1、摘要本設計針對目前水箱水位控制系統(tǒng)存在的集成自動化程度低、可靠性差和運 行效率低下的不足，結合目前工業(yè)領域的應用技術，設計了一種技術較先進、性 能可靠、自動化的程度較高的水塔水位控制系統(tǒng)。本文針對水箱水位控制系統(tǒng)中 存在的問題，把PLC可編程序控制器和變頻器應用于水塔水位控制系統(tǒng)上，同時 對問題進行了較深入的研究。本文闡述了水箱水位控制系統(tǒng)的 PLC控制、自動計數、數碼顯示的一些基本 思路和方法，介紹了關于PLC工作特點及運行原理，以及介紹了三菱可編程控制 器系列的FX2N系列PLC控制器主要功能模塊及應用。FX不僅編程簡單，通用性 強，抗干擾能力強，可靠性高，而且具有易于操作及維護，設計、施

2、工、調試周 期短等優(yōu)點。然后設計了水箱水位控制系統(tǒng)的基本模塊及功能，并對系統(tǒng)的主回 路和控制回路的硬件部分進行了詳細介紹。最后程序分析測試論證水箱水位控制 的設計。關鍵詞：PLQ水箱水位；FX C250計數器。1 PLC 簡介1.1.1 PLC的產生、定義及現狀 1.1.2過程控制的發(fā)展2.1.3本文研究的目的、主要內容 .32 FX2系列PLC和控制對象介紹 4.2.1三菱PLC控制系統(tǒng) 4.2.2過程建模5.3 PID調節(jié)及串級控制系統(tǒng)9.3.1 PID調節(jié)的各個環(huán)節(jié)及其調節(jié)過程 93.1.1比例積分調節(jié) 1.03.2串級控制1.13.3三菱FX2系列PLC中PID指令的使用 1 43.4

3、在PLC中的PID控制的編程 154控制方案設計1.74.1系統(tǒng)設計174.2硬件設計184.3軟件設計195運行215.1上水箱液位比例調節(jié) 21結論23致 謝錯誤！未定義書簽。水箱水位控制1 PLC簡介1.1 PLC的產生、定義及現狀一、可編程控制器的產生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月頒布了可編程控制器標準草案第一稿， 1985年1

4、月又發(fā)表了第二稿，1987年2月頒布了第三稿。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、計數和算術計算等面向用戶的指令，并通過數字量和模擬量的輸入 和輸出，控制各種類型的機械或生產過程?？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)聯成一個整體、易于擴充其功能的原則設計。20世紀70年代中末期，可編程控制器進入實用化發(fā)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

5、能及極高的性價比奠定了它在現代 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發(fā)展的特點是大規(guī)模、高速度、高性能、產品系列化。 這個階段的另一個特點是世界上生產可編程控制器的國家日益增多，產量日益上 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發(fā)展最快的時期，年增長率一直保持 為3040%在這時期，PLC在處理模擬量能力、數字運算能力、人機接口能力和 網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，可編程控制器的發(fā)展特點是更加適應

6、于現代工業(yè)的需要。從控 制規(guī)模上來說，這個時期發(fā)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； 從產品的配套能力來說，生產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發(fā)展。我國可編程控制器的引進、應用、研制、生產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)的生產設備及產品中不斷擴大了 PLC的應用。目前，我國自己已可以生產中小型可編程控制器。 上海東屋電氣有

7、限公司生產的 CF系列、杭州機床電器廠生產的 DKK及 D系列、大 連組合機床研究所生產的S系列、蘇州電子計算機廠生產的 YZ系列等多種產品已 具備了一定的規(guī)模并在工業(yè)產品中獲得了應用。此外，無錫華光公司、上海鄉(xiāng)島 公司等中外合資企業(yè)也是我國比較著名的 PLC生產廠家?？梢灶A期，隨著我國現 代化進程的深入，PLC在我國將有更廣闊的應用天地。1.2過程控制的發(fā)展進入90年代以來，自動化技術發(fā)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部分。在現代工業(yè)生產自 動化中，過程控制技術正在為實現各種最優(yōu)的技術經濟指標、提高經濟效益和勞 動生產率、節(jié)約能源、改善

8、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)生產大多處于手工操作的狀態(tài)，人們主要是憑經 驗用人工去控制生產過程。生產過程中的噶參數靠人工觀察，生產過程的操作也 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，生產自動化發(fā)展很快。尤其是近年來，過程控制技術發(fā)展更為 迅速?？v觀過程控制的發(fā)展歷史，大致經歷了下述幾個階段：50年代前后，過程控制開始得到發(fā)展。一些工廠企業(yè)實現了儀表化和局部自 動化。這是過程控制發(fā)展的第一階段。這階段主要的特點：檢測和控制儀表普遍 采用基地式儀表和部分組合儀表；過程控制結構大多數是單輸入單輸出系統(tǒng)；被 控制參數主要是溫度、壓力、流

9、量、液位四種參數；控制目的是保持這些參數的 穩(wěn)定，消除或減少對生產過程的主要擾動。在60年代，隨著工業(yè)生產的不斷發(fā)展，對過程控制提出了新的要求；隨著電 子技術的迅速發(fā)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，有出現了組合儀表，它將各個單元劃分為更小的功能塊，以適應比較 復雜的模擬和邏輯規(guī)律相結合的控制系統(tǒng)的需要。70年代以來，隨著現代工業(yè)生產的迅猛發(fā)展，儀表與硬件的開發(fā)，微型機算 計的開發(fā)應用，使生產過程自動化的發(fā)展達到了一個新的水平。對全工廠或整個 工藝流程的集中控制、應用計算機系統(tǒng)進行多參數綜

10、合控制，或者用多臺計算機 對生產過程進行控制和經營管理，是這一階段的主要特征。過程控制發(fā)展到現代 過程控制的新階段，這是過程控制發(fā)展的第三階段。在新型的自動化技術工具方 面，開始采用微處理器為核心的智能單元組合儀表；在測量變送器方面，教為突 出的成分在線檢測與數據處理的應用日益廣泛；在模擬式調節(jié)儀表方面，不僅川 型儀表產品品種增加，可靠性提高，而且是本質安全防爆，適應了各種復雜控制 系統(tǒng)的要求。1.3本文研究的目的、主要內容引入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 而我們現在就引入了工業(yè)生產的自動化控制。在自動化控制的工業(yè)生產過程中， 一個很重要的控制參數就是液位

11、。一個系統(tǒng)的液位是否穩(wěn)定，直接影響到了工業(yè) 生產的安全與否、生產效率的高低、能源是否能夠得到合理的利用等一系列重要 的問題。隨著現在工業(yè)控制的要求越來越高，一般的自動化控制已經也不能夠滿 足工業(yè)生產控制的需求，所以我們就又引入了可編程邏輯控制（又稱PLC。PLC使控制方式更加的集中、有效、更加的及時。在我國隨著社會的發(fā)展，很早就實行了自動控制。而在我國液位控制系統(tǒng)也 利用得相當的廣泛，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)檢測黃河的水位的高低，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損失。一、一個系統(tǒng)是否能達到預期的控制

12、效果，其系統(tǒng)的數學模型相當的重要， 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)生化學反應等，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)器參數的整定，一個系統(tǒng)有了好的方案，但是如果參數整定錯誤那 也是功虧一簣。-11 -2 FX2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 口圖2.1

13、 PLC的原理圖CPU是 PLC的核心組成部分，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據。2、用掃描方式接受現場輸入裝置的狀態(tài)，并存入映像寄存器。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， 產生相應的控制信號，去起閉有關控制電路。I/O模塊是CPU與現成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

14、電平轉換、電氣隔離、串/并行轉換、數據傳送、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，CPUS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。根據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，過程的數學模型是極 其重要的基礎資

15、料。所以，建立過程的數學模型，對實現生產過程自動化有著十 分重要的意義?？梢赃@樣說，一個過程控制系統(tǒng)的優(yōu)劣，主要取決于對生產工藝 過程的了解和建立過程的數學模型。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 Q,改變閥1的 開度可以改變Q的大小。其流出量為 Q,它取決于用戶的需要改變閥 2開度可以 改變Q。液位h的變化反映了 Q與Q不等而引起貯罐中蓄水或泄水的過程.

16、若Q 作為被控過程的輸入變量,h為其輸出變量，則該被控過程的數學模型就是 h與Q 之間的數學表達式。+Q!(a)圖22液位被控過程及其階躍響應圖2.3純時延單容過程及其響應曲線二、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2.4單容過程及其響應曲線當過程具有純時延時，則其傳遞函數為Ws)=1/Tos*e-tOs(2-8)在工業(yè)生產過程中，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在，以具有自衡能力的雙容過程為例，來討論其建立數學模型的

17、方 法。0圖2.5雙容過程及其響應曲線圖2.6雙容過程方框圖3 PID調節(jié)及串級控制系統(tǒng)3.1 PID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 對象的結構和參數不能完全掌握，或得不到精確的數學模型時，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必須依靠經驗和現場調試來確定，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

18、測量手段來獲得系統(tǒng)參數時，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。(1) 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-state error )。(2) 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，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差 的或簡稱有差系統(tǒng)(System with Steady-state Error )。為了消除穩(wěn)

19、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。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，

20、 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，從而避免了被控量的嚴重 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。在人工調節(jié)的實踐中，如果能使閥門的開度與被調參數偏差成比例的話，就 有可能使輸出量等于輸入量，從而使被調參數趨于穩(wěn)定，達到平衡狀態(tài)。這種閥 門開度與被調參數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

21、特點比例調節(jié)作用，一般用字母 P來表示。如果用一個數學式來表示比例調節(jié)作 用，可寫成： u=KpA e（ 3-1）式中 u 調節(jié)器的輸出變化值； e 調節(jié)器的輸入，即偏差；Kp比例調節(jié)器的放大倍數。放大倍數Kp是可調的，所以比例調節(jié)器實際上是一個放大倍數可調的放大器。 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，而時間常數又不太小的對象。3.1.1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，克服余差的辦法是引入積分調節(jié)。因為單純的積分

22、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： Upi=A up+A ui=1/P（ e+1/Ti / edt）（3-2）這里，表示PI調節(jié)作用的參數有兩個：比例度 P和積分時間T。而且比例度不 僅影響比例部分，也影響積分部分，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）的基礎上，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

23、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。微分調節(jié)的作用主要是用來克服被調參數的容量滯后。在生產實際中，有經 驗的工人總是既根據偏差的大小來改變閥門的開度大小（比例作用），同時又根據偏差變化速度的大小進行調節(jié)。比如當看到偏差變化很大時，就估計到即將出現 很大的偏差而過量地打開（關閉）調節(jié)閥，以克服這個預計的偏差，這種根據偏 差變化速度提前采取的行動，意味著有“超前”作用，因而能比較有效地改善容 水箱水位控制量滯后比較大的調節(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，可用數學表達式表 示為： u=TDd( e)/d

24、 t( 3-3)式中： u調節(jié)器的輸出變化值；Td微分時間；d( e)/d t偏差信號變化的速度。從上式可知，偏差變化的速度 d( e)/d t越大，微分時間Td越長，則調節(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變化時才出現，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： u=1/P e+1/TjA edt+TDd( e)/d t(3-4)PID調節(jié)中，有三個調節(jié)參數，

25、就是比例度 P、積分時間、微分時間Td。適當選 取這三個參數值，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串級控制隨著現代工業(yè)生產的迅速發(fā)展，對于某些比較復雜的過程或者生產工藝、經 濟效益、安全運行、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基礎上，開發(fā)出了串級控制系 統(tǒng)。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

26、圖如圖3.1所示。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)， 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)，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。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

27、。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。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)設計原則進行。這里主要解決串級控制系統(tǒng)中兩個 回路的協調工作問題。主要包括如何選取副被控參數、確定主、畐I回路的原則等 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

28、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部分歸于副對象中。(5) 在需要以流量實現精確跟蹤時，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。

29、例如，圖1所示的以物料出口溫度為主被控參數、爐膛溫度為副被控參數， 燃料流量為控制參數的串級控制系統(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量、時間常數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。原則上，在設計中要 保證主、副回路擾動數量、時間常數之比值在 310之間。比值過高，即副回路 的時

30、間常數較主回路的時間常數小得太多，副回路反應靈敏，控制作用快，但副 回路中包含的擾動數量過少，對于改善系統(tǒng)的控制性能不利；比值過低，畐曬路 的時間常數接近主回路的時間常數，甚至大于主回路的時間常數，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。嚴重時會出現主、副回路“共振”現象，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

31、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)器正反作用方式的確定一個過程控制系統(tǒng)正常工作必須保證采用的反饋是負反饋，及其主通道各環(huán) 節(jié)放大系數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 方式的確定原則是要保證兩個回路均為負反饋。確定過程是首先判定為保證內環(huán) 是負反饋副調節(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)放大系數極性的正負是

32、這樣規(guī)定的：對于調節(jié)器Kc,當測量值增加，調節(jié)器的輸出也增加，則Kc為負值（即正作用調節(jié)器）；反之，Kc為正（即反作用調節(jié)器） 調節(jié)閥為氣開。則KV為正，氣關Kv為負。過程放大系數極性是：當過程的輸入增 大時，即調節(jié)閥開大，其輸出也增大，貝U K）為正，反之，Ko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。根據單回路控制系統(tǒng) 設計中介紹的閉合系統(tǒng)必須為負反饋控制系統(tǒng)設計原則，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。3.3三菱FX2系列PLC中PID指令的使用比

33、例積分微分指令即PID指令其指令格式如下：FNC88 PID操作數：S1、S2、S3D:全部用數據寄存器 B51 :存放設定值（S"的地址。52 :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。53 :指定存放控制回路參數值的首地址，共占用25個數據寄存器，其選用范圍為D0-D75,各元件存放的參數如下：S3:采樣時間（Ts）,取值范圍為1-32767 （m®。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

34、:輸入濾波常數，0-99%。S3+3 :比例增益（Kp），1%-32767%S3+4 :積分時間常數（Ti），0-32767（ *100ms）,為0和。0時無積分。S3+5 :微分增益（Kd），0-100%。S3+6 :微分時間常數（Td）, 0-32767（ *100ms），為0時無微分。S3+7 至S3+19 PID 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BI

35、T0輸入變化量（增方）超出。BIT1BIT2BIT3輸入變化量（減方）超出輸出變化量（增方）超出輸出變化量（減方）超出PID指令用的算術表達式為：<4輸出值=Kp（ £ + KDTDd £ /d t+T- / £ dt）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寸執(zhí)行PID指令，把PID控制回路的設定值存放在 D100-D124這25 個數據寄存器中，對S2的當前值（。1）和（S1）的設定值（D0進行比較，通 過PID回路處理數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 D15

36、0 中。X0S1 S2 S3 DPIDD0D1D100D150圖3.3 PID指令的應用3.4在PLC中的PID控制的編程PID控制器調節(jié)輸出，保證偏差(e)為零，使系統(tǒng)達到穩(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。輸出=比例項+積分項+微分項M)= Kp*e+KI / edt+Minital+K D*de/d t其中：M是作為時間函數的回路輸出K是回路增益e是回路誤差(設定值和過程變量之間的差)Min itial是回路輸出的初始值為了能讓數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

37、偏 差算式，才能用來計算輸出值。數字計算機處理的算式如下：M=KP*en+K*刀ex+Minitial+K D*(e n-en-1)輸出=比例項 +積分項 +微分項M是在采樣時刻n，PID回路輸出的計算值；匕是回路增益；en是采樣時刻n的回路誤差值；en-1是回路誤差的前一個數值(在采樣時刻n-1)；ex是采樣時刻x的回路誤差值；K是積分項的比例常數；Min itial是回路輸出的初始值；Kd是微分項的比例常數；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。微分項是當前采樣和前一次采樣的函數，比例項僅是當前采樣的函數。 在數字計算機中，不保存所有的誤差項，實際上也

38、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：Mn=KP*e n+KI*e n +Mx+KD*（e n-e n-i）輸出=比例項+積分項+微分項。其中：M是在采樣時間n時，回路輸出的計算值；Kp是回路增益；en是采樣時刻n的回路誤差值；en-1是回路誤差的前一個數值（在采樣時刻n-1）；K是積分項的比例常數；M是積分項的前一個數值（在采樣時刻n-1）；Kd是微分項的比例常數；一、回路輸入的轉換和標準化：是將現實世界的值的實數值表達形

39、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：Rn orm=（Rraw/ 跨度）+ 偏移量其中：Rnorm是現實世界數值的標準化的實數值表達式。Rraw是現實世界數值的未標準化的或原始的實數值表達式。偏移量對于單極性為0.0。對于雙極性為0.5?？缍仁亲畲罂赡苤禍p去最小可能值：對于單極性數值（典型值）為32,000。對于雙極性數值（典型值）為64,000。二、回路輸出值轉換成刻度整數值回路輸出值一般是控制變量，比如，在汽車速度控制中，可以是油閥開度的 設置。回路輸出是0.0和1.0之間的一個標準化了的實數值。在回路輸出可以用 于驅動模擬輸出之前，回路輸出必須

40、轉換成一個16位的標定整數值。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值：RScal= （M n-偏移量）* 跨度其中：RScal是回路輸出經過標定的實數值M是回路輸出標準化的實數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）4控制萬案設計4.1系統(tǒng)設計在這個部分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，打開閥1和閥2,打開上水箱的出水閥，電動調節(jié)閥以一定的開度來控制 進入水箱的水流量，調

41、節(jié)手段是通過將壓力變送器檢測到的電信號送入PLC中,經過A/D變換成數字信號，送入數字 PID調節(jié)器中，經PID算法后將控制量經過 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 值與反饋值的差就是PID調節(jié)器的輸入偏差信號。經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

42、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，經過 PLC的PID程序運 算后輸出，調節(jié)器的輸出信號經過 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，再經過A/D轉換成控制量PV,給定值SP與控制量PV經過PLC的CPU勺減法運算成 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。上水箱下水箱液位控制系統(tǒng)由于控制過程特性呈現大

43、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)反饋控制不 能實現很好的控制效果，所以采用串級閉環(huán)反饋系統(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，擾動總是不可避免的。 主回路和副回路結合有效地抑制環(huán)境的擾動。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

44、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，他們互相聯系,組成一個完整的系統(tǒng)在過程控制系統(tǒng)中，檢測環(huán)節(jié)是比較重要的一個環(huán)節(jié)。液位是指密封容器或 開口容器中液位的高低，通過液位測量可知道容器中的原料、半成品或成品的數 量，以便調節(jié)流入流出容器的物料，使之達到物料的平衡，從而保證生產過程順 利進行。設計中涉及到液位的檢測和變送，以便系統(tǒng)根據檢測到的數據來調節(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

45、器是浙江浙大中控自動化儀表有限公司生產 的中控儀表SP0018G!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。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過程參數的自動控制。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）兩部分組成。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

46、達到最終調節(jié)被 控介質的目的。來自調節(jié)器的信號經信號轉換單元轉換信號制式后，與來自執(zhí)行 機構的位置反饋信號比較，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，其輸出的力或位移控制調節(jié)閥的動作，改變調節(jié)閥的流通面積，從 而改變被控介質的流量。當位置反饋信號與輸入信號相等時，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)， 調節(jié)閥處于某一開度。系統(tǒng)中用到的調節(jié)閥是QS智能型調節(jié)閥，所用到的執(zhí)行機構為電動執(zhí)行機構， 輸出為角行程，控制軸轉動。電動執(zhí)行機構的組成框圖。來自PLC的模擬量輸出DC4-20mA言號Ii與位置反饋信號If進行比較，其差 值經放大后，控制伺服電動機正轉或反轉，再經減速器后，改變調節(jié)器的開度，

47、同時輸出軸的位移，經位置發(fā)生器轉換成電流信號If。當li=lf時，電動機停止轉動，調節(jié)閥處于某一開度，即 Q=KIi，式中Q為輸出軸的轉角，K為比例常數。 電動調節(jié)閥還提供手動操作，它的上部有個手柄，和軸連在一起，在系統(tǒng)掉電時 可進行手動控制，保證系統(tǒng)的調節(jié)作用。控制單元是整個系統(tǒng)的心臟。在系統(tǒng)中，PLC是控制的中心元件，它的選擇是 控制單元設計的重要部分。系統(tǒng)應用的是三菱FX2系列的PLC其結構簡單，使用靈活且易于維護。它采 用模塊化設計，本系統(tǒng)主要包括 CPU模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊和 電源模塊。4.3軟件設計現在以上水箱的液位控制系統(tǒng)為例，畫出其流程圖如圖4.3。Y2Y6-24 -5運行5.1上水箱液位比例調節(jié)以圖5.1所示的液位比例調節(jié)系統(tǒng)為例，被調參數是上水箱的液位。在輸入 的偏差信號 e為階躍信號。當