液位自動控制系統(tǒng)的研究-畢業(yè)(設(shè)計)論文論文

液位自動控制系統(tǒng)的研究鞍山科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）第PAGEI頁液位自動控制系統(tǒng)的研究摘要水位控制系統(tǒng)設(shè)計是模擬工業(yè)生產(chǎn)過程中對水位、流量參數(shù)進行測量、控制、觀察其變化特性，研究過程控制規(guī)律的課題，它主要研究過程控制中動態(tài)過程的一般特點——大慣性、大時延、非線性，難以對其進行精確控制，從而使其成為控制理論與控制工程、過程控制教學(xué)、試驗和研究的理想對象。本課題首先對水位控制系統(tǒng)做了整體的分析并簡單介紹了水位控制系統(tǒng)的控制平臺；然后詳細介紹了PLC可編程控制器并詳細分析了基于PLC的PID控制和串級PID控制，對串級控制系統(tǒng)的特點和主副回路設(shè)計進行了詳述,設(shè)計了雙容水箱串級水位控制系統(tǒng),并根據(jù)4：1衰減曲線法對PID參數(shù)進行整定；最后根據(jù)理論分析進行水位控制系統(tǒng)實驗，實驗結(jié)果表明系統(tǒng)具有優(yōu)良的控制精度和穩(wěn)定性。關(guān)鍵詞：水位自動控制系統(tǒng)，PLC技術(shù)，PID控制，串級控制TheResearchofTheWaterLevelAutomaticControlSystemAbstractThewaterlevelcontrolsystemdesignisatopic,whichallowsstudyoftheprinciplesofprocesscontrolastheprocessvariables,forexamplethelevelandflux,tobemeasured,controlledandobservedforitsvariabilityduringthesimulationprocessofmodemindustrialmanufacture.Ithasthecommoncharacteristicofdynamicprocessinprocesscontrolsuchasgreatinertia,largerdelay,nonlinearanddifficulttobecontrolledprecisely,sothatitbecomesaperfectobjectinthefieldofcontroltheoryandcontrolengineering,processcontrolteaching,testingandstudy.Thistopicfirsthasmadethewholeanalysistothewaterlevelcontrolsystemandsimplyintroducesthewaterlevelsystemcontrolplatform,thenintroducesthePLCprogrammablecontrollerindetailandamplyanalysesthePIDcontrolandthecascadePIDcontrolwhichbasedonPLC.Itintroducesthecascadecontrolsystemcharacteristicandthehostvice-returnroutedesignindetail.Thetwo-tankwaterlevelcascadecontrolsystemhasbeendesigned.ThenitcarriesonthePIDparameterby4:1decaycurvelaw;finallythewatercontrolsystemexperimenthasbeendonebythetheoreticalanalysis.Theexperimentalresultindicatesthesystemhasthefinecontrolprecisionandthestability.Keywords:waterlevelcontrolsystem,PLC,PIDcontrol,cascadecontrol目錄TOC\o\h\z摘要 IAbstract II1緒論 11.1引言 11.2水位控制當(dāng)前的研究動態(tài) 11.3PID調(diào)節(jié)器概述 21.3.1PID控制特點 21.3.2PID控制中尚需解決的問題 31.4本文的主要工作 42水位控制系統(tǒng)的整體分析 52.1水位控制系統(tǒng)的整體設(shè)計 52.2控制平臺介紹 52.2.1電源控制屏 52.2.2交流變頻調(diào)速器 62.3被控對象介紹 63可編程序控制器PLC概述 83.1PLC的基本結(jié)構(gòu) 83.1.1CPU模塊 83.1.2I/O模塊 93.1.3編程裝置 93.1.4電源 103.2西門子S7-200PLC簡介 103.2.1西門子S7-200PLC的功能概述 103.2.2西門子S7-200PLC的特點 113.2.3西門子S7-200PLC的硬件結(jié)構(gòu) 113.2.4西門子S7-200PLC的工作原理 123.3西門子S7-200PLC的編程語言 143.4Step7-Micro/WIN編程軟件簡介 153.5西門子S7-200PLC的程序結(jié)構(gòu) 154PID控制器的設(shè)計 164.1PID算法概述 164.2串級控制系統(tǒng) 184.2.1串級控制系統(tǒng)的特點 184.2.2串級控制系統(tǒng)的設(shè)計 194.3基于PLC的串級控制 194.3.1控制系統(tǒng)框架 194.3.2串級系統(tǒng)的參數(shù)整定 215控制結(jié)果 225.1控制軟件簡介 225.1.1控制界面 225.1.2控制軟件的主要功能 225.2實驗結(jié)果及分析 23結(jié)束語 26致謝 27參考文獻 28附錄A（英文文獻） 30附錄B（中文譯文） 361緒論1.1引言隨著現(xiàn)代工業(yè)的進步，水位控制技術(shù)迅速發(fā)展，但與國外相比仍有很大的差距，當(dāng)國內(nèi)還在對水利采取笨拙的排水、泄水方式時，國外便開始通過先進的測控設(shè)備，對水利資源進行合理的疏導(dǎo)。水位控制系統(tǒng)是以水位為被控參數(shù)的控制系統(tǒng)，它在工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，有很多地方需要對容器內(nèi)的水位控制，使之高精度的保持在給定的數(shù)值。水位控制一般指對某一水位進行控制調(diào)節(jié)，使之達到所要求的控制精度。在本文中，以二階的水位系統(tǒng)為研究對象，以雙容水箱的水位為被控制量，主要研究基于PLC的PID控制器和串級PID控制的設(shè)計和實現(xiàn)。1.2水位控制當(dāng)前的研究動態(tài)水位自動控制系統(tǒng)作為自動控制、化工過程等領(lǐng)域中非常典型的教學(xué)實驗設(shè)備，它不僅可以作為水位過程控制的實驗設(shè)備來供學(xué)生做試驗，而且也應(yīng)用于非線性控制和故障診斷的研究項目中，因此在國內(nèi)外都受到廣泛關(guān)注[1]。文獻[8]中SacoR.等人以控制教育的目的詳細的介紹了雙容水箱水位控制系統(tǒng)的構(gòu)成，仿真建模和實時仿真；在德國杜伊斯堡大學(xué)（UniversityofDuisburg）測量與控制系的研究者使用“DTS200”模型成功地測試了非線性解耦的方法和基于模型的故障診斷方法。文獻[9]中NouraHassan等用雙容水箱水位控制系統(tǒng)作為實驗?zāi)Ｐ蛯?zhí)行器容錯控制的設(shè)計進行了研究。文獻[10]用源于離散時間李雅普諾夫（Lyapunov）理論的控制技術(shù)與對實時故障估計有自尋優(yōu)和在線自適應(yīng)能力的現(xiàn)代智能技術(shù)相結(jié)合的方法對基于多模型的在線故障診斷與定位進行了研究，并給出了在雙容水箱水位控制系統(tǒng)上進行仿真的試驗結(jié)果。文獻[11]中TsudaK.等人利用水位控制系統(tǒng)作為試驗對象提出了解決線性混雜系統(tǒng)重組問題的幾種算法。文獻[12]為四個相識非線性濾波器推導(dǎo)了敏感模型，利用這些敏感模型得出一種廣義自適應(yīng)濾波算法（GeneralAdaptiveFilteringAlgorithm），并在雙容水箱水位控制系統(tǒng)上進行了驗證。文獻[13]通過水箱水位控制系統(tǒng)的例子，說明了在一個分布式智能控制系統(tǒng)內(nèi)多個智能子系統(tǒng)之間進行動態(tài)協(xié)調(diào)的機制和大致過程。文獻[14]提出了一種推廣的基于模型的預(yù)測控制（ExtendedMPC）方案，用以龍伯格—馬夸特（Levenberg-Marquardt）算法離線訓(xùn)練非線性狀態(tài)空間神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的摸，在水箱水位控制系統(tǒng)上驗證了方案的正確性。文獻[15]利用ZIR（ZeroInputResponse）和ZSR(ZeroStateResponse)綜合控制信號，構(gòu)建基于非線性受控對象物理模型—水箱水位控制系統(tǒng)的仿真器，并利用其獲得理想的控制特性。文獻[16]將多變量投影方法和徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)良好的逼近能力結(jié)合起來，提出了一種基于嵌入徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性主成分回歸算法的過程監(jiān)測及故障診斷方法，在水箱水位控制實驗裝置上進行的實驗結(jié)果說明該方法確實能夠有效地實現(xiàn)過程監(jiān)測、快速地檢測并診斷出故障狀態(tài)。上述文獻都是以水箱水位控制系統(tǒng)為研究對象，對故障的檢測與診斷以及分離和建模及監(jiān)控策略進行了研究，并提出了很多行之有效的算法，為水箱水位控制系統(tǒng)的仿真及監(jiān)控平臺的開發(fā)提供了堅實的理論依據(jù)。1.3PID調(diào)節(jié)器概述1.3.1PID控制特點PID控制是比例積分微分控制的簡稱。在生產(chǎn)過程自動控制的發(fā)展歷程中，PID控制是歷史最久，生命力最強的基本控制方法。在上世紀(jì)40年代以前，除在最簡單的情況下可采用開關(guān)控制外，它上唯一的控制方法。此后，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展特別是電子計算機的誕生和發(fā)展，涌現(xiàn)出許多新的控制方法。然而直到現(xiàn)在，PID控制由于它自身的優(yōu)點仍然是得到最廣泛應(yīng)用的基本控制方法[2-5]。事實表明，對于PID這樣簡單的控制器，能夠適用于如此廣泛的工業(yè)與民用對象，并仍以很高的性能／價格比在市場中占據(jù)著重要地位，充分地反映了PID控制器的良好品質(zhì)。概括地講，PID控制的優(yōu)點主要體現(xiàn)在以下幾個方面：1、簡單實用，易于實現(xiàn)，性能優(yōu)良。PID控制器具有簡單而固定的形式，原理也不復(fù)雜，使用起來很方便，控制效果也很好。2、適用范圍廣泛。它可以廣泛應(yīng)用于化工、熱工、冶金、煉油以及造紙、建材等各種生產(chǎn)部門。3、魯棒性能優(yōu)良。其控制品質(zhì)對被控對象特性的變化不大敏感，在很寬的操作條件范圍內(nèi)都能保持較好的魯棒性。4、易于在線整定。它允許工程技術(shù)人員以一種簡單而直接的方式來調(diào)節(jié)系統(tǒng)。由于具有這些優(yōu)點，在過程控制中，人們首先想到的總是PID控制，但PID參數(shù)復(fù)雜繁瑣的整定過程一直困擾著工程技術(shù)人員，研究PID參數(shù)整定技術(shù)具有十分重要的工程實踐意義。1.3.2PID控制中尚需解決的問題常規(guī)的PID控制器設(shè)計大致可分為基于模型的方法和基于規(guī)則的方法。在基于模型的方法中，可先假定精確的數(shù)學(xué)模型（如FOPDT、SOPDT），通過瞬態(tài)響應(yīng)（如脈沖響應(yīng)、階躍響應(yīng)）或頻率響應(yīng)的實驗，或通過參數(shù)辨識（如最小二乘法）的方法獲得過程模型的參數(shù)，或者僅僅只獲得被控過程的某些特性參數(shù)（如臨界比例增益、臨界振蕩周期），通過這些參數(shù)來優(yōu)化控制器參數(shù)，得到我們所期望的控制器性能[6]。在這些控制器的設(shè)計方法中，所采用的性能指標(biāo)可分為兩大類[7]：一類是時域性能指標(biāo)，諸如超調(diào)量(overshot)、上升時間(risingtime)、過渡過程時間(settlingtime)、積分誤差(如IAE、ISE、ITAE)等；另一類是頻域性能指標(biāo)，如增益裕度(GainMargin)、相角裕度(PhaseMargin)等。時域性能指標(biāo)雖然很好的展現(xiàn)了控制器某一方面的性能，但顯然它忽視了控制系統(tǒng)一個很重要的方面——魯棒性(Robustness)，我們知道，我們所用的數(shù)學(xué)模型往往是不精確的，實際情況是，對象或過程往往是時變的，難于建立精確的數(shù)學(xué)模型，因此，基于精確的數(shù)學(xué)模型的控制器整定或設(shè)計方法通常是不魯棒的，在進行控制器設(shè)計和比較時，我們不僅要看時域性能的好壞，而且也要考慮頻域魯棒性。在頻域性能指標(biāo)中，最常用的是增益裕度和相角裕度，它們可以反映對象的不確定性，在很多情況下是很好的魯棒性能尺度，Ho等人研究了一些著名的PID整定公式的增益裕度和相角裕度,得出一些結(jié)論:在基于復(fù)合(load-based)的整定方法中,增益裕度一般為1.5,相角裕度從30變化到60度；在基于設(shè)定點(setpoint-based)的整定方法中,增益裕度一般為2，相角裕度在65度左右，但遺憾的是，作為魯棒性能指標(biāo)，增益裕度和相角裕度是相關(guān)的，有些時候表現(xiàn)出了矛盾的一面，而且，增益裕度和相角裕度也不適用于多變量過程。因此，我們有必要發(fā)展新的魯棒性能尺度以克服上述的缺陷[17-18]。1.4本文的主要工作本文以二階水位控制系統(tǒng)為研究對象，對其特性進行整體分析。然后介紹了PLC可編程控制器的基本常識并設(shè)計出水位控制系統(tǒng)基于PLC的PID控制、PID串級控制，并用PLC程序?qū)崿F(xiàn)了其控制算法。具體內(nèi)容如下：（1）緒論主要介紹本課題的研究內(nèi)容、水位控制系統(tǒng)研究現(xiàn)狀，PID控制的特點及尚未解決的問題，以及本課題所做的主要工作。（2）水位控制系統(tǒng)的整體分析，并介紹了相應(yīng)的控制平臺。（3）對PLC可編程控制器作了介紹.（4）控制系統(tǒng)基于PLC的PID控制，串級PID控制的研究與實現(xiàn)。（5）根據(jù)理論知識做出水位控制系統(tǒng)實驗，對串級PID控制的調(diào)節(jié)過程進行分析。（6）總結(jié)和展望對已完成的工作進行總結(jié)，并對今后的工作提出建議。2水位控制系統(tǒng)的整體分析2.1水位控制系統(tǒng)的整體設(shè)計水箱自動控制系統(tǒng)主要由計算機、控制平臺和被控對象組成。被控對象包括上水箱、下水箱、儲水箱以及管道?？刂破脚_主要包括電源控制屏、PLC可編程控制器和交流變頻調(diào)速器。根據(jù)需要配置了微機通訊接口單元（RS232），以滿足計算機實時控制需要。水位控制系統(tǒng)的系統(tǒng)方框圖如圖2.1所示：計算機PLC控制器變頻器計算機PLC控制器變頻器電機與泵被控對象檢測與變送如圖2.1所示，先在計算機中設(shè)定控制參數(shù)，通過通訊設(shè)備傳送給PLC控制器，PLC根據(jù)接受到的控制信號和所編制的程序動作，從而控制變頻器工作，變頻器工作帶動電機與水泵工作，給被控對象打水，檢測與變送將檢測被控對象的水位高度并傳送給PLC控制器，測量值通過采樣在計算機中顯示。2.2控制平臺介紹2.2.1電源控制屏水箱水位控制系統(tǒng)的電源控制屏主要由一個交流電源控制區(qū)與三個執(zhí)行部件接線區(qū)組成.交流電源控制區(qū)：由總電源鑰匙開關(guān)、空氣開關(guān)、帶燈啟動和停止按扭、漏電保護器、電加熱器控制開關(guān)、照明開關(guān)、電壓表、報警指示燈與復(fù)位按扭等組成。具體操作方法如下：1、將電源插座接220V市電電源，要注意“左零右火”的接線方式且要有可靠的接線保護。2、插上三芯插頭，此時控制屏左、右兩側(cè)的三芯電源插座均帶電。3、先打開空氣開關(guān)，再打開總電源鑰匙開關(guān)，此時“停止”按扭紅燈亮，表示系統(tǒng)總電源接通。4、按下“啟動”按扭，此時“啟動”按扭綠燈亮表示系統(tǒng)電源接通。5、撥開照明開關(guān)到上側(cè)，此時接通日光燈電源，日光燈亮。本裝置配有電壓型和電流型漏電保護系統(tǒng)。當(dāng)屏上漏電時保護系統(tǒng)動作，報警燈亮并自動切斷系統(tǒng)電源，等到解除報警時才能啟動。2.2.2交流變頻調(diào)速器交流變頻器為三菱FR-S520S-0.4K型。為了是變頻器各接線端子不因每次做試驗經(jīng)常的裝拆線而損壞或丟失，應(yīng)將常用端子引到掛箱面板上，以方便試驗連線，它們分別是：1、A、B、C：變頻器的三個輸出端，連接三相鼠籠電機三相定子繞組的接線端U、V、W。2、2和5：外部電壓控制信號（0-5V）輸入端，2接信號正極，5接信號地線。3、STF、STR：電機正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)控制端，當(dāng)STF與SD相連時電機為正轉(zhuǎn)，當(dāng)STR與SD相連時電機為反轉(zhuǎn)。交流變頻器的作用是根據(jù)PLC可編程控制器發(fā)送來的信號，改變電機的轉(zhuǎn)速，從而改變水泵的打水量，達到控制水位平衡的目的。2.3被控對象介紹被控對象系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖2.2所示：圖2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程圖被控對象的供水有兩路：一路是由磁力泵1從儲水箱中抽水，通過閥1再經(jīng)閥3向上水箱供水、經(jīng)閥4向下水箱供水、經(jīng)閥5向復(fù)合加熱水箱的內(nèi)膽供水；另一路是磁力泵2從儲水箱中抽水，分別通過閥2經(jīng)閥9向上水箱供水、經(jīng)閥10向下水箱供水，經(jīng)閥11向復(fù)合加熱水箱的夾套供水。每個水箱的出水口均經(jīng)過線性化處理，上水箱的水通過閥6流到下水箱，在上水箱中安裝了壓力傳感器（PT、LT），用于檢測壓力、液位的大??；而下水箱的水經(jīng)閥7流到復(fù)合加熱水箱的外套，再經(jīng)閥8流回儲水箱，各水箱都設(shè)有溢流口，保證水箱滿后不外流并順利經(jīng)溢流口流回儲水箱。3可編程序控制器PLC概述3.1PLC的基本結(jié)構(gòu)可編程序控制器主要有CPU模塊、輸入模塊、輸出模塊、編程裝置和電源組成，如圖3.1所示。圖3.1可編程控制器示意圖3.1.1CPU模塊在可編程序控制器控制系統(tǒng)中，CPU模塊不斷地采集輸入信號，執(zhí)行用戶程序，刷新系統(tǒng)的輸出，統(tǒng)一命令和協(xié)調(diào)整個PLC控制系統(tǒng)的工作過程。CPU模塊的工作電壓一般是DC5V。CPU模塊主要由微處理器（CPU芯片）和存儲器組成。1.微處理器微處理器分為：通用微處理器、單片微處理器和位片式微處理器。其主要有如下功能：（1）接收從編程器輸入的用戶程序和數(shù)據(jù)，送入存儲器存儲；（2）用掃描方式接收輸入設(shè)備的狀態(tài)信號，并存入相應(yīng)的數(shù)據(jù)區(qū)；（3）監(jiān)測和診斷電源、PLC內(nèi)部電路工作狀態(tài)和用戶程序編程過程中的語法錯誤；（4）執(zhí)行用戶程序、完成各種數(shù)據(jù)的運算、傳遞和存儲等功能；（5）根據(jù)數(shù)據(jù)處理的結(jié)果，刷新有關(guān)標(biāo)志位的狀態(tài)和輸出狀態(tài)寄存器表中的內(nèi)容，以實現(xiàn)輸出控制、制表打印或數(shù)據(jù)通信等功能。2.存儲器存儲器分為：系統(tǒng)程序存儲器和用戶程序存儲器。系統(tǒng)程序存儲器存放著系統(tǒng)程序，系統(tǒng)程序是由可編程序控制器生產(chǎn)廠家設(shè)計并固化只讀存儲器ROM中，能完成可編程序控制器設(shè)計者規(guī)定的工作，且用戶不能讀??；用戶程序存儲器存放著用戶編制的控制程序，其容量以字為單位，用戶程序由用戶設(shè)計，使可編程序控制器完成用戶要求的特定功能。3.1.2I/O模塊輸入模塊和輸出模塊簡稱為I/O模塊，聯(lián)系著外部現(xiàn)場和CPU模塊之間的橋梁。輸入模塊用來接收和采集輸入信號。數(shù)字量輸入模塊用來接收從按鈕、選擇開關(guān)、數(shù)字撥碼開關(guān)、限位開關(guān)、接近開關(guān)、光電開關(guān)、壓力繼電器等來的數(shù)字量輸入信號；模擬量輸入模塊用來接收電位器、測速發(fā)電機和各種變送器提供的連續(xù)變化的模擬量電流電壓信號。輸出模塊用來發(fā)送輸出信號。數(shù)字量輸出模塊用來控制接觸器、電磁閥、電磁鐵、指示燈、數(shù)字顯示裝置和報警裝置等輸出設(shè)備；模擬量輸出模塊用來控制調(diào)節(jié)閥、變頻器等執(zhí)行裝置。I/O模塊除了傳遞信號外，還有電平轉(zhuǎn)換與隔離的作用。3.1.3編程裝置編程裝置是PLC不可缺少的一部分，用來生成用戶程序，并對其進行編輯、檢查和修改，還可以在線監(jiān)視PLC的工作狀態(tài)。編程裝置通過接口與CPU模塊聯(lián)系，實現(xiàn)人機對話。使用編程軟件不僅可以設(shè)置可編程序控制器的各種參數(shù)，還可以在屏幕上直接生成和編輯梯形圖、指令表、功能塊圖和順序功能圖程序，并可以實現(xiàn)不同編程語言的相互轉(zhuǎn)換。程序被編譯下載到可編程序控制器，也可以將可編程序控制器中的程序上傳到計算機。程序可以存盤或打印，還可以通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)遠程編程和傳送。3.1.4電源可編程序控制器使用220V交流電源或24V直流電源。內(nèi)部的開關(guān)電源為各模塊提供DC5V、±12V、24V等直流電源。驅(qū)動可編程序控制器負載的直流電源一般有用戶提供。3.2西門子S7-200PLC簡介3.2.1西門子S7-200PLC的功能概述西門子S7-200PLC系列屬于小型可編程序控制器，可用于簡單的控制場合，也可用于復(fù)雜的自動化控制系統(tǒng)。由于它具有極強的通信功能，即使在大型的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中也能充分發(fā)揮作用。S7-200PLC系統(tǒng)是緊湊型可編程序控制器。系統(tǒng)的硬件構(gòu)架是由成系統(tǒng)的CPU模塊和豐富的擴展模塊組成。它能夠滿足各種設(shè)備的自動化控制需求。應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，覆蓋所有與自動檢測，自動化控制有關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域，包括各種機床、機械、電力設(shè)施、民用設(shè)施、環(huán)境保護設(shè)備等等。如：沖壓機床、印刷機械、中央空調(diào)、電梯控制、運動系統(tǒng)等等。S7-200系列除了具有PLC的基本控制功能以外，還在以下三個方面有獨到之處：（1）功能強大的指令集指令內(nèi)容包括位邏輯指令、計數(shù)器、定時器、復(fù)雜數(shù)學(xué)運算指令、PID指令、字符串指令、時鐘指令、通訊指令以及和智能模塊配合的專用指令等。（2）豐富強大的通訊功能S7-200提供了十種左右的通訊方式以滿足不同的應(yīng)用需求，從簡單的S7-200之間的通訊到S7-200通過Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)通訊，甚至到S7-200通過以太網(wǎng)通訊。（3）編程軟件的易用性STEP7-Micro/WIN32編程軟件為用戶提供了開發(fā)、編輯和監(jiān)控的良好編程環(huán)境。Windows的界面風(fēng)格、以及豐富的編程向?qū)Ш蛶椭畔?，能夠使用戶快速上手。西門子S7-200系列PLC具有極高的性價比，適用于各行各業(yè)，各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動化。S7-200系列的強大功能使其無論在獨立運行中，或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實現(xiàn)復(fù)雜控制功能。3.2.2西門子S7-200PLC的特點S7-200系列具有鮮明的特點：（1）極高的可靠性；（2）極豐富的指令集；（3）數(shù)據(jù)安全性；（4）易于掌握，操作便捷；（5）豐富的內(nèi)置集成功能；（6）實時特性；（7）強勁的通訊能力；（8）豐富的擴展模塊。3.2.3西門子S7-200PLC的硬件結(jié)構(gòu)西門子S7-200系列PLC具有牢固緊湊的塑料外殼，通過安裝孔垂直或水平地安裝在板上或安裝在標(biāo)準(zhǔn)DIN導(dǎo)軌上。利用總線連接電纜，可以把CPU模塊和其他擴展模塊，如數(shù)字量I/O模塊、模擬量I/O模塊、通訊模塊等等，連接起來。采用可選的端子排作為固定的接線配件，易于接線。S7-200CPU外形如圖3.2所示。圖3.2S7-200CPU外形示意圖S7-200CPU將一個微處理器、一個集成的電源和若干數(shù)字量I/O點集成在一個緊湊的封裝中，組成一個功能強大的PLC。西門子提供了多種類型的CPU，以適應(yīng)各種應(yīng)用的要求。目前，提供的S7-200CPU有：CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP、CPU226、CPU226XM。我們使用的是具有較強控制功能的CPU226?？梢岳肞C/PPI電纜和自由口通訊功能把S7-200CPU連接到許多和RS-232標(biāo)準(zhǔn)兼容的設(shè)備。目前有兩種不同型號的PC/PPI電纜：帶有RS-232口的隔離型PC/PPI電纜，用5個DIP開關(guān)設(shè)置波特率和其它配置項；帶有RS-232口的非隔離型PC/PPI電纜，用4個DIP開關(guān)設(shè)置波特率。3.2.4西門子S7-200PLC的工作原理S7-200PLC具有兩種工作模式，分別是：運行（RUN）模式和停止（STOP）模式。在運行模式下，通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來實現(xiàn)控制功能；在停止模式下，S7-200CPU不執(zhí)行用戶程序，此時可設(shè)置CPU系統(tǒng)的硬件功能，并將用戶程序、數(shù)據(jù)以及硬件設(shè)置信息下載到S7-200CPU。其中用戶程序用編程軟件創(chuàng)建和編輯。CPU模塊上的模式開關(guān)用于改變和轉(zhuǎn)換S7-200PLC的工作模式。開關(guān)撥到RUN位置時，CPU運行，啟動用戶程序的運行；當(dāng)開關(guān)撥到STOP位置時，CPU停止，用戶程序的運行也停止；開關(guān)撥到TERM位置時，不改變當(dāng)前操作模式。此外還可以通過Step7-Micro/MIN32編程軟件控制S7-200CPU的運行和停止。S7-200CPU前面板上的LED顯示著當(dāng)前的工作模式。S7-200PLC通電后，需要對硬件和軟件做一些初始化的工作。為了使PLC的輸出及時地響應(yīng)各種輸入信號。初始化后，S7-200CPU按照循環(huán)掃描的方式，完成包括執(zhí)行用戶程序在內(nèi)的各項不同的任務(wù)。S7-200CPU周而復(fù)始地分階段執(zhí)行一系列任務(wù)。任務(wù)執(zhí)行依次稱為一個掃描周期。在一個掃描周期內(nèi)，CPU執(zhí)行如圖3.3所示。（1）讀輸入在PLC的存儲器中，設(shè)置了一片區(qū)域來存放輸入信號和輸出信號的狀態(tài)，它們分別稱為輸入映像寄存器和輸出寄存器。CPU以字節(jié)為單位來讀寫輸入/輸出映像寄存器。在讀輸入階段，S7-200CPU讀取物理輸入點上的ON/OFF（1/0）狀態(tài)并復(fù)制到輸入映像寄存器。圖3.3S7-200CPU的工作掃描過程示意圖（2）執(zhí)行用戶程序用戶程序由若干條指令組成，指令在存儲器中按順序排列，來實現(xiàn)控制邏輯。一般情況下，用戶程序從輸入映像寄存器獲得外部控制和狀態(tài)信號，把運算結(jié)果寫入輸出映像寄存器，或者存入到不同的數(shù)據(jù)保存區(qū)。在執(zhí)行指令時，從I/O映像寄存器或別的位元件的映像寄存器讀出其0或1狀態(tài)，并根據(jù)指令的要求執(zhí)行相應(yīng)的邏輯運算，運算的結(jié)果寫入到相應(yīng)的映像寄存器中。因此，除只讀的輸入映像寄存器外，各映像寄存器的內(nèi)容隨著程序的執(zhí)行而變化。S7-200CPU執(zhí)行完用戶程序后，將輸出映像寄存器的0或1狀態(tài)傳送到輸出模塊并鎖存起來。（3）處理通訊任務(wù)在處理通訊任務(wù)階段，S7-200CPU處理通信口接收到的信息，在適當(dāng)?shù)臅r候?qū)⑿畔鬟f給通信請求方。（4）執(zhí)行自診斷S7-200CPU檢查整個系統(tǒng)是否工作正常。自診斷測試包括定期檢查EEPROM、用戶程序存儲器、I/O模塊狀態(tài)以及I/O擴展總線的一致性，將監(jiān)控定時器復(fù)位，以及完成一些別的內(nèi)部工作。（5）寫輸出復(fù)制輸出過程映像寄存器中的數(shù)據(jù)狀態(tài)到物理輸出點。過程映像寄存器是S7-200CPU中的特殊存儲區(qū)，專門用于存放從物理輸入/輸出點讀取或?qū)懙轿锢磔斎?輸出點的狀態(tài)。（6）中斷程序的處理如果在程序中使用了中斷，中斷事件發(fā)生時立即執(zhí)行中斷，中斷程序可能在掃描周期在任意點上被執(zhí)行。3.3西門子S7-200PLC的編程語言西門子S7-200PLC系列采用的編程語言常用的有以下三種：梯形圖（LadderDiagram）、功能塊圖（FunctionBlockDiagram）、語言表或稱指令表（Instruction/StatementList）。1.梯形圖梯形圖（LAD）是使用最多的可編程序控制器編程語言。梯形圖由觸點、線圈和用方框表示的功能塊組成。觸點代表邏輯輸入條件，如外部的開關(guān)、按鈕和內(nèi)部條件等；線圈代表邏輯輸出結(jié)果，用來控制外部的指示燈、交流接觸器和內(nèi)部的輸出條件等；方框表示的功能塊代表定時器、計數(shù)器或者數(shù)學(xué)運算等附加指令。觸點和線圈等組成的獨立電路稱為網(wǎng)絡(luò)（Network），用編程軟件生成的梯形圖和語言表程序中有網(wǎng)絡(luò)編號，允許以網(wǎng)絡(luò)為單位，給梯形圖加注釋。在網(wǎng)絡(luò)中，程序的邏輯運算按從左到右的方向執(zhí)行。各網(wǎng)絡(luò)按從上到下的順序執(zhí)行，執(zhí)行完所有的網(wǎng)絡(luò)后，返回最上面的網(wǎng)絡(luò)重新執(zhí)行。梯形圖比較適合有電氣技術(shù)基礎(chǔ)的人使用。2.功能塊圖功能塊圖（FBD）與數(shù)字邏輯門電路的編程語言相類似，用一種功能方框來表示一種特定的功能，方框圖中的符號表示著該功能塊圖的功能。該編程語言用類似與門、或門的方框來表示邏輯運算關(guān)系，方框的左側(cè)為邏輯運算的輸入變量，右側(cè)為輸出變量，輸入、輸出端的小圓圈表示“非”運算，方框被“導(dǎo)線”連接在一起，信號從左到右流動。把所需的功能塊連接起來，用來實現(xiàn)控制功能。功能塊圖比較適合有數(shù)字電路基礎(chǔ)的人使用。3.語句表S7-200系列可編程序控制器將指令表稱為語句表。語句表是一種助記符表達式，與計算機的匯編語言的指令相似。盡管語言表比梯形圖、功能塊圖抽象，但可以實現(xiàn)某些梯形圖或功能塊圖無法實現(xiàn)的功能。語言表比較適合有邏輯程序設(shè)計經(jīng)驗的人使用。3.4Step7-Micro/WIN編程軟件簡介供S7-200使用的Step7-Micro/WIN32編程軟件提供了兩種指令集：SIMATIC指令集與IEC1131-3指令集。通常SIMATIC指令豐富，且執(zhí)行時間短，可使用梯形圖、功能塊圖和語句表語言；而IEC1131-3指令集只提供梯形圖、功能塊圖，且指令較少。所以我們選用SIMATIC指令集來完成編程。STEP7-Micro/WIN32V3.2兼容所有的S7-200系列，是我們選用的編程軟件，可以對CPU226進行編程。3.5西門子S7-200PLC的程序結(jié)構(gòu)S7-200PLC系列的控制程序是由主程序（OB1）、子程序和中斷程序組成。主程序是整個程序的主體，每個項目都必須并且只能有一個主程序。在主程序中可調(diào)用子程序和中斷程序。主程序通過指令控制整個應(yīng)用程序的執(zhí)行，每次CPU掃描都要執(zhí)行一次主程序。子程序是一個可選的指令集合，僅在被其他程序調(diào)用時執(zhí)行。同一子程序可以在不同的地方被多次調(diào)用，使用子程序可以簡化程序代碼、減少掃描時間、更好地組織程序結(jié)構(gòu)和增強移植性。中斷程序也是一個可選的指令集合，中斷程序不是被主程序調(diào)用，而是在中斷事件發(fā)生時由可編程序控制器的操作系統(tǒng)調(diào)用。中斷事件會在S7-200CPU程序循環(huán)周期中任何時刻發(fā)生。中斷程序是用來處理預(yù)先規(guī)定的中斷事件，執(zhí)行中斷程序前后，S7-200系統(tǒng)會自動保護和恢復(fù)被中斷的程序運行環(huán)境。因為不能預(yù)知何時出現(xiàn)中斷事件，所以不允許中斷程序改寫可能在其他程序中使用的存儲器。中斷程序不會再被中斷。4PID控制器的設(shè)計本文是利用在生產(chǎn)過程中最普遍采用的控制方法——串級控制作為系統(tǒng)的控制方法來設(shè)計控制軟件的。4.1PID算法概述在模擬控制系統(tǒng)中，控制器最常用的控制控制規(guī)律是PID控制，常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖4.1所示。系統(tǒng)有模擬PID控制器和被控對象組成。圖4.1模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值與實際輸出值構(gòu)成控制偏差：（4—1）將偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進行控制，故稱PID控制器。其控制規(guī)律為：（4—2）離散化連續(xù)時間PID控制器便可得到數(shù)字PID控制器如下：（4—3）式中：—比例系數(shù)；—積分時間常數(shù)；—微分時間常數(shù)。PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下：（1）比例環(huán)節(jié)：即時成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。（2）積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)，越大，積分作用越弱，反之則越強。（3）微分環(huán)節(jié)：能反映偏差信號的變化趨勢（變化速率），并能在偏差信號值變的太大之前，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，減小調(diào)節(jié)時間。PID控制器的三種控制作用是各自獨立的，互不影響的，改變一個控制參數(shù)，只影響一種控制作用，而不影響其他的控制作用。由式（4—2）和式（4—3）可以看出，采用增量式的PID算法只需保存當(dāng)前時刻以前三個時刻的誤差即可，這種算法具有如下優(yōu)點：1、增量式PID算法只需計算增量，計算誤差或精度不足時對控制量的計算影響較小，誤動作少。2、采用增量PID算法，其輸出與原始值無關(guān)，易于實現(xiàn)手動到自動的無沖擊切換或使切換沖擊很小。3、增量式算法不進行累加計算，增量只與最近三次的誤差值有關(guān)，節(jié)省了計算機存儲空間，容易獲得較好的控制效果。常規(guī)PID控制器是一種應(yīng)用廣泛，技術(shù)成熟的控制方法，它能滿足一般工業(yè)控制的要求，但采用PID控制算法的控制系統(tǒng)，其控制品質(zhì)的優(yōu)劣在很大程度上依賴于PID的控制參數(shù)的整定。而其整定方法都是根據(jù)對象特性離線進行的，因此，當(dāng)工業(yè)對象存在時變性、非線性和不確定性時，PID控制往往不能保證良好的控制品質(zhì)，對于大慣性、大時滯的對象，其效果也不能令人滿意，原因在于常規(guī)PID控制器的參數(shù)是經(jīng)離線整定后相對固定，不能根據(jù)對象特性變化和動態(tài)過程修改控制參數(shù)。所以，在控制過程中如果對象的特性變化或具有動態(tài)特性，要采取更加靈活有效的控制方式，如串級控制。4.2串級控制系統(tǒng)4.2.1串級控制系統(tǒng)的特點單回路控制系統(tǒng)解決了工業(yè)生產(chǎn)過程中大量的參數(shù)定值控制問題。隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，工藝操作條件的要求更加嚴(yán)格，對安全運行、經(jīng)濟性和對控制質(zhì)量的要求也更高。單回路控制系統(tǒng)往往不能滿足生產(chǎn)工藝上的要求，在這樣的情況下，串級控制系統(tǒng)就應(yīng)運而生。由于串級控制系統(tǒng)是改善控制質(zhì)量的有效方法之一，因而它在過程控制中得到廣泛應(yīng)用。串級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4.2所示。主被控參數(shù)副被控參數(shù)副調(diào)節(jié)器給定 主被控參數(shù)副被控參數(shù)副調(diào)節(jié)器副檢測與變送副檢測與變送主檢測與變送主檢測與變送圖4.2串級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)串級控制系統(tǒng)適用于時間常數(shù)及純滯后較大的對象.串級系統(tǒng)與單回路系統(tǒng)的區(qū)別在于前者可獲得可測中間變量,并利用它構(gòu)成副反饋回路,對影響中間變量的干擾進行預(yù)先調(diào)節(jié),從而改善整個系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì).串級控制系統(tǒng)在提高系統(tǒng)控制質(zhì)量方面主要表現(xiàn)在：（1）對進入副回路的二次干擾有很強的克服能力；（2）改善了被控過程的動態(tài)特性,提高了系統(tǒng)的工作頻率；（3）串級控制系統(tǒng)減小了對象時間常數(shù)；（4）對負荷或操作條件的變化有較強的適應(yīng)能力。串級控制系統(tǒng)的抗干擾能力、快速性、適應(yīng)性和控制質(zhì)量都比單回路要好,一般應(yīng)用在下列情況：制通道純延遲時間較長；對象容量滯后大；負荷變化大,被控對象又具有非線性；系統(tǒng)存在變化劇烈的干擾。4.2.2串級控制系統(tǒng)的設(shè)計串級控制系統(tǒng)的設(shè)計主要是副參數(shù)的選擇和副回路的設(shè)計以及主、副回路關(guān)系的考慮。1.主參數(shù)的選擇和主回路的設(shè)計主回路是一個定值控制系統(tǒng),對于主參數(shù)的選擇和主回路的設(shè)計,基本上可以按照單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計原則進行。凡直接或間接與生產(chǎn)過程運行性能密切相關(guān)并可直接測量的工藝參數(shù)均可選擇作主參數(shù)。若條件許可,可以選用質(zhì)量指標(biāo)作為主參數(shù),因為它最直接也最有效。否則應(yīng)選用一個與產(chǎn)品質(zhì)量有單值函數(shù)關(guān)系的參數(shù)作為主參數(shù)。另外,對于選用的主參數(shù)必須具有足夠的靈敏度,并符合工藝過程的合理性。2.副參數(shù)的選擇和副回路的設(shè)計串級控制系統(tǒng)副回路具有調(diào)節(jié)速度快!抑制擾動能力強的特點。在副回路設(shè)計時,要充分發(fā)揮這一特點,把生產(chǎn)過程中的主要擾動(并可能多的把其它一些擾動)包括在副回路中,以盡量減少對主參數(shù)的影響,提高主參數(shù)的控制質(zhì)量。在選擇副參數(shù)進行副回路設(shè)計時,必須注意主、副過程時間常數(shù)的匹配問題。因為它是串級控制系統(tǒng)正常運行的主要條件,是保證安全生產(chǎn)、防止共振的根本措施。4.3基于PLC的串級控制4.3.1控制系統(tǒng)框架本文研究的對象是一個串聯(lián)式雙容水箱的水位控制過程,如圖2.2所示：磁力泵1從儲水箱中抽水，通過閥1再經(jīng)閥3向上水箱供水、經(jīng)閥4向下水箱供水。現(xiàn)在要求控制下水箱的水位高度h為某一定值，若選擇上水箱的進水量Q為控制變量，則雙容水位控制的數(shù)學(xué)模型為：從模型可知,該系統(tǒng)是一個有時間延遲的二階系統(tǒng),自身不穩(wěn)定。若按照單回路方法設(shè)計控制系統(tǒng),則因作用于系統(tǒng)的擾動要經(jīng)過一個滯后時間才能使被控量有所反應(yīng),而調(diào)節(jié)器的控制作用又不能及時反映出來,因此將導(dǎo)致控制過頭,產(chǎn)生振蕩。理論分析表明,用單回路方法對上述過程進行控制效果不是很理想。該分析結(jié)果,也得到實驗證實,經(jīng)現(xiàn)場反復(fù)調(diào)試得知,在有干擾作用或給定值變化的情形下,系統(tǒng)是無法穩(wěn)定的。而且由于該系統(tǒng)是串聯(lián)式雙容水箱水位控制過程，兩水箱串聯(lián)而存在容量滯后,這些因素致使單回路控制方案難以實施。與單回路方案相比,串級控制系統(tǒng)具有明顯優(yōu)點,在克服容量滯后和純滯后對控制質(zhì)量的影響方面有其獨到之處。據(jù)此設(shè)計了如圖4.3所示的串級控制系統(tǒng)。計算機計算機PLC控制器變頻器電機泵上水箱下水箱液位傳感器1液位傳感器2A/DA/D圖4.3串級控制系統(tǒng)框圖該系統(tǒng)是以上水箱的水位為副參數(shù)、以下水箱的水位h為主參數(shù)構(gòu)成的串級控制系統(tǒng)。系統(tǒng)工作時,變頻器通過采集來自反饋的水箱水位測量值,與給定值作比較,送入模塊運算,自動改變輸出頻率,調(diào)整電機的轉(zhuǎn)速,從而控制液料流量,達到穩(wěn)定液位的作用。液位傳感器1和液位傳感器2分別將檢測到的上水箱水位信號和下水箱水位信號通過A/D轉(zhuǎn)換傳送到PLC控制器,使其分別與兩個調(diào)節(jié)器的設(shè)定值比較,判斷有無偏差存在或者計算偏差大小。首先將系統(tǒng)設(shè)定值與下水箱水位信號進行比較,得到的偏差作為PID1的輸入信號；PID1對該偏差進行運算后的輸出信號,作為上水箱水位的設(shè)定值。將該設(shè)定值與上水箱的水位信號進行比較,由PID2對偏差實現(xiàn)運算,運算結(jié)果通過D/A轉(zhuǎn)換,改變電機的輸出頻率,調(diào)整水泵轉(zhuǎn)速,從而調(diào)整上水箱的水位,達到控制下水箱水位的目的。4.3.2串級系統(tǒng)的參數(shù)整定串級系統(tǒng)的整定比單回路復(fù)雜。因為兩個調(diào)節(jié)器串在一起工作,各回路之間相互聯(lián)系,相互影響。改變主、副調(diào)節(jié)器中的任何一個整定參數(shù),對主、副回路的過渡過程都有影響,這種影響程度取決于主、副對象的動態(tài)特性，而且待整定的參數(shù)比單回路多,因此,串級系統(tǒng)的整定必然比較困難和繁瑣。常用的工程整定方法有：試湊法,兩步整定法和一步整定法。兩步法就是在主、副回路都閉合的情況下,按單回路系統(tǒng)方法各整定一次副回路和主回路,然后按這兩步求得的特征值查表計算,就可以取得較為滿意的主、副調(diào)節(jié)參數(shù)。而一步整定法就是根據(jù)經(jīng)驗先將副調(diào)節(jié)器參數(shù)一次設(shè)置好,然后按一般單回路系統(tǒng)的整定方法直接整定調(diào)節(jié)器放大倍數(shù)KC2,按純比例控制規(guī)律設(shè)置副調(diào)節(jié)器；主調(diào)節(jié)器也先置于純比例作用,使串級控制系統(tǒng)投入運行,用整定單回路的任何方法整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)；加干擾,觀察運行過程,根據(jù)KC1和KC2相互匹配原理,適當(dāng)調(diào)整調(diào)節(jié)器參數(shù),使主調(diào)節(jié)器滿足控制質(zhì)量最好。本系統(tǒng)采用4：1衰減曲線法整定主調(diào)節(jié)器參數(shù),參數(shù)設(shè)定如表4.1表4.14：1衰減曲線法整定參數(shù)表5控制結(jié)果5.1控制軟件簡介5.1.1控制界面基于PLC的PID控制運行時的控制界面如圖5.1所示：圖5.1控制界面控制界面具有“實驗指導(dǎo)”、“實時曲線”、“實時數(shù)據(jù)瀏覽”、“歷史曲線”、“自動/手動”、“退出實驗”等菜單，界面上的參數(shù)都可以手動設(shè)置。本控制軟件人機界面友好，美觀，具有真彩閃屏啟動畫面、動態(tài)圖標(biāo)、超酷超炫動畫窗口、幫助小精靈和精美絕倫的皮膚等，令人機界面十分美觀，給人耳目一新的感覺。5.1.2控制軟件的主要功能本控制軟件主要實現(xiàn)以下一些功能：1、在本軟件中，用戶可以輕松改變控制算法或調(diào)節(jié)各控制算法的參數(shù)，通過仿真曲線，可以找到最佳的控制算法和控制參數(shù)。3、系統(tǒng)的中間狀態(tài)變量、系統(tǒng)輸出和輸入誤差數(shù)據(jù)可以保存在數(shù)據(jù)庫或文本文件中，也可以在開始實驗時，從文本文件或數(shù)據(jù)庫中導(dǎo)入數(shù)據(jù)。4、具有記錄歷史數(shù)據(jù)和歷史曲線的功能，用戶可以隨時對所做實驗和記錄數(shù)據(jù)進行查詢。5、采用數(shù)字來動態(tài)顯示系統(tǒng)的各個數(shù)據(jù)，同時在主界面上有個信息窗口，用來顯示系統(tǒng)的參數(shù)、實時信息等數(shù)據(jù)，讓用戶隨時了解系統(tǒng)的運行狀態(tài)。5.2實驗結(jié)果及分析本串級控制系統(tǒng)中，主調(diào)節(jié)器采用比例積分（PI）調(diào)節(jié)，副調(diào)節(jié)器采用比例（P）調(diào)節(jié)。對系統(tǒng)進行反復(fù)調(diào)試，使下水箱的水位快速穩(wěn)定在設(shè)定值上,這時設(shè)定值應(yīng)與反饋值相同。待水位穩(wěn)定后,在上水箱上加擾動,如果擾動比較大或參數(shù)并不理想,雖經(jīng)過副回路的校正,還將影響水位,此時再由主回路進一步調(diào)節(jié),從而完全克服上述擾動,使水位調(diào)回到設(shè)定值上。當(dāng)擾動加在下水箱時,擾動使水位發(fā)生變化,主回路產(chǎn)生校正作用,克服擾動對水位的影響。由于副回路的存在加快了校正作用,使擾動對水位的影響較小。實時控制曲線如圖5.2所示圖5.2實時控制曲線根據(jù)串級控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)的工程整定方法一步整定法對系統(tǒng)進行整定。首先選取副調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)Kp=1.3。然后將主調(diào)節(jié)器按4：1衰減曲線法進行整定。選取比例（P）系數(shù)Kp=1.2，積分（I）時間Ti=0.6。其運行曲線如圖5.3所示圖5.34：1衰減曲線主調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)規(guī)律,副調(diào)節(jié)器采用P調(diào)節(jié)規(guī)律，經(jīng)整定后的控制參數(shù)為：主調(diào)節(jié)器比例系數(shù)Kp=1.0，積分時間Ti=0.3；副調(diào)節(jié)器比例系數(shù)Kp=1.3。取系統(tǒng)曲線如圖5.4所示圖5.4參數(shù)整定后的實時控制曲線分析實驗曲線可知：比例調(diào)節(jié)的殘差隨著比例帶的加大而加大；減小比例帶就等于加大調(diào)節(jié)系統(tǒng)的開環(huán)增益，其后果是導(dǎo)致系統(tǒng)激烈振蕩甚至不穩(wěn)定。積分調(diào)節(jié)的特點是無差調(diào)節(jié)，但它的穩(wěn)定作用不如比例調(diào)節(jié)。比例積分調(diào)節(jié)引如積分作用來消除系統(tǒng)殘差，卻降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為保持系統(tǒng)較好的穩(wěn)定性，PI調(diào)節(jié)器的比例帶必須適當(dāng)增大。所以PI調(diào)節(jié)是在稍微犧牲控制系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)以換取較好的穩(wěn)定性能。在參數(shù)整定后的狀態(tài)下運行，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，對上水箱加一定的階躍擾動信號，觀測到的過度曲線如圖5.5所示。圖5.5加階躍擾動后的過度曲線由圖5.5可以看出，加擾動后系統(tǒng)可以迅速的恢復(fù)平衡，證明經(jīng)參數(shù)整定后的系統(tǒng)符合設(shè)計要求。

結(jié)束語隨著生產(chǎn)水平和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代控制系統(tǒng)的規(guī)模日趨大型化、復(fù)雜化，對自動化程度的要求也越來越高。但系統(tǒng)發(fā)生故障的可能性也隨之增加，尤其是在某些工程領(lǐng)域中，控制系統(tǒng)發(fā)生故障，會導(dǎo)致失敗而帶來災(zāi)難性后果。為了保證工業(yè)生產(chǎn)過程的安全性，產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性，對生產(chǎn)過程進行在線監(jiān)測，及時準(zhǔn)確地把握生產(chǎn)運行狀況，已經(jīng)成為目前過程控制領(lǐng)域的一項重要內(nèi)容。水位控制系統(tǒng)是模擬工業(yè)生產(chǎn)過程中對水位、流量參數(shù)進行測量、控制、觀察其變化特性，研究過程控制規(guī)律的科研產(chǎn)品，具有過程控制中動態(tài)過程的一般特點——大慣性、非線性，難以對其進行精確控制，從而使其成為控制理論與控制工程、過程控制教學(xué)、試驗和研究的理想實驗對象。本課題首先對水位控制系統(tǒng)進行了整體分析；然后簡單介紹了水位控制系統(tǒng)控制平臺并介紹了PLC可編程控制器的常識,分析了PID調(diào)節(jié)器的各個環(huán)節(jié)的作用和基于PLC的串級PID控制；根據(jù)對象特性選擇不同動作規(guī)律的調(diào)節(jié)器，此外PID各個環(huán)節(jié)的參數(shù)的選擇也對系統(tǒng)控制有較大影響；最后通過試驗，用4：1衰減曲線法求出了串級PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定并繪出了階躍響應(yīng)曲線，從而實現(xiàn)了對水位控制系統(tǒng)的研究。由于時間關(guān)系，本課題尚有許多地方需要完善。由于這只是一套實驗裝置，從系統(tǒng)的物理意義上能夠?qū)ο到y(tǒng)進行了分析，并沒有在實際現(xiàn)場中對系統(tǒng)進行控制，所以與現(xiàn)實應(yīng)用中或許還有一定的偏差。如果將整個控制系統(tǒng)放到現(xiàn)實生產(chǎn)中，根據(jù)現(xiàn)場情況，可對系統(tǒng)進行更多的改進，使其發(fā)揮更優(yōu)良的性能。致謝本論文是在我的指導(dǎo)教師XX老師的悉心指導(dǎo)下完成的。在設(shè)計期間，XX老師以其淵博的知識、嚴(yán)謹?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和寶貴的經(jīng)驗給我以啟迪，使我終生受益，并激勵著我在今后的學(xué)習(xí)和工作中銳意進取，不斷前進。我在論文中取得的每一點進步，無不凝聚著XX老師的心血和汗水。在此，向感謝實驗室的XXXXXXXXX等每一位同學(xué)，雖然我們有著各自不同的研究領(lǐng)域，但是通過我們之間的交流，使我增長了知識，擴展了視野，他們的建議給了我很大的啟示，使我在設(shè)計工作中受益匪淺。還要感謝我的室友，在畢業(yè)設(shè)計期間，我們相處的非常愉快，并且我有許多東西是通過他們的講解才明白的，感謝他們對我生活和學(xué)習(xí)上的幫助。感謝所有關(guān)心和幫助過我的老師、同學(xué)和朋友，真心對你們表示感謝。參考文獻[1]胡濤。VisualC++.NET編程技術(shù)體驗[M]。北京：電子工業(yè)出版社，2003，256-298.[2]張培仁。自動控制技術(shù)和應(yīng)用[M]。合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2001.[3]王樹青。先進控制技術(shù)及應(yīng)用[M]。北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001.[4]方崇智，蕭德云。過程辨識[M]。北京：清華大學(xué)出版社，1988.[5]劉美霞，智能溫度控制系統(tǒng)[D]。南京：南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文，2003.[6]張石，蔡惠龍。過程監(jiān)控軟件的發(fā)展及應(yīng)用[J]，自動化儀表，1995，16（1A）：78-96.[7]李春文，馮元瑪。多變量非線性控制的逆系統(tǒng)方法[M]。北京：清華大學(xué)出版社，1991年8月.[8]SacoR.,PiresE.,GodfridC.,Realtimecontrolledlaboratoryplantforcontroleducation,FrontiersinEducation,2002.FIE2002.32ndAnnual,Volume:1,6-9Nov.2002.[9]NouraHassan,TheilliolDidier,SauterDominique,Actuatorfault-tolerantcontroldesign:Demonstrationonathree-tank-system,InternationalJournalofSystemsscience,September2000,p1143-1155.[10]YenGaryG.,HoLiang-Wei,Onlinemultiple-model-basedfaultdiagnosisandaccommodation,IEEETransactionsonIndustrialElectronics,April2003,p296-312.[11]TsudaK.,MignoneD.,Ferari-TrecateG.,MorariM.,Recconfigurationstrategiesforhybridsystems,AmericanControlConference,2001.Proceedingsofthe2001,Volume:2,25-27June2001,Pages:868-873vol.2.[12]BohnC.:UnbehauenH.,sensitivitymodelsfornonlinearfilterswithapplicationtorecursiveparameterestimationfornonlinearstate-spacemodels,ControlTheoryandApplication,IEEProceedings,Volume:148,Issue:2,March2001,Pages:137-145.[13]XingWei,WuTie-Jun,Dynamiccooperationinintelligentlargescalesystemcontrol,IntelligentControlandAutomation,2000.Proceedingsofthe3rdWorldCongresson,Volume:4,28June-2July2000,Pages:2314-2318vol.4.[14]GilP.,HenriquesJ.,DouradoA.,Duarte-RamosH.,Constrainedneuralmodelpredictivecontrolwithguaranteedfreeoffset,IndustrialElectronicsSociety,2000.IECON2000.26thAnnualConfjerenceoftheIEEE,Volume:3,22-28Oct.2000,Pages:1991-1996vol.3.[15]UchidaM.,NakanoK.,Simulator-basedforesightcontrolofleveloftheetanksinseries,IndustrialElectronics,Control,andInstrumentation,1996.,proceedingsofthe1996IEEEIECON22ndInternationConferenceon,Volume:1,5-10Aug.1996,Pages:321-325vol.1.[16]楊英華，陸寧云，江云波，馬立玲，王福利，一種基于非線性主成分回歸的過程監(jiān)測及故障診斷方法，信息與控制[J]，2002，31（3A）：873-875.[17]陶永華，尹怡欣，葛蘆生。新型PID控制及其應(yīng)用[M]。北京：機械工業(yè)出版社，1998，25-38.[18]劉金琨。先進PID控制及其MATLAB仿真[M]。北京：電子工業(yè)出版社，2003，152-178.附錄A（英文文獻）1.INTRODUCTIONModernwatermanagementischaracterisedbyconsideringwatersystemsintheirentiretytogetherwithallinfluencingfactorsandotherrelatedsystems.Problemsofmanagementareoftenposedasmulti-criterialproblemswiththestrongaccentonoptimisation.IntheNetherlandstheproblemofwaterlevelmanagementinlow-landareasisquiteacuteandwashistoricallydeterminedbythe“battle”againstseaandriverfloods.Regionalwatercontrolistheresponsibilityofapproximately65waterboards,andtheproblemofmakingoptimaldecisionsinreal-timecontrolistakingnowadaysahighpriority.Waterauthoritiesresponsibleformanagingwatersystemshavetocopewithvariousproblemsrangingfromfloodpreventiontorecreation,andtotakeintoaccounttheinterestsofdifferentgroupsofusers.Thismakesanoptimalcontrolofwaterresourcessystemsacomplexproblem.ThiskindofcontrolproblemisbeinginvestigatedextensivelyespeciallyforoptimaloperationofsingleormultiplereservoirsystemsFontaneetal(1997),PanigrahiandMujumdar(1997),RusselandCampbell(1996),SolomatineandAvilaTorres(1996).Optimalcontrolofaregionalwatersystem,consideringallurbanandruralwatersubsystemsiselaboratedinLobbrecht(1997).TheimplementedDecisionSupportSystem(DSS)AquariusisusedasanaidingtoolforoperationalmanagementofregionalwatersystemsbyseveralwaterboardsoftheNetherlands.Deterministicmodelsofwater-relatedprocessesincorporatedinAquariussystemwillbefurthercalledinshortAquariusmodel.Aquariusisusingtwomodesofcontrol–centralizedcontrolandlocalcontrol.Normally,centralizedcontrolisdynamic.Mostimportantcontrolactionispumping.WithintheAquariusmodelthesimulationandmathematicaloptimizationproblemaresolvedsimultaneouslyinordertoderivetheoptimalcontrolactions–withtheassociatedhighrunningtimeandrequirementstothecomputationalpowerdependingonthemodelcomplexity.ObjectiveofthisstudyistoinvestigatethepossibilityofusingAItechniques,namelyartificialneuralnetworks(ANN)andfuzzyadaptivesystems(FAS),toreplicatethebehaviourofadeterministicmodelcontrollingthepolderwaterlevels.Thementionedtechniquesprovidetheopportunitiestoextendtheclassicalcontrolsanddealwiththecomplexsystemsinanintegratedmanner(Harris,1994).TheideaistoreplacethecontrolactionsdeterminedinAquariusbycentralizedcontroloptionbybuildingadaptivemodelswithlocalinformationofasingleregulatingstructure.2WATERSYSTEMSANDTHEIRCONTROLOperationandmaintenanceofregionalwaterresourcessystemconcerntheoptimalresourcesallocationforvariousinterestgroupsinthesystematthesametime.Inordertohaveanaccurateoverallpictureofawatersystemstate,whichcanbeusedforoptimaloperationandmaintenance,itisnecessarytotaketheconflictingcriteriaintoaccount.Watersystemscanbeseparatedintointeractingsubsystemssuchasurbandrainage,urbanorruralgroundwater,urbanorruralsurfacewatersubsystems.Intheoptimizationproblemfordeterminingthecontrolstrategy,therequirementsofeachinterestgroupcanbeexpressedthrough“damage”functions,normallyexpressedasdimensionlessproductofacostcoefficientandanoptimizationvariable,representingtheweightedharmtooneormoreinterestgroups.Theconstraintsdefinethelimitsofphysicalwatervariables,whichcanbecontrolleddirectlyorindirectly–suchassurfacewaterlevel,groundwaterlevel,sewerfilling,waterqualityleveletc.Theoptimizationproblemcanbeformulatedasfollows(Lobbrecht,1997):Minimize:subjectto：Where--objectivefunction,--constraints,--vectorofstatevariables,--vectorofcontrolvariables,--lowerandupperlimitsofstatevariables,--lowerandupperlimitsofstatevariable.Twolevelsofcontrolcan