水塔水位PID控制系統(tǒng)設(shè)計(圖)畢業(yè)論文

1、 . . . I / 61水塔水位 PID 控制系統(tǒng)設(shè)計摘 要供水是一個關(guān)系國計民生的重要產(chǎn)業(yè)。隨著社會的發(fā)展和人民生活水平的提高，對城市供水提出了更高的要求，有一個水箱需要維持一定的水位，該水塔里的水以變化的速度流出。這就需要有一個輸入控制液體閥以不同的速度給水塔供水，以維持水位的變化，這樣才能使水塔不斷水。研究設(shè)計的基于 PLC 控制的水塔水位 PID 供水系統(tǒng),以西門子公司的 S7-200系列中 PLC-CPU226 為基礎(chǔ)，結(jié)合模擬量模塊 EM235、液位傳感器、輸入控制液壓閥、輸出控制液壓閥等，組成一個基于 S7-200 系列中 PLC-CPU226 的水塔水位控制系統(tǒng)，能完成邏輯控

2、制、水位調(diào)節(jié)和數(shù)據(jù)采樣等功能,實現(xiàn)對水塔的水位進行控制與檢測。在設(shè)計量運用 PLC 中 PID 來實現(xiàn)水塔水位的控制，為了精確地實現(xiàn)對水位的控制 ，建立成閉環(huán)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了水塔中的進、出水的水位自動控制。關(guān)鍵詞：可編程控制器 PLC，水塔水位，PID 控制 . . . II / 61WATER TOWERS PID CONTROL SYSTEM DESIGNABSTRACTWater supply is an important industry of the peoples livelihood. With the social development and peoples living

3、 standards, urban water supply to a higher demand, there is a need to maintain a certain water tank water level, the water towers in order to change the speed of the outflow. This requires a liquid input control valve to the different speeds of water towers in order to maintain the water level chang

4、es, so that continuous water towers. PLC-based research and design of the towers level PID control the water supply system to Siemens S7-200 series PLC-CPU226-based light simulation module EM235, liquid level sensors, type of hydraulic control valve, hydraulic valve control output and so on, based o

5、n the formation of a S7-200 series of the PCL-CPU226 towers water level control system, to complete logic control, water regulation and function of data sampling, etc., to achieve the level of the water tower for control and detection. In the design of PID make extensive use of PLC to achieve the le

6、vel of control towers, in order to achieve precise level of control, into a closed-loop control system, the water tower in progress, the water level of automation.Keywords: Programmable Logic Controller PLC, Water Towers, PID Control . . . III / 61目錄前言 1第 1 章 水塔水位自動控制系統(tǒng)的概述 21.1 水位控制系統(tǒng)現(xiàn)狀與發(fā)展 21.2 水塔水位

7、自動控制系統(tǒng)的組成 21.3 水位控制系統(tǒng)效率與運行模式分析 3第 2 章 PLC 結(jié)構(gòu)和工作原理 42.1 PLC 組成與基本結(jié)構(gòu) 42.1.1 PLC 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 42.1.2 PLC 的基本工作原理 52.2 PLC 的主要應(yīng)用 62.3 S7-200 系列可編程控制器 62.3.1 S7-200 PLC 系統(tǒng)組成 72.3.1 S7-200 系列 PLC 元件功能 72.4 PID 控制器簡介 92.4.1 PID 控制器的結(jié)構(gòu)與原理 92.4.2 數(shù)字式 PID 控制 102.4.3 數(shù)字式 PID 控制的實現(xiàn) 12第 3 章 水塔水位控制系統(tǒng)方案設(shè)計 143.1 系統(tǒng)的工作原理 1

8、43.1.1 設(shè)計分析 143.1.2 可行性試驗 153.1.3 可行性分析 163.2 水位閉環(huán)控制系統(tǒng) 163.2.1 PLC 的選擇 183.2.2 供水的控制方法 18第 4 章 PLC 中 PID 控制器的實現(xiàn) 204.1 PID 算法 204.2 PID 應(yīng)用 21 . . . IV / 614.3 PLC 實現(xiàn) PID 控制的方式 214.4 PLC PID 控制器的實現(xiàn) 224.5 PID 指令與回路表 24第 5 章系統(tǒng)硬件開發(fā)設(shè)計 265.1 可編程控制器的選型 265.3 EM235 模擬量模塊 285.3.1 EM235 的安裝使用 295.3.2 EM235 的工作

9、程序編制 295.4 硬件連接圖 305.5 控制系統(tǒng) I/O 地址分配 30第 6 章 系統(tǒng)軟件應(yīng)用設(shè)計 316.1 水位 PID 控制的邏輯設(shè)計 316.2 梯形圖編程 356.3 控制程序 386.4 聯(lián)機 39結(jié) 論 40 辭 41參考文獻 42附錄 43外文資料翻譯 46 . . . 1 / 61前言在工業(yè)生產(chǎn)中，電流、電壓、溫度、壓力、液位、流量、和開關(guān)量等都是常用的主要被控參數(shù)。其中，水位控制越來越重要。在社會經(jīng)濟飛速發(fā)展的今天，水在人們正常生活和生產(chǎn)中起著越來越重要的作用。一旦斷了水，輕則給人民生活帶來極大的不便，重則可能造成嚴(yán)重的生產(chǎn)事故與損失。因此給水工程往往成為高層建筑或

10、工礦企業(yè)中最重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一。任何時候都能提供足夠的水量、平穩(wěn)的水壓、合格的水質(zhì)是對給水系統(tǒng)提出的基本要求。就目前而言，多數(shù)工業(yè)、生活供水系統(tǒng)都采用水塔、層頂水箱等作為基本儲水設(shè)備，由一級或二級水泵從地下市政水管補給。傳統(tǒng)的控制方式存在控制精度低、能耗大、可靠性差等缺點?？删幊炭刂破鳎≒LC）是根據(jù)順序邏輯控制的需要而發(fā)展起來的，是專門為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運算操作的電子裝置。鑒于其種種優(yōu)點，目前水位控制的方式被 PLC 控制取代。同時，又有 PID 控制技術(shù)的發(fā)展，因此，如何建立一個可靠安全、又易于維護的給水系統(tǒng)是值得我們研究的課題。在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以與日常生活應(yīng)用中，常常會需要對容器中的

11、液位（水位）進行自動控制。比如自動控制水塔、水池、水槽、鍋爐等容器中的蓄水量，生活中抽水馬桶的自動補水控制、自動電熱水器、電開水機的自動進水控制等。雖然各種水位控制的技術(shù)要求不同，精度不同。但其原理都小異。特別是在實際操作系統(tǒng)中，穩(wěn)定、可靠是控制系統(tǒng)的基本要求。因此如何設(shè)計一個精度高、穩(wěn)定性好的水位控制系統(tǒng)就顯得日益重要。采用 PLC 和 PID 技術(shù)能很好的解決以上問題，使水位控制在要求的位置。本論文側(cè)重介紹“水塔水位 PID 控制系統(tǒng)”的硬件、軟件設(shè)計與相關(guān)容，使水塔水塔維持一定的水位。通過對變頻器置 PID 模塊參數(shù)的預(yù)置，利用遠傳液位傳感器反饋量，構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，根據(jù)用水量的變化，采取

12、PID 調(diào)節(jié)方式，在全流量圍利用輸入液體控制閥連續(xù)調(diào)節(jié)和輸出控制閥分級調(diào)節(jié)相結(jié)合，實現(xiàn)水塔供水且有效節(jié)能。水位 PID 控制系統(tǒng)集 PLC 控制技術(shù)、PID 技術(shù)、電子電力技術(shù)、微電子技術(shù)和計算機技術(shù)、測試技術(shù)于一體。采用該系統(tǒng)進行供水可以提高供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，同時系統(tǒng)具有良好的節(jié)能性，這在能源日益緊缺的今天尤為重要，所以研究設(shè)計該系統(tǒng)，對于提高企業(yè)效率以與人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的現(xiàn)實意義。 . . . 2 / 61第 1 章 水塔水位自動控制系統(tǒng)的概述1.1 水位控制系統(tǒng)現(xiàn)狀與發(fā)展節(jié)能是我國社會經(jīng)濟能否保持可持續(xù)發(fā)展的一個重大問題.水位控制廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與民用生

13、活，其用電量大，是節(jié)能研究的主要容之一.對變頻調(diào)速水位控制系統(tǒng)的實際運行情況研究發(fā)現(xiàn)，目前國在這方面普遍采用恒水位或恒壓力變頻調(diào)速 PID 控制技術(shù)，取得了一定的應(yīng)用效果.但由于這類控制系統(tǒng)忽視了水泵-電機組效率，致使水泵-電機組經(jīng)常處于低效區(qū)運行圖 1-1；另外，單目標(biāo)的恒水位或恒壓力控制不能保證電機經(jīng)常處于節(jié)能運行狀態(tài)以充分發(fā)揮變頻調(diào)速的節(jié)能功效，造成了變頻調(diào)速控制系統(tǒng)在實際運行中效率不高，節(jié)能效果未能充分體現(xiàn),這也是變頻調(diào)速控制技術(shù)多年來一直難以大規(guī)模采用的原因之一，水位控制類變頻調(diào)速效率優(yōu)化問題屬于一類復(fù)雜的多變量、離散性強的非線性系統(tǒng)控制問題，要求控制 圖 1-1 水塔水位控制系統(tǒng)模

14、型系統(tǒng)在滿足用水要求的同時，又要實現(xiàn)系統(tǒng)效率最優(yōu)，采用傳統(tǒng)的控制策略很難獲得簡便、實用的解決方法.本文結(jié)合水位控制類系統(tǒng)的特點，運用水位控制理論與最優(yōu)控制方法，以系統(tǒng)效率最大與滿足用水要求為目標(biāo)，設(shè)計一種水位控制以改善這類系統(tǒng)的控制策略與運行方式，同時給出采用 PLC 控制程序?qū)崿F(xiàn)的此水位控制。水塔水位控制系統(tǒng)模型如圖 1-1。1.2 水塔水位自動控制系統(tǒng)的組成水位自動控制系統(tǒng)由 PLC（核心控制部件） 、高低位的水位檢測電路（液位傳感器） 、輸入控制液壓閥、輸出控制液壓閥等部分組成。 . . . 3 / 611.3 水位控制系統(tǒng)效率與運行模式分析水位控制系統(tǒng)的效率主要由水泵的效率、電動機的效

15、率和管道損失決定，本文主要研究水泵-電機組的效率問題。由于水位控制系統(tǒng)的非線性、滯后性與時變性，采用傳統(tǒng)的 PID 控制容易實現(xiàn)單目標(biāo)，即水位恒定或水泵-電機組高效運行，而無法兩者兼顧。為此引入模糊控制，使系統(tǒng)能夠最快地響應(yīng)用戶的用水要求并最大限度地工作在高效區(qū)，以期能充分發(fā)揮變頻調(diào)速的節(jié)能功效，進一步提高系統(tǒng)的運行效率。在分析變頻調(diào)速水位控制的節(jié)能問題時，以不同轉(zhuǎn)速下提供一樣容積圖 1-2 控制系統(tǒng)框圖的水作比較得出圖 1-2：水泵消耗的軸功率與異步電動機轉(zhuǎn)速的三次方成正比，由此可知，水泵-電機組的效率與電機的轉(zhuǎn)速成反比；其次，結(jié)合水泵與電機的效率特性，為使系統(tǒng)經(jīng)常高效運行，不失一般性，設(shè)：

16、水泵-電機組的高效率區(qū)為異步電動機的轉(zhuǎn)速 n=0.61.0n N(n N 為電動機的額定轉(zhuǎn)速)；當(dāng)電機轉(zhuǎn)速n=0.8n N 時，異步電動機的效率最佳。圖 1-1 給出了水位控制系統(tǒng)控制模型圖，H 表示水位高度，依水位高度將水箱劃分為 A、B、C 三區(qū)。A、C 區(qū)分別為水位極高、極低區(qū)域，是高位、低位警戒區(qū)；B 區(qū)為高效運行區(qū)，是系統(tǒng)經(jīng)常運行的區(qū)域。系統(tǒng)總的控制模式為：當(dāng) HA 時，系統(tǒng)運行減機模式；當(dāng) HB 時，系統(tǒng)運行節(jié)能模式；當(dāng) HC 時，系統(tǒng)運行加機模式.系統(tǒng)效率Kn3dtn0.61.0n N 系統(tǒng)節(jié)能模式是本文的研究重點，根據(jù)此圖可設(shè)計一個水位控制器，使變頻器的輸出頻率即電動機的轉(zhuǎn)速隨

17、著水位的變化而自動改變，使系統(tǒng)能夠在最快地響應(yīng)用戶用水要求的同時，在時間上最大限度地工作在高效區(qū)，這樣，系統(tǒng)運行的效率就可以提高，此時的系統(tǒng)工作于最佳狀態(tài)，從而提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，達到系統(tǒng)穩(wěn)定性與快速性的較好結(jié)合。 . . . 4 / 61第 2 章 PLC 結(jié)構(gòu)和工作原理2.1 PLC 組成與基本結(jié)構(gòu)PLC 是微機技術(shù)和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物，從廣義上講，PLC 也是一種計算機系統(tǒng)，只不過它比一般計算機具有更強的擴展性與工業(yè)過程相連接的輸入/輸出接口，具有更適用于控制要求的編程語言，具有更適應(yīng)于工業(yè)環(huán)境的抗干擾性能。因此，PLC 是一種工業(yè)控制用的專用計算機，它的實際組成與一般微型計

18、算機系統(tǒng)基本一樣，也是由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成。 2.1.1 PLC 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)目前 PLC 種類多，功能和指令系統(tǒng)也都各不一樣，但都是以微處理器為核心用做工業(yè)控制的專用計算機，所以其結(jié)構(gòu)和工作原理都大致一樣，硬件和微機相似。主要包括 CPU、存儲器 RAM 和 ROM、輸入輸出接口電路、電源、I/O 擴展接口、外部設(shè)備接口等。其部也是采用總線結(jié)構(gòu)來進行數(shù)據(jù)和指令的傳輸。 . . . 5 / 61圖 2-1 PLC 結(jié)構(gòu)示意圖如圖 2-1 所示。PLC 控制系統(tǒng)有輸入量PLC輸出量組成，外部的各種開關(guān)信號、模擬信號、傳感器檢測的各種信號均作為 PLC 的輸入量，它們經(jīng) PLC 外部輸入

19、端子輸入到部寄存器中，經(jīng) PLC 部邏輯運算或其他各種運算，處理后送到輸出端子，作為 PLC 的輸出量對外圍設(shè)備進行各種控制。由此可見，PLC 的基本結(jié)構(gòu)由控制部分、輸入和輸出部分組成。2.1.2 PLC 的基本工作原理由于 PLC 以微處理器為核心，故具有微機的許多特點，但它的工作方式卻與微機有很大的不同。微機一般采用等待命令的工作方式，如常見的鍵盤掃描方式或 I/O 掃描方式，若有鍵按下或 I/O 變化，則轉(zhuǎn)入相應(yīng)的子程序，若無則繼續(xù)掃描等待。PLC 則是采用循環(huán)掃描的工作方式。對每個程序，CPU 從第一條指令開始執(zhí)行，按指令步序號做周期性的程序循環(huán)掃描，如果無跳轉(zhuǎn)指令，則從第一條指令開始

20、逐條順序執(zhí)行用戶程序，直至遇到結(jié)束符號后返回第一條指令，如此周而復(fù)始不斷循環(huán)，每一個循環(huán)稱為一個掃描周期。PLC 的工作過程就是 PLC 的掃描循環(huán)工作過程，一個循環(huán)掃描周期主要可分為 3 個階段，輸入刷新階段、程序執(zhí)行階段、輸出刷新階段。如圖 2-2 所示 PLC 的掃描工作過程。 . . . 6 / 61圖 2-2 PLC 的掃描工作過程2.2 PLC 的主要應(yīng)用經(jīng)過 20 多年的工業(yè)運行，PLC 迅速滲透到工業(yè)控制的各個領(lǐng)域，從 PLC 的功能來看，它的應(yīng)用圍大致包括以下幾個方面：（1）邏輯控制 PLC 具有邏輯運算功能，可以實現(xiàn)各種通斷控制。（2）定時控制 PLC 具有定時功能。它為用

21、戶提供幾十個甚至上千個計時器，其計時時間設(shè)定值既可以由用戶程序設(shè)定，也可以由操作人員在工業(yè)現(xiàn)場通過人機對話裝置實時設(shè)定，計時器的實際計時值也可以通過人機對話裝置實時讀出或（3）計數(shù)控制 PLC 具有計數(shù)功能。它為用戶提供幾十個甚至上千個計數(shù)器，其計數(shù)設(shè)定值的設(shè)定方式同計時器計時時間設(shè)定值一樣。計數(shù)器的實際計數(shù)值也可以通過人機對話裝置實時讀出。（4）步進（順序）控制 PLC 具有步進（順序）控制功能。在新一代的 PLC中，還可以 IEC 規(guī)定的用于順序控制的標(biāo)準(zhǔn)化語言順序功能圖（SFC）編制用戶程序，PLC 在實現(xiàn)按照事件或輸入狀態(tài)的順序控制相應(yīng)輸出的場合更簡便。（5）PID 控制 PLC 具有

22、 PID 控制功能。PLC 可以接模擬量輸入和輸出模擬量信號。通常采用專門的 PID 控制模塊來實現(xiàn)。（6）數(shù)據(jù)處理 PLC 具有數(shù)據(jù)處理能力。它能進行自述運算數(shù)據(jù)比較、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)制轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)顯示和打印，數(shù)據(jù)通信等功能。新一代的大，中型 PLC還能進行函數(shù)運算，浮點運算等。（7）通信和聯(lián)網(wǎng) 新一代的 PLC 都具有通信功能。它既可以對遠程 I/O 進行控制，又能實現(xiàn) PLC 和 PLC，PLC 和計算機之間的通信。因此，可以方便地構(gòu)成“集中管理，分散控制”的分布式控制系統(tǒng)。（8）PLC 還具有許多特殊功能模塊，適用于各種特殊控制的要求，例如：定位控制模塊，CRT 模塊等。2.3 S7-200

23、 系列可編程控制器德國的西門子（SIEMENS）公司是歐洲最大的電子和電氣設(shè)備制造商，生產(chǎn)的 SIMATIC 可編程序控制器在歐洲處于領(lǐng)先地位。其第一代可編程序控制器是于1975 年投放市場的 SIMATIC S3 系列控制系統(tǒng)。 1979 年微處理器技術(shù)被應(yīng)用到 . . . 7 / 61可編程序控制器中后，產(chǎn)生了 SIMATIC S5 系列，隨后在 20 世紀(jì)末又推出了 S7系列產(chǎn)品。2.3.1S7-200 PLC 系統(tǒng)組成1 1CPUCPU 模塊從 CPU 模塊的功能來看，SIMATIC S7-200 系列小型可編程序控制器的發(fā)展，大致經(jīng)歷了兩代：第一代產(chǎn)品其 CPU 模塊為 CPU 21

24、X，主機都可進行擴展，它具有四種不同結(jié)構(gòu)配置的 CPU 單元：CPU 212，CPU 214，CPU 215 和 CPU 216。第二代產(chǎn)品其 CPU 模塊為 CPU 22X，是在 21 世紀(jì)初投放市場的，速度快，具有較強的通信能力。它具有四種不同結(jié)構(gòu)配置的 CPU 單元：CPU 221，CPU 222、CPU 224 和 CPU 226，除 CPU 221 之外，其他都可加擴展模塊。2 輸入輸出擴展模塊 （1） 設(shè)備連接 圖 2-3 I/O 擴展示意圖（2） 最大 I/O 配置的預(yù)算 在進行 I/O 擴展時,各擴展模塊在 5VDC 下所消耗的電流應(yīng)不大于 CPU 主機模板在5VDC 下所能提

25、供的最大擴展電流. 各 CPU 在 5VDC 下所能提供的最大擴展電流如表 2-4 所示。表 2-1 CPU 提供的最大擴展電流2.3.1 S7-200 系列 PLC 元件功能1. 數(shù)據(jù)類型 . . . 8 / 61數(shù)據(jù)類型 S7-200 系列 PLC 的數(shù)據(jù)類型可以是字符串、布爾型（0 或 1） 、整數(shù)型和實數(shù)型（浮點數(shù)） 。布爾型數(shù)據(jù)指字節(jié)型無符號整數(shù)；整數(shù)型數(shù)包括 16 位符號整數(shù)（INT）和 32 位符號整數(shù)（DINT） 。2. 編程元件 （1） 輸入映像寄存器 I（輸入繼電器） 輸入映像寄存器的工作原理：輸入繼電器是 PLC 用來接收用戶設(shè)備輸入信號的接口。PLC 中的繼電器與繼電器

26、控制系統(tǒng)中的繼電器有本質(zhì)性的差別，是軟繼電器，它實質(zhì)是存儲單元 輸入映像寄存器的地址分配：S7-200 輸入映像寄存器區(qū)域有 IB0IB15 共 16 個字節(jié)的存儲單元。系統(tǒng)對輸入映像寄存器是以字節(jié)（8位）為單位進行地址分配的。（2） 變量存儲器 V 變量存儲器主要用于存儲變量?？梢源娣艛?shù)據(jù)運算的中間運算結(jié)果或設(shè)置參數(shù)，在進行數(shù)據(jù)處理時，變量存儲器會被經(jīng)常使用。變量存儲器可以是位尋址，也可按字節(jié)、字、雙字為單位尋址，其位存取的編號圍根據(jù) CPU 的型號有所不同，CPU221/222 為 V0.0V2047.7 共 2KB 存儲容量，CPU224/226 為 V0.0V5119.7共 5KB 存

27、儲容量 （3） 部標(biāo)志位存儲器（中間繼電器）M 部標(biāo)志位存儲器，用來保存控制繼電器的中間操作狀態(tài)，其作用相當(dāng)于繼電器控制中的中間繼電器，部標(biāo)志位存儲器在 PLC 中沒有輸入/輸出端與之對應(yīng)，其線圈的通斷狀態(tài)只能在程序部用指令驅(qū)動，其觸點不能直接驅(qū)動外部負載，只能在程序部驅(qū)動輸出繼電器的線圈，再用輸出繼電器的觸點去驅(qū)動外部負載。 （4） 特殊標(biāo)志位存儲器 SM PLC中還有若干特殊標(biāo)志位存儲器, 特殊標(biāo)志位存儲器位提供大量的狀態(tài)和控制功能，用來在CPU和用戶程序之間交換信息，特殊標(biāo)志位存儲器能以位、字節(jié)、字或雙字來存取。（5） 定時器 T PLC 所提供的定時器作用相當(dāng)于繼電器控制系統(tǒng)中的時間繼

28、電器。每個定時器可提供無數(shù)對常開和常閉觸點供編程使用。其設(shè)定時間由程序設(shè)置。 （6） 計數(shù)器C計數(shù)器用于累計計數(shù)輸入端接收到的由斷開到接通的脈沖個數(shù)。計數(shù)器可提供無數(shù)對常開和常閉觸點供編程使用，其設(shè)定值由程序賦予。 . . . 9 / 61（7） 累加器 AC 累加器是用來暫存數(shù)據(jù)的寄存器，它可以用來存放運算數(shù)據(jù)、中間數(shù)據(jù)和結(jié)果。CPU 提供了 4 個 32 位的累加器，其地址編號為 AC0AC3。累加器的可用長度為 32 位，可采用字節(jié)、字、雙字的存取方式，按字節(jié)、字只能存取累加器的低 8 位或低 16 位，雙字可以存取累加器全部的 32 位。2.4 PID 控制器簡介基于偏差的比例(Pro

29、portlonal)、積分(Integral)和微分(Derivative)的控制器簡稱為 PID 控制器，它是工業(yè)過程控制中最常見的一種過程控制器。由于PID 控制器算法簡單、魯棒性強，因而被廣泛應(yīng)用于化工、冶金、機械、熱工和輕工等工業(yè)過程控制系統(tǒng)中。盡管工業(yè)自動化飛速發(fā)展，但是 PID 控制技術(shù)仍然是工業(yè)過程控制的基礎(chǔ)。根據(jù)日本有關(guān)調(diào)查資料顯示，在現(xiàn)今使用的各種控制技術(shù)中，PID 控制技術(shù)占84.5%，優(yōu)化 PID 控制技術(shù)占 6.8%，現(xiàn)代控制技術(shù)占 1.6%，手動控制占 66%，人工智能(Al)控制技術(shù)占 0.6%。如果把 PID 控制技術(shù)和優(yōu)化 PID 控制技術(shù)加起來，則占到了 90

30、%以上，而文獻指出，工業(yè)過程控制中，95%以上的回路具有 PID 結(jié)構(gòu)。因此，可以毫不夸地說，隨著工業(yè)現(xiàn)代化和其他各種先進控制技術(shù)的發(fā)展，PID控制技術(shù)仍然不過時，并且它還占著主導(dǎo)地位。同時，由于工業(yè)過程對象的精確模型難以建立，系統(tǒng)參數(shù)又經(jīng)常發(fā)生變化，因而在用 PID 控制器進行調(diào)節(jié)時，又往往難以得到最佳的控制效果。2.4.1 PID 控制器的結(jié)構(gòu)與原理PID 控制器是一種基于偏差“過去、現(xiàn)在和未來”信息估計的有效而簡單的控制算法。常規(guī) PID 控制系統(tǒng)原理圖如圖 2-4 示。 . . . 10 / 61圖 2-4PID 控制系統(tǒng)原理圖整個系統(tǒng)主要由 PID 控制器和被控對象組成。作為一種線性

31、控制器，PID 控制器根據(jù)給定值 SV 和實際輸出值 PV 構(gòu)成控制偏差：即 e(t)=r(t)-y(t)(2. 1)然后對偏差按比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進行控制。由圖 2-5 得到 PID 控制器的理想算法為(2. 2)0ip)()(1)(KU(t)dttdeTdtteTted或者寫成常見傳遞函數(shù)的形式為：(2. 3)()11 ()(isEsTsTKsUdp其中，Ti、Td 分別為 PID 控制器的比例增益、積分時間常數(shù)和微分時間常數(shù)。式(2.2)和式(2.3)是我們在各種文獻中最經(jīng)?？吹降?PID 控制器的兩種表達形式。各種控制作用(即比例作用、積分作用和微分作用

32、)的實現(xiàn)在表達式中表述的很清楚，相應(yīng)的控制器參數(shù)包括比例增益凡、積分時間常數(shù) Ti 和微分時間常數(shù)路。這三個參數(shù)的取值優(yōu)劣將影響到 PID 控制系統(tǒng)的控制效果好壞。2.4.2 數(shù)字式 PID 控制在供水系統(tǒng)的設(shè)計中，選用了具有 PID 調(diào)節(jié)模塊的變頻器來實現(xiàn)閉環(huán)控制保證供水系統(tǒng)中的壓力恒定，較好地滿足系統(tǒng)的恒壓要求。在連續(xù)控制系統(tǒng)中，常采用 proportional(比例)、Integral(積分)、Derivative(微分)控制方式，稱之為 PID 控制。PID 控制是連續(xù)控制系統(tǒng)術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的控制方式。具有以下優(yōu)點:理論成熟，算法簡單，控制效果好，易于為人們熟悉和掌握。PID 控

33、制器是一種線性控制器，它是對給定值 r(t)和實際輸出值 y(t)之間的偏差 e(t):e(t)=y(t)一 r(t)(2.4)()11 ()(1sEsTsTKsUdp經(jīng)比例(P)、積分(I)和微分(D)運算后通過線性組合構(gòu)成控制量 u(t)，對被控對象進行控制，故稱 PID 控制器。系統(tǒng)由模擬 PID 控制器和被控對象組成，其控制系統(tǒng)原理框圖如圖 2-5 所示，圖中 u(t)為 PID 調(diào)節(jié)器輸出的調(diào)節(jié)量。 . . . 11 / 61圖 2-5 PID 控制原理圖PID 控制器規(guī)律為：（2.5）dttdeTdtteTteKtyDp)()(1)()(1式中：為比例系數(shù)；為積分時間常數(shù)；為微分時

34、間常數(shù)。pK1TDT相應(yīng)地傳遞函數(shù)形式：（2.6）)11 ()()()(G1sTsTKsEsUsDpPID 控制器各環(huán)節(jié)的作用與調(diào)節(jié)規(guī)律如下:l)比例環(huán)節(jié):成比例地反映控制系統(tǒng)偏差信號的作用，偏差 e(t)一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。比例環(huán)節(jié)反映了系統(tǒng)對當(dāng)前變化的一種反映。比例環(huán)節(jié)不能徹底消除系統(tǒng)偏差，系統(tǒng)偏差隨比例系數(shù)凡的增大而減少，比例系數(shù)過大將導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。2)積分環(huán)節(jié):表明控制器的輸出與偏差持續(xù)的時間有關(guān)，即與偏差對時間的積分成線性關(guān)系。只要偏差存在，控制就要發(fā)生改變，實現(xiàn)對被控對象的調(diào)節(jié)，直到系統(tǒng)偏差為零。積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱

35、取決于積分時間常數(shù)越大，積分作用越弱，易引起系統(tǒng)超調(diào)量加大，反之則越強，易引起系統(tǒng)振蕩。3)微分環(huán)節(jié):對偏差信號的變化趨勢(變化速率)做出反應(yīng)，并能在偏差信號變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)時間。微分環(huán)節(jié)主要用來控制被調(diào)量的振蕩，減小超調(diào)量，加快系統(tǒng)響應(yīng)時間，改善系統(tǒng)的動態(tài)特性。但過大的偏差信號對于干擾信號的抑制能力卻將減弱。PID 的三種作用是相互獨立，互不影響。改變一個調(diào)節(jié)參數(shù)，只影響一種調(diào)節(jié)作用，不會影響其他的調(diào)節(jié)作用。然而，對于大多數(shù)系統(tǒng)來說，單獨使用一種控制規(guī)律都難以獲得良好的控制性能。如果能將它們的作用作適當(dāng)?shù)呐浜?，可以使調(diào)節(jié)器快速

36、，平穩(wěn)、準(zhǔn)確的運行，從而獲得滿意的控制效果。自從計算機 . . . 12 / 61進入控制領(lǐng)域以來，用數(shù)字計算機代替模擬調(diào)節(jié)器來實現(xiàn) PID 控制算法具有更大的靈活性和可靠性。數(shù)字 PID 控制算法是通過對式（2.6）離散化來實現(xiàn)的。用一系列的采樣時刻點 nT 代表連續(xù)時間，用矩形法數(shù)值積分近似代替連續(xù)系統(tǒng)的積分，以一階后向差分近似代替連續(xù)系統(tǒng)的微分，得到 PID 位置控制算法表達式:（2.7）) 1()()()()(0neneTTjeTTneKnuDnjIp式中:T 為采樣周期;n 為采樣序號;e(n)為第 n 時刻的偏差信號;e(n-l)為第 n-1時刻的偏差信號。PID 位置控制算法采用

37、全量輸出，一方面需要計算本次與上次的偏差信號 e(n)和 e(n-l)，而且還要把歷次的偏差信號 e(j)相加，計算繁鎖，占用存大;另一方面計算機輸出的控制量 u(n)對應(yīng)的是執(zhí)行機構(gòu)的實際位置偏差，如果位置傳感器出現(xiàn)故障，u(n)可能出現(xiàn)大幅度變化，引起執(zhí)行機構(gòu)的大幅度變化，這是不允許的。為此實際控制中多采用增量式 PID 控制算法，其表達式為（2.8）:1( )( )(1)( )(1)( )pU nu nu nKe ne nK e n（2.8）( )2 (1)(2)DKe ne ne n式中：為調(diào)節(jié)器輸出的控制增量：( )U n1;DIPDPTTKKKKTT增量式算法中不需要累加，調(diào)節(jié)器輸

38、出的控制增量 Au(n)僅與最近幾次采樣有關(guān)，所以誤動作時影響較小，必要時可以通過邏輯判斷去掉過大的增量，而且較容易通過加權(quán)處理獲得比較好的控制效果。2.4.3 數(shù)字式 PID 控制的實現(xiàn)PID 控制器是控制系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的一種控制器，在工業(yè)過程控制中得到了普遍的應(yīng)用。過去的 PID 控制器通過硬件模擬實現(xiàn)，但隨著微型計算機的出現(xiàn)，特別是現(xiàn)代嵌入式微處理器的大量應(yīng)用，原先 PID 控制器中由硬件實現(xiàn)的功能都可以用軟件來代替實現(xiàn)，從而形成了數(shù)值 PID 算法，實現(xiàn)了由模擬 PDI 控制器到數(shù)字 PID 控制器的轉(zhuǎn)變。數(shù)字 PID 控制器在實際應(yīng)用中可分為兩種:位置式 PID控制器和增量式 PI

39、D 控制器。應(yīng)用中，位置式 PID 控制器和增量式 PID 控制器的算法實現(xiàn)分別如圖 2-6 和 . . . 13 / 61圖 2-7 所示。圖 2-6 位置式 PID 算法實現(xiàn) 圖 2-7 增量式 PID 算法實現(xiàn) . . . 14 / 61第 3 章 水塔水位控制系統(tǒng)方案設(shè)計在傳統(tǒng)的水塔、水箱供水的基礎(chǔ)上，加入了 PLC 與液壓變送器等器件。利用PLC 和組態(tài)軟件來實現(xiàn)水塔水位的控制，提供了一種實用的水塔水位控制方案。隨著社會的發(fā)展和人民生活水平的提高，對城市供水提出了更高的要求，有一個水箱需要維持一定的水位，該水塔里的水以變化的速度流出。這就需要有一個輸入控制液體閥以不同的速度給水塔供水

40、，以維持水位的變化，這樣才能使水塔不斷水。3.1 系統(tǒng)的工作原理在系統(tǒng)中，只使用比例和積分控制，其回路增益和時間常數(shù)可以通過工程計算初步確定，但還需要進一步調(diào)整達到最優(yōu)控制效果。系統(tǒng)啟動時，關(guān)閉出水口，用于動控制輸入控制液體閥，使水位達到滿水位的 75%，然后打開出水口，同時輸入控制液體閥從手動方式切換到自動方式。這種切換由一個輸入的數(shù)字量控制。3.1.1設(shè)計分析如圖 3-1，“水塔水位自動控制系統(tǒng)”的控制對象為水泵，容器為水塔或儲液罐。水位高度正常情況下控制在 C、D 之間，如圖 3-1。當(dāng)水位在低于 C 點時，水泵開始進水，如圖 3-1。當(dāng)水位高于 D 點時，水泵停止進水，如圖 3-1。當(dāng)

41、水位低于 C 點并到達 B 點時就報警，采取手動啟動水泵，如圖 3-1。當(dāng)水位超過 D 點并到達 E 點時上限報警，采取強制停止水泵，水位從溢流口流出，如圖 3-1。 . . . 15 / 61圖 3-1 設(shè)計分析示意圖3.1.2可行性試驗圖 3-2 為水塔水位控制器的外觀正視圖，由電源指示燈、報警確認(rèn)燈、水位指示燈以與報警確認(rèn)開關(guān)組成。接通電源時，電源指示燈亮，當(dāng)水塔中水深處于不同位置時，水位指示燈 B、C、D、E 情況不同。圖 3-2 水塔水位控制器外觀圖 . . . 16 / 61當(dāng)水位處于 B 點之下，指示燈 B、C、D、E 全亮，報警電路開始報警，即下限報警。 當(dāng)水位處于 B、C 之

42、間，指示燈 B 滅，C、D、E 亮，水泵開始進水。 當(dāng)水位處于 C、D 之間，指示燈 B、C 滅，C、D 亮，保持狀態(tài)，即保持進水。 當(dāng)水位處于 D、E 之間，指示燈 B、C、D 滅，E 亮，停進狀態(tài)，即水泵不工作。 當(dāng)水位處于 E 點之上，指示燈 B、C、D、E 全滅，水泵不工作，報警電路開始溢出報警，即上限報警。報警電路可以手動關(guān)閉，只要按下報警確認(rèn)開關(guān)，就可以解除報警的蜂鳴聲。此時，報警確認(rèn)燈亮起。處理完故障時，必須關(guān)閉報警確認(rèn)燈，報警確認(rèn)電路復(fù)位，恢復(fù)其監(jiān)測故障的功能。3.1.3可行性分析此方案采用純硬件電路設(shè)計，避免了軟件程序設(shè)計中的不穩(wěn)定因素，提高了實際運用中的可靠性。同時，對于不

43、同類型的液體，此系統(tǒng)均有良好的兼容性。當(dāng)水塔中液體改變時，只需要將電位器中的阻值和該液體的阻值調(diào)節(jié)到一個數(shù)量級上就可以很方便的實現(xiàn)此液體的水位控制操作。試驗證明，此水塔水位控制器不僅實現(xiàn)了對水塔水位的精確控制，而且，此系統(tǒng)更具有工業(yè)生產(chǎn)的實際性。3.2 水位閉環(huán)控制系統(tǒng) . . . 17 / 61圖 3-3 供水系統(tǒng)控制原理圖M1、M2水泵 Y0-Y3液位開關(guān) F1手閥 F2電磁閥 為了精確的實現(xiàn)對水位的控制，必須建立閉環(huán)控制系統(tǒng)。根據(jù)水塔中的進、出水的水位可以自動控制水泵，使水位處于動態(tài)的平衡狀態(tài)。供水系統(tǒng)的基本原理如圖 3-3 所示，水位閉環(huán)調(diào)節(jié)原理是：通過在水塔中的三個液壓變送器，將水位

44、值變換為 420 mA 電流信號進入 PLC，把該信號和 PLC 中的設(shè)定值的程序進行比較，并執(zhí)行較后程序，通過水泵的開關(guān)對水塔中的水位進行自動控制。當(dāng) PLC 出現(xiàn)故障時，還有一套手動控制來進行對水塔水位控制。手動控制采用交流接觸器。上水箱液位低于 Y3 時，M1、M2 同時工作，F(xiàn)2 打開。液位上升至 Y2 時，M2停止，F(xiàn)2 關(guān)閉，M1 繼續(xù)工作。液位上升至 Y1 時，M1 也停止。打開 F1 手閥使上水箱放水，液位下降。當(dāng)液位又低于 Y1 時 M1 起動工作，如 F1 開度較大下水量大于上水量，使液位繼續(xù)下降至 Y2 時，M2 啟動工作同時 F2 打開，使上水量大幅上升，保持液位。Y0

45、 為下水箱缺水報警開關(guān)下水箱液位低于 Y0 時意味著水泵進水口缺水，此時應(yīng)自動切斷電源并報警。圖 3-4 水位閉環(huán)控制圖 . . . 18 / 613.2.1 PLC 的選擇由于該系統(tǒng)為中型 PLC 自動控制系統(tǒng)，要求 PLC 能夠提供可編程邏輯分析和PID 功能，故選用中達公司生產(chǎn)的臺達 DVP14ES00R 可編程邏輯控制器。臺達DVP14ES00R 具有標(biāo)準(zhǔn)的輸入、輸出與通信單元，可用于較為惡劣的環(huán)境中。主要配件有中央處理器 CPU，電源單元 PSE，I/O 單元。包括數(shù)字輸入板 IDPG、數(shù)字輸出板 ODPG、附屬單元。3.2.2 供水的控制方法圖 3-5 給水泵控制原理圖系統(tǒng)的硬件接

46、線圖如圖 3-5 所示。從整個流程中可以看到兩套控制方式：由一臺可編程序控制器來控制兩臺水泵的自動運行。由交流接觸器來控制兩臺水泵的手動運行。當(dāng)換項開關(guān) KKl 打到手動時，按下起動按鈕 SBl，1#泵起動運行向水塔注水，由于設(shè)置了順序開啟和逆序關(guān)閉，在 1#泵沒有開起的情況下，2#泵不能起動運行，而在兩個水泵同時運行時，2#泵在沒有停止的情況下，1#泵不能夠停止。現(xiàn)在 1#泵運行的時候，按下起動按鈕 SB2，2#泵起動運行向水塔注水。 . . . 19 / 61此時，控制臺上的水位燈，由水塔中的液位變送器將水位變換為 420mA 電流信號輸入到 PLC 中，經(jīng) IDPG 將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。

47、該信號與水位給定值進行比較，由 PLC 輸出一個控制信號經(jīng) ODPG 轉(zhuǎn)換控制信號點亮此時水塔水位所在的水位燈。當(dāng)換項開關(guān) KK1 打到自動時，系統(tǒng)將根據(jù)水塔中水位的情況，通過在水塔中的液位變送器送出的 420 mA 電流信號由 PLC 接受并對其于給定值進行比較，執(zhí)行事先編譯好的程序。程序流程是：在水塔中無水時，1#、2#泵同時開起，對水塔進行注水；水位到達低水位時，控制臺上的低水位燈點亮；水位到達中水位時，2#泵停止，1#泵繼續(xù)運行，中水位燈點亮；水位到達高水位時，1#、2#泵都停止，高水位燈點亮。而當(dāng)下水箱水位到達報警水位的時候，報警器開始報警，并切斷1#、2#泵的運行。系統(tǒng)各種功能的實

48、現(xiàn)：1水位顯示與報警功能為了與時觀測到水塔中的水位，特別在控制臺上安裝了 4 盞水位顯示燈，并將它們與 PLC 連接，根據(jù)變送器給PLC 的信號，由 PLC 輸出信號開啟這 4 盞水位燈來顯示當(dāng)前水塔水位的情況。其中一盞燈是報警燈，在下水箱缺水的時候進行報警，提醒工作人員前來處理。2手動/自動功能 為了系統(tǒng)能正常運行，設(shè)置兩套手動/自動運行方式。手動方式是利用繼電器-接觸器控制，可以在環(huán)境比較惡劣的條件下繼續(xù)工作，自動方式是利用 PLC 來控制。3組態(tài)軟件功能在這里利用組態(tài)軟件的采集數(shù)據(jù)的功能，對水塔的水位進行實時監(jiān)控，通過實際的數(shù)字和圖表反映出現(xiàn)在的水位狀況。第 4 章 PLC 中 PID

49、控制器的實現(xiàn) . . . 20 / 614.1 PID 算法PID(ProPortiona1IntegralDerivative)是工業(yè)控制常用的控制算法，無論在溫度、流量等慢變化過程，還是速度、位置等快速變化的過程，都可以得到很好的控制效果。PID 控制算法一般由比例項+積分項+微分項組成。積分項的作用是消除系統(tǒng)靜差，而微分項則改善系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度。PLC 技術(shù)不斷增強，運行速度不斷提高;不但可以完成順序控制的功能，還可以完成復(fù)雜的閉環(huán)控制。圖 4-1 是常見閉環(huán)控制系統(tǒng)的構(gòu)成。4-1 閉環(huán)控制系統(tǒng)作為閉環(huán)控制的重要特征，采用了“誤差”的概念，即:在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，利用給定輸入 sP(t)

50、與實際輸出 c(t)經(jīng)過測量裝置裝置轉(zhuǎn)換后的反饋量 Pv(t)之間的差值 e(t)作為控制量，來實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。在實際閉環(huán)控制系統(tǒng)中，誤差 e(t)一個很小的變化量。因此，為了對系統(tǒng)進行更精確的控制，消除系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)的輸出誤差，改善系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)性能，需要對誤差進行放大(比例調(diào)節(jié) P)、積分(積分調(diào)節(jié) I)、微分(微分調(diào)節(jié) D)，才能有效地控制系統(tǒng)中的執(zhí)行機構(gòu)，保證系統(tǒng)具有良好的動、靜態(tài)性能。在自動控制系統(tǒng)中，用來對誤差進行放大、積分、微分等處理的裝置稱為“調(diào)節(jié)器” ，當(dāng)調(diào)節(jié)器具有“放大” 、 “積分” 、 “微分”功能時，即成為 PID 調(diào)節(jié)器。在變頻恒壓供水自動控制系統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)和應(yīng)用實踐

51、中，經(jīng)常采用 PID 控制器、軟件 PID 以與變頻器置 PID 來實現(xiàn)系統(tǒng)的 PID 調(diào)節(jié)功能，三種方法各具優(yōu)缺點，本設(shè)計選用 PID 算法的 PLC 實現(xiàn)方法。4.2 PID 應(yīng)用 . . . 21 / 61在工業(yè)生產(chǎn)中，常常需要用閉環(huán)控制方式來控制溫度、液位、壓力、流量等連續(xù)變化的模擬量。無論是使用模擬控制器的模擬控制系統(tǒng)，還是使用計算機（包括 PLC）的數(shù)字控制系統(tǒng)，PID 控制都等到了廣泛的應(yīng)用。PID 控制簡單易懂，使用中不必能清楚系統(tǒng)的數(shù)字模型。有人稱贊它是控制領(lǐng)域的常青樹是不無道理的。PID 控制器是比例-積分-微分控制(Proportional-Integral-Deriva

52、tive)的簡稱,之所以得到廣泛應(yīng)用是因為它具有如下優(yōu)點：（1）不需要精確地控制系統(tǒng)數(shù)字模型。由于非線性和時變性很多工業(yè)控制對象難以得到其準(zhǔn)確的數(shù)字模型，因此不能使用控制理論中的設(shè)計方法。對于這一類系統(tǒng)，使用 PID 控制可以得到比較滿意的效果。（2）有較強的靈活性和適應(yīng)性。積分控制可以消除系統(tǒng)的靜差，微分控制可以改善系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)速度，比例、積分、微分控制三者有效地結(jié)合就可以滿足不同的控制要求。根據(jù)被控制對象的具體情況，還可以采用各種 PID 控制的變種和改進的控制方式，如 PI、PD、帶死區(qū)的 PID、積分分離 PID、變速積分 PID 等。（3）PID 控制器的結(jié)構(gòu)典型，程序簡單，工程上易

53、于實現(xiàn)，參數(shù)調(diào)整方便。在 PLC 控制系統(tǒng)中，經(jīng)常采用模擬量輸入/輸出模塊實現(xiàn)模擬量的數(shù)字化處理，本系統(tǒng)選擇 S7-20O 系列 EM235 模擬量模塊，對管網(wǎng)壓力信號進行采樣，并通過變頻器調(diào)整液壓閥輸入與輸出。4.3 PLC 實現(xiàn) PID 控制的方式用 PLC 對模擬量進行 PID 控制時，可以采用以下幾種方法：（1） 使用 PID 過程控制模塊這種模塊的 PID 控制程序是 PLC 生產(chǎn)廠家設(shè)計的，并存放在模塊中，用戶在使用時只需設(shè)置一些參數(shù)，使用起來非常方便，一塊模塊可以控制幾路甚至幾十路閉環(huán)回路，但是這種模塊的價格較高，一般在大型控制系統(tǒng)中使用。（2） 使用 PID 功能指令現(xiàn)在很多

54、PLC 都有供 PID 控制用的功能指令，如 S7-200 的 PID 指令。它們實際上是用于 PID 控制的子程序，與模擬量的輸入/輸出模塊一起使用，可以得到類似于是用 PID 過程控制模塊的效果，但是價格便宜得多。 . . . 22 / 61(3) 用自編的程序?qū)崿F(xiàn) PID 閉環(huán)控制有的 PLC 沒有 PID 過程控制模塊和 PID 控制用的功能指令，有時雖然可以使用 PID 控制指令，但希望采用某種改進的 PID 控制算法。在上述情況下都需要用戶編制 PID 控制程序。4.4 PLC 中 PID 控制器的實現(xiàn)PLC 的 PID 控制器的設(shè)計是以連續(xù)系統(tǒng)的 PID 控制規(guī)律為基礎(chǔ)，將其數(shù)字

55、化，寫成離散形勢的 PID 控制方程，再根據(jù)離散方程進行控制程序設(shè)計。在連續(xù)系統(tǒng)中，典型的 PID 閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖 4-2 所示。圖中為給定值，( )sp t為反饋量，c(t)為系統(tǒng)的輸入量，PID 控制器的輸入輸出關(guān)系式為：( )pv t00111( )( )( )( )tcDM tKe te t dtde tdtMTT式中， 控制器的輸出，為輸出的初始值，( )M t0M= 誤差信號，( )e t( )( )sp tpv t 比例系數(shù)，cK 積分時間常數(shù)，1T 微分時間常數(shù)。DT圖 4-2 連續(xù)閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖上式中等號右邊前 3 項分別是比例、積分、微分部分，它們分別與誤差、誤差積分

56、和微分成正比。如果取其中一項或兩項，可以組成 P、PD 或 PI 控制器。假設(shè)采樣周期為，系統(tǒng)開始運行的時刻為 t=0，用矩形積分來近似精確積ST分，用差分近似精確微分，將上式離散化，第 n 次采樣時控制器的輸出為：1101()nncnjDnnjMK eKeKeeM式中， 第 n-1 次采樣誤差值，1ne . . . 23 / 61 積分系數(shù)，1K 微分系數(shù)。DK在 S7-200PLC 中，實際使用的 PID 算法為：( )( )( )( )pIDM nMnMnMn式中： 第 n 次采樣的調(diào)節(jié)器輸出( )M n 比例項 ( )pMn( )( )pCMnK e n 積分項 ( )IMn0( )(

57、 )nIiijjMnK e nKe 微分項 ( )DMn ( )1DdMnKe ne n基于 PLC 的閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖 4-3 所示，圖中虛線部分在 PLC。這圖中的、nsp、分別為模擬量、在第 n 次采樣的數(shù)字量。npvnenM( )sp t( )pv t( )e t( )M t圖 4-3 PLC 閉環(huán)控制系統(tǒng)方框在許多控制器系統(tǒng)，可能只需要 P、I、D 中的一種或兩種控制器類型。例如，可能只要求比例控制或積分控制，通過設(shè)置參數(shù)可對回路控制類型進行選擇。本系統(tǒng)只適用比例和積分控制，其回路增益和時間常數(shù)可以通過工程計算初步確定，但還需要近一步調(diào)整已達到最優(yōu)控制效果。系統(tǒng)啟動時，關(guān)閉出水口。用

58、手動控制液體閥，使水位達到滿水位的 75%，然后打開出水口，同時輸入控制液體閥從手動方式切換到自動方式。這種切換有一個輸入的數(shù)字量控制。 . . . 24 / 614.5 PID 指令與回路表S7-200 的 PID 指令圖如圖 4-4 所示。圖 4-4 PID 指令圖指令中 TBL 是回路表的起始地址，LOOP 是回路編號。編譯時如果指令指定的回路表起始地址或回路號超出圍，CUP 將產(chǎn)生編譯錯誤（圍錯誤） ，引起編譯失敗。PID 指令對回路表中的某些輸入值不進行圍檢查，應(yīng)保證過程變量、給定值等不超限。回路表見表 4-1.過程變量與給定值是 PID 運算的輸入值，在回路表中它們只能被 PID

59、指令讀取而不能改寫。每次完成 PID 運算后，都要更新回路表的輸出值，它被限制nM在 0.01.0 之間。表 4-1 PID 指令的回路表偏移地址變量格式類型描述0過程變量npv雙字實數(shù)輸入應(yīng)在 0.01.0 之間4給定值nsp雙字實數(shù)輸入應(yīng)在 0.01.0 之間8輸出值nM雙字實數(shù)輸入/輸出應(yīng)在 0.01.0 之間12增益cK雙字實數(shù)輸入比例常數(shù)，可正可負16采樣時間sT雙字實數(shù)輸入單位為 s，必須為正20積分時間1T雙字實數(shù)輸入單位為 min，必須為正24微分時間DT雙字實數(shù)輸入單位為 min，必須為正28上一次的積分值雙字實數(shù)輸入/輸出應(yīng)在 0.01.0 之間32上一次過程變量雙字實數(shù)輸

60、入/輸出最近一次運算的過程變量值如果 PID 指令中的算術(shù)運算發(fā)生錯誤，特殊存儲器位 SM1.1（溢出或非法數(shù) . . . 25 / 61值）被置 1，并將終止 PID 指令的執(zhí)行。要想消除這種錯誤，在下一次執(zhí)行 PID運算之前，應(yīng)改變引起運算錯誤的輸入值，而不是更新輸出值。 . . . 26 / 61第 5 章系統(tǒng)硬件開發(fā)設(shè)計5.1 可編程控制器的選型可編程控制器產(chǎn)品眾多，不同廠家、不同系列、不同型號的 PLC，功能和結(jié)構(gòu)均有所不同，但工作原理和組成基本一樣。本設(shè)計選用西門子公司的 S7-200 PLC 系列，其具結(jié)構(gòu)緊湊，價格低廉，有極高的性價比，適用于小型控制系統(tǒng)。它采用超高電容保護存數(shù)