基于PLC水箱液位控制系統(tǒng)

1、本科畢業(yè)論文 基于PLC的液位控制系統(tǒng)設計考生姓名： 準考證號： 專業(yè)層次：工業(yè)自動化(本)院 （系）：電子信息工程學院指導教師： 職 稱： 二OO 年十月摘要本次畢業(yè)設計的課題是基于PLC的液位控制系統(tǒng)的設計。在設計中，筆者主要負責的是數學模型的建立和控制算法的設計，因此在論文中設計用到的PID算法提到得較多，PLC方面的知識較少。本文的主要內容包括：PLC的產生和定義、過程控制的發(fā)展、水箱的特性確定與實驗曲線分析， FX2系列可編程控制器的硬件掌握，PID參數的整定及各個參數的控制性能的比較，應用PID控制算法所得到的實驗曲線分析，整個系統(tǒng)各個部分的介紹和講解PLC的過程控制指令PID指令

2、來控制水箱水位。關鍵詞：FX2系列PLC，控制對象特性，PID控制算法，擴充臨界比例法，PID指令，實驗。The liquid level control system based on PLCABSTRACTThe subject of graduation design is based on PLC, liquid level control system design. In the design, the author is mainly responsible for the mathematical model and control algorithm design, so t

3、he design used in the paper referred to was more PID algorithm, PLC in less knowledge. Main contents of this article: PLC creation and definition, process control, development, and water tanks and experiment to determine the characteristics curve analysis, FX2 series PLC hardware control, PID tuning

4、 parameters and various parameters of the control performance comparison, the application PID control algorithm obtained experimental curve analysis, the entire system, introduce and explain the various parts of the PLC process control commands to control the tank level PID instruction.Keywords：FX2

5、series PLC, the control object characteristics, PID control algorithm, to expand the critical proportion method, PID instruction, experimental.目 錄中文摘要I英文摘要II1 緒論11.1 PLC的產生、定義及現狀1PLC的產生、定義1PLC的發(fā)展現狀11.2過程控制的發(fā)展21.3本文研究的目的、主要內容3本文研究的目的、意義3本文研究的主要內容32 FX2系列PLC和控制對象介紹52.1 三菱PLC控制系統(tǒng)5 CPU模塊5 I/O模塊6電源模塊62.2

6、 過程建模62.2.1 一階單容上水箱對象特性62.2.2 二階雙容下水箱對象特性113 PID調節(jié)及串級控制系統(tǒng)153.1 PID調節(jié)的各個環(huán)節(jié)及其調節(jié)過程15比例控制及其調節(jié)過程16比例積分調節(jié)16比例積分微分調節(jié)173.2 串級控制18串級控制系統(tǒng)的結構18串級控制系統(tǒng)的特點19串級控制系統(tǒng)的設計193.3 擴充臨界比例度法213.4 三菱FX2系列PLC中PID指令的使用223.5在PLC中的PID控制的編程23回路的輸入輸出變量的轉換和標準化233.6變量的范圍254 控制方案設計274.1 系統(tǒng)設計27上水箱液位的自動調節(jié)27上水箱下水箱液位串級控制系統(tǒng)294.2 硬件設計29檢測

7、單元29控制單元304.3軟件設計315 運行325.1 上水箱液位比例調節(jié)325.2 上水箱液位比例積分調節(jié)325.3 上水箱液位比例積分微分調節(jié)32致 謝35參考文獻36論文原創(chuàng)性聲明1 緒論1.1 PLC的產生、定義及現狀1.1.1PLC的產生、定義一、可編程控制器的產生20世紀60年代，在世界技術改造的沖擊下，要求尋找一種比繼電器更可靠、功能更齊全、響應速度更快的新型工業(yè)控制器。1968年，美國最大的汽車制造商通用汽車公司從用戶角度提出了新一代控制器應具備的十大條件后，立即引起了開發(fā)熱潮。二、可編程控制器的定義國際工委員會（IEC）曾于1982年11月頒布了可編程控制器標準草案第一稿，

8、1985年1月又發(fā)表了第二稿，1987年2月頒布了第三稿。該草案中對可編程控制器的定義是“可編程控制器是一種數字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計。它采用了可編程的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術計算等面向用戶的指令，并通過數字量和模擬量的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P外圍設備，都按易于與工業(yè)系統(tǒng)聯成一個整體、易于擴充其功能的原則設計。1.1.2PLC的發(fā)展現狀20世紀70年代中末期，可編程控制器進入實用化發(fā)展階段，計算機技術已全面引入可編程控制器中，使其功能發(fā)生了飛躍。更高的運算速度、超小型體積、更可靠的工業(yè)抗干擾設

9、計、模擬量運算、PID功能及極高的性價比奠定了它在現代工業(yè)中的地位。20世紀80年代初，可編程控制器在先進工業(yè)國家中已獲得廣泛應用。這個時期可編程控制器發(fā)展的特點是大規(guī)模、高速度、高性能、產品系列化。這個階段的另一個特點是世界上生產可編程控制器的國家日益增多，產量日益上升。這標志著可編程控制器已步入成熟階段。 上世紀80年代至90年代中期，是PLC發(fā)展最快的時期，年增長率一直保持為3040%。在這時期，PLC在處理模擬量能力、數字運算能力、人機接口能力和網絡能力得到大幅度提高，PLC逐漸進入過程控制領域，在某些應用上取代了在過程控制領域處于統(tǒng)治地位的DCS系統(tǒng)。 20世紀末期，可編程控制器的發(fā)

10、展特點是更加適應于現代工業(yè)的需要。從控制規(guī)模上來說，這個時期發(fā)展了大型機和超小型機；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、轉速、位移等各式各樣的控制場合；從產品的配套能力來說，生產了各種人機界面單元、通信單元，使應用可編程控制器的工業(yè)控制設備的配套更加容易。目前，可編程控制器在機械制造、石油化工、冶金鋼鐵、汽車、輕工業(yè)等領域的應用都得到了長足的發(fā)展。 我國可編程控制器的引進、應用、研制、生產是伴隨著改革開放開始的。最初是在引進設備中大量使用了可編程控制器。接下來在各種企業(yè)的生產設備及產品中不斷擴大了PLC的應用。目前，我國自己已可以生產中小型可編程控制器。上海東屋電氣

11、有限公司生產的CF系列、杭州機床電器廠生產的DKK及D系列、大連組合機床研究所生產的S系列、蘇州電子計算機廠生產的YZ系列等多種產品已具備了一定的規(guī)模并在工業(yè)產品中獲得了應用。此外，無錫華光公司、上海鄉(xiāng)島公司等中外合資企業(yè)也是我國比較著名的PLC生產廠家?？梢灶A期，隨著我國現代化進程的深入，PLC在我國將有更廣闊的應用天地。 1.2過程控制的發(fā)展進入90年代以來，自動化技術發(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。過程控制是自動化技術的重要組成部分。在現代工業(yè)生產自動化中，過程控制技術正在為實現各種最優(yōu)的技術經濟指標、提高經濟效益和勞動生產率、節(jié)約能源、改善勞動條件、保護環(huán)境衛(wèi)

12、生等方面起著越來越大的作用。在本世紀40年代前后，工業(yè)生產大多處于手工操作的狀態(tài)，人們主要是憑經驗用人工去控制生產過程。生產過程中的噶參數靠人工觀察，生產過程的操作也靠人工去執(zhí)行。因此，當時的勞動效率是很低的。40年代以后，生產自動化發(fā)展很快。尤其是近年來，過程控制技術發(fā)展更為迅速。縱觀過程控制的發(fā)展歷史，大致經歷了下述幾個階段：50年代前后，過程控制開始得到發(fā)展。一些工廠企業(yè)實現了儀表化和局部自動化。這是過程控制發(fā)展的第一階段。這階段主要的特點：檢測和控制儀表普遍采用基地式儀表和部分組合儀表；過程控制結構大多數是單輸入單輸出系統(tǒng)；被控制參數主要是溫度、壓力、流量、液位四種參數；控制目的是保持

13、這些參數的穩(wěn)定，消除或減少對生產過程的主要擾動。在60年代，隨著工業(yè)生產的不斷發(fā)展，對過程控制提出了新的要求；隨著電子技術的迅速發(fā)展也為自動化技術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，有出現了組合儀表，它將各個單元劃分為更小的功能塊，以適應比較復雜的模擬和邏輯規(guī)律相結合的控制系統(tǒng)的需要。70年代以來，隨著現代工業(yè)生產的迅猛發(fā)展，儀表與硬件的開發(fā)，微型機算計的開發(fā)應用，使生產過程自動化的發(fā)展達到了一個新的水平。對全工廠或整個工藝流程的集中控制、應用計算機系統(tǒng)進行多參數綜合控制，或者用多臺計算機對生產過程進行控制和經

14、營管理，是這一階段的主要特征。過程控制發(fā)展到現代過程控制的新階段，這是過程控制發(fā)展的第三階段。在新型的自動化技術工具方面，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據處理的應用日益廣泛；在模擬式調節(jié)儀表方面，不僅型儀表產品品種增加，可靠性提高，而且是本質安全防爆，適應了各種復雜控制系統(tǒng)的要求。1.3本文研究的目的、主要內容1.3.1本文研究的目的、意義為了解決人工控制的控制準度低、控制速度慢、靈敏度低等一系列問題。從而我們現在就引入了工業(yè)生產的自動化控制。在自動化控制的工業(yè)生產過程中，一個很重要的控制參數就是液位。一個系統(tǒng)的液位是否穩(wěn)定，直接影響到了

15、工業(yè)生產的安全與否、生產效率的高低、能源是否能夠得到合理的利用等一系列重要的問題。隨著現在工業(yè)控制的要求越來越高，一般的自動化控制已經也不能夠滿足工業(yè)生產控制的需求，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。液位控制系統(tǒng)它使我們的生活、生產都帶來了不可想象的變化。它使在控制中更加的安全，節(jié)約了更多的勞動力，更多的時間。在我國隨著社會的發(fā)展，很早就實行了自動控制。而在我國液位控制系統(tǒng)也利用得相當的廣泛，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

16、，給我們人民帶來生命危險和財產損失。1.3.2本文研究的主要內容一、一個系統(tǒng)是否能達到預期的控制效果，其系統(tǒng)的數學模型相當的重要，直接關系到控制結果的正確與否。二、在液位控制系統(tǒng)中，調節(jié)閥是否與所控制的液體發(fā)生化學反應等，直接的影響到控制結果。三、控制方案的選取，一個好的方案會讓系統(tǒng)更加完美，所以方案的選取也非常重要。四、調節(jié)器參數的整定，一個系統(tǒng)有了好的方案，但是如果參數整定錯誤那也是功虧一簣。2 FX2系列PLC和控制對象介紹 1 三菱PLC控制系統(tǒng)FX2系列PLC是三菱電機公司1991年繼F、F1、F2系列之后推出的產品，是目前運行速度最快的小型PLC之一。下面我們以小型FX2

17、系列PLC為例介紹PLC的硬件組成。圖2.1為PLC的原理圖。外存接口其他接口中央處理器CPUROMRAM編輯器CPROMEPROMRAM其他設備計算機A/D D/A輸入接口光電耦合輸出接口繼電器或晶體管圖2.1 PLC的原理圖2.1.1 CPU模塊 CPU是PLC的核心組成部分，與通用微機的CPU一樣，它在PLC系統(tǒng)中的作用類似于人體的神經中樞，故稱為“電腦”。其功能是：1、PLC中系統(tǒng)程序賦予的功能，接收并存儲從編程器輸入的用戶程序和數據。2、用掃描方式接受現場輸入裝置的狀態(tài)，并存入映像寄存器。3、診斷電源、PLC內部電路工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯誤。在PLC進入運行狀態(tài)后，從存儲器中逐

18、條讀去用戶程序，按指令規(guī)定的任務，產生相應的控制信號，去起閉有關控制電路。2.1.2 I/O模塊I/O模塊是CPU與現成I/O裝置或其他外部設備之間的連接部件。PLC提供了各種操作電平與驅動能力的I/O模塊和各種用途I/O元件供用戶選用。如輸入/輸出電平轉換、電氣隔離、串/并行轉換、數據傳送、誤碼校驗、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變換成CPU能接受的信號，或將CPU的輸出信號變換成需要的控制信號去驅動控制對象，以確保整個系統(tǒng)正常的工作。其中輸入信號要通過光電隔離，通過濾波進入CPU控制板，CPU發(fā)出輸出信號至輸出端。輸出方式有三種：繼電器方式、晶體管方式和晶閘

19、管方式。2.1.3電源模塊根據PLC的設計特點，它對電源并無特殊需求，它可使用一般工業(yè)電源。過程控制系統(tǒng)的品質，是由組成系統(tǒng)的過程和過程檢測控制儀表各環(huán)節(jié)的特性和系統(tǒng)的結構所決定。在構成控制系統(tǒng)的分析和設計中，過程的數學模型是極其重要的基礎資料。所以，建立過程的數學模型，對實現生產過程自動化有著十分重要的意義。可以這樣說，一個過程控制系統(tǒng)的優(yōu)劣，主要取決于對生產工藝過程的了解和建立過程的數學模型。2.2.1 一階單容上水箱對象特性所謂單容過程，是指只有一個貯蓄容量的過程。單容過程還可分為有自衡能力和無自衡能力兩類。一、自衡過程的建摸所謂自衡過程，是指過程在擾動作用下，其平衡狀態(tài)被破壞后，不需要

20、操作人員或儀表等干預，依靠起自身重新恢復平衡的過程。液位過程，圖2.2所示為一個單容液位被控過程，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程.若作為被控過程的輸入變量,h為其輸出變量,則該被控過程的數學模型就是h與之間的數學表達式。1h12（a）Xhtt00圖2.2液位被控過程及其階躍響應根據動態(tài)物料平衡關系有 （2-1）將公式（2-1）表示成增量式為 （2-2）式中： 、分別表示為偏離某一平衡狀態(tài)、的增量；A貯蓄截面積。在靜態(tài)時，；當發(fā)生變化時，液位h隨之變化，貯蓄出口處的靜壓隨之變化，也發(fā)

21、生變化。由流體力學可知，流體在紊流情況下，液位h與流量之間為非線形關系。但為了簡化起見，經線形變化，則可近似認為與h成正比關系，而與閥2的阻力成反比，即 （2-3）式中：閥2的阻力，稱為液阻。為了求單容過程的數學模型，需消去中間變量。消去中間變量的方法很多，如可用代數代換法，可用信號流圖法，也可用畫方框圖的方法。這里，介紹后一種方法。將式（2-2）、式（2-3）拉氏變換后,畫出圖2.3方框圖。圖2.3方框圖 單容液位過程的傳遞函數為 （2-4）式中：過程的時間常數，；過程的放大系數，； C過程的容量系數，或稱過程容量。被控過程都具有一定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

22、。其物理意義:是：引起單位被控量變化時被控過程貯存兩變化的大小。圖2.1（b）所示為單容液位被控過程的階躍響應曲線。從上述分析可知，液阻不但影響過程的時間常數，而且還影響過程的放大系數，而容量系數C僅影響過程的時間常數。在工業(yè)生產過程中，過程的純時延問題是經常碰到的。如皮帶運輸機的物料傳輸過程，管道輸送、管道反應和管道的混合過程等。下面以圖2.4為例討論純時延過程的建模。圖2.4純時延單容過程及其響應曲線圖2.4所示，流量通過長度為l的管道流入貯罐。當進水閥開度產生擾動后，需要流經管道長度為l的傳輸時間后才流入貯罐，才使液位h發(fā)生變化。具有純時延單容過程的階躍響應曲線如圖2.4曲線2所示，它與

23、無時延單容過程的階躍響應曲線在形狀上完全相同，僅差一純時延。具有純時延單容過程的微分方程和傳遞函數為 （2-5）式中：過程的時間常數，； 過程的放大系數，； 過程的純時延時間。二、無自衡過程的建模所謂無自衡過程，是指過程在擾動的作用下，其平衡狀態(tài)被破壞后，不需要操作人員或儀表等干預，依靠其自身能力不能重新恢復平衡的過程。下面以圖2.4所示為例，介紹其建模方法。圖2.5 單容過程及其響應曲線如果將圖2.2所示貯罐的出口閥2換成定量泵，則為圖2.5所示。這樣，其流出量與液位h無關。當流入量發(fā)生階躍變化時，液位h即發(fā)生變化。由于流出量是不變的，所以貯罐液位或等速上升直至液體溢出，或者等速下降直至液位

24、被抽干，其階躍響應曲線如圖2.5所示。圖2-7所示過程的微分方程為 （2-6） 式中：C貯罐的容量系數。 過程的傳遞函數為 （2-7）式中：過程的積分時間常數，。 當過程具有純時延時，則其傳遞函數為 （2-8）2.2.2 二階雙容下水箱對象特性在工業(yè)生產過程中，被控過程往往是由多個容積和阻力構成，這種過程稱為多容過程?，F在，以具有自衡能力的雙容過程為例，來討論其建立數學模型的方法。0Q000圖2.6 雙容過程及其響應曲線圖2.6（a）所示為兩只水箱串聯工作的雙容過程。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，根據物料平衡關系可以列出下列方程 （2-9）為了消去雙容過程的中間變量、

25、，將上述方程組進行拉氏變換，并畫出方框圖如2.7所示。雙容過程的數學模型為 （2-10）1/C1s1/R21/C2s1/R3圖2.7 雙容過程方框圖式中：第一只水箱的時間常數，；第二只水箱的時間常數，；過程的放大系數，；分別是兩只水箱的容量系數。圖2.7所示為流量有一階躍變化時，被控量的響應曲線。與單容過程比較，多容過程受到擾動后，被控參數的變化速度并不是一開始就最大，而是要經過一段時延之后才達到最大值。即多容過程對于擾動的響應在時間上存在時延，被稱為容量時延。產生容量時延的原因主要是兩個容積之間存在阻力，所以使的響應時間向后推移。容量時延可用作圖法求得，即通過響應曲線的拐點D作切線，與時間2

26、.8 無自衡能力的雙容過程ttt軸相交與A，與相交與C，C點在時間軸上的投影B，OA即為容量時延時間，AB即為過程的時間常數T。對與無自衡能力的雙容過程，可見圖2.8，圖中，被控量為，輸入量為。產生階躍變化時，液位并不立即以最大的速度變化，由于中間具有容積和阻力。對擾動的響應有他、一定的時延和慣性。同上所述，所示過程的數學模型為 （2-10）式中：過程積分時間常數， ；T第一只水箱的時間常數。同理，無自衡多容過程的數學模型為 （2-11）當然無自衡多容過程具有純時延時，則其數學模型為 （2-12） 3 PID調節(jié)及串級控制系統(tǒng)3.1 PID調節(jié)的各個環(huán)節(jié)及其調節(jié)過程 PID控制的原理

27、和特點工程實際中，應用最為廣泛的調節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調節(jié)。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結構簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調整方便而成為工業(yè)控制的主要技術之一。當被控對象的結構和參數不能完全掌握，或得不到精確的數學模型時，控制理論的其它技術難以采用時，系統(tǒng)控制器的結構和參數必須依靠經驗和現場調試來確定，這時應用PID控制技術最為方便。即當我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數時，最適合用PID控制技術。PID控制，實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控

28、制的。（1）比例（P）控制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系。當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-state error）。（2）積分（I）控制在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(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”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)

29、態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。因此，比例+積分（PI）控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。（3）微分（D）控制在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關系。 自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調節(jié)過程中可能會出現振蕩甚至失穩(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“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預測誤差變化的趨勢，這樣，具有

30、比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分（PD）控制器能改善系統(tǒng)在調節(jié)過程中的動態(tài)特性。3.1.1比例控制及其調節(jié)過程在人工調節(jié)的實踐中，如果能使閥門的開度與被調參數偏差成比例的話，就有可能使輸出量等于輸入量，從而使被調參數趨于穩(wěn)定，達到平衡狀態(tài)。這種閥門開度與被調參數的偏差成比例的調節(jié)規(guī)律，稱為比例調節(jié)。比例調節(jié)規(guī)律及其特點比例調節(jié)作用，一般用字母P來表示。如果用一個數學式來表示比例調節(jié)作用，可寫成： （3-1）式中 調節(jié)器的輸出變化值； 調節(jié)器的輸入，即偏差； 比例調節(jié)器的放大倍數。放大倍

31、數是可調的，所以比例調節(jié)器實際上是一個放大倍數可調的放大器。比例調節(jié)作用雖然及時、作用強，但是有余差存在，被調參數不能完全回復到給定值，調節(jié)精度不高，所以有時稱比例調節(jié)為“粗調”。純比例調節(jié)只能用于干擾較小、滯后較小，而時間常數又不太小的對象。3.1.2比例積分調節(jié)對于工藝條件要求較高余差不允許存在的情況下，比例作用調節(jié)器不能滿足要求了，克服余差的辦法是引入積分調節(jié)。因為單純的積分作用使過程緩慢，并帶來一定程度的振蕩，所以積分調節(jié)很少單獨使用，一般都和比例作用組合在一起，構成比例積分調節(jié)器，簡稱PI調節(jié)器，其作用特性可用下式表示： （3-2）這里，表示PI調節(jié)作用的參數有兩個：比例度P和積分時

32、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節(jié)及時、克服偏差有力的特點，又具有克服余差的性能。由于它是在比例調節(jié)（粗調）的基礎上，有加上一個積分調節(jié)（細調），所以又稱再調調節(jié)或重定調節(jié)。但是，積分時間太小，積分作用就太強，過程振蕩劇烈，穩(wěn)定程度低；積分時間太大，積分作用不明顯，余差消除就很慢。如果把積分時間放到最大，PI調節(jié)器就喪失了積分作用，成了一個純比例調節(jié)器。3.1.3比例積分微分調節(jié)微分調節(jié)的作用主要是用來克服被調參數的容量滯后。在生產實際中，有經驗的工人總是既根據偏差的大小來改變閥門的開度大小（比例作用），同時又根據偏差變化速度的大小進行調節(jié)。比如當看到偏差變化

33、很大時，就估計到即將出現很大的偏差而過量地打開（關閉）調節(jié)閥，以克服這個預計的偏差，這種根據偏差變化速度提前采取的行動，意味著有“超前”作用，因而能比較有效地改善容量滯后比較大的調節(jié)對象的調節(jié)質量。什么是微分調節(jié)？微分調節(jié)是指調節(jié)器的輸出變化與偏差變化速度成正比，可用數學表達式表示為： （3-3）式中： 調節(jié)器的輸出變化值；微分時間；偏差信號變化的速度。從上式可知，偏差變化的速度越大，微分時間越長，則調節(jié)器的輸出變化就越大。對于一個固定不變的偏差，不管其有多大，微分做用的輸出總是零，這是微分作用的特點。由于實際微分器的比例度不能改變，固定為100%，微分作用也只在參數變化時才出現，所以實際微分

34、器也不能單獨使用。一般都是和其它調節(jié)作用相配合，構成比例微分或比例積分微分調節(jié)器。比例積分微分調節(jié)又稱PID調節(jié)，它可由下式表示： （3-4）PID調節(jié)中，有三個調節(jié)參數，就是比例度P、積分時間、微分時間。適當選取這三個參數值，就可以獲得良好的調節(jié)質量。由分析可知，PID三作用調節(jié)質量最好，PI調節(jié)第二，PD調節(jié)有余差。純比例調節(jié)雖然動偏差比PI調節(jié)小，但余差大，而純積分調節(jié)質量最差，所以一般不單獨使用。3.2 串級控制隨著現代工業(yè)生產的迅速發(fā)展，對于某些比較復雜的過程或者生產工藝、經濟效益、安全運行、環(huán)境保護等要求更高的場合，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，在單回路控制方

35、案的基礎上，開發(fā)出了串級控制系統(tǒng)。3.2.1串級控制系統(tǒng)的結構串級控制系統(tǒng)采用兩套檢測變送器和兩個調節(jié)器，前一個調節(jié)器的輸出作為后一個調節(jié)器的設定，后一個調節(jié)器的輸出送往調節(jié)閥。結構圖如圖3.1所示。圖 3.1 串級控制系統(tǒng)方框圖前一個調節(jié)器稱為主調節(jié)器，它所檢測和控制的變量稱主變量（主被控參數），即工藝控制指標；后一個調節(jié)器稱為副調節(jié)器，它所檢測和控制的變量稱副變量（副被控參數），是為了穩(wěn)定主變量而引入的輔助變量。整個系統(tǒng)包括兩個控制回路，主回路和副回路。副回路由副變量檢測變送、副調節(jié)器、調節(jié)閥和副過程構成；主回路由主變量檢測變送、主調節(jié)器、副調節(jié)器、調節(jié)閥、副過程和主過程構成。一次擾動：作

36、用在主被控過程上的，而不包括在副回路范圍內的擾動。二次擾動：作用在副被控過程上的，即包括在副回路范圍內的擾動。3.2.2串級控制系統(tǒng)的特點在串級控制系統(tǒng)中，由于引入了一個副回路，不僅能及早克服進入副回路的擾動，而且又能改善過程特性。副調節(jié)器具有“粗調”的作用，主調節(jié)器具有“細調”的作用，從而使其控制品質得到進一步提高。其特點有以下幾點：一、改善了過程的動態(tài)特性，提高了系統(tǒng)控制質量。二、能迅速克服進入副回路的二次擾動。三、提高了系統(tǒng)的工作頻率。四、對負荷變化的適應性較強。3.2.3串級控制系統(tǒng)的設計（1） 主回路的設計 串級控制系統(tǒng)的主回路是定值控制，其設計單回路控制系統(tǒng)的設計類似，設計過程可以

37、按照簡單控制系統(tǒng)設計原則進行。這里主要解決串級控制系統(tǒng)中兩個回路的協調工作問題。主要包括如何選取副被控參數、確定主、副回路的原則等問題。 （2） 副回路的設計 由于副回路是隨動系統(tǒng)， 對包含在其中的二次擾動具有很強的抑制能力和自適應能力，二次擾動通過主、副回路的調節(jié)對主被控量的影響很小，因此在選擇副回路時應盡可能把被控過程中變化劇烈、頻繁、幅度大的主要擾動包括在副回路中，此外要盡可能包含較多的擾動。 歸納如下。 (1) 在設計中要將主要擾動包括在副回路中。 (2) 將更多的擾動包括在副回路中。 (3) 副被控過程的滯后不能太大，以保持副回路的快速相應特性。 (4) 要將被控對象具有明顯非線性或

38、時變特性的一部分歸于副對象中。 (5) 在需要以流量實現精確跟蹤時，可選流量為副被控量。 在這里要注意(2)和(3)存在明顯的矛盾，將更多的擾動包括在副回路中有可能導致副回路的滯后過大，這就會影響到副回路的快速控制作用的發(fā)揮，因此，在實際系統(tǒng)的設計中要兼顧(2)和(3)的綜合。 例如，圖1所示的以物料出口溫度為主被控參數、爐膛溫度為副被控參數，燃料流量為控制參數的串級控制系統(tǒng)，假定燃料流量和氣熱值變化是主要擾動，系統(tǒng)把該擾動設計在副回路內是合理的。 （3） 主、副回路的匹配 1) 主、副回路中包含的擾動數量、時間常數的匹配 設計中考慮使二次回路中應盡可能包含較多的擾動，同時也要注意主、副回路擾

39、動數量的匹配問題。副回路中如果包括的擾動越多，其通道就越長，時間常數就越大，副回路控制作用就不明顯了，其快速控制的效果就會降低。如果所有的擾動都包括在副回路中，主調節(jié)器也就失去了控制作用。原則上，在設計中要保證主、副回路擾動數量、時間常數之比值在310之間。比值過高，即副回路的時間常數較主回路的時間常數小得太多，副回路反應靈敏，控制作用快，但副回路中包含的擾動數量過少，對于改善系統(tǒng)的控制性能不利；比值過低，副回路的時間常數接近主回路的時間常數，甚至大于主回路的時間常數，副回路雖然對改善被控過程的動態(tài)特性有益，但是副回路的控制作用缺乏快速性，不能及時有效地克服擾動對被控量的影響。嚴重時會出現主、

40、副回路“共振”現象，系統(tǒng)不能正常工作。 2) 主、副調節(jié)器的控制規(guī)律的匹配、選擇 在串級控制系統(tǒng)中，主、副調節(jié)器的作用是不同的。主調節(jié)器是定值控制，副調節(jié)器是隨動控制。系統(tǒng)對二個回路的要求有所不同。主回路一般要求無差，主調節(jié)器的控制規(guī)律應選取PI或PID控制規(guī)律；副回路要求起控制的快速性，可以有余差，一般情況選取P控制規(guī)律而不引入 I 或 D 控制。如果引入 I 控制，會延長控制過程，減弱副回路的快速控制作用；也沒有必要引入 D控制，因為副回路采用 P控制已經起到了快速控制作用，引入D控制會使調節(jié)閥的動作過大，不利于整個系統(tǒng)的控制。 3) 主、副調節(jié)器正反作用方式的確定 一個過程控制系統(tǒng)正常工

41、作必須保證采用的反饋是負反饋，及其主通道各環(huán)節(jié)放大系數極性乘積必須為正值。串級控制系統(tǒng)有兩個回路，主、副調節(jié)器作用方式的確定原則是要保證兩個回路均為負反饋。確定過程是首先判定為保證內環(huán)是負反饋副調節(jié)器應選用那種作用方式，然后再確定主調節(jié)器的作用方式。各環(huán)節(jié)放大系數極性的正負是這樣規(guī)定的：對于調節(jié)器 ，當測量值增加，調節(jié)器的輸出也增加，則為負值（即正作用調節(jié)器）；反之，為正（即反作用調節(jié)器）。調節(jié)閥為氣開。則為正，氣關為負。過程放大系數極性是：當過程的輸入增大時，即調節(jié)閥開大，其輸出也增大，則為正，反之，為負。在圖3.1的串級控制系統(tǒng)框圖中可以看到，由于副回路可以簡化成一個正作用方式環(huán)節(jié)，主對象

42、作用方式為正，主測量變送環(huán)節(jié)為正。根據單回路控制系統(tǒng)設計中介紹的閉合系統(tǒng)必須為負反饋控制系統(tǒng)設計原則，即閉環(huán)各環(huán)節(jié)比例度乘積必須為正，故主調節(jié)器均選用反作用調節(jié)器，副調節(jié)器均選用反作用調節(jié)器。3.3 擴充臨界比例度法實驗經驗法調整PID參數的方法中較常用的是擴充臨界比例度法,其最大的優(yōu)點是，參數的整定不依賴受控對象的數學模型，直接在現場整定、簡單易行。 擴充比例度法適用于有自平衡特性的受控對象，是對連續(xù)-時間PID控制器參數整定的臨界比例度法的擴充。整定步驟：擴充比例度法整定數字PID控制器參數的步驟是：（1）預選擇一個足夠短的采樣周期。一般說應小于受控對象純延遲時間的十分之一。表3

43、.1臨界振蕩整定計算公式（2）用選定的使系統(tǒng)工作。這時去掉積分作用和微分作用，將控制選擇為純比例控制器，構成閉環(huán)運行。逐漸減小比例度，即減小，直至系統(tǒng)對輸入的階躍信號的響應出現臨界振蕩（穩(wěn)定邊緣），將這時的比例放大系數記為,臨界振蕩周期記為。（3） 根據表3.1 臨界振蕩整定計算公式代入  、的值，計算出調節(jié)器各個參數、的值。（4）根據上述計算結果設置調節(jié)器的參數值。觀察系統(tǒng)的響應過程，若記錄曲線不符合要求時，再適當調整整定參數值。3.4 三菱FX2系列PLC中PID指令的使用比例積分微分指令即PID指令其指令格式如下：FNC88 PID 操作數：S1、S2、S3

44、D：全部用數據寄存器D。S1：存放設定值（SV）的地址。S2：存放當前值（PV）的地址。D：存放控制回路調節(jié)值（MV）即輸出值的地址。S3：指定存放控制回路參數值的首地址，共占用25個數據寄存器，其選用范圍為D0-D75，各元件存放的參數如下：S3：采樣時間（），取值范圍為1-32767（ms）。S3+1：動作方向（ACT），BIT0：0為正動作，1為反動作。BIT1：0為無輸入變化量報警，1為輸入變化量報警有效。BIT2：0為無輸入變化量報警，1為輸出變化量報警有效。S3+2：輸入濾波常數，0-99%。S3+3：比例增益（），1%-32767%。S3+4：積分時間常數（），0-32767（*

45、100ms），為0和時無積分。S3+5：微分增益（），0-100%。S3+6：微分時間常數（），0-32767（*100ms），為0時無微分。S3+7至S3+19 PID運算占用。S3+20：輸入變化量（增方）報警設定值，0-32767。S3+21：輸入變化量（減方）報警設定值，0-32767。S3+22：輸出變化量（增方）報警設定值，0-32767。S3+23：輸出變化量（減方）報警設定值，0-32767。S3+24：報警輸出 BIT0輸入變化量（增方）超出。 BIT1輸入變化量（減方）超出。 BIT2輸出變化量（增方）超出。 BIT3輸出變化量（減方）超出。PID指令用的算術表達式為： 輸

46、出值上式中表示誤差。該指令可以用中斷、子程序、步進梯形指令和條件跳步指令，指令的應用如圖3.2所示。當X0=ON時執(zhí)行PID指令，把PID控制回路的設定值存放在D100-D124這25個數據寄存器中，對S2的當前值（D1）和（S1）的設定值（D0）進行比較，通過PID回路處理數值之間的偏差后計算出一個調節(jié)值，此調節(jié)值存入目標操作數D150中。X0PIDD0D1D100D150S1S2S3D圖3.2 PID指令的應用 3.5在PLC中的PID控制的編程回路的輸入輸出變量的轉換和標準化PID控制器調節(jié)輸出，保證偏差(e)為零，使系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)。偏差(e)是設定值(SP)和過程變量(PV)的差。P

47、ID控制的原理基于下面的算式；輸出M(t)是比例項、積分項和微分項的函數。輸出=比例項+積分項+微分項其中： 是作為時間函數的回路輸出是回路增益是回路誤差(設定值和過程變量之間的差)是回路輸出的初始值為了能讓數字計算機處理這個控制算式，連續(xù)算式必須離散化為周期采樣偏差算式，才能用來計算輸出值。數字計算機處理的算式如下：輸出= 比例項  + 積分項 + 微分項是在采樣時刻n，PID回路輸出的計算值；是回路增益；是采樣時刻n的回路誤差值； 是回路誤差的前一個數值(在采樣時刻n-1)；是采樣時刻x的回路誤差值；是積分項的比例常數；是回路輸出的初始值；是微分項的比例常數；從這個公式

48、可以看出，積分項是從第1個采樣周期到當前采樣周期所有誤差項的函數。微分項是當前采樣和前一次采樣的函數，比例項僅是當前采樣的函數。在數字計算機中，不保存所有的誤差項，實際上也不必要。由于計算機從第一次采樣開始，每有一個偏差采樣值必須計算一次輸出值，只需要保存偏差前值和積分項前值。作為數字計算機解決的重復性的結果，可以得到在任何采樣時刻必須計算的方程的一個簡化算式。簡化算式是：輸出=比例項+積分項+微分項。其中： 是在采樣時間n時，回路輸出的計算值；是回路增益；是采樣時刻n的回路誤差值；是回路誤差的前一個數值(在采樣時刻n-1)；是積分項的比例常數；是積分項的前一個數值(在采樣時刻n-1)；是微分

49、項的比例常數；一、回路輸入的轉換和標準化:是將現實世界的值的實數值表達形式轉換成0.0-1.0之間的標準化值。下面的算式可以用于標準化設定值或過程變量值：其中： 是現實世界數值的標準化的實數值表達式。是現實世界數值的未標準化的或原始的實數值表達式。偏移量對于單極性為0.0。對于雙極性為0.5。跨度是最大可能值減去最小可能值：對于單極性數值(典型值)為32,000。對于雙極性數值(典型值)為64,000。二、回路輸出值轉換成刻度整數值回路輸出值一般是控制變量，比如，在汽車速度控制中，可以是油閥開度的設置?；芈份敵鍪?.0和1.0之間的一個標準化了的實數值。在回路輸出可以用于驅動模擬輸出之前，回路

50、輸出必須轉換成一個16位的標定整數值。這一過程，是將PV和SP轉換為標準值的逆過程。第一步是使用下面給出的公式，將回路輸出轉換成一個標定的實數值：= (-偏移量) * 跨度其中： 是回路輸出經過標定的實數值是回路輸出標準化的實數值偏移量對于單極性值為0.0，對于雙極性值為0.5跨度值域大小，可能的最大值減去可能的最小值對于單極性為32,000 (典型值)對于雙極性為64,000 (典型值)3.6變量的范圍過程變量和設定值是PID運算的輸入值。因此回路表中的這些變量只能被PID指令讀而不能被改寫。輸出變量是由PID運算產生的，所以在每一次PID運算完成之后，需更新回路表中的輸出值， 輸出值被限定

51、在0.0-1.0之間。當輸出由手動轉變?yōu)镻ID(自動)控制時，回路表中的輸出值可以用來初始化輸出值。如果使用積分控制，積分項前值要根據PID運算結果更新。這個更新了的值用作下一次PID運算的輸入，當計算輸出值超過范圍(大于1.0或小于0.0)，那么積分項前值必須根據下列公式進行調整：當計算輸出或當計算輸出其中：是調整過的偏差的數值；是在采樣時間n時回路輸出的比例項的數值；是在采樣時間n時回路輸出的微分項的數值；是在采樣時間n時回路輸出的數值；這樣調整積分前值，一旦輸出回到范圍后，可以提高系統(tǒng)的響應性能。而且積分項前值也要限制在0.0-0.1之間，然后在每次PID運算結束之后。把積分項前值寫入回

52、路表，以備在下次PID運算中使用。用戶可以在執(zhí)行PID指令以前修改回路表中積分項前值。在實際運用中，這樣做的目的是找到由于積分項前值引起的問題。手工調整積分項前值時，必須小心謹慎，還應保證寫入的值在0.0-1.0之間。 4 控制方案設計4.1 系統(tǒng)設計  4.1.1上水箱液位的自動調節(jié)在這個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。單相泵正常運行，打開閥1和閥2，打開上水箱的出水閥，電動調節(jié)閥以一定的開度來控制進入水箱的水流量，調節(jié)手段是通過將壓力變送器檢測到的電信號送入PLC中，經過A/D變換成數字信號，送入數字PID調節(jié)器中，經PID算法后將控制量經過D/A轉換成與電

53、動調節(jié)閥開度相對應的電信號送入電動調節(jié)閥中控制通道中的水流量。 出水口閥3閥2電動調節(jié)閥壓力表閥1出水口閥6下水箱液位傳感器上水箱液位傳感器閥4進水口溢水口溢水口儲水箱單向泵出水口進水口4.1 系統(tǒng)原理圖當上水箱的液位小于設定值時，壓力變送器檢測到的信號小于設定值，設定值與反饋值的差就是PID調節(jié)器的輸入偏差信號。經過運算后即輸出控制信號給電動調節(jié)閥，使其開度增大，以使通道里的水流量變大，增加水箱里的儲水量，液位升高。當液位升高到設定高度時，設定值與控制變量平衡，PID調節(jié)器的輸入偏差信號為零，電動調節(jié)閥就維持在那個開度，流量也不變，同時水箱的液位也維持不變。系統(tǒng)的控制框圖如圖4.2所示。其中

54、SP為給定信號，由用戶通過計算機設定，PV為控制變量，它們的差是PID調節(jié)器的輸入偏差信號，經過PLC的PID程序運算后輸出，調節(jié)器的輸出信號經過PLC的D/A轉換成4-20mA的模擬電信號后輸出到電動調節(jié)閥中調節(jié)調節(jié)閥的開度，以控制水的流量，使水箱的液位保持設定值。水箱的液位經過壓力變送器檢測轉換成相關的電信號輸入到PLC的輸入接口，再經過A/D轉換成控制量PV，給定值SP與控制量PV經過PLC的CPU的減法運算成了偏差信號e ,又輸入到PID調節(jié)器中，又開始了新的調節(jié)。所以系統(tǒng)能實時地調節(jié)水箱的液位。 4.1.2上水箱下水箱液位串級控制系統(tǒng)上水箱下水箱液位控制系統(tǒng)由于控制過程特性呈現大滯后，外界環(huán)境的擾動較大，要保持上水箱下