过程控制课程设计流量调节阀单回路PID控制论文

1、 电气与电子信息工程学院 过程控制课程设计设计题目：流量调节阀单回路PID控制 专业班级： 自动化2009（1）班 24 / 25过程控制课程设计任务书一、课程设计题目：压力调节阀PID单回路控制1、单容水箱液位调节阀PID单回路控制2、单容水箱液位变频器PID单回路控制3、竖直双容液位调节阀PID单回路控制4、流量调节阀PID单回路控制5、流量变频器PID单回路控制6、压力调节阀PID单回路控制7、锅炉动态水温度PID单回路控制8、换热器冷水出口温度调节阀PID单回路控制9、流量比值控制系统10、液位和进口流量串级控制二、课程设计容1、通过查阅资料掌握所选课题的原理、结构、并根据任务书用CA

2、D设计1套过程控制系统图纸,包括:自控设备清单、控制流程图、控制原理图、PLC系统硬件配置图、I/O地址分配表、I/O接线图等。2、自学西门子S7-300系统的硬件知识和STEP7软件的编程组态方法,并根据设计图完成机架配置、硬件组态、从站挂接和I/O口地址分配、用户程序编写等工作。3、自学WINCC.或组态王组态软件并设计监控界面,包括定义数据词典、通讯设置、生产流程控制画面、参数显示、PID手动/自动调节界面、趋势曲线等的设计。4、掌握在A3000高级过程控制装置上调试用户程序和参数整定的方法。5、掌握判断故障与处理故障的方法。6、每个学生必须独立完成设计，写出综合课程设计报告并参加答辩。

3、通过答辩考察学生对整个项目设计和实施过程的掌握程度，并根据其在整个设计阶段的理论知识应用能力、设计能力、实践操作能力、编程调试、故障分析与解决能力给出一个综合评价。三、进度安排1时间安排序 号容学时安排（天）1选题、讲解设计要求、查资料；方案论证和总统设计12系统选型与硬件设计13软件设计24程序与系统调试35绘制图纸、撰写和打印设计报告26设计答辩1合 计10设计指导答辩地点：K3自动化综合实验室2执行要求本次实训的设计与制作10个选题，每组不超过5人，为避免雷同，在设计中每个同学所采用的方案不能一样。四、基本要求设计报告：不少于8000字，幅面，统一复印封面。（1） 封面、课程设计任务书（

4、2） 摘要，关键词（中英文）目录（3） 根据要求确定方案选择，并进行方案论证（4） 论述系统功能与原理。（系统组成框图、电路原理图）（5） 各模块的功能，原理，器件选择。（6） 编写梯形图并进行程序设计和调试。（7） 结果分析（8） 对设计进行全面总结，写出课程设计报告。（9） 附录-参考文献五、课程设计考核办法与成绩评定根据过程、报告、答辩等确定设计成绩，成绩分优、良、中、与格、不与格五等。评定项目基本涵分值设计过程考勤、自行设计、按进度完成任务等情况20分设计报告完成设计任务、报告规性等情况50分答 辩回答问题情况30分90100分：优；8089分：良；7079分：中；6069分，与格；6

5、0分以下：不与格目录1、第一章 概述61.1 课程设计实验目的61.2 课程设计题目62、第二章 S7-300硬件结构72.1 控制器S7-300PLC72.2 传感器与执行器83、第三章 控制系统软件设计93.1 S7-300程序设计93.2 组态软件设计124、第四章 控制系统的调试 144.1 PID整定方法144.2 操作过程与调试214.3 应用程序流程图224.4 测试结果与记录235、实验结论24参考文献23第一章 概述1、 课程设计实验目的 1通过A3000过程实验控制系统了解和学习组态软件 2训练过程控制硬件设计 3过程设计过程中的PID设计。（帮忙补充一下）2、 课程设计题

6、目：竖直双容液位调节阀PID单回路控制3、 课程设计任务: 1、通过查阅资料掌握竖直双容液位调节阀PID单回路控制系统的原理、结构、并根据任务书用CAD设计1套过程控制系统图纸,包括:自控设备清单、控制流程图、控制原理图、PLC系统硬件配置图、I/O地址分配表、I/O接线图等。 2、自学西门子S7-300系统的硬件知识和STEP7软件的编程组态方法,并根据设计图完成机架配置、硬件组态、从站挂接和I/O口地址分配、用户程序编写等工作。 3、自学WINCC.组态软件并设计监控界面,包括定义数据词典、通讯设置、生产流程控制画面、参数显示、PID手动/自动调节界面、趋势曲线等的设计。 4、掌握在A30

7、00高级过程控制装置上调试用户程序和参数整定的方法。 5、掌握判断故障与处理故障的方法。 6、独立完成设计，写出综合课程设计报告并参加答辩。通过答体现对整个项目设计和过程的掌握程度，并根据其在整个设计阶段的理论知识应用能力设计能力、实践操作能力、编程调试、故障分析与解决能力由指导老师给出一个综合评价。第2章 S7-300硬件结构一、控制器S7-300PLCS7-300 是模块化的通用型PLC ，适用于中等性能的控制要求。用户可以根据系统的具体情况选择合适的模块，维修时更换模块十分方便。当系统规模扩大和功能复杂时，可以增加模块，对PLC 进行扩展。简单实用的分布式结构和强大的通信联网能力，使其应

8、用十分灵活。 S7-300 的CPU 模块（简称为CPU ）集成了过程控制功能，用于执行用户程序。不需要附加任何硬件、软件和编程，就可以建立一个MPI（多点接口）网络。如果有PROFIBUS-DP接口，可以建立一个DP网络。 S7-300 可大围扩展各种功能模块，可以非常好地满足和适应自动控制任务。由于简单实用的分散式结构和多界面网络能力，使得应用十分灵活。产品设计紧凑、可用于空间有限的场合。指令集功能强大，可用于复杂控制。无需电池备份，免维护。系统组成：中央处理单元 (CPU) ：各种CPU 有各种不同的性能，例如，我们通常所配的CPU 313C-2DP集成了数字量输入和输出，以与PROFI

9、BUS DP主站/ 从站接口。带有与过程相关的功能，可以连接标准I/O设备。CPU 运行时需要微存储器卡。 信号模块 (SM) ：用于数字量和模拟量输入/ 输出。 负载电源模块 (PS) ：用于将SIMATIC S7-300 连接到120/230V AC 电源。 根据客户要求，还可以提供以下设备： 通讯处理器 (CP) ：用于连接网络和点对点连接。 功能模块 (FM) ：用于高速计数，定位操作 ( 开环或闭环控制) 和闭环控制。 接口模块 (IM) ：用于多机架配置时连接主机架(CR) 和扩展机架 (ER)。S7-300 通过分布式的主机架(CR) 和3个扩展机架(ER) ，可以操作多达32个

10、模块。运行时无需风扇。我们使用比较多的配置是：S7-300 PLC 控制系统包含电源模块PS307 、中央处理器CPU 313C-2DP、模拟量I/O模块SM334 。其中CPU 313C-2DP自带16DI/16DO ，含40针前连接器一个，配一个64k存储卡。SM334 含20针前连接器一个。其他还可能有的配置是： PS307 电源，CPU312C，SM334 ，FLASH卡，20针前连接器。如果增加CP342 DP模块可以支持DP。 PS307 电源，CPU315-2DP, SM321, SM322，SM331 ，SM332 ，FLASH卡，连接器。二、传感器和执行器电磁流量计：参考手册

11、中文电磁流量计转换器用户手册，中文电磁流量计传感器使用说明书 电磁流量计利用法拉第电磁感应定律来测量流量。 电磁流量计如图1.2.18所示。 注意：不要在没有水的情况下给电磁流量计加电。加电几分钟后才能获得准确数值。电磁流量计接线图如图1.2.19 所示。 第三章 控制系统软件设计一、s7-300程序设计1、编程器控制软件Step 7简介2、 Step 7硬件接口3、 S7-300程序设计4、 S7-300模拟量的输入输出5、 S7-300 PID控制FB41控制模块逻辑功能图二、组态软件设计当前的国外的组态软件有InTouch、IFix、Citech、WinCC、ASPEN-tech、 Mo

12、vicon等，国的组态软件有世纪星、三维力控、组态王、紫金桥Realinfo、MCGS、态神等。在本过程控制过程课程设计的过程中选用的组态软件为西门子的Wincc。1、 Wincc的特点2、 流量调节阀控制系统 3.主态界面第4章 控制系统的调试 一 、PID整定方法1. PID调节器的适用围 PID调节控制是一个传统控制方法，它适用于温度、压力、流量、液位等几乎所有现场，不同的现场，仅仅是PID参数应设置不同，只要参数设置得当均可以达到很好的效果。均可以达到0.1%，甚至更高的控制要求。2. PID参数的意义和作用指标分析P、I、D：y=yP+yi+ yd P参数设置名称：比例带参数，单位为

13、(%)。比例作用定义：比例作用控制输出的大小与误差的大小成正比，当误差占量程的百分比达到P值时，比例作用的输出=100%，这P就定义为比例带参数。即ErrFS · PErrFSPyp= ×100% = ×100% = Kp · Err (1)（其中：yP=KP·、=SP-PV，取0-100%）KP=1/（FS·P）也可以理解成，当误差达到量程乘以P(%)时，比例作用的输出达100%。例：对于量程为0-1300的温控系统，当P设置为10%时，FS乘以P等于130，说明当误差达到130时，比例作用的输出等于100%，误差每变化1，比例作用

14、输出变化0.79%，若需加大比例作用的调节能力，则需把P参数设置小些，或把量程设置小些。具体多少可依据上述方法进行定量计算。P=输出全开值/FS·100%P参数越小比例作用越强，动态响应越快，消除误差的能力越强。但实际系统是有惯性的，控制输出变化后，实际PV值变化还需等待一段时间才会缓慢变化。由于实际系统是有惯性的，比例作用不宜太强，比例作用太强会引起系统振荡不稳定。P参数的大小应在以上定量计算的基础上根据系统响应情况，现场调试决定，通常将P参数由大向小调，以能达到最快响应又无超调(或无大的超调)为最佳参数。I参数设置名称：积分时间，单位为秒。积分作用定义：对某一恒定的误差进行积分，

15、令其积分“I”秒后，其积分输出应与比例作用等同，这I就定义为积分时间。即：Ki Errdt = Ki · I · Err = Kp · Err (2 )Ki = Kp /I (3 )yi = Ki Err (t)dt (4 )为什么要引进积分作用呢？前面已经分析过，比例作用的输出与误差的大小成正比，误差越大，输出越大，误差越小，输出越小，误差为零，输出为零。由于没有误差时输出为零，因此比例调节不可能完全消除误差，不可能使被控的PV值达到给定值。必须存在一个稳定的误差，以维持一个稳定的输出，才能使系统的PV值保持稳定。这就是通常所说的比例作用是有差调节，是有静差的，

16、加强比例作用只能减少静差，不能消除静差(静差：即静态误差，也称稳态误差)。为了消除静差必须引入积分作用，积分作用可以消除静差，以使被控的PV值最后与给定值一致。引进积分作用的目的也就是为了消除静差，使PV值达到给定值，并保持一致。积分作用消除静差的原理是，只要有误差存在，就对误差进行积分，使输出继续增大或减小，一直到误差为零，积分停止，输出不再变化，系统的PV值保持稳定，PV值等于SP值，达到无差调节的效果。但由于实际系统是有惯性的，输出变化后，PV值不会马上变化，须等待一段时间才缓慢变化，因此积分的快慢必须与实际系统的惯性相匹配，惯性大、积分作用就应该弱，积分时间I就应该大些，反之而然。如果

17、积分作用太强，积分输出变化过快，就会引起积分过头的现象，产生积分超调和振荡。通常I参数也是由大往小调，即积分作用由小往大调，观察系统响应以能达到快速消除误差，达到给定值，又不引起振荡为准。D参数设置名称：微分时间，单位为秒定义：D是指微分作用的持续时间，是指从微分作用产生时刻起到微分作用衰减到零(接近零)所花的时间。如下图所示。为什么要引进微分作用呢？前面已经分析过，不论比例调节作用，还是积分调节作用都是建立在产生误差后才进行调节以消除误差，都是事后调节，因此这种调节对稳态来说是无差的，对动态来说肯定是有差的，因为对于负载变化或给定值变化所产生的扰动，必须等待产生误差以后，然后再来慢慢调节予以

18、消除。但一般的控制系统，不仅对稳定控制有要求，而且对动态指标也有要求，通常都要求负载变化或给定调整等引起扰动后，恢复到稳态的速度要快，因此光有比例和积分调节作用还不能完全满足要求，必须引入微分作用。比例作用和积分作用是事后调节(即发生误差后才进行调节)，而微分作用则是事前预防控制，即一发现PV有变大或变小的趋势，马上就输出一个阻止其变化的控制信号，以防止出现过冲或超调等。D越大，微分作用越强，D越小，微分作用越弱。系统调试时通常把D从小往大调，具体参数由试验决定。如：由于给定值调整或负载扰动引起PV变化，比例作用和微分作用一定等到PV值变化后才进行调节，并且误差小时，产生的比例和积分调节作用也

19、小，纠正误差的能力也小，误差大时，产生的比例和积分作用才增大。因为是事后调节动态指标不会很理想。而微分作用可以在产生误差之前一发现有产生误差的趋势就开始调节，是提前控制，所以与时性更好，可以最大限度地减少动态误差，使整体效果更好。但微分作用只能作为比例和积分控制的一种补充，不能起主导作用，微分作用不能太强，太强也会引起系统不稳定，产生振荡，微分作用只能在P和I调好后再由小往大调，一点一点试着加上去。3. PID综合调试比例作用，积分作用和微分作用的关系是：比例作用是主要调节作用，起主导作用。积分作用是辅助调节作用；微分作用是补偿作用。在实际调试时可按以下步骤进行。1) 关掉积分作用和微分作用，

20、先调P。即令I>3600秒，D = 0秒，将P由大往小调以达到能快速响应，又不产生振荡为好。并需结合量程进行定量估算。2) P调好后再调I，I由大往小调，以能快速响应，消除静差，又不产生超调为好，或有少量超调也可以。I应考虑与系统惯性时间常数相匹配。一般I值和惯性时间差不多。3) P、I调好后，再调D。一般的系统D =0，1或2。只有部分滞后较大的系统，D值才可能调大些。4) PID参数修改后，可以少量修改给定值，观察系统的跟踪响应，以判断PID参数是否合适。5) P值太小，I值太小或D值太大均会引起系统超调振荡。6) 对于个别系统，如加温快降温慢，或升压快降压慢，或液位升得快降得慢等不

21、平衡系统是很难控制的，更难兼顾动态指标，只能将P调大些，I值也调大些，牺牲动态指标来保证稳态指标。这是由系统的不可控制特性所决定的，而与PID调节器的性能无关。常规PID参数设置指南 启动PID参数自整定程序，可自动计算PID参数，自整定成功率95%，少数自整定不成功的系统可按以下方法调PID参数。 P参数设置: 如不能肯定比例调节系数P应为多少，请把P参数先设置大些（如30%），以避免开机出现超调和振荡，运行后视响应情况再逐步调小，以加强比例作用的效果，提高系统响应的快速性，以既能快速响应，又不出现超调或振荡为最佳。 I参数设置: 如不能肯定积分时间参数I应为多少，请先把I参数设置大些（如1

22、800秒），(I> 3600时，积分作用去除)系统投运后先把P参数调好，尔后再把I参数逐步往小调，观察系统响应，以系统能快速消除静差进入稳态，而不出现超调振荡为最佳。 D参数设置: 如不能肯定微分时间参数D应为多少，请先把D参数设置为O，即去除微分作用，系统投运后先调好P参数和I参数，P、I确定后,再逐步增加D参数,加微分作用，以改善系统响应的快速性，以系统不出现振荡为最佳，（多数系统可不加微分作用）。 等温加湿与等晗加湿的区别 等温加湿：加湿前后温度不变，湿度增加。 加湿时，空气中的热量吸收水份，温度降低，湿度增加，同时水粒子被空气吸收散热，温度又增加，所以达到了一个能力等恒的过程。等

23、晗加湿：加湿前后温度发生变化，湿度增加。加湿时，空气中的热量吸收水份，降低了温度，湿度得到增加。调节器参数的整定，是自动调节系统中相当重要的一个问题。在调节方案已经确定，仪表与调节阀等已经选定并已装好之后，调节对象的特性也就确定了，调节系统的品质就主要决定于调节器参数的整定。因此，调节器参数整定的任务，就是对已选定的调节系统，求得最好的调节质量时调节器的参数值，即所谓求取调节器的最佳值，具体讲就是确定最合适的比例度、积分时间和微分时间。把参数整定工作放在怎样的位置，存在两种片面的看法：一种看法是过分强调了参数整定的作用，把调节器参数整定看作自动化理论的核心，这当然是错误的。因为调节器参数只能在

24、一定围起作用，如果方案不合理，工况改变、或属于仪表和调节阀故障，则不论怎样去调整比例度，积分时间和微分时间，仍然达不到预定的调节质量要求。同时，调节器参数在目前很难单纯依靠计算的方法来求取，因为计算法要遇到两个很大的困难，一是缺乏足够的对象动态特性资料，实验测试也不容易，二是计算方法繁琐，工作量大，而且对象往往有非线性或改变工艺参数的情况，所以化了不少力气算出来的结果仍不可靠。另一种看法是过分地贬低参数整定的作用，我们会遇到三类不同的系统情况。第一类是较容易调节的系统：比例度、积分时间和微分时间可以放在很宽的围，调节质量都能满足。第二类是方案选择不当的系统，不论怎样去整定参数，系统仍不能良好的

25、运行。如果只看到以上两种情况，是会产生不必重视调节器参数整定的错觉。实际上有相当多数量的系统介于这两种极端情况之间，这可以说是第三类的系统，它们在整定参数选择得当的时候，可以运行得很好，反之，在整定参数不合适时，调节质量就达不到要求。我们不要将它们与第二类系统混同起来，错当成不能投入自动的系统。另外，对第一类系统来说也有使调节质量进一步完善的要求。因此，我们应当重视调节器参数整定的工作，而不要片面地看问题。参数整定的方法很多，我们只介绍几种工程上最常用的方法。1 临界比例度法这是目前使用较广的一种方法，具体作法如下：先在纯比例作用下（把积分时间放到最大，微分时间放到零），在闭合的调节系统中，从

26、大到小地逐渐地改变调节器的比例度，就会得到一个临界振荡过程，如图2所示。这时的比例度叫临界比例度k，周期为临界振荡周期Tk。记下k和Tk，然后按表1的经验公式来确定调节器的各参数值。图2 临界振荡示意图表1 临界比例度法数据表调节作用比例度（%）积分时间Ti（分）微分时间Td（分）比例2k比例积分2.2k0.85Tk比例微分1.8k0.1Tk比例积分微分1.7k0.5Tk0.125Tk这种方法在下面两种情况下不宜采用：1）、临界比例度过小，因为这时候调节阀很容易处于全开与全关位置，对于工艺生产不利，举例来说，对于一个用燃料油（或瓦斯）加热的炉子，如很小，接近双位调节，将一会儿熄火，一会儿烟囱浓

27、烟直冲。2）、工艺上约束条件较严格时，因为这时候如达到等幅振荡，将影响生产的安全运行。2 衰减曲线法临界比例度法是要系统等幅振荡，还要多次试凑，而用衰减曲线法较简单，一般又有两种方法。（1）、4：1衰减曲线法使系统处于纯比例作用下，在达到稳定时，用改变给定值的办法加入阶跃干扰，观察记录曲线的衰减比，然后逐渐从大到小改变比例度，使出现4：1的衰减比为止，如图3所示。记下此时的比例度s。再按表2的经验公式来确定PID数值。图3 4：1衰减调节过程曲线表2 4：1衰减曲线法数据表调节作用比例度（%）积分时间Ti（分）微分时间Td（分）比例s比例积分1.2s0.5Ts比例积分微分0.8s0.3Ts0.

28、1Ts（2）、10：1衰减曲线法有的过程，4：1衰减仍嫌振荡过强，可采用10：1衰减曲线法。方法同上，得到10：1衰减曲线，记下此时的比例度s和上升时间Ts，再按表3的经验公式来确定PID的数值。衰减曲线如图4所示。图4 10：1衰减曲线示意图表3 10：1衰减曲线法数据表调节作用比例度（%）积分时间Ti（分）微分时间Td（分）比例s比例积分1.2s比例积分微分0.8s.二操作过程和调试1、编写控制器算法程序，下装调试；编写测试组态工程，连接控制器，进行联合调试。这些步骤不详细介绍。2、在测试系统的现场系统上，将手阀QV-102，QV-107完全打开，并使QV-116，QV-117闸板具有一定

29、开度，QV116开口高度比QV117低一些。其余阀门关闭。3、由于中水箱具有两个分隔的容器，所以可以选择容器大小。这里把QV118拉到很大的高度。所以容器的截面积就是整个容器，输出负载由QV117设定。4、将下水箱液位(LT-103)端子通过实验连接线连到控制器输入端AI0，IO面板的电动调节阀控制端连到AO0。注意：具体那个通道连接指定的传感器和执行器依赖于控制器编程。对于全连好线的系统，例如DCS，则必须按照已经接线的通道来编程。5、接通设备电源，调节阀(FV-101)通电。6、在现场系统上，启动水泵P102，给水箱V102注水。水箱V103由水箱V102注水。7、连接好控制系统和监控计算机之间的通讯电缆，启动控制系统。8、启动计算机，启动组态软件，进入测试项目界面。启动调节器，设置各项参数，将调节器的手动控制切换到自动控制。9、设置PID控