I/24在人們生活以及工業(yè)生產(chǎn)等諸多領(lǐng)域經(jīng)常涉及到液位和流量的控制問題,例如居民生活用水的供應(yīng),飲料、食品加工等多種行業(yè)的生產(chǎn)加工過程,通常需要使用蓄液池,蓄液池中的液位需要維持合適的高度,既不能太滿溢出造成浪費(fèi),也不能過少而無法滿足需求。因此液面高度是工業(yè)過程控制過程中一個(gè)重要的參數(shù)，特別是在動(dòng)態(tài)的狀態(tài)下，采用適合的方法對(duì)液位進(jìn)行檢測(cè)、控制，能收到很好的效果就更為重要了。在這次課程設(shè)計(jì)中，我們主要是設(shè)計(jì)一個(gè)下水箱液位控制系統(tǒng)，涉及到液位的動(dòng)態(tài)控制、控制系統(tǒng)的建模、PID參數(shù)整定、傳感器和調(diào)節(jié)閥等一系列的知識(shí)。通過將電磁流量計(jì)和渦輪流量計(jì)分別作為主管道和副管道控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)閥控制水箱液位高度。然后，通過參數(shù)試湊法對(duì)PID參數(shù)的調(diào)試，使上述的模型能快速的達(dá)到穩(wěn)定并且超調(diào)量和余差等滿足設(shè)計(jì)要參數(shù)整定過程中，我對(duì)比例控制，積分控制，微分控制的作用、效果以及調(diào)試方法有了一定了解。關(guān)鍵詞：過程控制下水箱液位控制PID參數(shù)整定II/24第一章緒論 第二章下水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)述 22.1設(shè)計(jì)目的 22.2設(shè)計(jì)要求 22.3設(shè)計(jì)方案 2第三章下水箱液位系統(tǒng)的組成 53.1單回路控制系統(tǒng) 53.1.1控制器 63.1.2執(zhí)行器 63.1.3被控對(duì)象 63.1.4檢測(cè)裝置 63.2下位機(jī)部分 73.3上位機(jī)部分 第四章系統(tǒng)調(diào)試部分 94.1系統(tǒng)建模 94.2PID算法 4.3調(diào)試過程 第五章結(jié)論分析 第六章總結(jié) 參考文獻(xiàn) 第一章緒論不斷地發(fā)展并獲得了驚人的成就，在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)發(fā)展中起著關(guān)鍵性的作用。過程控制技術(shù)是自動(dòng)化技術(shù)的重要組成部分，普遍運(yùn)用于石油，化工，電力，冶金，輕工，紡織，建材等工業(yè)部門。初期的過程控制系統(tǒng)采用基地式儀表和部分單元組合儀表，過程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大多是單輸入，單輸出系統(tǒng)，過程控制理論是以頻率法和根軌跡法為主體的經(jīng)典控制理論，以保持被控參數(shù)溫度，液位，壓力，流量的穩(wěn)定和消除主要擾動(dòng)為控制目的過程?，F(xiàn)今的過程控制己進(jìn)入計(jì)算機(jī)集成過程系統(tǒng)（CIPS）時(shí)代，并依托人工智能，控制理論和運(yùn)籌學(xué)相結(jié)合的智能控制技術(shù)向工廠綜合自動(dòng)化的方向發(fā)展?，F(xiàn)代化過程工業(yè)向著大型化和連續(xù)化的方向發(fā)展，生產(chǎn)過程也隨之日趨復(fù)雜，而對(duì)生產(chǎn)質(zhì)量﹑經(jīng)濟(jì)效益的要求，對(duì)生產(chǎn)的安全、可靠性要求以及對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的要求卻越來越高。不僅如此，生產(chǎn)的安全性和可靠性，生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益都成為衡量當(dāng)今自動(dòng)控制水平的重要指標(biāo)。因此繼續(xù)采用常規(guī)的調(diào)節(jié)儀表（模擬式及數(shù)字式）已經(jīng)不能滿足對(duì)現(xiàn)代化過程工業(yè)的控制要求。第二章下水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)述2.1設(shè)計(jì)目的通過某種組態(tài)軟件，結(jié)合實(shí)驗(yàn)已有設(shè)備，按照定值系統(tǒng)的控制要求，根據(jù)較快較穩(wěn)的性能要求，采用但閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)和PID控制規(guī)律，設(shè)計(jì)一個(gè)具有美觀組態(tài)畫面和較完善組態(tài)控制程序的流量單回路過程控制系統(tǒng)。2.2設(shè)計(jì)要求1進(jìn)行單容液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，畫出系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。2進(jìn)行單容液位定值控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定。3基于WinCC的監(jiān)控界面設(shè)計(jì).4系統(tǒng)投運(yùn)，進(jìn)行P、PI和PID三種調(diào)節(jié)器參數(shù)整定。2.3設(shè)計(jì)方案整個(gè)過程控制系統(tǒng)由控制器、調(diào)節(jié)器、測(cè)量變送、被控對(duì)象組成。在本次控制系統(tǒng)中控制器為計(jì)算機(jī)，采用算法為PID控制規(guī)律，調(diào)節(jié)器為電磁閥，測(cè)量變送為HB、FT兩個(gè)組成，被控對(duì)象為流量PV。結(jié)構(gòu)組成見圖2-1流量單回路控制系統(tǒng)框圖當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)后，水泵開始抽水，通過管道分別將水送到上水箱和下水則通過電磁閥控制流量的大小，加大流量，從而使下水箱水位達(dá)到合適位置；若不需要（即水位過高或剛好合適），則通過電磁閥使流量保持或減小。其整個(gè)流程圖如圖2-2所示。圖2-2流量單回路控制系統(tǒng)流程圖被控量為下水箱的液位高度，實(shí)驗(yàn)要求它的液位穩(wěn)定在給定值。將壓力傳感器LT1檢測(cè)到的下水箱液位信號(hào)作為反饋信號(hào)，在及給定量比較后的差值通過調(diào)節(jié)器控制氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度，以達(dá)到控水箱液位的目的。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在階躍給定和階躍擾動(dòng)作用下的無靜差控制，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器應(yīng)為PI或PID控制。本控制系統(tǒng)的流程圖如圖2-3所示。圖2-3控制系統(tǒng)的流程圖下水箱液位檢測(cè)信號(hào)LT1為標(biāo)準(zhǔn)的模擬信號(hào)，直接傳送到SIEMENS的模擬量輸入模塊SM331，SM331和分布式I/O模塊ET200M直接相連，ET200M掛接PROFIBUS-DP總線上，PROFIBUS-DP總線上掛接有控制器CPU315-2DP（CPU315-2DP為PROFIBUS-DP總線上的DP主站），這樣就完成了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量信號(hào)到CPU的傳送。本實(shí)驗(yàn)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為帶PROFIBUS-PA通訊接口的閥門定位器PROFIBUS-PA總線上，PROFIBUS-PA總線通過LINK和COUPLER組成的DP鏈路及PROFIBUS-DP總線交換數(shù)據(jù)，PROFIBUS-DP總線上掛接有控制器CPU315-2DP，這樣控制器CPU315-2DP發(fā)出的控制信號(hào)就經(jīng)由PROFIBUS-DP總線到達(dá)PROFIBUS-PA總線來控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)閥門定位器。第三章下水箱液位系統(tǒng)的組成3.1單回路控制系統(tǒng)單回路過程控制系統(tǒng)亦稱單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)簡(jiǎn)稱單回路系統(tǒng)，一般指針對(duì)一個(gè)被控過程,采用一個(gè)測(cè)量變送器監(jiān)測(cè)被控過程，采用一個(gè)控制器來保持一個(gè)被控參數(shù)恒定，其輸出也只控制一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。從系統(tǒng)的框圖3-1看，只是一個(gè)閉環(huán)回路。d(t)y(t)Oy(t)Om圖3-1單回路控制系統(tǒng)方框圖執(zhí)行器和控制器的傳遞函數(shù)。系統(tǒng)工作時(shí)，被控過程的輸出信號(hào)（被控變量）y(t)通過檢測(cè)變送儀表后將其變換為測(cè)量值ym(t)，并將測(cè)量值ym(t)反饋到控制器G(s)的輸入端；控制器G(s)根據(jù)系統(tǒng)被控變量的設(shè)定值r(t)及根據(jù)控制器G(s)送來的控制信號(hào)u(t)，通過改變操作變量μ(t)的大小，對(duì)cO趨于設(shè)定值r(t)，達(dá)到預(yù)期的控制目標(biāo)。單回路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，投資少，易于調(diào)整和投運(yùn)，又能滿足不少工業(yè)生產(chǎn)過程的控制要求，因此應(yīng)用十分或者對(duì)被控制量要求不高的場(chǎng)合，約占目前工業(yè)控制系統(tǒng)80%以上。單回路過程控制系統(tǒng)雖然簡(jiǎn)單，但它的分析、設(shè)計(jì)方法是其它各種復(fù)雜過程控制系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。3.1.1控制器控制器只接受一個(gè)測(cè)量信號(hào)，其輸出也只控制一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。本系統(tǒng)所要保持的恒定參數(shù)是液位的給定高度，即控制的任務(wù)是控制水箱液位等于給定值所要求的高度。所以本設(shè)計(jì)控制器采用SIEMENS公司的S7300CPU，本CPU既具有能進(jìn)行多點(diǎn)通訊功能的MPI接口，又具有PROFIBUS-DP通訊功能的DP通訊接口，并通過WINCC組態(tài)軟件完成對(duì)下水3.1.2執(zhí)行器本設(shè)計(jì)采用智能直行程電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，對(duì)控制回路的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥型號(hào)為：QSTP-16K。具有精度高、技術(shù)先進(jìn)、體積小、重量輕、推動(dòng)力大、功能強(qiáng)、控制單元及電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)一體化、可靠性高、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，電源為單相220V，控制信號(hào)為4～20mADC或1～5VDC，輸出為4～20mADC的閥位信號(hào)，使用和校正非常方便。采用磁力驅(qū)動(dòng)泵，型號(hào)為16CQ-8P，流量為30升/分，揚(yáng)程為8米，功率為180W。泵體完全采用不銹鋼材料，以防止生銹，使用壽命長(zhǎng)。在本設(shè)計(jì)中還選用電磁閥作為電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的旁路，起到階躍干擾的作用。電磁閥工作壓力：最小壓力為0Kg/cm2，最大壓力為1Mp/cm2；工作溫度5～80℃；工作電壓：220VAC。3.1.3被控對(duì)象本設(shè)計(jì)被控對(duì)象選擇下水箱，下水箱尺寸為：D=35cm，H=20cm。水箱結(jié)構(gòu)獨(dú)特，由三個(gè)槽組成，分別為緩沖槽、工作槽和出水槽，進(jìn)水時(shí)水管的水先流入緩沖槽，出水時(shí)工作槽的水經(jīng)過帶燕尾槽的隔板流入出水槽，這樣經(jīng)過緩沖和線性化的處理，工作槽的液位較為穩(wěn)定，便于觀察。水箱底部均接有擴(kuò)散硅壓力傳感器及變送器，可對(duì)水箱的壓力和液位進(jìn)行檢測(cè)3.1.4檢測(cè)裝置本設(shè)計(jì)采用壓力傳感器對(duì)下水箱的液位進(jìn)行檢測(cè)，其量程為0～5KP，精度為0.5級(jí)。采用工業(yè)用的擴(kuò)散硅壓力變送器，帶不銹鋼隔離膜片，同時(shí)采用信號(hào)隔離技術(shù)，對(duì)傳感器溫度漂移跟隨補(bǔ)償。采用渦輪流量計(jì)對(duì)由電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制的動(dòng)力支路、由變頻器控制的動(dòng)力支路及盤管出口處的流量進(jìn)行檢測(cè)。其優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精度高，反應(yīng)快。流量范圍：0～1.2m3/h；精度：1.0%；輸出：4～20mADC。3.2下位機(jī)部分可編程控制器（簡(jiǎn)稱PLC）是專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用的一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)。目前國(guó)內(nèi)外PLC品種繁多，生產(chǎn)PLC的廠商也很多，其中德國(guó)西門子公司在S5系列PLC的基礎(chǔ)上推出了S7系列PLC，性能價(jià)格比越來越高。S7系列PLC有很強(qiáng)的模擬量許多過去大型PLC才有的功能，其掃描速度甚至超過了許多大型的PLC，S7系列PLC功能強(qiáng)、速度快、擴(kuò)展靈活，并具有緊湊的、無槽位限制的模塊化結(jié)構(gòu)，因而在國(guó)內(nèi)工控現(xiàn)場(chǎng)得到了廣泛的應(yīng)用。根據(jù)學(xué)校要求，在本裝置中采用了S7-300PLC控制系統(tǒng)。2Step7編程軟件的簡(jiǎn)介本裝置中S7-300PLC，采用的是Step7編程軟件，利用這個(gè)軟件可以對(duì)PLC進(jìn)行編程、調(diào)試、下裝、診斷。STEP7是用于SIMATICS7-300/400站創(chuàng)建可編程邏輯控制程序的標(biāo)準(zhǔn)軟件，可使用梯形邏輯圖、功能塊圖和語句表。它是SIEMENSSIMATIC工業(yè)軟件的組成部分。STEP7以其強(qiáng)大的功能和靈活的編程方式廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)，總體說來，它有如下功能特性：1可通過選擇SIMATIC工業(yè)軟件中的軟件產(chǎn)品進(jìn)行擴(kuò)展2為功能摸板和通訊處理器賦參數(shù)值3強(qiáng)制和多處理器模式4全局?jǐn)?shù)據(jù)通訊5使用通訊功能塊的事件驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)傳送6組態(tài)連接3.3上位機(jī)部分WINCC指的是WindowsControlCenter，它是在生產(chǎn)和過程自動(dòng)化中解決可視化和控制任務(wù)的監(jiān)控系統(tǒng)，它提供了適用于工業(yè)的圖形顯示、消息、歸檔以及報(bào)表的功能模板。高性能的功能耦合、快速的畫面更新以及可靠的數(shù)據(jù)交換使其具有高度的實(shí)用性。WINCC是基于WindowsNT32位操作系統(tǒng)的，在WindowsNT或Windows2000標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境中，WINCC具有控制自動(dòng)化過程的強(qiáng)大功能，它是基于個(gè)人計(jì)算機(jī)，同時(shí)具有極高性價(jià)比的操作監(jiān)視系統(tǒng)。WINCC的顯著特性就是全面開放，它很容易結(jié)合用戶的下位機(jī)程序建立人機(jī)界面，精確的滿足控制系統(tǒng)的要求。不僅如此，WINCC還建立了像DDE、OLE等在Windonws程序間交換數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)接口，因此能毫無困難的集成ActiveX控制和OPC服務(wù)器、客戶端功能。WINCC軟件是基于多語言設(shè)計(jì)的，這意味著可以在中文、德語、英語等眾多語言之間進(jìn)行選擇。2WINCC組態(tài)界面2-4-12-4-1wincc組態(tài)好的界面第四章系統(tǒng)調(diào)試部分4.1系統(tǒng)建模本實(shí)驗(yàn)研究的被控對(duì)象只有一個(gè)，那就是下水箱如圖4-1。要對(duì)該對(duì)象進(jìn)行較好的計(jì)算機(jī)控制，有必要建立被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。單容水箱是一個(gè)自衡系統(tǒng)。根據(jù)它的這一特性，我們可以用階躍響應(yīng)測(cè)試法進(jìn)行建模。出水閥V2固定于某一開度值。若Q1作為被控對(duì)象的輸入變量，h為其輸出變量，則該被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型就是h及Q1之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式。根據(jù)動(dòng)態(tài)物料平衡關(guān)系有將式（4-1）表示為增量形式C——水箱底面積。處的靜壓也隨之變化，Q2也必然發(fā)生變化。由流體力學(xué)可知，流體在紊流則可近似認(rèn)為ΔQ1及Δh成正比，而及閥V2的阻力R成反比，即2或式中，R為閥V的阻力，稱為液阻。將式（4-3）代入式（4-2）可得在零初始條件下，對(duì)上式求拉氏變換，得式中，T=R2C為水箱的時(shí)間常數(shù)（注意：閥V2的開度大小會(huì)影響到水箱的即h(t)=KR0(1-e-EQ\*jc3\*hps19\o\al(\s\up12(1),T)t)式（4-7）表示一階慣性環(huán)節(jié)的響應(yīng)曲線是一單調(diào)上升的指數(shù)函數(shù)，如就是水箱的時(shí)間常數(shù)T。該時(shí)間常數(shù)T也可以通過坐標(biāo)原點(diǎn)對(duì)響應(yīng)曲線作切線，此切線及穩(wěn)態(tài)值的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間就是時(shí)間常數(shù)T。圖4-1單溶水箱0.63h2(0)圖4-2階躍響應(yīng)4.2PID算法數(shù)字PID控制是在實(shí)驗(yàn)研究和生產(chǎn)過程中采用最普遍的一種控制方法，在液位控制系統(tǒng)中也有著極其重要的控制作用。本章主要介紹PID控制的基本原理，液位控制系統(tǒng)中用到的數(shù)字PID控制算法。r(t)r(t)微分圖4-3PID控制系統(tǒng)原理框圖PID控制器是一種線性控制器，它是根據(jù)給定值r(t)及實(shí)際輸出值c(t)將偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過線性組合可以構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，故稱PID控制器。它的控制規(guī)律為寫成傳遞函數(shù)形式為I式中K——比例系數(shù)；T——積分時(shí)間常數(shù)；T——微分時(shí)間常數(shù)；PID4.3調(diào)試過程當(dāng)系統(tǒng)選用P調(diào)節(jié)時(shí)，如圖4-4及圖4-5是不同比例度的比較?？梢园l(fā)現(xiàn)當(dāng)比例度為0.5時(shí)，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)偏差為32mm；當(dāng)比例度為5時(shí)，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)偏差為6mm。比例度越大，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)偏差越小。當(dāng)系統(tǒng)選用PI調(diào)節(jié)時(shí)，如圖4-6及圖4-7是在相同比例度下，積分時(shí)間不同的比較，可以發(fā)現(xiàn)相同比例度下，積分時(shí)間越長(zhǎng)，振蕩頻率越低；如圖4-及圖4-8是在相同積分時(shí)間下，不同比例度的比較，可以發(fā)現(xiàn)相同積分時(shí)下，比例度越大，最大動(dòng)態(tài)偏差越小，調(diào)節(jié)時(shí)間越短。當(dāng)系統(tǒng)選用PID調(diào)節(jié)時(shí)，如圖4-9及圖4-10是在相同比例度，積分時(shí)間下，不同微分時(shí)間的比較，可以發(fā)現(xiàn)微分時(shí)間增大，最大動(dòng)態(tài)偏差增大；如圖4-11及圖4-12是在相同比例度，微分時(shí)間下，不同積分時(shí)間及圖4-13是在相同積分時(shí)間，微分時(shí)間下，不同比例度的比較，可以發(fā)現(xiàn)比例度增大，動(dòng)態(tài)偏差小，振蕩頻率減小。第五章結(jié)論分析當(dāng)一個(gè)單回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)安裝就緒之后，控制質(zhì)量的好壞及控制器參數(shù)的選擇有著很大的關(guān)系。合適的控制參數(shù)，可以帶來滿意的控制效果。反之，控制器參數(shù)選擇得不合適，則會(huì)導(dǎo)致控制質(zhì)量變壞，甚至?xí)瓜到y(tǒng)不能正常工作。因此，當(dāng)一個(gè)單回路系統(tǒng)組成以后，如何整定好控制器的參數(shù)是一個(gè)很重要的實(shí)際問題。一個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)好以后，系統(tǒng)的投運(yùn)和參數(shù)整定是十分重要的工作。系統(tǒng)由原來的手動(dòng)操作切換到自動(dòng)操作時(shí)，必須為無擾動(dòng)，這就要求調(diào)節(jié)器的輸出量能及時(shí)地跟蹤手動(dòng)的輸出值，并且在切換時(shí)應(yīng)使測(cè)量值及給定值無偏差存在。一般言之，具有比例（P）調(diào)節(jié)器的系統(tǒng)是一個(gè)有差系統(tǒng)，比例度δ的大小不僅會(huì)影響到余差的大小，而且也及系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能密切相關(guān)。比例積分（PI）調(diào)節(jié)器，由于積分的作用，不僅能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)無余差，而且只要參數(shù)δ,Ti選擇合理，也能使系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能。比例積分微分（PID）調(diào)節(jié)器是在PI調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上再引入微分D的作用，從而使系統(tǒng)既無余差存在，又能改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能（快速性、穩(wěn)定性等）。在單位階躍作用下，P、PI、PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)分別如圖圖5-1P、PI和PID調(diào)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)精度等各方面來考慮，進(jìn)一步得出PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用。如下：用于加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。比例度越大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高，但易產(chǎn)生超調(diào)，甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。比例度取值過小，則會(huì)降低調(diào)節(jié)精度，使響應(yīng)速度緩慢，從而延長(zhǎng)調(diào)節(jié)時(shí)間，使系統(tǒng)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性變