泵作为原动力，把水从低液位池抽到高液位池，实现对高液位池液位高度的自动控制。具体设计内容是利用西门子S7-200PLC作为控制器，实现对单容水箱液位高度的定值控制，同时利用MCGS组态软件建立单容水箱液位控制系统的监控界面，实现实时监控的目的。1.2 课程设计要求分析（1）以RTGK-2型过程控制实验装置中的单个水箱作为被控对象、PLC作为控制器、静压式压力表作为检测元件、电动调节阀作为执行器构成一个单容水箱单闭环控制系统，实现对水箱液位的恒值控制。（2）PLC控制器采用PID算法，各项控制性能满足要求：超调量20%，稳态误差0.1；调节时间ts60s；（3）组态测控界面上，实时设定并显示液位给定值、测量值及控制器输出值；实时显示液位给定值实时曲线、液位测量值实时曲线和PID输出值实时曲线；（4）选择合适的整定方法确定PID参数，并能在组态测控界面上实时改变PID参数；（5）通过S7-200PLC编程软件Step7实现PLC程序设计与调试；（6）分析系统基本控制特性，并得出相应的结论；（7）设计完成后，提交打印设计报告。1.3 PID控制的原理和特点工程实际中，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。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、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。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。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。1.3.1比例（P）控制及调节过程比例控制是一种最简单的控制方式。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（Steady-state error）。在人工调节的实践中，如果能使阀门的开度与被调参数偏差成比例的话，就有可能使输出量等于输入量，从而使被调参数趋于稳定，达到平衡状态。这种阀门开度与被调参数的偏差成比例的调节规律，称为比例调节。比例调节规律及其特点比例调节作用，一般用字母P来表示。如果用一个数学式来表示比例调节作用，可写成： （1-1）式中 调节器的输出变化值； 调节器的输入，即偏差； 比例调节器的放大倍数。放大倍数是可调的，所以比例调节器实际上是一个放大倍数可调的放大器。比例调节作用虽然及时、作用强，但是有余差存在，被调参数不能完全回复到给定值，调节精度不高，所以有时称比例调节为“粗调”。纯比例调节只能用于干扰较小、滞后较小，而时间常数又不太小的对象。1.3.2积分（I）控制及调节过程在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error）。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。对于工艺条件要求较高余差不允许存在的情况下，比例作用调节器不能满足要求了，克服余差的办法是引入积分调节。因为单纯的积分作用使过程缓慢，并带来一定程度的振荡，所以积分调节很少单独使用，一般都和比例作用组合在一起，构成比例积分调节器，简称PI调节器，其作用特性可用下式表示： （1-2）这里，表示PI调节作用的参数有两个：比例度P和积分时间。而且比例度不仅影响比例部分，也影响积分部分，使总的输出既具有调节及时、克服偏差有力的特点，又具有克服余差的性能。由于它是在比例调节（粗调）的基础上，有加上一个积分调节（细调），所以又称再调调节或重定调节。但是，积分时间太小，积分作用就太强，过程振荡剧烈，稳定程度低；积分时间太大，积分作用不明显，余差消除就很慢。如果把积分时间放到最大，PI调节器就丧失了积分作用，成了一个纯比例调节器。1.3.3微分（D）控制及调节过程在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）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。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。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。微分调节的作用主要是用来克服被调参数的容量滞后。在生产实际中，有经验的工人总是既根据偏差的大小来改变阀门的开度大小（比例作用），同时又根据偏差变化速度的大小进行调节。比如当看到偏差变化很大时，就估计到即将出现很大的偏差而过量地打开（关闭）调节阀，以克服这个预计的偏差，这种根据偏差变化速度提前采取的行动，意味着有“超前”作用，因而能比较有效地改善容量滞后比较大的调节对象的调节质量。什么是微分调节？微分调节是指调节器的输出变化与偏差变化速度成正比，可用数学表达式表示为： （1-3）式中： 调节器的输出变化值；微分时间；偏差信号变化的速度。从上式可知，偏差变化的速度越大，微分时间越长，则调节器的输出变化就越大。对于一个固定不变的偏差，不管其有多大，微分做用的输出总是零，这是微分作用的特点。由于实际微分器的比例度不能改变，固定为100%，微分作用也只在参数变化时才出现，所以实际微分器也不能单独使用。一般都是和其它调节作用相配合，构成比例微分或比例积分微分调节器。比例积分微分调节又称PID调节，它可由下式表示： （1-4）PID调节中，有三个调节参数，就是比例度P、积分时间Ti、微分时间。适当选取这三个参数值，就可以获得良好的调节质量。由分析可知，PID作用调节质量最好，PI调节第二，PD调节有余差。纯比例调节虽然动偏差比PI调节小，但余差大，而纯积分调节质量最差，所以一般不单独使用。1.4 临界振荡整定计算公式临界振荡整定计算公式如下表1-1所示：表1-1 临界振荡整定计算公式 Ti Td P 2k PI 2.2k Tk/1.2 PID 1.6k 0.5Tk 0.25Ti22欢迎下载22欢迎下载22欢迎下载22欢迎下载22欢迎下载22欢迎下载。精品文档第二章 系统组态设计2.1 MCGS组态软件概述2.1.1如何创建MCGS组态工程MCGS(Monitor and Control Generated System，监视与控制通用系统)是一套基于windows95/98/NT操作系统(或更高版本)，用来可快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，它为用户提供了从设备驱动、数据采集到数据处理、报警处理、流程控制、动画显示、报表输出等解决实际工程问题的完整方案和操作工具。MCGS组态软件具有多任务、多线程功能，其系统框架采用VC+语言编程，通过OLE技术向用户提供VB编程接口，提供丰富的设备驱动件、动画构件、策略构件，用户可随时方便地扩充系统的功能。工程创建的一般过程为： (1)工程项目系统分析：分析工程项目的系统构成、技术要求和工艺流程，弄清系统的控制流程和监控对象的特征，明确监控要求和动画显示方式，分析工程中的设备采集及输出通道与软件中实时数据库变量的对应关系，分清哪些变量是要求与设备连接的，哪些变量是软件内部用来传递数据及动画显示的。(2)工程各项搭建框架：MCGS称为建立新工程。主要内容包括：定义工程名称、封面窗口名称和启动窗口（封面窗口退出后接着显示的窗口）名称，指定存盘数据库文件的名称以及存盘数据库，设定动画刷新的周期。经过此步操作，即在MCGS组态环境中，建立了由五部分组成的工程结构框架。封面窗口和启动窗口也可等到建立了用户窗口后，再行建立。(3)设计菜单基本体系：为了对系统运行的状态及工作流程进行有效地调度和控制，通常要在主控窗口内编制菜单。编制菜单分两步进行，第一步首先搭建菜单的框架，第二步再对各级菜单命令进行功能组态。在组态过程中，可根据实际需要，随时对菜单的内容进行增加或删除，不断完善工程的菜单。(4)制作动画显示画面：动画制作分为静态图形设计和动态属性设置两个过程。前一部分类似于“画画”，用户通过MCGS组态软件中提供的基本图形元素及动画构件库，在用户窗口内“组合”成各种复杂的画面。后一部分则设置图形的动画属性，与实时数据库中定义的变量建立相关性的连接关系，作为动画图形的驱动源。(5)编写控制流程程序：在运行策略窗口内，从策略构件箱中，选择所需功能策略构件，构成各种功能模块（称为策略块），由这些模块实现各种人机交互操作。MCGS还为用户提供了编程用的功能构件（称之为“脚本程序”功能构件），使用简单的编程语言，编写工程控制程序。(6)完善菜单按钮功能：包括对菜单命令、监控器件、操作按钮的功能组态；实现历史数据、实时数据、各种曲线、数据报表、报警信息输出等功能；建立工程安全机制等。(7)编写程序调试工程：利用调试程序产生的模拟数据，检查动画显示和控制流程是否正确。(8)连接设备驱动程序：选定与设备相匹配的设备构件，连接设备通道，确定数据变量的数据处理方式，完成设备属性的设置。此项操作在设备窗口内进行。2.1.2 设备配置在组态界面中选择新建的工程，双击进入组态王工程浏览器；选择工程目录区的设备中的COM1，双击右边的新建按钮进入设备配置向导，选择PLC亚控仿真PLCCOM1,单击下一步，为配置设备取名PLC1，单击下一步。选择设备串口COM1,一直单击下一步完成设备配置。2.1.3新建画面我们在建立画面之前先建立工程：(1)鼠标单击文件菜单中“新建工程”选项，由于MCGS安装在D盘根目录下，则会在D：MCGSWORK下自动生成新建工程，默认的工程名为：“新建工程X.MCG”，其中X表示工程的序号。 (2)选择文件菜单中的“工程另存为”菜单项，弹出文件保存窗口。 (3)在文件名一栏内输入“过程控制单容水箱”，点击保存按钮，工程创建完毕。、其次是新建画面：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”，将其改名为“单容水箱”，同理，建立“窗口1” “窗口2”将其改名为“历史曲线” “退出提示”，见图2-1所示。2-1 用户窗口单击“窗口属性”，进入“用户窗口属性设置”，将“窗口名称”改为：单容水箱；将“窗口标题”改为：单容水箱；在“窗口位置”中选中“最大化显示”，其它不变，单击“确认”。选中刚创建的“单容水箱”用户窗口，单击“动画组态”，进入动画制作窗口。 图形对象放置在用户窗口中，是构成用户应用系统图形界面的最小单元，MCGS中的图形对象包括图元对象、图符对象和动画构件三种类型，不同类型的图形对象有不同的属性，所能完成的功能也各不相同。 为了快速构图和组态，MCGS系统内部提供了常用的图元、图符、动画构件对象，称为系统图形对象。如图2-2所示：图2-2 MCGS工具箱通过MCGS工具箱画出如图2-3的界面：图2-3 动画组态过程控制同样“历史曲线” “退出提示”中也是如上述绘画，如图2.4,2.5所示：图2-4 历史曲线图2-5 退出提示其中以设定值为例，在MCGS工具箱中选中画出相应的长度，双击弹出“动态属性设置”，在其中的“填充颜色”选黑色，“边线颜色”选黑色，“字符颜色”选红色。在下面的“大小变化”前打对号，在其表达式中填入“SP”，在“最大变化百分比”中填入100，“表达式的值”中填入50，“变化方向”选择向上，如图2-6所示：图2-6大小变化设置2.1.4 设备连接在“实时数据库”中建立多个对象，如图2-7所示：图2-7 实时数据库双击“通用串口父设备”出现菜单，在“基本属性”完成设置，如图2-8所示：图2-8 基本属性再在“通用串口父设备”中双击s7200-西门子S7-200PP，点击其中的“基本属性”完成设置，如图2-9所示：图2-9 基本属性同理，在“通道连接” “设备调试”中完成设置，如图2-10，2-11图2-10 通话连接图2-11 设备调试精品文档第三章 PLC设计3.1 PLC概述我们这次PLC采用的是西门子s7-200，西门子S7-200系列适用于各行各业，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系列出色表现在以下几个方面： （1）极高的可靠性 （2）极丰富的指令集 （3）易于掌握 （4）丰富的内置集成功能 （5）实时特性 （6）强劲的通讯能力 （7）丰富的扩展模块 S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。如：冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械，中央空调，电梯控制，运动系统。 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。 CPU单元设计： 集成的24V负载电源：可直接连接到传感器和变送器（执行器），CPU 221，222具有180mA输出， CPU 224，CPU 224XP，CPU 226分别输出280，400mA。可用作负载电源。 本机数字量输入/输出点： CPU 221具有6个输入点和4个输出点，CPU 222具有8个输入点和6个输出点，CPU 224具有14个输入点和10个输出点，CPU 224XP具有14个输入点和10个输出点，CPU 226具有24个输入点和16个输出点。 本机模拟最输入/输出点： CPU 224XP具有2个输入点，1个输出点。 中断输入允许以极快的速度对过程信号的上升沿作出响应。 CPU 221/222具有4个高速计数器（30KHz），可编程并具有复位输入，2个独立的输入端可同时作加、减计数，可连接两个相位差为90的A/B相增量编码器。CPU224/224XP/226有6个高速计数器（30KHz），具有CPU221/222相同的功能。CPU 222/224/224XP/226 可方便地用数字量和模拟量扩展模块进行扩展。可使用仿真器（选件）对本机输入信号进行仿真，用于调试用户程序。CPU221/222/224/224XP/226还具有脉冲输出功能。2路高频率脉冲输出（最大20KHz），用于控制步进电机或伺服电机实现定位任务。 电池模块用于长时间数据后备。用户数据（如标志位状态，数据块，定时器，计数器）可通过内部的超级电容存贮大约5天。选用电池模块能延长存贮时间到200天（10年寿命）。电池模块插在存储器模块的卡槽中。 STEP 7-Micro/WIN32 V3.1编程软件可以对所有的CPU 221/222/224/224XP/226功能进行编程。同时也可以使用STEP 7-Micro/WIN16 V2.1软件包，但是它只支持对S7-21x同样具有的功能进行编程。 3.2系统PLC设计程序VD400:测量值显示单元；VD404：设定值显示单元；VD408：输出值显示单元取测量值并显示和存放；设定给定值并存放；取输出值并显示；（PID指令回路表存放设定值和测量值），清设定值，测量值，输出值，比例系数，积分系数，微分系数单元。置PID回路表首地址，置第0号PID。设置采样时间，存放积分前向初值，数/模转换输出前的工程量化：将VD5（标准化实数0.0-1.0）转化为16位整数，并送模拟量输出存储区AQW0，实现数/模转换。模/数转换输入后的工程量化：将第0路模/数转换结果AIW0（16位整数）转化为标准实数（0.0-1.0），并存入测量值单元VD400.如图3-1所示：图3-1 参考程序精品文档第四章 单容水箱液位恒值系统数据调试4.1 等幅震荡设Kc=550，SP=15时，产生震荡，如图4-1所示：图4-1单容水箱液位恒指控制系统根据等幅震荡所获得的历史曲线图如图4-2所示，记录波峰时所在的时间，然后计算得出=26s。图4-2 等幅震荡时的历史曲线4.2 P调节器由图4-1可知，=26s，Kc=550，则k=1/Kc=1/550, 由表1-1可得到，=2k=2*(1/550)=1/275，则Kc=1/=275，如图4-3所示：图4-3 P调时的整定状态4.3 PI调节器由表1-1可知，=2.2k=2.2*(1/550)=2.2/275，则Kc=1/=275/2.2=250，Ti=Tk/1.2=26/1.2=21.7s，则Ki=Kc/Ti=250/21.7=11.52，如图4-3所示：图4-4 PI调时的整定状态4.4 PID调节器由表1-1可知，=1.6k=1.6*(1/550)，则Kc=1/=550/1.6=343.75。Ti=0.5Tk=0.5*26=13s，则，Ki=Kc/Ti=343.75/13=26.45，Td=0.25Ti=0.25*13=3.25s，则Kd=Kc*Td=343.75*3.25=1117.2，如图4-5所示：图4-5 PID调时的整定状态4.5 P 、PI、PID调的比较图4-6为P、PI、PID调的整定历史曲线，通过观察与比较这三种调节器的历史曲线，得到如下结论：（1）P调时，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。（2）PI 调时，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系，积分控制可以是系统实现无静