單容水箱PI控制系統(tǒng)設(shè)計實(shí)習(xí)報告范本

1、 .過程控制系統(tǒng)設(shè)計實(shí)習(xí)報告學(xué)院名稱：電子與信息工程學(xué)院 班級名稱： 測控09-1 學(xué)生姓名： 程喜 學(xué) 號： 120093107066 指導(dǎo)教師： 張慶思 提交日期： 2012 年 11 月 15 日過程控制系統(tǒng)設(shè)計一、設(shè)計題目：單容水箱PI控制系統(tǒng)設(shè)計二、設(shè)計目的：1、 掌握液位傳感器的零點(diǎn)和增益調(diào)整方法。2、 掌握西門子200PLC PI控制程序的編寫方法。3、 掌握MCGS組態(tài)軟件的使用方法。三、設(shè)計原理：1、PID調(diào)節(jié)原理：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。PID控制,實(shí)際中也有PI和PD控制。

2、PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差,利用比例、 積分、微分計算出控制量進(jìn)行控制的。 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(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-state error）。 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(guān)系。對一個自動控制系統(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

3、穩(wěn)態(tài)誤差,在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對誤差取決于時間的積分,隨著時間的增加,積分項(xiàng)會增大。這樣,即便誤差很小,積 分項(xiàng)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)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。 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(guān)系。 自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(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

4、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(yīng)該是零。這就是說,在控制器中僅引入 “比例”項(xiàng)往往是不夠的,比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值,而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”,它能預(yù)測誤差變化的趨勢,這樣,具有比例+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(fù)值,從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。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(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。 PID控制器的參數(shù)整定：  PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被 控過程的

5、特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法很多,概括起來有兩大類：一是理論計算整定法。它主要是 依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計算數(shù)據(jù)未必可以直接用,還必須通過工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定方法,它主 要依賴工程經(jīng)驗(yàn),直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行,且方法簡單、易于掌握,在工程實(shí)際中被廣泛采用。PID控制器參數(shù)的工程整定方法,主要有臨界比例法、反應(yīng) 曲線法和衰減法。三種方法各有其特點(diǎn),其共同點(diǎn)都是通過試驗(yàn),然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對控制器參數(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),

6、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。利用該方法進(jìn)行 PID控制器參數(shù)的整定。PID參數(shù)整定步驟如下：首先預(yù)選擇一個足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作;(2)僅加入比例控制環(huán)節(jié),直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩, 記下這時的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期;(3)在一定的控制度下通過公式計算得到PID控制器的參數(shù)。 在實(shí)際調(diào)試中,只能先大致設(shè)定一個經(jīng)驗(yàn)值,然后根據(jù)調(diào)節(jié)效果修改。 對于溫度系統(tǒng)：P（%）20-60,I（分）3-10,D（分）0.5-3 對于流量系統(tǒng)：P（%）40-100,I（分）0.1-1 

7、對于壓力系統(tǒng)：P（%）30-70,I（分）0.4-3 對于液位系統(tǒng)：P（%）20-80,I（分）1-5 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,積分時間往下降 曲線波動周期長,積分時間再加長 曲線振蕩頻率快,先把微分降下來 動差大來波動慢。微分時間應(yīng)加長 理想曲線兩個波,前高后低4比1 一看二調(diào)多分析,調(diào)節(jié)質(zhì)量不會低。2、本次實(shí)習(xí)面板連接圖：四、實(shí)習(xí)內(nèi)容：1、 調(diào)整液位傳感器參數(shù)，使

8、其能夠準(zhǔn)確檢測水箱液位。、調(diào)零點(diǎn)：啟動THKGK-1型試驗(yàn)臺,查看液位顯示面板數(shù)值與實(shí)際零點(diǎn)液位是否相同，如果不同則取下液位傳感器后蓋旋轉(zhuǎn)調(diào)零旋鈕進(jìn)行調(diào)零。(2)、調(diào)增益：關(guān)閉上水箱出水閥同時向上水箱抽入一定量的水。待液位穩(wěn)定后調(diào)整增益旋鈕，使液位顯示面板與實(shí)際液位相同即完成增益調(diào)零。2、 設(shè)計基于西門子200PLC的水箱液位PI控制程序、啟動STEP 7-Micro/WIN SP3程序，首先進(jìn)行通信連接設(shè)置。正確設(shè)置PG/PC接口類型（確保PLC處于運(yùn)行狀態(tài)）。如下圖：(2)、待設(shè)置完成，雙擊刷新地址，待刷新完全部地址后，無錯誤提示即連接成功。(3)、確認(rèn)后回到主界面進(jìn)行編程。程序包括讀取液

9、位信號及轉(zhuǎn)換，PID程序塊，相關(guān)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和輸出控制。程序如下：(4)、完成程序的編寫后進(jìn)行編譯，若無錯誤即可將程序下載至PLC中（若出現(xiàn)錯誤查看所在位置錯誤原因并修改）如下圖：(5)、下載完成后將PLC轉(zhuǎn)為運(yùn)行狀態(tài)并監(jiān)控程序狀態(tài)。(6)、在符號表的向?qū)е锌梢圆榭唇⒌腜ID的相關(guān)參數(shù)的所在地址。如下圖：(7)、在狀態(tài)表中可以對相應(yīng)地址中的參數(shù)進(jìn)行修改達(dá)到調(diào)整PID參數(shù)的目的。如下圖：(7)、可以在工具菜單中的PID調(diào)節(jié)控制面板中整定PID參數(shù)知道達(dá)到理想響應(yīng)曲線位置。如下圖：3、 設(shè)計基于MCGS組態(tài)軟件的上位機(jī)監(jiān)控程序，完成PI參數(shù)的調(diào)整、手自動控制、液位曲線的監(jiān)控、數(shù)據(jù)歸檔、故障報警功能

10、。(1)、雙擊桌面上的“MCGS通用組態(tài)環(huán)境”進(jìn)入運(yùn)行環(huán)境。新建工程后再新建窗口，選中窗口后選擇窗口屬性進(jìn)行相關(guān)設(shè)置。完成后并將其設(shè)置為啟動窗口。如此一次建立液位控制、實(shí)時曲線、存盤數(shù)據(jù)、歷史曲線、報警記錄等窗口如下圖：(2)、切換到設(shè)備窗口，雙擊設(shè)備管理后在彈出的窗口中點(diǎn)擊右鍵，添加設(shè)備。點(diǎn)擊設(shè)備管理，在窗口左側(cè)選擇通用串口父設(shè)備，雙擊添加到右側(cè)窗口。再選擇西門子S7-200PPI雙擊添加到右側(cè)窗口。確認(rèn)后回到設(shè)備管理界面。雙擊通用串口父設(shè)備和S7-200PPI將其添加到設(shè)備窗口。(3)、雙擊通用串口父設(shè)備0進(jìn)入通用串口設(shè)備屬性編輯界面。編輯如下圖并確認(rèn)：(4)、設(shè)備調(diào)試。雙擊設(shè)備0，在彈出

11、的窗口中切換到通道連接選項(xiàng)卡，點(diǎn)擊快速鏈接并確認(rèn)，切換到設(shè)備調(diào)試選項(xiàng)卡點(diǎn)擊檢查，若通道值顯示全部為0，表示通道連接正常，若為其他值可以查閱相關(guān)材料并改正使其正常(5)、繪制工程效果圖。返回到用戶窗口中雙擊進(jìn)入用戶窗口。在工具欄中選擇工具箱并應(yīng)用里面的工具繪制工程圖。最終效果圖如下：(6)、西門子200PLC與MCGS通信連接。添加通道，切換到設(shè)備窗口，雙擊設(shè)備0進(jìn)入屬性設(shè)置。在基本屬性選項(xiàng)卡中的設(shè)備內(nèi)部屬性欄中點(diǎn)擊“”在新彈出的窗口中點(diǎn)擊添加通道新增通道，選擇存儲器類型、輸入地址、選擇數(shù)據(jù)位的位數(shù)、讀寫類型等。確認(rèn)后完成通道添加。切換到通道連接選項(xiàng)卡可以對新添加的通道進(jìn)行命名，完成后通道添加成

12、功。(7)、添加數(shù)據(jù)組。將窗口切換到實(shí)時數(shù)據(jù)選項(xiàng)卡，新建對象，并雙擊新建的對象進(jìn)入屬性設(shè)置。將其重命名，將對象類型改為組對象，點(diǎn)擊組對象成員選項(xiàng)卡，向數(shù)據(jù)組中添加組對象成員，完成后確認(rèn)。(8)、數(shù)據(jù)連接對象（由于內(nèi)容較多不過與詳細(xì)的介紹，只給出部分重點(diǎn)的數(shù)據(jù)連接的介紹及截圖）雙擊對象進(jìn)入構(gòu)建屬性設(shè)置。如下所示：在基本屬性選項(xiàng)卡勾選顯示輸出，然后點(diǎn)擊顯示輸出選項(xiàng)卡進(jìn)行設(shè)置：在基本屬性選項(xiàng)卡勾選按鈕輸入，然后點(diǎn)擊按鈕輸入選項(xiàng)卡進(jìn)行設(shè)置：標(biāo)準(zhǔn)按鈕操作屬性設(shè)置（打開關(guān)閉用戶窗口、數(shù)據(jù)對象值操作、退出運(yùn)行系統(tǒng)等類似）：實(shí)時曲線構(gòu)件屬性設(shè)置，如下圖：歷史曲線窗口構(gòu)建設(shè)置。雙擊歷史曲線構(gòu)件后在數(shù)據(jù)來源選項(xiàng)中

13、選擇之前建立的數(shù)據(jù)組，然后切換到曲線標(biāo)識做如下圖設(shè)置完成歷史曲線設(shè)置。存儲數(shù)據(jù)構(gòu)件設(shè)置。雙擊數(shù)據(jù)存盤窗口進(jìn)入，在添加的存儲數(shù)據(jù)構(gòu)件上雙擊，進(jìn)行屬性設(shè)置。數(shù)據(jù)來源選擇：組對象對應(yīng)的存盤數(shù)據(jù)并選擇之前建立的數(shù)據(jù)組。再切換到顯示屬性選項(xiàng)卡進(jìn)行如下圖設(shè)置：即時液位警報記錄設(shè)置。在實(shí)時數(shù)據(jù)窗口中雙擊即時液位，為其添加警報設(shè)置，首先勾選允許警報處理，并勾選上限警報、下線警報，并修改其警報值。之后再警報記錄新建警報記錄構(gòu)件完成。如下圖：至此完成數(shù)據(jù)連接。(9)、環(huán)境系統(tǒng)運(yùn)行，點(diǎn)擊工具欄中的運(yùn)行系統(tǒng)環(huán)境按鈕。進(jìn)入組態(tài)系統(tǒng)環(huán)境控制界面（由于軟件問題流動塊消失）。在運(yùn)行狀態(tài)下，可以通過修改相應(yīng)的PID參數(shù)得到滿意的響應(yīng)曲線，同時可以瀏覽存盤數(shù)據(jù)、警報記錄、歷史曲線等內(nèi)容。以下為部分截圖：輸入目標(biāo)液位：PLC自動模式下調(diào)節(jié)：歷史曲線窗口：數(shù)據(jù)存盤窗口：警報記錄窗口：(10)、退出運(yùn)行環(huán)境，到這里已經(jīng)完成本次實(shí)習(xí)的全部內(nèi)容。五、實(shí)習(xí)總結(jié)與體會：通過本次實(shí)習(xí)，我對PLC在實(shí)際的應(yīng)用有了更多的了解。將課本中的知識運(yùn)用到實(shí)踐。同時可以獨(dú)立編寫一些基本的PLC程序。用于實(shí)現(xiàn)一些簡單的功能。對組態(tài)環(huán)境的軟件也有一些認(rèn)識，熟悉了一個完整地工程的建立