1、昌吉學院畢業設計論文題目 水箱液位控制系統的設計 系 別 物理系 專 業 能源工程及自動化 班 級 物理系B1105班 學 生 陳希嘉 學 號 1125862019 指 導 教 師 李斌 第一章41.1過程控制的發展背景4液位控制系統設計的意義41.2研究的目的和意義41.3液位串級控制系統的介紹51.4PLC的產生和定義5可編程控制器的產生5可編程控制器的定義51.4.3 PLC的發展現狀6第二章水箱液位控制系統總體方案的設計72.1對水箱液位控制系統的內容進行論述72.2此控制系統的總體方框圖82.3控制算法10算法10中的PID實現11控制的各種常見的控制規律如下：12選擇適合本系統的控

2、制規律152.4PLC的組成及原理162.5PLC硬件配置17的選擇17摘要這篇論文的目的是設計一個水箱液位串級控制系統，為了實現對水箱液位的串級控制，采用了計算機技術，通訊技術，自動化儀表技術和自動控制技術。首先我們要對被控對象進行分析，根據被控對象和被控過程特性設計一個串級控制系統通過畢業設計，加深對所學傳感器技術、轉換技術、電子技術、自動控制原理以及過程控制的基本原理、基本知識的理解和應用，掌握串級控制系統的設計步驟和方法，掌握工程整定參數方法，培養創新意識，增強動手能力，為今后工作打下一定的理論和實踐基礎第一章1.1過程控制的發展背景自本世紀30年代以來，伴隨著自動控制理論的日趨成熟，

3、自動化技術不斷地發展并獲得了驚人的成就，在工業生產和科學發展中起著關鍵性的作用。過程控制技術是自動化技術的重要組成部分，普遍運用于石油，化工，電力，冶金，輕工，紡織，建材等工業部門。初期的過程控制系統采用基地式儀表和部分單元組合儀表，過程控制系統結構大多是單輸入，單輸出系統，過程控制理論是以頻率法和根軌跡法為主體的經典控制理論，以保持被控參數液位，溫度，壓力，流量的穩定和消除主要擾動為控制目的過程。其后，串級控制，比值控制和前饋控制等復雜過程控制系統逐步應用于工業生產中，氣動和電動單元組合儀表也開始大量采用，同時電子技術和計算機技術開始應用于過程控制領域，實現了直接數字控制（DDC）和設定值控

4、制（SPC）。90年代以來，自動化技術發展很快，并取得了驚人的成就，已成為國家高科技的重要分支。過程控制是自動化技術的重要組成部分。在現代工業生產自動化中，過程控制技術正在為實現各種最優的技術經濟指標、提高經濟效益和勞動生產率、節約能源、改善勞動條件、保護環境衛生等方面起著越來越大的作用。液位控制系統設計的意義水箱液位控制實驗系統是一個研究和開發先進的控制方法、策略的平臺，它具有體積小、功耗小、靈活安全等諸多優點，它不僅能夠完成控制系統的設計，還可以通過大量的實驗來對系統進行優化。它是專門針對于過程控制中液位控制研究的實驗研究系統，它包含有溫度、壓力、液位等多種被控變量，通過 PLC 下位機軟

5、件設計控制器，可實現多種控制方式。同時也可以對液位控制系統的控制策略進行設計、驗證與研究。水箱液位控制系統的研究與設計為解決實際工程應用提供了良好的研發平臺。1.2研究的目的和意義為了解決人工控制的控制準度低、控制速度慢、靈敏度低等一系列問題。從而我們現在就引入了工業生產的自動化控制。在自動化控制的工業生產過程中，一個很重要的控制參數就是液位。一個系統的液位是否穩定，直接影響到了工業生產的安全與否、生產效率的高低、能源是否能夠得到合理的利用等一系列重要的問題。隨著現在工業控制的要求越來越高，一般的自動化控制已經也不能夠滿足工業生產控制的需求，所以我們就又引入了可編程邏輯控制（又稱PLC）。引入

6、PLC使控制方式更加的集中、有效、更加的及時。液位控制系統它使我們的生活、生產都帶來了不可想象的變化。它使在控制中更加的安全，節約了更多的勞動力，更多的時間。在我國隨著社會的發展，很早就實行了自動控制。而在我國液位控制系統也利用得相當的廣泛，特別在鍋爐液位控制，水箱液位控制。還在黃河治水中也的到了利用，通過液位控制系統檢測黃河的水位的高低，以免由于黃河水位的過高而在不了解的情況下，給我們人民帶來生命危險和財產損失。1.3液位串級控制系統的介紹在工業實際生產中，液位是過程控制系統的重要被控量，在石油化工環保水處理冶金等行業尤為重要。在工業生產過程自動化中，常常需要對某些設備和容器的液位進行測量和

7、控制。通過液位的檢測與控制，了解容器中的原料半成品或成品的數量，以便調節容器內的輸入輸出物料的平衡，保證生產過程中各環節的物料搭配得當。通過控制計算機可以不斷監控生產的運行過程，即時地監視或控制容器液位，保證產品的質量和數量。如果控制系統設計欠妥，會造成生產中對液位控制的不合理，導致原料的浪費產品的不合格，甚至造成生產事故，所以設計一個良好的液位控制系統在工業生產中有著重要的實際意義。 在液位串級控制系統的設計中將以THJ-2高級過程控制實驗系統為基礎，展開設計控制系統及工程實現的工作。雖然是采用傳統的串級PID控制的方法，但是將利用智能調節儀表數據采集模塊和計算機控制來實現控制系統的組建，努

8、力使系統具有良好的靜態性能，改善系統的動態性能。1.4PLC的產生和定義可編程控制器的產生20世紀60年代，在世界技術改造的沖擊下，要求尋找一種比繼電器更可靠、功能更齊全、響應速度更快的新型工業控制器。1968年，美國最大的汽車制造商通用汽車公司從用戶角度提出了新一代控制器應具備的十大條件后，立即引起了開發熱潮。可編程控制器的定義國際工委員會（IEC）曾于1982年11月頒布了可編程控制器標準草案第一稿，1985年1月又發表了第二稿，1987年2月頒布了第三稿。該草案中對可編程控制器的定義是“可編程控制器是一種數字運算操作的電子系統，專為在工業環境下應用而設計。它采用了可編程的存儲器，用來在其

9、內部存儲執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術計算等面向用戶的指令，并通過數字量和模擬量的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。可編程控制器及其有關外圍設備，都按易于與工業系統聯成一個整體、易于擴充其功能的原則設計。1.4.3 PLC的發展現狀20世紀70年代中末期，可編程控制器進入實用化發展階段，計算機技術已全面引入可編程控制器中，使其功能發生了飛躍。更高的運算速度、超小型體積、更可靠的工業抗干擾設計、模擬量運算、PID功能及極高的性價比奠定了它在現代工業中的地位。20世紀80年代初，可編程控制器在先進工業國家中已獲得廣泛應用。這個時期可編程控制器發展的特點是大規模、高速度、高性能、產

10、品系列化。這個階段的另一個特點是世界上生產可編程控制器的國家日益增多，產量日益上升。這標志著可編程控制器已步入成熟階段。 上世紀80年代至90年代中期，是PLC發展最快的時期，年增長率一直保持為3040%。在這時期，PLC在處理模擬量能力、數字運算能力、人機接口能力和網絡能力得到大幅度提高，PLC逐漸進入過程控制領域，在某些應用上取代了在過程控制領域處于統治地位的DCS系統。 20世紀末期，可編程控制器的發展特點是更加適應于現代工業的需要。從控制規模上來說，這個時期發展了大型機和超小型機；從控制能力上來說，誕生了各種各樣的特殊功能單元，用于壓力、溫度、轉速、位移等各式各樣的控制場合；從產品的配

11、套能力來說，生產了各種人機界面單元、通信單元，使應用可編程控制器的工業控制設備的配套更加容易。目前，可編程控制器在機械制造、石油化工、冶金鋼鐵、汽車、輕工業等領域的應用都得到了長足的發展。 我國可編程控制器的引進、應用、研制、生產是伴隨著改革開放開始的。最初是在引進設備中大量使用了可編程控制器。接下來在各種企業的生產設備及產品中不斷擴大了PLC的應用。目前，我國自己已可以生產中小型可編程控制器。上海東屋電氣有限公司生產的CF系列、杭州機床電器廠生產的DKK及D系列、大連組合機床研究所生產的S系列、蘇州電子計算機廠生產的YZ系列等多種產品已具備了一定的規模并在工業產品中獲得了應用。此外，無錫華光

12、公司、上海鄉島公司等中外合資企業也是我國比較著名的PLC生產廠家。可以預期，隨著我國現代化進程的深入，PLC在我國將有更廣闊的應用天地。第二章水箱液位控制系統總體方案的設計2.1對水箱液位控制系統的內容進行論述單回路控制系統是過程控制中結構最簡單的一種形式，它只用一個調節器，調節器也只有一個輸入信號，從系統方框圖看，只有一個閉環。在大多數情況下，這種簡單系統已經能夠滿足工藝生產的要求，因此，它是一種最基本的、使用最廣泛的控制系統。但是也有另外一些情況，譬如調節對象的動態特性決定了它很難控制，而工藝對調節質量的要求又很高；或者調節對象的動態特性雖然并不復雜，但控制的任務卻比較特殊，則單回路控制系

13、統就無能為力了。另外，隨著生產過程向著大型、連續和強化方向發展，對操作條件要求更加嚴格，參數間相互關系更加復雜，對控制系統的精度和功能提出許多新的要求，對能源消耗和環境污染也有明確的限制。為此，需要在單回路的基礎上，采取其它措施，組成復雜控制系統，而串級控制系統就是其中一種改善和提高控制品質的極為有效的控制系統。液位和流量是工業生產過程中最常用的兩個參數，對液位和流量進行控制的裝置在工業生產中應用的十分普遍。液位的時間常數T一般很大，因此有很大的容積遲延，如果用單回路控制系統來控制，可能無法達到較好的控制質量。而串級控制系統可以用一般常規儀表來實現，成本增加也不大，卻可以起到十分明顯的提高控制

14、質量的效果，因此往往采用串級控制系統對液位進行控制。一般情況下，流量是影響液位的主要因素，其時間常數較小，將它納入副回路進行控制，不僅有效地克服了流量對液位造成的干擾，而且使系統工作頻率提高，能夠對液位實行較快的控制。當然，還有一些其它的克服大容積遲延的控制方案，例如前饋控制、大遲延滯后補償控制。但這兩種控制方案較難用一般常規儀表來實現，在經濟性和簡便性上不如串級控制，一般用在其它有特殊要求的控制系統中。2.2此控制系統的總體方框圖被控對象的構成圖被控對象為圖2.1中所示液位對象。水泵變頻器流量調節器流量測量變送器液位對象U儲水箱液位調節器液位測量變送器f圖2.1二、被控對象的工作原理、傳遞函

15、數及理論推導如下：單容水箱如圖2.1所示，Qi為入口流量，由調節閥開度加以控制，出口流量則由電磁閥控制產生干擾。被調量為水箱中的水位H,它反映水的流入與流出量之間的平衡關系。現在分析水位在電磁閥開度擾動下的動態特性。顯然，在任何時刻水位的變化均滿足下述物料平衡方程： （2.1）其中 （2.2） （2.3） F為水箱的橫截面積；是決定于閥門特性的系數，可以假定它是常數；是與電磁閥開度有關的系數，在固定不變的開度下，k可視為常數。將（2.2）、（2.3）兩式代入式（2.1）得 （2.4）上式是一個非線性微分方程。這個非線性給下一步的分析帶來很大的困難，但如果水位始終保持在其穩態值附近很小的范圍內變

16、化，那就可以將上式加以線性化。為此，首先把原始的平衡方程改寫成增量形式，其方法如下。在過程控制中，描述各種動態環節的動態特性最常用的方式是階躍響應，這意味著在擾動發生以前，該環節原處于穩定平衡狀態，對于上述水箱來說，在起始的穩定平衡狀態下，平衡方程（2.1）變為 （2.5）上式說明在穩定平衡狀態下，因入口流量必然等于出口流量，故水位變化速度為零。將（2.1）、（2.5）兩式相減，并以增量形式表示各個量偏離其起始穩態值的程度，即， （2.6）那么就得到 （2.7）它就是平衡方程（2.1）的增量形式。考慮水位只在其穩態值附近的小范圍變化，故由式（2.3）可以近似認為 （2.8）則式（2.7）變為

17、或 （2.9）如果各變量都以自己的穩態值為起算點，即 則可去掉上式中的增量符號，直接寫成 （2.10）因假定，則對微分方程（2.10）進行拉普拉斯變換可得 （2.11）將式（2.11）改寫成如下形式 （2.12）式（2.12）即液位對象的傳遞函數。2.3控制算法ID算法PID控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成。PID算法的輸入量e是設定值r和檢測值y的偏差量，即 ，經過運算，并輸出控制信號u。PID控制算法的理想形式為 式中 控制器比例增益； 積分時間； 微分時間。由理想PID控制算法連續形式可以得到其離散形式。離散PID控制算法有三種不同的形式：位置算法、增量算法、速

18、度算法。由連續的PID算法容易的到其位置算法，為 其中， 為采樣周期。PID控制增量算法為相鄰兩次采樣時刻所計算的位置值之差，即 PID控制速度算法為增量值除以采樣周期，即LC中的PID實現S7-200 PLC的PID指令中，PID控制算法是基于理想PID控制算法的改進得到的。其微分項采用微分先行改進，積分項采用抗積分飽和法改進。微分先行，是指只對被控量微分，而對偏差無微分作用，這樣避免了當改變設定值時對系統產生沖擊。抗飽和積分，是指對計算出的控制量限幅。在S7-200 PLC中，積分項的積分公式為式中第n次采樣的積分項數值；第n次采樣的設定值數值；第n次采樣的檢測值數值第n-1次采樣的積分項

19、數值。對控制量的限幅為式中第n次采樣的比例計算輸出數值；第n次采樣的積分計算輸出數值；第n次采樣的PID控制量計算輸出數值。通過按照上述方式調節，一旦計算輸出返回適當范圍即可實現系統應答能力的改善。控制量也被固定在0.01.0。ID控制的各種常見的控制規律如下：一、比例調節（P調節）在P調節中，調節器的輸出信號與偏差信號成比例，即 （3.1） 式中Kc稱為比例增益（視情況可設置為正或負）, 為調節器的輸出，是對調節器起始值的增量，的大小可以通過調整調節器的工作點加以改變。在過程控制中習慣用比例增益的倒數表示調節器輸入與輸出之間的比例關系： （3.2）其中稱為比例帶。比例調節的顯著特點就是有差調

20、節。比例調節的余差隨著比例帶的加大而加大。從這一方面考慮，人們希望盡量減小比例帶。然而，減小比例帶就等于加大調節系統的開環增益，其后果是導致系統激烈振蕩甚至不穩定。穩定性是任何閉環控制系統的首要要求，比例帶的設置必須保證系統具有一定的穩定裕度。此時，如果余差過大，則需通過其它的途徑解決。很大意味著調節閥的動作幅度很小，因此被調量的變化比較平穩,甚至可以沒有超調，但余差很大，調節時間也很長。減小就加大了調節閥的動作幅度，引起被調量來回波動，但系統仍可能是穩定的，余差相應減小。具有一個臨界值，此時系統處于穩定邊界的情況，進一步減小系統就不穩定了。二、積分調節（I調節）的特點在I調節中，調節器的輸出

21、信號的變化速度(t)/t與偏差信號e成正比，即 （3.3） 或 （3.4）式中KI稱為積分速度，可視情況取正值或負值。上式表明，調節器的輸出與偏差信號的積分成正比。I調節的特點是無差調節，與P調節的有差調節形成鮮明對比。式（3.3）表明，只有當被調量偏差e為零時，I調節器的輸出才會保持不變。然而與此同時，調節器的輸出卻可以停在任何數值。這意味著被控對象在負荷擾動的調節過程結束后，被調量沒有余差，而調節閥則可以停在新的負荷所要求的開度上。I調節的另一特點是它的穩定作用比P調節差。例如，根據奈氏穩定判據可知，對于非自衡的被控對象采用P調節時，只要加大比例帶總可以使系統穩定（除非被控對象含有一個以上

22、的積分環節）；如果采用I調節則不可能得到穩定的系統。對于同一個被控對象，采用I調節時其調節過程的進行總比采用P調節時緩慢，表現在振蕩頻率較低。把它們各自在穩定邊界上的振蕩頻率加以比較就可以知道，在穩定邊界上若采用P調節則被控對象須提供180相角滯后。若采用I調節則被控對象只須提供90相角滯后。這就說明用I調節取代P調節就會降低系統的振蕩頻率。采用I調節時，控制系統的開環增益與積分速度KI成正比。因此，增大積分速度將會降低控制系統的穩定程度，直到最后出現發散的振蕩過程。因為KI愈大，則調節閥的動作愈快，就愈容易引起和加劇振蕩。但與此同時，振蕩頻率將愈來愈高，而最大動態偏差則愈來愈小。被調量最后都

23、沒有余差，這是I調節的特點。三、比例積分調節（PI調節）PI調節就是綜合P、I兩種調節的優點，利用P調節快速抵消干擾的影響，同時利用I調節消除余差。它的調節規律為： (3.5)或 (3.6)式中為比例帶，可視情況取正值或負值；為積分時間。和是PI調節器的兩個重要參數。圖3.1是PI調節器的階躍響應，它是由比例動作和積分動作兩部分組成的。在施加階躍輸入的瞬間，調節器立即輸出一個幅值為e/的階躍，然后以固定速度e/TI變化。當t=TI時，調節器的總輸出為2e/。這樣，就可以根據圖3.1確定和TI的數值。還可以注意到，當t=TI時，輸出的積分部分正好等于比例部分。由此可見，TI可以衡量積分部分在總輸

24、出中所占的比重：TI愈小，積分部分所占的比重愈大。tTIOKcA2KcAu(t)tOAe(t)圖3.11PI調節器引入積分動作帶來消除余差之好處的同時，卻降低了原有系統的穩定性。為保持控制系統原來的衰減率，PI調節器比例帶必須適當加大，這樣會使調節時間ts增大，最大偏差也會增大。四、微分調節的特點比例調節和積分調節都是根據當時偏差的方向和大小進行調節的，而不管那時被控對象中流入量與流出量之間有多大的不平衡，而這個不平衡正決定著此后被調量將如何變化的趨勢。由于被調量的變化速度（包括其大小和方向）可以反映當時或稍前一些時間流入、流出量之間的不平衡情況，因此，如果調節器能夠根據被調量的變化速度來移動

25、調節閥，而不要等到被調量已經出現較大偏差后才開始動作，那么調節的效果將會更好，等于賦予調節器以某種程度的預見性，這種調節動作稱為微分調節。此時調節器的輸出與被調量或其偏差對于時間的導數成正比，即 (3.7)然而，單純按上訴規律動作的調節器是不能工作的。這是因為實際的調節器都有一定的失靈區，如果被控對象的流入、流出量只相差很少以致被調量只以調節器不能察覺的速度緩慢變化時，調節器并不會動作。但是經過相當長時間以后，被調量偏差卻可以積累到相當大的數字而得不到校正。這種情況當然是不能允許的。因此微分調節只能起輔助的調節作用，它可以與其它調節動作結合成PD和PID調節動作。五、比例積分微分調節（PID調節）PID調節器的動作規律是 (3.8)或 (3.9)式中、TI和TD參數意義與PI、PD調節器相同。選擇適合本系統的控制規律一般來說，對于串級控制系統，主變量不允許有余差。而對副變量的要求一般都不是很嚴格，允許它有波動和余差。為了主變量的穩定，主調節器必須具有積分作用。因此，主調節器通常都選用比例積分規律。有時，對象控制通道容量滯后比較大（像溫度對象和成分對象等），為了克服容量滯后，選用比例積分微分三作用的調節器作為主調節器。副調節