1、精選優質文檔-傾情為你奉上過程控制課程設計液位控制系統綜合設計目 錄1.引言液位控制是工業中常見的過程控制，它對生產的影響不容忽視。單容液位控制系統具有非線性，滯后，耦合等特征，能夠很好的模擬工業過程特征。對于液位控制系統，常規的PID控制采用固定的參數，難以保證控制適應系統的參數變化和工作條件變化，得不到理想效果，模糊控制具有對參數變化不敏感和魯棒性強等特征，但控制精度不太理想。如果將模糊控制和傳統的PID控制兩者結合，用模糊控制理論來整定PID控制器的比例，積分，微分系統，就能更好的適應控制系統的參數變化和工作條件的變化。本課程設計所控制的是單容下水箱液位，根據控制系統要求，設計采用過程控

2、制器件液位變送器、電動調節閥以及可編程邏輯控制器組成單回路閉環控制系統。從而熟悉PID算法在過程控制中的應用和閉環回路調節系統的設計方法。2.系統工作原理擾動整個液位控制系統采用典型的反饋式閉環控制，液位控制系統原理圖如圖2.1所示：液位給定液位變送器上水箱電動調節閥PID控制器圖2.1 液位控制系統原理圖圖2.1為單回路上水箱液位控制系統，單回路調節系統一般指在一個調節對象上用一個調節器來保持一個參數的恒定，而調節器只接受一個測量信號，其輸出也只控制一個執行機構。本系統所要保持的恒定參數是液位的給定高度，即控制的任務是控制上水箱液位等于給定值所要求的高度。根據控制框圖，這是一個閉環反饋單回路

3、液位控制，采用工業智能儀表控制。當調節方案確定之后，接下來就是整定調節器的參數，一個單回路系統設計安裝就緒之后，控制質量的好壞與控制器參數選擇有著很大的關系。合適的控制參數，可以帶來滿意的控制效果。反之，控制器參數選擇得不合適，則會使控制質量變壞，達不到預期效果。因此，當一個單回路系統組成好以后，如何整定好控制器參數是一個很重要的實際問題。一個控制系統設計好以后，系統的投運和參數整定是十分重要的工作。一般言之，用比例（P）調節器的系統是一個有差系統，比例度的大小不僅會影響到余差的大小，而且也與系統的動態性能密切相關。比例積分（PI）調節器，由于積分的作用，不僅能實現系統無余差，而且只要參數，T

4、i調節合理，也能使系統具有良好的動態性能。比例積分微分（PID）調節器是在PI調節器的基礎上再引入微分D的作用，從而使系統既無余差存在，又能改善系統的動態性能（快速性、穩定性等）。在單位階躍作用下，P、PI、PID調節系統的階躍響應分別如圖3-2中的曲線、所示。圖2.2 P、PI和PID調節的階躍響應曲線3. 硬件設計部分3.1控制回路硬件圖如圖3.1所示，水介質由泵P102從水箱V104中加壓獲得壓頭，經由調節閥FV101進入水箱V103，通過擋板QV16回流至水箱V104而形成水循環；其中，水箱V103的液位由LT103測得，用調節手擋板QV16的開啟程度來模擬負載的大小。本例為定值自動調

5、節系統，FV101為操縱變量，LT103為被控變量，采用PID調節來完成。需要全打開的手閥：QV102、QV105；需要全關閉的手閥：QV103、QV104、QV107、QV109；擋板開度：QV1160.5cm。圖3.1 單容下水箱液位調節閥PID單回路控制3.2系統硬件設計根據系統的硬件回路圖（圖3.1）可作出液位控制系統的原理結構圖如圖3.2.1所示：HR水 箱伺服閥控制器液位檢測變送器圖3.2.1 液位控制系統原理結構圖從系統的原理結構中可看出本系統的硬件部分主要包括：控制對象（上水箱）、液位檢測裝置、執行裝置（電動調節閥）、控制器（PLC）、上位機PC。系統結構示意框圖如圖3.2.2

6、所示：圖3.2.2 系統結構示意框圖計算機液位過程控制對象傳感器調節閥可編程控制器3.3控制系統的結構組成如圖3.3所示，計算機與可編程控制器構成主、從結構形式，計算機為主機，計算機控制軟件完成用戶界面的設計，控制算法的設計，以及完成與PLC的串行通訊。可編程控制器為從機，并帶有A/D、D/A轉換器，計算機可通過串口讀入可編程控制器中A/D轉換結果，在本系統中代表液位檢測值；計算機可通過串口寫出控制量到可編程控制器，由可編程控制器自動完成D/A轉換，轉換結果為420mA電流，控制電動流量伺服閥的開度，從而控制水箱入水量。控制軟件420mA圖3.3 控制系統的組成傳感器變送器控制對象控制閥420

7、mA帶A/D、D/A轉換器的可編程控制器計算機串行通信3.4 設備連接 設備連接圖如圖3.4所示，PLC的模擬輸入輸出為標準420mA電流信號，此外，標準模塊伺服閥、DDM和傳感器也都為標準420mA電流信號接口。轉接面板提供普通導線到標準七芯電纜之間的接口。七芯電纜串行通訊線水箱傳感器DDM伺服閥轉接面板 DAC0+ DAC0- PLCAIO0+AIO0-RS1RS-232PC機圖3.4 設備連接圖4.PID控制器程序設計4.1 PID原理如下S7200系列PLC的PID指令采用的是位置式輸出的PID控制算法：u (k ) = Kce(k)+(Ts/Ti)*e(k) +(Td/Ts)* e(

8、k) 可得到： Mn = Kc*(SPnPVn)+Kc*(Ts/Ti)*(SPkPVk) +Kc*(Td/Ts)*(SPnPVn)(SPnPVn-1)=Kc*(SPnPVn)+Kc*(Ts/Ti)*(SPnPVn) +Kc*(Td/Ts)*PVn-1PVn+Mx式中：e = SPnPVn從公式中可以看出，共9個參數，即：設定值：SPn，是控制目標值，即期望的液位值，運算時采用歸一化值；1個輸入：PVn，為當前測量值，應在PID運算前，在應用程序中被歸一化；1個輸出：Mn，即PID控制算法的運算結果，為歸一化值；采樣時間：Ts，也是常數，單位為秒；3個PID運算參數： Kc、Ti、Td分別為比例

9、、積分、微分三個參數，Ti、Td的單位為分。2個中間結果參數：PVn-1為上一次的歸一化測量值；Mx是計算中的中間參量，是積分之和。可見，9個參數中有：1個輸出變量，1個輸入變量，5個常數，2個中間變量。設定值SPn、采樣時間Ts和3個PID參數共個常數應事先確定，并在程序初始化時、或在每次執行PID模塊指令前，存放到數值存儲區，以供調用。其中：K為比例系數 Ts 采樣時間 TI 積分時間Td微分時間SPn給定值PVn測量值 Mn輸出結果（歸一化值） 需要預置五個參數：SPn K TI Td Ts (Kc、Ti、Td是要計算出的值，與被控對象的特性有關。) Td采樣時間Ts取為0.1秒;用擴充

10、響應曲線法將Kc、Ti、Td估算出來。4.2 A/D、D/A轉換控制環節由于PLC處理數字量，所以要先將模擬量轉化為數字量，就是要將其變成雙精度數PLC才能接受，具體見下邊程序；由于調節閥的輸入是連續的模擬量，需要將其經過D/A轉換從PLC輸出連續量。4.3 PID控制程序OB1LD SM0.1 /首次掃描時SM0.1位打開，用于調用初始化子例行程序CALL SBR_0 /調用子程序SBR_0SBR_0LD SM0.0 /當系統處于RUN模式時，SM0.0始終打開（既SM0.0=1）MOVR 0.75, VD104 /裝入給定值75MOVR 0.5, VD112 /裝入回路增益0.5MOVR

11、0.1, VD116 /裝入采樣時間0.1sMOVR 12.0, VD120 /裝入積分時間12分鐘MOVR 0.0, VD124 /關閉微分作用MOVB 100, SMB34 /100ms放入特殊內存字節SMB34，用于控制中斷0的時間間隔ATCH INT_0, 10 /調用中斷程序ENI /全局性啟用中斷INT0LD SM0.0 /RUN模式下，SM0.0=1ITD AIW0, AC0 /模擬量輸入映像寄存器AIW0的數轉雙精度數存入AC0寄存器DTR AC0, AC0 /將雙字轉換為實數/R 32000.0, AC0 /標準化累加器中的實數MOVR AC0, VD100 /存入回路表LD

12、 SM0.0PID VB100, 0 /回路表的起始地址為VB100，回路號為0LD SM0.0MOVR VD108, AC0 /PID控制器的輸出值送入累加器*R 32000.0, AC0 /將累加器中的數值標準化ROUND AC0, AC0 /將AC0中的實數轉換為雙整數MOVW AC0, AQW0 /將AC0中雙精度數送入(D/A)映像寄存器AQW0，輸出到調節閥5.設計總結及心得體會通過對水箱液位控制系統的設計，使我對實際工程中的自動過程控制系統的應用有了初步的設計理念。理論與實踐的結合，使我對過程控制及自動儀表的特點以及其系統組成原理與應用程序有了更進一步的學習，通過對整個系統的設計，使我更進一步的鞏固了專業基礎知識，提高了用理論知識解決實際問題的實踐能力。通過資料的收集及整理，也使我學到了許多相關專業課程的知識，并從中分析得到啟發，確立系統方案。通過對控制器程序的設計，使我掌握了運用SIMATIC S7-200型PLC實現PID算法控制以及單閉環液位控制系統的設計方法，使我對小型液位控制系統的硬件及軟件設計具備了綜合分析和獨立思考的能力。參考文獻1林錦國.過程控制.第3版.南京.東南大學出版社.20112范永久.化工測量及儀表.北京.化工工業出版社.20023孫自強.過程自動化及