過程控制課程設(shè)計---單容水箱液位恒值控制系統(tǒng)設(shè)計

1、<p>　　過程控制系統(tǒng)課程設(shè)計</p><p>　　專 業(yè)： 自 動 化 </p><p>　　設(shè)計題目：單容水箱液位恒值控制系統(tǒng)設(shè)計 </p><p>　　班級：自0942 學(xué)生姓名：學(xué)號： </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　分

2、院院長： </p><p>　　教研室主任： </p><p><b>　　電氣工程學(xué)院</b></p><p>　　一、課程設(shè)計任務(wù)書 </p><p><b>　　1.設(shè)計內(nèi)容</b></p><p>　　針對某廠的液位控制過程與要求實現(xiàn)模擬控制，其工

3、藝過程如下：用泵作為原動力，把水從低液位池抽到高液位池，實現(xiàn)對高液位池液位高度的自動控制。具體設(shè)計內(nèi)容是利用西門子S7-200PLC作為控制器，實現(xiàn)對單容水箱液位高度的定值控制，同時利用MCGS組態(tài)軟件建立單容水箱液位控制系統(tǒng)的監(jiān)控界面，實現(xiàn)實時監(jiān)控的目的。</p><p><b>　　2.設(shè)計要求</b></p><p>　　1、以RTGK-2型過程控制實驗裝置中的

4、單個水箱作為被控對象、PLC作為控制器、靜壓式壓力表作為檢測元件、電動調(diào)節(jié)閥作為執(zhí)行器構(gòu)成一個單容水箱單閉環(huán)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對水箱液位的恒值控制。</p><p>　　2、PLC控制器采用PID算法，各項控制性能滿足要求：超調(diào)量≤20%，穩(wěn)態(tài)誤差≤±0.1；調(diào)節(jié)時間ts≤2s；</p><p>　　3、組態(tài)測控界面上，實時設(shè)定并顯示液位給定值、測量值及控制器輸出值；實時顯示液位給定

5、值實時曲線、液位測量值實時曲線和PID輸出值實時曲線；</p><p>　　4、選擇合適的整定方法確定PID參數(shù)，并能在組態(tài)測控界面上實時改變PID參數(shù)；</p><p>　　5、通過S7-200PLC編程軟件Step7實現(xiàn)PLC程序設(shè)計與調(diào)試；</p><p>　　6、分析系統(tǒng)基本控制特性，并得出相應(yīng)的結(jié)論；</p><p>　　7、設(shè)計完

6、成后，提交打印設(shè)計報告。</p><p><b>　　3.參考資料</b></p><p>　　1.邵裕森,戴先中主編.過程控制工程(第2版).北京:機械工業(yè)出版社.2003</p><p>　　2.崔亞嵩主編.過程控制實驗指導(dǎo)書（校內(nèi)）</p><p>　　3.廖常初主編.PLC編程及應(yīng)用(第2版).北京:機械工業(yè)出版

7、社.2007</p><p>　　4.吳作明主編.工業(yè)組態(tài)軟件與PLC應(yīng)用技術(shù).北京:北京航空航天大學(xué)出版社.2007</p><p>　　4.設(shè)計進度（2012年12月3日至2012年12月16日） </p><p><b>　　5.設(shè)計時間及地點</b></p><p>　　設(shè)計時間：周一～周五，上午：8：00～11

8、：00</p><p>　　下午：1：00～4：00</p><p>　　設(shè)計地點：新實驗樓，過程控制實驗室（310）</p><p><b>　　二、評語及成績</b></p><p><b>　　課程設(shè)計成績：</b></p><p><b>　　指導(dǎo)教師：&l

9、t;/b></p><p>　　過程控制系統(tǒng)課程設(shè)計報告</p><p>　　班 級： 自0942 </p><p>　　姓 名： 付月超 </p><p>　　學(xué) 號： 03 號 </p><p>　　指導(dǎo)教師： 雷 霞 </p><p>　　撰寫日期：20

10、12-12-15</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　緒論1</b></p><p>　　第一章 課程設(shè)計內(nèi)容與要求分析2</p><p>　　1.1 課程設(shè)計內(nèi)容2</p><p>　　1.1.1被控對象2</p>

11、<p>　　1.1.2液位控制的實現(xiàn)2</p><p>　　1.2 課程設(shè)計要求分析3</p><p>　　第二章 系統(tǒng)設(shè)計4</p><p>　　2.1 系統(tǒng)組態(tài)的設(shè)計4</p><p>　　2.1.1 MCGS組態(tài)軟件概述4</p><p>　　2.2 創(chuàng)建運行環(huán)境5</p>

12、<p>　　2.2.1 用戶窗口的建立5</p><p>　　2.2.2 實時數(shù)據(jù)庫11</p><p>　　2.2.3 設(shè)備窗口及數(shù)據(jù)連接11</p><p>　　2.3 系統(tǒng)PLC的設(shè)計13</p><p>　　2.3.1 PLC的概述14</p><p>　　2.3.2系統(tǒng)PLC設(shè)計15&

13、lt;/p><p>　　第三章 單容水箱液位恒值系統(tǒng)數(shù)據(jù)調(diào)試19</p><p>　　3.1 PID的控制原理及參數(shù)整定19</p><p>　　3.1.1比例（P）控制及調(diào)節(jié)過程19</p><p>　　3.1.2積分（I）控制及調(diào)節(jié)過程19</p><p>　　3.1.3微分（D）控制及調(diào)節(jié)過程20</

14、p><p>　　3.1.4 參數(shù)整定21</p><p>　　3.2比例(P)的調(diào)節(jié)過程23</p><p>　　3.3 PI的調(diào)節(jié)過程23</p><p>　　3.4 PID調(diào)節(jié)器24</p><p>　　3.5 P 、PI、PID比較與結(jié)論25</p><p><b>　

15、　課程設(shè)計總結(jié)27</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)28</b></p><p><b>　　緒論</b></p><p>　　過程控制是自動技術(shù)的重要應(yīng)用領(lǐng)域，它是指對液位、溫度、流量等過程變量進行控制，在冶金、機械、化工、電力等方面得到了廣泛應(yīng)用。尤其是液位控制技術(shù)在現(xiàn)實生活、生產(chǎn)中發(fā)揮了重

16、要作用，比如，民用水塔的供水，如果水位太低，則會影響居民的生活用水；工礦企業(yè)的排水與進水，如果排水或進水控制得當(dāng)與否，關(guān)系到車間的生產(chǎn)狀況；鍋爐汽包液位的控制，如果鍋爐內(nèi)液位過低，會使鍋爐過熱，可能發(fā)生事故；精流塔液位控制，控制精度與工藝的高低會影響產(chǎn)品的質(zhì)量與成本等。在這些生產(chǎn)領(lǐng)域里，基本上都是勞動強度大或者操作有一定危險性的工作性質(zhì)，極容易出現(xiàn)操作失誤，引起事故，造成廠家的的損失。可見，在實際生產(chǎn)中，液位控制的準(zhǔn)確程度和控制效果直接

17、影響到工廠的生產(chǎn)成本、經(jīng)濟效益甚至設(shè)備的安全系數(shù)。所以，為了保證安全條件、方便操作，就必須研究開發(fā)先進的液位控制方法和策略。</p><p>　　在本設(shè)計中以液位控制系統(tǒng)的水箱作為研究對象，水箱的液位為被控制量，選擇了出水閥門作為控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)。針對過程控制試驗臺中液位控制系統(tǒng)裝置的特點，建立了基于Visual Basic語言的PID液位控制模擬界面和算法程序。雖然PID控制是控制系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的一種控制

18、算法。但是，要想取得良好的控制效果，必須合理的整定PID的控制參數(shù)，使之具有合理的數(shù)值。</p><p>　　本次課程設(shè)計介紹了PID控制的基本原理及數(shù)字PID算法，并根據(jù)算法的比較選擇了臨界穩(wěn)定震蕩的PID算法?；赩isual Basic語言的PID液位控制模擬界面和算法程序，進行了系統(tǒng)仿真，并通過整定PID參數(shù)，同時得出了整定后的仿真曲線和實際曲線。</p><p>　　第一章 課程

19、設(shè)計內(nèi)容與要求分析</p><p>　　1.1 課程設(shè)計內(nèi)容</p><p>　　針對某廠的液位控制過程與要求實現(xiàn)模擬控制，其工藝過程如下：用泵作為原動力，把水從低液位池抽到高液位池，實現(xiàn)對高液位池液位高度的自動控制。具體設(shè)計內(nèi)容是利用西門子S7-200PLC作為控制器，實現(xiàn)對單容水箱液位高度的定值控制，同時利用MCGS組態(tài)軟件建立單容水箱液位控制系統(tǒng)的監(jiān)控界面，實現(xiàn)實時監(jiān)控的目的。<

20、;/p><p><b>　　被控對象</b></p><p>　　本設(shè)計探討的是單容水箱的液位控制問題。為了能更好的選取控制方法和參數(shù)，有必要知道被控對象—上水箱的結(jié)構(gòu)和特性。</p><p>　　由圖2-1所示可以知道，單容水箱的流量特性：</p><p>　　水箱的出水量與水壓有關(guān)，而水壓又與水位高度近乎成正比。這樣，當(dāng)

21、水箱水位升高時，其出水量也在不斷增大。所以，若閥開度適當(dāng)，在不溢出的情況下，當(dāng)水箱的進水量恒定不變時，水位的上升速度將逐漸變慢，最終達(dá)到平衡。由此可見，單容水箱系統(tǒng)是一個自衡系統(tǒng)。</p><p>　　圖1-1單容水箱的流量特性</p><p><b>　　液位控制的實現(xiàn)</b></p><p>　　除模擬PID調(diào)節(jié)器外，可以采用計算機PID算

22、法控制。首先由差壓傳感器檢測出水箱水位；水位實際值通過單片機進行A/D轉(zhuǎn)換，變成數(shù)字信號后，被輸入計算機中；最后，在計算機中，根據(jù)水位給定值與實際輸出值之差，利用PID程序算法得到輸出值，再將輸出值傳送到單片機中，由單片機將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號。最后，由單片機的輸出模擬信號控制交流變頻器，進而控制電機轉(zhuǎn)速，從而形成一個閉環(huán)系統(tǒng)，實現(xiàn)水位的計算機自動控制。</p><p>　　1.2 課程設(shè)計要求分析</p

23、><p>　　1、以RTGK-2型過程控制實驗裝置中的單個水箱作為被控對象、PLC作為控制器、靜壓式壓力表作為檢測元件、電動調(diào)節(jié)閥作為執(zhí)行器構(gòu)成一個單容水箱單閉環(huán)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對水箱液位的恒值控制。</p><p>　　2、PLC控制器采用PID算法，各項控制性能滿足要求：超調(diào)量20%，穩(wěn)態(tài)誤差≤±0.1；調(diào)節(jié)時間ts≤60s；</p><p>　　3、組態(tài)測

24、控界面上，實時設(shè)定并顯示液位給定值、測量值及控制器輸出值；實時顯示液位給定值實時曲線、液位測量值實時曲線和PID輸出值實時曲線；</p><p>　　4、選擇合適的整定方法確定PID參數(shù)，并能在組態(tài)測控界面上實時改變PID參數(shù)；</p><p>　　5、通過S7-200PLC編程軟件Step7實現(xiàn)PLC程序設(shè)計與調(diào)試；</p><p>　　6、分析系統(tǒng)基本控制特性，

25、并得出相應(yīng)的結(jié)論；</p><p>　　7、設(shè)計完成后，提交打印設(shè)計報告。</p><p><b>　　第二章 系統(tǒng)設(shè)計</b></p><p>　　2.1 系統(tǒng)組態(tài)的設(shè)計</p><p>　　2.1.1 MCGS組態(tài)軟件概述</p><p>　　MCGS(Monitor and Control

26、Generated System，監(jiān)視與控制通用系統(tǒng))是一套基于windows95/98/NT操作系統(tǒng)(或更高版本)，用來可快速構(gòu)造和生成上位機監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)，它為用戶提供了從設(shè)備驅(qū)動、數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)處理、報警處理、流程控制、動畫顯示、報表輸出等解決實際工程問題的完整方案和操作工具。MCGS組態(tài)軟件具有多任務(wù)、多線程功能，其系統(tǒng)框架采用VC++語言編程，通過OLE技術(shù)向用戶提供VB編程接口，提供豐富的設(shè)備驅(qū)動件、動畫構(gòu)件、策略構(gòu)

27、件，用戶可隨時方便地擴充系統(tǒng)的功能。</p><p>　　工程創(chuàng)建的一般過程為： </p><p>　　工程項目系統(tǒng)分析：分析工程項目的系統(tǒng)構(gòu)成、技術(shù)要求和工藝流程，弄清系統(tǒng)的控制流程和監(jiān)控對象的特征，明確監(jiān)控要求和動畫顯示方式，分析工程中的設(shè)備采集及輸出通道與軟件中實時數(shù)據(jù)庫變量的對應(yīng)關(guān)系，分清哪些變量是要求與設(shè)備連接的，哪些變量是軟件內(nèi)部用來傳遞數(shù)據(jù)及動畫顯示的。</p>

28、<p>　　工程各項搭建框架：MCGS稱為建立新工程。主要內(nèi)容包括：定義工程名稱、封面窗口名稱和啟動窗口（封面窗口退出后接著顯示的窗口）名稱，指定存盤數(shù)據(jù)庫文件的名稱以及存盤數(shù)據(jù)庫，設(shè)定動畫刷新的周期。經(jīng)過此步操作，即在MCGS組態(tài)環(huán)境中，建立了由五部分組成的工程結(jié)構(gòu)框架。封面窗口和啟動窗口也可等到建立了用戶窗口后，再行建立。</p><p>　　設(shè)計菜單基本體系：為了對系統(tǒng)運行的狀態(tài)及工作流程進行有

29、效地調(diào)度和控制，通常要在主控窗口內(nèi)編制菜單。編制菜單分兩步進行，第一步首先搭建菜單的框架，第二步再對各級菜單命令進行功能組態(tài)。在組態(tài)過程中，可根據(jù)實際需要，隨時對菜單的內(nèi)容進行增加或刪除，不斷完善工程的菜單。</p><p>　　制作動畫顯示畫面：動畫制作分為靜態(tài)圖形設(shè)計和動態(tài)屬性設(shè)置兩個過程。前一部分類似于“畫畫”，用戶通過MCGS組態(tài)軟件中提供的基本圖形元素及動畫構(gòu)件庫，在用戶窗口內(nèi)“組合”成各種復(fù)雜的畫面。

30、后一部分則設(shè)置圖形的動畫屬性，與實時數(shù)據(jù)庫中定義的變量建立相關(guān)性的連接關(guān)系，作為動畫圖形的驅(qū)動源。</p><p>　　編寫控制流程程序：在運行策略窗口內(nèi)，從策略構(gòu)件箱中，選擇所需功能策略構(gòu)件，構(gòu)成各種功能模塊（稱為策略塊），由這些模塊實現(xiàn)各種人機交互操作。MCGS還為用戶提供了編程用的功能構(gòu)件（稱之為“腳本程序”功能構(gòu)件），使用簡單的編程語言，編寫工程控制程序。</p><p>　　完善

31、菜單按鈕功能：包括對菜單命令、監(jiān)控器件、操作按鈕的功能組態(tài)；實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)、各種曲線、數(shù)據(jù)報表、報警信息輸出等功能；建立工程安全機制等。</p><p>　　編寫程序調(diào)試工程：利用調(diào)試程序產(chǎn)生的模擬數(shù)據(jù)，檢查動畫顯示和控制流程是否正確。</p><p>　　連接設(shè)備驅(qū)動程序：選定與設(shè)備相匹配的設(shè)備構(gòu)件，連接設(shè)備通道，確定數(shù)據(jù)變量的數(shù)據(jù)處理方式，完成設(shè)備屬性的設(shè)置。此項操作在設(shè)備窗口

32、內(nèi)進行。</p><p>　　在上位機工程的設(shè)計上，經(jīng)過對實際工程的分析，主要設(shè)計的窗口是：液位控制，報警曲線直接加在其中。</p><p>　　2.2 創(chuàng)建運行環(huán)境</p><p>　　在組態(tài)界面中選擇新建的工程，雙擊進入組態(tài)王工程瀏覽器；要想完成此次運行，我們需要完成設(shè)備窗口，用戶窗口，實時數(shù)據(jù)庫三個窗口的建立。</p><p>　　2.

33、2.1 用戶窗口的建立</p><p>　　我們在建立畫面之前先建立工程：</p><p>　　1．鼠標(biāo)單擊文件菜單中“新建工程”選項，由于MCGS安裝在D盤根目錄下，則會在D：\MCGS\WORK\下自動生成新建工程，默認(rèn)的工程名為：“新建工程X.MCG”，其中X表示工程的序號。 </p><p>　　2．選擇文件菜單中的“工程另存為”菜單項，彈出文件保存窗口。

34、</p><p>　　3．在文件名一欄內(nèi)輸入“過程控制單容水箱”，點擊保存按鈕，工程創(chuàng)建完畢。、</p><p><b>　　其實是新建畫面：</b></p><p>　　在MCGS組態(tài)平臺上，單擊“用戶窗口”，在“用戶窗口”中單擊“新建窗口”按鈕，則產(chǎn)生新“窗口0”，將其改名為“單容水箱”，同理，建立“窗口1” “窗口2”將其改名為“歷史曲線

35、” “退出”，見圖2-1選中“過程控制單容水箱”。</p><p>　　2-1過程控制單容水箱</p><p>　　單擊“窗口屬性”，進入“用戶窗口屬性設(shè)置”，將“窗口名稱”改為：液位控制；將“窗口標(biāo)題”改為：液位控制；在“窗口位置”中選中“最大化顯示”，其它不變，單擊“確認(rèn)”，見圖2-2。</p><p><b>　　圖2-2 窗口屬性</b>

36、;</p><p>　　選中剛創(chuàng)建的“液位控制”用戶窗口，單擊“動畫組態(tài)”，進入動畫制作窗口。 圖形對象放置在用戶窗口中，是構(gòu)成用戶應(yīng)用系統(tǒng)圖形界面的最小單元，MCGS中的圖形對象包括圖元對象、圖符對象和動畫構(gòu)件三種類型，不同類型的圖形對象有不同的屬性，所能完成的功能也各不相同。 為了快速構(gòu)圖和組態(tài)，MCGS系統(tǒng)內(nèi)部提供了常用的圖元、圖符、動畫構(gòu)件對象，稱為系統(tǒng)圖形對象。如圖2-3所示：</p>&

37、lt;p>　　圖2-3 MCGS工具箱</p><p>　　通過MCGS工具箱畫出如圖2-4的界面：</p><p>　　圖2-4 動畫組態(tài)過程控制</p><p>　　同樣“歷史曲線” “退出提示”中也是如上述繪畫，如圖2-5,2-6所示：</p><p><b>　　圖2-5 歷史曲線</b></p>

38、;<p><b>　　圖2-6 退出提示</b></p><p>　　其中以設(shè)定值為例，在MCGS工具箱中選中畫出相應(yīng)的長度，雙擊彈出“動態(tài)屬性設(shè)置”，在其中的“填充顏色”選紅色，“邊線顏色”選紅色，“字符顏色”選黃色，如圖2-7所示：</p><p>　　在下面的“大小變化”前打?qū)μ枺谄浔磉_(dá)式中填入“SP”，在“最大變化百分比”中填入100，“表達(dá)式

39、的值”中填入50，“變化方向”選擇向上，如圖2-8所示：</p><p>　　圖2-7 動態(tài)屬性設(shè)置</p><p>　　圖2-8 大小變化設(shè)置</p><p>　　2.2.2 實時數(shù)據(jù)庫</p><p>　　在“實時數(shù)據(jù)庫”中建立多個對象，如圖2-9所示：</p><p>　　圖2-9 實時數(shù)據(jù)庫</p>

40、<p>　　2.2.3 設(shè)備窗口及數(shù)據(jù)連接</p><p>　　雙擊“通用串口父設(shè)備”出現(xiàn)菜單，在“基本屬性”完成設(shè)置，如圖2-10所示： </p><p>　　圖2-10 基本屬性</p><p>　　再在“通用串口父設(shè)備”中雙擊s7200-[西門子S7-200PP]，點擊其中的“基本屬性”完成設(shè)置，如圖2-11所示：</p><

41、p>　　圖2-11 基本屬性</p><p>　　同理，在“通道連接” “設(shè)備調(diào)試”中完成設(shè)置，如圖2-12，2-13所示。</p><p>　　在設(shè)備調(diào)試過程中，當(dāng)通道1的值為0時，說明已連接，否則連接失敗，需要從調(diào)試設(shè)備，直至通道1的值為0為止。</p><p>　　圖2-12 通話連接</p><p>　　圖2-13 設(shè)備調(diào)試&l

42、t;/p><p>　　2.3 系統(tǒng)PLC的設(shè)計</p><p>　　2.3.1 PLC的概述</p><p>　　我們這次PLC采用的是西門子s7-200，西門子S7-200系列適用于各行各業(yè)，各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動化。S7-200系列的強大功能使其無論在獨立運行中，或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實現(xiàn)復(fù)雜控制功能。因此S7-200系列具有極高的性能/價格比。 </p

43、><p>　　S7-200系列出色表現(xiàn)在以下幾個方面： </p><p>　　（1）極高的可靠性 </p><p>　?。?）極豐富的指令集 </p><p><b>　?。?）易于掌握 </b></p><p>　　（4）豐富的內(nèi)置集成功能 </p><p><

44、;b>　?。?）實時特性 </b></p><p>　　（6）強勁的通訊能力 </p><p>　?。?）豐富的擴展模塊 </p><p>　　S7-200系列在集散自動化系統(tǒng)中充分發(fā)揮其強大功能。使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡單控制到更復(fù)雜的自動化控制。應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，覆蓋所有與自動檢測，自動化控制有關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域，包括各種機床、機械

45、、電力設(shè)施、民用設(shè)施、環(huán)境保護設(shè)備等等。如：沖壓機床，磨床，印刷機械，橡膠化工機械，中央空調(diào)，電梯控制，運動系統(tǒng)。 </p><p>　　S7-200系列PLC可提供4個不同的基本型號的8種CPU供您使用。 </p><p><b>　　CPU單元設(shè)計：</b></p><p>　　集成的24V負(fù)載電源：可直接連接到傳感器和變送器（執(zhí)行器）

46、，CPU 221，222具有180mA輸出， CPU 224，CPU 224XP，CPU 226分別輸出280，400mA。可用作負(fù)載電源。</p><p>　　本機數(shù)字量輸入/輸出點： </p><p>　　CPU 221具有6個輸入點和4個輸出點，CPU 222具有8個輸入點和6個輸出點，CPU 224具有14個輸入點和10個輸出點，CPU 224XP具有14個輸入點和10個輸出點，

47、CPU 226具有24個輸入點和16個輸出點。 </p><p>　　本機模擬最輸入/輸出點： </p><p>　　CPU 224XP具有2個輸入點，1個輸出點。 </p><p>　　中斷輸入允許以極快的速度對過程信號的上升沿作出響應(yīng)。 </p><p>　　CPU 221/222具有4個高速計數(shù)器（30KHz），可編程并具有復(fù)位

48、輸入，2個獨立的輸入端可同時作加、減計數(shù)，可連接兩個相位差為90°的A/B相增量編碼器。CPU224/224XP/226有6個高速計數(shù)器（30KHz），具有CPU221/222相同的功能。CPU 222/224/224XP/226 可方便地用數(shù)字量和模擬量擴展模塊進行擴展。可使用仿真器（選件）對本機輸入信號進行仿真，用于調(diào)試用戶程序。CPU221/222/224/224XP/226還具有脈沖輸出功能。2路高頻率脈沖輸出（最大2

49、0KHz），用于控制步進電機或伺服電機實現(xiàn)定位任務(wù)。 </p><p>　　電池模塊用于長時間數(shù)據(jù)后備。用戶數(shù)據(jù)（如標(biāo)志位狀態(tài)，數(shù)據(jù)塊，定時器，計數(shù)器）可通過內(nèi)部的超級電容存貯大約5天。選用電池模塊能延長存貯時間到200天（10年壽命）。電池模塊插在存儲器模塊的卡槽中。 </p><p>　　STEP 7-Micro/WIN32 V3.1編程軟件可以對所有的CPU 221/222

50、/224/224XP/226功能進行編程。同時也可以使用STEP 7-Micro/WIN16 V2.1軟件包，但是它只支持對S7-21x同樣具有的功能進行編程。 </p><p>　　2.3.2系統(tǒng)PLC設(shè)計</p><p>　　VD400:測量值顯示單元；VD404：設(shè)定值顯示單元；VD408：輸出值顯示單元取測量值并顯示和存放；設(shè)定給定值并存放；取輸出值并顯示；（PID指令回路表存

51、放設(shè)定值和測量值），如圖3-1所示：</p><p>　　清設(shè)定值，測量值，輸出值，比例系數(shù)，積分系數(shù)，微分系數(shù)單元。如圖3-2所示：</p><p>　　置PID回路表首地址，置第0號PID。</p><p>　　設(shè)置采樣時間，存放積分前向初值，如圖3-3所示：</p><p>　　數(shù)/模轉(zhuǎn)換輸出前的工程量化：將VD5（標(biāo)準(zhǔn)化實數(shù)0.0-1

52、.0）轉(zhuǎn)化為16位整數(shù)，并送模擬量輸出存儲區(qū)AQW0，實現(xiàn)數(shù)/模轉(zhuǎn)換。如圖3-4所示：</p><p><b>　　圖3-1</b></p><p><b>　　圖3-2</b></p><p><b>　　圖3-3</b></p><p><b>　　圖3-4<

53、;/b></p><p>　　模/數(shù)轉(zhuǎn)換輸入后的工程量化：將第0路模/數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果AIW0（16位整數(shù)）轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)實數(shù)（0.0-1.0），并存入測量值單元VD400.如圖3-5所示：</p><p><b>　　圖3-5</b></p><p>　　第三章 單容水箱液位恒值系統(tǒng)數(shù)據(jù)調(diào)試</p><p>　　3.1 P

54、ID的控制原理及參數(shù)整定</p><p>　　3.1.1比例（P）控制及調(diào)節(jié)過程</p><p>　　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(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-state error）。</p><p>　　在人工調(diào)節(jié)的實踐中，如果能使閥門的開度與被調(diào)參數(shù)偏差成比例的話，就有可能使輸出量等于輸入量，從

55、而使被調(diào)參數(shù)趨于穩(wěn)定，達(dá)到平衡狀態(tài)。這種閥門開度與被調(diào)參數(shù)的偏差成比例的調(diào)節(jié)規(guī)律，稱為比例調(diào)節(jié)。</p><p>　　比例調(diào)節(jié)作用雖然及時、作用強，但是有余差存在，被調(diào)參數(shù)不能完全回復(fù)到給定值，調(diào)節(jié)精度不高，所以有時稱比例調(diào)節(jié)為“粗調(diào)”。純比例調(diào)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。</p><p>　　3.1.2積分（I）控制及調(diào)節(jié)過程</p><p

56、>　　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(guān)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)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

57、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。</p><p>　　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(diào)節(jié)器不能滿足要求了，克服余差的辦法是引入積分調(diào)節(jié)。</p><p>　　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(diào)節(jié)很少單獨使用，一般都和比例作用組合在一起，構(gòu)成比例積分調(diào)節(jié)器，簡稱PI調(diào)節(jié)器，其作用特性可用下式表示：<

58、;/p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　這里，表示PI調(diào)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部分，也影響積分部分，使總的輸出既具有調(diào)節(jié)及時、克服偏差有力的特點，又具有克服余差的性能。</p><p>　　由于它是在比例調(diào)節(jié)（粗調(diào)）的基礎(chǔ)上，有加上一個積分調(diào)節(jié)（細(xì)調(diào)），所以又稱再調(diào)調(diào)節(jié)或重定調(diào)節(jié)。

59、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(diào)節(jié)器就喪失了積分作用，成了一個純比例調(diào)節(jié)器。</p><p>　　3.1.3微分（D）控制及調(diào)節(jié)過程</p><p>　　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(guān)系。 </p><p>　　微分調(diào)節(jié)

60、的作用主要是用來克服被調(diào)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?。ū壤饔茫?，同時又根據(jù)偏差變化速度的大小進行調(diào)節(jié)。比如當(dāng)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打開（關(guān)閉）調(diào)節(jié)閥，以克服這個預(yù)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，因而能比較有效地改善容量滯后比較大的調(diào)節(jié)對象的調(diào)節(jié)質(zhì)量。</p><p><b>　　什

61、么是微分調(diào)節(jié)？</b></p><p>　　微分調(diào)節(jié)是指調(diào)節(jié)器的輸出變化與偏差變化速度成正比，可用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示為： </p><p><b>　　（1-3）</b></p><p>　　式中： ——調(diào)節(jié)器的輸出變化值；</p><p><b>　　——微分時間；</b></p&

62、gt;<p>　　——偏差信號變化的速度。</p><p>　　從上式可知，偏差變化的速度越大，微分時間越長，則調(diào)節(jié)器</p><p>　　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。</p><p>　　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

63、也不能單獨使用。一般都是和其它調(diào)節(jié)作用相配合，構(gòu)成比例微分或比例積分微分調(diào)節(jié)器。</p><p>　　比例積分微分調(diào)節(jié)又稱PID調(diào)節(jié)，它可由下式表示：</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　PID調(diào)節(jié)中，有三個調(diào)節(jié)參數(shù)，就是比例度P、積分時間、微分時間。適當(dāng)選取這三個參數(shù)值，就可以獲得良好的調(diào)節(jié)質(zhì)量。</p&

64、gt;<p>　　由分析可知，PID三作用調(diào)節(jié)質(zhì)量最好，PI調(diào)節(jié)第二，PD調(diào)節(jié)有余差。純比例調(diào)節(jié)雖然動偏差比PI調(diào)節(jié)小，但余差大，而純積分調(diào)節(jié)質(zhì)量最差，所以一般不單獨使用。</p><p>　　3.1.4 參數(shù)整定</p><p>　　經(jīng)多次調(diào)試后，設(shè)Kc=550，SP=15時，產(chǎn)生臨界震蕩，如圖4-1，4—2所示： </p><p>　　圖4-1

65、實時監(jiān)控圖</p><p>　　圖4-2 歷史曲線圖</p><p>　　當(dāng)出現(xiàn)等幅震蕩時：δk=1/KC, 根據(jù)等幅震蕩所獲得的歷史曲線圖如圖4-2所示，記錄波峰時所在的時間，然后計算得出=26s。表4—1為臨界振蕩整定計算公式。</p><p>　　表4-1 臨界振蕩整定計算公式</p><p>　　3.2比例(P)的調(diào)節(jié)過程</

66、p><p>　　由圖4-1可知，=26s，Kc=550，則δk=1/Kc=1/550, 由表1-1可得到，δ=2δk=2*(1/550)=1/275，則Kc=1/δ=275，如圖4-3所示：</p><p>　　3.3 PI的調(diào)節(jié)過程</p><p>　　由表1-1可知，δ=2.2δk=2.2*(1/550)=2.2/275，則Kc=1/δ=275/2.2=250，&

67、lt;/p><p>　　Ti=Tk/1.2=26/1.2=21.7s，則Ki=Kc/Ti=250/21.7=11.52，如圖4-4所示：</p><p>　　圖4-3 P調(diào)時的監(jiān)視狀態(tài)</p><p>　　圖4-4 PI調(diào)節(jié)時的監(jiān)視狀態(tài)</p><p>　　3.4 PID調(diào)節(jié)器</p><p>　　由表1-1可知，δ=1

68、.6δk=1.6*(1/550)，則Kc=1/δ=550/1.6=343.75。</p><p>　　Ti=0.5Tk=0.5*26=13s，則，Ki=Kc/Ti=343.75/13=26.45，</p><p>　　Td=0.25Ti=0.25*13=3.25s，則Kd=Kc*Td=343.75*3.25=1117.2，如圖4-5所示：</p><p>　　圖4-

69、5 PID調(diào)節(jié)時的監(jiān)視狀態(tài)</p><p>　　3.5 P 、PI、PID比較與結(jié)論</p><p>　　圖 4-6為P、PI、PID調(diào)的整定歷史曲線，通過觀察與比較這三種調(diào)節(jié)器的歷史曲線，得到如下結(jié)論：</p><p>　　P調(diào)時，控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。</p><p>　　PI 調(diào)節(jié)時

70、，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系，積分控制可以是系統(tǒng)實現(xiàn)無靜差的情況下保持恒速運行，實現(xiàn)無差調(diào)速，消除穩(wěn)態(tài)誤差。</p><p>　　PID調(diào)節(jié)時，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(guān)系。具有抑制誤差的作用，還有明顯減小了超調(diào)量。但是由于實際操作與理論計算存在誤差，所以PID調(diào)節(jié)時應(yīng)與手動調(diào)節(jié)相配合才能消除誤差</p><p>　　由（1）（2）（3）比較

71、可知，PID作用調(diào)節(jié)質(zhì)量最好，PI調(diào)節(jié)第二。純比例調(diào)節(jié)雖然動偏差比PI調(diào)節(jié)小，但余差大。</p><p>　　圖4—6 P、PI、PID調(diào)節(jié)的歷史曲線</p><p><b>　　課程設(shè)計總結(jié)</b></p><p>　　通過這次課設(shè)我學(xué)到了很多在課堂上沒有學(xué)到的知識。一個組我們有七個人，但是我們每一個人都很努力的去完成這次課設(shè)。我們在每每遇到

72、困難的時候我們組的每一個成員都是在絞盡腦汁的想辦法解決困難，也很感謝老師對我的引導(dǎo)和幫助，在我們著急想不出辦法的時候給我的一個很好的引導(dǎo)和告訴我們一些技巧，讓我們?nèi)绾谝估镎业揭唤z光明一樣，如重釋放的解決了一些難題。</p><p>　　我們這次課設(shè)做的是單容水箱液位恒值系統(tǒng)，因為是以前都是在課堂上聽著老師理論知識，所以我們還是第一次實踐加理論的來自己操作課設(shè)的數(shù)據(jù)。因為畢竟是實際操作，所以在第一個建立新工程時候就

73、出現(xiàn)了一些問題，組建的分配和控制系統(tǒng)的運行，在這些方面我們有了一些爭議，但是還好我們組員及時發(fā)現(xiàn)了毛病，讓我們的課設(shè)時間減少了不少，沒有白用功。而在后面的分析數(shù)據(jù)和檢測數(shù)據(jù)的時候也發(fā)生一些問題，系統(tǒng)數(shù)據(jù)，實驗的數(shù)據(jù)線突然震蕩特別明顯，表示體統(tǒng)不穩(wěn)定，而且再改動數(shù)據(jù)的時候輸出值和算出的數(shù)值不符。所以從新監(jiān)測了三四次才讓輸出值達(dá)到了穩(wěn)定的效果。</p><p>　　課程設(shè)計，培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)知識﹑發(fā)現(xiàn)﹑提出﹑分析

74、和解決實際問題,鍛煉實踐能力的重要環(huán)節(jié),是對學(xué)生實際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過程。 在大學(xué)三年半期間我們做過無數(shù)次的課設(shè)設(shè)計，其實每一次都是收獲每一次都是歷練，我們就在這些實踐中努力的成長收獲，與團隊的合作這些我們都是要珍惜的。這些都是我在課設(shè)中所受益的。</p><p><b>　　報告人： </b></p><p>　　撰寫時間：2012/12/5</p&

75、gt;<p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]邵裕森,戴先中.過程控制工程(第2版).北京:機械工業(yè)出版社.2003</p><p>　　[2]崔亞嵩.過程控制實驗指導(dǎo)書（校內(nèi)）</p><p>　　[3]廖常初.PLC編程及應(yīng)用(第2版).北京:機械工業(yè)出版社.2007</p><p&