单容水箱液位恒值控制系统设计

1、一、课程设计任务书 1. 设计内容针对某厂的液位控制过程与要求实现模拟控制，其工艺过程如下：用泵作为原动力，把水从低液位池抽到高液位池，实现对高液位池液位高度的自动控制。具体设计内容是利用西门子S7-200PLC作为控制器，实现对单容水箱液位高度的定值控制，同时利用MCGS组态软件建立单容水箱液位控制系统的监控界面，实现实时监控的目的。2. 设计要求1）以RTGK-2型过程控制实验装置中的单个水箱作为被控对象、PLC作为控制器、静压式压力表作为检测元件、电动调节阀作为执行器构成一个单容水箱单闭环控制系统，实现对水箱液位的恒值控制。2）PLC控制器采用PID算法，各项控制性能满足要求：超调量15

2、%，稳态误差0.1；调节时间ts60s；3）组态测控界面上，实时设定并显示液位给定值、测量值及控制器输出值；实时显示液位给定值实时曲线、液位测量值实时曲线和PID输出值实时曲线；并能显示历史曲线。4）选择合适的整定方法确定PID参数，并能在组态测控界面上实时改变PID参数；5）通过S7-200PLC编程软件Step7实现PLC程序设计与调试；6）分析系统基本控制特性，并得出相应的结论；7）设计完成后，提交打印设计报告。 过程控制系统课程设计报告班 级：自动化0841 姓 名： 王欢 学 号： 15 指导教师： 尹振红 撰写日期： 2011-12-16 摘要本文根据液位系统过程机理，建立了单容水

3、箱的数学模型。在设计中用到的PID算法提到得较多，PLC方面的知识较少。并根据算法的比较选择了增量式PID算法。建立了PID液位控制模拟界面和算法程序，进行了系统仿真，并通过整定PID参数，同时得出了整定后的仿真曲线和实际曲线。 本文的主要内容包括：PLC的产生和定义、过程控制的发展、水箱的特性确定与实验曲线分析， FX2系列可编程控制器的硬件掌握，PID参数的整定及各个参数的控制性能的比较，应用PID控制算法所得到的实验曲线分析，整个系统各个部分的介绍和讲解PLC的过程控制指令PID指令来控制水箱水位。PLC在工业自动化中应用的十分广泛。PID控制经过很长时间的发展，已经成为工业中重要的控制

4、手段。本设计就是基于PLC的PID算法对液位进行控制。PLC经传感电路进行液位高度的采集，然后经过自动调节方式来确定完PID参数后，通过控制直流泵的工作时间来实现液位的控制。MCGS(监视与控制通用系统)是用于快速构造上位机监控系统的组态软件系统，系统的监测环节就是通过MCGS来设计的。这样我们就可以通过组态画面对液位高度和泵的起停情况进行监测，而且可以对PLC进行启动、停止、液位高度设置等控制。整个系统运行稳定、简单实用，MCGS与PLC通信流畅。过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系

5、统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。目 录第一章 课程设计内容与要求分析11.1课程设计内容11.2课程设计要求分析11.3 PID控制的原理和特点11.3.1比例（P）控制及调节过程21.3.2积分（I）控制及调节过程21.3.3微分（D）控制及调节过程31.4单容上水箱自衡过程的建摸5第二章 课程设计的方案92.1 MCGS组态软件概述92.2系统设计PLC程序102.3 软件调试132.3.1 设备之间安装与连接152.3.2 系统的联

6、机调试15第三章 课程设计总结18参考文献19附录20第一章 课程设计内容与要求分析1.1课程设计内容针对某厂的液位控制过程与要求实现模拟控制，其工艺过程如下：用泵作为原动力，把水从低液位池抽到高液位池，实现对高液位池液位高度的自动控制。具体设计内容是利用西门子S7-200PLC作为控制器，实现对单容水箱液位高度的定值控制，同时利用MCGS组态软件建立单容水箱液位控制系统的监控界面，实现实时监控的目的。1.2课程设计要求分析（1）以RTGK-2型过程控制实验装置中的单个水箱作为被控对象、PLC作为控制器、静压式压力表作为检测元件、电动调节阀作为执行器构成一个单容水箱单闭环控制系统，实现对水箱液

7、位的恒值控制。（2）PLC控制器采用PID算法，各项控制性能满足要求：超调量15%，稳态误差0.1；调节时间ts60s；（3）组态测控界面上，实时设定并显示液位给定值、测量值及控制器输出值；实时显示液位给定值实时曲线、液位测量值实时曲线和PID输出值实时曲线；并能显示历史曲线。（4）选择合适的整定方法确定PID参数，并能在组态测控界面上实时改变PID参数；（5）通过S7-200PLC编程软件Step7实现PLC程序设计与调试；（6）分析系统基本控制特性，并得出相应的结论；1.3 PID控制的原理和特点工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节

8、。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。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。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。1.3.1比例（P）控制及调节过程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

9、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）。在人工调节的实践中，如果能使阀门的开度与被调参数偏差成比例的话，就有可能使输出量等于输入量，从而使被调参数趋于稳定，达到平衡状态。这种阀门开度与被调参数的偏差成比例的调节规律，称为比例调节。比例调节规律及其特点比例调节作用，一般用字母P来表示。如果用一个数学式来表示比例调节作用，可写成： （1-1）式中 调节器的输出变化值； 调节器的输入，即偏差； 比例调节器的放大倍数。放大倍数是可调的，所以比例调节器实际上是一个放大倍数可调的放大器。比例调节作用虽然及时、作用强，但是有余差存在，被调参数不能完全回复到给

10、定值，调节精度不高，所以有时称比例调节为“粗调”。纯比例调节只能用于干扰较小、滞后较小，而时间常数又不太小的对象。1.3.2积分（I）控制及调节过程在积分控制中，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（

11、PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。对于工艺条件要求较高余差不允许存在的情况下，比例作用调节器不能满足要求了，克服余差的办法是引入积分调节。因为单纯的积分作用使过程缓慢，并带来一定程度的振荡，所以积分调节很少单独使用，一般都和比例作用组合在一起，构成比例积分调节器，简称PI调节器，其作用特性可用下式表示： （1-2）这里，表示PI调节作用的参数有两个：比例度P和积分时间。而且比例度不仅影响比例部分，也影响积分部分，使总的输出既具有调节及时、克服偏差有力的特点，又具有克服余差的性能。由于它是在比例调节（粗调）的基础上，有加上一个积分调节（细调），所以又称再调调节或重定调节。但是，积分

12、时间太小，积分作用就太强，过程振荡剧烈，稳定程度低；积分时间太大，积分作用不明显，余差消除就很慢。如果把积分时间放到最大，PI调节器就丧失了积分作用，成了一个纯比例调节器。1.3.3微分（D）控制及调节过程在微分控制中，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

13、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。微分调节的作用主要是用来克服被调参数的容量滞后。在生产实际中，有经验的工人总是既根据偏差的大小来改变阀门的开度大小（比例作用），同时又根据偏差变化速度的大小进行调节。比如当看到偏差变化很大时，就估计到即将出现很大的偏差而过量地打开（关闭）调节阀，以克服这个预计的偏差，这种根据偏差变化速度提前采取的行动，意味着有“超前”

14、作用，因而能比较有效地改善容量滞后比较大的调节对象的调节质量。什么是微分调节？微分调节是指调节器的输出变化与偏差变化速度成正比，可用数学表达式表示为： （1-3）式中： 调节器的输出变化值；微分时间；偏差信号变化的速度。从上式可知，偏差变化的速度越大，微分时间越长，则调节器的输出变化就越大。对于一个固定不变的偏差，不管其有多大，微分做用的输出总是零，这是微分作用的特点。由于实际微分器的比例度不能改变，固定为100%，微分作用也只在参数变化时才出现，所以实际微分器也不能单独使用。一般都是和其它调节作用相配合，构成比例微分或比例积分微分调节器。比例积分微分调节又称PID调节，它可由下式表示： （1

15、-4）PID调节中，有三个调节参数，就是比例度P、积分时间、微分时间。适当选取这三个参数值，就可以获得良好的调节质量。由分析可知，PID三作用调节质量最好，PI调节第二，PD调节有余差。纯比例调节虽然动偏差比PI调节小，但余差大，而纯积分调节质量最差，所以一般不单独使用。1.4单容上水箱自衡过程的建摸所谓单容过程，是指只有一个贮蓄容量的过程。单容过程还可分为有自衡能力和无自衡能力两类。所谓自衡过程，是指过程在扰动作用下，其平衡状态被破坏后，不需要操作人员或仪表等干预，依靠起自身重新恢复平衡的过程。液位过程，图2.1所示为一个单容液位被控过程，其流入量，改变阀1的开度可以改变的大小。其流出量为，

16、它取决于用户的需要改变阀2开度可以改变。液位h的变化反映了与不等而引起贮罐中蓄水或泄水的过程.若作为被控过程的输入变量,h为其输出变量,则该被控过程的数学模型就是h与之间的数学表达式。1h12（a）Xhtt00图2.1液位被控过程及其阶跃响应根据动态物料平衡关系有 （2-1）将公式（2-1）表示成增量式为 （2-2）式中： 、分别表示为偏离某一平衡状态、的增量；A贮蓄截面积。在静态时，；当发生变化时，液位h随之变化，贮蓄出口处的静压随之变化，也发生变化。由流体力学可知，流体在紊流情况下，液位h与流量之间为非线形关系。但为了简化起见，经线形变化，则可近似认为与h成正比关系，而与阀2的阻力成反比，

17、即 （2-3）式中：阀2的阻力，称为液阻。为了求单容过程的数学模型，需消去中间变量。消去中间变量的方法很多，如可用代数代换法，可用信号流图法，也可用画方框图的方法。这里，介绍后一种方法。将式（2-2）、式（2-3）拉氏变换后,画出图2.2方框图。 图2.2方框图 单容液位过程的传递函数为 （2-4）式中：过程的时间常数，；过程的放大系数，； C过程的容量系数，或称过程容量。被控过程都具有一定贮存物料或能量的能力，其贮存能力的大小，称为容量或容量系数。其物理意义:是：引起单位被控量变化时被控过程贮存两变化的大小。图2.1（b）所示为单容液位被控过程的阶跃响应曲线。从上述分析可知，液阻不但影响过程

18、的时间常数，而且还影响过程的放大系数，而容量系数C仅影响过程的时间常数。在工业生产过程中，过程的纯时延问题是经常碰到的。如皮带运输机的物料传输过程，管道输送、管道反应和管道的混合过程等。下面以图2.3为例讨论纯时延过程的建模。 图2.3纯时延单容过程及其响应曲线图2.3所示，流量通过长度为l的管道流入贮罐。当进水阀开度产生扰动后，需要流经管道长度为l的传输时间后才流入贮罐，才使液位h发生变化。具有纯时延单容过程的阶跃响应曲线如图2.3曲线2所示，它与无时延单容过程的阶跃响应曲线在形状上完全相同，仅差一纯时延。具有纯时延单容过程的微分方程和传递函数为 （2-5）式中：过程的时间常数，； 过程的放

19、大系数，； 过程的纯时延时间。第2章 课程设计的方案2.1 MCGS组态软件概述MCGS(Monitor and Control Generated System，监视与控制通用系统)是一套基于windows95/98/NT操作系统(或更高版本)，用来可快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，它为用户提供了从设备驱动、数据采集到数据处理、报警处理、流程控制、动画显示、报表输出等解决实际工程问题的完整方案和操作工具。MCGS组态软件具有多任务、多线程功能，其系统框架采用VC+语言编程，通过OLE技术向用户提供VB编程接口，提供丰富的设备驱动件、动画构件、策略构件，用户可随时方便地扩充系统的功

20、能。工程创建的一般过程为：（1）工程项目系统分析：分析工程项目的系统构成、技术要求和工艺流程，弄清系统的控制流程和监控对象的特征，明确监控要求和动画显示方式，分析工程中的设备采集及输出通道与软件中实时数据库变量的对应关系，分清哪些变量是要求与设备连接的，哪些变量是软件内部用来传递数据及动画显示的。 （2）工程各项搭建框架：MCGS称为建立新工程。主要内容包括：定义工程名称、封面窗口名称和启动窗口（封面窗口退出后接着显示的窗口）名称，指定存盘数据库文件的名称以及存盘数据库，设定动画刷新的周期。经过此步操作，即在MCGS组态环境中，建立了由五部分组成的工程结构框架。封面窗口和启动窗口也可等到建立了

21、用户窗口后，再行建立。（3）设计菜单基本体系：为了对系统运行的状态及工作流程进行有效地调度和控制，通常要在主控窗口内编制菜单。编制菜单分两步进行，第一步首先搭建菜单的框架，第二步再对各级菜单命令进行功能组态。在组态过程中，可根据实际需要，随时对菜单的内容进行增加或删除，不断完善工程的菜单。（4）制作动画显示画面：动画制作分为静态图形设计和动态属性设置两个过程。前一部分类似于“画画”，用户通过MCGS组态软件中提供的基本图形元素及动画构件库，在用户窗口内“组合”成各种复杂的画面。后一部分则设置图形的动画属性，与实时数据库中定义的变量建立相关性的连接关系，作为动画图形的驱动源。（5）编写控制流程程

22、序：在运行策略窗口内，从策略构件箱中，选择所需功能策略构件，构成各种功能模块（称为策略块），由这些模块实现各种人机交互操作。MCGS还为用户提供了编程用的功能构件（称之为“脚本程序”功能构件），使用简单的编程语言，编写工程控制程序。（6）完善菜单按钮功能：包括对菜单命令、监控器件、操作按钮的功能组态；实现历史数据、实时数据、各种曲线、数据报表、报警信息输出等功能；建立工程安全机制等。（7）编写程序调试工程：利用调试程序产生的模拟数据，检查动画显示和控制流程是否正确。（8）连接设备驱动程序：选定与设备相匹配的设备构件，连接设备通道，确定数据变量的数据处理方式，完成设备属性的设置。此项操作在设备窗

23、口内进行。2.2系统设计PLC程序水位测量值(VD4000)100测量值显示单元(VD400)水位设定值显示单元内容(VD404)100PID0回路表的设定值单元(VD2004)水位测量值(VD4000)PID0回路表的测量值单元(VD2000)自动方式：PID0回路表的输出值单元内容(VD2008) 变量存存器（VD5）自动方式：PID0回路表的输出值单元内容(VD2008) 输出值显示单元（VD408）0输出值显示单元0上水箱设定值显示单元0上水箱测量值显示单元设置使用0号PID回路，设置回路表首地址VB2000实数加法AC3+6400AC3实数乘法VD525600AC332位双整数实数A

24、C016位整数AIWC32位双整数AC016位整数AC3模拟量输出寄存器AQW0完成数模转换（调节阀）32位双整数AC316位整数AC3实数AC332位双整数AC3将变量存储器内容（标准化实数0.01.0）经工程量化模拟量输出通道存储器AQW0AC0 VD4000测量单元实数除法：AC025600 AC0（标准化实数0.01.0）实数减法：AC0-6400 AC0将第0路模拟量输入通道AIWC（数字量）经工程量化标准化实数0.01.0存入测量单元VD4000PID指令回路表主要内容偏移地址功能描述0PVn过程变量测量值（实数）0.01.04设定值0.01.08输出值0.01.012增益KC16

25、采样时间20积分时间TI24微分时间TD28积分前项值32过程变量前值2.3 软件调试 在STEP7-MicroWin环境中编写、调试、下载PLC的梯形图程序。在编写PLC程序时，查阅了STEP7关于模拟量输入处理、模拟量输出处理、定时中断、PID指令等内容。程序的流程图如下图2-2所示： 图2.2 程序流程图 2.3.1 设备之间安装与连接按照图2-3所示，将实验所需的设备如液位变送器、PLC、调节阀等安装并接线。图2-3 控制系统示意图图2-4 控制系统框图2.3.2 系统的联机调试在计算机中，编制实时动态显示画面。最后系统联调时，在画面上可显示和修改相关参数，在完成PID参数整定后，控制精度在2%以内。（1）手动调试动态显示画面图2-5手动调试动态显示画面（2）自动调试动态显示画面图2-6 自动调试动态显示画面（3）PID调节曲线 图7 PID调节曲线第三章 课程设计总结这次过程控制课程设计给我带来了很多的收获。首先，是知识方面的收获，通过这次课程设计