液位控制系統(tǒng)——過程控制課程設(shè)計(jì)

1、<p>　　過程控制課程設(shè)計(jì)——液位控制系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　目 錄1</b></p><p><b>　　1.引言2</b></p><p>　　2.系統(tǒng)工作原理2</p>

2、<p>　　3. 硬件設(shè)計(jì)部分3</p><p>　　3.1控制回路硬件圖3</p><p>　　3.2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)4</p><p>　　3.3控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成4</p><p>　　3.4 設(shè)備連接5</p><p>　　4.PID控制器程序設(shè)計(jì)5</p><p>　

3、　4.1 PID原理如下5</p><p>　　4.2 A/D、D/A轉(zhuǎn)換控制環(huán)節(jié)6</p><p>　　4.3 PID控制程序6</p><p>　　5.設(shè)計(jì)總結(jié)及心得體會8</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)9</b></p><p><b>　　1.引言</b&g

4、t;</p><p>　　液位控制是工業(yè)中常見的過程控制，它對生產(chǎn)的影響不容忽視。單容液位控制系統(tǒng)具有非線性，滯后，耦合等特征，能夠很好的模擬工業(yè)過程特征。對于液位控制系統(tǒng)，常規(guī)的PID控制采用固定的參數(shù)，難以保證控制適應(yīng)系統(tǒng)的參數(shù)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(shù)變化不敏感和魯棒性強(qiáng)等特征，但控制精度不太理想。如果將模糊控制和傳統(tǒng)的PID控制兩者結(jié)合，用模糊控制理論來整定PID控制器的比例，

5、積分，微分系統(tǒng)，就能更好的適應(yīng)控制系統(tǒng)的參數(shù)變化和工作條件的變化。</p><p>　　本課程設(shè)計(jì)所控制的是單容下水箱液位，根據(jù)控制系統(tǒng)要求，設(shè)計(jì)采用過程控制器件液位變送器、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥以及可編程邏輯控制器組成單回路閉環(huán)控制系統(tǒng)。從而熟悉PID算法在過程控制中的應(yīng)用和閉環(huán)回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。</p><p><b>　　2.系統(tǒng)工作原理</b></p>

6、<p>　　整個(gè)液位控制系統(tǒng)采用典型的反饋式閉環(huán)控制，液位控制系統(tǒng)原理圖如圖2.1所示：</p><p>　　圖2.1為單回路上水箱液位控制系統(tǒng)，單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)一般指在一個(gè)調(diào)節(jié)對象上用一個(gè)調(diào)節(jié)器來保持一個(gè)參數(shù)的恒定，而調(diào)節(jié)器只接受一個(gè)測量信號，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)是控制上水箱液位等于給定值所要求的高度。根據(jù)控制框圖，這是一個(gè)閉環(huán)反饋單回路液

7、位控制，采用工業(yè)智能儀表控制。當(dāng)調(diào)節(jié)方案確定之后，接下來就是整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)，一個(gè)單回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)安裝就緒之后，控制質(zhì)量的好壞與控制器參數(shù)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，則會使控制質(zhì)量變壞，達(dá)不到預(yù)期效果。因此，當(dāng)一個(gè)單回路系統(tǒng)組成好以后，如何整定好控制器參數(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。</p><p&g

8、t;　　一般言之，用比例（P）調(diào)節(jié)器的系統(tǒng)是一個(gè)有差系統(tǒng)，比例度δ的大小不僅會影響到余差的大小，而且也與系統(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調(diào)節(jié)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)

9、分別如圖3-2中的曲線①、②、③所示。</p><p>　　圖2.2 P、PI和PID調(diào)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線</p><p><b>　　3. 硬件設(shè)計(jì)部分</b></p><p>　　3.1控制回路硬件圖</p><p>　　如圖3.1所示，水介質(zhì)由泵P102從水箱V104中加壓獲得壓頭，經(jīng)由調(diào)節(jié)閥FV101進(jìn)入水箱V1

10、03，通過擋板QV16回流至水箱V104而形成水循環(huán)；其中，水箱V103的液位由LT103測得，用調(diào)節(jié)手擋板QV16的開啟程度來模擬負(fù)載的大小。本例為定值自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，F(xiàn)V101為操縱變量，LT103為被控變量，采用PID調(diào)節(jié)來完成。</p><p>　　需要全打開的手閥：QV102、QV105；</p><p>　　需要全關(guān)閉的手閥：QV103、QV104、QV107、QV109；<

11、;/p><p>　　擋板開度：QV1160.5cm。</p><p>　　圖3.1 單容下水箱液位調(diào)節(jié)閥PID單回路控制</p><p><b>　　3.2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　根據(jù)系統(tǒng)的硬件回路圖（圖3.1）可作出液位控制系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)圖如圖3.2.1所示：</p><p>　　

12、從系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)中可看出本系統(tǒng)的硬件部分主要包括：控制對象（上水箱）、液位檢測裝置、執(zhí)行裝置（電動(dòng)調(diào)節(jié)閥）、控制器（PLC）、上位機(jī)PC。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意框圖如圖3.2.2所示：</p><p>　　3.3控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成</p><p>　　如圖3.3所示，計(jì)算機(jī)與可編程控制器構(gòu)成主、從結(jié)構(gòu)形式，計(jì)算機(jī)為主機(jī)，計(jì)算機(jī)控制軟件完成用戶界面的設(shè)計(jì)，控制算法的設(shè)計(jì)，以及完成與PLC的串行通訊。可

13、編程控制器為從機(jī)，并帶有A/D、D/A轉(zhuǎn)換器，計(jì)算機(jī)可通過串口讀入可編程控制器中A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，在本系統(tǒng)中代表液位檢測值；計(jì)算機(jī)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(dòng)完成D/A轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果為4~20mA電流，控制電動(dòng)流量伺服閥的開度，從而控制水箱入水量。</p><p><b>　　3.4 設(shè)備連接 </b></p><p>　　設(shè)備連接圖如圖3.4

14、所示，PLC的模擬輸入輸出為標(biāo)準(zhǔn)4～20mA電流信號，此外，標(biāo)準(zhǔn)模塊伺服閥、DDM和傳感器也都為標(biāo)準(zhǔn)4～20mA電流信號接口。轉(zhuǎn)接面板提供普通導(dǎo)線到標(biāo)準(zhǔn)七芯電纜之間的接口。</p><p>　　4.PID控制器程序設(shè)計(jì)</p><p>　　4.1 PID原理如下</p><p>　　S7—200系列PLC的PID指令采用的是位置式輸出的PID控制算法：</p&

15、gt;<p>　　u (k ) = Kc{e(k)+(Ts/Ti)*Σe(k) +(Td/Ts)* e(k) }</p><p>　　可得到： Mn = Kc*(SPn－PVn)+Kc*(Ts/Ti)*(SPk－PVk) </p><p>　　+Kc*(Td/Ts)*[(SPn—PVn)－(SPn－PVn-1)]</p><p>　　=Kc*(SPn

16、－PVn)+Kc*(Ts/Ti)*(SPn－PVn)</p><p>　　+Kc*(Td/Ts)*[PVn-1—PVn]+Mx</p><p>　　式中：e = SPn－PVn</p><p>　　從公式中可以看出，共9個(gè)參數(shù)，即：</p><p>　　設(shè)定值：SPn，是控制目標(biāo)值，即期望的液位值，運(yùn)算時(shí)采用歸一化值；</p>

17、<p>　　1個(gè)輸入：PVn，為當(dāng)前測量值，應(yīng)在PID運(yùn)算前，在應(yīng)用程序中被歸一化；</p><p>　　1個(gè)輸出：Mn，即PID控制算法的運(yùn)算結(jié)果，為歸一化值；</p><p>　　采樣時(shí)間：Ts，也是常數(shù)，單位為秒；</p><p>　　3個(gè)PID運(yùn)算參數(shù)： Kc、Ti、Td分別為比例、積分、微分三個(gè)參數(shù)，Ti、Td的單位為分。</p>

18、<p>　　2個(gè)中間結(jié)果參數(shù)：PVn-1為上一次的歸一化測量值；Mx是計(jì)算中的中間參量，是積分之和。可見，9個(gè)參數(shù)中有：1個(gè)輸出變量，1個(gè)輸入變量，5個(gè)常數(shù)，2個(gè)中間變量。設(shè)定值SPn、采樣時(shí)間Ts和3個(gè)PID參數(shù)共５個(gè)常數(shù)應(yīng)事先確定，并在程序初始化時(shí)、或在每次執(zhí)行PID模塊指令前，存放到數(shù)值存儲區(qū)，以供調(diào)用。</p><p>　　其中：Kｃ為比例系數(shù) &l

19、t;/p><p>　　Ts 采樣時(shí)間 </p><p>　　TI 積分時(shí)間Td微分時(shí)間</p><p><b>　　SPn給定值</b></p><p><b>　　PVn測量值 </b></p><p>　　Mn輸出結(jié)果（歸

20、一化值） </p><p>　　需要預(yù)置五個(gè)參數(shù)：SPn Kｃ TI Td Ts </p><p>　　(Kc、Ti、Td是要計(jì)算出的值，與被控對象的特性有關(guān)。) Td</p><p>　　采樣時(shí)間Ts取為0.1秒;用擴(kuò)充響應(yīng)曲線法將Kc、Ti、Td估算出來。</p><p>　　4.2 A/D、D/A轉(zhuǎn)換

21、控制環(huán)節(jié)</p><p>　　由于PLC處理數(shù)字量，所以要先將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，就是要將其變成雙精度數(shù)PLC才能接受，具體見下邊程序；由于調(diào)節(jié)閥的輸入是連續(xù)的模擬量，需要將其經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換從PLC輸出連續(xù)量。</p><p>　　4.3 PID控制程序</p><p><b>　　OB1</b></p><p>　　L

22、D SM0.1 //首次掃描時(shí)SM0.1位打開，用于調(diào)用初始化子例行程序</p><p>　　CALL SBR_0 //調(diào)用子程序SBR_0</p><p><b>　　SBR_0</b></p><p>　　LD SM0.0 //當(dāng)系統(tǒng)處于RUN模式時(shí)，SM0.0始終打開（既SM0.0=1）</p>

23、<p>　　MOVR 0.75, VD104 //裝入給定值75％</p><p>　　MOVR 0.5, VD112 //裝入回路增益0.5</p><p>　　MOVR 0.1, VD116 //裝入采樣時(shí)間0.1s</p><p>　　MOVR 12.0, VD120 //裝入積分時(shí)間12分鐘</p><p

24、>　　MOVR 0.0, VD124 //關(guān)閉微分作用</p><p>　　MOVB 100, SMB34 //100ms放入特殊內(nèi)存字節(jié)SMB34，用于控制中斷0的時(shí)間間隔</p><p>　　ATCH INT_0, 10 //調(diào)用中斷程序</p><p>　　ENI //全局性啟用中斷</p&g

25、t;<p><b>　　INT0</b></p><p>　　LD SM0.0 //RUN模式下，SM0.0=1</p><p>　　ITD AIW0, AC0 //模擬量輸入映像寄存器AIW0的數(shù)轉(zhuǎn)雙精度數(shù)存入AC0寄存器</p><p>　　DTR AC0, AC0 //將雙字轉(zhuǎn)換為實(shí)數(shù)<

26、;/p><p>　　/R 32000.0, AC0 //標(biāo)準(zhǔn)化累加器中的實(shí)數(shù)</p><p>　　MOVR AC0, VD100 //存入回路表</p><p>　　LD SM0.0</p><p>　　PID VB100, 0 //回路表的起始地址為VB100，回路號為0</p><p>

27、　　LD SM0.0</p><p>　　MOVR VD108, AC0 //PID控制器的輸出值送入累加器</p><p>　　*R 32000.0, AC0 //將累加器中的數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)化</p><p>　　ROUND AC0, AC0 //將AC0中的實(shí)數(shù)轉(zhuǎn)換為雙整數(shù)</p><p>　　MOV

28、W AC0, AQW0 //將AC0中雙精度數(shù)送入(D/A)映像寄存器AQW0，輸出到調(diào)節(jié)閥</p><p>　　5.設(shè)計(jì)總結(jié)及心得體會</p><p>　　通過對水箱液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，使我對實(shí)際工程中的自動(dòng)過程控制系統(tǒng)的應(yīng)用有了初步的設(shè)計(jì)理念。理論與實(shí)踐的結(jié)合，使我對過程控制及自動(dòng)儀表的特點(diǎn)以及其系統(tǒng)組成原理與應(yīng)用程序有了更進(jìn)一步的學(xué)習(xí)，通過對整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，使我更進(jìn)一步的鞏固了專

29、業(yè)基礎(chǔ)知識，提高了用理論知識解決實(shí)際問題的實(shí)踐能力。通過資料的收集及整理，也使我學(xué)到了許多相關(guān)專業(yè)課程的知識，并從中分析得到啟發(fā)，確立系統(tǒng)方案。</p><p>　　通過對控制器程序的設(shè)計(jì)，使我掌握了運(yùn)用SIMATIC S7-200型PLC實(shí)現(xiàn)PID算法控制以及單閉環(huán)液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，使我對小型液位控制系統(tǒng)的硬件及軟件設(shè)計(jì)具備了綜合分析和獨(dú)立思考的能力。</p><p><b&

30、gt;　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]林錦國.過程控制.第3版.南京.東南大學(xué)出版社.2011</p><p>　　[2]范永久.化工測量及儀表.北京.化工工業(yè)出版社.2002</p><p>　　[3]孫自強(qiáng).過程自動(dòng)化及儀表.上海.華東理工大學(xué)出版社.1993</p><p>　　[4]陳建明.電氣控制與PLC

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