水箱液位控制系統(tǒng)

-.z過程控制綜合訓(xùn)練課程報(bào)告16—17學(xué)年第二學(xué)期課題名稱基于PLC和組態(tài)王的系統(tǒng)姓名**班級成績水箱液位控制系統(tǒng)[摘要]在工業(yè)生產(chǎn)過程中，液位貯槽如進(jìn)料罐、成品罐、中間緩沖器、水箱等設(shè)備應(yīng)用十分普遍，為了保證生產(chǎn)正常進(jìn)展，物料進(jìn)出需均衡，以保證過程的物料平衡。因此，工藝要求貯槽內(nèi)的液位需維持在給定值上下，或在*一小*圍內(nèi)變化，并保證物料不產(chǎn)生溢出。例如，鍋爐系統(tǒng)汽包的液位控制，自流水生產(chǎn)系統(tǒng)過濾池、澄清池水位的控制等等。根據(jù)課題要求，設(shè)計(jì)一個(gè)單容水箱的液位過程控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能對一個(gè)單容水箱液位的進(jìn)展恒高度控制。關(guān)鍵詞：過程控制液位控制PID控制Abstract:Intheprocessofindustrialproduction,liquidstoragetanksuchasproductcans,buffer,tanksandotherequipmentsarewidelyused.Inordertoensurethenormalproduction,materialsupplyanddemandmustbebalancedtoguaranteetheprocessoftheproduction.So,theprocessrequiresthattheliquidlevelinthetankshouldbemaintainedatagivenvalue,orchangeinasmallrange,andensurethatthematerialdoesnotoverflow,forinstance,systemofboilerdrumlevelcontrol,levelcontroloffilterpoolandclarificationpoolofself-flowingwaterproductionsystemandsoon.Accordingtotherequirementofproject,weneeddesignaliquidlevelprocesscontrolsystemforasingletankwhichmaketheliquidlevelontheconstantheight.Keywords:ProcessControlLiquidLevelControlPIDControl一、系統(tǒng)建模如下列圖，單容液位過程只有一個(gè)儲液箱。流入量為Q1，由進(jìn)水閥的開度μ控制Q1的大?。涣鞒隽繛镼2，隨下游工序的需要而變化，其大小由出水閥的開度控制；在出水閥開度不變的情況下，液位h越高，儲液箱靜壓越大，流出量Q2越大。下面分析進(jìn)水閥的開度μ與液位h之間的動態(tài)關(guān)系，建立該單容水箱的數(shù)學(xué)模型。圖1-1單容水箱模型根據(jù)動態(tài)物質(zhì)平衡關(guān)系可得：其中設(shè)穩(wěn)態(tài)時(shí)變量為：各變量相對穩(wěn)態(tài)的增量為：由的增量形式可得：得到：令則有取拉氏變換得：由上述可知，單容水箱系統(tǒng)為一階慣性系統(tǒng)，其中時(shí)間常數(shù)T是表征液位過程響應(yīng)快慢的重要參數(shù)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)恒液位水箱控制系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)負(fù)反響控制系統(tǒng)，將給定輸入和實(shí)際輸出相比較，得到的誤差經(jīng)PID控制器計(jì)算后送給D/A，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換后得到0～10V的電壓來控制變頻器的頻率，以此來控制電動調(diào)節(jié)閥的開度到達(dá)控制液位的目的。液位經(jīng)過傳感器轉(zhuǎn)換成4～20mA的電流信號在經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換反響至輸入端，這樣就形成了一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，當(dāng)液位過高時(shí)，控制輸出減小，當(dāng)液位過低時(shí)，控制輸出增大，以此來到達(dá)恒液位控制。圖2-1液位控制系統(tǒng)總體框圖2.2D/A模塊設(shè)計(jì)端子接線本模塊采用電壓輸出方式，故接線圖如圖2-2所示。圖2-2D/A模塊端子接線圖圖2-3輸入輸出特性其輸入輸出特性如圖2-3所示，當(dāng)輸入數(shù)字*圍為0～4000時(shí)，輸出模擬電壓為0～10V，且成線性關(guān)系。2.2.2編程設(shè)計(jì)圖2-4D/A轉(zhuǎn)換程序如圖2-4所示，首先將D10存放器中的數(shù)值傳到輔助繼電器〔M100～M115〕中，然后寫低8位數(shù)據(jù)并保持，接著寫高4位數(shù)據(jù)并保持，最后執(zhí)行D/A轉(zhuǎn)換，輸出0～10V電壓。2.3變頻器設(shè)置2.3.1接線因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)只用到了正轉(zhuǎn)功能，所以只連接了STF端和端，電壓輸入并聯(lián)在2和5端口來控制頻率輸出。接線圖如圖2-5所示。圖2-5變頻器接線圖變頻器參數(shù)設(shè)置參數(shù)79可以用來設(shè)置變頻器運(yùn)行模式，其中79-1為固定PU運(yùn)行模式，即所有指令通過控制面板輸入；79-2為固定外部運(yùn)行模式，即所有指令通過外部輸入；79-3為組合運(yùn)行模式1，啟動指令通過外部控制，而頻率通過面板上的旋鈕來控制；79-4為組合運(yùn)行模式2，其啟動指令通過控制面板上的RUN來發(fā)出，而頻率則通過外部模擬量來控制，如圖2-6所示。本次設(shè)計(jì)采用79-2固定外部運(yùn)行模式。圖2-6變頻器運(yùn)行模式2.4A/D模塊設(shè)計(jì)端子接線液位變送器輸出的是4～20mA電流信號，所以接線采用電流輸入方式，將V+和l+短接，如圖2-7所示。圖2-7A/D模塊端子接線圖編程設(shè)計(jì)圖2-8A/D轉(zhuǎn)換程序如圖2-8所示，首先設(shè)置A/D轉(zhuǎn)換的工作方式，因?yàn)檫B線接的是通道3，所以將通道3設(shè)置成模擬量輸入*圍為4mA～20mA,數(shù)字量輸出*圍為0～4000的模式3，其他通道禁用，設(shè)置成F；然后進(jìn)展A/D轉(zhuǎn)換，將通道3BFM12的值讀出到D0中。2.5PID控制器與組態(tài)王設(shè)計(jì)定義變量圖2-9變量定義如圖2-9所示，其中Y0為PLC輸出，連接到變頻器的STR來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動；輸入為設(shè)定的液位；實(shí)際液位是由傳感器的輸出轉(zhuǎn)換得到的；sp、pv、M為PID控制器的參數(shù)；D0為A/D轉(zhuǎn)換的值；D10為D/A轉(zhuǎn)換的值?？傮w設(shè)計(jì)圖2-10控制界面圖2-11命令語言如圖2-11所示，因?yàn)閭鞲衅鹘?jīng)A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字量和實(shí)際液位之間成一次函數(shù)關(guān)系，所以可以測量幾組數(shù)據(jù)來求得它們的關(guān)系以此獲得實(shí)際液位值。SP為PID控制器的設(shè)定值，PV為反響跟蹤值，M為輸出。將液位高度除以滿量程40，這樣便使得PID控制器的輸出M在0%～100%內(nèi)變化，這樣便能很好的表征電動調(diào)節(jié)閥的開度；又由于要使變頻器在0～50Hz內(nèi)變化，且變頻器50Hz時(shí)D/A的輸入值為2000，因?yàn)镸的值已經(jīng)在0～1之間變化，所以只要將M的值直接乘以2000寫入D/A即可。至此便通過組態(tài)王完成了對整個(gè)系統(tǒng)的連接，實(shí)現(xiàn)了對整個(gè)系統(tǒng)的控制。PID參數(shù)整定組態(tài)王中的PID控件可以實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的控制，而為了獲得較好的控制效果，則需要整定PID參數(shù)，下面簡單介紹一下PID控制及其整定方法。3.1PID控制在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其構(gòu)造簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對象的構(gòu)造和參數(shù)不能完全掌握，或得不到準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的構(gòu)造和參數(shù)必須依靠經(jīng)歷和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用PID控制技術(shù)。P是比例環(huán)節(jié)，引入比例環(huán)節(jié)可以提高穩(wěn)態(tài)精度，加快系統(tǒng)的反響速度。但是Kp過大，超調(diào)增大穩(wěn)定裕度降低，甚至可能不穩(wěn)定；I是積分環(huán)節(jié)，引入積分環(huán)節(jié)可以消除靜差，改善系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能。但是積分環(huán)節(jié)降低系統(tǒng)穩(wěn)定裕度，有滯后，反響不靈敏，Ki過大，是系統(tǒng)超調(diào)增大，甚至有可能不穩(wěn)定；D微分環(huán)節(jié)，引入微分環(huán)節(jié)可以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，超調(diào)減小，振蕩減輕。但是微分環(huán)節(jié)會放大高頻噪聲，抗干擾能力差。PID控制綜合了他們的優(yōu)點(diǎn)，平和了缺點(diǎn)，可以獲得很好的控制效果。3.2PID參數(shù)整定方法3.2.1穩(wěn)定邊界法在生產(chǎn)工藝容許的情況下，先讓調(diào)節(jié)器按比例調(diào)節(jié)工作。從大到小逐漸改變調(diào)節(jié)器的比例度，直至系統(tǒng)產(chǎn)生等幅振蕩；記錄此時(shí)的比例度和周期，再通過經(jīng)歷公式計(jì)算，求出調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)。穩(wěn)定邊界法適用于一般的流量、壓力、液位和溫度控制系統(tǒng)，但不適用于比例度特別小的過程。3.2.2響應(yīng)曲線法響應(yīng)曲線法也稱動態(tài)特性參數(shù)法，是一種開環(huán)整定方法，它利用系統(tǒng)廣義對象的動態(tài)特性，即廣義對象輸入變量作單位階躍變化時(shí)被控參數(shù)的響應(yīng)曲線，再根據(jù)響應(yīng)曲線確定該廣義對象動態(tài)特性參數(shù)，然后利用這些參數(shù)計(jì)算出最正確整定參數(shù)。測試實(shí)驗(yàn)時(shí)，要求參加擾動幅度足夠大，使被控參數(shù)產(chǎn)生足夠大的變化，保證測試的準(zhǔn)確性，但這在一些生產(chǎn)過程中是不允許的。因此，響應(yīng)曲線法只適用于允許被控參數(shù)變化*圍較大的生產(chǎn)過程。3.2.3衰減曲線法衰減曲線法也是在調(diào)節(jié)器投入運(yùn)行的情況下進(jìn)展，通過獲得4:1的衰減比來確定整定參數(shù)。衰減曲線法不需要系統(tǒng)在穩(wěn)定邊界運(yùn)行，比較平安，而且容易掌握，能適用于各類控制系統(tǒng)。從反響時(shí)間較長的溫度控制系統(tǒng)到反響時(shí)間短到幾秒的流量控制系統(tǒng)，都可以應(yīng)用衰減曲線法。3.3系統(tǒng)參數(shù)整定因?yàn)閱稳菟涞臄?shù)學(xué)模型為一階慣性環(huán)節(jié)，所以穩(wěn)定邊界法和衰減曲線法均不適用。本次設(shè)計(jì)采用響應(yīng)曲線法，經(jīng)過不斷地嘗試，最終在Kp=2，Ki=,Kd=8時(shí)，獲得了較好的控制效果，如圖3-1和3-2所示。圖3-1給定輸入圖3-2系統(tǒng)響應(yīng)曲線總結(jié)在這次單容水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，我深刻的理解了什么是一個(gè)完整的控制系統(tǒng)以及怎樣去搭建一個(gè)控制系統(tǒng)；我也真正理解了什么是PID控制，以前PID控制對我來說只是書本上生硬的知識，而現(xiàn)在自己有了切身的體會，比方比例作用會加快響應(yīng)，水放的會更快；而積分作用能夠提高穩(wěn)態(tài)精度，穩(wěn)定時(shí)液位會更準(zhǔn)確，但系統(tǒng)反響卻變得不靈敏；而微分作用則可以提升系統(tǒng)的靈敏度，這些現(xiàn)象讓我更加了解了PID控制。本次實(shí)訓(xùn)中總結(jié)了以下幾點(diǎn)：第一，要善于搜集資料。當(dāng)你對一樣?xùn)|西不是太了解的時(shí)候首先應(yīng)該做的就是尋找它的有關(guān)資料，然后去了解、學(xué)習(xí)。第二，要善于求助他人。請教一個(gè)有經(jīng)歷的人可以讓你少走彎路。相比自學(xué)，有一個(gè)經(jīng)歷豐富的人的指導(dǎo)會讓你節(jié)省大量珍貴的時(shí)間，做到事半功倍。第三，要有團(tuán)隊(duì)精神。任何一個(gè)大的工程都不可能一個(gè)人完成，要有互助