基于pid二阶水箱液位控制

1、11. 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PLG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

2、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）MCG监控画面设计（4）PLC与MCG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05000pa范围内，经过压力变送器转换成1-5V模拟量电压信号；15V模拟量信号经过转换成640032000数量信号，再 将其输送到PL

3、C中；经过程序控制，对应050cm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320016000, 其对应的水箱水位在030cm之间。2.3二阶水箱系统结构2二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P

4、ID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ml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。3图 2.4.1R-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

5、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（PLQ概述4PLC

6、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（Programmable Logic Controller）。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

7、，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PACProgrammableAutomation Controller）。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

8、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

9、功能不断增强，发展前景非常乐观。3.2 PLC程序设计主程序如下列图所示53VD30Q11S水箱踱傥6网络4PIDENENDTBLLOOPHS5VD10&主控输岀值，盲接赋值给副控的VD加4给定愼SMOOJ1_rhjMOV_RENOC. 11/IVD1O0-INOUT-VD204CMMUL_RENOVJ匚INVD10B-30 0-IN1IN2OUT-VD308SMQ0JI_CMMUL_RENO1 1-tNVD100INICl LIT300INS-VD300VB100-0-SM0.07SHOOI_DIENENO1 1-AIW2 -INOUT-AGOACO-DI_RENENDOUTENSU

10、B_RENOA匚卜IN1OUT1510.0-IN2-AGOENDIV_RrMHSJt NU/lAC0-INIOUTACO11950,0-12MOV_RENENOAC0- INOUTVD200VD40堤上水箱液位1_SMOO| |MIKENENOIN1OUTIN2SJVD200-30.0-网络EA-VD4001网络注释SMOO1 IPIDENENO7BLLOOP|1 1VB200A8网絡10VD40电晞调节阀开度旷1Q站94. MCGS 监控画面设计4.1 MCGS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

11、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421所示。设定值tsv)0.0 Dicm测量OT)cm输岀( (0P)Kg.no储水箱吸比例系数0*糅分时间D猫分时间CD主控参数整回蔽41晝翌T阀泵水谟定值估V)冋亍厂 5湄量值(FIT) iifi(0P)副控参数整1 Slfe百比例系数(P)和分时间( (I)锻分时间0D怪警覺耶浪薈募朴实时曲线历史曲箜通讯状态10图 4.2.3图422

12、是实时曲线界面实时曲线返回图 4.2.2图423是历史曲线界面 2）动画爼吉厉史回塗历史曲线设定值丹确虽萌P面冊MTT TTN冊mHNHH冊刖KM MI MK冊册M冊HH册冊302?242118151290设定値V上水養面返回图 4.3.2114.3 MCGS变量设定和连接MCG与PLC的连接和控制建立在变量通道相连的基础上，图431是MCGS设置设备内部属性的途径，图432是MCGS! PLC的通道设定谟备屈饪谟畫=-1：谟备 町确认CO图 4.3.1nS7-2 0 OPLCJg性谡置序号PLC通道谀弓类型増加通道01DF1 aa读写PLC数据删除一个02DF1 04读写FLC数据03DF1

13、 08谟写FL C数据QlDF112读写FLC数据全部删除05DF116克写PLC数据06DF120读写PLC数据索引拷贝07DT124读写PLC数据08DF20Oi卖写PLC数据09DF20i+读弓PLC数据1 8DF208谟弓PLC数据11DF212谏弓PLC数据12DF216馔弓PLC数据13DF22O馍弓P数据1 4DF22U谏弓卩 5 数据确认Dd取消MJ帮助HJ基本属性 適道逵接|谡盏调试|数揭处理检查凹取消凹帮助Itu12u丿|.图 4.3.213图433是MCG实时数据库的变量设置M主控窗口设备窗口尿用户窗口韜实时数据库名字类型注释SliInputETime字符型系统内建数据对

14、魚$0lnpulSTIme字符塑系统内建数揚对象InputUserl字符型系统内建数据对貌t9*lnputUser2字符型系统內建数据对象B9VD1M数值型主控给定值feVD108数值型主控输出值VD112數值型主控pgVD116数值型主控下水箱采样时IIOOms|VD120数值型主控iVD124數值型主控d数值型副控设定值|VD2DB数值型副控输出值VD?12數值型副控piOVD216数值型副控上水箱采样时tlOOmsS8VD220数值型副控i1?VD224数值型制控d能电磯调节阀数值型vd?08副控输出值鱸阀门开关型轲上水箱液位數值型输水泵开关型鉅通讯状态开关型询下水箱液位數值型猖下水箱液

15、位设数值塑鱸疲位组组对象詢主输出值和副数值型图 4.3.35.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,曲线振荡很频繁,曲线偏离回复慢,曲线振荡频率快,理想曲线两个波,从小到大顺序查。比例度盘要放大。积分时间往下降。先把微分降下来。前高后低四比一。先是比例后积分,曲线漂浮绕大弯,曲线波动周期长,动差大来波动慢,一看二调多分析,最后再把微分加比例度盘往小扳积分时间再加长微分时间应加长调节质量不会低146. 现场实现液位控制图6.1是现场MCG控制界面，图6.2是水箱液

16、位控制现场图（右上和右下水箱）图 6.1cm_!设定111諂设定ffi(sv)生15 cm比例爲数（F）|薦量值（FT）m机乃时间（D |说定输岀ft（OP）%微分时闫助时间对象宅报警类型警事件当F实时曲线历史曲线主揑墓救整定设定值（S）IB.（1O测晁值B）肚加匚 eWf岀值（0P） |cm设足丨比例罢我机分时阿（D诫分吋何 5）15图 6.2167. 结束语本报告讲述了如何将组态软件MCGS口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