單容水箱液位恒值控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 單容水箱液位恒值控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)專業(yè)（系） 電氣工程系電氣自動(dòng)化 班 級 工控103班 學(xué)生姓名 指導(dǎo)老師 完成日期 摘要本文根據(jù)液位系統(tǒng)過程原理，建立了單容水箱的數(shù)學(xué)模型。在設(shè)計(jì)中用到的pid算法和plc方面的知識。建立了pid液位控制模擬界面和算法程序，進(jìn)行了系統(tǒng)仿真，并通過整定pid參數(shù)，同時(shí)得出了整定后的仿真曲線和實(shí)際曲線。 本文的主要內(nèi)容包括：plc的產(chǎn)生和定義、過程控制的發(fā)展、s7-200系列可編程控制器的硬件掌握，pid參數(shù)的整定及各個(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的過程控制指令pid指令來控制水箱

2、水位。plc在工業(yè)自動(dòng)化中應(yīng)用的十分廣泛。pid控制經(jīng)過很長時(shí)間的發(fā)展，已經(jīng)成為工業(yè)中重要的控制手段。本設(shè)計(jì)就是基于plc的pid算法對液位進(jìn)行控制。plc經(jīng)傳感電路進(jìn)行液位高度的采集，然后經(jīng)過自動(dòng)調(diào)節(jié)方式來確定完pid參數(shù)后，通過控制直流泵的工作時(shí)間來實(shí)現(xiàn)液位的控制。mcgs(監(jiān)視與控制通用系統(tǒng))是用于快速構(gòu)造上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)，系統(tǒng)的監(jiān)測環(huán)節(jié)就是通過mcgs來設(shè)計(jì)的。這樣我們就可以通過組態(tài)畫面對液位高度和泵的起停情況進(jìn)行監(jiān)測，而且可以對plc進(jìn)行啟動(dòng)、停止、液位高度設(shè)置等控制。整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、簡單實(shí)用，mcgs與plc通信流暢。過程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。

3、作為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，plc能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。pid調(diào)節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的調(diào)節(jié)方法。大中型plc都有pid模塊，目前許多小型plc也具有此功能模塊。pid處理一般是運(yùn)行專用的pid子程序。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應(yīng)用。關(guān)鍵詞: pid控制 過程控制 液位控制 plcabstractaccording to the principle of level system process to establish a mathematical model of the single-tank water. pid algorithm

4、and plc knowledge used in the de-sign. pid level control analog interface and algorithm, system simulation, and tun-ing pid parameters, obtained after setting the simulation curve and the actual curve.the main content of this paper include: plc generation and definition, development of process contr

5、ol, s7-200 programmable controller hardware grasp the comparison of the performance of pid parameter tuning and parameter control, pid control algorithm experimental curve analysis, part of the introduction of the entire system and explain the plc process control tank water level control instruction

6、s pid instruction. plc in a wide range of industrial automation applications. pid control after a very long period of development, has become an important means of control in the indus-try. the design is based on plc pid algorithm to control the liquid level. plc via the sensing circuit, the height

7、of liquid acquisition, and then after the automatic adjustment after the pid parameters is determined to achieve a liquid level control, through the control of the working time of the dc pump. mcgs (monitoring and control of the general system) configuration pc monitoring system for the rapid constr

8、uction of software systems, the monitoring aspects of the system design by mcgs. so that we can through the configuration screen of the liquid level and pump start and stop monitoring the plc and can start, stop, set the height of liquid level control. entire system is stable, simple and practical,

9、on mcgs plc communication smooth. process control is the closed-loop control of temperature, pressure, flow and other analog. as industrial control computer, plc program can prepare a wide variety of control algorithms, the completion of the closed-loop control. pid regulator is generally closed-loo

10、p control system used more adjustment method. medium-sized plc has pid module, many small plc with this function module. the pid treatment generally run dedicated pid subroutine. process control in metallurgy, chemical industry, heat treatment, boiler control, and other occasions there is a very wid

11、e range of applications.keywords: pid control plc process control level controlii目錄摘要iabstractii第一章 緒論11.1過程控制的定義及發(fā)展11.2本文研究的目的、意義21.3本文研究的主要內(nèi)容3第二章 硬件設(shè)計(jì)42.1單容水箱液位系統(tǒng)整體組成42.2執(zhí)行器的選擇42.3 液位變送器的選擇52.4 plc的概述62.5 西門子s7-200控制系統(tǒng)82.5.1 cpu模塊92.5.2 i/o單元及i/o擴(kuò)展接口92.5.3電源部分102.6西門子 s7-200的工作原理10第三章 算法設(shè)計(jì)123.1 水箱

12、液位控制系統(tǒng)原理框圖123.2 水箱液位控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型133.3 pid算法的工作控制原理和特點(diǎn)153.4 pid控制器參數(shù)整定163.4 pid 參數(shù)的調(diào)整原則183.5 pid調(diào)節(jié)各個(gè)環(huán)境及其調(diào)節(jié)過程183.5.1比例（p）控制及調(diào)節(jié)過程183.5.2比例積分（pi）控制及調(diào)節(jié)過程193.5.3比例積分微分（pid）控制及調(diào)節(jié)過程20第四章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)224.1 mcgs通用監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成及其主要功能224.2 mcgs通用監(jiān)控系統(tǒng)的創(chuàng)建過程234.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)plc程序244.4系統(tǒng)界面的制作和調(diào)試284.4.1 設(shè)備配置284.4.2 新建畫面284.4.3 設(shè)備連接32第五章 總結(jié)3

13、7參考文獻(xiàn)38第一章 緒論計(jì)算機(jī)控制是自動(dòng)技術(shù)的重要應(yīng)用領(lǐng)域，它是指對液位、溫度、流量等過程變量進(jìn)行控制，在冶金、機(jī)械、化工、電力等方面得到了廣泛應(yīng)用。尤其是液位控制技術(shù)在現(xiàn)實(shí)生活、生產(chǎn)中發(fā)揮了重要作用，比如，民用水塔的供水，如果水位太低，則會(huì)影響居民的生活用水；工礦企業(yè)的排水與進(jìn)水，如果排水或進(jìn)水控制得當(dāng)與否，關(guān)系到車間的生產(chǎn)狀況；鍋爐汽包液位的控制，如果鍋爐內(nèi)液位過低，會(huì)使鍋爐過熱，可能發(fā)生事故；精流塔液位控制，控制精度與工藝的高低會(huì)影響產(chǎn)品的質(zhì)量與成本等。在這些生產(chǎn)領(lǐng)域里，基本上都是勞動(dòng)強(qiáng)度大或者操作有一定危險(xiǎn)性的工作性質(zhì)，極容易出現(xiàn)操作失誤，引起事故，造成廠家的的損失。可見，在實(shí)際生產(chǎn)

14、中，液位控制的準(zhǔn)確程度和控制效果直接影響到工廠的生產(chǎn)成本、經(jīng)濟(jì)效益甚至設(shè)備的安全系數(shù)。所以，為了保證安全條件、方便操作，就必須研究開發(fā)先進(jìn)的液位控制方法和策略。19世紀(jì)70年代以來(全盤自動(dòng)化階段)：發(fā)展到現(xiàn)代過程控制的新階段，主要特點(diǎn)：檢測和控制儀表-新型儀表、智能化儀表、微型計(jì)算機(jī)；過程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)-由單多變量系統(tǒng)，由pid控制規(guī)律在通過plc程序與在mcgs組態(tài)軟件下做出的動(dòng)態(tài)界面進(jìn)行動(dòng)態(tài)連接，在經(jīng)過檢查證明組態(tài)的設(shè)置沒有錯(cuò)誤后，進(jìn)入mcgs的運(yùn)行環(huán)境，可以在mcgs運(yùn)行環(huán)境下看到液位的實(shí)時(shí)曲線的變化輸出情況，隨時(shí)對水箱的液位狀況進(jìn)行調(diào)整和監(jiān)測。在運(yùn)行環(huán)境中可以通過鼠標(biāo)在線的改變pid的

15、參數(shù)設(shè)定值來實(shí)現(xiàn)對上下水箱的液位調(diào)節(jié)和控制，可以使系統(tǒng)達(dá)到要求值,從而大大提高了工作效率。1.1過程控制的定義及發(fā)展生產(chǎn)過程自動(dòng)化，一般是指石油、化工、冶金、煉焦、造紙、建材、陶瓷及電力發(fā)電等工業(yè)生產(chǎn)中連續(xù)的或按一定程序進(jìn)行的生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制。電力拖動(dòng)及電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)等過程的自動(dòng)控制一般不包括在內(nèi)。凡是采用模擬或數(shù)字控制方式對生產(chǎn)過程的某一或某些物理參數(shù)進(jìn)行的自動(dòng)控制通稱為過程控制。過程控制是自動(dòng)控制學(xué)科的一個(gè)重要分支，是對過程控制系統(tǒng)進(jìn)行分析與綜合。進(jìn)入90年代以來，自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展很快，并取得了驚人的成就，已成為國家高科技的重要分支。過程控制是自動(dòng)化技術(shù)的重要組成部分。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化中，

16、過程控制技術(shù)正在為實(shí)現(xiàn)各種最優(yōu)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、提高經(jīng)濟(jì)效益和勞動(dòng)生產(chǎn)率、節(jié)約能源、改善勞動(dòng)條件、保護(hù)環(huán)境衛(wèi)生等方面起著越來越大的作用。在本世紀(jì)40年代前后，工業(yè)生產(chǎn)大多處于手工操作的狀態(tài)，人們主要是憑經(jīng)驗(yàn)用人工去控制生產(chǎn)過程。生產(chǎn)過程中的噶參數(shù)靠人工觀察，生產(chǎn)過程的操作也靠人工去執(zhí)行。因此，當(dāng)時(shí)的勞動(dòng)效率是很低的。40年代以后，生產(chǎn)自動(dòng)化發(fā)展很快。尤其是近年來，過程控制技術(shù)發(fā)展更為迅速?？v觀過程控制的發(fā)展歷史，大致經(jīng)歷了下述幾個(gè)階段：50年代前后，過程控制開始得到發(fā)展。一些工廠企業(yè)實(shí)現(xiàn)了儀表化和局部自動(dòng)化。這是過程控制發(fā)展的第一階段。這階段主要的特點(diǎn)：檢測和控制儀表普遍采用基地式儀表和部分組合

17、儀表；過程控制結(jié)構(gòu)大多數(shù)是單輸入單輸出系統(tǒng)；被控制參數(shù)主要是溫度、壓力、流量、液位四種參數(shù)；控制目的是保持這些參數(shù)的穩(wěn)定，消除或減少對生產(chǎn)過程的主要擾動(dòng)。60年代，隨著工業(yè)生產(chǎn)的不斷發(fā)展，對過程控制提出了新的要求；隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展也為自動(dòng)化技術(shù)工具的完善提供了條件，開始了過程控制的第二階段。在儀表方面，開始大量采用單元組合儀表。為了滿足定型、靈活、多功能的要求，有出現(xiàn)了組合儀表，它將各個(gè)單元?jiǎng)澐譃楦〉墓δ軌K，以適應(yīng)比較復(fù)雜的模擬和邏輯規(guī)律相結(jié)合的控制系統(tǒng)的需要。70年代以來，隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的迅猛發(fā)展，儀表與硬件的開發(fā)，微型機(jī)算計(jì)的開發(fā)應(yīng)用，使生產(chǎn)過程自動(dòng)化的發(fā)展達(dá)到了一個(gè)新的水平。對

18、全工廠或整個(gè)工藝流程的集中控制、應(yīng)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行多參數(shù)綜合控制，或者用多臺(tái)計(jì)算機(jī)對生產(chǎn)過程進(jìn)行控制和經(jīng)營管理，是這一階段的主要特征。過程控制發(fā)展到現(xiàn)代過程控制的新階段，這是過程控制發(fā)展的第三階段。在新型的自動(dòng)化技術(shù)工具方面，開始采用微處理器為核心的智能單元組合儀表；在測量變送器方面，教為突出的成分在線檢測與數(shù)據(jù)處理的應(yīng)用日益廣泛；在模擬式調(diào)節(jié)儀表方面，不僅型儀表產(chǎn)品品種增加，可靠性提高，而且是本質(zhì)安全防爆，適應(yīng)了各種復(fù)雜控制系統(tǒng)的要求。1.2本文研究的目的、意義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)過程

19、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題。隨著現(xiàn)在工業(yè)控制的要求越來越高，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)。液位控制系統(tǒng)它使我們的生活、生產(chǎn)都帶來了不可想象的變化。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。在我國隨著社會(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，通過液位

20、控制系統(tǒng)檢測黃河的水位的高低，以免由于黃河水位的過高而在不了解的情況下，給我們?nèi)嗣駧砩ｋU(xiǎn)和財(cái)產(chǎn)損失。1.3本文研究的主要內(nèi)容本次設(shè)計(jì)主要是綜合應(yīng)用所學(xué)知識，設(shè)計(jì)單容水箱液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并在實(shí)踐的基本技能方面進(jìn)行一次系統(tǒng)的訓(xùn)練。能夠較全面地鞏固和應(yīng)用“計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)”課程中所學(xué)的基本理論和基本方法，并初步掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本方法。該課題主要用泵作為原動(dòng)力，把水從低處抽到高液位池，實(shí)現(xiàn)對高液位池液位高度的自動(dòng)控制。具體設(shè)計(jì)內(nèi)容是利用西門子s7200plc作為控制器，在控制策略上，它依然沿用傳統(tǒng)的pid控制，把pid算法做成模塊，固化在plc中。，由pid控制規(guī)律在通過plc程序進(jìn)行動(dòng)

21、態(tài)連接，實(shí)現(xiàn)對單容水箱液位高度的定值控制，同時(shí)利用mcgs組態(tài)軟件建立單容水箱液位控制系統(tǒng)的監(jiān)控界面，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。從工業(yè)控制的實(shí)際應(yīng)用角度出發(fā)，是通過一些plc程序在plc以及mcgs組態(tài)軟件上得以實(shí)現(xiàn)，提高和擴(kuò)展了組態(tài)軟件和plc的應(yīng)用水平和應(yīng)用范圍，大大提高了系統(tǒng)的控制水平。第二章 硬件設(shè)計(jì)2.1單容水箱液位系統(tǒng)整體組成 如圖2-1所示，將實(shí)驗(yàn)所需的設(shè)備如液位變送器、plc、調(diào)節(jié)閥等安裝并接線。水通過電動(dòng)調(diào)節(jié)閥進(jìn)入水箱中，用plc給液位一個(gè)設(shè)定值sp, 通過液位變送器測量液位量得到測量值pv，當(dāng)測量值pv減去設(shè)定值sp等于一個(gè)負(fù)值時(shí)，plc就會(huì)控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開口增大，從而加大進(jìn)水

22、量。反之，測量值pv減去設(shè)定值sp是個(gè)正值，就會(huì)減少電動(dòng)閥開口減少進(jìn)水量。再用電腦制作組態(tài)頁面達(dá)到遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制。圖2-1系統(tǒng)控制示意圖2.2執(zhí)行器的選擇執(zhí)行器在控制系統(tǒng)中起著極其重要的作用。控制系統(tǒng)的控制性能指標(biāo)與執(zhí)行器的性能和正確選用有著十分密切的關(guān)系。執(zhí)行器接受控制其輸出的控制信號，實(shí)現(xiàn)對操縱變量的改變，從而使被控變量向設(shè)定值靠攏。執(zhí)行器位于控制回路的最總端，因此又稱為最終元件。本設(shè)計(jì)所使用的執(zhí)行器為控制閥，也稱調(diào)節(jié)閥?？刂崎y發(fā)裝現(xiàn)場，通常在高溫、高壓、高粘度、強(qiáng)腐蝕、易滲透、易結(jié)晶、易燃易爆、劇毒等場合下工作。如果選擇不當(dāng)或維修不妥，就會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)無法正常運(yùn)作。經(jīng)驗(yàn)表明，控制系統(tǒng)不能正

23、常運(yùn)行的原因，多數(shù)發(fā)生在控制閥上。對于系統(tǒng)控制閥的選擇很重要?？刂崎y接受控制器輸出的控制信號，通過改變閥的開度來達(dá)到控制流量的目的?？刂崎y有執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)兩部分組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是根據(jù)可能稚氣的控制信號產(chǎn)生推力或位移的裝置，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出信號去改變能量或物料輸送量的裝置?？刂崎y按其能源形式可分為氣動(dòng)、電動(dòng)、液動(dòng)三大類。液動(dòng)控制閥推力最大，但比較笨重，目前已經(jīng)極少使用。電動(dòng)控制閥的能源取用方便，信號傳遞迅速，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、防爆性能差。氣動(dòng)控制閥采用壓縮空氣作為能源，其特點(diǎn)是簡單、動(dòng)作可靠、平穩(wěn)、輸出推力較大、維修方便、防火防爆而且價(jià)格較低，因此得到廣泛應(yīng)用。氣動(dòng)控制閥可以方便的與電動(dòng)

24、儀表配套使用，即使是采用電動(dòng)儀表或計(jì)算機(jī)控制時(shí)，只要經(jīng)過電氣轉(zhuǎn)換閥門定位器將電信號轉(zhuǎn)換為20100kpa的標(biāo)準(zhǔn)氣壓信號仍可采用氣動(dòng)控制閥。據(jù)上述我們最終選擇了直通單座調(diào)節(jié)閥作為本課題的執(zhí)行器，該閥具有泄漏小、許用壓差小、流路復(fù)雜、結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn)，適用于泄漏要求嚴(yán)、工作壓差小的干凈介質(zhì)場合。2.3 液位變送器的選擇測量變送環(huán)節(jié)的作用是將工業(yè)生產(chǎn)過程中的參數(shù)經(jīng)過檢測、變送單元轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號。在模擬儀表中，標(biāo)準(zhǔn)信號通常采用420madc、15vdc、010madc的電流（電壓）信號，或20100kpa的氣壓信號；在現(xiàn)場總線儀表中，標(biāo)準(zhǔn)信號是數(shù)字信號。下面是生產(chǎn)過程中常用的液位變送器：（1） 浮球式液

25、位變送器浮球式液位變送器由磁性浮球、測量導(dǎo)管、信號單元、電子單元、接線盒及安裝件組成。一般磁性浮球的比重小于0.5，可漂于液面之上并沿測量導(dǎo)管上下移動(dòng)。導(dǎo)管內(nèi)裝有測量元件，它可以在外磁作用下將被測液位信號轉(zhuǎn)換成正比于液位變化的電阻信號，并將電子單元轉(zhuǎn)換成420ma或其它標(biāo)準(zhǔn)信號輸出。該變送器為模塊電路，具有耐酸、防潮、防震、防腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，電路內(nèi)部含有恒流反饋電路和內(nèi)保護(hù)電路，可使輸出最大電流不超過28ma，因而能夠可靠地保護(hù)電源并使二次儀表不被損壞。（2） 浮簡式液位變送器浮筒式液位變送器是將磁性浮球改為浮筒，它是根據(jù)阿基米德浮力原理設(shè)計(jì)的。浮筒式液位變送器是利用微小的金屬膜應(yīng)變傳感技術(shù)來測量

26、液體的液位、界位或密度的。它在工作時(shí)可以通過現(xiàn)場按鍵來進(jìn)行常規(guī)的設(shè)定操作。（3）靜壓或液位變送器該變送器利用液體靜壓力的測量原理工作。它一般選用硅壓力測壓傳感器將測量到的壓力轉(zhuǎn)換成電信號，再經(jīng)放大電路放大和補(bǔ)償電路補(bǔ)償，最后以420ma或010ma電流方式輸出。（4）電容式物位變送器電容式物位變送器適用于工業(yè)企業(yè)在生產(chǎn)過程中進(jìn)行測量和控制生產(chǎn)過程，主要用作類導(dǎo)電與非導(dǎo)電介質(zhì)的液體液位或粉粒狀固體料位的遠(yuǎn)距離連續(xù)測量和指示。電容式液位變送器由電容式傳感器與電子模塊電路組成，它以兩線制420ma恒定電流輸出為基型，經(jīng)過轉(zhuǎn)換，可以用三線或四線方式輸出，輸出信號形成為15v、05v、010ma等標(biāo)準(zhǔn)信

27、號。電容傳感器由絕緣電極和裝有測量介質(zhì)的圓柱形金屬容器組成。當(dāng)料位上升時(shí)，因非導(dǎo)電物料的介電常數(shù)明顯小于空氣的介電常數(shù)，所以電容量隨著物料高度的變化而變化。變送器的模塊電路由基準(zhǔn)源、脈寬調(diào)制、轉(zhuǎn)換、恒流放大、反饋和限流等單元組成。采用脈寬調(diào)特原理進(jìn)行測量的優(yōu)點(diǎn)是頻率較低，對周圍元射頻干擾、穩(wěn)定性好、線性好、無明顯溫度漂移等。（5）超聲波變送器超聲波變送器分為一般超聲波變送器（無表頭）和一體化超聲波變送器兩類，一體化超聲波變送器較為常用。一體化超聲波變更新器由表頭（如lcd顯示器）和探頭兩部分組成，這種直接輸出420ma信號的變送器是將小型化的敏感元件（探頭）和電子電路組裝在一起，從而使體積更小

28、、重量更輕、價(jià)格更便宜。超聲波變送器可用于液位。物位的測量和開渠、明渠等流量測量，并可用于測量距離。經(jīng)過這幾種類型液位變送器的比較，我們最終選擇了超聲波變送器，可用于測量液位，剛好符合本課題的研究。而且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，體積小、重量輕、便于攜帶。2.4 plc的概述可編程控制器（plc）是計(jì)算機(jī)家族中的一員是為工業(yè)控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)制造的，早期的可編程控制器稱作：可編程邏輯控制器簡稱plc，它主要用來代替繼電器實(shí)現(xiàn)邏輯控制。隨著技術(shù)的發(fā)展，這種裝置的功能已經(jīng)大大超過了邏輯控制的范圍因此今天這種裝置稱作可編程控制器，簡稱pc。但是為了避免與個(gè)人計(jì)算機(jī)的簡稱混淆，所以將可編程控制器簡稱plc。plc是一種專門

29、為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。20世紀(jì)70年代中末期，可編程控制器進(jìn)入實(shí)用化發(fā)展階段，計(jì)算機(jī)技術(shù)已全面引入可編程控制器中，使其功能發(fā)生了飛躍。更高的運(yùn)算速度、超小型體積、更可靠的工業(yè)抗干擾設(shè)計(jì)、模擬量運(yùn)算、pid功能及極高的性價(jià)比奠定了它在現(xiàn)代工業(yè)中的地位。20世紀(jì)80年代初，可編程控制器在先進(jìn)工業(yè)國家中已獲得廣泛應(yīng)用。這個(gè)時(shí)期可編程控制器發(fā)展的特點(diǎn)是大規(guī)模、高速度、高性能、產(chǎn)品系列化。這個(gè)階段的另一個(gè)特點(diǎn)是

30、世界上生產(chǎn)可編程控制器的國家日益增多，產(chǎn)量日益上升。這標(biāo)志著可編程控制器已步入成熟階段。 上世紀(jì)80年代至90年代中期，是plc發(fā)展最快的時(shí)期，年增長率一直保持為3040%。在這時(shí)期，plc在處理模擬量能力、數(shù)字運(yùn)算能力、人機(jī)接口能力和網(wǎng)絡(luò)能力得到大幅度提高，plc逐漸進(jìn)入過程控制領(lǐng)域，在某些應(yīng)用上取代了在過程控制領(lǐng)域處于統(tǒng)治地位的dcs系統(tǒng)。20世紀(jì)末期，可編程控制器的發(fā)展特點(diǎn)是更加適應(yīng)于現(xiàn)代工業(yè)的需要。從控制規(guī)模上來說，這個(gè)時(shí)期發(fā)展了大型機(jī)和超小型機(jī)；從控制能力上來說，誕生了各種各樣的特殊功能單元，用于壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、位移等各式各樣的控制場合；從產(chǎn)品的配套能力來說，生產(chǎn)了各種人機(jī)界面單元

31、、通信單元，使應(yīng)用可編程控制器的工業(yè)控制設(shè)備的配套更加容易。目前，可編程控制器在機(jī)械制造、石油化工、冶金鋼鐵、汽車、輕工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用都得到了長足的發(fā)展。我國可編程控制器的引進(jìn)、應(yīng)用、研制、生產(chǎn)是伴隨著改革開放開始的。最初是在引進(jìn)設(shè)備中大量使用了可編程控制器。接下來在各種企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備及產(chǎn)品中不斷擴(kuò)大了plc的應(yīng)用。目前，我國自己已可以生產(chǎn)中小型可編程控制器。上海東屋電氣有限公司生產(chǎn)的cf系列、杭州機(jī)床電器廠生產(chǎn)的dkk及d系列、大連組合機(jī)床研究所生產(chǎn)的s系列、蘇州電子計(jì)算機(jī)廠生產(chǎn)的yz系列等多種產(chǎn)品已具備了一定的規(guī)模并在工業(yè)產(chǎn)品中獲得了應(yīng)用。此外，無錫華光公司、上海鄉(xiāng)島公司等中外合資企業(yè)也是

32、我國比較著名的plc生產(chǎn)廠家?？梢灶A(yù)期，隨著我國現(xiàn)代化進(jìn)程的深入，plc在我國將有更廣闊的應(yīng)用天地。2.5 西門子s7-200控制系統(tǒng)圖2-5西門子s7-200simatic s7-200系列是西門子公司20世紀(jì)90年代投入市場的小型可編程序控制器，適用于各行各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動(dòng)化。s7-200系列的強(qiáng)大功能使其無論在獨(dú)立運(yùn)行中或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制功能，其應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，覆蓋所有與自動(dòng)檢測、自動(dòng)化控制有關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域。s7-200系列出色表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）極高的可靠性；（2）極豐富的指令集；（3）易于掌握；（4）便捷的操作；（5）豐富的內(nèi)置集成功能；（6）實(shí)

33、時(shí)特性；（7）強(qiáng)勁的通訊能力；（8）豐富的擴(kuò)展模塊。s7-200 plc硬件系統(tǒng)的配置方式：主機(jī)中包含一定量的輸入/輸出點(diǎn),同時(shí)還可以擴(kuò)展i/o模塊和各種功能模塊。西門子s7-200完整的系統(tǒng)組成：（1）基本單元包括cpu、存儲(chǔ)器、基本輸入/輸出點(diǎn)和電源等，是plc的主要部分。（2）擴(kuò)展單元是主機(jī)i/o點(diǎn)數(shù)量不能滿足控制系統(tǒng)的要求時(shí)，用戶可根據(jù)需要擴(kuò)展各種i/o模塊。（3）特殊功能模塊是當(dāng)需要完成某些特殊功能的控制任務(wù)時(shí),需要擴(kuò)展功能模塊,它們是完成某種特殊任務(wù)的一些裝置。（4）相關(guān)設(shè)備是為充分和方便的利用系統(tǒng)的硬件和軟件資源而開發(fā)和使用的一些設(shè)備。（5）工業(yè)軟件是為更好的管理和使用這些設(shè)備而

34、開發(fā)的與之配套的程序。s7-200系列是專為工業(yè)場合設(shè)計(jì)，采用了典型的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，主要是由cpu、電源、存儲(chǔ)器和專門設(shè)計(jì)的輸入輸出接口電路等組成。cpu一般由控制器、運(yùn)算器和寄存器組成，這些電路都集成在一個(gè)芯片上。cpu通過數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線與存儲(chǔ)單元、輸入輸出接口電路相連接。存儲(chǔ)器有兩種類型：只讀類型的存儲(chǔ)器eeprom和讀寫隨機(jī)存儲(chǔ)器ram，它們集成在cpu模塊內(nèi)部。輸入輸出單元包含兩部分：一是與被控設(shè)備相連的接口電路，另一部分是輸入和輸出的映像寄存器。輸入輸出接口電路都采用了電氣隔離技術(shù)，具有很高的可靠性和極強(qiáng)的抗干擾能力。2.5.1 cpu模塊cpu是可編程控制器的控制中樞，

35、相當(dāng)于人的大腦。cpu一般由控制電路、運(yùn)算器和寄存器組成。這些電路通常都被封裝在一個(gè)集成的芯片上。cpu通過地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線與存儲(chǔ)單元、輸入輸出接口電路連接。cpu的功能有:它在系統(tǒng)監(jiān)控程序的控制下工作，通過掃描方式，將外部輸入信號的狀態(tài)寫入輸入映象寄存區(qū)域，plc進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)后，從存儲(chǔ)器逐條讀取用戶指令，按指令規(guī)定的任務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送、邏輯運(yùn)算、算術(shù)運(yùn)算等，然后將結(jié)果送到輸出映像寄存區(qū)域。2.5.2 i/o單元及i/o擴(kuò)展接口（1）i/o單元plc內(nèi)部輸入電路作用是將plc外部電路（如行程開關(guān)、按鈕、傳感器等）提供的符合plc輸入電路要求的電壓信號，通過光電耦合電路送至plc內(nèi)部

36、電路。輸入電路通常以光電隔離和阻容波濾的方式提高抗干擾能力，輸入響應(yīng)時(shí)間一般在0.115ms之間。根據(jù)輸入信號形式的不同，可分為模擬量i/o單元、數(shù)字量i/o單元兩大類。根據(jù)輸入單元形式的不同，可分為基本i/o單元、擴(kuò)展i/o單元兩大類。plc的基本組成如圖3-2所示。圖2-6 plc的基本組成部分（2）i/o擴(kuò)展接口可編程控制器利用i/o擴(kuò)展接口使i/o擴(kuò)展單元與plc的基本單元實(shí)現(xiàn)連接，當(dāng)基本i/o單元的輸入或輸出點(diǎn)數(shù)不夠使用時(shí)，可以用i/o擴(kuò)展單元來擴(kuò)充開關(guān)量i/o點(diǎn)數(shù)和增加模擬量的i/o端子。2.5.3電源部分電源單元的作用是把外部電源（220v的交流電源）轉(zhuǎn)換成內(nèi)部工作電壓。外部連接

37、的電源，通過plc內(nèi)部配有的一個(gè)專用開關(guān)式穩(wěn)壓電源，將交流/直流供電電源轉(zhuǎn)化為plc內(nèi)部電路需要的工作電源（直流5伏、正負(fù)12伏、24伏），并為外部輸入元件（如接近開關(guān)）提供24v直流電源（僅供輸入端點(diǎn)使用），而驅(qū)動(dòng)plc負(fù)載的電源由用戶提供。2.6西門子 s7-200的工作原理s7-200采用循環(huán)掃描方式，一個(gè)掃描周期一般包括五個(gè)階段:輸入處理、執(zhí)行程序、處理通訊請求、執(zhí)行cpu自診斷測試和寫輸出。 輸入處理階段對個(gè)數(shù)字量輸入點(diǎn)的當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行輸入掃描，并將各掃描結(jié)果分別寫入對應(yīng)的映像寄存器中。在執(zhí)行程序階段，cpu從第一條指令開始順序取指令并執(zhí)行，直到最后一條指令結(jié)束。執(zhí)行指令時(shí)從映像寄存器

38、中讀取各輸入點(diǎn)的狀態(tài)，每條指令的執(zhí)行是對各數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)或邏輯運(yùn)算，然后將運(yùn)算結(jié)果送到輸出映像寄存器中。在掃描周期的信息處理階段，cpu自動(dòng)檢測并處理各通訊端口接收到的任何信息。即檢查是否有編程器、計(jì)算機(jī)等的通信請求，若有則進(jìn)行相應(yīng)處理，在這一階段完成數(shù)據(jù)通訊任務(wù)。cpu自診斷階段，cpu檢測主機(jī)硬件，同時(shí)也檢查所有的輸入輸出模塊的狀態(tài)。如果發(fā)現(xiàn)異常，則停機(jī)并顯示出錯(cuò)。若自診斷正常，繼續(xù)向下掃描。寫輸出階段，cpu用輸出映像寄存器中的數(shù)據(jù)幾乎同時(shí)集中對輸出點(diǎn)進(jìn)行刷新，通過輸出部件轉(zhuǎn)換成被控設(shè)備所能接受的電壓或電流信號，以驅(qū)動(dòng)被控設(shè)備。掃描周期執(zhí)行的任務(wù)依賴于cpu的工作模式，s7-200 cpu

39、有兩種操作模式：stop模式和run模式。對于掃描周期，stop模式和run模式的主要差別是在run模式下運(yùn)行用戶程序，而在stop模式下不運(yùn)行用戶程序。第三章 算法設(shè)計(jì)3.1 水箱液位控制系統(tǒng)原理框圖本論文對水箱液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一個(gè)簡單控制系統(tǒng)，所謂簡單液位控制系統(tǒng)通常是指由一個(gè)被控對象、一個(gè)檢測變送單元（檢測元件及變送器）、以個(gè)控制器和一個(gè)執(zhí)行器（控制閥）所組成的單閉環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng)，也稱為單回路控制系統(tǒng)。簡單控制系統(tǒng)有著共同的特征，它們均有四個(gè)基本環(huán)節(jié)組成，即被控對象、液位變送裝置、調(diào)節(jié)器和執(zhí)行器。對于不同對象的簡單控制系統(tǒng)，盡管其具體裝置與變量不相同，但都可以用相同的方框圖表示：被

40、控變量擾動(dòng)偏差操縱變量調(diào)節(jié)器 執(zhí)行器 被控對象 液位變送器擾動(dòng)通道圖3-1控制系統(tǒng)框圖由這個(gè)簡單控制系統(tǒng)通用的框圖設(shè)計(jì)出水箱液位控制系統(tǒng)的原理框圖如：擾動(dòng)液位變送器+pid控制器電動(dòng)控制閥閥閥器液位_水箱圖3-2系統(tǒng)原理框圖這是單回路水箱液位控制系統(tǒng)，單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)一般指在一個(gè)調(diào)節(jié)對象上用一個(gè)調(diào)節(jié)器來保持一個(gè)參數(shù)的恒定，而調(diào)節(jié)器只接受一個(gè)測量信號，其輸出也只控制一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。本系統(tǒng)所要保持的恒定參數(shù)是液位的給定高度，即控制的任務(wù)是控制水箱液位等于給定值所要求的高度。根據(jù)控制框圖，這是一個(gè)閉環(huán)反饋單回路液位控制，采用工業(yè)智能儀表控制。3.2 水箱液位控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型該系統(tǒng)主要是自衡的非振蕩過程

41、，即在外部階躍輸入信號作用下，過程原有的平衡狀態(tài)被破壞，并在外部信號作用下自動(dòng)的非震蕩地穩(wěn)定到一個(gè)新的穩(wěn)態(tài)，這一大類是在工業(yè)生產(chǎn)過程中最常見的過程。（1） 確定過程的輸入變量和輸出變量如下圖所示，流入水箱的流量是由進(jìn)料閥1來控制的；流出水箱的流量取決于水箱液位l和出料閥2的開度，而出料閥的開庫是隨用戶的需要而改變的。這里，液位l是被控變量（即輸出變量），進(jìn)料閥1為控制系統(tǒng)中的控制閥，它所控制的進(jìn)料流量是過程的控制輸入（即操縱量），出料流量是外部擾動(dòng)。本設(shè)計(jì)以進(jìn)料流量作為輸入變量。2l1tl()l(t)l(0)圖3-3水箱液位過程及其階躍響應(yīng)曲線（2）根據(jù)過程內(nèi)在原理，列寫原始方程根據(jù)物料平衡關(guān)

42、系，當(dāng)過程處于原有穩(wěn)定狀態(tài)是，水箱液位保持不變，其靜態(tài)方程為： -=0 （16）、分別為原穩(wěn)定狀態(tài)下水箱的進(jìn)料流量和出料流量，當(dāng)進(jìn)料流量突然增大是，水箱原來的平衡狀態(tài)被破壞，此時(shí)進(jìn)料量大于出料量，多余的液體在水箱內(nèi)儲(chǔ)存起來，使其液位升高。設(shè)水箱液體的儲(chǔ)存量為v，則單位時(shí)間內(nèi)出料流量與進(jìn)料流量之差等于水箱液體儲(chǔ)存量的凈增量。其動(dòng)態(tài)方程為： -= （17）=、，、分別為和的增量。設(shè)水箱截面積為a，則有v=al，其增量形式為dv=adl，即： （18）將=、和式（18）代入式（17），得： （19）將式（19）減去式（16）可得用新增量形式表示的動(dòng)態(tài)方程式，為： （110）（3）消去中間變量，簡化，

43、求的微分方程式中間變量式原始方程式中出現(xiàn)的一些既不是輸入變量也不是輸出變量的工藝變量。式（110）中，為中間變量。與輸出變量l的關(guān)系可表示為：= ：比例系數(shù) （111）當(dāng)只考慮液位與流量均在有限小的范圍內(nèi)變化式，就可以認(rèn)為出料流量與液位變化呈線性關(guān)系。將式（111）改寫成增量形式： 令，則有： （112）將式（112）代入式（110）中，即得： （113）式（113）即為水箱液位過程的數(shù)學(xué)模型。由此可見，這是一個(gè)一階微風(fēng)方程，液位過程為一階過程。將該式寫成的一階過程的微風(fēng)方程的標(biāo)準(zhǔn)形式： （114）或 （115）為一階過程的時(shí)間常數(shù)，,具有時(shí)間量綱；為一階過程的放大系數(shù)，具有放大倍數(shù)的量綱；為

44、一階過程的輸出變量；為一階過程的輸入變量；為阻力系數(shù)，=液位的變化量 / 出料流量的變化量；為容量系數(shù)，=儲(chǔ)存的物料變化量/ 液位的變化量。當(dāng)被控變量的檢測地點(diǎn)與產(chǎn)生擾動(dòng)的地點(diǎn)之間由一段物料傳輸距離時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)滯后。在控制過程中，若進(jìn)料閥安裝在與水箱進(jìn)料口有一段距離，則當(dāng)進(jìn)料閥開度變化而引起進(jìn)料流量變化后，液體需要經(jīng)過一段傳輸時(shí)間才能流入水箱，使液位發(fā)生變化并被檢測出來。顯然液體流經(jīng)這段距離所需時(shí)間完全是傳輸滯后造成的。純滯后一階過程的微風(fēng)方程為：具有純滯后的一階過程的特性與放大系數(shù)、時(shí)間常數(shù)和純滯后時(shí)間有關(guān)綜上所述，水箱液位控制系統(tǒng)是一個(gè)一階自衡過程，其特性可用放大系數(shù)、時(shí)間常數(shù)和純滯后時(shí)間

45、這三個(gè)特性參數(shù)來全面表征。3.3 pid算法的工作控制原理和特點(diǎn)工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱pid控制，又稱pid調(diào)節(jié)。pid控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用pid控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對象或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用pid控制技術(shù)。pid控制，實(shí)際中也有pi和pd控制。pid控制器

46、就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。一般，在控制系統(tǒng)中，控制器最常用的控制規(guī)律是pid控制。常規(guī)pid控制系統(tǒng)原理框圖如圖3-4所示。系統(tǒng)由模擬pid控制器和被控對象組成。積分比例微分被控對象 + + +u(t)e(t)r(t) +-c(t)圖3-4 模擬pid控制系統(tǒng)原理框圖 pid控制器是一種線性控制器，它是根據(jù)給定值r(t)與實(shí)際輸出值c(t)構(gòu)成控制偏差 將偏差的比例（p）、積分（i）和微分（d）通過線性組合可以構(gòu)成控制量，對被控對象進(jìn)行控制，故稱pid控制器。它的控制規(guī)律為寫成傳遞函數(shù)形式為式中 比例系數(shù)； 積分時(shí)間常數(shù)； 微分時(shí)間常數(shù)；從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響

47、應(yīng)速度、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)精度等各方面來考慮，pid控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下：1、比例環(huán)節(jié) 用于加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。越大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高，但易產(chǎn)生超調(diào)，甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。取值過小，則會(huì)降低調(diào)節(jié)精度，使響應(yīng)速度緩慢，從而延長調(diào)節(jié)時(shí)間，使系統(tǒng)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性變壞。2、積分環(huán)節(jié) 主要用來消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。越小，系統(tǒng)的靜態(tài)誤差消除越快，但過小，在響應(yīng)過程的初期會(huì)產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，從而引起響應(yīng)過程的較大超調(diào)。若過大，將使系統(tǒng)靜態(tài)誤差難以消除，影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。3、微分環(huán)節(jié) 能改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，其作用主要是在響應(yīng)過程中抑制偏差向任何方向的變化，對偏差變化進(jìn)行

48、提前預(yù)報(bào)。但過大，會(huì)使響應(yīng)過程提前制動(dòng)，從而延長調(diào)節(jié)時(shí)間，而且會(huì)降低系統(tǒng)的抗干擾性能。3.4 pid控制器參數(shù)整定在工程實(shí)際中，常采用工程整定法，它們是在理論基礎(chǔ)上通過實(shí)驗(yàn)總結(jié)出來的。這些方法通過并不復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)，便能迅速獲得控制器的近似最佳整定參數(shù)，因而在工程中得到廣泛應(yīng)用。上面介紹幾種常見的整定方法：主要有臨界比例帶、動(dòng)態(tài)參數(shù)法和衰減曲線法。兩種方法各有其特點(diǎn)，對控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善?，F(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。臨界比例帶法又稱邊界穩(wěn)定法，其要點(diǎn)是將調(diào)節(jié)器設(shè)置成純比例作用，將系統(tǒng)投入自動(dòng)運(yùn)行并將比例帶由大到小改變，直

49、到系統(tǒng)產(chǎn)生等幅振蕩為止。這時(shí)控制系統(tǒng)處于邊界穩(wěn)定狀態(tài)，記下此狀態(tài)下的比例帶值，即臨界比例帶以及振蕩周期，然后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出調(diào)節(jié)器的各個(gè)參數(shù)。可以看出臨界比例帶法無需知道對象的動(dòng)態(tài)特性，直接在閉環(huán)系統(tǒng)中進(jìn)行參數(shù)整定。臨界比例帶法的具體步驟是：(1)將調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間置于最大，即；置微分時(shí)間 =0；置比例帶于一個(gè)較大的值。(2)將系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行，待系統(tǒng)穩(wěn)定后逐漸減小比例帶，直到系統(tǒng)進(jìn)入等幅振蕩狀態(tài)。一般振蕩持續(xù)45個(gè)振幅即可，試驗(yàn)記錄曲線如圖3-5所示。圖3-5等幅振蕩曲線(3)據(jù)記錄曲線得振蕩周期，此狀態(tài)下的調(diào)節(jié)器比例帶為，然后按表3-6計(jì)算出調(diào)節(jié)器的各個(gè)參數(shù)。表3-6 臨界比例帶法計(jì)算公

50、式規(guī)律ppipid（4)將計(jì)算好的參數(shù)值在調(diào)節(jié)器上設(shè)置好，作階躍響應(yīng)試驗(yàn)，觀察系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程，適當(dāng)修改調(diào)節(jié)器的參數(shù)，直到調(diào)節(jié)過程滿意為止。利用該方法進(jìn)行 pid控制器參數(shù)的整定步驟如下： 首先只用比例控制，調(diào)整的值使得系統(tǒng)出現(xiàn)臨界震蕩狀態(tài)，這時(shí)的值記為，一次震蕩的時(shí)間記為，采樣周期記為?？梢酝ㄟ^查臨界比例帶法參數(shù)表3-5進(jìn)行參數(shù)整定，如表3-7所示。經(jīng)過計(jì)算確定pid控制器三個(gè)參數(shù)大概范圍。對計(jì)算的參數(shù)經(jīng)過多次試驗(yàn)調(diào)整， 表3-7 pid參數(shù)整定試驗(yàn)數(shù)據(jù)控制器類型 p 0.5無無pi 0.45 無pid 0.6 這樣在建立系統(tǒng)的模型之后，就可以初步確定pid控制器的三個(gè)控制參數(shù)了。3.4 pi

51、d 參數(shù)的調(diào)整原則pid 參數(shù)的預(yù)置是相輔相成的，運(yùn)行現(xiàn)場應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行如下細(xì)調(diào)：被控物理量在目標(biāo)值附近振蕩，首先加大積分時(shí)間 i ，如仍有振蕩，可適當(dāng)減小比例增益 p。被控物理量在發(fā)生變化后難以恢復(fù)，首先加大比例增益 p ，如果恢復(fù)仍較緩慢，可適當(dāng)減小積分時(shí)間 i ，還可加大微分時(shí)間 d。pid常用口訣： 參數(shù)整定找最佳，從小到大順序查先是比例后積分，最后再把微分加曲線振蕩很頻繁，比例度盤要放大曲線漂浮繞大灣，比例度盤往小扳曲線偏離回復(fù)慢，積分時(shí)間往下降曲線波動(dòng)周期長，積分時(shí)間再加長曲線振蕩頻率快，先把微分降下來動(dòng)差大來波動(dòng)慢。微分時(shí)間應(yīng)加長理想曲線兩個(gè)波，前高后低4比1一看二調(diào)多分析，

52、調(diào)節(jié)質(zhì)量不會(huì)低3.5 pid調(diào)節(jié)各個(gè)環(huán)境及其調(diào)節(jié)過程3.5.1比例（p）控制及調(diào)節(jié)過程比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（steady-state error）。在人工調(diào)節(jié)的實(shí)踐中，如果能使閥門的開度與被調(diào)參數(shù)偏差成比例的話，就有可能使輸出量等于輸入量，從而使被調(diào)參數(shù)趨于穩(wěn)定，達(dá)到平衡狀態(tài)。這種閥門開度與被調(diào)參數(shù)的偏差成比例的調(diào)節(jié)規(guī)律，稱為比例調(diào)節(jié)。比例調(diào)節(jié)規(guī)律及其特點(diǎn)比例調(diào)節(jié)作用，一般用字母p來表示。如果用一個(gè)數(shù)學(xué)式來表示比例調(diào)節(jié)作用，可寫成：式中 調(diào)節(jié)器的輸出變化值； 調(diào)節(jié)器的輸入，即偏差； 比例調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)。放

53、大倍數(shù)是可調(diào)的，所以比例調(diào)節(jié)器實(shí)際上是一個(gè)放大倍數(shù)可調(diào)的放大器。比例調(diào)節(jié)作用雖然及時(shí)、作用強(qiáng)，但是有余差存在，被調(diào)參數(shù)不能完全回復(fù)到給定值，調(diào)節(jié)精度不高，所以有時(shí)稱比例調(diào)節(jié)為“粗調(diào)”。純比例調(diào)節(jié)只能用于干擾較小、滯后較小，而時(shí)間常數(shù)又不太小的對象。3.5.2比例積分（pi）控制及調(diào)節(jié)過程在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。對一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（system with steady-state error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，

54、積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分（pi）控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。對于工藝條件要求較高余差不允許存在的情況下，比例作用調(diào)節(jié)器不能滿足要求了，克服余差的辦法是引入積分調(diào)節(jié)。因?yàn)閱渭兊姆e分作用使過程緩慢，并帶來一定程度的振蕩，所以積分調(diào)節(jié)很少單獨(dú)使用，一般都和比例作用組合在一起，構(gòu)成比例積分調(diào)節(jié)器，簡稱pi調(diào)節(jié)器，其作用特性可用下式表示：這里，表示pi調(diào)節(jié)作用的參數(shù)有兩個(gè)：比例度p和積分時(shí)間。而且比例度不僅影響比例部分，也影響積分部分，使總的輸出既具有調(diào)節(jié)及時(shí)、克服偏差有力的特

55、點(diǎn)，又具有克服余差的性能。由于它是在比例調(diào)節(jié)（粗調(diào)）的基礎(chǔ)上，有加上一個(gè)積分調(diào)節(jié)（細(xì)調(diào)），所以又稱再調(diào)調(diào)節(jié)或重定調(diào)節(jié)。但是，積分時(shí)間太小，積分作用就太強(qiáng)，過程振蕩劇烈，穩(wěn)定程度低；積分時(shí)間太大，積分作用不明顯，余差消除就很慢。如果把積分時(shí)間放到最大，pi調(diào)節(jié)器就喪失了積分作用，成了一個(gè)純比例調(diào)節(jié)器。3.5.3比例積分微分（pid）控制及調(diào)節(jié)過程在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。 自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后（delay）組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“