单容水箱PI控制系统设计实习报告范本

1、 .过程控制系统设计实习报告学院名称：电子与信息工程学院 班级名称： 测控09-1 学生姓名： 程喜 学 号： 120093107066 指导教师： 张庆思 提交日期： 2012 年 11 月 15 日过程控制系统设计一、设计题目：单容水箱PI控制系统设计二、设计目的：1、 掌握液位传感器的零点和增益调整方法。2、 掌握西门子200PLC PI控制程序的编写方法。3、 掌握MCGS组态软件的使用方法。三、设计原理：1、PID调节原理：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。PID控制,实际中也有PI和PD控制。

2、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。 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-state error）。 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（System with Steady-state Error）。为了消除

3、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。 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

4、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。 PID控制器的参数整定：  PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被 控过程的

5、特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多,概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是 依据系统的数学模型,经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用,还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法,它主 要依赖工程经验,直接在控制系统的试验中进行,且方法简单、易于掌握,在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法,主要有临界比例法、反应 曲线法和衰减法。三种方法各有其特点,其共同点都是通过试验,然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数,

6、都需 要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行 PID控制器参数的整定。PID参数整定步骤如下：首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作;(2)仅加入比例控制环节,直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡, 记下这时的比例放大系数和临界振荡周期;(3)在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。 在实际调试中,只能先大致设定一个经验值,然后根据调节效果修改。 对于温度系统：P（%）20-60,I（分）3-10,D（分）0.5-3 对于流量系统：P（%）40-100,I（分）0.1-1 

7、对于压力系统：P（%）30-70,I（分）0.4-3 对于液位系统：P（%）20-80,I（分）1-5 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 曲线漂浮绕大湾,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4比1 一看二调多分析,调节质量不会低。2、本次实习面板连接图：四、实习内容：1、 调整液位传感器参数，使

8、其能够准确检测水箱液位。、调零点：启动THKGK-1型试验台,查看液位显示面板数值与实际零点液位是否相同，如果不同则取下液位传感器后盖旋转调零旋钮进行调零。(2)、调增益：关闭上水箱出水阀同时向上水箱抽入一定量的水。待液位稳定后调整增益旋钮，使液位显示面板与实际液位相同即完成增益调零。2、 设计基于西门子200PLC的水箱液位PI控制程序、启动STEP 7-Micro/WIN SP3程序，首先进行通信连接设置。正确设置PG/PC接口类型（确保PLC处于运行状态）。如下图：(2)、待设置完成，双击刷新地址，待刷新完全部地址后，无错误提示即连接成功。(3)、确认后回到主界面进行编程。程序包括读取液

9、位信号及转换，PID程序块，相关的数据转换和输出控制。程序如下：(4)、完成程序的编写后进行编译，若无错误即可将程序下载至PLC中（若出现错误查看所在位置错误原因并修改）如下图：(5)、下载完成后将PLC转为运行状态并监控程序状态。(6)、在符号表的向导中可以查看建立的PID的相关参数的所在地址。如下图：(7)、在状态表中可以对相应地址中的参数进行修改达到调整PID参数的目的。如下图：(7)、可以在工具菜单中的PID调节控制面板中整定PID参数知道达到理想响应曲线位置。如下图：3、 设计基于MCGS组态软件的上位机监控程序，完成PI参数的调整、手自动控制、液位曲线的监控、数据归档、故障报警功能

10、。(1)、双击桌面上的“MCGS通用组态环境”进入运行环境。新建工程后再新建窗口，选中窗口后选择窗口属性进行相关设置。完成后并将其设置为启动窗口。如此一次建立液位控制、实时曲线、存盘数据、历史曲线、报警记录等窗口如下图：(2)、切换到设备窗口，双击设备管理后在弹出的窗口中点击右键，添加设备。点击设备管理，在窗口左侧选择通用串口父设备，双击添加到右侧窗口。再选择西门子S7-200PPI双击添加到右侧窗口。确认后回到设备管理界面。双击通用串口父设备和S7-200PPI将其添加到设备窗口。(3)、双击通用串口父设备0进入通用串口设备属性编辑界面。编辑如下图并确认：(4)、设备调试。双击设备0，在弹出

11、的窗口中切换到通道连接选项卡，点击快速链接并确认，切换到设备调试选项卡点击检查，若通道值显示全部为0，表示通道连接正常，若为其他值可以查阅相关材料并改正使其正常(5)、绘制工程效果图。返回到用户窗口中双击进入用户窗口。在工具栏中选择工具箱并应用里面的工具绘制工程图。最终效果图如下：(6)、西门子200PLC与MCGS通信连接。添加通道，切换到设备窗口，双击设备0进入属性设置。在基本属性选项卡中的设备内部属性栏中点击“”在新弹出的窗口中点击添加通道新增通道，选择存储器类型、输入地址、选择数据位的位数、读写类型等。确认后完成通道添加。切换到通道连接选项卡可以对新添加的通道进行命名，完成后通道添加成

12、功。(7)、添加数据组。将窗口切换到实时数据选项卡，新建对象，并双击新建的对象进入属性设置。将其重命名，将对象类型改为组对象，点击组对象成员选项卡，向数据组中添加组对象成员，完成后确认。(8)、数据连接对象（由于内容较多不过与详细的介绍，只给出部分重点的数据连接的介绍及截图）双击对象进入构建属性设置。如下所示：在基本属性选项卡勾选显示输出，然后点击显示输出选项卡进行设置：在基本属性选项卡勾选按钮输入，然后点击按钮输入选项卡进行设置：标准按钮操作属性设置（打开关闭用户窗口、数据对象值操作、退出运行系统等类似）：实时曲线构件属性设置，如下图：历史曲线窗口构建设置。双击历史曲线构件后在数据来源选项中

13、选择之前建立的数据组，然后切换到曲线标识做如下图设置完成历史曲线设置。存储数据构件设置。双击数据存盘窗口进入，在添加的存储数据构件上双击，进行属性设置。数据来源选择：组对象对应的存盘数据并选择之前建立的数据组。再切换到显示属性选项卡进行如下图设置：即时液位警报记录设置。在实时数据窗口中双击即时液位，为其添加警报设置，首先勾选允许警报处理，并勾选上限警报、下线警报，并修改其警报值。之后再警报记录新建警报记录构件完成。如下图：至此完成数据连接。(9)、环境系统运行，点击工具栏中的运行系统环境按钮。进入组态系统环境控制界面（由于软件问题流动块消失）。在运行状态下，可以通过修改相应的PID参数得到满意的响应曲线，同时可以浏览存盘数据、警报记录、历史曲线等内容。以下为部分截图：输入目标液位：PLC自动模式下调节：历史曲线窗口：数据存盘窗口：警报记录窗口：(10)、退出运行环境，到这里已经完成本次实习的全部内容。五、实习总结与体会：通过本次实习，我对PLC在实际的应用有了更多的了解。将课本中的知识运用到实践。同时可以独立编写一些基本的PLC程序。用于实现一些简单的功能。对组态环境的软件也有一些认识，熟悉了一个完整地工程的建立