过程控制报告.docx
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过程控制报告
《过程控制技术实训》任务书
题目：
圆筒对象液位控制系统设计
一、工程训练任务
本实训综合运用自动化原理、PLC技术以及组态软件等相关课程，通过本实训的锻炼，使学生掌握自动化系统的基础理论、技术与方法，巩固和加深对理论知识的理解。
本课题针对液位控制系统作初步设计和基本研究，该系统能对水箱液位信号进行采集，以PLC为下位机，以工控组态软件组态王设计上位机监控画面，运用PID控制算法对圆筒对象水箱液位进行控制。
二、工程训练目的
通过本次工程训练使学生掌握运用组态王软件及PLC构建工业控制系统的能力，增强学生对PLC控制系统以及组态王软件的应用能力，培养学生解决实际问题的能力和复杂控制系统分析综合能力，为今后从事工程技术工作、科学研究打下坚实的基础。
三、工程训练内容
1）确定PLC的I/O分配表；
2）根据PID控制算法理论，运用PLC程序实现PID控制算法；
3）编写整个液位控制系统实训项目的PLC控制程序；
4）在组态王中定义输入输出设备；
5）在组态王中定义变量；
6）设计上位机监控画面；
7）进行系统调试。
四、工程训练报告要求
报告中提供如下内容：
1、目录
2、任务书
3、正文
4、收获、体会
5、参考文献
五、工程训练进度安排
周次
工作日
工作内容
第
一
周
1
布置课程设计任务，查找相关资料
完成总体设计方案
2
3
完成PLC程序设计
完成监控画面设计
4
5
第
二
周
1
调试
2
3
准备训练报告
4
完成训练报告并于下午两点之前上交
5
答辩
六、工程训练考核办法
本工程训练满分为100分，从工程训练平时表现、工程训练报告及工程训练答辩三个方面进行评分，其所占比例分别为20%、40%、40%。
一、背景
在对方形对像即线性控制的建模后，我们又对圆筒形对象即非线性对象进一步研的研究
二、涉及知识
本实训涉及到自动化原理、PLC技术以及组态软件等相关课程，经过本实训，使我们掌握自动化系统的基础理论、技术与方法，巩固和加深对理论知识的理解。
本课题针对液位控制系统作初步设计和基本研究，该系统能对水箱液位信号进行采集，以PLC为下位机，以工控组态软件组态王设计上位机监控画面，运用PID控制算法对圆筒对象水箱液位进行控制。
三、系统结构框体
四、实训被控对象的介绍
控制系统中，作为广义的控制对象，除控制器（调节器）以外的执行器（调节阀）及测量变送装置都包括在内。
作为狭义的控制对象，其端部参数（输入、输出）有被控参数、控制参数和扰动参数，它们通过控制对象的内部状态而相互联系。
在此，我们从广义的控制对象的角度，对实训系统中的被控对象进行逐个分析：
（1）压力变送器
实训中选用的压力液位传感器的型号为FB0803AE3R。
该传感器的原理运用的是，液体内部所受压强与所处液体深度的关系。
由于压力变送器属于接触式的液位传感器，并且在其安装时采取了分区域安装的方法。
因此减少了波动误差和外加干扰。
（2）电磁阀
实训中选用的电磁阀的型号为ZCT15。
阀里面有控制器，控制器把电流信号转换为步进电机的角行程信号，电机转动，由齿轮，杠杆，或者齿轮加杠杆，带动阀杆运作，实现直行程或角行程。
五、控制器
变频器（6SE6420-2UC17-5AA1）
本次PLC实训中选用的变频器型号为Siemens的6SE6420-2UC17-5AA1。
在操作中通过PLC编程对该变频器进行控制，从而使其带动的异步电机的转速发生变化，达到最终对水箱进水的控制。
给变频器加上AC220V电源。
变频器的安装操作如下：
1. 用导轨的上闩销把变频器固定到导轨的安装位置上。
2. 向导轨上按压变频器，直到导轨的下闩销嵌入到位。
参数号
出厂值
设置值
说明
P0003
1
2
设用户访问级为扩展级
P0004
0
10
设定值通道和斜坡函数发生器
P1040
5
20
设定键盘控制的频率值（Hz）
P1058
5
10
正向点动频率（Hz）
P1059
5
10
反向点动频率（Hz）
P1060
10
5
点动斜坡上升时间（s）
P1061
10
5
点动斜坡下降时间（s）
表1.重要参数的设定
若在操作中，要对电动机的转速进行监测，可以按
键，显示r0000，使BOP显示结果为
。
然后按
键，显示频率，使BOP显示结果为
。
六、控制系统的控制流程图
七、圆形对象建模
一般卧式贮罐以圆筒形截面、标准椭圆封头居多。
在实际生产过程中，液位高度可直接从液位计上读取，其体积和质量却不能直观地反映出来，而液位高度与体积之间存在着必然的联系。
要想知道某一液位高度下贮罐内介质的质量，就必须求出液位高度与贮罐内介质体积的关系。
1．公式推导
以标准椭圆封头的卧式贮罐为例，导出其介质体积与相应的液位高度的关系式。
已知条件：
R一贮罐的内半径（m）；H一液位高度（m）；一圆筒长度（包括封头直边高度）（m）。
设液位高度为H时，介质的体积为V（
），其中圆筒部分的体积为
（
）
求
，如图
则
当
，
表达式的推导同上
八、组态王
在工程浏览器左侧的树型视图中选择“界面”，在右侧视图中双击“新建”，新建生产一幅名为“圆筒对象液位控制”的界面，如图2-1。
在工具箱中选择需要用的被控对象，根据要求设计出系统的主界面。
组态王把那些需要与之交换数据的硬件设备或软件程序都作为外部设备使用。
外部硬件设备在本文中就是S7-200.可使用“设备配置向导”一步步完成设备的连接。
具体操作如下：
双击“COM1”，点击“新建”，在西门子PLC中找到S7-200的PPI通讯接口，然后，点击“下一步”，给通讯口命令“S7-200”，“下一步”，选择“COM1”，再点击“下一步”，输入地址“2”，再“下一步”。
提示输入恢复策略，点击“完成”。
至此，在组态王中完成了I/O设备的设置。
实现组态王对S7-200的在线控制，就必须建立两者之间的联系，那就需要建立两者的数据变量。
基本类型的变量可以分为“内存变量”和“I/O变量”两类。
内存变量是组态王内存的变量，不跟监控设备进行交换。
而I/O变量时两者之间互相交换数据的桥梁，S7-200和组态王的数据交换是双向的，一者的数据发现变化，另外一者的数据也跟着变化。
所以需要在创建连接前新建一些变量。
对于将要建立的“圆筒对象液位调节阀PID控制实验”，需要从下位机采集温度、流量等变量。
由于这些数据时通过驱动程序采集的，所以变量都是I/O变型变量，定义变量的方法如下：
下面我们以当前温度差设置为例来说明变量设置的步骤和方法。
图4.3为变量“PID0-PV”基本属性设置图，变量类型设置为I/O实数，连接设备为S7-200，寄存器为V100，数据类型是float。
PLCI/O的分配
I/O分配
I/O名称
测量变量名称
模拟量输入
AI0
下水箱液位
模拟量输出
AO0
变频器频率
九、PID调节
（1）PID控制界面
（2）系统建模与MATLAB仿真调试
1.将PLC程序下载到A3000过控系统试验箱中，并将水箱水位设定值为10时，运行程序得出系统的水箱液位变化曲线如图4-3。
其中曲线①为设定值曲线，曲线②为水箱液位的变化曲线。
该系统为单回路控制，建立一阶惯性环节系统方程，即闭环传递函数为：
可依据图得到各参数的数值。
由图3-1可知K=1，曲线稳态值的63.2%处即为时间T，95%处为3T。
故T=1.6min，所以
。
根据PLC程序中PID整定参数：
P为3，I为6，D为1，故液位控制器的传递函数为
。
液位传感器的电信号为4-20mA，其高度变化范围为0-100cm，故其比例系数为
。
综上所述，可计算得到液位传递函数为：
2.仿真分析
根据上述建模的结果，利用软件Simulink对其进行仿真，对其建立的电路如下
其仿真输出的波形如图4-5所示：
3.控制参数对系统性能的影响
因为控制参数对系统影响较大。
如若P过大容易造成系统不稳定，过小则不能减小余差；
若I过小，则到达稳定所需的时间较少，但容易造成系统振荡，过大产生振荡的可能性大大减小，然而到达稳定的时间延长。
微分具有预测作用，可提前对系统加以控制，但微分常数过大过小都会严重影响系统的稳定性，所以，为找出更为理想的PID控制参数，故对以上Simulink中的PID模块进行的修改。
即保留主对象水箱和液位传感器不变，同时考虑到延时的影响，将其余模块用PID和延时模块代替得出如下组合：
经过调试当延时时间为0.1min，P为3，I为2，D为0时可得到较好的控制结果。
修改过后的仿真结果如下：
4.稳定性分析
该系统的闭环系统传递函数为
；故其特征方程为0.8S+1=0；
因为它是一阶方程，闭环系统特征根为S=-1.25<0,即在S域左半平面，故该闭环系统稳定。
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