单容水箱PI控制系统设计实习报告

年4月19日单容水箱PI控制系统设计实习报告文档仅供参考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：13107066指导教师：张庆思提交日期：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：掌握液位传感器的零点和增益调整方法。掌握西门子200PLCPI控制程序的编写方法。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。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,能够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,而当前需要增加的是“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。因此对有较大惯性或滞后的被控对象,比例+微分(PD)控制器能改进系统在

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能够直接用,还必须经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,其共同点都是经过试验,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,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)在一定的控制度下经过公式计算得到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

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：调整液位传感器参数，使其能够准确检测水箱液位。=1\*GB2⑴、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。设计基于西门子200PLC的水箱液位PI控制程序=1\*GB2⑴、启动STEP7-Micro/WINSP3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)、在符号表的向导中能够查看建立的PID的相关参数的所在地址。如下图：(7)、在状态表中能够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)、能够在工具菜单中的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：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。(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，若为其它值能够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能够对新添加的通道进行命名，完成后通道添加成功。(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，能够经过修改相应的PID参数得到满意的响应曲线，同时能够浏览存盘数据、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： 经过本次实习，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。同时能够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