基于pid二阶水箱液位控制.docx

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基于pid二阶水箱液位控制

1.绪论

液位控制问题是工业生产过程中的一类常见问题，例如在饮料、食品加工，溶液过建，化工生产等多种行业的生产加工过程都需要对液位进行适当的控制。

双溶水箱液位的控制作为过程控制的一种，由于其自身存在滞后，对象随负荷变化而表现非线性特性及控制系统比较复杂的特点，传统的控制不能达到满意的控制效果。

以PLC、组态软件为单元，可以组成从简单到复杂的各种工业控制系统。

PLC可以实现复杂的逻辑编程及简单的算法编程，但是对于先进控制算法，如模糊控制算法等涉及到矩阵运算，由于算法本身的复杂性，单纯依靠PLC编程功能已经不能满足要求；在这组态软件编程语言可以弥补它的不足，因为运用此方法非常简单。

本文在S7-200环境中编写了传统的PID控制算法，实现了对二阶水箱液位的控制。

1.1本设计主要研究内容

（1）水箱液位串级控制系统总体设计

（2）PLC程序设计

（3）MCGS监控画面设计

（4）PLC与MCGS变量连接和通讯

（5）PID参数的整定

2．串级控制系统设计

2.1水箱系统组成

水箱系统由两个串联水箱、一个大水箱、一个水泵、两个压力变送器、管道及若干阀组成。

两个压力变送器通过分别检测两个水箱压力来确定水位高度。

2.2信号间转换关系

压力变送器检测水箱压力在0～5000pa范围内，经过压力变送器转换成1～5V模拟量电压信号；1～5V模拟量信号经过转换成6400～32000数量信号，再将其输送到PLC中；经过程序控制，对应0～50cm水箱水位。

本设计用PLC检测到下水箱压力变送器传来的数字量信号为3200～16000，其对应的水箱水位在0～30cm之间。

2.3二阶水箱系统结构

二阶水箱液位控制系统的逻辑结构如图2.3.1

图2.3.1

本系统是由上下两个水箱串联组成，下水箱的液位为系统的主控制量，上水箱的液位为副控制量。

本系统的控制目的，不仅要使下水箱的液位等于给定值，而且当扰动出现在上水箱时，由于它们的时间常数均小于下水箱，故在下水箱的液位未发生明显变化前，扰动所产生的影响已通过内回路的控制及时地被消除。

为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制，系统的主调节器应为PI或PID控制。

由于副控回路的输出要求能快速、准确地复现主调节器输出信号的变化规律，对副参数的动态性能和余差无特殊要求，因而副调节器采用P或PI调节器。

2.4串级控制系统概述

图2.4.1是串级控制系统的方框图。

该系统有主、副两个控制回路，主、副调节器相串联工作，其中主调节器有自己独立的给定值R，它的输出m1作为副调节器给定值，副调节器的输出m2控制执行器，以改变主参数C1。

图2.4.1

R-主参数的给定值；

C1-被控的主参数；

C2-副参数

f1（t）-作用在主对象上的扰动

f2（t）-作用在副对象上的扰动

2.5串级控制系统的优点

串级控制系统从总体上看，仍然是一个定值控制系统，因此，主变量在干扰作用下的过渡过程和单回路定值控制系统的过渡过程具有相同的品质指标。

但是串级控制系统和单回路系统相比，在结构上从对象中引入一个中间变量（副变量）构成一个回路，因此具有一系列的特点。

串级控制系统的主要优点由：

a.副回路的干扰抑制作用

发生在副回路的干扰，在影响主回路之前即可由副控制器加以校正；

b.主回路响应速度的改善

副回路的存在，使副对象的相位滞后对控制系统的影响减小，从而改善了主回路的响应速度；

c.鲁棒性的增强

串级系统对副对象及调节阀特性的变化具有较好的鲁棒性；

d.副回路控制的作用

副回路可以按照主回路的需要对于质量流实施精确的控制。

3.可编程控制器（PLC）设计

3.1可编程控制器（PLC）概述

PLC的发展是提高生产力的要求推动的。

最早的自动控制采用继电器板进行的控制逻辑简单、体积大。

维护不便升级换代困难。

随着电子元器件的发展，1969年前后发明了PLC（ProgrammableLogicController）。

最早的PLC主要作用是代替继电器。

完全用于逻辑（顺序）控制内存小、功能单一.但是，在回路调节时，仍需要单回路仪表或者OCS。

随着电子技术、控制技术的发展，PLC从单纯的数字量控制发展到简单的模拟量控制和数字量控制相结合，部分代替了单回路仪表的功能。

PLC的网络能力从无到有，今天已经非常强大。

通过网络，可以实现分散控制，降低安装成本，提高集成度。

正是因为这种灵活性，用户可以很方便地建立自己地自动化控制系统。

PLC在设计时就是面向工业环境地。

因此，可靠性和抗干扰能力都很强。

PLC在长期应用中，经受了考验，几乎成为高可靠性的代名词。

几乎所有大型地顺序控制、重要的应用，都是PLC实现的。

可以说，没有PLC就没有现代制造业。

PLC进一步融合OCS技术，发展到PAC（ProgrammableAutomationController）。

PAC可以方便的和企业网集成，实现信息化工厂。

PLC网络中Profibus.Modbus应用也非常广泛。

随着电子技术的发展，PLC体积越来越小。

但小型化是有限度的，并不是越小越好。

因为阻容元件等的体积很难缩小而抗干扰措施需要这些分立元件。

同时，为了使用更加方便，功能更强，控制器的内存不断扩大，处理能力不断增强。

PLC厂家积极向过程自动控制领域拓展。

PLC保持了灵活、可靠和高性价比的优势。

同时在标准化和开放性方面有了长足的进步得到很多用户的喜爱和使用。

在功能方面只有某些在PLC基础之上发展起来的PAC系统才能满足全厂控制的要求。

因此PLC的根基依然牢固。

目前自动化领域主要的发展方向是企业层和车间层的融合。

在提高生产力、全球化、创新和可持续发展的要求推动下，信息、通讯、控制和动力的融合是自动化发展的必有之路。

总之，PLC顺应企业融合的需要，向标准化、多功能方向不断发展，应用领域不断拓展功能不断增强，发展前景非常乐观。

3.2PLC程序设计

主程序如下列图所示

4.MCGS监控画面设计

4.1MCGS组态软件概述

MCGS组态软件具有动画显示、流程控制、数据采集、设备控制与输出、工程报表、数据与曲线等强大功能，在自动控制中占据主力军的位置，已逐渐成为工业自动化的灵魂。

4.2操作界面设计

操作界面是用于控制上下水箱液位，例如参数设置，实时曲线，历史曲线等。

单击工具条中的“工具箱”按钮，常用图符工具箱包括27种常用的图符对象。

在工具箱中提供了8种图元称为系统图符对象。

设计主界面如图4.2.1所示。

图4.2.1

图4.2.2是实时曲线界面

图4.2.2

图4.2.3是历史曲线界面

图4.2.3

4.3MCGS变量设定和连接

MCGS与PLC的连接和控制建立在变量通道相连的基础上，图4.3.1是MCGS设置设备内部属性的途径，图4.3.2是MCGS与PLC的通道设定。

图4.3.1

图4.3.2

图4.3.3是MCGS实时数据库的变量设置

图4.3.3

5.PID参数整定

根据PID整定口诀，把比例积分微分三个参数一点一点调试，经过两天的整定，确定了较为快速的使液位到达设定值的参数。

PID整定口诀兹抄录如下：

参数整定找最佳，从小到大顺序查。

先是比例后积分，最后再把微分加。

曲线振荡很频繁，比例度盘要放大。

曲线漂浮绕大弯，比例度盘往小扳。

曲线偏离回复慢，积分时间往下降。

曲线波动周期长，积分时间再加长。

曲线振荡频率快，先把微分降下来。

动差大来波动慢，微分时间应加长。

理想曲线两个波，前高后低四比一。

一看二调多分析，调节质量不会低。

6.现场实现液位控制

图6.1是现场MCGS控制界面，图6.2是水箱液位控制现场图（右上和右下水箱）

图6.1

图6.2

7.结束语

本报告讲述了如何将组态软件MCGS和PLC相结合来实现实时监控系统，根据这一思路对二阶水箱实现液位串级控制，二阶水箱是较为典型的非线性、延时对象，工业上许多被控对象的整体或局部都可以抽象成二阶水箱数学模型，具有很强的代表和工业背景。

二阶水箱的数学建模以及控制策略的研究对工业生产中液位控制系统的研究有积极的指导作用，为研究更加复杂的系统奠定了基础。

本文以通过二阶水箱液位的PID控制为研究对象，在机理分析的基础上，建立了二阶水箱的数学模型；结合二阶水箱的特点，研究了二阶水箱在组态软件及PLC的控制下的运行特点。

这次课程设计，我组组员通过分模块化的设计方式，对每一个模块进行分析和对比，参照学校提供的资料才让我们在最后的调试中取得成功。

平时老师对我们的严格要求也起到了很大的作用，让我们独立自主的学习和研究，为我们在以后的工作中所将遇到的情况得到了充分的了解和认识，甚至可以说是为我们在将来的生活工作中端正了一种对待事情要认真、仔细、客观的态度。

因为是第一次对自己的实践进行严格检验，所以在设计中难免有出错或者是不完整之处，还请边老师多多指导，我会尽我最大的能力去修改、去完善。