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基于PLC的液位控制系统设计【开题+文献综述】【1张CAD图纸+毕业论文】

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关键词：: 基于 plc 液位控制系统设计开题文献综述 cad 图纸毕业论文基于PLC的液位控制

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基于PLC的液位控制系统设计

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摘要

本次毕业设计的课题是基于PLC的液位控制系统的设计。在设计中，笔者主要负责的是控制算法的设计，因此在论文中设计用到的PID算法提到得较多。

本文的主要内容包括：水箱的特性确定与实验曲线分析， S7-300可编程控制器的硬件掌握，PID参数的整定及各个参数的控制性能的比较，应用PID控制算法所得到的实验曲线分析，整个系统各个部分的介绍和应用PLC语句编程来控制水箱水位。

关键词：S7-300西门子PLC、控制对象特性、PID控制算法、扩充临界比例法、压力变送器、电动调节阀、PID指令。

Abstract

This graduation project topic is based on the PLC fluid position control system design. In the design, I am control the algorithm which the author primary cognizance the design, therefore designs in the paper with to the PID algorithm mentions many.

The this article main content includes: water tank characteristic determination and experimental curve analysis，the S7-300 programmable controller hardware grasps，PID parameter installation and each parameter control performance comparison，experimental curve analysis obtains which using the PID control algorithm and overall system each part of introduction and programs using the PLC sentence controls the water tank water level.

Key words: SIMATIC S7-300 PLC, the controlled member characteristic, the PID control algorithm, the expansion critical ratio method, the pressure change delivering, the electrically operated regulating valve.

摘要 I

ABSTRACT I

第1章绪论 1

1.1 PLC的产生、定义及现状 1

1.2 过程工业控制算法的应用现状 2

1.3 PID控制的历史和发展现状 3

1.4 论文的研究内容 5

第2章 S7-300中小型PLC和控制对象介绍 6

2.1 西门子PLC控制系统 6

2.1.1 CPU模块 7

2.1.2 模拟量输入模块 8

2.1.3 模拟量输出模块 9

2.1.4 电源模块 10

2.2 控制对象特性 11

2.2.1 一阶单容上水箱特性 11

2.2.2 二阶双容下水箱对象特性 14

第3章 PID控制算法介绍 18

3.1 PID控制算法 18

3.2 PID调节的各个环节及其调节过程 20

3.2.1 比例控制与其调节过程 21

3.2.2 比例积分调节 21

3.2.3 比例积分微分调节 22

3.3 串级控制 22

3.4 扩充临界比例法 24

3.5在PLC中的PID控制的编程 25

3.5.1 回路的输入输出变量的转换和标准化 26

3.5.2 变量的范围 28

3.5.3 控制方式与出错处理 29

第4章控制方案设计 31

4.1 系统设计 31

4.1.1 上水箱液位的自动调节 31

4.1.2上水箱下水箱液位串级控制系统 32

4.2 硬件设计 33

4.2.1 检测单元 33

4.2.2 执行单元 34

4.2.3 控制单元 36

4.3 软件设计 36

第5章实验情况介绍 39

5.1 上水箱液位比例调节 39

5.2 上水箱液位比例积分调节 40

5.3 上水箱液位比例积分微分调节 41

第6章结论 43

参考文献 44

致谢 46

第1章绪论

1.1 PLC的产生、定义及现状

可编程控制器出现前，继电器控制在工业控制领域占据主导地位。但是继电器控制系统具有明显的缺点：设备体积大、可靠性低、故障查找困难以及维修不方便。由于接线复杂，当生产工艺和流程改变时必须改变接线，因此，其通用性和灵活性较差。

20世纪60年代，计算机技术开始应用于工业控制领域，但由于价格高、输入输出电路不匹配、编程难度大以及难以适应恶劣工业环境等原因，未能在工业控制领域获得推广。20世纪60年代末，美国汽车制造工业竞争激烈，为适应生产工艺不断更新的需要，1968年美国通用汽车公司(GM)提出了研制新型逻辑顺序控制装置的十项招标指标。主要内容是：

1) 编程方便，可现场修改程序。

2) 维修方便，采用插件式结构。

3) 可靠性高于继电器控制装置。

4) 体积小于继电器控制盘。

5) 数据可直接送入管理计算机。

6) 成本可与继电器控制盘竞争。

7) 输入可为市电

8) 输出可为市电，容量要求在2A以上，可直接驱动接触器等。

9) 扩展时原系统改变最小。

10) 用户存储器大于4KB。

这些实际上提出了将继电器控制的简单移动、使用方便、价格低的优点与计算机的功能完善、灵活性、通用性好的优点结合起来，将继电接触器控制的硬连线逻辑转变为计算机的软件逻辑编程的设想。美国数字设备公司(DEC)中标，并于1969年研制出第一台可编程控制器PDP-14，在美国通用汽车公司的生产线上试用成功，并取得了满意的效果，可编程控制器自此诞生。

随着电子技术的发展，可编程控制器(Programmable Logic Controller.以下简称PLC)由原来简单的逻辑量控制，逐步具备了计算机控制系统的功能，同时，还具有抗干扰性强、可靠性强、体积小、编程方便、修改容易、网络功能强大等显著优点，它可以与计算机一起组成功能完备的控制系统。PLC在工业控制领域得到了广泛的应用，在PLC组成的控制系统中，一般由上、下位机组成主从式控制系统。PLC作为下位机，完成数据采集、状态判别、输入输出控制等，上位机(微型计算机、工业控制机)，完成采集数据信息的存储、分析处理、复杂运算、状态显示以及打印输出，以实现对系统的实时监控。微型计算机与PLC组成的主从式实时监控系统，能够充分发挥各自的优点和功能，实现优势互补。

第6章结论

在整个设计过程中，笔者完成了用PID算法对水箱液位的控制，在上水箱液位PID控制和上水箱下水箱液位串级控制上取得了良好的控制效果，取得了满意的曲线。本文完成的工作主要包括了三个方面，首先是PLC结构和性能的研究，其次是过程控制对象特性的确定和PID算法的研究，并能用PLC语言进行编程，使PLC能控制水箱的液位，最后是整个控制系统的组成，包括检测装置和执行机构的选择。

在设计过程中遇到了比较多的问题：对硬件系统的不熟悉；对PLC的编程不熟悉；对系统的调试过程的不了解和在写论文的过程中对word文档处理的不熟悉等。

液位控制有滞后的环节，在具体的调试时，调节的过程比较缓慢。通过参数的设定调整了调节的时间，因为要进行适合参数的确定，根据理论经过多次实验,基本实现了毕业设计的任务。

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内容简介：: to of on a is on a as N +38614773994;1. of of a a r 2005 +S. of on a 005 of by of 991; 1997; 1997). & 998; 1999) is of & 997; & 002), 003; & 2000), 1994; A000), in 3 004; 5 005an It is of It is of of of is by a of an 3, in a a, b, f, () N is by a LC or of is by A of is is an of in of a of in in a of of et 2002) of is be ID is a an of an be of is to an of by of ( 1995). is to by of by by to as of BS BS to of In a of to be a of is et ( TM on of T, on a C) by of is as an of TM of T; of to a it is of on a in a TM of a in of a 1 an of TM is on 1990) by AA a of 997, p. 188). in to to A2000)a of of is s) a is a of on A of of a of () N et (k)1001)of 1010010012k is j is of y(k) is u(k) is v(k) is du is in u to y,dv is in v to y, ai,j, bi,j, ci,of be as in a be in 1. 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It is an of 1987) on 1997)is on of in a it is to is to of of of to It in On in of is it is to a t is by j) j,05I ( j,bj(k)is to j,to by () is in IV LS N et () 5In of of in u to in v to y (or is at of N is by of a in of of is by of is of is by of of is is is to as of in IA as a a is or in a be It an in of is to IA if is to he of IA is to is a is it is if it is If it is a ag is or If is be IA a by or FU IA FM to or a of IA on of et (of IA a if is in a in In of is in so in is of of a or as of or a a of S a of 15a I or an of is by AA an a of in be in of g () An of is N et 1. 过程控制通常是指石油、化工、冶金、轻工、纺织、制药、建材等工业生产过程中的自动控制 ,它是自动化技术的一个极其重要的方面。本次毕业设计是基于统的设计，它的控制对象是水箱的液位，是过程控制中经常遇到热工参数。本人在这次设计中主要负责控制策略就在次将在生产过程自动控制的发展历程中 ,制是历史最久、生命力最强的基本控制方式。它简单实用 ,易于实现 ,适用范围广 ,鲁棒性好 ,在现今的工业过程中获得了广泛的应用目前工业控制器中约有 90%仍是制器。制器的设计及其参数整定一直是控制领域所关注的问题。其设计和整定方法得到国内外广泛研究 , 著名的如、基于内模控制的方法及基于误差的积分的优化方法。基于误差的积分准则由于能较好地反映闭环系统的性能以及易于计算的原因 ,在化设计中被广泛采用。（ 1）在工业生产过程控制中 ,模拟量的比例、积分、微分 )调节是常见的一种控制方式 ,这是由于节不需要求出控制系统的数学模型 ,至今为止 ,很难求出许多控制对象准确的数学模型 ,对于这一类系统 ,使用制可以取得比较令人满意的效果 ,同时节器又具有典型的结构 ,可以根据被控对象的具体情况 ,采用各种变种 ,有较强的灵活性和适用性。在模拟量的控制中 ,经常用到算来执行路的功能 ,路指令使这一任务的编程和实现变得非常容易。如果一个路的输出 M ( t)是时间的函数 ,则可以看作是比例项、积分项和微分项三部分之和 (2)，即： 00)( 式中 e 偏差；积分常数；微分常数；放大倍数（比例系数）偏差为零时的控制值，有积分环节存在，此项也可不加以上各量都是连续量 ,第一项为比例项 ,最后一项为微分项 ,中间两项为积分项。其中 e 是给定值与被控制变量之差 ,即回路偏差。回路的增益。用数字计算机处理这样的控制算式 ,连续的算式必须周期采样进行离散化 ,同时各信号也要离散化 ,公式如下（ 2） : )()()( 1 式中给定值反馈值采样周期 2. 研究内容本课题是基于液位控制系统的设计，控制的是过程控制中最常见的液位控制，在实际的生产应用中非常广泛。设计前要熟悉基本结构和设计语言，能够进行梯形图的设计，并能根据梯形图写出语言，在实验装置中实行，使其能确实的实现液位控制的功能。本项目要使用浙大中控设计生产的过程控制实验对象系统、列）控制系统等。列是中小型的够实现液位的控制，是个适合的机型。本项目要求学生以核心，整定液位系统的制参数，并应用句编程来控制液位的高度。设计要求给出位控制系统的梯形图和程序，这就要求学生在规定的时间内完成数的计算和统的设计，最后要求给出一套设计图和设计说明书。 3. 初步方案这里采用的是水箱液位的节，有两级水箱。控制一个水箱的是单回路反馈制。单回路系统是指在一个调节对象上用一个节器来保持参数的恒定，而调节器只接受一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。两个水箱的液位通过串级反馈回路来控制。系统控制对象如下图所示。图 1:上下水箱液位控制系统系统运行前要把需要控制液位的水箱水路上的手动阀门全部打开，打开水箱的出水阀至适当位置。系统通过制液位的高度，当液位下降时，需要制电动调节阀门打开，进水；当液位达到指定的高度时，通过水位检测的压力变送器把检测到的信号变成相应的电信号传到模拟量输入通道中，由过出到电动调节阀中控制通道里的水流量，使其一直保持那个高度。输出的信号和电动调节阀的开度成正比。控制要选择控制参数，合适的控制参数可以带来满意的控制效果，反之，控制器参数选择不合适，则会使控制质量变坏，达不到预期效果。所以数的选择是很重要的，要很好地去整定。系统可以设定比例、积分、微分的参数，观察控制的效果，使用比例控制、比例积分控制和比例积分微分控制进行实验，将它们得到的结果进行比较，就可以知道三个控制环节分别的作用。系统的控制框图如图 2 所示图 2：液位控制系统控制框图其中给定信号，由用户通过计算机设定，控制变量，它们的差是节器的输入偏差信号，经过算后输出，调节器的输出信号经过 D/A 转换成 420模拟电信号后输出到电动调节阀中调节调节阀的开度，以控制水的流量，使水箱的液位保持设定值。水箱的液位经过压力变送器检测转换成相关的电信号输入到输入接口，再经过 A/D 转换成控制量定值控制量过减法运算成了偏差信号 e ,又输入到节器中，又开始了新的调节。所以系统能实时地调节水箱的液位。 4. 工作安排完成文献检索、文献综述，开题报告，熟悉实验装置等完成制器设计与计算、学习完成编程等完成实验调试对系统进行测试，撰写设计说明书、准备毕业答辩 5. 参考文献 1 金鑫等典型工业过程鲁棒制器的整定，控制理论与应用第 22 卷第 6 期 2005 年 12 月（ 947 953 页） 2 祁鸿芳等法在西门子拟量闭环控制中的实现，机床电器 2005年 1 月（ 23 25） 3 杨智等制器设计与参数整定方法综述 2005 年第 5 期 32 卷（ 1 7 页） 4 李铭等制算法在气缸位置伺服控制中的应用 2004 年第 10 期(55 57 页 ) 5 . 003. 107. 6 ,. . 003. 7 J, . . N. C. :995. 8 王伟等数先进整定方法综述 J . 自动化学报 26 卷第 3 期 (347 355页 ) 9 薛美盛等化工自动化及仪表 29 卷第 2 期（ 1 9 页） 10 王树青等制技术及应用 1999 年 26 卷第 2 期 (61 65 页 ) 11 李平等化工自动化及仪表 22 卷第 6 期（ 3 9） 12 金晓明等化工自动化及仪表 22 卷第 6 期（ 3 6） 6. 指导教师审阅意见指导教师 (签字 )：年月日 7. 教研室主任意见教研室主任 (签字 )：系 (签章 ) 年月日说明： 1. 本报告必须由承担毕业设计 (论文 )课题任务的学生在接到“毕业设计 (论文 )任务书”、正式开始做毕业设计(论文 )的第 2 周或第 3 周末之前独立撰写完成，并交指导教师审阅。论文 )课题撰写本报告一份，作为指导教师、教研室主任审查学生能否承担该毕业设计 (论文 )课题任务的依据，并接受学校的抽查。 1 摘要本文讨论了过程控制的控制策略的发展，介绍了最为传统的，也是现今应用最广泛的制，和先进控制算法，列举了典型的先进控制算法时提到了先进控制的发展方向智能控制，包括模糊逻辑控制，专家控制，神经网络控制和鲁棒控制。通过对这些控制算法的分析，对过程控制控制策略的发展进行了展望。关键词：古典控制理论；制；先进控制；预测控制 1. 引言过程控制通常是指石油、化工、冶金、轻工、纺织、制药、建材等工业生产过程中的自动控制 ,它是自动化技术的一个极其重要的方面 ,它的发展与生产过程自身的发展紧密相关 ,经历了一个由简单到复杂、从低级到高级 ,并正向纵深发展的过程。从过程控制采用的理论与技术手段来看 ,可以粗略地把它划为三个阶段 :开始到 70 年代为第一阶段 ,70 年代至 90 年代初为第二阶段 ,90 年代初为第三阶段开始。其中 70 年代既是古典控制应用发展的鼎盛时期 ,又是现代控制应用发展的初期 ,90 年代初既是现代控制应用发展的繁荣时期 ,又是高级控制发展的初期。第一阶段是初级阶段 ,包括人工控制 ,以古典控制理论为主要基础 ,采用常规气动、液动和电动仪表 ,对生产过程中的温度、流量、压力和液位进行控制 ,在诸多控制系统中 ,以单回路结构、略为主 ,同时针对不同的对象与要求 ,创造了一些专门的控制系统。第二阶段是发展阶段 ,以现代控制理论为主要基础 ,以微型计算机和高档仪表为工具 ,对较复杂的工业过程进行控制。这阶段的建模理论、在线辨识和实时控制已突破前期的形式 ,继而涌现了大量的先进控制系统和高级控制策略 ,如克服对象特性时变和环境干扰等不确定影响的自适应控制 ,消除因模型失配而产生不良影响的预测控制等。这阶段的主要任务是克服干扰和模型变化 ,满足复杂的工艺要求 ,提高控制质量。第三阶段是高级阶段（ 1） ,已经来到。从过程控制的发展过程来看，它是随着控制策略的发展而发展的。 2. 制在生产过程自动控制的发展历程中 ,制是历史最久生命力最强的基本控制方式。它简单实用 ,易于实现 ,适用范围广 ,鲁棒性好 ,在现今的工业过程中获得了广泛的应用目前工业控制器中约有 90%仍是制器。制器的设计及其参数整定一直是控制领域所关注的问题。其设计和整定方法得到国内外广泛研究 , 著名的如、基于内模控制的方法及基于误差的积分的优化方法。基于误差的积分准则由于能较好地反映闭环系统的性能以及易于计算的原因 ,在化设计中被广泛采用（ 2）。 2 制发展历程制技术的发展可以分为两个阶段。（ 3） 20 世纪 30 年代晚期微分控制的加入标志着制成为一种标准结构 ,也是制两个发展阶段的分水岭。第一个阶段为发明阶段 (1900 1940)制的思想逐渐明确 ,气动反馈放大器被发明仪表工业的重心放在实际制器的结构设计上。 1940 年以后是第二阶段革新阶段。在革新阶段 , 制器已经发展成一种鲁棒的、可靠的、易于应用的控制器。仪表工业的重心是使制技术能跟上工业技术的最新发展。从气动控制到电气控制到电子控制再到数字控制 , 制的体积逐渐缩小，性能不断提高。一些处于世界领先地位的自动化仪表公司对制器的早期发展做出重要贡献 ,甚至可以说制器完全是在实际工业应用中被发明并逐步完善起来的。值得指出的是 ,1939 年器公司推出的一款带有所谓“ 能的名为“ 气动控制器以及同时期器公司推出的带有所谓“ 功能的“ 动控制器都是最早出现的具有完整结构的制器。“ “ 能实际都是在控制器中加入了微分控制。制至今仍是应用最广泛的一种实用控制器。各种现代控制技术的出现并没有削弱相反 ,新技术的出现对于方面 ,各种新的控思想不断被应用于制器的设计之中或者是用新的控制思想设计出具有构的新控制器制技术被注入了新的活力。另一方面 ,某新控制技术的发展要求更精确的制 ,从而激活了制器设计与参数整定技术的发展 (3)。总结近年来可以将传统制技术的继续发展和各种新型控制技术与制的结合。传统变增益控制和自适应控制。传统制的发展可以改善使种新型控制技术与构的新控制器。诸如模糊控制、神经网络等新型控制技术与制的结合扩大了制器的应用范围 ,对于解决非线性和不确定系统控制等采用传统制器难以有效控制的情况收到了很好的效果。法在工业生产过程控制中 ,模拟量的例、积分、微分 )调节是常见的一种控制方式 ,这是由于至今为止 ,很难求出许多控制对象准确的数学模型 ,对于这一类系统 ,使用制可以取得比较令人满意的效果 ,同时可以根据被控对象的具体情况 ,采用各种变种 ,有较强的灵活性和适用性。在模拟量的控制中 ,经常用到路的功能 ,路指令使这一任务的编程和实现变得非常容易。如果一个路的输出 M (t)是时间的函数 ,则可以看作是比例项、积分项和微分项三部分之和，即： d 001)( 3 式中 e 偏差；积分常数；微分常数；放大倍数（比例系数）偏差为零时的控制值，有积分环节存在，此项也可不加以上各量都是连续量 ,第一项为比例项 ,最后一项为微分项 ,中间两项为积分项。其中 e 是给定值与被控制变量之差 ,即回路偏差。回路的增益。用数字计算机处理这样的控制算式 ,连续的算式必须周期采样进行离散化 ,同时各信号也要离散化 ,公式如下（ 3） : )()()( 1 式中给定值反馈值采样周期数整定早期的参数整定都是手动整定 ,现场工程师通过一系列调节试验绘制出过程的动态特性曲线或频率响应曲线 ,再通过这些曲线由整定公式获得数。整个过程费时费力 ,且对于现代过程工业中一些包含数百个制器的分散控制系统 ,手动整定显然是不适合的。随着现代电子技术和计算机技术的飞速发展 , 整定的发展减轻了控制工程师现场调试的工作量 ,节省了大量时间 ,整定结果更加可靠 ,并且使一些复杂但是更加精细的设计方法得以应用于实际工业控制过程 (4)。制器的参数整定方法分类制器的参数整定方法可以分为以下三类 6,7: 非模型方法 ; 非参数模型方法 ; 参数模型方法。对于非模型方法 ,整定过程无需辨识过程模型或求出任何特殊频率点。非参数模型方法只需使用部分模型信息 ,通常是稳态模型和临界频率点。非参数模型方法通常不需要过程的初始信息 ,适合在线整定。参数模型方法需要辨识过程模型 ,适合离线的数整定。参数模型方法又可以分为非最优化方法、基于固定结构控制的最优化方法和基于控制信号的最优化方法。对于数自整定方法 ,按工作机理划分 ,可以分为基于模型的自整定方法和基于规则的自整定方法 (8) 。基于模型的自整定方法包括前文提到的非参数模型方法和参数模型方法 ,基于规则的自整定方法相当于非模型方法。按自动程度划分 ,可以分为全自动和半自动整定。全自动整定即所谓的“一键整定” ,半自动整定需要在调节试验开始之前向自整定控制器输入一些初始信息。按其他的标准也可以分为常规方法和智能方法、线性和非线性方法、单变量和多变量方法等。基于模型的自整定方法需要对模型进行辨识。参数模型辨识方法首先将过程假定为一种模型结构 ,再确定模型的参数。如果模型结构也无法完全确定 ,则需要使用一些结构辨识方法首先确定模型结构 (如模型的阶次 )。参数模型辨识使用的方法有最小二乘法、梯度法、极大自然法。非参数模型辨识方法通过简单的调节试验获得过程的阶跃响应或频率响应曲线 ,再由响应曲线的特征辨识过程的非参数模型。 4 基于规则的自整定方法无需获得过程模型 ,整定的规则类似有经验的操作者的手动整定。基于规则的自整定过程与基于模型的方法一样 ,使用阶跃响应、设定值响应或负载扰动等信息 ,观测被控过程的特性 ,若被控量偏离设定值 ,则基于规则整定控制器参数 (9)。 3. 先进控制先进控制是对那些不同于常规单回路控制 ,并具有比常规制更好的控制效果的控制策略的统称 ,而非专指某种计算机控制算法 ,但至今对先进控制还没有严格的、统一的定义。尽管如此 ,先进控制的任务却是明确的 ,即用来处理那些采用常规控制效果不好 ,甚至无法控制的复杂工业过程控制的问题。通过实施先进控制 ,可以改善过程动态控制的性能、减少过程变量的波动幅度 ,使之能更接近其优化目标值 ,从而将生产装置推向更接近其约束边界条件下运行 ,最终达到增强装置运行的稳定性和安全性、保证产品质量的均匀性、提高目标产品收率、增加装置处理量、降低运行成本、减少环境污染等目的。先进控制的主要特点在于 : 与传统的制不同 ,先进控制通常是一种基于模型的控制策略 ,如模型预测控制。目前 ,专家控制、神经控制和模糊控制等智能控制技术正成为先进控制的一个重要发展方向 ; 先进控制通常用于处理复杂的多变量过程控制问题 ,如大时滞、多变量耦合、被控变量与控制变量存在着各种约束等。先进控制是建立在常规单回路控制之上的动态协调约束控制 ,可使控制系统适应实际工业生产过程动态特性和操作要求 ; 先进控制的实现需要足够的计算能力作为支持。由于先进控制受控制算法的复杂性和计算机硬件两方面因素的影响 ,早期的先进控制算法通常是在计算机控制系统的上位机上实施的。随着断增强 ,更多的先进控制策略可以与基本控制策略一起在实现。后一种方式可有效地增强先进控制的可靠性、可操作性和可维护性（ 10）。进控制策略先进控制采用了合理的控制目标和控制结构 ,可更好地适应工业生产过程的需要。先进控制主要解决 : 个别重要过程变量控制性能的改善 ,主要采用单变量模型预测控制与原控制回路构成所谓的“透明控制”的方式 ; 解决约束多变量过程的协调控制问题 ,主要采用带协调层的多变量预测控制策略 ; 推断质量控制 ,利用软测量的结果实现闭环的质量卡控制。涉及到的主要控制策略有 :模型预测控制、推断控制、协调控制、质量卡控制、统计过程控制 ,正在兴起与开发中的模糊控制、神经控制、非线性控制和鲁棒控制 (11)。测控制预测控制是直接从工业过程控制中产生的一类基于模型的新型控制算法 ,最初由人提出。由于它最大限度地结合了工业实际的要求 ,综合控制质量高 ,因而很快引起了工业控制界以及理论界的广泛兴趣和重视预测控制发展至今，已形成了公认的三大方法机理，即预测模型、滚动优化和反馈校正。一个控制算法，只有具备了这三项基本原则，才能称之为预测控制。5 预测控制的机理表明预测控制是一种开放的控制策略。它体现了人们在处理带有不确定性问题时的一种通用的思想方法（ 12）。糊控制所谓模糊控制 ,就是在控制方法上应用模糊集理论、模糊语言变量及模糊逻辑推理的知识来模拟人的模糊思维方法，用计算机实现与操作者相同的控制。表 1给出了模糊控制和其他控制方法的比较，结果显示模糊控制往往能在采用常规控制方法难以奏效的场合取得满意的控制效果（ 13）。 4. 结论综上所述，过程控制的发展随着控制策略的发展，控制策略又随着人们的要求的日益提高而更进一步的发展。总的来说，控制策略的发展是低级向高级发展的，目前的发展方向是人工智能的方向，也许不久的将来，工业控制也可以实现完全的智能控制。 6 参考文献 1 徐湘元等智能控制 1998 年 25 卷第 2 期（ 1 5 页） 2 金鑫等制器的整定第 22 卷第 6 期 2005 年12 月（ 947 953 页） 3 祁鸿芳等法在西门子机床电器月（ 2325） 4 杨智等制器设计与参数整定方法综述 2005 年第 5 期 32 卷（ 1 7 页） 5 李铭等制算法在气缸位置伺服控制中的应用 2004 年第 10 期(55 57 页 ) 6 . 003. 107. 7 ,. . 003. 8 J, . . N. C. :995. 9 王伟等数先进整定方法综述 J . 自动化学报 26 卷第 3 期 (347 355页 ) 10 薛美盛等化工自动化及仪表 29 卷第 2 期（ 1 9 页） 11 王树青等化工自动化及仪表 26 卷第 2 期 (61 65 页 ) 12 李平等化工自动化及仪表 22 卷第 6 期（ 3 9） 13 金晓明等化工自动化及仪表 22 卷第 6 期（ 3 6） I 摘要本次毕业设计的课题是基于液位控制系统的设计。在设计中，笔者主要负责的是控制算法的设计，因此在论文中设计用到的法提到得较多。本文的主要内容包括：水箱的特性确定与实验曲线分析，编程控制器的硬件掌握，数的整定及各个参数的控制性能的比较，应用制算法所得到的实验曲线分析，整个系统各个部分的介绍和应用句编程来控制水箱水位。关键词：门子制对象特性、制算法、扩充临界比例法、压力变送器、电动调节阀、令。 is on LC In I am in to ID 7ID of LC 7ID 录摘要 . I . I 第 1 章绪论 . 1 产生、定义及现状 . 1 程工业控制算法的应用现状 . 2 制的历史和发展现状 . 3 文的研究内容 . 5 第 2 章小型控制对象介绍 . 6 门子制系统 . 6 块 . 7 拟量输入模块 . 8 拟量输出模块 . 9 源模块 . 10 制对象特性 . 11 阶单容上水箱特性 . 11 阶双容下水箱对象特性 . 14 第 3 章制算法介绍 . 18 制算法 . 18 节的各个环节及其调节过程 . 20 例控制与其调节过程 . 21 例积分调节 . 21 例积分微分调节 . 22 级控制 . 22 充临界比例法 . 24 的制的编程 . 25 路的输入输出变量的转换和标准化 . 26 量的范围 . 28 制方式与出错处理 . 29 第 4 章控制方案设计 . 31 统设计 . 31 水箱液位的自动调节 . 31 水箱下水箱液位串级控制系统 . 32 件设计 . 33 测单元 . 33 行单元 . 34 制单元 . 36 件设计 . 36 第 5 章实验情况介绍 . 39 水箱液位比例调节 . 39 水箱液位比例积分调节 . 40 水箱液位比例积分微分调节 . 41 第 6 章结论 . 43 参考文献 . 44 致谢 . 46 1 第 1 章绪论产生、定义及现状可编程控制器出现前，继电器控制在工业控制领域占据主导地位。但是继电器控制系统具有明显的缺点：设备体积大、可靠性低、故障查找困难以及维修不方便。由于接线复杂，当生产工艺和流程改变时必须改变接线，因此，其通用性和灵活性较差。 20 世纪 60 年代，计算机技术开始应用于工业控制领域，但由于价格高、输入输出电路不匹配、编程难度大以及难以适应恶劣工业环境等原因，未能在工业控制领域获得推广。 20 世纪 60 年代末，美国汽车制造工业竞争激烈，为适应生产工艺不断更新的需要， 1968 年美国通用汽车公司 (出了研制新型逻辑顺序控制装置的十项招标指标。主要内容是： 1) 编程方便，可现场修改程序。 2) 维修方便，采用插件式结构。 3) 可靠性高于继电器控制装置。 4) 体积小于继电器控制盘。 5) 数据可直接送入管理计算机。 6) 成本可与继电器控制盘竞争。 7) 输入可为市电 8) 输出可为市电，容量要求在 2A 以上，可直接驱动接触器等。 9) 扩展时原系统改变最小。 10) 用户存储器大于 4 这些实际上提出了将继电器控制的简单移动、使用方便、价格低的优点与计算机的功能完善、灵活性、通用性好的优点结合起来，将继电接触器控制的硬连线逻辑转变为计算机的软件逻辑编程的设想。美国数字设备公司 (标，并于 1969 年研制出第一台可编程控制器美国通用汽车公司的生产线上试用成功，并取得了满意的效果，可编程控制器自此诞生。 2 随着电子技术的发展，可编程控制器 (原来简单的逻辑量控制，逐步具备了计算机控制系统的功能，同时，还具有抗干扰性强、可靠性强、体积小、编程方便、修改容易、网络功能强大等显著优点，它可以与计算机一起组成功能完备的控制系统。系统中，一般由上、下位机组成主从式控制系统。成数据采集、状态判别、输入输出控制等，上位机 (微型计算机、工业控制机 )，完成采集数据信息的存储、分析处理、复杂运算、状态显示以及打印输出，以实现对系统的实时监控。微型计算机与够充分发挥各自的优点和功能，实现优势互补。可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境下应用而设计的。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原理设计。编程十分方便。采用克服了以往仪表控制的单回路调节器的缺点，可以由用户自己定义制液位变化曲线，同时利用与输入、输出信号通过简单的编程实现连锁，可以对各种故障情况及时做出反应，使控制系统更加安全可靠。程工业控制算法的应用现状毕业设计是基于在其中我主要负责的是控制算法的设计。过程控制在工业生产中应用广泛，在理论的研究与生产的实践中发展出很多的控制算法，主要有下列几种： (1) 大量的事实证明，传统的高达90%)可取得较好的控制结果。采用改进的 3 (2) 预测控制预测控制是直接从工业过程控制中产生的一类基于模型的新型控制算法。它高度结合了工业实际的要求，综合控制质量比较高，因而很快引起工业控制界以及学术界的广泛兴趣与重视。预测控制有三要素，即预测模型、滚动优化和反馈校正。它的机理表明它是一种开放式的控制策略 ,体现了人们在处理带有不确定性问题时的一种通用的思想方法。 (3) 自适应控制在过程工业中，不少的过程是时变的，如采用参数与结构固定不变的控制器，则控制系统的性能会不断恶化，这时就需要采用自适应控制系统来适应时变的过程。它是辨识与控制的结合。目前，比较成熟的自适应控制分三类： A、自整定调节器及其它简单自适应控制器； B、模型参考自适应控制； C、自校正调节与控制。自适应控制己在工程实际中得到了不少的应用，但它至今仍然有许多待进一步解决的问题 (特别在参数估计方面 )，这些问题不解决，自适应控制的广泛应用仍将遇到许多困难。 (4) 智能控制随着科学技术的发展，对工业过程不仅要求控制的精确性，更加注重控制的鲁棒性、实时性、容错性以及对控制参数的自适应和自学习能力。另外，被控工业过程日趋复杂，过程严重的非线性和不确定性，使许多系统无法用数学模型精确描述。没有精确的数学模型作前提，传统控制系统的性能将大打折扣。智能控制对于复杂的工业过程往往可以取得很好的控制效果。常见的智能控制方法有以下几种：模糊控制、分级递阶智能控制、专家控制、人工神经元网络控制、拟人智能控制等。这些智能控制方法各有千秋，但又存在各自的不足。研究表明将它们相互交叉结合或与传统的控制方法结合将会产生更佳的效果。智能控制在家电行业及工业过程中取得了许多成功的应用。在国内外，模糊控制与人工神经元网络也在石化、钢铁、冶金、食品等行业取得了成功的应用。制的历史和发展现状制技术的发展可以分为两个阶段。 20 世纪 30 年代晚期微分控制的加入标志着制成为一种标准结构也是制两个发展阶段的分水岭。第一 4 个阶段为发明阶段 (1900 1940)制的思想逐渐明确，气动反馈放大器被发明，仪表工业的重心放在实际制器的结构设计上。 1940 年以后是第二阶段革新阶段。在革新阶段，制器已经发展成一种鲁棒的、可靠的、易于应用的控制器。仪表工业的重心是使制技术能跟上工业技术的最新发展。从气动控制到电气控制到电子控制再到数字控制，制器的体积逐渐缩小，性能不断提高。一些处于世界领先地位的自动化仪表公司对制器的早期发展做出重要贡献，甚至可以说制器完全是在实际工业应用中被发明并逐步完善起来的。值得指出的是， 1939 年器公司推出的一款带有所谓“ 能的名为“ 气动控制器以及同时期器公司推出的带有所谓“ 能的“ 动控制器都是最早出现的具有完整结构的制器。“ “ 能实际都是在控制器中加入了微分控制。制至今仍是应用最广泛的一种实用控制器。各种现代控制技术的出现并没有削弱制器的应用，相反，新技术的出现对于制技术发展起了很大的推动作用。一方面，各种新的控制思想不断被应用于制器的设计之中，或者是用新的控制思想设计出具有构的新控制器，制技术被注入了新的活力。另一方面，某新控制技术的发展要求更精确的制，从而刺激了制器设计与参数整定技术的发展。总结近年来制的发展趋势，可以将制的发展分为两个大方向：传统制技术的继续发展和各种新型控制技术与制的结合。传统增益控制和自适应控制。传统制的发展可以改善制的效果 ,使制器的自动化程度和对环境的适应能力不断提高。各种新型控制技术与制的结合包括新控制技术应用于制器的设计与整定之中，或者是使用新的控制思想设计出具有构的新控制器。诸如模糊控制、神经网络等新型控制技术与制的结合扩大了制器的应用范围，对于解决非线性和不确定系统控制等采用传统制器难以有效控制的情况收到了很好的效果。在生产过程自动化控制的发展历程中，制是历史最久、生命力最强的基本控制方式。在本世纪 40 年代以前，除在最简单的情况下可采用开关控制外，它是唯一的控制方式。此后，随着科学技术的发展特别是电子计算机的诞生和发 5 展，涌现出许多新的控制方式。然而直到现在，制由于它自身的优点仍然是得到最广泛应用的基本控制方式。制具有以下优点： 1) 原理简单，使用方便。 2) 适应性强，可以广泛应用于化工、热工、冶金、炼油以及造纸、建材等各种生产部门。按制进行工作的自动调节器早已商品化。在具体实现上它们经历了机械式、液动式、气动式、电子式等发展阶段，但始终没有脱离制的范畴。系统中所用的列的中配有控制模块和专门的制功能指令，方便进行制。 3) 鲁棒性强，即其控制品质对被控对象特性的变化不大敏感。在连续生产过程计算机控制系统中，一般采用两种制算法：一种是含有理想微分的制，另一种是含有实际微分的制。文的研究内容本文的主要内容包括：水箱的特性确定与实验曲线分析，编程控制器的硬件掌握，数的整定及各个参数的控制性能的比较，应用制算法所得到的实验曲线分析，整个系统各个部分的介绍和应用句编程来控制水箱水位。 6 第 2 章小型控制对象介绍门子制系统西门子的中小型 7列采用模块式结构，用搭积木的方法来组成系统。模块式机架和模块组成，模块化的中小型用于中等性能的控制要求。品种繁多的块和功能模块能满足各种领域的自动控制任务，用户可以根据系统的具体情况选择合适的模块，维修时更换模块也很方便。当系统规模扩大和更为复杂的时候，可以增加模块，对行扩展。简单实用的分布式结构和强大的通信联网能力，使其应用十分灵活。块集成了过程控制功能，用于执行用户程序。每个有一个编程用的口，可以和计算机连接，为下位机，利用计算机作为上位机进行编程。功能强大的储容量为 512 8192个存储器位， 512 个定时器和 512 个计数器，数字量通道最大为 65536 点，模拟量通道最大为 4096 个，由于使用电后无需后备电池可以长时间保持动态数据，使为完全无维护的控制设备。列主要特点是：（ 1）功能强极强的计算性能，完善的指令集，口和通过网的网络功能，使能更强。强劲的内部集成功能，全面的故障诊断功能、口令保护，便利的连接系统和无槽位限制的模块化结构。快速，极其快速的指令处理大大地缩短了循环周期。（ 2）通用，着眼未来满足各种要求的高性能模块和三种用于任一场合。模块可扩展至最多三个扩展机架，相当高的安装密度。用于与他产品相连的接口，集成了机界面 )设备， 7 用户友好的程，使得为对未来的安全投资。块 1214、 1415/3151618 8 种不同的处理单元可供选择。 14有集成的数字和模拟输入 /输出模块的紧凑型于要求快速反应和特殊功能的装备。 13、 14、 15 模块上不带集成的 I/O 端口，其存储容量、指令速度、可扩展的 I/O 点数、计时器 /定时器数量、软件块数量随序号的递增而增加。 151618具有现场总线扩展功能。系统选用的块为 13。它内置 20大可扩展 256储卡，有 12机存储器，位操作、字操作、定时加、浮点加时间分别为 2s、 3s、 60s，最大模拟量 I/O 通道数为 32 个，最大配置 1个机架 8 块模块，使用的是软件时钟，有定时器 64 个，位存储器 2048用模块：组织块 (3 个，功能块 (28 个，功能调用 (28 个，数据块 (27个，系统数据块 ( 个，系统功能块 (4 个，系统功能块 (有。 13 是具有更大存储器、低成本的解决方案。块的方式选择开关都一样，有 4 种工作方式，通过可卸的专用钥匙控制选择。 1) 编程运行方式。描用户程序，既可以用编程装置从可以由编程装置装入，用编程装置可以监控程序的运行。在此位置钥匙不能拔出。 2) 行方式。扫描用户程序，可以用变成装置读出并监控的程序，但不能改变装置存储器中的程序。在此位置可以拔出钥匙，防止程序正常运行时被改变操作方式。 3) 止方式。扫描用户程序，可以通过编程装置从读出，也可以下载程序到。在此位置可以拔出钥匙。 4) 位置瞬间接通，用以清除储器。块面板上有 6个示灯，显示运行状态和故障。 8 拟量输入模块系统中从检测装置过来的模拟量需经过 A/D 转换才能输入到理，这就要求模拟量输入处理模块。 31 模拟量输入简称模入 ( 模块目前有三种规格型号，即 128 模块、 168 模块和 122 模块。系统选用了 128 模入模块，其端子接线图如图 2示。图 2M 331 端子接线图 31 模入模块主要由 A/D 转换部件、模拟切换开关、补偿电路、恒流源、光电隔离元件、逻辑电路组成。 A/D 转换部件是模块的核心，其转换原理采用积分方法。被测模拟量的精度是所设定的积分时间的正函数。 31 可选用 4 档积分时间： 20 和 100对应的以位表示的精度： 8、 12、 12、 14。31 的 8 个模拟量输入通道共用一个积分式 A/D 转换部件。某一通道开始转换模拟量输入值起到再次开始转换的时间是模入模块的循环时间。 31 的每两个输入通道构成一个输入通道组，可以按通道组任意选择测量方法和测量范围。模块上需要接 24V 的直流电压 L+，有反接保护作用。不用的 9 通道要在组态软件中屏蔽掉，以免受干扰。拟量输出模块经过理后的结果是数字量，而执行机构能接收的信号是模拟信号，这就要求有模拟量输出模块。 32 模拟量输出简称模出 (模块目前有 3 种规格型号： 124 模块、 122 模块和 164 模块。系统选用 124 模出模块，其端子接线图如图 2示。图 2M 332 124 模入模块端子接线图 32 可以输出电压，也可以输出电流。在输出电压时，可以采用 2 线回路和 4 线回路与负载连接。 4 线回路的精度高，因此采用 4 线回路，它与负载的接线如图 2示。 10 图 2过 4 线回路将负载与隔离的模出模块连接源模块 07 电源模块是西门子公司为配的源， 07 系列模块除输出额定电流不同外 (有 2、 5、 10A)，其工作原理和参数都一样。系统选用10A 的电源模块。 07 10A 模块基本电路如图 2示。 07 10A 模块的输入接单相交流系统，输入电压 120/230V， 50/60输入和输出之间有可靠的隔离。输出电压允许范围 20( %5 )V，最大上升时间大残留纹波 15007 可安装在导轨上，除了给电，也可给 I/O 模块提供负载电源。图 2S 307 电源模块 (10A)基本电路图 11 制对象特性阶单容上水箱特性单容水箱系统结构图如图 2示，电动调节阀由动输出，通图 2水箱液位控制系统原理图过阶跃响应测试确定系统的对象模型的各参数。阶跃响应测试法是系统在开环运行条件下，待系统稳定后，通过调节器或其他操作器，手动改变对象的输入信号 (阶跃信号 )。同时，记录对象的输出数据或阶跃响应曲线，然后根据已给定对象模型的结构形式，对实验数据进行处理，决定模型中各参数。由阶跃响应确定一阶过程参数有两种方法，一种是直角坐标图解法，一种是半对数坐标图解法。毕业设计运用直角坐标图解法确定系统一阶系统的参数。系统的阶跃响应曲线如图 2示， t=0 时曲线斜率最大，之后斜率减小，逐渐上升到稳态值 h( )，该曲线可用一阶有时延环节来近似。图 2阶系统阶跃响应曲线 12 如图 2示，设水箱进水口的进水量为水口出水量箱液面高度为 h。出水阀 4 固定于某一开度值。根据物料动态平衡的关系，求得： 122 (2在零初始条件下，对上式求拉氏变换，得： 11)()()(221 sQ 式中， T 为水箱的时间常数 (阀 4 的开度大小会影响到水箱的时间常数 )， T=，K=过程放大倍数，阀 4 的液阻， C 为水箱的容量系数。令输入量Q1(s)=R0/s，常量，则输出液位的高度为 ()( 000 (2根据上式，需要确定的参数是过程放大系数 K 和水箱的时间常数 T。当 t=T 时，有）（）（）（ 3 206 3 201010(2即 )1()(0 (2当 t时， h( )=而有 K=h( )/出稳态值 /阶跃输入。过 t=0 作曲线切线，该切线与 h( )线交于一点，则这段切线在时间轴上的投影即为时间常数 T，见图 2 在一阶单容上水箱对象特性测试实验中，先设定输出值的大小，这个值根据出水阀门的开度大小来设定，初次设定的值为 46。开启单向泵电源开关，启动动力支路，将被控参数液位高度控制在水箱的水位趋于平衡，平衡后输出值、水箱水位高度和测量显示值如表 2示。表 2一次稳定后的纪录值出值水箱水位高度态显示值 0100 cm 6 13 迅速增加动输出值，增加 5%的输出量，此引起的阶跃响应的过程参数如表 2示。，由此得到的变化曲线如图 2示。表 2加动输出后的过程参数 t(秒 ) 0 40 80 120 160 200 240 280 320 360 水箱水位h1(态读数( 2加输出值后的变化曲线进入新的平衡状态，这时的数据如表 2示。表 2的平衡状态的数据出值水箱水位高度态显示值 0100 cm 1 将输出仪表调回到系统第一次平衡前的位置，纪录阶跃响应过程参数的曲线如图 2示，阶跃响应过程参数如表 2 表 2出调回到原来的位置的阶跃响应参数 t(秒 ) 0 40 80 120 160 200 240 280 320 360 水箱水位h1(态读数 (14 图 2回到第一次平衡时的曲线由上述的实验可以根据前面所说的方法求出一阶环节的参数 T 和 K。 6 86)0()()(00 R 阶双容下水箱对象特性二阶双容水箱的系统结构图如图 2是由两个一阶非周期惯性环节串联图 2水箱下水箱系统图起来的，被调量是第二水槽的水位输入量有一个阶跃增加。被调量 15 变化的反应曲线如图 2示的线。它不再是简单的指数曲线，而是呈图 2调量变化的反映曲线 S 型的一条曲线。由于多了一个容器，就使调节对象的飞升特性在时间上更加落后一步。在图中 S 型曲线的拐角 P 上作切线，它在时间轴上截出一段时间段时间可以近似地衡量由于多了一个容量而使飞升过程向后推迟的程度，因此称容量滞后，通常以 c 代表之。设上水箱进水口的流量为双容水箱的输入量，下水箱的高度输出量，根据物料动态平衡关系，并考虑到液体传输过程中的时延，其传递函数为 H )1)(1()()( )(2112(2式中 K=23别为阀 5 和阀 6 的液阻，别为上水箱和下水箱的容量系数。由式中的 K、从由实验求得的阶跃响应曲线上求出。开启单向泵电源开关，启动动力支路，将输出值迅速上升到小于等于60，将被控参数液位高度控制在 15。系统的被调量水箱的水位趋于平衡后，纪录输出值、水箱液位测量显示值如表 2示。 16 表 2阶双容下水箱对象特性实验第一次稳定后的纪录值出值水箱水位高度态显示值 0100 cm 4 速增加动输出值，增加 10%的输出量，这时的阶跃响应过程参数如表 2示，它的过程变化曲线如图 2示。表 2出增加后的阶跃响应参数 t(秒 ) 0 40 80 120 160 200 240 280 320 360 水箱水位h1(态读数( 2出值增加后的二阶系统的过程变化曲线进入新的平衡状态，这时的数据如表 2示。表 2的平衡状态的数据出值水箱水位高度态显示值 0100 cm 17 64 将输出仪表调回到系统第一次平衡前的位置，纪录阶跃响应过程参数的曲线如图 2示。图 2到新的平衡的曲线由曲线 2得出 h2(t)稳态值的渐近线 )为 )(212 317， )(222 735。利用近似公式计算式 (2 6)中的参数 K、体如下：跃输入值输入稳态值30216.2 121 2 0 (2122121 = 对于式 (2示的

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