PLC水箱液位控制系统毕业设计.docx
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PLC水箱液位控制系统毕业设计
封面
作者：
PanHongliang
仅供个人学习
摘要
本次毕业设计的课题是基于PLC的液位控制系统的设计。
在设计中，笔者主要负责的是数学模型的建立和控制算法的设计，因此在论文中设计用到的PID算法提到得较多，PLC方面的知识较少。
本文的主要内容包括：
PLC的产生和定义、过程控制的发展、水箱的特性确定与实验曲线分析，FX2系列可编程控制器的硬件掌握，PID参数的整定及各个参数的控制性能的比较，应PID控制算法所得到的实验曲线分析，整个系统各个部分的介绍和讲解PLC的过控制指令PID指令来控制水箱水位。
关键词：
FX2系列PLC，控制对象特性，PID控制算法，扩充临界比例法，PID指令，实验。
TheliquidlevelcontrolsystembasedonPLC
ABSTRACT
ThesubjectofgraduationdesignisbasedonPLC,liquidlevelcontrolsystemdesign.Inthedesign,theauthorismainlyresponsibleforthemathematicalmodelandcontrolalgorithmdesign,sothedesignusedinthepaperreferredtowasmorePIDalgorithm,PLCinlessknowledge.
Maincontentsofthisarticle:
PLCcreationanddefinition,processcontrol,development,andwatertanksandexperimenttodeterminethecharacteristicscurveanalysis,FX2seriesPLChardwarecontrol,PIDtuningparametersandvariousparametersofthecontrolperformancecomparison,theapplicationPIDcontrolalgorithmobtainedexperimentalcurveanalysis,theentiresystem,introduceandexplainthevariouspartsofthePLCprocesscontrolcommandstocontrolthetanklevelPIDinstruction.
Keywords：
FX2seriesPLC,thecontrolobjectcharacteristics,PIDcontrolalgorithm,toexpandthecriticalproportionmethod,PIDinstruction,experimental.
论文原创性声明
1绪论
1.1PLC的产生、定义及现状
1.1.1PLC的产生、定义
一、可编程控制器的产生
20世纪60年代，在世界技术改造的冲击下，要求寻找一种比继电器更可靠、功能更齐全、响应速度更快的新型工业控制器。
1968年，美国最大的汽车制造商——通用汽车公司从用户角度提出了新一代控制器应具备的十大条件后，立即引起了开发热潮。
二、可编程控制器的定义
国际工委员会（IEC）曾于1982年11月颁布了可编程控制器标准草案第一稿，1985年1月又发表了第二稿，1987年2月颁布了第三稿。
该草案中对可编程控制器的定义是“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。
它采用了可编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术计算等面向用户的指令，并通过数字量和模拟量的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
可编程控制器及其有关外围设备，都按易于与工业系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。
1.1.2PLC的发展现状
20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。
更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。
20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。
这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。
这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。
这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。
上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。
在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。
20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。
从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了
各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。
目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。
我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。
最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。
接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。
目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。
上海东屋电气有限公司生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKK及D系列、大连组合机床研究所生产的S系列、苏州电子计算机厂生产的YZ系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。
此外，无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的PLC生产厂家。
可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。
1.2过程控制的发展
进入90年代以来，自动化技术发展很快，并取得了惊人的成就，已成为国家高科技的重要分支。
过程控制是自动化技术的重要组成部分。
在现代工业生产自动化中，过程控制技术正在为实现各种最优的技术经济指标、提高经济效益和劳动生产率、节约能源、改善劳动条件、保护环境卫生等方面起着越来越大的作用。
在本世纪40年代前后，工业生产大多处于手工操作的状态，人们主要是凭经验用人工去控制生产过程。
生产过程中的噶参数靠人工观察，生产过程的操作也靠人工去执行。
因此，当时的劳动效率是很低的。
40年代以后，生产自动化发展很快。
尤其是近年来，过程控制技术发展更为迅速。
纵观过程控制的发展历史，大致经历了下述几个阶段：
50年代前后，过程控制开始得到发展。
一些工厂企业实现了仪表化和局部自动化。
这是过程控制发展的第一阶段。
这阶段主要的特点：
检测和控制仪表普遍采用基地式仪表和部分组合仪表；过程控制结构大多数是单输入单输出系统；被控制参数主要是温度、压力、流量、液位四种参数；控制目的是保持这些参数的稳定，消除或减少对生产过程的主要扰动。
在60年代，随着工业生产的不断发展，对过程控制提出了新的要求；随着电子技术的迅速发展也为自动化技术工具的完善提供了条件，开始了过程控制的第二阶段。
在仪表方面，开始大量采用单元组合仪表。
为了满足定型、灵活、多功能的要求，有出现了组合仪表，它将各个单元划分为更小的功能块，以适应比较复杂的模拟和逻辑规律相结合的控制系统的需要。
70年代以来，随着现代工业生产的迅猛发展，仪表与硬件的开发，微型机算计的开发应用，使生产过程自动化的发展达到了一个新的水平。
对全工厂或整个工艺流程的集中控制、应用计算机系统进行多参数综合控制，或者用多台计算机对生产过程进行控制和经营管理，是这一阶段的主要特征。
过程控制发展到现代过程控制的新阶段，这是过程控制发展的第三阶段。
在新型的自动化技术工具方面，开始采用微处理器为核心的智能单元组合仪表；在测量变送器方面，教为突出的成分在线检测与数据处理的应用日益广泛；在模拟式调节仪表方面，不仅Ⅲ型仪表产品品种增加，可靠性提高，而且是本质安全防爆，适应了各种复杂控制系统的要求。
1.3本文研究的目的、主要内容
1.3.1本文研究的目的、意义
为了解决人工控制的控制准度低、控制速度慢、灵敏度低等一系列问题。
从而我们现在就引入了工业生产的自动化控制。
在自动化控制的工业生产过程中，一个很重要的控制参数就是液位。
一个系统的液位是否稳定，直接影响到了工业生产的安全与否、生产效率的高低、能源是否能够得到合理的利用等一系列重要的问题。
随着现在工业控制的要求越来越高，一般的自动化控制已经也不能够满足工业生产控制的需求，所以我们就又引入了可编程逻辑控制（又称PLC）。
引入PLC使控制方式更加的集中、有效、更加的及时。
液位控制系统它使我们的生活、生产都带来了不可想象的变化。
它使在控制中更加的安全，节约了更多的劳动力，更多的时间。
在我国随着社会的发展，很早就实行了自动控制。
而在我国液位控制系统也利用得相当的广泛，特别在锅炉液位控制，水箱液位控制。
还在黄河治水中也的到了利用，通过液位控制系统检测黄河的水位的高低，以免由于黄河水位的过高而在不了解的情况下，给我们人民带来生命危险和财产损失。
1.3.2本文研究的主要内容
一、一个系统是否能达到预期的控制效果，其系统的数学模型相当的重要，直接关系到控制结果的正确与否。
二、在液位控制系统中，调节阀是否与所控制的液体发生化学反应等，直接的影响到控制结果。
三、控制方案的选取，一个好的方案会让系统更加完美，所以方案的选取也非常重要。
四、调节器参数的整定，一个系统有了好的方案，但是如果参数整定错误那也是功亏一篑。
2FX2系列PLC和控制对象介绍
2.1三菱PLC控制系统
FX2系列PLC是三菱电机公司1991年继F、F1、F2系列之后推出的产品，是目前运行速度最快的小型PLC之一。
下面我们以小型FX2系列PLC为例介绍PLC的硬件组成。
图2.1为PLC的原理图。
图2.1PLC的原理图
2.1.1CPU模块
CPU是PLC的核心组成部分，与通用微机的CPU一样，它在PLC系统中的作用类似于人体的神经中枢，故称为“电脑”。
其功能是：
1、PLC中系统程序赋予的功能，接收并存储从编程器输入的用户程序和数据。
2、用扫描方式接受现场输入装置的状态，并存入映像寄存器。
3、诊断电源、PLC内部电路工作状态和编程过程中的语法错误。
在PLC进入运行状态后，从存储器中逐条读去用户程序，按指令规定的任务，
产生相应的控制信号，去起闭有关控制电路。
2.1.2I/O模块
I/O模块是CPU与现成I/O装置或其他外部设备之间的连接部件。
PLC提供了各种操作电平与驱动能力的I/O模块和各种用途I/O元件供用户选用。
如输入/输出电平转换、电气隔离、串/并行转换、数据传送、误码校验、A/D或D/A变换以及其他功能模块等。
I/O模块将外部输入信号变换成CPU能接受的信号，或将CPU的输出信号变换成需要的控制信号去驱动控制对象，以确保整个系统正常的工作。
其中输入信号要通过光电隔离，通过滤波进入CPU控制板，CPU发出输出信号至输出端。
输出方式有三种：
继电器方式、晶体管方式和晶闸管方式。
2.1.3电源模块
根据PLC的设计特点，它对电源并无特殊需求，它可使用一般工业电源。
2.2过程建模
过程控制系统的品质，是由组成系统的过程和过程检测控制仪表各环节的特性和系统的结构所决定。
在构成控制系统的分析和设计中，过程的数学模型是极其重要的基础资料。
所以，建立过程的数学模型，对实现生产过程自动化有着十分重要的意义。
可以这样说，一个过程控制系统的优劣，主要取决于对生产工艺过程的了解和建立过程的数学模型。
2.2.1一阶单容上水箱对象特性
所谓单容过程，是指只有一个贮蓄容量的过程。
单容过程还可分为有自衡能力和无自衡能力两类。
一、自衡过程的建摸
所谓自衡过程，是指过程在扰动作用下，其平衡状态被破坏后，不需要操作人员或仪表等干预，依靠起自身重新恢复平衡的过程。
液位过程，图2.2所示为一个单容液位被控过程，其流入量，改变阀1的开度可以改变的大小。
其流出量为，它取决于用户的需要改变阀2开度可以改变。
液位h的变化反映了与不等而引起贮罐中蓄水或泄水的过程.若作为被控过程的输入变量,h为其输出变量,则该被控过程的数学模型就是h与之间的数学表达式。
（a）
图2.2液位被控过程及其阶跃响应
根据动态物料平衡关系有
（2-1）
将公式（2-1）表示成增量式为
（2-2）
式中：
、、——分别表示为偏离某一平衡状态、、的增量；A——贮蓄截面积。
在静态时，，；当发生变化时，液位h随之变化，贮蓄出口处的静压随之变化，也发生变化。
由流体力学可知，流体在紊流情况下，液位h与流量之间为非线形关系。
但为了简化起见，经线形变化，则可近似认为与h成正比关系，而与阀2的阻力成反比，即
（2-3）
式中：
——阀2的阻力，称为液阻。
为了求单容过程的数学模型，需消去中间变量。
消去中间变量的方法很多，如可用代数代换法，可用信号流图法，也可用画方框图的方法。
这里，介绍后一
种方法。
将式（2-2）、式（2-3）拉氏变换后,画出图2.3方框图。
图2.3方框图
单容液位过程的传递函数为
（2-4）
式中：
——过程的时间常数，；
——过程的放大系数，；
C——过程的容量系数，或称过程容量。
被控过程都具有一定贮存物料或能量的能力，其贮存能力的大小，称为容量或容量系数。
其物理意义:
是：
引起单位被控量变化时被控过程贮存两变化的大小。
图2.1（b）所示为单容液位被控过程的阶跃响应曲线。
从上述分析可知，液阻不但影响过程的时间常数，而且还影响过程的放大系数，而容量系数C仅影响过程的时间常数。
在工业生产过程中，过程的纯时延问题是经常碰到的。
如皮带运输机的物料传输过程，管道输送、管道反应和管道的混合过程等。
下面以图2.4为例讨论纯时延过程的建模。
图2.4纯时延单容过程及其响应曲线
图2.4所示，流量通过长度为l的管道流入贮罐。
当进水阀开度产生扰动后，需要流经管道长度为l的传输时间后才流入贮罐，才使液位h发生变化。
具有纯时延单容过程的阶跃响应曲线如图2.4曲线2所示，它与无时延单容过程的阶跃响应曲线在形状上完全相同，仅差一纯时延。
具有纯时延单容过程的微分方程和传递函数为
（2-5）
式中：
——过程的时间常数，；
——过程的放大系数，；
——过程的纯时延时间。
二、无自衡过程的建模
所谓无自衡过程，是指过程在扰动的作用下，其平衡状态被破坏后，不需要操作人员或仪表等干预，依靠其自身能力不能重新恢复平衡的过程。
下面以图2.4所示为例，介绍其建模方法。
如果将图2.2所示贮罐的出口阀2换成定量泵，则为图2.5所示。
这样，其流出量与液位h无关。
当流入量发生阶跃变化时，液位h即发生变化。
由于流出量是不变的，所以贮罐液位或等速上升直至液体溢出，或者等速下降直至液位被抽干，其阶跃响应曲线如图2.5所示。
图2-7所示过程的微分方程为（2-6）
式中：
C——贮罐的容量系数。
过程的传递函数为（2-7）
式中：
——过程的积分时间常数，。
当过程具有纯时延时，则其传递函数为（2-8）
2.2.2二阶双容下水箱对象特性
在工业生产过程中，被控过程往往是由多个容积和阻力构成，这种过程称为多容过程。
现在，以具有自衡能力的双容过程为例，来讨论其建立数学模型的方法。
图2.6（a）所示为两只水箱串联工作的双容过程。
其被控量是第二只水箱的液位，输入量为与上述分析方法相同，根据物料平衡关系可以列出下列方程
（2-9）
为了消去双容过程的中间变量、、，将上述方程组进行拉氏变换，并画出方框图如2.7所示。
双容过程的数学模型为（2-10）
式中：
——第一只水箱的时间常数，；
——第二只水箱的时间常数，；
——过程的放大系数，；
——分别是两只水箱的容量系数。
图2.7所示为流量有一阶跃变化时，被控量的响应曲线。
与单容过程比较，多容过程受到扰动后，被控参数的变化速度并不是一开始就最大，而是要经过一段时延之后才达到最大值。
即多容过程对于扰动的响应在时间上存在时延，
被称为容量时延。
产生容量时延的原因主要是两个容积之间存在阻力，所以使的响应时间向后推移。
容量时延可用作图法求得，即通过响应曲线的拐点D作切线，与时间
轴相交与A，与相交与C，C点在时间轴上的投影B，OA即为容量时延时间，AB即为过程的时间常数T。
对与无自衡能力的双容过程，可见图2.8，图中，被控量为，输入量为。
产生阶跃变化时，液位并不立即以最大的速度变化，由于中间具有容积和阻力。
对扰动的响应有他、一定的时延和惯性。
同上所述，所示过程的数学模型为
（2-10）
式中：
——过程积分时间常数，；
T——第一只水箱的时间常数。
同理，无自衡多容过程的数学模型为
（2-11）
当然无自衡多容过程具有纯时延时，则其数学模型为（2-12）
3PID调节及串级控制系统
3.1PID调节的各个环节及其调节过程
PID控制的原理和特点
工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。
PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。
当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。
即当我们不完全了解一个系统和被控对象﹐或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。
PID控制，实际中也有PI和PD控制。
PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。
（1）比例（P）控制
比例控制是一种最简单的控制方式。
其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。
当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-stateerror）。
（2）积分（I）控制
在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。
对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（SystemwithSteady-stateError）。
为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。
积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。
这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。
因此，比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
（3）微分（D）控制
在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。
自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。
其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后（delay）组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。
解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，
即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。
这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。
所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。
3.1.1比例控制及其调节过程
在人工调节的实践中，如果能使阀门的开度与被调参数偏差成比例的话，就有可能使输出量等于输入量，从而使被调参数趋于稳定，达到平衡状态。
这种阀门开度与被调参数的偏差成比例的调节规律，称为比例调节。
比例调节规律及其特点
比例调节作用，一般用字母P来表示。
如果用一个数学式来表示比例调节作用，可写成：
（3-1）
式中——调节器的输出变化值；
——调节器的输入，即偏差；
——比例调节器的放大倍数。
放大倍数是可调的，所以比例调节器实际上是一个放大倍数可调的放大器。
比例调节作用虽然及时、作用强，但是有余差存在，被调参数不能完全回复到给定值，调节精度不高，所以有时称比例调节为“粗调”。
纯比例调节只能用于干扰较小、滞后较小，而时间常数又不太小的对象。
3.1.2比例积分调节
对于工艺条件要求较高余差不允许存在的情况下，比例作用调节器不能满足要求了，克服余差的办法是引入积分调节。
因为单纯的积分作用使过程缓慢，并带来一定程度的振荡，所以积分调节很少单独使用，一般都和比例作用组合在一起，构成比例积分调节器，简称PI调节器，其作用特性可用下式表示：
（3-2）
这里，表示PI调节作用的参数有两个：
比例度P和积分时间。
而且比例度不仅影响比例部分，也影响积分部分，使总的输出既具有调节及时、克服偏差有力的特点，又具有克服余差的性能。
由于它是在比例调节（粗调）的基础上，有加上一个积分调节（细调），所以又称再调调节或重定调节。
但是，积分时间太小，积分作用就太强，过程振荡剧烈，稳定程度低；积分时间太大，积分作用不明显，余差消除就很慢。
如果把积分时间放到最大，PI调节器就丧失了积分作用，成了一个纯比例调节器。
3.1.3比例积分微分调节
微分调节的作用主要是用来克服被调参数的容量滞后。
在生产实际中，有经验的工人总是既根据偏差的大小来改变阀门的开度大小（比例作用），同时又根据偏差变化速度的大小进行调节。
比如当看到偏差变化很大时，就估计到即将出现很大的偏差而过量地打开（关闭）调节阀，以克服这个预计的偏差，这种根据偏差变化速度提前采取的行动，意味着有“超前”作用，因而能比较有效地改善容量滞后比较大的调节对象的调节质量。
什么是微分调节？
微分调节是指调节器的输出变化与偏差变化速度成正比，可用数学表达式表示为：
（3-3）
式中：
——调节器的输出变化值；
——微分时间；
——偏差信号变化的速度。
从上式可知，偏差变化的速度越大，微分时间越长，则调节器
的输出变化就越大。
对于一个固定不变的偏差，不管其有多大，微分做用的输出总是零，这是微分作用的特点。
由于实际微分器的比例度不能改变，固定为100%，微分作用也只在参数变化时才出现，所以实际微分器也不能单独使用。
一般都是和其它调节作用相配合，构成比例微分或比例积分微分调节器。
比例积分微分调节又称PID调节，它可由下式表示：
（3-4）
PID调节中，有三个调节参数，就是比例度P、积分时间、微分时间。
适当选取这三个参数值，就可以获得良好的调节质量。
由分析可知，PID三作用调节质量最好，PI调节第二，PD调节有余差。
纯比例调节虽然动偏差比PI调节小，但余差大，而纯积分调节质量最差，所以一般不单独使用。
3.2串级控制
随着现代工业生产的迅速发展，对于某些比较复杂的过程或者生产工艺、经济效益、安全运行、环境保护等要求更高的场合，单回路控制系统往往不能满足其需求。
为了提高控制品质，在单回路控制方案的基础上，开发出了串级控制系统。
3.2.1串级控制系统的结构
串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器，前一个调节器的输出作为后一个调节器的设定，后一个调节器的输出送往调节阀。
结构图如图3.1所示。
图3.1串级控制系统方框图
前一个调节器称为主调节器，它所检测和控制的
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