雙容水箱液位串級控制

1、滄州師范學院過程控制實訓任務書屆機電工程系專業(yè)題目：串級控制系統(tǒng)子題： 雙容水箱液位串級控制學生姓名：指導教師（簽章）：所在教研室：下達日期：2012年11月5日完成日期：2012年11月20日i實訓簡介過程控制實訓是電氣自動化專業(yè)教學中重要的實踐教學環(huán)節(jié)，它是在學生具有了基本的過程 控制技術與自動化儀表知識以后，為強化學生所學的知識和提高學生的初步設計能力及實際動手 能力而開設的實踐教學。具體任務、內(nèi)容及要求(包括設計計算、實驗分析、繪圖質(zhì)量各類圖紙張數(shù)、外文翻譯、參 考文獻及撰寫外文摘要等要求)一.實訓內(nèi)容：過程控制實訓就是根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，綜合考慮工藝、技術和經(jīng)濟等方面因素，科學地制定

2、出控制方案，優(yōu)化確定各工藝參數(shù)的大小和變化范圍，合理選擇自動化裝置，并經(jīng)合理、規(guī)范安 裝與配接線后，進行系統(tǒng)調(diào)試，使整個生產(chǎn)達到優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗、安全的目的。二.實訓要求： 樹立正確的設計思想，盡量結合生產(chǎn)實際，綜合考慮技術性、經(jīng)濟性、實用性、可靠性、 安全性及先進性等方面的要求，嚴肅認真地進行設計。 及時了解自動化技術發(fā)展動向，查閱有關資料，做好設計準備工作， 充分發(fā)揮自己的主觀能動性和創(chuàng)造性。 要求設計計算正確、系統(tǒng)結構合理、圖面整潔、標注齊全、圖樣及標注符合國家標準。(4)實訓報告要求文字通順、調(diào)理清楚、書寫工整。三.應完成的項目 完成控制方案的論證及確定，并畫出控制系統(tǒng)結構圖。 完成主

3、要設備與儀表的選型計算，并列出儀表清單。畫出主要儀表的安裝圖和控制系統(tǒng)的儀表圖。(4)完成系統(tǒng)的管路和電氣聯(lián)接工作，并做好相關儀表的校驗工作。完成控制系統(tǒng)的調(diào)試工作。完成實訓報告的編寫，并裝訂成冊。時間進度安排控制方案的確定1天控制系統(tǒng)圖繪制2天主要設備及儀表的選型計算3天平面安裝圖的繪制與配接線3天PLC程序的編寫、上位機組態(tài)6天調(diào)試運行、考核3天實訓報告的整理與編寫3天實驗室主任簽章：32*系統(tǒng)總貌圖二而口F2-HI時口，阻打北功里目錄摘要1 串級控制系統(tǒng)概述1.1 串級控制系統(tǒng)概述1.2 串級控制系統(tǒng)的特點1.3 主、副調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的選擇1.4 主、副調(diào)節(jié)器正、反作用方式的選擇1.5

4、串級控制系統(tǒng)的整定方法2 生產(chǎn)工藝3 儀表選型3.1 液位變送器的認識3.2 電動調(diào)節(jié)閥的認識和校驗3.3 電磁流量計的認識和校驗3.4 變頻器的認識和校驗3.5 控制屏4 系統(tǒng)結構和方框圖5 雙容水箱特性測試6 調(diào)試說明6.1 雙容水箱PID液位控制系統(tǒng)設計程序6.2 PID 整定6.3 硬件調(diào)試、6.3.1 檢查線路6.3.2 排除故障6.3.3 通電調(diào)試6.4 MATLAB軟件介紹7 系統(tǒng)操作說明事項8 小結參考文獻摘要雙容水槽是工業(yè)生產(chǎn)過程的常見被控對象，對其液位的控制通常采用模擬儀表、計算機、PLC等單回路控制，但是，隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程向著大型、連續(xù)和強化方向發(fā)展，對控制系統(tǒng)的控制

5、品質(zhì)提出了日益增長的要求，加之，現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的工藝過程日趨復雜，對控制系統(tǒng)的指標要求也越來越高。在這種情況下，傳統(tǒng)的單回路液位控制已經(jīng)難以滿足一些復雜的控制要求。因此，本文采用了西門子S7-300系列PLC結合液位傳感器實現(xiàn)雙容液位串級控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能有效克服又象的容量滯后，提高控制精度，減小系統(tǒng)超調(diào)。本文闡述了 PLC實現(xiàn)雙容液位串級控制系統(tǒng)的的工作原理，并從系統(tǒng)硬件組成、PLC工作流程、I/O 口分配、控制方式以及工控組態(tài)人機監(jiān)控界面設計等方面進行了詳細論述，具有較強的實用性關鍵詞：西門子S7-300;串級控制；液位；PID整定1串級控制概述8.1 串級控制系統(tǒng)概述圖是串級控制系統(tǒng)的方

6、框圖。 該系統(tǒng)有主、副兩個控制回路，主、副調(diào)節(jié)器相串聯(lián)工作， 其中主調(diào)節(jié)器有自己獨立的給定值 R,它的輸出m作為副調(diào)節(jié)器的給定值，副調(diào)節(jié)器的輸出 m2控制執(zhí)行器，以改變主參數(shù) G。串級控制系統(tǒng)方框圖R-主參數(shù)的給定值；G-被控的主參數(shù)；Q-副參數(shù)；fi(t)-作用在主對象上的擾動；f2(t)-作用在副對象上的擾動。8.2 串級控制系統(tǒng)的特點串級控制系統(tǒng)及其副回路對系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響已在有關課程中介紹，在此將有關結論再簡單歸納一下。1、改善了過程的動態(tài)特性;2、能及時克服進入副回路的各種二次擾動，提高了系統(tǒng)抗擾動能力；3、提高了系統(tǒng)的魯棒性；4、具有一定的自適應能力。8.3 主、副調(diào)節(jié)器控制規(guī)律

7、的選擇在串級控制系統(tǒng)中， 主、 副調(diào)節(jié)器所起的作用是不同的。 主調(diào)節(jié)器起定值控制作用，它的控制任務是使主參數(shù)等于給定值 （無余差） ， 故一般宜采用 PI 或 PID 調(diào)節(jié)器。 由于副回路是一個隨動系統(tǒng)， 它的輸出要求能快速、 準確地復現(xiàn)主調(diào)節(jié)器輸出信號的變化規(guī)律， 對副參數(shù)的動態(tài)性能和余差無特殊的要求，因而副調(diào)節(jié)器可采用 P 或 PI 調(diào)節(jié)器。8.4 主、副調(diào)節(jié)器正、反作用方式的選擇如在單回路控制系統(tǒng)設計中所述， 要使一個過程控制系統(tǒng)能正常工作， 系統(tǒng)必須采用負反饋。 對于串級控制系統(tǒng)來說， 主、 副調(diào)節(jié)器的正、 反作用方式的選擇原則是使整個系統(tǒng)構 成負反饋系統(tǒng)，即其主通道各環(huán)節(jié)放大系數(shù)極性

8、乘積必須為正值。各環(huán)節(jié)的放大系數(shù)極性是這樣規(guī)定的： 當測量值增加， 調(diào)節(jié)器的輸出也增加， 則調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)Kc為負（即正作用調(diào)節(jié)器），反之，Kc為正（即反作用調(diào)節(jié)器）；本裝置所用 氣動調(diào)節(jié)閥的放大系數(shù)Kv 恒為正；當過程的輸入增大時，即調(diào)節(jié)閥開度增大，其輸出也增大，則過程的放大系數(shù)Ko為正，反之Ko為負。8.5 串級控制系統(tǒng)的整定方法在工程實踐中，串級控制系統(tǒng)常用的整定方法有以下三種：（1） 逐步逼近法所謂逐步逼近法， 就是在主回路斷開的情況下， 按照單回路的整定方法求取副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)， 把副調(diào)節(jié)器的參數(shù)設置在所求的數(shù)值上， 然后使主回路閉合， 仍按單回路整定方法求取主調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)。

9、爾后，將主調(diào)節(jié)器參數(shù)設置在所求得的數(shù)值上，再進行整定，求取第二次副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)值， 然后再整定主調(diào)節(jié)器。依此類推， 逐步逼近， 直至滿足動態(tài)品質(zhì)指標要求為止。（2） 兩步整定法兩步整定法就是第一步整定副調(diào)節(jié)器參數(shù)，第二步整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)。整定的具體步驟為：1、在工況穩(wěn)定，主回路閉合，主、副調(diào)節(jié)器都在純比例作用條件下，主調(diào)節(jié)器的比例度置于 100% ，然后用單回路控制系統(tǒng)的衰減（如 4 ： 1）曲線法來整定副回路。記下相應的 比例度8 2S和振蕩周期T2S。2、將副調(diào)節(jié)器的比例度置于所求得的S2S值上，且把副回路作為主回路中的一個環(huán)節(jié)，用同樣方法整定主回路，求取主回路的比例度 8 1S和振蕩

10、周期Tis。3、根據(jù)求取的Sis、Tis和8 2s、T2s值，按單回路系統(tǒng)衰減曲線法的整定公式，計算主、副調(diào)節(jié)器的比例度8、積分時間和微分時間Td的數(shù)值。4、按“先副后主”， “先比例后積分最后微分”的整定程序，設置主、副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，再觀察過渡過程曲線，必要時進行適當?shù)卣{(diào)整，直到過程的動態(tài)品質(zhì)達到滿意為止。（3） 一步整定法由于兩步整定法要尋求兩個4： i 的衰減過程，這是一件很花時間的事。因而對兩步整定法做了簡化， 提出了一步整定法。 所謂一步整定法， 就是根據(jù)經(jīng)驗先確定副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，然后將副回路作為主回路的一個環(huán)節(jié)， 按單回路反饋控制系統(tǒng)的整定方法整定主調(diào)節(jié)器的參 數(shù)。具體的整定步驟為

11、：1、在工況穩(wěn)定，系統(tǒng)為純比例作用的情況下，根據(jù)K02/8 2= 0.5這一關系式，通過副回路的放大系數(shù)K02,求取副調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù)8 2或按經(jīng)驗選取，并將其設置在副調(diào)節(jié)器上。2、按照單回路控制系統(tǒng)的任一種參數(shù)整定方法來整定主調(diào)節(jié)器的參數(shù)。3、改變給定值，觀察被控制量的響應曲線。根據(jù)主調(diào)節(jié)器放大系數(shù)Ki 和副調(diào)節(jié)器放大系數(shù) K2 的匹配原理，適當調(diào)整調(diào)節(jié)器的參數(shù)，使主參數(shù)的動態(tài)品質(zhì)指標最佳。4、如果出現(xiàn)較大的振蕩現(xiàn)象，只要加大主調(diào)節(jié)器的比例度8或增大積分時間常數(shù)Ti,即可得到改善。2 生產(chǎn)工藝人們生活以及工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)常涉及到液位和流量的控制問題，例如飲料、食品加工，居民生活用水的供應， 溶

12、液過濾， 污水處理， 化工生產(chǎn)等多種行業(yè)的生產(chǎn)加工過程， 通常要使用蓄液池。蓄液池中的液位需要維持合適的高度，太滿容易溢出造成浪費，過 少則無法滿足需求。因此，需要設計合適的控制器自動調(diào)整蓄液池的進出流量，使得 蓄液池內(nèi)液位保持正常水平，以保證產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效益。這些不同背景的實際問 題都可以簡化為某種水箱的液位控制問題。因此液位是工業(yè)控制過程中一個重要的參 數(shù)。特別是在動態(tài)的狀態(tài)下，采用適合的方法對液位進行檢測、控制，能收到很好的 生產(chǎn)效果。水箱液位控制系統(tǒng)的設計應用非常長廣泛，可以把一個復雜的液位控制系 統(tǒng)簡化成一個水箱液位控制系統(tǒng)來實現(xiàn)。所以就選擇了該題目的設計。由于液位檢測 應用領域

13、的不同，性能指標和技術要求也有差異，但適用有效的測量成為共同的發(fā)展 趨勢，隨著電子技術及計算機技術的發(fā)展，液位檢測的自動控制成為其今后的發(fā)展趨 勢，控制過程的自動化處理以及監(jiān)控軟件良好的人機界面，操作人員在監(jiān)控計算機上 能根據(jù)控制效果及時修運行參數(shù)，這樣能有效地減少工人的疲勞和失誤，提高生產(chǎn)過 程的實時性、安全性。隨著計算機控制技術應用的普及、可靠性的提高及價格的下降, 液位檢測的PID控制必將得到更加廣泛的應用。3儀表選型3.1液位變送器的認識了解壓力、液位變送器的結構、 明確各部件的作用，鞏固和加深壓力、液位變送器的工作原理及其特性的理解，熟悉壓力、液位變送器的安裝及使用方法。1、液位變送

14、器的主要技術指標：測量范圍0100Kpa輸出電流4 20mA負載能力250 300 a工作電源24 (1 )V DC2、注意事項：(1)本實驗采用的壓力、 液位變送器是兩線制儀表，應串入 24伏直流電源(內(nèi)部已經(jīng) 接好)。接線時，注意電源極性。接線完畢后，應檢查接線是否正確，并請指導教師確認無 誤后，方能通電。(2)沒通電、不加壓；先卸壓、再斷電。(3)進行量程調(diào)整時，應注意調(diào)整電位器的調(diào)整方向。(4)小心操作，切勿生扳硬擰，嚴防損壞儀表。(5) 一般儀表應通電預熱 15分鐘后再進行校驗，以保證校驗的準確性。(6)如果壓力、液位變送器的安裝位置與取壓點不在一個水平位置上，應對壓力變送器進行零點

15、遷移。3、調(diào)試(1)校驗液位變送器。(2)液位變送器的零點及量程調(diào)校(1)零點調(diào)整在水箱水極少時如10mm,觀察WINCC軟件上的顯示值，如果不對，則調(diào)整調(diào)零 電位器，直至讀數(shù)正確。- mA-24V液位變送器調(diào)節(jié)器圖2-1液位變送器測試框圖(2)滿量程調(diào)整零點調(diào)好后，給水箱加水，液位增加到水箱滿刻度處。在水箱滿量程時如450mm,觀察 WINCC軟件上的顯示值，如果不對，則調(diào)整量程電位器，直至讀數(shù) 正確。(3)滿量程調(diào)整后會影響零點，因此零點、滿量程需反復多次調(diào)整。直至滿足要求為 止。4、儀表校驗記錄單1、整理實驗數(shù)據(jù)，計算被校儀表的各項誤差，確定精度等級，完成儀表校驗記錄單。表液位變送器實驗

16、數(shù)據(jù)記錄表輸入輸入信號刻度分值0%25%50%75%100%輸出輸出/勺標準值IO標/mA輸出信號實測值Io 實/mA正行程反行程實測基本誤差/%實測精度等級處理實驗數(shù)據(jù)時應注意的問題：(1)實驗前擬好實驗記錄表格，見表格 2-1。(2)實驗時一定等現(xiàn)象穩(wěn)定后再讀數(shù)、記錄。否則因滯后現(xiàn)象會給實驗結果帶來較大 的誤差。(3)誤差計算公式絕對誤差A = O實一Io標引用誤差=A4 Io上一Io下）刈?；菊`差=ax / （Io上一Io下）刈。變差=| Io正-Io 反 |max / （Io 上一Io 下）M00%Io標某點輸出信號的標準值，單位 mA。Io實某點輸出信號的實際值，單位mA。加ax

17、各校驗點絕對誤差的最大值，單位mA。Io上-Io下儀表的輸出量程，單位 mA。|Io正-Io反|max 各檢驗點正反行程實測值的最大絕對差值，單位mA。2、分析液位變送器的靜態(tài)特性，畫出液位變送器的輸入-輸出靜態(tài)特性曲線。3 .整理實驗數(shù)據(jù)計算被校儀表的各項誤差，確定精度等級，并填入儀表校驗記錄單。4 .分析液位變送器的靜態(tài)特性，畫出液位變送器的液位-輸出電流靜態(tài)特性曲線。3.2、 電動調(diào)節(jié)閥的認識一、目的（1）通過實驗，熟悉電動執(zhí)行器的結構組成，了解其工作過程。（2）通過對電動執(zhí)行器的測試和校驗，掌握執(zhí)行器的校驗方法，理解其相關特性及性 能指標含義。（3）通過對閥門定位器和執(zhí)行器的聯(lián)校，了解

18、定位器的功能。二、實驗設備：電動調(diào)節(jié)閥、流量計、水泵I、壓力變送器、電流表、調(diào)節(jié)器三、實驗指導：（一）預備知識1、電動執(zhí)行器的功能。在自動控制系統(tǒng)中，執(zhí)行器起著手腳”的作用，它接受控制器的輸出信號，改變自身開度，進而調(diào)節(jié)介質(zhì)流量的大小， 實現(xiàn)對生產(chǎn)過程中各種變量的控制。2、主要性能技術指標基本允許誤差%變差1.0%靈敏限0.1%輸入信號4 20mA（二）實驗步驟1、連接各儀器設備的線路。注意電源的極性、防止短路。2、流量特性的測試有兩種測試方法，其一手動測試。執(zhí)行器流量特性是指在閥前后壓力差不變的情況下， 介質(zhì)流過閥門的相對流量與閥芯行程的對應關系。測試方法是分別記錄閥體在不同時開度時流量計的

19、流量。分別取閥體的開度為5%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%相對應的流量。繪制開度-流量關系曲線，即可得到執(zhí)行器的流量特性。完成 2-5實驗表格。表2-5調(diào)節(jié)閥的特性測試數(shù)據(jù)記錄開度5%10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%四、實驗報告內(nèi)容一實驗基礎1、根據(jù)實驗數(shù)據(jù)記錄的結果，繪制調(diào)節(jié)閥開度-流量曲線。2、分析曲線，得出閥體的特性。3.3、 電磁流量計的認識1、通過實驗，熟悉流量計的結構組成，了解其工作過程，認識其結構形式。2、通過對流量計的測試和校驗，掌握流量計校驗方法，理解其相關特性及性能指標含 義。3、了解電磁流量

20、計的基本工作原理。二、實驗設備：電磁流量傳感器、電磁流量轉換計、調(diào)節(jié)閥、水泵I、電流表、相應的管道配件。三、實驗步驟:（一）實驗原理1、傳感器是根據(jù)法拉第電磁感應原理工作的，當導電液體沿流量管在交變磁場中作與 磁力線成垂直方向運動時， 導電液體切割磁力線產(chǎn)生感應電勢。在與測量管軸線和磁場磁力線相互垂直的管壁上安裝了一對檢測電極，將這個感應電勢檢出。若感應電勢為巳則有：E=BVD .（1）式中：B磁感應強度。D 電極間的距離，與測量管內(nèi)徑相等。V 測量管內(nèi)被測流體在截面上的平均流速。式（1）中磁場B是恒定不變值，D是一個常數(shù)，則感應電動勢 E與被測流體流速 V成 正比。通過測量管恒截面上的體積流

21、量Q與流速V之間的關系為：(.2)將（1）式帶入（2）式得:DVE4B二KE.式中：K儀表常數(shù)。由式（3）可知，當儀表常數(shù) K確定后，感應電動勢 E與流量Q成正比。E通常為流量信號，將流量信號輸入轉換計，經(jīng)過處理，輸出與流量成正比的420mADC信號，可與單元組合儀表配套，對流量進行顯示、記錄、計算、調(diào)節(jié)等。四、注意事項：1、電磁流量計為貴重儀器，接線正式投入運行之前，應嚴格檢查安裝、接線是否正確。2、將傳感器前后閥門打開，讓傳感器測量管內(nèi)沖滿被測介質(zhì)，調(diào)節(jié)閥門開度，觀察流 量的變化。3.4、 變頻器的認識和校驗一目的（1）熟悉變頻器的結構組成，了解其工作過程，認識其結構形式。（2）通過對變頻

22、器的測試和校驗，掌握流量計校驗方法，理解其相關特性及性能指標含義。（3） 了解變頻器的基本工作原理。二、實驗設備：變頻器、水泵I三、實驗步驟：1、將實驗導線正確連接（本設備已經(jīng)內(nèi)部已經(jīng)連接）。2、讓水泵I中充滿介質(zhì)。3、將變頻器開到外控狀態(tài)，通電預熱15分鐘。4、打開水泵I ,改變變頻器的頻率，分別記錄變頻器顯示頻率數(shù)據(jù)。完成表格2-7,畫出壓力-頻率曲線圖。表2-7壓力-頻率線性測試壓力(mA)4618 0121146-802頻率（Hz）5、觀察曲線可看出變頻器控制水壓的工作情況。6、變頻器內(nèi)部參數(shù)大部分都和變頻器說明書一樣，只有一小部分改動， 改動參數(shù)如下。P1000P700=1=1調(diào)節(jié)變

23、頻器頻率設定用按鈕，改變頻率的大小。按下STOP鍵變頻器停止工作。具體請事項請參見變頻器使用手冊。四、實驗完成：根據(jù)實驗完成表2-7壓力-頻率線性測試，判斷變頻器工作的線性情況。3.5控制屏SA-01電源控制屏面板：圖2.1為電源控制屏示意圖。 合上總電源空氣開關及鑰匙開關， 此時三只電壓表均指示 380V左右，定時器兼報警記錄儀數(shù)顯亮，停止按鈕燈亮。此時打開 照明開關、變頻器開關及24V開關電源即可提供照明燈，變頻器和24V電。按下啟動按鈕,停止按鈕燈熄，啟動按鈕燈亮，此時合上三相電源、單相I、單相H、單相比空氣開關即可 提供相應電源輸出，作為其他設備的供電電源。SA-11交流變頻控制掛件采

24、用日本三菱公司的FR-S520S-0.4K-CH(R)型變頻器，控制信號輸入為420mADC或05VDC ,交流220V變頻輸出用來驅(qū)動三相磁力驅(qū)動泵4系統(tǒng)結構圖和方框圖串級控制系統(tǒng)結構圖串級控制結構圖5雙容水箱特性測試一、實驗目的1 .熟悉雙容水箱的數(shù)學模型及其階躍響應曲線。2 .根據(jù)由實測雙容液位的階躍響應曲線，確定其傳遞函數(shù)。二、實驗設備1 . FCS型高級過程控制系統(tǒng)實驗裝置。2 .計算機及相關軟件。三、原理說明雙容水箱對象特性測試系統(tǒng)原理圖如圖2-8手帶曲卜麗而上所示。(a)結構圖(b)方框圖圖2-8雙容水箱對象特性測試系統(tǒng)由圖2-8可知，被測對象由兩個水箱相串聯(lián)組成，故稱其為雙容對

25、象。自衡是指對象在 擾動作用下，其平衡位置被破壞后，不需要操作人員干預，依靠其自身重新恢復平衡的過程。 根據(jù)本章第一節(jié)單容水箱特性測試的原理，可知雙容水箱的數(shù)學模型是兩個單容水箱數(shù)學模型的乘積，即雙容水箱的數(shù)學模型可用一個二階慣性環(huán)節(jié)來描述：kik2KG(s)=G1(s)G2(s尸 百 十 二(TiS 1)(T2s 1)(2-7)式中K=k1k2,為雙容水箱的放大系數(shù)，T1、T2分別為兩個水箱的時間常數(shù)。液位變化曲線如圖 2-9所示。由圖2-9可見，上水箱液位的響應曲線為一單調(diào)上升的指數(shù)函數(shù)(圖2-9 (a);而中水箱液位的響應曲線則呈S形曲線(圖2-9 (b),即中水箱液位的響應(a)上水箱

26、液位有滯后，其滯后的時間與閥F1-10和F1-11的開度大小密切相關。(b)中水箱液位2-10所示的階躍響應曲圖2-9雙容水箱液位的階躍響應曲線雙容對象兩個慣性環(huán)節(jié)的時間常數(shù)可按下述方法來確定。在圖線上求取:h2(t) |t=t1=0.4 h2(oo)時曲線上的點 B和對應的時間t1；(2) h2(t)%t2=0.8 h2( 8)時曲線上的點 C和對應的時間t2。hl(t)h2 ()Q. 8HJ ()圖2-10雙容水箱液位的階躍響應曲線然后，利用下面的近似公式計算式h2(：)K -XO輸入穩(wěn)態(tài)值階躍輸入量(2-8)Ti T2(2-9)t1t2X2. 1 6T1T22(Ti T2)一 ti c

27、、：(1.740.55)(2-10)t20.32t1/t20.46由上述兩式中解出 T1和T2,于是得到如式（2-7）所示的傳遞函數(shù)。在改變相應的閥門開度后，對象可能會出現(xiàn)滯后特性，這時可由S形曲線白拐點P處作一切線，它與時間軸的交點為 A, OA對應的時間即為對象響應的滯后時間 丁。于是得到 雙容滯后（二階滯后）對象的傳遞函數(shù)為：KG(S)=(T1S+1)(T2S+1) e(2-11)四、實驗控制系統(tǒng)流程圖本實驗控制系統(tǒng)的流程圖如圖2-11所示?？刂葡到y(tǒng)流程圖圖2-11實驗控制系統(tǒng)的流程圖中水箱液位檢測信號 LT2為標準的模擬信號，直接傳送到SIEMENS的模擬量輸入模塊SM331 , SM

28、331和分布式I/O模塊ET200M 直接相連，ET200M掛接到PROFIBUS-DP總線 上，PROFIBUS-DP 總線上掛接有控制器 CPU315-2 DP （CPU315-2 DP 為 PROFIBUS-DP 總線上的DP主站），這樣就完成了現(xiàn)場測量信號到CPU的傳送。本實驗的執(zhí)行機構為帶 PROFIBUS-PA通訊接口的閥門定位器，掛接在 PROFIBUS-PA 總線上，PROFIBUS-PA總線通過 LINK和COUPLER組成的DP鏈路與PROFIBUS-DP總 線交換數(shù)據(jù)，PROFIBUS-DP總線上掛接有控制器 CPU315-2 DP ,這樣控制器 CPU315-2 DP

29、發(fā)出的控制信號就經(jīng)由 PROFIBUS-DP總線到達PROFIBUS-PA總線來控制執(zhí)行機構閥門定 位器。五、實驗內(nèi)容與步驟本實驗選擇中水箱作為凝?對象股晶慵講弄魅泮軍瓶之前先將儲水箱中貯足水量,項,6.0態(tài),然后甲埒進水閥門全開,II口控1、勺PC機，點擊“開始2、菜單中的C資源膏理器，打開組態(tài)好的上接L進入WI3、將上水箱出友閥門和中高出樂麗至適當開度,IffiMo _箍臺的一相夫電源，并啟動磁力驅(qū)動泵和I.D亞，進入的實驗I主界面如本實驗指導鼠標左鍵苴擊實驗項其余SIMATICLCENTER目11 “二階雙睿水箱對2-書看三耳示。|象特（驗I號系麒常的測試狀圖2-12實驗界面在實驗界面的

30、左邊是實驗流程圖，右邊是參數(shù)整定，下面一排六個切換鍵的功能同實驗指導第二章第一節(jié)所描述的功能相同。4.在上位機實驗界面窗口給定閥門開度值（既可拉動輸出值旁邊的滾動條，也可直接 在輸出值顯示框中輸入閥門開度值），使輸出值設置為一個合適的值（一般為最大值的4070%,不宜過大，以免水箱中水溢出），經(jīng)過一段時間后，水箱的液位處于某一平衡位置。5、液位平衡后，突增（或突減）輸出值的大小，使其輸出有一個正（或負）階躍增量 的變化（即階躍干擾，此增量不宜過大，以免水箱中水溢出），于是水箱的液位便離開原平記錄下此時的輸出值和液位值，液衡狀態(tài)，經(jīng)過一段時間后，水箱液位進入新的平衡狀態(tài),位的響應過程曲線將如圖

31、2-13所示。h(t)f正階跣圖2-13雙容水箱液位階躍響應曲線6、點擊實驗界面下邊的按鈕，可切換到實時曲線、歷史曲線和數(shù)據(jù)報表。7、根據(jù)實驗所得的曲線報表和記錄的數(shù)據(jù)，按公式(2-8)計算K值，再卞據(jù)圖2-10中的實驗曲線求得 T1、T2值，寫出對象的傳遞函數(shù)。6調(diào)試說明6.1 雙容水箱PID液位控制系統(tǒng)設計程序清設定值、測量值和輸出值顯示單元MO.O6.2 PID整定、實驗目的1、通過實驗進一步了解雙容水箱液位的特性。2、掌握雙容水箱液位控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定與投運方法。3、分析P、I、D三個參數(shù)分別對液位系統(tǒng)的控制作用。4、理解雙容液位定值控制系統(tǒng)采用FCS控制方案的實現(xiàn)過程。二、實驗

32、設備（同前）三、實驗原理本實驗以上水箱與中水箱串聯(lián)作為被控對象，中水箱的液位高度為系統(tǒng)的被控制量。要求中水箱液位穩(wěn)定至給定量，將壓力傳感器LT2檢測到的中水箱液位信號作為反饋信號，在與給定量比較后的差值通過調(diào)節(jié)器控制調(diào)節(jié)閥的開度，以達到控制中水箱液位的目的。為了實現(xiàn)系統(tǒng)在階躍給定和階躍擾動作用下的無靜差控制，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器應為PI或PID控制。調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定可采用本章第一節(jié)所述任意一種整定方法。本實驗系統(tǒng)結構圖和方框圖如圖3-10所示。圖3-10雙容液位定值控制系統(tǒng)6（a）結構圖（b）方框圖四、實驗控制系統(tǒng)流程圖本實驗現(xiàn)場檢測信號和控制信號在網(wǎng)絡中的傳輸路徑以及控制系統(tǒng)流程圖與本實驗指導書第二

33、章第二節(jié)中所描述的相同。五、實驗內(nèi)容與步驟本實驗選擇上水箱和中水箱串聯(lián)作為雙容對象（也可選擇中水箱和下水箱）。實驗之前先將儲水箱中貯足水量，然后將上水箱主回路進水閥門全開，將上水箱出水閥門開至適當開度，中水箱閥門開至適當開度，下水箱出水閥門全開，其余閥門均關閉。然后接通控制系統(tǒng)電源，打開用作上位監(jiān)控的的PC機，進入實驗界面的操作和所打開的實驗主界面與本實驗指導書第二章第一節(jié)中所描述的相同。在實驗主界面中選擇本實驗項即“串接雙容水箱液位 PID整定實驗”，系統(tǒng)進入正常的測試狀態(tài)， 呈現(xiàn)的實驗界面如圖 3-11 所示。圖3-11實驗界面具體實驗內(nèi)容與步驟可根據(jù)本實驗的目的與原理并參照實驗指導書第三

34、章第二節(jié)“上水箱液位PID整定實驗”中的相應步驟進行。6.3 硬件調(diào)試、6.3.1 檢查線路安裝好控制柜后， 要再檢查電器件有無損壞， 還要檢查接線端有無少接、 漏接導線。要使用萬用表檢查整個電路有無短路、 開路等故障。 可把所有的開關和閘刀閉合， 直接在電源進線端測量是否有短路情況。 使用萬用表的歐姆檔時， 要注意認真進行歐姆檔調(diào)零。應檢查接線正確無誤， 并盡可能檢測電路的功能是否正確。 要充分利用萬用表的歐姆檔的功能，結合原理圖的特點檢測電路的部分功能。對于接觸器和控制繼電器， 應在主觸點不帶電的情況下， 先使吸引線圈通電分合數(shù)次，檢查其動作是否可靠、無誤，然后才能投入使用。 對保護用繼電

35、器，如過電流繼電器及熱繼電器， 應再次檢查其整定電流是否符合要求， 必須在符合要求后才能投入使用， 以保證其保護性能。要重點保證貴重的電器件的接線正確，特別是PLC和變頻器須保證連接的是單相電。6.3.2 排除故障發(fā)現(xiàn)故障，需分析原理圖的特點，確定故障所在位置，再利用萬用表的歐姆檔查找。通電調(diào)試情況下發(fā)現(xiàn)故障，則根據(jù)現(xiàn)象判別故障所在位置，可使用靜態(tài)的歐姆檔法，或電壓法、替換法、直接法等確認故障點。每次修改電路后， 都須再檢查電路有無短路、 開路等故障， 并盡可能檢測電路的功能后，才允許通電。6.3.3 通電調(diào)試通電前還須確認電源的相線和零線，電源線連接時要正確無誤。按照調(diào)試要求進行單項和綜合的

36、模擬調(diào)試。調(diào)試過程中須注意安全。 操作開關和按鈕時， 不得觸碰電器裸露可能帶電的金屬部分。且須在指導教師的監(jiān)護下進行。調(diào)試成功后，還須把控制程序的某些參數(shù)更改回正常值。如PLC程序的定時器時間，變頻器的缺相自動檢測功能。6.4 MATLAB 軟件MATLA歆件是由美國 MathWorks公司開發(fā)的，是目前國際上最流行、應用最廣泛的科 學與工程計算軟件，它廣泛應用于自動控制、數(shù)學運算、信號分析、計算機技術、圖形圖象 處理、 語音處理、汽車工業(yè)、生物醫(yī)學工程和航天工業(yè)等各行各業(yè)，也是國內(nèi)外高校和研究 部門進行許多科學研究的重要工具。MATLA撮早發(fā)行于1984年，經(jīng)過10余年的不斷改進，現(xiàn)今已推出

37、基于Windows2000/xp 的 MATLAB 7.0版本。新的版本集中了日常數(shù)學處理中的各種功能，包括高效的數(shù) 值計算、矩陣運算、信號處理和圖形生成等功能。在MATLA邸境下，用戶可以集成地進行程序設計、數(shù)值計算、圖形繪制、輸入輸出、文件管理等各項操作。MATLAB提供了一個人機交互的數(shù)學系統(tǒng)環(huán)境， 該系統(tǒng)的基本數(shù)據(jù)結構是復數(shù)矩陣， 在生成矩陣對象時， 不要求作 明確的維數(shù)說明，使得工程應用變得更加快捷和便利。MATLAB(統(tǒng)由五個主要部分組成：(1)MATALB語言體系 MATLAB是高層次的矩陣/數(shù)組語言.具有條件控制、函數(shù)調(diào)用、 數(shù)據(jù)結構、 輸入輸出、面向?qū)ο蟮瘸绦蛘Z言特性。 利用

38、它既可以進行小規(guī)模編程， 完成算法 設計和算法實驗的基本任務，也可以進行大規(guī)模編程，開發(fā)復雜的應用程序。(2)MATLAB工作環(huán)境這是對MATLABt供給用戶使用的管理功能的總稱.包括管理工作空間中的變量據(jù)輸入輸出的方式和方法，以及開發(fā)、調(diào)試、管理M文件的各種工具。(3)圖形圖像系統(tǒng)這是MATLA圖形系統(tǒng)的基礎，包括完成 2D和3D數(shù)據(jù)圖示、圖像處理、動畫生成、圖形顯示等功能的高層MATLA瑜令，也包括用戶對圖形圖像等對象進行特性控制的低層MATLA瑜令，以及開發(fā)GUI應用程序的各種工具。(4)MATLAB數(shù)學函數(shù)庫 這是對MATLAB1用的各種數(shù)學算法的總稱.包括各種初等函 數(shù)的算法，也包括

39、矩陣運算、矩陣分析等高層次數(shù)學算法。(5)MATLAB應用程序接口 (API)這是MATLA劃用戶提供的一個函數(shù)庫，使得用戶能夠 在MATLA廊境中使用c程序或FORTRAN序，包括從MATLAB調(diào)用于程序(動態(tài)鏈接)，讀 寫MAT文件的功能。MATLA電具有根強的功能擴展能力，與它的主系統(tǒng)一起，可以配備各種各樣的工具箱， 以完成一些特定的任務。MATLAEM有豐富的可用于控制系統(tǒng)分析和設計的函數(shù)，MATLAB勺控制系統(tǒng)工具箱(Control System Toolbox) 提供對線性系統(tǒng)分析、設計和建模的各種算法；MATLAB勺系統(tǒng)辨識工具箱(System Identification To

40、olbox )可以對控制對象的未知對象 進行辨識和建模。MATLAB勺仿真工具箱(Simulink )提供了交互式操作的動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真、 分析集成環(huán)境。它用結構框圖代替程序智能化地建立和運行仿真，適應線性、非線性 系統(tǒng)；連續(xù)、離散及混合系統(tǒng)；單任務，多任務離散事件系統(tǒng)。7 系統(tǒng)操作說明及注意事項一 軟件介紹西門子 S7 系列 PLC 編程軟件：本裝置中 PLC 控制方案采用了德國西門子公司的 S7-300PLC ，而西門子S7-300PLC 采用的是 Step 7 編程軟件。利用這個軟件可以對相應的PLC 進行編程、調(diào)試、下裝、診斷。西門子 WinCC 監(jiān)控組態(tài)軟件： S7-300PLC

41、控制方案采用 WinCC 軟件作為上位機監(jiān)控組態(tài)軟件， WinCC 是結合西門子在過程自動化領域中的先進技術和 Microsoft 的強大功能的產(chǎn)物。作為一個國際先進的人機界面(HMI) 軟件和 SCADA 系統(tǒng)， WinCC 提供了適用于工業(yè)的圖形顯示、消息、歸檔以及報表的功能模板；并具有高性能的過程耦合、快速的畫面更新、以及可靠的數(shù)據(jù)； WinCC 還為用戶解決方案提供了開放的界面， 使得將 WinCC 集成入復雜、廣泛的自動化項目成為可能。STEP7 V5.4 編程軟件介紹：1、 STEP 7 簡介STEP 7是用于 SIMA TIC S7-300/400 站創(chuàng)建可編程邏輯控制程序的標準

42、軟件， 可使用梯形邏輯圖、功能塊圖和語句表。它是SIEMENS SIMATIC 工業(yè)軟件的組成部分。 STEP 7 以其強大的功能和靈活的編程方式廣泛應用于工業(yè)控制系統(tǒng)，總體說來，它有如下功能特性：可通過選擇 SIMATIC 工業(yè)軟件中的軟件產(chǎn)品進行擴展為功能摸板和通訊處理器賦參數(shù)值強制和多處理器模式全局數(shù)據(jù)通訊使用通訊功能塊的事件驅(qū)動數(shù)據(jù)傳送組態(tài)連接2、 STEP 7 的安裝包含五種語言的 STEP 7 V5.5 版本能夠在以下操作系統(tǒng)上運行：1、如果操作系統(tǒng)是MS Windows 2000 Professional ，則 MS Windows 2000 Professional至少應該是S

43、P1 以上的版本。2、 MS Windows XP Professional ，推薦使用 MS Windows XP Professional SP2 以上。MS Windows XP 家庭版操作系統(tǒng)不支持STEP 7 V5.5 。將 STEP 7 CD 放入 PC 機的 CD-ROM 驅(qū)動器，安裝程序?qū)⒆詣訂樱鶕?jù)安裝程序界面的提示即可安裝完畢。如果安裝程序沒有自動啟動，可在CD-ROM 的以下路徑中找到安裝程序驅(qū)動器 ： /Step 7/Disk1/setup.exe.一旦安裝完成并已重新啟動計算機,疆一5lh4ATIEHaraqei 器）”的圖標將顯不在 WindOWS桌面 上。三、S

44、TEP 7的硬件配置和程序結構一般來說，要在 STEP 7中完成一個完整自 動控制項目的下位機程序設計，要經(jīng)過設計自動化 任務解決方案、生成項目、組態(tài)硬件，生成程序、 傳送程序到CPU并調(diào)試等步驟，其結構流程圖如圖 1-3所示。SIMATIC Manager(SIMATIC 管理選擇卜擇2圖1-3程序設計結構流程圖從其流程圖來看，設計自動化任務解決方案是首要的， 它是根據(jù)實際項目的要求進行設 計，本實驗指導書對此不做過多地闡述。在生成項目和傳送程序到 CPU并調(diào)試步驟之間， 有先組態(tài)硬件后生成程序和先生成程序后組態(tài)硬件兩種方案可供選擇， 兩種方案本質(zhì)都是一 樣的，設計者可根據(jù)具體情況和自己的習

45、慣來選擇其中一種。 下面，我們就選擇第一種方案, 從生成項目開始，逐步介紹如何完成一個自動化控制項目的下位機程序設計。（一）生成項目1、雙擊桌面上的“ SIMA TIC Manager圖標，則會啟動 STEP 7管理器及STEP 7新項目創(chuàng)建向?qū)鐖D1-4所示。圖1-4 STEP 7新項目創(chuàng)建向?qū)?、按照向?qū)Ы缑嫣崾?，點擊“ NEXT”，選擇好CUP型號，本示例選擇的 CPU型號為 CPU315-2DP,設置CPU的MPI地址為2,點擊“ NEXT”，在出現(xiàn)的界面中選擇好你所熟 悉的編程語言（有梯形圖、編程指令、流程圖等可供選擇），點擊“ FINISH”，項目生成完畢，啟動后STEP 7管理器

46、界面如圖1-5所示。圖1-5 STEP 7管理器界面（二）組態(tài)硬件硬件組態(tài)的主要工作是把控制系統(tǒng)的硬件在STEP 7管理器中進行相應地配置，并在配置時對模塊的參數(shù)進行設定。1、鼠標左鍵單擊 STEP 7管理器左邊窗口中的“ SIMATIC 300 Station ”項，則右邊窗口中會出現(xiàn)Hardware和CPU315-2DP（1）”兩個圖標，雙擊圖標Hardware,打開硬件配置窗口如圖1-6所示。曝 HW Uonfi口 - SIEATIU 口“n 5tmtinn fUnnfiqurjiHcjn; - . 同 EQAq Station Edt Insert PLC Viaw Options W

47、indow Help 里2d口 I*并尸畫昌I 電|四| 而I喻11面兇固巖田：甲甲申申.田Erofi ptwdardFEJ0FTEU5 DF FECIFTBUS-FA 5IMATIC 300 SIMATIC 400SIMATIC FC Ba=ad Coittrol 300/ 工MOTILE： FIE Station相I g 儂ModuleZ 司 CFIf315-2Ir (1 JPress Fl to get Help,FEPFTEUS-DFfqrSIMATIC ST, MT,皿& Cl (di sLr i but cd. r ack J圖1-6 硬件配置窗口2、整個硬件配置窗口分為四部分，左

48、上方為為模塊機架，左下方為機架上模塊的詳細 內(nèi)容，右上方是硬件列表，右下方是硬件列表中具體某個模塊的功能說明和訂貨號。3、要配置一個新模塊，首先要確定模塊放置在機架上的什么地方，再在硬件列表中找 到相對應的模塊，雙擊模塊或者按住鼠標左鍵拖動模塊到安放位置，放好后，會自動彈出模塊屬性對話框，設置好模塊的地址和其他參數(shù)即可。4、按照上面的步驟，逐一按照實際硬件排放順序配置好所有的模塊，編譯通過后，保 存所配置的硬件。5、點擊“開始 設置控制面板”鼠標左鍵雙擊控制面板中的“Set PG/PC Interface圖標; 選擇好你的PC機和CPU的通訊接口部件后點擊“ OK”按鈕退出。6、把控制系統(tǒng)的電

49、源打開，把 CPU置于STOP或者RUN-P狀態(tài)，回到硬件配置窗口， 點擊圖標，下載配置好的硬魚件到CPU中，把CPU置于RUN狀態(tài)（如果下載程序時CPU置于RUN-P狀態(tài)，則可省略這一步），如果CPU的SF燈不亮，亮的只有綠燈，表明 硬件配置正確。7、如果CPU的SF燈亮，則表明配置出錯，點擊硬件配置窗口中圖標，則配置錯的模 生塊將有紅色標記，反復修改出錯模塊參數(shù)，保存并下載到CPU,直到CPU的SF燈不亮，亮的只有綠燈為止。（三）程序結構配置好硬件之后，回到 STEP 7管理器界面窗口，鼠標左鍵單擊窗口左邊的“ Block選 項，則右邊窗口中會出現(xiàn)“ OB1”圖標，“OB1”是系統(tǒng)的主程序

50、循環(huán)塊， “OB1”里面可以 寫程序，也可以不寫程序，根據(jù)需要確定。 STEP 7中有很多功能各異的塊，分別描述如下：1、組織塊（Oganization Block,簡稱OB）。組織塊是操作系統(tǒng)和用戶程序間的接口，它 被操作系統(tǒng)調(diào)用。組織塊控制程序執(zhí)行的循環(huán)和中斷、PLC的啟動、發(fā)送錯誤報告等。你可以通過在組織塊里編程來控制 CPU的動作。2、功能函數(shù)塊（Function Block,簡稱FB）。功能函數(shù)塊為 STEP 7系統(tǒng)函數(shù)，每一個功 能函數(shù)塊完成一種特定的功能，你可以根據(jù)實際需要調(diào)用不同的功能函數(shù)塊。3、函數(shù)（Function,簡稱FC）。函數(shù)是為了滿足用戶一種特定的功能需求而由用戶自

51、己編寫的子程序，函數(shù)編寫好之后，用戶可對它進行調(diào)用。4、數(shù)據(jù)塊（Data Block,簡稱DB）。數(shù)據(jù)塊是用戶為了對系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行存儲而開辟的數(shù) 據(jù)存儲區(qū)域。5、數(shù)據(jù)類型（Data Type,簡稱UDT）。它是用戶用來對系統(tǒng)數(shù)據(jù)定義類型的功能模塊。6、變量標簽（Variable Table,簡稱VAT）。用戶可以在變量標簽中加入系統(tǒng)變量，并對 這些變量加上用戶易懂的注釋，方便用戶編寫程序或進行變量監(jiān)視。如果你要加入某種塊，可在右邊窗口（即出現(xiàn)“ OB1”的窗口）空白處單擊鼠標右鍵選 擇Insert New Object選項，在其下拉菜單中鼠標左鍵單擊你所要的塊即可。添加好了你所要的塊之后就是程序

52、編寫了，鼠標左鍵雙擊你所要編寫程序的塊即可編寫程序了（編寫程序的指令和語法可參考SIEMENS A&D 網(wǎng)站上的S7-300 CPU 31xc指令表一書）。程序?qū)懞貌⒕幾g通過之后點擊STEP 7管理器界面窗口中的圖標， 下 胤 載到CPU中，把CPU置于RUN狀態(tài)即可運行程序。上位機組態(tài)軟件介紹：一、WINCC 概述WINCC指的是 Windows Control Center ,它是在生產(chǎn)和過程自動化中解決可視化和控制任務的監(jiān)控系統(tǒng)，它提供了適用于工業(yè)的圖形顯示、消息、歸檔以及報表的功能模板。高性能的功能耦合、快速的畫面更新以及可靠的數(shù)據(jù)交換使其具有高度的實用性。WINCC 是基于 Windows NT 32位操作系統(tǒng)的，在 Windows NT或 Windows XP標準環(huán) 境中，WINCC具有控制自動化過程的強大功能，它是基于個人計算機，同時具有極