1、摘 要在人們生活以及工業生產等諸多領域經常涉及到液位和流量的控制問題, 例如居民生活用水的供應, 飲料、食品加工等多種行業的生產加工過程, 通常需要使用蓄液池, 蓄液池中的液位需要維持合適的高度, 既不能太滿 溢出造成浪費, 也不能過少而無法滿足需求。因此液面高度是工業過程控制過程中一個重要的參數，特別是在動態的狀態下，采用適合的方法對液位進行檢測、控制，能收到很好的效果就更為重要了。 在這次課程設計中，我們主要是設計一個下水箱液位控制系統，涉及到液位的動態控制、控制系統的建模、PID 參數整定、傳感器和調節閥等一系列的知識。通過將電磁流量計和渦輪流量計分別作為主管道和副管道控制系統的調節閥控

2、制水箱液位高度。然后，通過參數試湊法對PID參數的調試，使上述的模型能快速的達到穩定并且超調量和余差等滿足設計要求。這次課設加深了對工業控制工程中對控制系統設計過程的認識。在PID參數整定過程中，我對比例控制，積分控制，微分控制的作用、效果以及調試方法有了一定了解。關鍵詞：過程控制 下水箱液位控制 PID參數整定 1 緒論自本世紀30年代以來，伴隨著自動控制理論的日趨成熟，自動化技術不斷地發展并獲得了驚人的成就，在工業生產和科學發展中起著關鍵性的作用。過程控制技術是自動化技術的重要組成部分，普遍運用于石油，化工，電力，冶金，輕工，紡織，建材等工業部門。 初期的過程控制系統采用基地式儀表和部分單

3、元組合儀表，過程控制系統結構大多是單輸入，單輸出系統，過程控制理論是以頻率法和根軌跡法為主體的經典控制理論，以保持被控參數溫度，液位，壓力，流量的穩定和消除主要擾動為控制目的過程。現今的過程控制己進入計算機集成過程系統（CIPS）時代，并依托人工智能，控制理論和運籌學相結合的智能控制技術向工廠綜合自動化的方向發展。現代化過程工業向著大型化和連續化的方向發展，生產過程也隨之日趨復雜，而對生產質量經濟效益的要求，對生產的安全、可靠性要求以及對生態環境保護的要求卻越來越高。不僅如此，生產的安全性和可靠性，生產企業的經濟效益都成為衡量當今自動控制水平的重要指標。因此繼續采用常規的調節儀表（模擬式與數字

4、式）已經不能滿足對現代化過程工業的控制要求。2 下水箱液位控制系統設計簡述2.1 設計目的通過某種組態軟件，結合實驗已有設備，按照定值系統的控制要求，根據較快較穩的性能要求，采用但閉環控制結構和PID控制規律，設計一個具有美觀組態畫面和較完善組態控制程序的流量單回路過程控制系統。2.2 設計要求1 進行單容液位控制系統設計，畫出系統的結構圖。2 進行單容液位定值控制系統調節器參數的整定。3 基于WinCC的監控界面設計.4 系統投運，進行P、PI和PID三種調節器參數整定。5 比較三種調節器的控制效果。2.3 設計方案 整個過程控制系統由控制器、調節器、測量變送、被控對象組成。在本次控制系統中

5、控制器為計算機，采用算法為PID控制規律，調節器為電磁閥，測量變送為HB、FT兩個組成，被控對象為流量PV。結構組成見下圖2-1所示。圖2-1流量單回路控制系統框圖 當系統啟動后，水泵開始抽水，通過管道分別將水送到上水箱和下水箱，由HB返回信號，是否還需要放水到下水箱。若還需要（即水位過低），則通過電磁閥控制流量的大小，加大流量，從而使下水箱水位達到合適位置；若不需要（即水位過高或剛好合適），則通過電磁閥使流量保持或減小。其整個流程圖如圖2-2所示。圖2-2流量單回路控制系統流程圖被控量為下水箱的液位高度，實驗要求它的液位穩定在給定值。將壓力傳感器LT1檢測到的下水箱液位信號作為反饋信號，在與

6、給定量比較后的差值通過調節器控制氣動調節閥的開度，以達到控水箱液位的目的。為了實現系統在階躍給定和階躍擾動作用下的無靜差控制，系統的調節器應為PI或PID控制。本控制系統的流程圖如圖2-3所示。圖2-3 控制系統的流程圖 下水箱液位檢測信號LT1為標準的模擬信號，直接傳送到SIEMENS的模擬量輸入模塊SM331，SM331和分布式I/O模塊ET200M直接相連，ET200M掛接PROFIBUS-DP總線上，PROFIBUS-DP總線上掛接有控制器CPU315-2 DP（CPU315-2 DP為PROFIBUS-DP總線上的DP主站），這樣就完成了現場測量信號到CPU的傳送。 本實驗的執行機構

7、為帶PROFIBUS-PA通訊接口的閥門定位器PROFIBUS-PA總線上，PROFIBUS-PA總線通過LINK和COUPLER組成的DP鏈路與PROFIBUS-DP總線交換數據，PROFIBUS-DP總線上掛接有控制器CPU315-2 DP，這樣控制器CPU315-2 DP發出的控制信號就經由PROFIBUS-DP總線到達PROFIBUS-PA總線來控制執行機構閥門定位器。3 下水箱液位系統的組成3.1 單回路控制系統 單回路過程控制系統亦稱單回路調節系統簡稱單回路系統，一般指針對一個被控過程,采用一個測量變送器監測被控過程，采用一個控制器來保持一個被控參數恒定，其輸出也只控制一個執行機構

8、。從系統的框圖3-1看，只是一個閉環回路。 圖3-1 單回路控制系統方框圖 圖中，、和分別表示被控對象、檢測變送儀表、執行器和控制器的傳遞函數。系統工作時，被控過程的輸出信號（被控變量）通過檢測變送儀表后將其變換為測量值，并將測量值反饋到控制器的輸入端；控制器根據系統被控變量的設定值與測量值的偏差，按照一定的控制算法輸出控制量；執行器根據控制器送來的控制信號，通過改變操作變量的大小，對被控對象進行調節，克服擾動對系統的影響，從而使被控變量趨于設定值，達到預期的控制目標。單回路系統結構簡單，投資少，易于調整和投運，又能滿足不少工業生產過程的控制要求，因此應用十分廣泛，尤其適用于被控過程的純滯后和

9、小慣性、負荷和擾動變化比較平緩，或者對被控制量要求不高的場合，約占目前工業控制系統80%以上。單回路過程控制系統雖然簡單，但它的分析、設計方法是其它各種復雜過程控制系統分析、設計的基礎。3.1.1 控制器 控制器只接受一個測量信號，其輸出也只控制一個執行機構。本系統所要保持的恒定參數是液位的給定高度，即控制的任務是控制水箱液位等于給定值所要求的高度。所以本設計控制器采用SIEMENS公司的S7300 CPU，本CPU既具有能進行多點通訊功能的MPI接口，又具有PROFIBUS-DP通訊功能的DP通訊接口，并通過WINCC組態軟件完成對下水箱液位的控制。3.1.2執行器本設計采用智能直

10、行程電動調節閥，對控制回路的流量進行調節。電動調節閥型號為：QSTP-16K。具有精度高、技術先進、體積小、重量輕、推動力大、功能強、控制單元與電動執行機構一體化、可靠性高、操作方便等優點，電源為單相220V，控制信號為420mADC或15VDC，輸出為420mADC的閥位信號，使用和校正非常方便。采用磁力驅動泵，型號為16CQ-8P，流量為30升/分，揚程為8米，功率為180W。泵體完全采用不銹鋼材料，以防止生銹，使用壽命長。 在本設計中還選用電磁閥作為電動調節閥的旁路，起到階躍干擾的作用。電磁閥工作壓力：最小壓力為0Kg/，最大壓力為1Mp/ ；工作溫度：580；工作電壓：220VAC。3

11、.1.3被控對象本設計被控對象選擇下水箱，下水箱尺寸為：D=35cm，H=20cm。水箱結構獨特，由三個槽組成，分別為緩沖槽、工作槽和出水槽，進水時水管的水先流入緩沖槽，出水時工作槽的水經過帶燕尾槽的隔板流入出水槽，這樣經過緩沖和線性化的處理，工作槽的液位較為穩定，便于觀察。水箱底部均接有擴散硅壓力傳感器與變送器，可對水箱的壓力和液位進行檢測和變送。3.1.4 檢測裝置本設計采用壓力傳感器對下水箱的液位進行檢測，其量程為05KP，精度為0.5級。采用工業用的擴散硅壓力變送器，帶不銹鋼隔離膜片，同時采用信號隔離技術，對傳感器溫度漂移跟隨補償。采用渦輪流量計對由電動調節閥控制的動力支路、由變頻器控

12、制的動力支路及盤管出口處的流量進行檢測。其優點是測量精度高，反應快。流量范圍：01.2m3/h；精度：1.0%；輸出：420mADC。3.2 下位機部分1 、PLC的簡介可編程控制器（簡稱PLC）是專為在工業環境下應用的一種數字運算操作的電子系統。目前國內外PLC品種繁多，生產PLC的廠商也很多，其中德國西門子公司在S5系列PLC的基礎上推出了S7系列PLC，性能價格比越來越高。S7系列PLC有很強的模擬量處理能力和數字運算功能，具有許多過去大型PLC才有的功能，其掃描速度甚至超過了許多大型的PLC，S7系列 PLC功能強、速度快、擴展靈活，并具有緊湊的、無槽位限制的模塊化結構，因而在國內工控

13、現場得到了廣泛的應用。根據學校要求，在本裝置中采用了S7-300PLC控制系統。2 、Step 7編程軟件的簡介本裝置中S7-300PLC，采用的是Step 7編程軟件，利用這個軟件可以對PLC進行編程、調試、下裝、診斷。STEP 7是用于SIMATIC S7-300/400站創建可編程邏輯控制程序的標準軟件，可使用梯形邏輯圖、功能塊圖和語句表。它是SIEMENS SIMATIC工業軟件的組成部分。STEP 7以其強大的功能和靈活的編程方式廣泛應用于工業控制系統，總體說來，它有如下功能特性： 1、可通過選擇SIMATIC工業軟件中的軟件產品進行擴展 2 、為功能摸板和通訊處理器賦參數值 3 、

14、強制和多處理器模式 4 、全局數據通訊 5 、使用通訊功能塊的事件驅動數據傳送 6 、組態連接3.3 上位機部分1、WINCC 概述WINCC指的是Windows Control Center，它是在生產和過程自動化中解決可視化和控制任務的監控系統，它提供了適用于工業的圖形顯示、消息、歸檔以及報表的功能模板。高性能的功能耦合、快速的畫面更新以及可靠的數據交換使其具有高度的實用性。WINCC 是基于Windows NT 32位操作系統的，在Windows NT或Windows 2000標準環境中，WINCC具有控制自動化過程的強大功能 ，它是基于個人計算機，同時具有極高性價比的操作監視系統。WI

15、NCC的顯著特性就是全面開放，它很容易結合用戶的下位機程序建立人機界面，精確的滿足控制系統的要求。不僅如此，WINCC還建立了像DDE、OLE等在Windonws程序間交換數據的標準接口，因此能毫無困難的集成ActiveX控制和OPC服務器、客戶端功能。WINCC軟件是基于多語言設計的，這意味著可以在中文、德語、英語等眾多語言之間進行選擇。2 、WINCC組態界面2-4-1wincc組態好的界面4 系統調試部分4.1 系統建模本實驗研究的被控對象只有一個，那就是下水箱如圖4-1。要對該對象進行較好的計算機控制，有必要建立被控對象的數學模型。單容水箱是一個自衡系統。根據它的這一特性，我們可以用階

16、躍響應測試法進行建模。如圖4-1，設水箱的進水量為Q1，出水量為Q2，水箱的液面高度為h，出水閥V2固定于某一開度值。若Q1作為被控對象的輸入變量，h為其輸出變量，則該被控對象的數學模型就是h與Q1 之間的數學表達式。根據動態物料平衡關系有 （4-1）將式（4-1）表示為增量形式 （4-2）式中，、分別為偏離某一平衡狀態、的增量； C水箱底面積。 在靜態時，=；=0；當發生變化時，液位h隨之變化，閥處的靜壓也隨之變化，也必然發生變化。由流體力學可知，流體在紊流情況下，液位h與流量之間為非線性關系。但為簡化起見，經線性化處理，則可近似認為與成正比，而與閥的阻力成反比，即 或 （4-3）式中，為閥

17、的阻力，稱為液阻。將式（4-3）代入式（4-2）可得 （4-4）在零初始條件下，對上式求拉氏變換，得： （4-5）式中，T=R2C為水箱的時間常數（注意：閥V2的開度大小會影響到水箱的時間常數），K=R2為過程的放大倍數。令輸入流量=，為常量，則輸出液位的高度為： （4-6）即 （4-7） 當t時， 因而有 （4-8） 當t=T時，則有 （4-9）式（4-7）表示一階慣性環節的響應曲線是一單調上升的指數函數，如圖4-2所示。由式（4-9）可知該曲線上升到穩態值的63.2%所對應的時間，就是水箱的時間常數T。該時間常數T也可以通過坐標原點對響應曲線作切線，此切線與穩態值的交點所對應的時間就是時間

18、常數T。 圖4-1單溶水箱 圖4-2階躍響應曲線4.2 PID算法數字PID控制是在實驗研究和生產過程中采用最普遍的一種控制方法，在液位控制系統中也有著極其重要的控制作用。本章主要介紹PID控制的基本原理，液位控制系統中用到的數字PID控制算法。一般，在控制系統中，控制器最常用的控制規律是PID控制。常規PID控制系統原理框圖如圖4-3所示。系統由模擬PID控制器和被控對象組成。積分比例微分被控對象u(t)e(t)r(t) -c(t)圖4-3 PID控制系統原理框圖PID控制器是一種線性控制器，它是根據給定值r(t)與實際輸出值c(t)構成控制偏差： e(t)=r(t)-c(t) （4-10）

19、將偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過線性組合可以構成控制量，對被控對象進行控制，故稱PID控制器。它的控制規律為 （4-11）寫成傳遞函數形式為 （4-12） 式中比例系數；積分時間常數； 微分時間常數；4.3 調試過程當系統選用P調節時，如圖4-4與圖4-5是不同比例度的比較。可以發現當比例度為0.5時，系統的穩態偏差為32mm；當比例度為5時，系統的穩態偏差為6mm。比例度越大，系統的穩態偏差越小。圖4-4 比例度為0.5的比例調節圖4-5 比例度為5的比例調節 當系統選用PI調節時，如圖4-6與圖4-7是在相同比例度下，積分時間不同的比較，可以發現相同比例度下，積分時間越長，振

20、蕩頻率越低；如圖4-與圖4-8是在相同積分時間下，不同比例度的比較，可以發現相同積分時下，比例度越大，最大動態偏差越小，調節時間越短。圖4-6 比例度為1，積分時間為100000的PI調節圖4-7 比例度為1，積分時間為200000的PI調節圖4-8 比例度為5，積分時間為200000的PI調節 當系統選用PID調節時，如圖4-9與圖4-10是在相同比例度，積分時間下，不同微分時間的比較，可以發現微分時間增大，最大動態偏差增大；如圖4-11與圖4-12是在相同比例度，微分時間下，不同積分時間的比較，可以發現積分時間增大，振蕩頻率減小，動態偏差增大；如圖4-12與圖4-13是在相同積分時間，微分

21、時間下，不同比例度的比較，可以發現比例度增大，動態偏差小，振蕩頻率減小。圖4-9 微分時間為10000的PID調節圖4-10 微分時間為20000的PID調節圖4-11 比例度為1 積分時間為200000的PID調節圖4-12 比例度為1 積分時間為100000的PID調節圖4-13 比例度為5 積分時間為100000的PID調節5 結論分析當一個單回路系統設計安裝就緒之后，控制質量的好壞與控制器參數的選擇有著很大的關系。合適的控制參數，可以帶來滿意的控制效果。反之，控制器參數選擇得不合適，則會導致控制質量變壞，甚至會使系統不能正常工作。因此，當一個單回路系統組成以后，如何整定好控制器的參數是

22、一個很重要的實際問題。一個控制系統設計好以后，系統的投運和參數整定是十分重要的工作。系統由原來的手動操作切換到自動操作時，必須為無擾動，這就要求調節器的輸出量能及時地跟蹤手動的輸出值，并且在切換時應使測量值與給定 值無偏差存在。 一般言之，具有比例（P）調節器的系統是一個有差系統，比例度的大小不僅會影響到余差的大小，而且也與系統的動態性能密切相關。比例積分（PI）調節器，由于積分的作用，不僅能實現系統無余差，而且只要參數，Ti選擇合理，也能使系統具有良好的動態性能。 比例積分微分（PID）調節器是在PI調節器的基礎上再引入微分D的作用，從而使系統既無余差存在，又能改善系統的動態性能（

23、快速性、穩定性等）。在單位階躍作用下，P、PI、PID調節系統的階躍響應分別如圖5-1中的曲線、所示。              圖5-1 P、PI和PID調節的階躍響應曲線從系統的穩定性、響應速度、超調量和穩態精度等各方面來考慮，進一步得出PID控制器各校正環節的作用。如下： 1、比例環節    用于加快系統的響應速度，提高系統的調節精度。比例度越大，系統的響應速度越快，系統的調節精度越高，但易產生超調，甚至會導致系統不穩定。比例度取值過小，則會降低調節精度，使響應速度緩慢，從而延長調節時間，使系統靜態、動態特性變壞。2、積分環節   主要用來消除系統的穩態誤差。積分時間越小，系統的靜態誤