基于PLC的液位控制系統(tǒng)的設(shè)計

基于PLC的液位控制系統(tǒng)的設(shè)計,基于PLC的液位控制系統(tǒng)的設(shè)計,基于,plc,控制系統(tǒng),設(shè)計 1. PID簡述 過程控制通常是指石油、化工、冶金、輕工、紡織、制藥、建材等工業(yè)生產(chǎn)過程中的自動控制 ,它是自動化技術(shù)的一個極其重要的方面。本次畢業(yè)設(shè)計是基于PLC的液位控制系統(tǒng)的設(shè)計，它的控制對象是水箱的液位，是過程控制中經(jīng)常遇到熱工參數(shù)。本人在這次設(shè)計中主要負(fù)責(zé)控制策略——PID算法的確定，就在次將PID算法作個簡要的介紹。 在生產(chǎn)過程自動控制的發(fā)展歷程中,PID控制是歷史最久、生命力最強(qiáng)的基本控制方式。它簡單實用,易于實現(xiàn),適用范圍廣,魯棒性好,在現(xiàn)今的工業(yè)過程中獲得了廣泛的應(yīng)用.據(jù)統(tǒng)計,目前工業(yè)控制器中約有90%仍是PID控制器。PID控制器的設(shè)計及其參數(shù)整定一直是控制領(lǐng)域所關(guān)注的問題。其設(shè)計和整定方法得到國內(nèi)外廣泛研究, 著名的如Ziegler-Nichols法、基于內(nèi)模控制的方法及基于誤差的積分的優(yōu)化方法?；谡`差的積分準(zhǔn)則由于能較好地反映閉環(huán)系統(tǒng)的性能以及易于計算的原因,在PID優(yōu)化設(shè)計中被廣泛采用。（1） 在工業(yè)生產(chǎn)過程控制中,模擬量的 PID (比例、積分、微分)調(diào)節(jié)是常見的一種控制方式,這是由于 PID 調(diào)節(jié)不需要求出控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,至今為止,很難求出許多控制對象準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型,對于這一類系統(tǒng),使用 PID 控制可以取得比較令人滿意的效果,同時 PID 調(diào)節(jié)器又具有典型的結(jié)構(gòu),可以根據(jù)被控對象的具體情況,采用各種PID 的變種,有較強(qiáng)的靈活性和適用性。在模擬量的控制中,經(jīng)常用到 PID 運(yùn)算來執(zhí)行 PID 回路的功能,PID 回路指令使這一任務(wù)的編程和實現(xiàn)變得非常容易。如果一個 PID 回路的輸出 M ( t)是時間的函數(shù),則可以看作是比例項、積分項和微分項三部分之和(2)，即： 式中 e——偏差； Ti——積分常數(shù)； Td——微分常數(shù)； Kc——放大倍數(shù)（比例系數(shù)） M0——偏差為零時的控制值，有積分環(huán)節(jié)存在，此項也可不加 以上各量都是連續(xù)量,第一項為比例項,最后一項為微分項,中間兩項為積分項。其中 e 是給定值與被控制變量之差,即回路偏差。Kc 為回路的增益。用數(shù)字計算機(jī)處理這樣的控制算式,連續(xù)的算式必須周期采樣進(jìn)行離散化,同時各信號也要離散化,公式如下（2）: 式中 SP——給定值 PV——反饋值 Ts——采樣周期 2. 研究內(nèi)容 本課題是基于PLC的液位控制系統(tǒng)的設(shè)計，控制的是過程控制中最常見的液位控制，在實際的生產(chǎn)應(yīng)用中非常廣泛。設(shè)計前要熟悉PLC的基本結(jié)構(gòu)和設(shè)計語言，能夠進(jìn)行梯形圖的設(shè)計，并能根據(jù)梯形圖寫出語言，在實驗裝置中實行，使其能確實的實現(xiàn)液位控制的功能。 本項目要使用浙大中控設(shè)計生產(chǎn)的AE2000A型過程控制實驗對象系統(tǒng)、AE2000A型過程控制實驗儀表控制臺和西門子PLC（S7-300系列）控制系統(tǒng)等。S7-300系列是中小型的PLC，能夠?qū)崿F(xiàn)液位的控制，是個適合的機(jī)型。 本項目要求學(xué)生以PLC為核心，整定液位系統(tǒng)的PID控制參數(shù)，并應(yīng)用PLC語句編程來控制液位的高度。設(shè)計要求給出PLC液位控制系統(tǒng)的梯形圖和程序，這就要求學(xué)生在規(guī)定的時間內(nèi)完成PID參數(shù)的計算和PLC系統(tǒng)的設(shè)計，最后要求給出一套設(shè)計圖和設(shè)計說明書。 3. 初步方案 這里采用的是水箱液位的PID調(diào)節(jié)，有兩級水箱?？刂埔粋€水箱的是單回路反饋PID控制。單回路系統(tǒng)是指在一個調(diào)節(jié)對象上用一個PID調(diào)節(jié)器來保持參數(shù)的恒定，而調(diào)節(jié)器只接受一個測量信號，其輸出也只控制一個執(zhí)行機(jī)構(gòu)。兩個水箱的液位通過串級反饋回路來控制。 系統(tǒng)控制對象如下圖所示。 圖1:上下水箱液位控制系統(tǒng) 系統(tǒng)運(yùn)行前要把需要控制液位的水箱水路上的手動閥門全部打開，打開水箱的出水閥至適當(dāng)位置。系統(tǒng)通過PLC控制液位的高度，當(dāng)液位下降時，需要PLC控制電動調(diào)節(jié)閥門打開，進(jìn)水；當(dāng)液位達(dá)到指定的高度時，通過水位檢測的壓力變送器把檢測到的信號變成相應(yīng)的電信號傳到PLC的模擬量輸入通道中，由PLC經(jīng)過PID算法計算得出輸出信號，輸出到電動調(diào)節(jié)閥中控制通道里的水流量，使其一直保持那個高度。輸出的信號和電動調(diào)節(jié)閥的開度成正比?？刂埔x擇控制參數(shù)，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)選擇不合適，則會使控制質(zhì)量變壞，達(dá)不到預(yù)期效果。所以PID參數(shù)的選擇是很重要的，要很好地去整定。系統(tǒng)可以設(shè)定比例、積分、微分的參數(shù)，觀察控制的效果，使用比例控制、比例積分控制和比例積分微分控制進(jìn)行實驗，將它們得到的結(jié)果進(jìn)行比較，就可以知道三個控制環(huán)節(jié)分別的作用。 系統(tǒng)的控制框圖如圖2所示 圖2：液位控制系統(tǒng)控制框圖 其中SV為給定信號，由用戶通過計算機(jī)設(shè)定，PV為控制變量，它們的差是PID調(diào)節(jié)器的輸入偏差信號，經(jīng)過PLC的PID運(yùn)算后輸出，調(diào)節(jié)器的輸出信號經(jīng)過PLC的D/A轉(zhuǎn)換成4~20mA的模擬電信號后輸出到電動調(diào)節(jié)閥中調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥的開度，以控制水的流量，使水箱的液位保持設(shè)定值。水箱的液位經(jīng)過壓力變送器檢測轉(zhuǎn)換成相關(guān)的電信號輸入到PLC的輸入接口，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成控制量PV，給定值SV與控制量PV經(jīng)過PLC的CPU的減法運(yùn)算成了偏差信號e ,又輸入到PID調(diào)節(jié)器中，又開始了新的調(diào)節(jié)。所以系統(tǒng)能實時地調(diào)節(jié)水箱的液位。 4. 工作安排 2006.2.~2006.3. 完成文獻(xiàn)檢索、文獻(xiàn)綜述，開題報告，熟悉實驗裝置等 2006.3.~2006.4. 完成PID控制器設(shè)計與計算、學(xué)習(xí)S7-300，并完成編程等 2006.4.~2006.5. 完成實驗調(diào)試 2006.5.~2006.6. 對系統(tǒng)進(jìn)行測試，撰寫設(shè)計說明書、準(zhǔn)備畢業(yè)答辯 5. 參考文獻(xiàn) [1] 金 鑫等 《典型工業(yè)過程魯棒 PID控制器的整定》，《控制理論與應(yīng)用》第22卷第6期2005年12月（947～953頁） [2] 祁鴻芳等 《PID 算法在西門子 PLC模擬量閉環(huán)控制中的實現(xiàn)》，《機(jī)床電器》 2005年1月（23～25） [3] 楊 智等.PID控制器設(shè)計與參數(shù)整定方法綜述.化工自動化及儀表.2005年第5期32卷（1～7頁） [4] 李 銘等.模糊 PID控制算法在氣缸位置伺服控制中的應(yīng)用.機(jī)床與液壓.2004年第10期(55～57頁) [5] MoradiM H. New Techniques for PID ControllerDesign[A ].Proceedingsof IEEE Conference on ControlApplications[C].Istanbul, Turkey,2003. 107. [6] JohnsonM A,MoradiM H. PID ControllerDesign[M ]. London: Springer2Verlag,2003. [7] Astrom K J, Hagglund T. PID Controllers: Theory,Design and Tuning[M ]. N. C. :Research Triangle Park, Instrument Society ofAmerica,1995. [8] 王 偉等.PID 參數(shù)先進(jìn)整定方法綜述 [J ]. 自動化學(xué)報.2000年26卷第3期 (347～355頁) [9] 薛美盛等.工業(yè)過程的先進(jìn)控制.化工自動化及儀表.2002年29卷第2期（1～9頁） [10] 王樹青等.先進(jìn)控制技術(shù)及應(yīng)用.化工自動化及儀表.1999年26卷第2期 (61～65頁) [11] 李 平等.預(yù)測控制研究的概況.化工自動化及儀表.1995年22卷第6期（3～9） [12] 金曉明等.模糊控制理論及其應(yīng)用評述.化工自動化及儀表.1995年22卷第6期（3～6） 6. 指導(dǎo)教師審閱意見 指導(dǎo)教師(簽字)：　　　　　　 年 月 日 7. 教研室主任意見 教研室主任(簽字)：　　　　　 系(簽章) 年 月 日 說明： 1. 本報告必須由承擔(dān)畢業(yè)設(shè)計(論文)課題任務(wù)的學(xué)生在接到“畢業(yè)設(shè)計(論文)任務(wù)書”、正式開始做畢業(yè)設(shè)計(論文)的第2周或第3周末之前獨立撰寫完成，并交指導(dǎo)教師審閱。 2.每個畢業(yè)設(shè)計(論文)課題撰寫本報告一份，作為指導(dǎo)教師、教研室主任審查學(xué)生能否承擔(dān)該畢業(yè)設(shè)計(論文)課題任務(wù)的依據(jù)，并接受學(xué)校的抽查。