基于plc的液位控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)

1、<p>　　《過(guò)程控制工程設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)》報(bào)告書寫說(shuō)明書</p><p>　　基于PLC的PID液位控制系統(tǒng)</p><p><b>　　組員姓名： </b></p><p><b>　　組員學(xué)號(hào)： </b></p><p>　　專業(yè)班級(jí)： </p>&l

2、t;p>　　分 院： </p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)的課題是基于PLC的PID液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。</p><p>　　本文的主要內(nèi)容包括：PLC的產(chǎn)生和定義、過(guò)程控制的發(fā)展、水箱的特性確定與實(shí)驗(yàn)曲線分析, 西門子SIEMENS S7-300PLC的硬件掌握，PID參數(shù)的

3、整定及各個(gè)參數(shù)的控制性能的比較，應(yīng)用PID控制算法所得到的實(shí)驗(yàn)曲線分析，整個(gè)系統(tǒng)各個(gè)部分的介紹和講解PLC的過(guò)程控制指令PID指令來(lái)控制水箱水位。</p><p>　　經(jīng)過(guò)比較，發(fā)現(xiàn)西門子的PLC結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用靈活且易于維護(hù)。它采用模塊化設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)主要包括CPU模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊和電源模塊。，我們選擇西門子。</p><p>　　本份報(bào)告主要針對(duì)系統(tǒng)控制方案的設(shè)計(jì)和硬件

4、選型，其余部分由其他組員負(fù)責(zé)。附錄軟件程序。</p><p>　　除去附錄目錄等共13頁(yè)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：西門子SIEMENS S7-300PLC，控制對(duì)象特性，PID控制算法，硬件選型。</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘要</b><

5、/p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　1.1 PLC的定義</p><p>　　1.2本文研究的主要目的</p><p>　　1.3本文研究的主要內(nèi)容</p><p>　　2 西門子SIEMENS S7-300 PLC和控制對(duì)象介紹</p><p>　

6、　2.1西門子SIEMENS S7-300介紹</p><p>　　2.1.1 CPU模塊</p><p>　　2.1.2 I/O模塊</p><p><b>　　2.1.3電源模塊</b></p><p><b>　　2.2控制對(duì)象介紹</b></p><p>　　2.2一

7、階單容上水箱對(duì)象特性</p><p>　　2.3二階雙容下水箱對(duì)象特性</p><p><b>　　3 串級(jí)控制系統(tǒng)</b></p><p><b>　　3.1串級(jí)控制</b></p><p>　　3.1.1串級(jí)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)</p><p>　　3.1.2串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

8、</p><p>　　3.1.3主、副調(diào)節(jié)器正反作用方式的確定</p><p><b>　　3.2PID參數(shù)</b></p><p>　　3.2.1擴(kuò)充臨界比例度法</p><p><b>　　4控制方案設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　4.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)<

9、;/b></p><p>　　4.1.1上水箱液位的自動(dòng)調(diào)節(jié)</p><p>　　4.1.2上水箱下水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)</p><p><b>　　4.2硬件設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　4.2.1檢測(cè)元件</b></p><p><b>　　4

10、.2.2控制元件</b></p><p><b>　　4.2.3控制單元</b></p><p><b>　　4.2.4軟件連接</b></p><p><b>　　4.3軟件涉及</b></p><p><b>　　附錄 軟件程序</b>&

11、lt;/p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p><b>　　1緒論</b></p><p><b>　　1.1PLC的定義</b></p><p>　　國(guó)際工委員會(huì)（IEC）曾于1982年11月頒布了可編程控制器標(biāo)準(zhǔn)草案第一稿，1985年1月又發(fā)表了第二稿，198

12、7年2月頒布了第三稿。該草案中對(duì)可編程控制器的定義是“可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用了可編程的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)計(jì)算等面向用戶的指令，并通過(guò)數(shù)字量和模擬量的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。可編程控制器及其有關(guān)外圍設(shè)備，都按易于與工業(yè)系統(tǒng)聯(lián)成一個(gè)整體、易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。</p><p>　　1.2本文研究的

13、主要目的</p><p>　　為了解決人工控制的控制準(zhǔn)度低、控制速度慢、靈敏度低等一系列問(wèn)題。從而我們現(xiàn)在就引入了工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化控制。在自動(dòng)化控制的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，一個(gè)很重要的控制參數(shù)就是液位。一個(gè)系統(tǒng)的液位是否穩(wěn)定，直接影響到了工業(yè)生產(chǎn)的安全與否、生產(chǎn)效率的高低、能源是否能夠得到合理的利用等一系列重要的問(wèn)題。隨著現(xiàn)在工業(yè)控制的要求越來(lái)越高，一般的自動(dòng)化控制已經(jīng)也不能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)控制的需求，所以我們就又引入了

14、可編程邏輯控制（又稱PLC）。引入PLC使控制方式更加的集中、有效、更加的及時(shí)。</p><p>　　液位控制系統(tǒng)它使我們的生活、生產(chǎn)都帶來(lái)了不可想象的變化。它使在控制中更加的安全，節(jié)約了更多的勞動(dòng)力，更多的時(shí)間。</p><p>　　在我國(guó)隨著社會(huì)的發(fā)展，很早就實(shí)行了自動(dòng)控制。而在我國(guó)液位控制系統(tǒng)也利用得相當(dāng)?shù)膹V泛，特別在鍋爐液位控制，水箱液位控制。還在黃河治水中也的到了利用，通過(guò)液位控

15、制系統(tǒng)檢測(cè)黃河的水位的高低，以免由于黃河水位的過(guò)高而在不了解的情況下，給我們?nèi)嗣駧?lái)生命危險(xiǎn)和財(cái)產(chǎn)損失。</p><p>　　1.3本文研究的主要內(nèi)容</p><p>　　一、一階單容上水箱特性。</p><p>　　二、二階雙容水箱對(duì)象特性。</p><p>　　三、PID串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p>　　2西

16、門子SIEMENS S7-300介紹</p><p>　　2.1西門子SIEMENS S7-300介紹</p><p><b>　　簡(jiǎn) 介： </b></p><p>　　模塊化中小型PLC系統(tǒng)，能滿足中等性能要求的應(yīng)用 </p><p>　　大范圍的各種功能模塊可以非常好地滿足和適應(yīng)自動(dòng)控制任務(wù) </p>

17、<p>　　由于簡(jiǎn)單實(shí)用的分散式結(jié)構(gòu)和多界面網(wǎng)絡(luò)能力，使得應(yīng)用十分靈活 </p><p>　　方便用戶和簡(jiǎn)易的無(wú)風(fēng)扇設(shè)計(jì) </p><p>　　當(dāng)控制任務(wù)增加時(shí)，可自由擴(kuò)展 </p><p>　　由于大范圍的集成功能使得它功能非常強(qiáng)勁</p><p>　　S7-300是模塊化中小型PLC系統(tǒng)，它能滿足中等性能要求的應(yīng)用。</

18、p><p><b>　　結(jié)構(gòu)示意圖</b></p><p><b>　　PLC的原理圖</b></p><p>　　2.1.1CPU模塊 </p><p>　　CPU是PLC的核心組成部分，與通用微機(jī)的CPU一樣，它在PLC系統(tǒng)中的作用類似于人體的神經(jīng)中樞，故稱為“電腦”。其功能是：</p>

19、;<p>　　1、PLC中系統(tǒng)程序賦予的功能，接收并存儲(chǔ)從編程器輸入的用戶程序和數(shù)據(jù)。</p><p>　　2、用掃描方式接受現(xiàn)場(chǎng)輸入裝置的狀態(tài)，并存入映像寄存器。</p><p>　　3、診斷電源、PLC內(nèi)部電路工作狀態(tài)和編程過(guò)程中的語(yǔ)法錯(cuò)誤。</p><p>　　在PLC進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)后，從存儲(chǔ)器中逐條讀去用戶程序，按指令規(guī)定的任務(wù)，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信

20、號(hào)，去起閉有關(guān)控制電路。</p><p>　　2.1.2I/O模塊</p><p>　　I/O模塊是CPU與現(xiàn)成I/O裝置或其他外部設(shè)備之間的連接部件。PLC提供了各種操作電平與驅(qū)動(dòng)能力的I/O模塊和各種用途I/O元件供用戶選用。如輸入/輸出電平轉(zhuǎn)換、電氣隔離、串/并行轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)傳送、誤碼校驗(yàn)、A/D或D/A變換以及其他功能模塊等。I/O模塊將外部輸入信號(hào)變換成CPU能接受的信號(hào)，或?qū)

21、PU的輸出信號(hào)變換成需要的控制信號(hào)去驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象，以確保整個(gè)系統(tǒng)正常的工作。</p><p>　　其中輸入信號(hào)要通過(guò)光電隔離，通過(guò)濾波進(jìn)入CPU控制板，CPU發(fā)出輸出信號(hào)至輸出端。輸出方式有三種：繼電器方式、晶體管方式和晶閘管方式。</p><p><b>　　2.1.3電源模塊</b></p><p>　　根據(jù)PLC的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，它對(duì)電源并無(wú)特

22、殊需求，它可使用一般工業(yè)電源。</p><p>　　2.2一階單容上水箱對(duì)象特性</p><p>　　所謂單容過(guò)程，是指只有一個(gè)貯蓄容量的過(guò)程。單容過(guò)程還可分為有自衡能力和無(wú)自衡能力兩類。</p><p><b>　　一、自衡過(guò)程的建摸</b></p><p>　　所謂自衡過(guò)程，是指過(guò)程在擾動(dòng)作用下，其平衡狀態(tài)被破壞后，

23、不需要操作人員或儀表等干預(yù)，依靠起自身重新恢復(fù)平衡的過(guò)程。</p><p>　　液位過(guò)程，圖2.2所示為一個(gè)單容液位被控過(guò)程，其流入量，改變閥1的開度可以改變的大小。其流出量為，它取決于用戶的需要改變閥2開度可以改變。液位h的變化反映了與不等而引起貯罐中蓄水或泄水的過(guò)程.若作為被控過(guò)程的輸入變量,h為其輸出變量,則該被控過(guò)程的數(shù)學(xué)模型就是h與之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式。</p><p>　　圖2.2

24、液位被控過(guò)程及其階躍響應(yīng)</p><p>　　根據(jù)動(dòng)態(tài)物料平衡關(guān)系有</p><p><b>　　（2-1）</b></p><p>　　將公式（2-1）表示成增量式為</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　式中： 、、——分別表示為偏離某一平衡

25、狀態(tài)、、的增量；A—貯蓄截面積。</p><p>　　在靜態(tài)時(shí)，，；當(dāng)發(fā)生變化時(shí)，液位h隨之變化，貯蓄出口處的靜壓隨之變化，也發(fā)生變化。由流體力學(xué)可知，流體在紊流情況下，液位h與流量之間為非線形關(guān)系。但為了簡(jiǎn)化起見，經(jīng)線形變化，則可近似認(rèn)為與h成正比關(guān)系，而與閥2的阻力成反比，即</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>

26、　　式中：——閥2的阻力，稱為液阻。</p><p>　　為了求單容過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，需消去中間變量。消去中間變量的方法很多，如可用代數(shù)代換法，可用信號(hào)流圖法，也可用畫方框圖的方法。這里，介紹后一種方法。</p><p>　　將式（2-2）、式（2-3）拉氏變換后,畫出圖2.3方框圖。</p><p><b>　　圖2.3方框圖</b></

27、p><p>　　單容液位過(guò)程的傳遞函數(shù)為</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　式中：——過(guò)程的時(shí)間常數(shù)，；</p><p>　　——過(guò)程的放大系數(shù)，；</p><p>　　C—過(guò)程的容量系數(shù)，或稱過(guò)程容量。</p><p>　　被控過(guò)程都具有一定

28、貯存物料或能量的能力，其貯存能力的大小，稱為容量或容量系數(shù)。其物理意義是：引起單位被控量變化時(shí)被控過(guò)程貯存兩變化的大小。</p><p>　　從上述分析可知，液阻不但影響過(guò)程的時(shí)間常數(shù)，而且還影響過(guò)程的放大系數(shù)，而容量系數(shù)C僅影響過(guò)程的時(shí)間常數(shù)。</p><p>　　在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，過(guò)程的純時(shí)延問(wèn)題是經(jīng)常碰到的。如皮帶運(yùn)輸機(jī)的物料傳輸過(guò)程，管道輸送、管道反應(yīng)和管道的混合過(guò)程等。下面以圖2

29、.4為例討論純時(shí)延過(guò)程的建模。</p><p>　　圖2.4純時(shí)延單容過(guò)程及其響應(yīng)曲線</p><p>　　圖2.4所示，流量通過(guò)長(zhǎng)度為l的管道流入貯罐。當(dāng)進(jìn)水閥開度產(chǎn)生擾動(dòng)后，需要流經(jīng)管道長(zhǎng)度為l的傳輸時(shí)間后才流入貯罐，才使液位h發(fā)生變化。具有純時(shí)延單容過(guò)程的階躍響應(yīng)曲線如圖2.4曲線2所示，它與無(wú)時(shí)延單容過(guò)程的階躍響應(yīng)曲線在形狀上完全相同，僅差一純時(shí)延。</p><

30、p>　　具有純時(shí)延單容過(guò)程的微分方程和傳遞函數(shù)為</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　式中：——過(guò)程的時(shí)間常數(shù)，；</p><p>　　——過(guò)程的放大系數(shù)，；</p><p>　　——過(guò)程的純時(shí)延時(shí)間。</p><p>　　二階雙容下水箱對(duì)象特性</p&

31、gt;<p>　　在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，被控過(guò)程往往是由多個(gè)容積和阻力構(gòu)成，這種過(guò)程稱為多容過(guò)程。</p><p>　　現(xiàn)在，以具有自衡能力的雙容過(guò)程為例，來(lái)討論其建立數(shù)學(xué)模型的方法。</p><p>　　圖2.6（a）所示為兩只水箱串聯(lián)工作的雙容過(guò)程。其被控量是第二只水箱的液位，輸入量為與上述分析方法相同，根據(jù)物料平衡關(guān)系可以列出下列方程</p><p>

32、;<b>　?。?-9）</b></p><p>　　為了消去雙容過(guò)程的中間變量、、，將上述方程組進(jìn)行拉氏變換，并畫出方框圖如2.7所示。</p><p>　　雙容過(guò)程的數(shù)學(xué)模型為 （2-10）</p><p>　　式中：——第一只水箱的時(shí)間常數(shù)，；</p><p>　　——第二只水箱的時(shí)間常數(shù)，；</

33、p><p>　　——過(guò)程的放大系數(shù)，；</p><p>　　——分別是兩只水箱的容量</p><p>　　3串級(jí)控制系統(tǒng)及PID參數(shù)</p><p><b>　　3.1串級(jí)控制</b></p><p>　　隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，對(duì)于某些比較復(fù)雜的過(guò)程或者生產(chǎn)工藝、經(jīng)濟(jì)效益、安全運(yùn)行、環(huán)境保護(hù)等要

34、求更高的場(chǎng)合，單回路控制系統(tǒng)往往不能滿足其需求。為了提高控制品質(zhì)，在單回路控制方案的基礎(chǔ)上，開發(fā)出了串級(jí)控制系統(tǒng)。</p><p>　　3.1.1串級(jí)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)</p><p>　　串級(jí)控制系統(tǒng)采用兩套檢測(cè)變送器和兩個(gè)調(diào)節(jié)器，前一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出作為后一個(gè)調(diào)節(jié)器的設(shè)定，后一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出送往調(diào)節(jié)閥。結(jié)構(gòu)圖如圖3.1所示。</p><p>　　前一個(gè)調(diào)節(jié)器稱為主調(diào)節(jié)

35、器，它所檢測(cè)和控制的變量稱主變量（主被控參數(shù)），即工藝控制指標(biāo)；后一個(gè)調(diào)節(jié)器稱為副調(diào)節(jié)器，它所檢測(cè)和控制的變量稱副變量（副被控參數(shù)），是為了穩(wěn)定主變量而引入的輔助變量。</p><p>　　整個(gè)系統(tǒng)包括兩個(gè)控制回路，主回路和副回路。副回路由副變量檢測(cè)變送、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥和副過(guò)程構(gòu)成；主回路由主變量檢測(cè)變送、主調(diào)節(jié)器、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥、副過(guò)程和主過(guò)程構(gòu)成。</p><p>　　一次擾動(dòng)：作

36、用在主被控過(guò)程上的，而不包括在副回路范圍內(nèi)的擾動(dòng)。二次擾動(dòng)：作用在副被控過(guò)程上的，即包括在副回路范圍內(nèi)的擾動(dòng)。</p><p>　　3.1.2串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)</p><p>　　在串級(jí)控制系統(tǒng)中，由于引入了一個(gè)副回路，不僅能及早克服進(jìn)入副回路的擾動(dòng)，而且又能改善過(guò)程特性。副調(diào)節(jié)器具有“粗調(diào)”的作用，主調(diào)節(jié)器具有“細(xì)調(diào)”的作用，從而使其控制品質(zhì)得到進(jìn)一步提高。其特點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：</

37、p><p>　　一、改善了過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性，提高了系統(tǒng)控制質(zhì)量。</p><p>　　二、能迅速克服進(jìn)入副回路的二次擾動(dòng)。</p><p>　　三、提高了系統(tǒng)的工作頻率。</p><p>　　四、對(duì)負(fù)荷變化的適應(yīng)性較強(qiáng)。</p><p>　　3.1.3主、副調(diào)節(jié)器正反作用方式的確定 </p><p>

38、　　一個(gè)過(guò)程控制系統(tǒng)正常工作必須保證采用的反饋是負(fù)反饋，及其主通道各環(huán)節(jié)放大系數(shù)極性乘積必須為正值。串級(jí)控制系統(tǒng)有兩個(gè)回路，主、副調(diào)節(jié)器作用方式的確定原則是要保證兩個(gè)回路均為負(fù)反饋。確定過(guò)程是首先判定為保證內(nèi)環(huán)是負(fù)反饋副調(diào)節(jié)器應(yīng)選用那種作用方式，然后再確定主調(diào)節(jié)器的作用方式。各環(huán)節(jié)放大系數(shù)極性的正負(fù)是這樣規(guī)定的：對(duì)于調(diào)節(jié)器 ，當(dāng)測(cè)量值增加，調(diào)節(jié)器的輸出也增加，則為負(fù)值（即正作用調(diào)節(jié)器）；反之，為正（即反作用調(diào)節(jié)器）。調(diào)節(jié)閥為氣開。則為正

39、，氣關(guān)為負(fù)。過(guò)程放大系數(shù)極性是：當(dāng)過(guò)程的輸入增大時(shí)，即調(diào)節(jié)閥開大，其輸出也增大，則為正，反之，為負(fù)。</p><p>　　在圖3.1的串級(jí)控制系統(tǒng)框圖中可以看到，由于副回路可以簡(jiǎn)化成一個(gè)正作用方式環(huán)節(jié)，主對(duì)象作用方式為正，主測(cè)量變送環(huán)節(jié)為正。根據(jù)單回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中介紹的閉合系統(tǒng)必須為負(fù)反饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則，即閉環(huán)各環(huán)節(jié)比例度乘積必須為正，故主調(diào)節(jié)器均選用反作用調(diào)節(jié)器，副調(diào)節(jié)器均選用反作用調(diào)節(jié)器。</p&g

40、t;<p><b>　　3.2 PID參數(shù)</b></p><p>　　3.2.1擴(kuò)充臨界比例度法</p><p>　　實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)法調(diào)整PID參數(shù)的方法中較常用的是擴(kuò)充臨界比例度法,其最大的優(yōu)點(diǎn)是，參數(shù)的整定不依賴受控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，直接在現(xiàn)場(chǎng)整定、簡(jiǎn)單易行。</p><p>　　擴(kuò)充比例度法適用于有自平衡特性的受控對(duì)象，是對(duì)連續(xù)-

41、時(shí)間PID控制器參數(shù)整定的臨界比例度法的擴(kuò)充。</p><p>　　擴(kuò)充比例度法整定數(shù)字PID控制器參數(shù)的步驟是：</p><p>　　（1）預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期。一般說(shuō)應(yīng)小于受控對(duì)象純延遲時(shí)間的十分之一。</p><p>　　表3.1臨界振蕩整定計(jì)算公式</p><p>　?。?）用選定的使系統(tǒng)工作。這時(shí)去掉積分作用和微分作用，將控制

42、選擇為純比例控制器，構(gòu)成閉環(huán)運(yùn)行。逐漸減小比例度，即減小，直至系統(tǒng)對(duì)輸入的階躍信號(hào)的響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩（穩(wěn)定邊緣），將這時(shí)的比例放大系數(shù)記為,臨界振蕩周期記為。</p><p>　　（3） 根據(jù)表3.1臨界振蕩整定計(jì)算公式代入  、的值，計(jì)算出調(diào)節(jié)器各個(gè)參數(shù)、、的值。</p><p>　?。?）根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果設(shè)置調(diào)節(jié)器的參數(shù)值。觀察系統(tǒng)的響應(yīng)過(guò)程，若記錄曲線不

43、符合要求時(shí)，再適當(dāng)調(diào)整整定參數(shù)值。</p><p>　　PID控制算法關(guān)鍵的參數(shù)Kc（Gain，增益），Ti（積分時(shí)間常數(shù)），Td（微分時(shí)間常數(shù)），Ts（采樣時(shí)間）,在S7-200中PID功能是通過(guò)PID指令功能塊實(shí)現(xiàn)。通過(guò)定時(shí)（按照采樣時(shí)間）執(zhí)行PID功能塊，按照PID運(yùn)算規(guī)律，根據(jù)當(dāng)時(shí)的給定、反饋、比例－積分－微分?jǐn)?shù)據(jù)，計(jì)算出控制量。也就說(shuō)這些參數(shù)是通過(guò)PLC的功能塊實(shí)現(xiàn)的.</p><p

44、>　　PID控制器調(diào)節(jié)輸出，保證偏差(e)為零，使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。偏差(e)是設(shè)定值(SP)和過(guò)程變量(PV)的差。</p><p>　　輸出=比例項(xiàng)+積分項(xiàng)+微分項(xiàng)</p><p>　　為了能讓數(shù)字計(jì)算機(jī)處理這個(gè)控制算式，連續(xù)算式必須離散化為周期采樣偏差算式，才能用來(lái)計(jì)算輸出值。數(shù)字計(jì)算機(jī)處理的算式如下：</p><p>　　輸出= 比例項(xiàng)  +

45、 積分項(xiàng) + 微分項(xiàng)</p><p>　　輸出=比例項(xiàng)+積分項(xiàng)+微分項(xiàng)。</p><p><b>　　4 控制方案設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　4.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)  </b></p><p>　　4.1.1上水箱液位的自動(dòng)調(diào)節(jié)</p><p>　　

46、在這個(gè)部分中控制的是上水箱的液位。系統(tǒng)原理圖如圖4.1所示。單相泵正常運(yùn)行，打開閥1和閥2，打開上水箱的出水閥，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥以一定的開度來(lái)控制進(jìn)入水箱的水流量，調(diào)節(jié)手段是通過(guò)將壓力變送器檢測(cè)到的電信號(hào)送入PLC中，經(jīng)過(guò)A/D變換成數(shù)字信號(hào)，送入數(shù)字PID調(diào)節(jié)器中，經(jīng)PID算法后將控制量經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換成與電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開度相對(duì)應(yīng)的電信號(hào)送入電動(dòng)調(diào)節(jié)閥中控制通道中的水流量。 </p><p>　　當(dāng)上水箱的液位小于設(shè)定值時(shí)

47、，壓力變送器檢測(cè)到的信號(hào)小于設(shè)定值，設(shè)定值與反饋值的差就是PID調(diào)節(jié)器的輸入偏差信號(hào)。經(jīng)過(guò)運(yùn)算后即輸出控制信號(hào)給電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，使其開度增大，以使通道里的水流量變大，增加水箱里的儲(chǔ)水量，液位升高。當(dāng)液位升高到設(shè)定高度時(shí)，設(shè)定值與控制變量平衡，PID調(diào)節(jié)器的輸入偏差信號(hào)為零，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥就維持在那個(gè)開度，流量也不變，同時(shí)水箱的液位也維持不變。</p><p>　　系統(tǒng)的控制框圖如圖4.2所示。其中SP為給定信號(hào)，由用戶通

48、過(guò)計(jì)算機(jī)設(shè)定，PV為控制變量，它們的差是PID調(diào)節(jié)器的輸入偏差信號(hào)，經(jīng)過(guò)PLC的PID程序運(yùn)算后輸出，調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)PLC的D/A轉(zhuǎn)換成4-20mA的模擬電信號(hào)后輸出到電動(dòng)調(diào)節(jié)閥中調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥的開度，以控制水的流量，使水箱的液位保持設(shè)定值。水箱的液位經(jīng)過(guò)壓力變送器檢測(cè)轉(zhuǎn)換成相關(guān)的電信號(hào)輸入到PLC的輸入接口，再經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換成控制量PV，給定值SP與控制量PV經(jīng)過(guò)PLC的CPU的減法運(yùn)算成了偏差信號(hào)e ,又輸入到PID調(diào)節(jié)器中，又開

49、始了新的調(diào)節(jié)。所以系統(tǒng)能實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)水箱的液位。</p><p>　　4.1.2上水箱下水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)</p><p>　　上水箱下水箱液位控制系統(tǒng)由于控制過(guò)程特性呈現(xiàn)大滯后，外界環(huán)境的擾動(dòng)較大，要保持上水箱下水箱液位最后都保持設(shè)定值，用簡(jiǎn)單的單閉環(huán)反饋控制不能實(shí)現(xiàn)很好的控制效果，所以采用串級(jí)閉環(huán)反饋系統(tǒng)。</p><p>　　上水箱下水箱液位控制系統(tǒng)圖如圖4.

50、2所示，該系統(tǒng)中，上水箱液位作為副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)對(duì)象，下水箱液位作為主調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)對(duì)象。這里的擾動(dòng)主要是水箱的出水閥的擾動(dòng)，有時(shí)是認(rèn)為的因素，有時(shí)是機(jī)械的因素，擾動(dòng)總是不可避免的。主回路和副回路結(jié)合有效地抑制環(huán)境的擾動(dòng)。</p><p>　　在這里，執(zhí)行機(jī)構(gòu)仍然是電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，依舊由PLC經(jīng)過(guò)PID算法后控制它的開度以控制水管里的水流量，控制兩個(gè)水箱的水位。它有兩個(gè)PID回路，分別是PID1和PID2。PID1為外環(huán)，控

51、制下水箱的液位，它的輸出值作為PID2的設(shè)定值，PID2控制上水箱的液位。</p><p><b>　　4.2硬件設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　4.2.1檢測(cè)單元</b></p><p>　　在過(guò)程控制系統(tǒng)中，檢測(cè)環(huán)節(jié)是比較重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。液位是指密封容器或開口容器中液位的高低，通過(guò)液位測(cè)量可知道容器中的原料、

52、半成品或成品的數(shù)量，以便調(diào)節(jié)流入流出容器的物料，使之達(dá)到物料的平衡，從而保證生產(chǎn)過(guò)程順利進(jìn)行。設(shè)計(jì)中涉及到液位的檢測(cè)和變送，以便系統(tǒng)根據(jù)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)來(lái)調(diào)節(jié)通道中的水流量，控制水箱的液位。</p><p>　　液位變送器分為浮力式、靜壓力式、電容式、應(yīng)變式、超聲波式、激光式、放射性式等。系統(tǒng)中用到的液位變送器是SP3051SP型高精度負(fù)壓力變送器。</p><p>　　過(guò)壓極限：施加0~14

53、MPa（絕壓）壓力到變送器任意一側(cè)，變送器不損壞，法蘭可承受60MPa壓力，正常工作大于3.45kPa（絕對(duì)壓力），精度等級(jí)：0.075%，量程比：100:1。</p><p>　　SP3051SP型高精度負(fù)壓力變送器 壓力傳感器</p><p><b>　　4.2.2執(zhí)行單元</b>&l

54、t;/p><p>　　執(zhí)行單元是構(gòu)成自動(dòng)控制系統(tǒng)不可缺少的重要組成環(huán)節(jié)，它接受來(lái)自調(diào)節(jié)單元的輸出信號(hào)，并轉(zhuǎn)換成直角位移或轉(zhuǎn)角位移，以改變調(diào)節(jié)閥的流通面積，從而控制流入或流出被控過(guò)程的物料或能量實(shí)現(xiàn)過(guò)程參數(shù)的自動(dòng)控制。</p><p>　　執(zhí)行器的工作原理，由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（調(diào)節(jié)閥）兩部分組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)首先將來(lái)自調(diào)節(jié)器的信號(hào)轉(zhuǎn)變成推力或位移，對(duì)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（調(diào)節(jié)閥）根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的推力或位移，改變

55、調(diào)節(jié)閥的閥芯或閥座間的流通面積，以達(dá)到最終調(diào)節(jié)被控介質(zhì)的目的。來(lái)自調(diào)節(jié)器的信號(hào)經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換信號(hào)制式后，與來(lái)自執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置反饋信號(hào)比較，其信號(hào)差值輸入到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以確定執(zhí)行機(jī)構(gòu)作用的方向和大小，其輸出的力或位移控制調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作，改變調(diào)節(jié)閥的流通面積，從而改變被控介質(zhì)的流量。當(dāng)位置反饋信號(hào)與輸入信號(hào)相等時(shí)，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，調(diào)節(jié)閥處于某一開度。</p><p>　　系統(tǒng)中用到的QS智能型調(diào)節(jié)閥</p&g

56、t;<p>　　所用到的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，輸出為角行程，控制軸轉(zhuǎn)動(dòng)。電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的組成框圖。</p><p>　　來(lái)自PLC的模擬量輸出DC4-20mA信號(hào)Ii與位置反饋信號(hào)If進(jìn)行比較，其差值經(jīng)放大后，控制伺服電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，再經(jīng)減速器后，改變調(diào)節(jié)器的開度，同時(shí)輸出軸的位移，經(jīng)位置發(fā)生器轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)If。當(dāng)Ii=If時(shí)，電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)節(jié)閥處于某一開度，即Q=KIi，式中Q為輸出軸的轉(zhuǎn)

57、角，K為比例常數(shù)。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥還提供手動(dòng)操作，它的上部有個(gè)手柄，和軸連在一起，在系統(tǒng)掉電時(shí)可進(jìn)行手動(dòng)控制，保證系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用。</p><p><b>　　4.2.3控制單元</b></p><p>　　控制單元是整個(gè)系統(tǒng)的心臟。在系統(tǒng)中，PLC是控制的中心元件，它的選擇是控制單元設(shè)計(jì)的重要部分。</p><p>　　系統(tǒng)應(yīng)用的是西門子S7-30

58、0的PLC，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用靈活且易于維護(hù)。它采用模塊化設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)主要包括CPU模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊和電源模塊。</p><p>　　4.2.4元件連線圖 （注：只是用組態(tài)軟件顯示下過(guò)程 控制不涉及組態(tài)軟件）</p><p><b>　　4.3軟件設(shè)計(jì) </b></p><p>　　現(xiàn)在以上水箱的液位控制系統(tǒng)為例，畫出其控

59、制流程圖</p><p><b>　　附錄</b></p><p>　　單容水箱PID液位制系統(tǒng)設(shè)計(jì)程序</p><p><b>　　6結(jié)論</b></p><p>　　通過(guò)本次畢業(yè)論文的創(chuàng)作，我知道了液位控制系統(tǒng)在生活中的重要性?；赑LC的PID液位控制系統(tǒng)能讓我們?cè)谏钪杏龅奖容^危險(xiǎn)的場(chǎng)合中變

60、得安全化、智能化。對(duì)于前人以前的所做的液位控制系統(tǒng)本系統(tǒng)更加的人性化，可以隨時(shí)修改液位的設(shè)定值。但本論文有許多不足之處，在PLC的編程方面做得不夠理想，希望大家指正。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]王庭有等編著，《可編程控制器原理及應(yīng)用》，國(guó)防工業(yè)出版社，北京，2008</p><p>　　[2]李國(guó)勇