液位自动控制系统的研究毕业设计论文

1、液位自动控制系统的研究 摘 要 水位控制系统设计是模拟工业生产过程中对水位、流量参数进行测量、控 制、观察其变化特性，研究过程控制规律的课题，它主要研究过程控制中动态 过程的一般特点大惯性、大时延、非线性，难以对其进行精确控制，从而 使其成为控制理论与控制工程、过程控制教学、试验和研究的理想对象。 本课题首先对水位控制系统做了整体的分析并简单介绍了水位控制系统的 控制平台；然后详细介绍了 plc 可编程控制器并详细分析了基于 plc 的 pid 控制和串级 pid 控制，对串级控制系统的特点和主副回路设计进行了详述,设计 了双容水箱串级水位控制系统,并根据 4：1 衰减曲线法对 pid 参数进

2、行整定； 最后根据理论分析进行水位控制系统实验，实验结果表明系统具有优良的控制 精度和稳定性。 关键词：水位自动控制系统，plc 技术，pid 控制，串级控制 the research of the water level automatic control system abstract the water level control system design is a topic, which allows study of the principles of process control as the process variables, for example the level

3、and flux, to be measured, controlled and observed for its variability during the simulation process of modem industrial manufacture. it has the common characteristic of dynamic process in process control such as great inertia, larger delay, nonlinear and difficult to be controlled precisely, so that

4、 it becomes a perfect object in the field of control theory and control engineering, process control teaching, testing and study. this topic first has made the whole analysis to the water level control system and simply introduces the water level system control platform, then introduces the plc prog

5、rammable controller in detail and amply analyses the pid control and the cascade pid control which based on plc. it introduces the cascade control system characteristic and the host vice-return route design in detail. the two-tank water level cascade control system has been designed. then it carries

6、 on the pid parameter by 4:1 decay curve law; finally the water control system experiment has been done by the theoretical analysis. the experimental result indicates the system has the fine control precision and the stability. key words: water level control system, plc, pid control, cascade control

7、 目 录 摘 要 .i abstract.ii 1 绪论.1 1.1 引言 .1 1.2 水位控制当前的研究动态 .1 1.3 pid 调节器概述.2 1.3.1pid 控制特点.2 1.3.2pid 控制中尚需解决的问题 .3 1.4 本文的主要工作 .4 2 水位控制系统的整体分析.5 2.1 水位控制系统的整体设计 .5 2.2 控制平台介绍 .5 2.2.1 电源控制屏.5 2.2.2 交流变频调速器.6 2.3 被控对象介绍 .6 3 可编程序控制器 plc 概述 .8 3.1 plc 的基本结构 .8 3.1.1 cpu 模块 .8 3.1.2 i/o 模块 .9 3.1.3 编程

8、装置 .9 3.1.4 电源.10 3.2 西门子 s7-200 plc 简介.10 3.2.1 西门子 s7-200 plc 的功能概述 .10 3.2.2 西门子 s7-200 plc 的特点 .11 3.2.3 西门子 s7-200 plc 的硬件结构 .11 3.2.4 西门子 s7-200 plc 的工作原理 .12 3.3 西门子 s7-200 plc 的编程语言.14 3.4 step 7-micro/win 编程软件简介 .15 3.5 西门子 s7-200 plc 的程序结构.15 4 pid 控制器的设计 .16 4.1pid 算法概述 .16 4.2 串级控制系统 .18

9、 4.2.1 串级控制系统的特点 .18 4.2.2 串级控制系统的设计 .19 4.3 基于 plc 的串级控制 .19 4.3.1 控制系统框架.19 4.3.2 串级系统的参数整定.21 5 控制结果.22 5.1 控制软件简介 .22 5.1.1 控制界面.22 5.1.2 控制软件的主要功能 .22 5.2 实验结果及分析 .23 结束语.26 致 谢.27 参考文献.28 附录 a（英文文献）.30 附录 b（中文译文）.36 1 绪论 1.1 引言 随着现代工业的进步，水位控制技术迅速发展，但与国外相比仍有很大的 差距，当国内还在对水利采取笨拙的排水、泄水方式时，国外便开始通过先

10、进 的测控设备，对水利资源进行合理的疏导。 水位控制系统是以水位为被控参数的控制系统，它在工业生产的各个领域 都有广泛的应用。在工业生产过程中，有很多地方需要对容器内的水位控制， 使之高精度的保持在给定的数值。水位控制一般指对某一水位进行控制调节， 使之达到所要求的控制精度。在本文中，以二阶的水位系统为研究对象，以双 容水箱的水位为被控制量，主要研究基于 plc 的 pid 控制器和串级 pid 控制的 设计和实现。 1.2 水位控制当前的研究动态 水位自动控制系统作为自动控制、化工过程等领域中非常典型的教学实验 设备，它不仅可以作为水位过程控制的实验设备来供学生做试验，而且也应用 于非线性控

11、制和故障诊断的研究项目中，因此在国内外都受到广泛关注1。 文献8中 sacor.等人以控制教育的目的详细的介绍了双容水箱水位控制系 统的构成，仿真建模和实时仿真；在德国杜伊斯堡大学（university of duisburg）测量与控制系的研究者使用“dts200”模型成功地测试了非线性解耦 的方法和基于模型的故障诊断方法。文献9中 noura hassan 等用双容水箱水位 控制系统作为实验模型对执行器容错控制的设计进行了研究。文献10用源于 离散时间李雅普诺夫（lyapunov）理论的控制技术与对实时故障估计有自寻优 和在线自适应能力的现代智能技术相结合的方法对基于多模型的在线故障诊断

12、与定位进行了研究，并给出了在双容水箱水位控制系统上进行仿真的试验结果。 文献11中 tsuda k.等人利用水位控制系统作为试验对象提出了解决线性混杂系 统重组问题的几种算法。文献12为四个相识非线性滤波器推导了敏感模型， 利用这些敏感模型得出一种广义自适应滤波算法（general adaptive filtering algorithm） ，并在双容水箱水位控制系统上进行了验证。文献13通过水箱水位 控制系统的例子，说明了在一个分布式智能控制系统内多个智能子系统之间进 行动态协调的机制和大致过程。文献14提出了一种推广的基于模型的预测控 制（extended mpc）方案，用以龙伯格马夸特（

13、levenberg-marquardt）算法 离线训练非线性状态空间神经元网络为基础的摸，在水箱水位控制系统上验证 了方案的正确性。文献15利用 zir（zero input response）和 zsr(zero state response)综合控制信号，构建基于非线性受控对象物理模型水箱水位控制系 统的仿真器，并利用其获得理想的控制特性。文献16将多变量投影方法和径 向基神经网络良好的逼近能力结合起来，提出了一种基于嵌入径向基神经网络 的非线性主成分回归算法的过程监测及故障诊断方法，在水箱水位控制实验装 置上进行的实验结果说明该方法确实能够有效地实现过程监测、快速地检测并 诊断出故障状态

14、。 上述文献都是以水箱水位控制系统为研究对象，对故障的检测与诊断以及 分离和建模及监控策略进行了研究，并提出了很多行之有效的算法，为水箱水 位控制系统的仿真及监控平台的开发提供了坚实的理论依据。 1.3 pid 调节器概述 1.3.1pid 控制特点 pid 控制是比例积分微分控制的简称。在生产过程自动控制的发展历程中， pid 控制是历史最久，生命力最强的基本控制方法。在上世纪 40 年代以前，除 在最简单的情况下可采用开关控制外，它上唯一的控制方法。此后，随着科学 技术的发展特别是电子计算机的诞生和发展，涌现出许多新的控制方法。然而 直到现在，pid 控制由于它自身的优点仍然是得到最广泛应

15、用的基本控制方法 2-5。 事实表明，对于 pid 这样简单的控制器，能够适用于如此广泛的工业与 民用对象，并仍以很高的性能价格比在市场中占据着重要地位，充分地反映 了 pid 控制器的良好品质。概括地讲，pid 控制的优点主要体现在以下几个 方面： 1、简单实用，易于实现，性能优良。pid 控制器具有简单而固定的形式， 原理也不复杂，使用起来很方便，控制效果也很好。 2、适用范围广泛。它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。 3、鲁棒性能优良。其控制品质对被控对象特性的变化不大敏感，在很宽的 操作条件范围内都能保持较好的鲁棒性。 4、易于在线整定。它允许工程技术

16、人员以一种简单而直接的方式来调节系 统。 由于具有这些优点，在过程控制中，人们首先想到的总是 pid 控制，但 pid 参数复杂繁琐的整定过程一直困扰着工程技术人员，研究 pid 参数整定 技术具有十分重要的工程实践意义。 1.3.2pid 控制中尚需解决的问题 常规的 pid 控制器设计大致可分为基于模型的方法和基于规则的方法。 在基于模型的方法中，可先假定精确的数学模型（如 fopdt、sopdt） ，通过 瞬态响应（如脉冲响应、阶跃响应）或频率响应的实验，或通过参数辨识（如 最小二乘法）的方法获得过程模型的参数，或者仅仅只获得被控过程的某些特 性参数（如临界比例增益、临界振荡周期） ，通

17、过这些参数来优化控制器参数， 得到我们所期望的控制器性能6。 在这些控制器的设计方法中，所采用的性能指标可分为两大类7：一类是 时域性能指标，诸如超调量(overshot)、上升时间(rising time)、过渡过程时间 (settlingtime)、积分误差(如 iae、ise、itae)等；另一类是频域性能指标，如 增益裕度(gainmargin)、相角裕度(phase margin)等。时域性能指标虽然很好的 展现了控制器某一方面的性能，但显然它忽视了控制系统一个很重要的方面 鲁棒性(robustness)，我们知道，我们所用的数学模型往往是不精确的，实际 情况是，对象或过程往往是时变

18、的，难于建立精确的数学模型，因此，基于精 确的数学模型的控制器整定或设计方法通常是不鲁棒的，在进行控制器设计和 比较时，我们不仅要看时域性能的好坏，而且也要考虑频域鲁棒性。在频域性 能指标中，最常用的是增益裕度和相角裕度，它们可以反映对象的不确定性， 在很多情况下是很好的鲁棒性能尺度，ho 等人研究了一些著名的 pid 整定公 式的增益裕度和相角裕度,得出一些结论:在基于复合(load-based)的整定方法中, 增益裕度一般为 1.5,相角裕度从 30 变化到 60 度；在基于设定点(setpoint- based)的整定方法中,增益裕度一般为 2，相角裕度在 65 度左右，但遗憾的是， 作

19、为鲁棒性能指标，增益裕度和相角裕度是相关的，有些时候表现出了矛盾的 一面，而且，增益裕度和相角裕度也不适用于多变量过程。因此，我们有必要 发展新的鲁棒性能尺度以克服上述的缺陷17-18。 1.4 本文的主要工作 本文以二阶水位控制系统为研究对象，对其特性进行整体分析。然后介绍 了 plc 可编程控制器的基本常识并设计出 水位控制系统基于 plc 的 pid 控制、 pid 串级控制，并用 plc 程序实现了其控制算法。具体内容如下： （1）绪论 主要介绍本课题的研究内容、水位控制系统研究现状，pid 控 制的特点及尚未解决的问题，以及本课题所做的主要工作。 （2）水位控制系统的整体分析，并介绍

20、了相应的控制平台。 （3）对 plc 可编程控制器作了介绍. （4）控制系统基于 plc 的 pid 控制，串级 pid 控制的研究与实现。 （5）根据理论知识做出水位控制系统实验，对串级 pid 控制的调节过程 进行分析。 （6）总结和展望 对已完成的工作进行总结，并对今后的工作提出建议。 2 水位控制系统的整体分析 2.1 水位控制系统的整体设计 水箱自动控制系统主要由计算机、控制平台和被控对象组成。被控对象包 括上水箱、下水箱、储水箱以及管道。控制平台主要包括电源控制屏、plc 可 编程控制器和交流变频调速器。根据需要配置了微机通讯接口单元（rs232） ， 以满足计算机实时控制需要。

21、水位控制系统的系统方框图如图 2.1 所示： 计算机plc 控制器变频器电机与泵 被控 对象 检测与变送 图 2.1 水位控制系统方框图 如图 2.1 所示，先在计算机中设定控制参数，通过通讯设备传送给 plc 控 制器，plc 根据接受到的控制信号和所编制的程序动作，从而控制变频器工作， 变频器工作带动电机与水泵工作，给被控对象打水，检测与变送将检测被控对 象的水位高度并传送给 plc 控制器，测量值通过采样在计算机中显示。 2.2 控制平台介绍 2.2.1 电源控制屏 水箱水位控制系统的电源控制屏主要由一个交流电源控制区与三个执行部 件接线区组成. 交流电源控制区：由总电源钥匙开关、空气开

22、关、带灯启动和停止按扭、 漏电保护器、电加热器控制开关、照明开关、电压表、报警指示灯与复位按扭 等组成。 具体操作方法如下： 1、将电源插座接 220v 市电电源，要注意“左零右火”的接线方式且要有可 靠的接线保护。 2、插上三芯插头，此时控制屏左、右两侧的三芯电源插座均带电。 3、先打开空气开关，再打开总电源钥匙开关，此时“停止”按扭红灯亮，表 示系统总电源接通。 4、按下“启动”按扭，此时“启动”按扭绿灯亮表示系统电源接通。 5、拨开照明开关到上侧，此时接通日光灯电源，日光灯亮。 本装置配有电压型和电流型漏电保护系统。当屏上漏电时保护系统动作， 报警灯亮并自动切断系统电源，等到解除报警时才

23、能启动。 2.2.2 交流变频调速器 交流变频器为三菱 fr-s520s-0.4k 型。为了是变频器各接线端子不因每次 做试验经常的装拆线而损坏或丢失，应将常用端子引到挂箱面板上，以方便试 验连线，它们分别是： 1、a、b、c：变频器的三个输出端，连接三相鼠笼电机三相定子绕组的接 线端 u、v、w。 2、2 和 5：外部电压控制信号（0-5v）输入端，2 接信号正极，5 接信号地 线。 3、stf、str：电机正转与反转控制端，当 stf 与 sd 相连时电机为正转， 当 str 与 sd 相连时电机为反转。 交流变频器的作用是根据 plc 可编程控制器发送来的信号，改变电机的转 速，从而改变

24、水泵的打水量，达到控制水位平衡的目的。 2.3 被控对象介绍 被控对象系统结构组成如图 2.2 所示： 图 2.2 系统结构流程图 被控对象的供水有两路：一路是由磁力泵 1 从储水箱中抽水，通过阀 1 再 经阀 3 向上水箱供水、经阀 4 向下水箱供水、经阀 5 向复合加热水箱的内胆供 水；另一路是磁力泵 2 从储水箱中抽水，分别通过阀 2 经阀 9 向上水箱供水、 经阀 10 向下水箱供水，经阀 11 向复合加热水箱的夹套供水。每个水箱的出水 口均经过线性化处理，上水箱的水通过阀 6 流到下水箱，在上水箱中安装了压 力传感器（pt、lt） ，用于检测压力、液位的大小；而下水箱的水经阀 7 流

25、到 复合加热水箱的外套，再经阀 8 流回储水箱，各水箱都设有溢流口，保证水箱 满后不外流并顺利经溢流口流回储水箱。 3 可编程序控制器 plc 概述 3.1 plc 的基本结构 可编程序控制器主要有 cpu 模块、输入模块、输出模块、编程装置和电 源 组成，如图 3.1 所示。 图 3.1 可编程控制器示意图 3.1.1 cpu 模块 在可编程序控制器控制系统中，cpu 模块不断地采集输入信号，执行用户 程序，刷新系统的输出，统一命令和协调整个 plc 控制系统的工作过程。 cpu 模块的工作电压一般是 dc 5v。 cpu 模块主要由微处理器（cpu 芯片）和存储器组成。 1.微处理器 微处

26、理器分为：通用微处理器、单片微处理器和位片式微处理器。其主要 有如下功能： （1）接收从编程器输入的用户程序和数据，送入存储器存储； （2）用扫描方式接收输入设备的状态信号，并存入相应的数据区； （3）监测和诊断电源、plc 内部电路工作状态和用户程序编程过程中的 语法错误； （4）执行用户程序、完成各种数据的运算、传递和存储等功能； （5）根据数据处理的结果，刷新有关标志位的状态和输出状态寄存器表中 的内容，以实现输出控制、制表打印或数据通信等功能。 2.存储器 存储器分为：系统程序存储器和用户程序存储器。系统程序存储器存放着 系统程序，系统程序是由可编程序控制器生产厂家设计并固化只读存储器

27、 rom 中，能完成可编程序控制器设计者规定的工作，且用户不能读取；用户程 序存储器存放着用户编制的控制程序，其容量以字为单位，用户程序由用户设 计，使可编程序控制器完成用户要求的特定功能。 3.1.2 i/o 模块 输入模块和输出模块简称为 i/o 模块，联系着外部现场和 cpu 模块之间 的桥梁。 输入模块用来接收和采集输入信号。数字量输入模块用来接收从按钮、选 择开关、数字拨码开关、限位开关、接近开关、光电开关、压力继电器等来的 数字量输入信号；模拟量输入模块用来接收电位器、测速发电机和各种变送器 提供的连续变化的模拟量电流电压信号。 输出模块用来发送输出信号。数字量输出模块用来控制接触

28、器、电磁阀、 电磁铁、指示灯、数字显示装置和报警装置等输出设备；模拟量输出模块用来 控制调节阀、变频器等执行装置。 i/o 模块除了传递信号外，还有电平转换与隔离的作用。 3.1.3 编程装置 编程装置是 plc 不可缺少的一部分，用来生成用户程序，并对其进行编 辑、检查和修改，还可以在线监视 plc 的工作状态。编程装置通过接口与 cpu 模块联系，实现人机对话。 使用编程软件不仅可以设置可编程序控制器的各种参数，还可以在屏幕上 直接生成和编辑梯形图、指令表、功能块图和顺序功能图程序，并可以实现不 同编程语言的相互转换。程序被编译下载到可编程序控制器，也可以将可编程 序控制器中的程序上传到计

29、算机。程序可以存盘或打印，还可以通过网络实现 远程编程和传送。 3.1.4 电源 可编程序控制器使用 220v 交流电源或 24v 直流电源。内部的开关电源 为各模块提供 dc 5v、12v、24v 等直流电源。驱动可编程序控制器负载的 直流电源一般有用户提供。 3.2 西门子 s7-200 plc 简介 3.2.1 西门子 s7-200 plc 的功能概述 西门子 s7-200 plc 系列属于小型可编程序控制器，可用于简单的控制场合， 也可用于复杂的自动化控制系统。由于它具有极强的通信功能，即使在大型的 网络控制系统中也能充分发挥作用。 s7-200 plc 系统是紧凑型可编程序控制器。系

30、统的硬件构架是由成系统的 cpu 模块和丰富的扩展模块组成。它能够满足各种设备的自动化控制需求。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 、印刷机械 、中央空调 、电梯控制 、运动系统等等。 s7-200 系列除了 具有 plc 的基本控制功能以外，还在以下三个方面有独到之处： （1）功能强大的指令集 指令内容包括位逻辑指令、计数器、定时器、复杂数学运算指令、pid 指 令、字符串指令、时钟指令、通讯指令以及和智能模块配合的专用指令等。 （2）丰富强大的通讯功能 s7-200 提供了十种左

31、右的通讯方式以满足不同的应用需求，从简单的 s7- 200 之间的通讯到 s7-200 通过 profibus-dp 网络通讯，甚至到 s7-200 通过 以太网通讯。 （3）编程软件的易用性 step7-micro/win32 编程软件为用户提供了开发、编辑和监控的良好编程 环境。windows 的界面风格、以及丰富的编程向导和帮助信息，能够使用户快 速上手。 西门子 s7-200 系列 plc 具有极高的性价比，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。 3.2.2 西门子 s7-200 p

32、lc 的特点 s7-200 系列具有鲜明的特点：（1）极高的可靠性；（2）极丰富的指令集； （3）数据安全性；（4）易于掌握，操作便捷；（5）丰富的内置集成功能； （6）实时特性；（7）强劲的通讯能力；（8）丰富的扩展模块。 3.2.3 西门子 s7-200 plc 的硬件结构 西门子 s7-200 系列 plc 具有牢固紧凑的塑料外壳，通过安装孔垂直或 水平地安装在板上或安装在标准 din 导轨上。利用总线连接电缆，可以把 cpu 模块和其他扩展模块，如数字量 i/o 模块、模拟量 i/o 模块、通讯模块 等等，连接起来。采用可选的端子排作为固定的接线配件，易于接线。s7-200 cpu 外

33、形如图 3.2 所示。 图 3.2 s7-200 cpu 外形示意图 s7-200 cpu 将一个微处理器、一个集成的电源和若干数字量 i/o 点集成 在一个紧凑的封装中，组成一个功能强大的 plc。西门子提供了多种类型的 cpu，以适应各种应用的要求。目前，提供的 s7-200 cpu 有： cpu221、cpu222、cpu224、cpu224xp、cpu226、cpu 226xm。我们使用 的是具有较强控制功能的 cpu 226。 可以利用 pc/ppi 电缆和自由口通讯功能把 s7-200 cpu 连接到许多和 rs-232 标准兼容的设备。目前有两种不同型号的 pc/ppi 电缆：带

34、有 rs-232 口的隔离型 pc/ppi 电缆，用 5 个 dip 开关设置波特率和其它配置项；带有 rs-232 口的非隔离型 pc/ppi 电缆，用 4 个 dip 开关设置波特率。 3.2.4 西门子 s7-200 plc 的工作原理 s7-200 plc 具有两种工作模式，分别是：运行（run）模式和停止 （stop）模式。在运行模式下，通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制 功能；在停止模式下，s7-200 cpu 不执行用户程序，此时可设置 cpu 系统的 硬件功能，并将用户程序、数据以及硬件设置信息下载到 s7-200 cpu。其中用 户程序用编程软件创建和编辑。 cpu 模

35、块上的模式开关用于改变和转换 s7-200 plc 的工作模式。开关拨 到 run 位置时，cpu 运行，启动用户程序的运行；当开关拨到 stop 位置 时，cpu 停止，用户程序的运行也停止；开关拨到 term 位置时，不改变当 前操作模式。此外还可以通过 step7-micro/min32 编程软件控制 s7-200 cpu 的运行和停止。s7-200 cpu 前面板上的 led 显示着当前的工作模式。 s7-200 plc 通电后，需要对硬件和软件做一些初始化的工作。为了使 plc 的输出及时地响应各种输入信号。初始化后，s7-200 cpu 按照循环扫描 的方式，完成包括执行用户程序在

36、内的各项不同的任务。 s7-200 cpu 周而复始地分阶段执行一系列任务。任务执行依次称为一个扫 描周期。在一个扫描周期内，cpu 执行如图 3.3 所示。 （1）读输入 在 plc 的存储器中，设置了一片区域来存放输入信号和输出信号的状态， 它们分别称为输入映像寄存器和输出寄存器。cpu 以字节为单位来读写输入/ 输出映像寄存器。在读输入阶段，s7-200 cpu 读取物理输入点上的 on/off（1/0）状态并复制到输入映像寄存器。 图 3.3 s7-200 cpu 的工作扫描过程示意图 （2）执行用户程序 用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中按顺序排列，来实现控制逻 辑。一般情况下

37、，用户程序从输入映像寄存器获得外部控制和状态信号，把运 算结果写入输出映像寄存器，或者存入到不同的数据保存区。 在执行指令时，从 i/o 映像寄存器或别的位元件的映像寄存器读出其 0 或 1 状态，并根据指令的要求执行相应的逻辑运算，运算的结果写入到相应的 映像寄存器中。因此，除只读的输入映像寄存器外，各映像寄存器的内容随着 程序的执行而变化。 s7-200 cpu 执行完用户程序后，将输出映像寄存器的 0 或 1 状态传送到 输出模块并锁存起来。 （3）处理通讯任务 在处理通讯任务阶段， s7-200 cpu 处理通信口接收到的信息，在适当的 时候将信息传递给通信请求方。 （4）执行自诊断

38、s7-200 cpu 检查整个系统是否工作正常。自诊断测试包括定期检查 eeprom、用户程序存储器、i/o 模块状态以及 i/o 扩展总线的一致性，将监 控定时器复位，以及完成一些别的内部工作。 （5）写输出 复制输出过程映像寄存器中的数据状态到物理输出点。过程映像寄存器是 s7-200 cpu 中的特殊存储区，专门用于存放从物理输入/输出点读取或写到物 理输入/输出点的状态。 （6）中断程序的处理 如果在程序中使用了中断，中断事件发生时立即执行中断，中断程序可能 在扫描周期在任意点上被执行。 3.3 西门子 s7-200 plc 的编程语言 西门子 s7-200 plc 系列采用的编程语言

39、常用的有以下三种：梯形图 （ladderdiagram） 、功能块图（function block diagram） 、语言表或称指令表 （instruction/statement list） 。 1. 梯形图 梯形图（lad）是使用最多的可编程序控制器编程语言。梯形图由触点、 线 圈和用方框表示的功能块组成。触点代表逻辑输入条件，如外部的开关、按钮 和内部条件等；线圈代表逻辑输出结果，用来控制外部的指示灯、交流接触器 和内部的输出条件等；方框表示的功能块代表定时器、计数器或者数学运算等 附加指令。触点和线圈等组成的独立电路称为网络（network） ，用编程软件生 成的梯形图和语言表程序中

40、有网络编号，允许以网络为单位，给梯形图加注释。 在网络中，程序的逻辑运算按从左到右的方向执行。各网络按从上到下的顺序 执行，执行完所有的网络后，返回最上面的网络重新执行。梯形图比较适合有 电气技术基础的人使用。 2. 功能块图 功能块图（fbd）与数字逻辑门电路的编程语言相类似，用一种功能方框 来表示一种特定的功能，方框图中的符号表示着该功能块图的功能。该编程语 言用类似与门、或门的方框来表示逻辑运算关系，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，信号从左到右流动。把所需的功能块连接起来，用来实现控制功 能。功能块图比较适

41、合有数字电路基础的人使用。 3. 语句表 s7-200 系列可编程序控制器将指令表称为语句表。语句表是一种助记符表 达式，与计算机的汇编语言的指令相似。尽管语言表比梯形图、功能块图抽象， 但可以实现某些梯形图或功能块图无法实现的功能。语言表比较适合有逻辑程 序设计经验的人使用。 3.4 step 7-micro/win 编程软件简介 供 s7-200 使用的 step 7-micro/win32 编程软件提供了两种指令集： simatic 指令集与 iec1131-3 指令集。通常 simatic 指令丰富，且执行时 间短，可使用梯形图、功能块图和语句表语言；而 iec1131-3 指令集只提

42、供梯 形图、功能块图，且指令较少。所以我们选用 simatic 指令集来完成编程。 step 7-micro/win32 v3.2 兼容所有的 s7-200 系列，是我们选用的编程 软件，可以对 cpu 226 进行编程。 3.5 西门子 s7-200 plc 的程序结构 s7-200 plc 系列的控制程序是由主程序（ob1） 、子程序和中断程序组成。 主程序是整个程序的主体，每个项目都必须并且只能有一个主程序。在主 程序中可调用子程序和中断程序。主程序通过指令控制整个应用程序的执行， 每次 cpu 扫描都要执行一次主程序。 子程序是一个可选的指令集合，仅在被其他程序调用时执行。同一子程序

43、可以在不同的地方被多次调用，使用子程序可以简化程序代码、减少扫描时间、 更好地组织程序结构和增强移植性。 中断程序也是一个可选的指令集合，中断程序不是被主程序调用，而是在 中断事件发生时由可编程序控制器的操作系统调用。中断事件会在 s7-200 cpu 程序循环周期中任何时刻发生。中断程序是用来处理预先规定的中断事件，执 行中断程序前后，s7-200 系统会自动保护和恢复被中断的程序运行环境。因为 不能预知何时出现中断事件，所以不允许中断程序改写可能在其他程序中使用 的存储器。中断程序不会再被中断。 4 pid 控制器的设计 本文是利用在生产过程中最普遍采用的控制方法串级控制作为系统的 控制方

44、法来设计控制软件的。 4.1pid 算法概述 在模拟控制系统中，控制器最常用的控制控制规律是 pid 控制，常规 pid 控制系统原理框图如图 4.1 所示。系统有模拟 pid 控制器和被控对象组成。 图 4.1 模拟 pid 控制系统原理框图 pid 控制器是一种线性控制器，它根据给定值与实际输出值构成控)(tr)(tc 制偏差： （4)()()(tctrte 1） 将偏差的比例（p） 、积分（i）和微分（d）通过线性组合构成控制量，对 被控对象进行控制，故称 pid 控制器。其控制规律为： （4 )( )( 1 )()( 0 dt tdet dttet tektu d t i p 2） 离

45、散化连续时间 pid 控制器便可得到数字 pid 控制器如下： （4)1()()()()( 0 keke t tk ie t tk kekku dp k i i p p 3） 式中： 比例系数； p k 积分时间常数； i t 微分时间常数。 d t pid 控制器各校正环节的作用如下： （1）比例环节：即时成比例地反映控制系统的偏差信号，偏差一旦产)(te 生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。 （2）积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱 取决于积分时间常数，越大，积分作用越弱，反之则越强。 i t i t （3）微分环节：能反映偏差信号的变化趋势（变化速率） ，并

46、能在偏差信号 值变的太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动 作速度，减小调节时间。 pid 控制器的三种控制作用是各自独立的，互不影响的，改变一个控制参 数，只影响一种控制作用，而不影响其他的控制作用。 由式（42）和式（43）可以看出，采用增量式的 pid 算法只需保存 当前时刻以前三个时刻的误差即可，这种算法具有如下优点： 1、增量式 pid 算法只需计算增量，计算误差或精度不足时对控制量的计 算影响较小，误动作少。 2、采用增量 pid 算法，其输出与原始值无关，易于实现手动到自动的无 冲击切换或使切换冲击很小。 3、增量式算法不进行累加计算，增量只与最近三次的误

47、差值有关，节省了 计算机存储空间，容易获得较好的控制效果。 常规 pid 控制器是一种应用广泛，技术成熟的控制方法，它能满足一般 工业控制的要求，但采用 pid 控制算法的控制系统，其控制品质的优劣在很 大程度上依赖于 pid 的控制参数的整定。而其整定方法都是根据对象特性离线 进行的，因此，当工业对象存在时变性、非线性和不确定性时，pid 控制往往 不能保证良好的控制品质，对于大惯性、大时滞的对象，其效果也不能令人满 意，原因在于常规 pid 控制器的参数是经离线整定后相对固定，不能根据对 象特性变化和动态过程修改控制参数。所以，在控制过程中如果对象的特性变 化或具有动态特性，要采取更加灵活

48、有效的控制方式，如串级控制。 4.2 串级控制系统 4.2.1 串级控制系统的特点 单回路控制系统解决了工业生产过程中大量的参数定值控制问题。随着现 代工业生产的迅速发展，工艺操作条件的要求更加严格，对安全运行、经济性 和对控制质量的要求也更高。单回路控制系统往往不能满足生产工艺上的要求， 在这样的情况下，串级控制系统就应运而生。由于串级控制系统是改善控制质 量的有效方法之一，因而它在过程控制中得到广泛应用。串级控制系统结构如 图 4.2 所示。 给定 主调节器副调节器副被控参数主被控参数 图 4.2 串级控制系统结构 串级控制系统适用于时间常数及纯滞后较大的对象.串级系统与单回路系统 的区别

49、在于前者可获得可测中间变量,并利用它构成副反馈回路,对影响中间变量 的干扰进行预先调节,从而改善整个系统的动态品质.串级控制系统在提高系统控 制质量方面主要表现在： （1）对进入副回路的二次干扰有很强的克服能力； （2）改善了被控过程的动态特性,提高了系统的工作频率； （3）串级控制系统减小了对象时间常数； （4）对负荷或操作条件的变化有较强的适应能力。 串级控制系统的抗干扰能力、快速性、适应性和控制质量都比单回路要好, 一般应用在下列情况： （1） 制通道纯延迟时间较长； （2） 对象容量滞后大； （3） 负荷变化大,被控对象又具有非线性； （4） 系统存在变化剧烈的干扰。 4.2.2 串级

50、控制系统的设计 串级控制系统的设计主要是副参数的选择和副回路的设计以及主、副回路 关系的考虑。 1. 主参数的选择和主回路的设计 主回路是一个定值控制系统,对于主参数的选择和主回路的设计,基本上可以 按照单回路控制系统的设计原则进行。凡直接或间接与生产过程运行性能密切 相关并可直接测量的工艺参数均可选择作主参数。若条件许可,可以选用质量指 标作为主参数,因为它最直接也最有效。否则应选用一个与产品质量有单值函数 副检测与变送 主检测与变送 关系的参数作为主参数。另外,对于选用的主参数必须具有足够的灵敏度,并符合 工艺过程的合理性。 2. 副参数的选择和副回路的设计 串级控制系统副回路具有调节速度

51、快!抑制扰动能力强的特点。在副回路设 计时,要充分发挥这一特点,把生产过程中的主要扰动(并可能多的把其它一些扰 动)包括在副回路中,以尽量减少对主参数的影响,提高主参数的控制质量。在选 择副参数进行副回路设计时,必须注意主、副过程时间常数的匹配问题。因为它 是串级控制系统正常运行的主要条件,是保证安全生产、防止共振的根本措施。 4.3 基于 plc 的串级控制 4.3.1 控制系统框架 本文研究的对象是一个串联式双容水箱的水位控制过程,如图 2.2 所示：磁 力泵 1 从储水箱中抽水，通过阀 1 再经阀 3 向上水箱供水、经阀 4 向下水箱供 水。现在要求控制下水箱的水位高度 h 为某一定值，

52、若选择上水箱的进水量 q 为控制变量，则双容水位控制的数学模型为： s e stst k sg sq sh ) 1)(1( )( )( )( 21 从模型可知,该系统是一个有时间延迟的二阶系统,自身不稳定。若按照单回 路方法设计控制系统,则因作用于系统的扰动要经过一个滞后时间才能使被控量 有所反应,而调节器的控制作用又不能及时反映出来,因此将导致控制过头,产生 振荡。理论分析表明,用单回路方法对上述过程进行控制效果不是很理想。该分 析结果,也得到实验证实,经现场反复调试得知,在有干扰作用或给定值变化的情 形下,系统是无法稳定的。而且由于该系统是串联式双容水箱水位控制过程，两 水箱串联而存在容量

53、滞后,这些因素致使单回路控制方案难以实施。与单回路方 案相比,串级控制系统具有明显优点,在克服容量滞后和纯滞后对控制质量的影响 方面有其独到之处。据此设计了如图 4.3 所示的串级控制系统。 计算机 计算机 plc 控制器变频器电机泵上水箱下水箱 液位传感器 1 液位传感器 2 a/d a/d 图 4.3 串级控制系统框图 该系统是以上水箱的水位为副参数、以下水箱的水位 h 为主参数构成的串 级控制系统。系统工作时,变频器通过采集来自反馈的水箱水位测量值,与给定值 作比较,送入模块运算,自动改变输出频率,调整电机的转速,从而控制液料流量,达 到稳定液位的作用。液位传感器 1 和液位传感器 2

54、分别将检测到的上水箱水位 信号和下水箱水位信号通过 a/d 转换传送到 plc 控制器,使其分别与两个调节 器的设定值比较,判断有无偏差存在或者计算偏差大小。首先将系统设定值与下 水箱水位信号进行比较,得到的偏差作为 pid1 的输入信号；pid1 对该偏差进行 运算后的输出信号,作为上水箱水位的设定值。将该设定值与上水箱的水位信号 进行比较,由 pid2 对偏差实现运算,运算结果通过 d/a 转换,改变电机的输出频率,调 整水泵转速,从而调整上水箱的水位,达到控制下水箱水位的目的。 1k 4.3.2 串级系统的参数整定 串级系统的整定比单回路复杂。因为两个调节器串在一起工作,各回路之间 相互

55、联系,相互影响。改变主、副调节器中的任何一个整定参数,对主、副回路的 过渡过程都有影响,这种影响程度取决于主、副对象的动态特性，而且待整定的 参数比单回路多,因此,串级系统的整定必然比较困难和繁琐。常用的工程整定方 法有：试凑法,两步整定法和一步整定法。两步法就是在主、副回路都闭合的情 况下,按单回路系统方法各整定一次副回路和主回路,然后按这两步求得的特征值 查表计算,就可以取得较为满意的主、副调节参数。而一步整定法就是根据经验 先将副调节器参数一次设置好,然后按一般单回路系统的整定方法直接整定调节 器放大倍数 kc2,按纯比例控制规律设置副调节器；主调节器也先置于纯比例作 用,使串级控制系统

56、投入运行,用整定单回路的任何方法整定主调节器参数；加干 扰,观察运行过程,根据 kc1 和 kc2 相互匹配原理,适当调整调节器参数,使主调 节器满足控制质量最好。 本系统采用 4：1 衰减曲线法整定主调节器参数, 参数设定如表 4.1 表表 4.1 4：1 衰减曲线法整定参数表衰减曲线法整定参数表 5 控制结果 5.1 控制软件简介 5.1.1 控制界面 基于 plc 的 pid 控制运行时的控制界面如图 5.1 所示： 图 5.1 控制界面 控制界面具有“实验指导”、 “实时曲线”、 “实时数据浏览”、 “历史曲线”、 “自动/手动”、 “退出实验”等菜单，界面上的参数都可以手动设置。本控

57、制软件人 机界面友好，美观，具有真彩闪屏启动画面、动态图标、超酷超炫动画窗口、 帮助小精灵和精美绝伦的皮肤等，令人机界面十分美观，给人耳目一新的感觉。 5.1.2 控制软件的主要功能 本控制软件主要实现以下一些功能： 1、在本软件中，用户可以轻松改变控制算法或调节各控制算法的参数，通 过仿真曲线，可以找到最佳的控制算法和控制参数。 3、系统的中间状态变量、系统输出和输入误差数据可以保存在数据库或文 本文件中，也可以在开始实验时，从文本文件或数据库中导入数据。 4、具有记录历史数据和历史曲线的功能，用户可以随时对所做实验和记录 数据进行查询。 5、采用数字来动态显示系统的各个数据，同时在主界面上

58、有个信息窗口， 用来显示系统的参数、实时信息等数据，让用户随时了解系统的运行状态。 5.2 实验结果及分析 本串级控制系统中，主调节器采用比例积分（pi）调节，副调节器采用比 例（p）调节。 对系统进行反复调试，使下水箱的水位快速稳定在设定值上,这时设定值应 与反馈值相同。待水位稳定后,在上水箱上加扰动,如果扰动比较大或参数并不理 想,虽经过副回路的校正,还将影响水位,此时再由主回路进一步调节,从而完全克 服上述扰动,使水位调回到设定值上。当扰动加在下水箱时,扰动使水位发生变化,主 回路产生校正作用,克服扰动对水位的影响。由于副回路的存在加快了校正作用, 使扰动对水位的影响较小。 实时控制曲线

59、如图 5.2 所示 图 5.2 实时控制曲线 根据串级控制系统调节器参数的工程整定方法一步整定法对系统进行整定。 首先选取副调节器的比例系数 kp=1.3。然后将主调节器按 4：1 衰减曲线法进 行整定。选取比例（p）系数 kp=1.2，积分（i）时间 ti=0.6。其运行曲线如图 5.3 所示 图 5.3 4：1 衰减曲线 主调节器采用 pi 调节规律,副调节器采用 p 调节规律，经整定后的控制参 数为：主调节器比例系数 kp=1.0，积分时间 ti=0.3；副调节器比例系数 kp=1.3。取系统曲线如图 5.4 所示 图 5.4 参数整定后的实时控制曲线 分析实验曲线可知：比例调节的残差随

60、着比例带的加大而加大；减小比例 带就等于加大调节系统的开环增益，其后果是导致系统激烈振荡甚至不稳定。 积分调节的特点是无差调节，但它的稳定作用不如比例调节。比例积分调节引 如积分作用来消除系统残差，却降低了系统的稳定性。为保持系统较好的稳定 性，pi 调节器的比例带必须适当增大。所以 pi 调节是在稍微牺牲控制系统的动 态品质以换取较好的稳定性能。 在参数整定后的状态下运行，待系统稳定后，对上水箱加一定的阶跃扰动 信号，观测到的过度曲线如图 5.5 所示。 图 5.5 加阶跃扰动后的过度曲线 由图 5.5 可以看出，加扰动后系统可以迅速的恢复平衡，证明经参数整定 后的系统符合设计要求。 结束语