基于PLC水箱液位控制系統(tǒng)畢業(yè)設計

畢業(yè)設計〔論文〕課題名稱：關于PLC的液位控制系統(tǒng)指導教師：系別：電子信息系專業(yè)：機電一體化班級：姓名：摘要本次畢業(yè)設計的課題是基于PLC的液位控制系統(tǒng)的設計。在設計中，筆者主要負責的是數(shù)學模型的建立和控制算法的設計，因此在論文中設計用到的PID算法提到得較多，PLC方面的知識較少。本文的主要內容包括：PLC的產(chǎn)生和定義、過程控制的開展、水箱的特性確定與實驗曲線分析，F(xiàn)X2系列可編程控制器的硬件掌握，PID參數(shù)的整定及各個參數(shù)的控制性能的比擬，應用PID控制算法所得到的實驗曲線分析，整個系統(tǒng)各個局部的介紹和講解PLC的過程控制指令PID指令來控制水箱水位。關鍵詞：FX2系列PLC，控制對象特性，PID控制算法，擴充臨界比例法，PID指令，實驗。目錄摘要II目錄III1緒論11.1PLC的產(chǎn)生、定義及現(xiàn)狀1的產(chǎn)生、定義1的開展現(xiàn)狀11.2過程控制的開展21.3本文研究的目的、主要內容3本文研究的目的、意義3本文研究的主要內容32FX2系列PLC和控制對象介紹42.1三菱PLC控制系統(tǒng)42.1.1CPU模塊42.1.2I/O模塊5電源模塊52.2過程建模52.2.1一階單容上水箱對象特性52.2.2二階雙容下水箱對象特性103PID調節(jié)及串級控制系統(tǒng)143.1PID調節(jié)的各個環(huán)節(jié)及其調節(jié)過程14比例控制及其調節(jié)過程15比例積分調節(jié)15比例積分微分調節(jié)163.2串級控制17串級控制系統(tǒng)的結構17串級控制系統(tǒng)的特點18串級控制系統(tǒng)的設計183.3擴充臨界比例度法203.4三菱FX2系列PLC中PID指令的使用213.5在PLC中的PID控制的編程22回路的輸入輸出變量的轉換和標準化223.6變量的范圍244控制方案設計264.1系統(tǒng)設計26上水箱液位的自動調節(jié)26上水箱下水箱液位串級控制系統(tǒng)284.2硬件設計28檢測單元28控制單元294.3軟件設計305運行315.1上水箱液位比例調節(jié)315.2上水箱液位比例積分調節(jié)315.3上水箱液位比例積分微分調節(jié)316結論33致謝33參考文獻331緒論1.1PLC的產(chǎn)生、定義及現(xiàn)狀1.1.1PLC的產(chǎn)生、定義一、可編程控制器的產(chǎn)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(yè)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(fā)熱潮。二、可編程控制器的定義國際工委員會〔IEC〕曾于1982年11月公布了可編程控制器標準草案第一稿，1985年1月又發(fā)表了第二稿，1987年2月公布了第三稿。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(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計。它采用了可編程的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術計算等面向用戶的指令，并通過數(shù)字量和模擬量的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P外圍設備，都按易于與工業(yè)系統(tǒng)聯(lián)成一個整體、易于擴充其功能的原那么設計。1.1.2PLC的開展現(xiàn)狀20世紀70年代中末期，可編程控制器進入實用化開展階段，計算機技術已全面引入可編程控制器中，使其功能發(fā)生了飛躍。更高的運算速度、超小型體積、更可靠的工業(yè)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(xiàn)代工業(yè)中的地位。20世紀80年代初，可編程控制器在先進工業(yè)國家中已獲得廣泛應用。這個時期可編程控制器開展的特點是大規(guī)模、高速度、高性能、產(chǎn)品系列化。這個階段的另一個特點是世界上生產(chǎn)可編程控制器的國家日益增多，產(chǎn)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開展最快的時期，年增長率一直保持為30~40%。在這時期，PLC在處理模擬量能力、數(shù)字運算能力、人機接口能力和網(wǎng)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(tǒng)治地位的DCS系統(tǒng)。20世紀末期，可編程控制器的開展特點是更加適應于現(xiàn)代工業(yè)的需要。從控制規(guī)模上來說，這個時期開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(chǎn)品的配套能力來說，生產(chǎn)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(yè)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(yè)等領域的應用都得到了長足的開展。我國可編程控制器的引進、應用、研制、生產(chǎn)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(yè)的生產(chǎn)設備及產(chǎn)品中不斷擴大了PLC的應用。目前，我國自己已可以生產(chǎn)中小型可編程控制器。上海東屋電氣生產(chǎn)的CF系列、杭州機床電器廠生產(chǎn)的DKK及D系列、大連組合機床研究所生產(chǎn)的S系列、蘇州電子計算機廠生產(chǎn)的YZ系列等多種產(chǎn)品已具備了一定的規(guī)模并在工業(yè)產(chǎn)品中獲得了應用。此外，無錫華光公司、上海鄉(xiāng)島公司等中外合資企業(yè)也是我國比擬著名的PLC生產(chǎn)廠家?？梢灶A期，隨著我國現(xiàn)代化進程的深入，PLC在我國將有更廣闊的應用天地。1.2過程控制的開展進入90年代以來，自動化技術開展很快，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局部。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)自動化中，過程控制技術正在為實現(xiàn)各種最優(yōu)的技術經(jīng)濟指標、提高經(jīng)濟效益和勞動生產(chǎn)率、節(jié)約能源、改善勞動條件、保護環(huán)境衛(wèi)生等方面起著越來越大的作用。在本世紀40年代前后，工業(yè)生產(chǎn)大多處于手工操作的狀態(tài)，人們主要是憑經(jīng)驗用人工去控制生產(chǎn)過程。生產(chǎn)過程中的噶參數(shù)靠人工觀察，生產(chǎn)過程的操作也靠人工去執(zhí)行。因此，當時的勞動效率是很低的。40年代以后，生產(chǎn)自動化開展很快。尤其是近年來，過程控制技術開展更為迅速?？v觀過程控制的開展歷史，大致經(jīng)歷了下述幾個階段：50年代前后，過程控制開始得到開展。一些工廠企業(yè)實現(xiàn)了儀表化和局部自動化。這是過程控制開展的第一階段。這階段主要的特點：檢測和控制儀表普遍采用基地式儀表和局部組合儀表；過程控制結構大多數(shù)是單輸入單輸出系統(tǒng)；被控制參數(shù)主要是溫度、壓力、流量、液位四種參數(shù)；控制目的是保持這些參數(shù)的穩(wěn)定，消除或減少對生產(chǎn)過程的主要擾動。在60年代，隨著工業(yè)生產(chǎn)的不斷開展，對過程控制提出了新的要求；隨著電子技術的迅速開展也為自動化技術工具的完善提供了條件，開始了過程控制的第二階段。在儀表方面，開始大量采用單元組合儀表。為了滿足定型、靈活、多功能的要求，有出現(xiàn)了組合儀表，它將各個單元劃分為更小的功能塊，以適應比擬復雜的模擬和邏輯規(guī)律相結合的控制系統(tǒng)的需要。1.3本文研究的目的、主要內容1.3.1本文研究的目的、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(xiàn)在就引入了工業(yè)生產(chǎn)的自動化控制。在自動化控制的工業(yè)生產(chǎn)過程中，一個很重要的控制參數(shù)就是液位。一個系統(tǒng)的液位是否穩(wěn)定，直接影響到了工業(yè)生產(chǎn)的平安與否、生產(chǎn)效率的上下、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(xiàn)在工業(yè)控制的要求越來越高，一般的自動化控制已經(jīng)也不能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)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PLC使控制方式更加的集中、有效、更加的及時。液位控制系統(tǒng)它使我們的生活、生產(chǎn)都帶來了不可想象的變化。它使在控制中更加的平安，節(jié)約了更多的勞動力，更多的時間。在我國隨著社會的開展，很早就實行了自動控制。而在我國液位控制系統(tǒng)也利用得相當?shù)膹V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(tǒng)檢測黃河的水位的上下，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(chǎn)損失。1.3.2本文研究的主要內容一、一個系統(tǒng)是否能到達預期的控制效果，其系統(tǒng)的數(shù)學模型相當?shù)闹匾?，直接關系到控制結果的正確與否。二、在液位控制系統(tǒng)中，調節(jié)閥是否與所控制的液體發(fā)生化學反響等，直接的影響到控制結果。三、控制方案的選取，一個好的方案會讓系統(tǒng)更加完美，所以方案的選取也非常重要。四、調節(jié)器參數(shù)的整定，一個系統(tǒng)有了好的方案，但是如果參數(shù)整定錯誤那也是功虧一簣。2FX2系列PLC和控制對象介紹2.1三菱PLC控制系統(tǒng)FX2系列PLC是三菱電機公司1991年繼F、F1、F2系列之后推出的產(chǎn)品，是目前運行速度最快的小型PLC之一。下面我們以小型FX2系列PLC為例介紹PLC的硬件組成。圖2.1為PLC的原理圖。外存接口外存接口其他接口中央處理器CPUROMRAM編輯器CPROMEPROMRAM其他設備計算機A/DD/A輸入接口光電耦合輸出接口繼電器或晶體管圖2.1PLC的原理圖2.1.1CPU模塊CPU是PLC的核心組成局部，與通用微機的CPU一樣，它在PLC系統(tǒng)中的作用類似于人體的神經(jīng)中樞，故稱為“電腦〞。其功能是：1、PLC中系統(tǒng)程序賦予的功能，接收并存儲從編程器輸入的用戶程序和數(shù)據(jù)。2、用掃描方式接受現(xiàn)場輸入裝置的狀態(tài)，并存入映像存放器。3、診斷電源、PLC內部電路工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯誤。在PLC進入運行狀態(tài)后，從存儲器中逐條讀去用戶程序，按指令規(guī)定的任務，產(chǎn)生相應的控制信號，去起閉有關控制電路。2.1.2I/O模塊I/O模塊是CPU與現(xiàn)成I/O裝置或其他外部設備之間的連接部件。PLC提供了各種操作電平與驅動能力的I/O模塊和各種用途I/O元件供用戶選用。如輸入/輸出電平轉換、電氣隔離、串/并行轉換、數(shù)據(jù)傳送、誤碼校驗、A/D或D/A變換以及其他功能模塊等。I/O模塊將外部輸入信號變換成CPU能接受的信號，或將CPU的輸出信號變換成需要的控制信號去驅動控制對象，以確保整個系統(tǒng)正常的工作。其中輸入信號要通過光電隔離，通過濾波進入CPU控制板，CPU發(fā)出輸出信號至輸出端。輸出方式有三種：繼電器方式、晶體管方式和晶閘管方式。2.1.3電源模塊根據(jù)PLC的設計特點，它對電源并無特殊需求，它可使用一般工業(yè)電源。2.2過程建模過程控制系統(tǒng)的品質，是由組成系統(tǒng)的過程和過程檢測控制儀表各環(huán)節(jié)的特性和系統(tǒng)的結構所決定。在構成控制系統(tǒng)的分析和設計中，過程的數(shù)學模型是極其重要的根底資料。所以，建立過程的數(shù)學模型，對實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化有著十分重要的意義?？梢赃@樣說，一個過程控制系統(tǒng)的優(yōu)劣，主要取決于對生產(chǎn)工藝過程的了解和建立過程的數(shù)學模型。2.2.1一階單容上水箱對象特性所謂單容過程，是指只有一個貯蓄容量的過程。單容過程還可分為有自衡能力和無自衡能力兩類。一、自衡過程的建摸所謂自衡過程，是指過程在擾動作用下，其平衡狀態(tài)被破壞后，不需要操作人員或儀表等干預，依靠起自身重新恢復平衡的過程。液位過程，圖2.2所示為一個單容液位被控過程，其流入量，改變閥1的開度可以改變的大小。其流出量為，它取決于用戶的需要改變閥2開度可以改變。液位h的變化反映了與不等而引起貯罐中蓄水或泄水的過程.假設作為被控過程的輸入變量,h為其輸出變量,那么該被控過程的數(shù)學模型就是h與之間的數(shù)學表達式。11h12〔a〕XXhtt00圖2.2液位被控過程及其階躍響應根據(jù)動態(tài)物料平衡關系有〔2-1〕將公式〔2-1〕表示成增量式為〔2-2〕式中：、、——分別表示為偏離某一平衡狀態(tài)、、的增量；A——貯蓄截面積。在靜態(tài)時，，；當發(fā)生變化時，液位h隨之變化，貯蓄出口處的靜壓隨之變化，也發(fā)生變化。由流體力學可知，流體在紊流情況下，液位h與流量之間為非線形關系。但為了簡化起見，經(jīng)線形變化，那么可近似認為與h成正比關系，而與閥2的阻力成反比，即〔2-3〕式中：——閥2的阻力，稱為液阻。為了求單容過程的數(shù)學模型，需消去中間變量。消去中間變量的方法很多，如可用代數(shù)代換法，可用信號流圖法，也可用畫方框圖的方法。這里，介紹后一種方法。將式〔2-2〕、式〔2-3〕拉氏變換后,畫出圖2.3方框圖。圖2.3方框圖單容液位過程的傳遞函數(shù)為〔2-4〕式中：——過程的時間常數(shù)，；——過程的放大系數(shù)，；C——過程的容量系數(shù)，或稱過程容量。被控過程都具有一定貯存物料或能量的能力，其貯存能力的大小，稱為容量或容量系數(shù)。其物理意義:是：引起單位被控量變化時被控過程貯存兩變化的大小。圖2.1〔b〕所示為單容液位被控過程的階躍響應曲線。從上述分析可知，液阻不但影響過程的時間常數(shù)，而且還影響過程的放大系數(shù)，而容量系數(shù)C僅影響過程的時間常數(shù)。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，過程的純時延問題是經(jīng)常碰到的。如皮帶運輸機的物料傳輸過程，管道輸送、管道反響和管道的混合過程等。下面以圖2.4為例討論純時延過程的建模。圖2.4純時延單容過程及其響應曲線圖2.4所示，流量通過長度為l的管道流入貯罐。當進水閥開度產(chǎn)生擾動后，需要流經(jīng)管道長度為l的傳輸時間后才流入貯罐，才使液位h發(fā)生變化。具有純時延單容過程的階躍響應曲線如圖2.4曲線2所示，它與無時延單容過程的階躍響應曲線在形狀上完全相同，僅差一純時延。具有純時延單容過程的微分方程和傳遞函數(shù)為〔2-5〕式中：——過程的時間常數(shù)，；——過程的放大系數(shù)，；——過程的純時延時間。二、無自衡過程的建模所謂無自衡過程，是指過程在擾動的作用下，其平衡狀態(tài)被破壞后，不需要操作人員或儀表等干預，依靠其自身能力不能重新恢復平衡的過程。下面以圖2.4所示為例，介紹其建模方法。圖2.5圖2.5單容過程及其響應曲線如果將圖2.2所示貯罐的出口閥2換成定量泵，那么為圖2.5所示。這樣，其流出量與液位h無關。當流入量發(fā)生階躍變化時，液位h即發(fā)生變化。由于流出量是不變的，所以貯罐液位或等速上升直至液體溢出，或者等速下降直至液位被抽干，其階躍響應曲線如圖2.5所示。圖2-7所示過程的微分方程為〔2-6〕式中：C——貯罐的容量系數(shù)。過程的傳遞函數(shù)為〔2-7〕式中：——過程的積分時間常數(shù)，。當過程具有純時延時，那么其傳遞函數(shù)為〔2-8〕2.2.2二階雙容下水箱對象特性在工業(yè)生產(chǎn)過程中，被控過程往往是由多個容積和阻力構成，這種過程稱為多容過程?，F(xiàn)在，以具有自衡能力的雙容過程為例，來討論其建立數(shù)學模型的方法。00Q000圖2.6雙容過程及其響應曲線圖2.6〔a〕所示為兩只水箱串聯(lián)工作的雙容過程。其被控量是第二只水箱的液位，輸入量為與上述分析方法相同，根據(jù)物料平衡關系可以列出以下方程〔2-9〕為了消去雙容過程的中間變量、、，將上述方程組進行拉氏變換，并畫出方框圖如2.7所示。雙容過程的數(shù)學模型為〔2-10〕 1/C1s 1/C1s1/R21/C2s1/R3———圖2.7雙容過程方框圖式中：——第一只水箱的時間常數(shù)，；——第二只水箱的時間常數(shù)，；——過程的放大系數(shù)，；——分別是兩只水箱的容量系數(shù)。圖2.7所示為流量有一階躍變化時，被控量的響應曲線。與單容過程比擬，多容過程受到擾動后，被控參數(shù)的變化速度并不是一開始就最大，而是要經(jīng)過一段時延之后才到達最大值。即多容過程對于擾動的響應在時間上存在時延，被稱為容量時延。產(chǎn)生容量時延的原因主要是兩個容積之間存在阻力，所以使的響應時間向后推移。容量時延可用作圖法求得，即通過響應曲線的拐點D作切線，與時間2.8無自衡能力的雙容過程2.8無自衡能力的雙容過程ttt軸相交與A，與相交與C，C點在時間軸上的投影B，OA即為容量時延時間，AB即為過程的時間常數(shù)T。對與無自衡能力的雙容過程，可見圖2.8，圖中，被控量為，輸入量為。產(chǎn)生階躍變化時，液位并不立即以最大的速度變化，由于中間具有容積和阻力。對擾動的響應有他、一定的時延和慣性。同上所述，所示過程的數(shù)學模型為〔2-10〕式中：——過程積分時間常數(shù)，；T——第一只水箱的時間常數(shù)。同理，無自衡多容過程的數(shù)學模型為〔2-11〕當然無自衡多容過程具有純時延時，那么其數(shù)學模型為〔2-12〕3PID調節(jié)及串級控制系統(tǒng)3.1PID調節(jié)的各個環(huán)節(jié)及其調節(jié)過程PID控制的原理和特點工程實際中，應用最為廣泛的調節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調節(jié)。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結構簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調整方便而成為工業(yè)控制的主要技術之一。當被控對象的結構和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學模型時，控制理論的其它技術難以采用時，系統(tǒng)控制器的結構和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調試來確定，這時應用PID控制技術最為方便。即當我們不完全了解一個系統(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，最適合用PID控制技術。PID控制，實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的?！?〕比例〔P〕控制比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系。當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差〔Steady-stateerror〕?！?〕積分〔I〕控制在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，那么稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)〔SystemwithSteady-stateError〕。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項〞。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。因此，比例+積分〔PI〕控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。〔3〕微分〔D〕控制在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分〔即誤差的變化率〕成正比關系。自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件〔環(huán)節(jié)〕或有滯后〔delay〕組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的方法是使抑制誤差的作用的變化“超前〞，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例〞項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項〞，它能預測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而防止了被控量的嚴重超調。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分〔PD〕控制器能改善系統(tǒng)在調節(jié)過程中的動態(tài)特性。3.1.1比例控制及其調節(jié)過程在人工調節(jié)的實踐中，如果能使閥門的開度與被調參數(shù)偏差成比例的話，就有可能使輸出量等于輸入量，從而使被調參數(shù)趨于穩(wěn)定，到達平衡狀態(tài)。這種閥門開度與被調參數(shù)的偏差成比例的調節(jié)規(guī)律，稱為比例調節(jié)。比例調節(jié)規(guī)律及其特點比例調節(jié)作用，一般用字母P來表示。如果用一個數(shù)學式來表示比例調節(jié)作用，可寫成：〔3-1〕式中——調節(jié)器的輸出變化值；——調節(jié)器的輸入，即偏差；——比例調節(jié)器的放大倍數(shù)。放大倍數(shù)是可調的，所以比例調節(jié)器實際上是一個放大倍數(shù)可調的放大器。比例調節(jié)作用雖然及時、作用強，但是有余差存在，被調參數(shù)不能完全回復到給定值，調節(jié)精度不高，所以有時稱比例調節(jié)為“粗調〞。純比例調節(jié)只能用于干擾較小、滯后較小，而時間常數(shù)又不太小的對象。3.1.2比例積分調節(jié)對于工藝條件要求較高余差不允許存在的情況下，比例作用調節(jié)器不能滿足要求了，克服余差的方法是引入積分調節(jié)。因為單純的積分作用使過程緩慢，并帶來一定程度的振蕩，所以積分調節(jié)很少單獨使用，一般都和比例作用組合在一起，構成比例積分調節(jié)器，簡稱PI調節(jié)器，其作用特性可用下式表示：〔3-2〕這里，表示PI調節(jié)作用的參數(shù)有兩個：比例度P和積分時間。而且比例度不僅影響比例局部，也影響積分局部，使總的輸出既具有調節(jié)及時、克服偏差有力的特點，又具有克服余差的性能。由于它是在比例調節(jié)〔粗調〕的根底上，有加上一個積分調節(jié)〔細調〕，所以又稱再調調節(jié)或重定調節(jié)。但是，積分時間太小，積分作用就太強，過程振蕩劇烈，穩(wěn)定程度低；積分時間太大，積分作用不明顯，余差消除就很慢。如果把積分時間放到最大，PI調節(jié)器就喪失了積分作用，成了一個純比例調節(jié)器。3.1.3比例積分微分調節(jié)微分調節(jié)的作用主要是用來克服被調參數(shù)的容量滯后。在生產(chǎn)實際中，有經(jīng)驗的工人總是既根據(jù)偏差的大小來改變閥門的開度大小〔比例作用〕，同時又根據(jù)偏差變化速度的大小進行調節(jié)。比方當看到偏差變化很大時，就估計到即將出現(xiàn)很大的偏差而過量地翻開〔關閉〕調節(jié)閥，以克服這個預計的偏差，這種根據(jù)偏差變化速度提前采取的行動，意味著有“超前〞作用，因而能比擬有效地改善容量滯后比擬大的調節(jié)對象的調節(jié)質量。什么是微分調節(jié)？微分調節(jié)是指調節(jié)器的輸出變化與偏差變化速度成正比，可用數(shù)學表達式表示為：〔3-3〕式中：——調節(jié)器的輸出變化值；——微分時間；——偏差信號變化的速度。從上式可知，偏差變化的速度越大，微分時間越長，那么調節(jié)器的輸出變化就越大。對于一個固定不變的偏差，不管其有多大，微分做用的輸出總是零，這是微分作用的特點。由于實際微分器的比例度不能改變，固定為100%，微分作用也只在參數(shù)變化時才出現(xiàn)，所以實際微分器也不能單獨使用。一般都是和其它調節(jié)作用相配合，構成比例微分或比例積分微分調節(jié)器。比例積分微分調節(jié)又稱PID調節(jié)，它可由下式表示：〔3-4〕PID調節(jié)中，有三個調節(jié)參數(shù)，就是比例度P、積分時間、微分時間。適中選取這三個參數(shù)值，就可以獲得良好的調節(jié)質量。由分析可知，PID三作用調節(jié)質量最好，PI調節(jié)第二，PD調節(jié)有余差。純比例調節(jié)雖然動偏差比PI調節(jié)小，但余差大，而純積分調節(jié)質量最差，所以一般不單獨使用。3.2串級控制隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的迅速開展，對于某些比擬復雜的過程或者生產(chǎn)工藝、經(jīng)濟效益、平安運行、環(huán)境保護等要求更高的場合，單回路控制系統(tǒng)往往不能滿足其需求。為了提高控制品質，在單回路控制方案的根底上，開發(fā)出了串級控制系統(tǒng)。3.2.1串級控制系統(tǒng)的結構串級控制系統(tǒng)采用兩套檢測變送器和兩個調節(jié)器，前一個調節(jié)器的輸出作為后一個調節(jié)器的設定，后一個調節(jié)器的輸出送往調節(jié)閥。結構圖如圖3.1所示。圖3.1串級控制系統(tǒng)方框圖圖3.1串級控制系統(tǒng)方框圖前一個調節(jié)器稱為主調節(jié)器，它所檢測和控制的變量稱主變量〔主被控參數(shù)〕，即工藝控制指標；后一個調節(jié)器稱為副調節(jié)器，它所檢測和控制的變量稱副變量〔副被控參數(shù)〕，是為了穩(wěn)定主變量而引入的輔助變量。整個系統(tǒng)包括兩個控制回路，主回路和副回路。副回路由副變量檢測變送、副調節(jié)器、調節(jié)閥和副過程構成；主回路由主變量檢測變送、主調節(jié)器、副調節(jié)器、調節(jié)閥、副過程和主過程構成。一次擾動：作用在主被控過程上的，而不包括在副回路范圍內的擾動。二次擾動：作用在副被控過程上的，即包括在副回路范圍內的擾動。3.2.2串級控制系統(tǒng)的特點在串級控制系統(tǒng)中，由于引入了一個副回路，不僅能及早克服進入副回路的擾動，而且又能改善過程特性。副調節(jié)器具有“粗調〞的作用，主調節(jié)器具有“細調〞的作用，從而使其控制品質得到進一步提高。其特點有以下幾點：一、改善了過程的動態(tài)特性，提高了系統(tǒng)控制質量。二、能迅速克服進入副回路的二次擾動。三、提高了系統(tǒng)的工作頻率。四、對負荷變化的適應性較強。3.2.3串級控制系統(tǒng)的設計〔1〕主回路的設計串級控制系統(tǒng)的主回路是定值控制，其設計單回路控制系統(tǒng)的設計類似，設計過程可以按照簡單控制系統(tǒng)設計原那么進行。這里主要解決串級控制系統(tǒng)中兩個回路的協(xié)調工作問題。主要包括如何選取副被控參數(shù)、確定主、副回路的原那么等問題?！?〕副回路的設計由于副回路是隨動系統(tǒng)，對包含在其中的二次擾動具有很強的抑制能力和自適應能力，二次擾動通過主、副回路的調節(jié)對主被控量的影響很小，因此在選擇副回路時應盡可能把被控過程中變化劇烈、頻繁、幅度大的主要擾動包括在副回路中，此外要盡可能包含較多的擾動。歸納如下。(1)在設計中要將主要擾動包括在副回路中。(2)將更多的擾動包括在副回路中。(3)副被控過程的滯后不能太大，以保持副回路的快速相應特性。(4)要將被控對象具有明顯非線性或時變特性的一局部歸于副對象中。(5)在需要以流量實現(xiàn)精確跟蹤時，可選流量為副被控量。在這里要注意(2)和(3)存在明顯的矛盾，將更多的擾動包括在副回路中有可能導致副回路的滯后過大，這就會影響到副回路的快速控制作用的發(fā)揮，因此，在實際系統(tǒng)的設計中要兼顧(2)和(3)的綜合。例如，圖1所示的以物料出口溫度為主被控參數(shù)、爐膛溫度為副被控參數(shù)，燃料流量為控制參數(shù)的串級控制系統(tǒng)，假定燃料流量和氣熱值變化是主要擾動，系統(tǒng)把該擾動設計在副回路內是合理的?！?〕主、副回路的匹配1)主、副回路中包含的擾動數(shù)量、時間常數(shù)的匹配設計中考慮使二次回路中應盡可能包含較多的擾動，同時也要注意主、副回路擾動數(shù)量的匹配問題。副回路中如果包括的擾動越多，其通道就越長，時間常數(shù)就越大，副回路控制作用就不明顯了，其快速控制的效果就會降低。如果所有的擾動都包括在副回路中，主調節(jié)器也就失去了控制作用。原那么上，在設計中要保證主、副回路擾動數(shù)量、時間常數(shù)之比值在3～10之間。比值過高，即副回路的時間常數(shù)較主回路的時間常數(shù)小得太多，副回路反響靈敏，控制作用快，但副回路中包含的擾動數(shù)量過少，對于改善系統(tǒng)的控制性能不利；比值過低，副回路的時間常數(shù)接近主回路的時間常數(shù)，甚至大于主回路的時間常數(shù)，副回路雖然對改善被控過程的動態(tài)特性有益，但是副回路的控制作用缺乏快速性，不能及時有效地克服擾動對被控量的影響。嚴重時會出現(xiàn)主、副回路“共振〞現(xiàn)象，系統(tǒng)不能正常工作。2)主、副調節(jié)器的控制規(guī)律的匹配、選擇在串級控制系統(tǒng)中，主、副調節(jié)器的作用是不同的。主調節(jié)器是定值控制，副調節(jié)器是隨動控制。系統(tǒng)對二個回路的要求有所不同。主回路一般要求無差，主調節(jié)器的控制規(guī)律應選取PI或PID控制規(guī)律；副回路要求起控制的快速性，可以有余差，一般情況選取P控制規(guī)律而不引入I或D控制。如果引入I控制，會延長控制過程，減弱副回路的快速控制作用；也沒有必要引入D控制，因為副回路采用P控制已經(jīng)起到了快速控制作用，引入D控制會使調節(jié)閥的動作過大，不利于整個系統(tǒng)的控制。3)主、副調節(jié)器正反作用方式確實定一個過程控制系統(tǒng)正常工作必須保證采用的反響是負反響，及其主通道各環(huán)節(jié)放大系數(shù)極性乘積必須為正值。串級控制系統(tǒng)有兩個回路，主、副調節(jié)器作用方式確實定原那么是要保證兩個回路均為負反響。確定過程是首先判定為保證內環(huán)是負反響副調節(jié)器應選用那種作用方式，然后再確定主調節(jié)器的作用方式。各環(huán)節(jié)放大系數(shù)極性的正負是這樣規(guī)定的：對于調節(jié)器，當測量值增加，調節(jié)器的輸出也增加，那么為負值〔即正作用調節(jié)器〕；反之，為正〔即反作用調節(jié)器〕。調節(jié)閥為氣開。那么為正，氣關為負。過程放大系數(shù)極性是：當過程的輸入增大時，即調節(jié)閥開大，其輸出也增大，那么為正，反之，為負。在圖3.1的串級控制系統(tǒng)框圖中可以看到，由于副回路可以簡化成一個正作用方式環(huán)節(jié)，主對象作用方式為正，主測量變送環(huán)節(jié)為正。根據(jù)單回路控制系統(tǒng)設計中介紹的閉合系統(tǒng)必須為負反響控制系統(tǒng)設計原那么，即閉環(huán)各環(huán)節(jié)比例度乘積必須為正，故主調節(jié)器均選用反作用調節(jié)器，副調節(jié)器均選用反作用調節(jié)器。3.3擴充臨界比例度法實驗經(jīng)驗法調整PID參數(shù)的方法中較常用的是擴充臨界比例度法,其最大的優(yōu)點是，參數(shù)的整定不依賴受控對象的數(shù)學模型，直接在現(xiàn)場整定、簡單易行。

擴充比例度法適用于有自平衡特性的受控對象，是對連續(xù)-時間PID控制器參數(shù)整定的臨界比例度法的擴充。整定步驟：擴充比例度法整定數(shù)字PID控制器參數(shù)的步驟是：〔1〕預選擇一個足夠短的采樣周期。一般說應小于受控對象純延遲時間的十分之一。表3.1臨界振蕩整定計算公式 調節(jié)參數(shù)控制規(guī)律P2PI2.2/1.2PID1.60.50.25〔2〕用選定的使系統(tǒng)工作。這時去掉積分作用和微分作用，將控制選擇為純比例控制器，構成閉環(huán)運行。逐漸減小比例度，即減小，直至系統(tǒng)對輸入的階躍信號的響應出現(xiàn)臨界振蕩〔穩(wěn)定邊緣〕，將這時的比例放大系數(shù)記為,臨界振蕩周期記為?！?〕根據(jù)表3.1臨界振蕩整定計算公式代入、的值，計算出調節(jié)器各個參數(shù)、、的值?！?〕根據(jù)上述計算結果設置調節(jié)器的參數(shù)值。觀察系統(tǒng)的響應過程，假設記錄曲線不符合要求時，再適當調整整定參數(shù)值。3.4三菱FX2系列PLC中PID指令的使用比例積分微分指令即PID指令其指令格式如下：FNC88PID操作數(shù)：[S1]、[S2]、[S3][D]：全部用數(shù)據(jù)存放器D。[S1]：存放設定值〔SV〕的地址。[S2]：存放當前值〔PV〕的地址。[D]：存放控制回路調節(jié)值〔MV〕即輸出值的地址。[S3]：指定存放控制回路參數(shù)值的首地址，共占用25個數(shù)據(jù)存放器，其選用范圍為D0-D75，各元件存放的參數(shù)如下：[S3]：采樣時間〔〕，取值范圍為1-32767〔ms〕。[S3]+1：動作方向〔ACT〕，BIT0：0為正動作，1為反動作。BIT1：0為無輸入變化量報警，1為輸入變化量報警有效。BIT2：0為無輸入變化量報警，1為輸出變化量報警有效。[S3]+2：輸入濾波常數(shù)，0-99%。[S3]+3：比例增益〔〕，1%-32767%。[S3]+4：積分時間常數(shù)〔〕，0-32767〔*100ms〕，為0和時無積分。[S3]+5：微分增益〔〕，0-100%。[S3]+6：微分時間常數(shù)〔〕，0-32767〔*100ms〕，為0時無微分。[S3]+7至[S3]+19PID運算占用。[S3]+20：輸入變化量〔增方〕報警設定值，0-32767。[S3]+21：輸入變化量〔減方〕報警設定值，0-32767。[S3]+22：輸出變化量〔增方〕報警設定值，0-32767。[S3]+23：輸出變化量〔減方〕報警設定值，0-32767。[S3]+24：報警輸出BIT0輸入變化量〔增方〕超出。BIT1輸入變化量〔減方〕超出。BIT2輸出變化量〔增方〕超出。BIT3輸出變化量〔減方〕超出。PID指令用的算術表達式為：輸出值上式中表示誤差。該指令可以用中斷、子程序、步進梯形指令和條件跳步指令，指令的應用如圖3.2所示。當X0=ON時執(zhí)行PID指令，把PID控制回路的設定值存放在D100-D124這25個數(shù)據(jù)存放器中，對[S2]的當前值〔D1〕和〔S1〕的設定值〔D0〕進行比擬，通過PID回路處理數(shù)值之間的偏差后計算出一個調節(jié)值，此調節(jié)值存入目標操作數(shù)D150中。X0PIDD0D1D100D150[S1]S2S3D圖3.2PID指令的應用X0PIDD0D1D100D150[S1]S2S3D圖3.2PID指令的應用3.5在PLC中的PID控制的編程回路的輸入輸出變量的轉換和標準化PID控制器調節(jié)輸出，保證偏差(e)為零，使系統(tǒng)到達穩(wěn)定狀態(tài)。偏差(e)是設定值(SP)和過程變量(PV)的差。PID控制的原理基于下面的算式；輸出M(t)是比例項、積分項和微分項的函數(shù)。輸出=比例項+積分項+微分項其中：是作為時間函數(shù)的回路輸出是回路增益是回路誤差(設定值和過程變量之間的差)是回路輸出的初始值為了能讓數(shù)字計算機處理這個控制算式，連續(xù)算式必須離散化為周期采樣偏差算式，才能用來計算輸出值。數(shù)字計算機處理的算式如下：輸出=比例項

+積分項

+微分項是在采樣時刻n，PID回路輸出的計算值；是回路增益；是采樣時刻n的回路誤差值；是回路誤差的前一個數(shù)值(在采樣時刻n-1)；是采樣時刻x的回路誤差值；是積分項的比例常數(shù)；是回路輸出的初始值；是微分項的比例常數(shù)；從這個公式可以看出，積分項是從第1個采樣周期到當前采樣周期所有誤差項的函數(shù)。微分項是當前采樣和前一次采樣的函數(shù)，比例項僅是當前采樣的函數(shù)。在數(shù)字計算機中，不保存所有的誤差項，實際上也不必要。由于計算機從第一次采樣開始，每有一個偏差采樣值必須計算一次輸出值，只需要保存偏差前值和積分項前值。作為數(shù)字計算機解決的重復性的結果，可以得到在任何采樣時刻必須計算的方程的一個簡化算式。簡化算式是：輸出=比例項+積分項+微分項。其中：是在采樣時間n時，回路輸出的計算值；是回路增益；是采樣時刻n的回路誤差值；是回路誤差的前一個數(shù)值(在采樣時刻n-1)；是積分項的比例常數(shù)；是積分項的前一個數(shù)值(在采樣時刻n-1)；是微分項的比例常數(shù)；一、回路輸入的轉換和標準化:是將現(xiàn)實世界的值的實數(shù)值表達形式轉換成0.0-1.0之間的標準化值。下面的算式可以用于標準化設定值或過程變量值：其中：是現(xiàn)實世界數(shù)值的標準化的實數(shù)值表達式。是現(xiàn)實世界數(shù)值的未標準化的或原始的實數(shù)值表達式。偏移量對于單極性為0.0。對于雙極性為0.5。跨度是最大可能值減去最小可能值：對于單極性數(shù)值(典型值)為32,000。對于雙極性數(shù)值(典型值)為64,000。二、回路輸出值轉換成刻度整數(shù)值回路輸出值一般是控制變量，比方，在汽車速度控制中，可以是油閥開度的設置?；芈份敵鍪?.0和1.0之間的一個標準化了的實數(shù)值。在回路輸出可以用于驅動模擬輸出之前，回路輸出必須轉換成一個16位的標定整數(shù)值。這一過程，是將PV和SP轉換為標準值的逆過程。第一步是使用下面給出的公式，將回路輸出轉換成一個標定的實數(shù)值：=(-偏移量)*跨度其中：是回路輸出經(jīng)過標定的實數(shù)值是回路輸出標準化的實數(shù)值偏移量對于單極性值為0.0，對于雙極性值為0.5跨度值域大小，可能的最大值減去可能的最小值對于單極性為32,000(典型值)對于雙極性為64,000(典型值)3.6變量的范圍過程變量和設定值是PID運算的輸入值。因此回路表中的這些變量只能被PID指令讀而不能被改寫。輸出變量是由PID運算產(chǎn)生的，所以在每一次PID運算完成之后，需更新回路表中的輸出值，輸出值被限定在0.0-1.0之間。當輸出由手動轉變?yōu)镻ID(自動)控制時，回路表中的輸出值可以用來初始化輸出值。如果使用積分控制，積分項前值要根據(jù)PID運算結果更新。這個更新了的值用作下一次PID運算的輸入，當計算輸出值超過范圍(大于1.0或小于0.0)，那么積分項前值必須根據(jù)以下公式進行調整：當計算輸出或當計算輸出其中：是調整過的偏差的數(shù)值；是在采樣時間n時回路輸出的比例項的數(shù)值；是在采樣時間n時回路輸出的微分項的數(shù)值；是在采樣時間n時回路輸出的數(shù)值；這樣調整積分前值，一旦輸出回到范圍后，可以提高系統(tǒng)的響應性能。而且積分項前值也要限制在0.0-0.1之間，然后在每次PID運算結束之后。把積分項前值寫入回路表，以備在下次PID運算中使用。用戶可以在執(zhí)行PID指令以前修改回路表中積分項前值。在實際運用中，這樣做的目的是找到由于積分項前值引起的問題。手工調整積分項前值時，必須小心謹慎，還應保證寫入的值在0.0-1.0之間。4控制方案設計4.1系統(tǒng)設計4.1.1上水箱液位的自動調節(jié)在這個局部中控制的是上水箱的液位。系統(tǒng)原理圖如圖4.1所示。單相泵正常運行，翻開閥1和閥2，翻開上水箱的出水閥，電動調節(jié)閥以一定的開度來控制進入水箱的水流量，調節(jié)手段是通過將壓力變送器檢測到的電信號送入PLC中，經(jīng)過A/D變換成數(shù)字信號，送入數(shù)字PID調節(jié)器中，經(jīng)PID算法后將控制量經(jīng)過D/A轉換成與電動調節(jié)閥開度相對應的電信號送入電動調節(jié)閥中控制通道中的水流量。出水口出水口閥3閥2閥壓力表閥1出水口閥6下水箱液位傳感器上水箱液位傳感器閥4進水口溢水口溢水口儲水箱單向泵出水口進水口4.1系統(tǒng)原理圖當上水箱的液位小于設定值時，壓力變送器檢測到的信號小于設定值，設定值與反響值的差就是PID調節(jié)器的輸入偏差信號。經(jīng)過運算后即輸出控制信號給電動調節(jié)閥，使其開度增大，以使通道里的水流量變大，增加水箱里的儲水量，液位升高。當液位升高到設定高度時，設定值與控制變量平衡，PID調節(jié)器的輸入偏差信號為零，電動調節(jié)閥就維持在那個開度，流量也不變，同時水箱的液位也維持不變。系統(tǒng)的控制框圖如圖4.2所示。其中SP為給定信號，由用戶通過計算機設定，PV為控制變量，它們的差是PID調節(jié)器的輸入偏差信號，經(jīng)過PLC的PID程序運算后輸出，調節(jié)器的輸出信號經(jīng)過PLC的D/A轉換成4-20mA的模擬電信號后輸出到電動調節(jié)閥中調節(jié)調節(jié)閥的開度，以控制水的流量，使水箱的液位保持設定值。水箱的液位經(jīng)過壓力變送器檢測轉換成相關的電信號輸入到PLC的輸入接口，再經(jīng)過A/D轉換成控制量PV，給定值SP與控制量PV經(jīng)過PLC的CPU的減法運算成了偏差信號e,又輸入到PID調節(jié)器中，又開始了新的調節(jié)。所以系統(tǒng)能實時地調節(jié)水箱的液位。4.1.2上水箱下水箱液位串級控制系統(tǒng)上水箱下水箱液位控制系統(tǒng)由于控制過程特性呈現(xiàn)大滯后，外界環(huán)境的擾動較大，要保持上水箱下水箱液位最后都保持設定值，用簡單的單閉環(huán)反響控制不能實現(xiàn)很好的控制效果，所以采用串級閉環(huán)反響系統(tǒng)。上水箱下水箱液位控制系統(tǒng)圖如圖4.2所示，該系統(tǒng)中，上水箱液位作為副調節(jié)器調節(jié)對象，下水箱液位作為主調節(jié)器調節(jié)對象。這里的擾動主要是水箱的出水閥的擾動，有時是認為的因素，有時是機械的因素，擾動總是不可防止的。主回路和副回路結合有效地抑制環(huán)境的擾動。主對象主對象副對象執(zhí)行器PID1PID2A/DD/A主變送器副變送器A/DSP+————PVe圖4.2上下水箱控制方框圖在這里，執(zhí)行機構仍然是電動調節(jié)閥，依舊由PLC經(jīng)過PID算法后控制它的開度以控制水管里的水流量，控制兩個水箱的水位。它有兩個PID回路，分別是PID1和PID2。PID1為外環(huán)，控制下水箱的液位，它的輸出值作為PID2的設定值，PID2控制上水箱的液位。4.2硬件設計系統(tǒng)硬件的設計包括檢測單元、執(zhí)行單元和控制單元的設計，他們互相聯(lián)系，組成一個完整的系統(tǒng)。4.2.1檢測單元在過程控制系統(tǒng)中，檢測環(huán)節(jié)是比擬重要的一個環(huán)節(jié)。液位是指密封容器或開口容器中液位的上下，通過液位測量可知道容器中的原料、半成品或成品的數(shù)量，以便調節(jié)流入流出容器的物料，使之到達物料的平衡，從而保證生產(chǎn)過程順利進行。設計中涉及到液位的檢測和變送，以便系統(tǒng)根據(jù)檢測到的數(shù)據(jù)來調節(jié)通道中的水流量，控制水箱的液位。液位變送器分為浮力式、靜壓力式、電容式、應變式、超聲波式、激光式、放射性式等。系統(tǒng)中用到的液位變送器是浙江浙大中控自動化儀表生產(chǎn)的中控儀表SP0018G壓力變送器，屬于靜壓力式液位變送器，量程為0-10KPa，精度為，由24V直流電源供電，可以從PLC的電源中獲得，輸出為4-20mA直流。4.執(zhí)行單元是構成自動控制系統(tǒng)不可缺少的重要組成環(huán)節(jié)，它接受來自調節(jié)單元的輸出信號，并轉換成直角位移或轉角位移，以改變調節(jié)閥的流通面積，從而控制流入或流出被控過程的物料或能量實現(xiàn)過程參數(shù)的自動控制。執(zhí)行器的工作原理，由執(zhí)行機構和調節(jié)機構〔調節(jié)閥〕兩局部組成。執(zhí)行機構首先將來自調節(jié)器的信號轉變成推力或位移，對調節(jié)機構〔調節(jié)閥〕根據(jù)執(zhí)行機構的推力或位移，改變調節(jié)閥的閥芯或閥座間的流通面積，以到達最終調節(jié)被控介質的目的。來自調節(jié)器的信號經(jīng)信號轉換單元轉換信號制式后，與來自執(zhí)行機構的位置反響信號比擬，其信號差值輸入到執(zhí)行機構，以確定執(zhí)行機構作用的方向和大小，其輸出的力或位移