哈尔滨工业大学成人高等教育本科毕业设计（论文）
2) 将更多的扰动包括在副回路中。
3) 副被控过程的滞后不能太大，以保持副回路的快速相应特性。 4) 要将被控对象具有明显非线性或时变特性的一部分归于副对象中。 5) 在需要以流量实现精确跟踪时，可选流量为副被控量。
在这里要注意2)和3)存在明显的矛盾，将更多的扰动包括在副回路中有可 能导致副回路的滞后过大，这就会影响到副回路的快速控制作用的发挥，因此， 在实际系统的设计中要兼顾2)和3)的综合。
例如，图1所示的以物料出口温度为主被控参数、炉膛温度为副被控参数，燃料流量为控制参数的串级控制系统，假定燃料流量和气热值变化是主要扰动，系统把该扰动设计在副回路内是合理的。
（3） 主、副回路的匹配
1) 主、副回路中包含的扰动数量、时间常数的匹配
设计中考虑使二次回路中应尽可能包含较多的扰动，同时也要注意主、副回路扰动数量的匹配问题。副回路中如果包括的扰动越多，其通道就越长，时间常数就越大，副回路控制作用就不明显了，其快速控制的效果就会降低。如果所有的扰动都包括在副回路中，主调节器也就失去了控制作用。原则上，在设计中要保证主、副回路扰动数量、时间常数之比值在3～10之间。比值过高，即副回路的时间常数较主回路的时间常数小得太多，副回路反应灵敏，控制作用快，但副回路中包含的扰动数量过少，对于改善系统的控制性能不利；比值过低，副回路的时间常数接近主回路的时间常数，甚至大于主回路的时间常数，副回路虽然对改善被控过程的动态特性有益，但是副回路的控制作用缺乏快速性，不能及时有效地克服扰动对被控量的影响。严重时会出现主、副回路“共振”现象，系统不能正常工作。
2) 主、副调节器的控制规律的匹配、选择
在串级控制系统中，主、副调节器的作用是不同的。主调节器是定值控制，
22
哈尔滨工业大学成人高等教育本科毕业设计（论文）
副调节器是随动控制。系统对二个回路的要求有所不同。主回路一般要求无差，主调节器的控制规律应选取PI或PID控制规律；副回路要求起控制的快速性，可以有余差，一般情况选取P控制规律而不引入 I 或 D 控制。如果引入 I 控制，会延长控制过程，减弱副回路的快速控制作用；也没有必要引入 D控制，因为副回路采用 P控制已经起到了快速控制作用，引入D控制会使调节阀的动作过大，不利于整个系统的控制。
3) 主、副调节器正反作用方式的确定
一个过程控制系统正常工作必须保证采用的反馈是负反馈，及其主通道各环节放大系数极性乘积必须为正值。串级控制系统有两个回路，主、副调节器作用方式的确定原则是要保证两个回路均为负反馈。确定过程是首先判定为保证内环是负反馈副调节器应选用那种作用方式，然后再确定主调节器的作用方式。各环节放大系数极性的正负是这样规定的：对于调节器KC ，当测量值增加，调节器的输出也增加，则KC为负值（即正作用调节器）；反之，KC为正（即反作用调节器）。调节阀为气开。则KV为正，气关KV为负。过程放大系数极性是：当过程的输入增大时，即调节阀开大，其输出也增大，则K0为正，反之，
K0为负。
在图3-1的串级控制系统框图中可以看到，由于副回路可以简化成一个正作用方式环节，主对象作用方式为正，主测量变送环节为正。根据单回路控制系统设计中介绍的闭合系统必须为负反馈控制系统设计原则，即闭环各环节比例度乘积必须为正，故主调节器均选用反作用调节器，副调节器均选用反作用调节器。
3.3 扩充临界比例度法
实验经验法调整PID参数的方法中较常用的是扩充临界比例度法,其最大的优点是，参数的整定不依赖受控对象的数学模型，直接在现场整定、简单易行。
23
哈尔滨工业大学成人高等教育本科毕业设计（论文）
扩充比例度法适用于有自平衡特性的受控对象，是对连续-时间PID控制器参数整定的临界比例度法的扩充。
扩充比例度法整定数字PID控制器参数的步骤：
（1）预选择一个足够短的采样周期TS。一般说TS应小于受控对象纯延迟时间的十分之一。
表3-1临界振荡整定计算公式
控制规律 调节参数 ? TI TD P PI PID 2?r 2.2?r 1.6?r 0.25TI Tr/1.2 0.5Tr （2）用选定的TS使系统工作。这时去掉积分作用和微分作用，将控制选择为纯比例控制器，构成闭环运行。逐渐减小比例度，即
?减小，直至系统对输
入的阶跃信号的响应出现临界振荡（稳定边缘），将这时的比例放大系数记为?r,临界振荡周期记为Tr。
（3） 根据表3-1 临界振荡整定计算公式代入 ?r、Tr的值，计算出调节器各个参数
?、TI、TD的值。
（4）根据上述计算结果设置调节器的参数值。观察系统的响应过程，若记录曲线不符合要求时，再适当调整整定参数值。
24
哈尔滨工业大学成人高等教育本科毕业设计（论文）
3.4 三菱FX2系列PLC中PID指令的使用
比例积分微分指令即PID指令其指令格式如下：
FNC88 PID 操作数：[S1]、[S2]、[S3][D]：全部用数据寄存器D。 [S1]：存放设定值（SV）的地址。
[S2]：存放当前值（PV）的地址。
[D]：存放控制回路调节值（MV）即输出值的地址。
[S3]：指定存放控制回路参数值的首地址，共占用25个数据寄存器，其选用范围为D0-D75，各元件存放的参数如下：
[S3]：采样时间（TS），取值范围为1-32767（ms）。
[S3]+1：动作方向（ACT），BIT0：0为正动作，1为反动作。 BIT1：0为无输入变化量报警，1为输入变化量报警有效。 BIT2：0为无输入变化量报警，1为输出变化量报警有效。 [S3]+2：输入滤波常数，0-99%。 [S3]+3：比例增益（KP），1%-32767%。
[S3]+4：积分时间常数（TI），0-32767（*100ms），为0和?时无积分。 [S3]+5：微分增益（KD），0-100%。
[S3]+6：微分时间常数（TD），0-32767（*100ms），为0时无微分。 [S3]+7至[S3]+19 PID运算占用。
[S3]+20：输入变化量（增方）报警设定值，0-32767。 [S3]+21：输入变化量（减方）报警设定值，0-32767。 [S3]+22：输出变化量（增方）报警设定值，0-32767。
25
哈尔滨工业大学成人高等教育本科毕业设计（论文）
[S3]+23：输出变化量（减方）报警设定值，0-32767。 [S3]+24：报警输出 BIT0输入变化量（增方）超出。 BIT1输入变化量（减方）超出。 BIT2输出变化量（增方）超出。 BIT3输出变化量（减方）超出。 PID指令用的算术表达式为：输出值?KP(??KDTDd?dt?TI?1??dt)
上式中?表示误差。该指令可以用中断、子程序、步进梯形指令和条件跳步指令，指令的应用如图3-2所示。
当X0=ON时执行PID指令，把PID控制回路的设定值存放在D100-D124这25个数据寄存器中，对[S2]的当前值（D1）和（S1）的设定值（D0）进行比较，通过PID回路处理数值之间的偏差后计算出一个调节值，此调节值存入目标操作数D150中。
X0
PID [S1] D0 S2 D1 S3
D
D100 D150 图3-2 PID指令的应用
3.5在PLC中的PID控制的编程
3.5.1回路的输入输出变量的转换和标准化
PID控制器调节输出，保证偏差(e)为零，使系统达到稳定状态。偏差(e)是设定值(SP)和过程变量(PV)的差。PID控制的原理基于下面的算式；输出M(t)是比例项、积分项和微分项的函数。
输出=比例项+积分项+微分项
M(t)?KP?e?KI?edt?Minital?KD?26
de dt
哈尔滨工业大学成人高等教育本科毕业设计（论文）
摘 要
在众多生产领域中，经常需要对贮槽、贮罐、水池等容器中的液位进行监控，以往常采用传统的继电器接触控制，使用硬连接电器多，可靠性差，自动化程度不高，目前已有许多企业采用先进控制器对传统接触控制进行改造，大大提高了控制系统的可靠性和自控程度，为企业提供了更可靠的生产保障。本文在此介绍一种采用可编程控制器（PLC）对液位进行监控的一种方法，其电路结构简单，投资少（可利用原有设施改造），监控系统不仅自动化程度高，还具有在线修改功能，灵活性强，适用于多段液位监控场合。
本次毕业设计的课题是基于PLC的液位控制系统的设计。在设计中，笔者主要负责的是数学模型的建立和控制算法的设计，因此在论文中设计用到的PID算法提到得较多，PLC方面的知识较少。
本文主要内容包括：PLC的产生和定义、过程控制的发展、水箱的特性确定与实验曲线分析， FX2系列可编程控制器的硬件掌握，PID参数的整定及各个参数的控制性能的比较，应用PID控制算法所得到的实验曲线分析，整个系统各个部分的介绍和讲解PLC的过程控制指令PID指令来控制水箱水位。
关键词：FX2系列PLC，控制对象特性，PID控制算法，扩充临界比例法，系统设计
I
哈尔滨工业大学成人高等教育本科毕业设计（论文）
Abstract
In many areas of production, often need to monitor the liquid level in the tank, tanks, pools and other containers to the usual traditional relay contact control, the use of hard-wired electrical appliances and more, poor reliability, and high degree of automation, the current there are many enterprises to adopt advanced controller to transform the traditional exposure control, greatly improving the reliability of the control system and controlled the extent to provide enterprises with a more reliable production. This article describes a programmable logic controller (PLC) a way to monitor the liquid level, a simple circuit structure, less investment (which can use the transformation of the original facilities), the monitoring system is not only a high degree of automation, also has online modify the features, flexibility, suitable for multi-level monitoring occasions.
The subject of graduation design is based on PLC, liquid level control system design. In the design, the author is mainly responsible for the mathematical model and control algorithm design, so the design used in the paper referred to was more PID algorithm, PLC in less knowledge.
Main contents of this article: PLC creation and definition, process control, development, and water tanks and experiment to determine the characteristics curve analysis, FX2 series PLC hardware control, PID tuning parameters and various parameters of the control performance comparison, the application PID control algorithm obtained experimental curve analysis, the entire system, introduce and explain the various parts of the PLC process control commands to control the tank level PID instruction.
Keywords：FX2 series PLC, the control object characteristics, PID control algorithm, expand the critical proportion method, system design
II
哈尔滨工业大学成人高等教育本科毕业设计（论文）
目 录
摘要 ................................................................................................................................... I Abstract ........................................................................................................................... II 第1章 绪论 ..................................................................................................................... 1 1.1本文研究的目的及意义 ..................................................................................... 1 1.2 PLC的产生、定义及现状 ................................................................................ 1 1.2.1 PLC的产生、定义 ................................................................................... 1 1.2.2 PLC的发展现状 ....................................................................................... 2 1.3 本设计的主要内容 ............................................................................................ 4 第2章 FX2系列PLC和控制对象分析 ....................................................................... 5 2.1 三菱PLC控制系统 .......................................................................................... 5 2.1.1 CPU模块 ................................................................................................... 6 2.1.2 I/O模块 ..................................................................................................... 6 2.1.3电源模块 .................................................................................................... 6 2.2 过程建模 ............................................................................................................ 6 2.2.1一阶单容上水箱对象特性 ........................................................................ 7 2.2.2二阶双容下水箱对象特性 ...................................................................... 12
2.3 过程建模 .......................................................................................................... 15
第3章 PID调节及串级控制系统设计 ....................................................................... 16 3.1 PID调节的各个环节及其调节过程 ............................................................... 16 3.1.1 比例控制及其调节过程 ......................................................................... 17 3.1.2 比例积分调节 ......................................................................................... 18 3.1.3 比例积分微分调节 ................................................................................. 18 3.2串级控制 ........................................................................................................... 20
III
哈尔滨工业大学成人高等教育本科毕业设计（论文）
3.2.1 串级控制系统结构 ................................................................................. 20 3.2.2 串级控制系统的特点 ............................................................................. 21 3.2.3 串级控制系统的设计 ............................................................................. 21 3.3 扩充临界比例度法 .......................................................................................... 23 3.4 三菱FX2系列PLC中PID指令的使用 ....................................................... 25 3.5 在PLC中的PID控制的编程 ........................................................................ 26
3.6 变量的范围 ...................................................................................................... 29 3.7本章小结 ........................................................................................................... 30 第4章 控制方案设计 ................................................................................................... 31 4.1系统设计 ........................................................................................................... 31 4.1.1上水箱液位的自动调节 .......................................................................... 31 4.1.2上水箱下水箱液位串级控制系统 .......................................................... 32 4.2 硬件设计 .......................................................................................................... 33 4.2.1 检测单元 ............................................................................................... 33 4.2.2 执行单元 ............................................................................................... 34 4.2.3 控制单元 ............................................................................................... 34
4.3 软件设计 .......................................................................................................... 35 4.4 本章小结 .......................................................................................................... 35 第5章 运行调试分析 ................................................................................................... 36 5.1 上水箱液位比例调节 ...................................................................................... 36 5.2 上水箱液位比例积分调节 .............................................................................. 36
5.3 上水箱液位比例积分微分调节 ...................................................................... 36 结 论 ............................................................................................................................. 38 致 谢 ............................................................................................................................. 39 参考文献 ......................................................................................................................... 40
IV
哈尔滨工业大学成人高等教育本科毕业设计（论文）
第1章 绪论
1.1本文研究的目的及意义
为了解决人工控制的控制准度低、控制速度慢、灵敏度低等一系列问题。从而我们现在就引入了工业生产的自动化控制。在自动化控制的工业生产过程中，一个很重要的控制参数就是液位。一个系统的液位是否稳定，直接影响到了工业生产的安全与否、生产效率的高低、能源是否能够得到合理的利用等一系列重要的问题。随着现在工业控制的要求越来越高，一般的自动化控制已经也不能够满足工业生产控制的需求，所以我们就又引入了可编程逻辑控制（又称PLC）。引入PLC使控制方式更加的集中、有效、更加的及时。
液位控制系统它使我们的生活、生产都带来了不可想象的变化。它使在控制中更加的安全，节约了更多的劳动力，更多的时间。
在我国随着社会的发展，很早就实行了自动控制。而在我国液位控制系统也利用得相当的广泛，特别在锅炉液位控制，水箱液位控制。还在黄河治水中也的到了利用，通过液位控制系统检测黄河的水位的高低，以免由于黄河水位的过高而在不了解的情况下，给我们人民带来生命危险和财产损失。
1.2 PLC的产生、定义及现状
1.2.1 PLC的产生、定义
（1）可编程控制器的产生
20世纪60年代，在世界技术改造的冲击下，要求寻找一种比继电器更可靠、功能更齐全、响应速度更快的新型工业控制器。1968年，美国最大的汽车制造商——通用汽车公司从用户角度提出了新一代控制器应具备的十大条件后，立即引起了开发热潮。
（2）可编程控制器的定义
1
哈尔滨工业大学成人高等教育本科毕业设计（论文）
在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。
自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后（delay）组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。
3.1.1比例控制及其调节过程
在人工调节的实践中，如果能使阀门的开度与被调参数偏差成比例的话，就有可能使输出量等于输入量，从而使被调参数趋于稳定，达到平衡状态。这种阀门开度与被调参数的偏差成比例的调节规律，称为比例调节。 比例调节规律及其特点
比例调节作用，一般用字母P来表示。如果用一个数学式来表示比例调节作用，可写成：
?u?Kp?e式中 ?u——调节器的输出变化值； ?e——调节器的输入，即偏差；
（3-1）
Kp——比例调节器的放大倍数。
放大倍数KP是可调的，所以比例调节器实际上是一个放大倍数可调的放大
17
哈尔滨工业大学成人高等教育本科毕业设计（论文）
器。
比例调节作用虽然及时、作用强，但是有余差存在，被调参数不能完全回复到给定值，调节精度不高，所以有时称比例调节为“粗调”。纯比例调节只能用于干扰较小、滞后较小，而时间常数又不太小的对象。
3.1.2比例积分调节
对于工艺条件要求较高余差不允许存在的情况下，比例作用调节器不能满足要求了，克服余差的办法是引入积分调节。
因为单纯的积分作用使过程缓慢，并带来一定程度的振荡，所以积分调节很少单独使用，一般都和比例作用组合在一起，构成比例积分调节器，简称PI调节器，其作用特性可用下式表示：
11 (?e???ed)t （3-2）PTI ?uPI??uP??uI?这里，表示PI调节作用的参数有两个：比例度P和积分时间TI。而且比例度不仅影响比例部分，也影响积分部分，使总的输出既具有调节及时、克服偏差有力的特点，又具有克服余差的性能。
由于它是在比例调节（粗调）的基础上，有加上一个积分调节（细调），所以又称再调调节或重定调节。但是，积分时间太小，积分作用就太强，过程振荡剧烈，稳定程度低；积分时间太大，积分作用不明显，余差消除就很慢。如果把积分时间放到最大，PI调节器就丧失了积分作用，成了一个纯比例调节器。
3.1.3比例积分微分调节
微分调节的作用主要是用来克服被调参数的容量滞后。在生产实际中，有经验的工人总是既根据偏差的大小来改变阀门的开度大小（比例作用），同时又根据偏差变化速度的大小进行调节。比如当看到偏差变化很大时，就估计到即将出现很大的偏差而过量地打开（关闭）调节阀，以克服这个预计的偏差，这
18
哈尔滨工业大学成人高等教育本科毕业设计（论文）
种根据偏差变化速度提前采取的行动，意味着有“超前”作用，因而能比较有效地改善容量滞后比较大的调节对象的调节质量。
什么是微分调节？
微分调节是指调节器的输出变化与偏差变化速度成正比，可用数学表达式表示为：
?u?TDd(?e) （3-3） dt式中： ?u——调节器的输出变化值； TD——微分时间； d(?e)——偏差信号变化的速度。 dt从上式可知，偏差变化的速度越大，微分时间TD越长，则调节器的输出变化就越大。对于一个固定不变的偏差，不管其有多大，微分做用的输出总是零，这是微分作用的特点。 由于实际微分器的比例度不能改变，固定为100%，微分作用也只在参数变化时才出现，所以实际微分器也不能单独使用。一般都是和其它调节作用相配合，构成比例微分或比例积分微分调节器。
比例积分微分调节又称PID调节，它可由下式表示： 11d(?e) [?e???edt?TD] （3-4）PTIdt ?u?PID调节中，有三个调节参数，就是比例度P、积分时间TI、微分时间TD。适当选取这三个参数值，就可以获得良好的调节质量。
由分析可知，PID三作用调节质量最好，PI调节第二，PD调节有余差。纯
19
哈尔滨工业大学成人高等教育本科毕业设计（论文）
比例调节虽然动偏差比PI调节小，但余差大，而纯积分调节质量最差，所以一般不单独使用。
3.2 串级控制
随着现代工业生产的迅速发展，对于某些比较复杂的过程或者生产工艺、经济效益、安全运行、环境保护等要求更高的场合，单回路控制系统往往不能满足其需求。为了提高控制品质，在单回路控制方案的基础上，开发出了串级控制系统。
3.2.1串级控制系统的结构
串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器，前一个调节器的输出作为后一个调节器的设定，后一个调节器的输出送往调节阀。结构图如图3-1所示。
x1+ e1主调节器x2+e2副调节器执行器副对象y2主对象y1 -z1-z2副变送器 主变送器图 3-1 串级控制系统方框图 前一个调节器称为主调节器，它所检测和控制的变量称主变量（主被控参数），即工艺控制指标；后一个调节器称为副调节器，它所检测和控制的变量称副变量（副被控参数），是为了稳定主变量而引入的辅助变量。
整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成；主回路由主变量检测变送、主调节器、副 调节器、调节阀、副过程和主过程构成。
20
哈尔滨工业大学成人高等教育本科毕业设计（论文）
一次扰动：作用在主被控过程上的，而不包括在副回路范围内的扰动。二次扰动：作用在副被控过程上的，即包括在副回路范围内的扰动。
3.2.2串级控制系统的特点
在串级控制系统中，由于引入了一个副回路，不仅能及早克服进入副回路的扰动，而且又能改善过程特性。副调节器具有“粗调”的作用，主调节器具有“细调”的作用，从而使其控制品质得到进一步提高。其特点有以下几点：
（1）改善了过程的动态特性，提高了系统控制质量。 （2）能迅速克服进入副回路的二次扰动。 （3）提高了系统的工作频率。 （4）对负荷变化的适应性较强。
3.2.3串级控制系统的设计
（1） 主回路的设计
串级控制系统的主回路是定值控制，其设计单回路控制系统的设计类似，设计过程可以按照简单控制系统设计原则进行。这里主要解决串级控制系统中两个回路的协调工作问题。主要包括如何选取副被控参数、确定主、副回路的原则等问题。
（2） 副回路的设计
由于副回路是随动系统， 对包含在其中的二次扰动具有很强的抑制能力和自适应能力，二次扰动通过主、副回路的调节对主被控量的影响很小，因此在选择副回路时应尽可能把被控过程中变化剧烈、频繁、幅度大的主要扰动包括在副回路中，此外要尽可能包含较多的扰动。
归纳如下。
1) 在设计中要将主要扰动包括在副回路中。
21
哈尔滨工业大学成人高等教育本科毕业设计（论文）
生产工艺过程的了解和建立过程的数学模型。
2.2.1 一阶单容上水箱对象特性
所谓单容过程，是指只有一个贮蓄容量的过程。单容过程还可分为有自衡能力和无自衡能力两类。
（1）自衡过程的建摸
所谓自衡过程，是指过程在扰动作用下，其平衡状态被破坏后，不需要操作人员或仪表等干预，依靠起自身重新恢复平衡的过程。
液位过程，图2-2所示为一个单容液位被控过程，其流入量Q1，改变阀1的开度可以改变Q1的大小。其流出量为Q2，它取决于用户的需要改变阀2开度可以改变Q2。液位h的变化反映了Q1与Q2不等而引起贮罐中蓄水或泄水的过程.若Q1作为被控过程的输入变量,h为其输出变量,则该被控过程的数学模型就是h与Q1之间的数学表达式。
1 Q1h Q2
2
图2-2液位被控过程
根据动态物料平衡关系有
Q1?Q2?Adhdt （2-1）
7
哈尔滨工业大学成人高等教育本科毕业设计（论文）
将公式（2-1）表示成增量式为
?Q1??Q2?Ad?hdt （2-2）
式中： ?Q1、?Q2、d?h——分别表示为偏离某一平衡状态Q10、Q20、?h0的增量；A——贮蓄截面积。
dh?0；当Q1发生变化时，液位h随之变化，贮蓄出在静态时，Q1?Q2，dt口处的静压随之变化，Q2也发生变化。由流体力学可知，流体在紊流情况下，液位h与流量之间为非线形关系。但为了简化起见，经线形变化，则可近似认为Q2与h成正比关系，而与阀2的阻力R2成反比，即
?Q2?dh （2-3） R2式中：R2——阀2的阻力，称为液阻。
为了求单容过程的数学模型，需消去中间变量Q2。消去中间变量的方法很多，如可用代数代换法，可用信号流图法，也可用画方框图的方法。这里，介绍后一种方法。
将式（2-2）、式（2-3）拉氏变换后,画出图2-3方框图。
Q1(s) + - 1/Cs Y(s) Q2(s) 1/R2
图2-3方框图
8
哈尔滨工业大学成人高等教育本科毕业设计（论文）
单容液位过程的传递函数为
W0(s)?
K0R2H(s)??Q1(s)R1Cs?1T0s?1 （2-4）
式中：T0——过程的时间常数，T0?R2C；
K0——过程的放大系数，K0?R2； C——过程的容量系数，或称过程容量。
被控过程都具有一定贮存物料或能量的能力，其贮存能力的大小，称为容量或容量系数。其物理意义:是：引起单位被控量变化时被控过程贮存两变化的大小。
从上述分析可知，液阻R2不但影响过程的时间常数T0，而且还影响过程的放大系数K0，而容量系数C仅影响过程的时间常数。
在工业生产过程中，过程的纯时延问题是经常碰到的。如皮带运输机的物料传输过程，管道输送、管道反应和管道的混合过程等。下面以图2-4为例讨论纯时延过程的建模。
图2-4所示，流量Q1通过长度为l的管道流入贮罐。当进水阀开度产生扰动后，Q1需要流经管道长度为l的传输时间t0后才流入贮罐，才使液位h发生变化。具有纯时延单容过程的阶跃响应曲线如图2-4曲线2所示，它与无时延单容过程的阶跃响应曲线在形状上完全相同，仅差一纯时延t0。
9
哈尔滨工业大学成人高等教育本科毕业设计（论文）
图2-4纯时延单容过程及其响应曲线
具有纯时延单容过程的微分方程和传递函数为
T0d?h??h?K0Q1(T?t0)dt
W0(s)?K0H(s)?e?t0sQ1(s)T0s?1 （2-5）
式中：T0——过程的时间常数，T0?R2C； K0——过程的放大系数，K0?R2； t0——过程的纯时延时间。
10
哈尔滨工业大学成人高等教育本科毕业设计（论文）
（2）无自衡过程的建模
所谓无自衡过程，是指过程在扰动的作用下，其平衡状态被破坏后，不需要操作人员或仪表等干预，依靠其自身能力不能重新恢复平衡的过程。下面以图2-4所示为例，介绍其建模方法。
图2-5 单容过程及其响应曲线 如果将图2-2所示贮罐的出口阀2换成定量泵，则为图2-5所示。这样，其流出量与液位h无关。当流入量Q1发生阶跃变化时，液位h即发生变化。由于流出量是不变的，所以贮罐液位或等速上升直至液体溢出，或者等速下降直至液位被抽干，其阶跃响应曲线如图2-5所示。
图2-7所示过程的微分方程为 Cd?h??Q1 （2-6） dt式中：C——贮罐的容量系数。 过程的传递函数为 11
哈尔滨工业大学成人高等教育本科毕业设计（论文）
W0(s)?1 （2-7） T0s式中：T0——过程的积分时间常数，T0?C。 当过程具有纯时延时，则其传递函数为 W0(s)?1?t0seT0s （2-8） 2.2.2 二阶双容下水箱对象特性
在工业生产过程中，被控过程往往是由多个容积和阻力构成，这种过程称为多容过程。以具有自衡能力的双容过程为例，来讨论其建立数学模型的方法。
Q
0
0 0 0 图2-6 双容过程及其响应曲线 12
哈尔滨工业大学成人高等教育本科毕业设计（论文）
图2-6（a）所示为两只水箱串联工作的双容过程。其被控量是第二只水箱的液位h2，输入量为Q1与上述分析方法相同，根据物料平衡关系可以列出下列方程：
d?h1dt ?Q1??Q2?C1?Q2??h1R2 d?h2dt ?Q2?Q3?C2?Q3? ?h2R3 （2-9） 为了消去双容过程的中间变量h1、Q2、Q3，将上述方程组进行拉氏变换，并画出方框图如2-7所示。双容过程的数学模型为：
W0(s)? K0H2(s)?Q1(s)(T1s?1)(T2s?1) （2-10） 1/C1s — 1/R2 — 1/C2s 1/R3 图2-7 双容过程方框图
13
哈尔滨工业大学成人高等教育本科毕业设计（论文）
式中：R1——第一只水箱的时间常数，T1?C1R2；
T2——第二只水箱的时间常数，T2?C2R3；
K0——过程的放大系数，K0?R3；
图2-7所示为流量Q1有一阶跃变化时，被控量h2的响应曲线。
t t 图2-8 无自衡能力的双容过程 t 与单容过程比较，多容过程受到扰动后，被控参数h2的变化速度并不是一开始就最大，而是要经过一段时延之后才达到最大值。即多容过程对于扰动的响应在时间上存在时延，被称为容量时延。产生容量时延的原因主要是两个容
14
哈尔滨工业大学成人高等教育本科毕业设计（论文）
积之间存在阻力，所以使h2的响应时间向后推移。容量时延可用作图法求得，即通过h2响应曲线的拐点D作切线，与时间轴相交与A，与h2相交与C，C点在时间轴上的投影B，OA即为容量时延时间tC，AB即为过程的时间常数T。对与无自衡能力的双容过程，可见图2-8，图中，被控量为h2，输入量为Q1。Q1产生阶跃变化时，液位h2并不立即以最大的速度变化，由于中间具有容积和阻力。h2对扰动的响应有他、一定的时延和惯性。同上所述，所示过程的数学模型为
W0(s)?H2(s)11 （2-10） ?Q1(s)T0s(Ts?1)式中：T0——过程积分时间常数，T0?C2 ；
T——第一只水箱的时间常数。 同理，无自衡多容过程的数学模型为
11 （2-11） nT0s(Ts?1)W0(s)?当然无自衡多容过程具有纯时延时，则其数学模型为 W0(s)?11?t0s （2-12） eT0s(Ts?1)n2.3 本章小结
本章主要以三菱FX2系列PLC为例，首先介绍了PLC硬件系统的构成，其中包括CPU模块、I/O模块、电源模块，然后介绍了一阶单容上水箱对象特性和二阶双容下水箱对象特性。
15
哈尔滨工业大学成人高等教育本科毕业设计（论文）
第3章 PID调节及串级控制系统设计
3.1 PID调节的各个环节及其调节过程
PID控制的原理和特点：工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象﹐或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。
（1）比例（P）控制
比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。
（2）积分（I）控制
在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
（3）微分（D）控制
16
哈尔滨工业大学成人高等教育本科毕业设计（论文）
其中： Mt 是作为时间函数的回路输出
K是回路增益
e是回路误差(设定值和过程变量之间的差)
Minitial是回路输出的初始值
为了能让数字计算机处理这个控制算式，连续算式必须离散化为周期采样偏差算式，才能用来计算输出值。数字计算机处理的算式如下：
nMn?KP?en?KI??ex?Minitial?KD?(en?en?1)
1输出= 比例项 + 积分项 + 微分项
Mn是在采样时刻n，PID回路输出的计算值； KP是回路增益；
en是采样时刻n的回路误差值；
en?1 是回路误差的前一个数值(在采样时刻n-1)； ex是采样时刻x的回路误差值； KI是积分项的比例常数；
Minitial是回路输出的初始值；
KD是微分项的比例常数；
从这个公式可以看出，积分项是从第1个采样周期到当前采样周期所有误差项的函数。微分项是当前采样和前一次采样的函数，比例项仅是当前采样的
27
哈尔滨工业大学成人高等教育本科毕业设计（论文）
函数。在数字计算机中，不保存所有的误差项，实际上也不必要。由于计算机从第一次采样开始，每有一个偏差采样值必须计算一次输出值，只需要保存偏差前值和积分项前值。作为数字计算机解决的重复性的结果，可以得到在任何采样时刻必须计算的方程的一个简化算式。简化算式是：
Mn?KP?en?KI?en?Mx?KD?(en?en?1)
输出=比例项+积分项+微分项。
其中： Mn是在采样时间n时，回路输出的计算值；
KP是回路增益；
en是采样时刻n的回路误差值；
en?1是回路误差的前一个数值(在采样时刻n-1)； KI是积分项的比例常数；
Mx是积分项的前一个数值(在采样时刻n-1)； KD是微分项的比例常数； (1)、回路输入的转换和标准化:
是将现实世界的值的实数值表达形式转换成0.0-1.0之间的标准化值。下面的算式可以用于标准化设定值或过程变量值：
Rnorm?[(Rraw/跨度)?偏移量]
其中： Rnorm 是现实世界数值的标准化的实数值表达式。
Rraw是现实世界数值的未标准化的或原始的实数值表达式。
偏移量对于单极性为0.0。 对于双极性为0.5。
28
哈尔滨工业大学成人高等教育本科毕业设计（论文）
跨度是最大可能值减去最小可能值： 对于单极性数值(典型值)为32,000。 对于双极性数值(典型值)为64,000。 (2)、回路输出值转换成刻度整数值
回路输出值一般是控制变量，比如，在汽车速度控制中，可以是油阀开度的设置。回路输出是0.0和1.0之间的一个标准化了的实数值。在回路输出可以用于驱动模拟输出之前，回路输出必须转换成一个16位的标定整数值。这一过程，是将PV和SP转换为标准值的逆过程。第一步是使用下面给出的公式，将回路输出转换成一个标定的实数值：
RScal= (Mn-偏移量) * 跨度
其中： RScal是回路输出经过标定的实数值；
Mn是回路输出标准化的实数值；
偏移量对于单极性值为0.0，对于双极性值为0.5； 跨度值域大小，可能的最大值减去可能的最小值； 对于单极性为32,000 (典型值)； 对于双极性为64,000 (典型值)。
3.6变量的范围
过程变量和设定值是PID运算的输入值。因此回路表中的这些变量只能被PID指令读而不能被改写。输出变量是由PID运算产生的，所以在每一次PID运算完成之后，需更新回路表中的输出值， 输出值被限定在0.0-1.0之间。当输出由手动转变为PID(自动)控制时，回路表中的输出值可以用来初始化输出值。如果使用积分控制，积分项前值要根据PID运算结果更新。
这个更新了的值用作下一次PID运算的输入，当计算输出值超过范围(大于
29
哈尔滨工业大学成人高等教育本科毕业设计（论文）
1.0或小于0.0)，那么积分项前值必须根据下列公式进行调整：
Mx?1.0?(MPn?MDn)
当计算输出Mn?1.0或Mx??(MPn?MDn) 当计算输出Mn?0.0 其中：
Mx是调整过的偏差的数值；
MPn是在采样时间n时回路输出的比例项的数值； MDn是在采样时间n时回路输出的微分项的数值； Mn是在采样时间n时回路输出的数值；
这样调整积分前值，一旦输出回到范围后，可以提高系统的响应性能。而且积分项前值也要限制在0.0-0.1之间，然后在每次PID运算结束之后。把积分项前值写入回路表，以备在下次PID运算中使用。用户可以在执行PID指令以前修改回路表中积分项前值。在实际运用中，这样做的目的是找到由于积分项前值引起的问题。手工调整积分项前值时，必须小心谨慎，还应保证写入的值在0.0-1.0之间。
3.7本章小结
本章首先介绍了PID控制系统的各个环节，其中包括比例控制、积分控制、
微分控制，并分析了各个环节及其调节过程，然后介绍了串级控制系统的特点及设计，最后介绍了三菱FX2系列PLC中PID指令的使用以及在PLC中的PID控制如何编程等。
30
哈尔滨工业大学成人高等教育本科毕业设计（论文）
第4章 控制方案设计
4.1 系统设计
4.1.1上水箱液位的自动调节
在这个部分中控制的是上水箱的液位。系统原理图如图4-1所示。单相泵正常运行，打开阀1和阀2，打开上水箱的出水阀，电动调节阀以一定的开度来控制进入水箱的水流量，调节手段是通过将压力变送器检测到的电信号送入PLC中，经过A/D变换成数字信号，送入数字PID调节器中，经PID算法后将控制量经过D/A转换成与电动调节阀开度相对应的电信号送入电动调节阀中控制通道中的水流量。
4-1 系统原理图
31
上水箱液阀3 阀4 位传进水口 溢感器 电动调节阀 阀2 压力表 下水箱液位传感器 出水口 出水口 水口 进水口 阀6 单向储水箱 阀1 泵
哈尔滨工业大学成人高等教育本科毕业设计（论文）
当上水箱的液位小于设定值时，压力变送器检测到的信号小于设定值，设定值与反馈值的差就是PID调节器的输入偏差信号。经过运算后即输出控制信号给电动调节阀，使其开度增大，以使通道里的水流量变大，增加水箱里的储水量，液位升高。当液位升高到设定高度时，设定值与控制变量平衡，PID调节器的输入偏差信号为零，电动调节阀就维持在那个开度，流量也不变，同时水箱的液位也维持不变。
系统的控制框图如图4-2所示。其中SP为给定信号，由用户通过计算机设定，PV为控制变量，它们的差是PID调节器的输入偏差信号，经过PLC的PID程序运算后输出，调节器的输出信号经过PLC的D/A转换成4-20mA的模拟电信号后输出到电动调节阀中调节调节阀的开度，以控制水的流量，使水箱的液位保持设定值。水箱的液位经过压力变送器检测转换成相关的电信号输入到PLC的输入接口，再经过A/D转换成控制量PV，给定值SP与控制量PV经过PLC的CPU的减法运算成了偏差信号e ,又输入到PID调节器中，又开始了新的调节。所以系统能实时地调节水箱的液位。
4.1.2
上水箱下水箱液位串级控制系统
上水箱下水箱液位控制系统由于控制过程特性呈现大滞后，外界环境的扰动较大，要保持上水箱下水箱液位最后都保持设定值，用简单的单闭环反馈控制不能实现很好的控制效果，所以采用串级闭环反馈系统。
上水箱下水箱液位控制系统图如图4.2所示，该系统中，上水箱液位作为副调节器调节对象，下水箱液位作为主调节器调节对象。这里的扰动主要是水箱的出水阀的扰动，有时是认为的因素，有时是机械的因素，扰动总是不可避免的。主回路和副回路结合有效地抑制环境的扰动。
32
哈尔滨工业大学成人高等教育本科毕业设计（论文）
S+ e PID1 —A/D A/D 副变送主变送器 PIDD/A 执行副对主对象 —PV
图4-2 上下水箱控制方框图
在这里，执行机构仍然是电动调节阀，依旧由PLC经过PID算法后控制它的开度以控制水管里的水流量，控制两个水箱的水位。它有两个PID回路，分别是PID1和PID2。PID1为外环，控制下水箱的液位，它的输出值作为PID2的设定值，PID2控制上水箱的液位。
4.2 硬件设计
系统硬件的设计包括检测单元、执行单元和控制单元的设计，他们互相联系，组成一个完整的系统。
4.2.1检测单元
在过程控制系统中，检测环节是比较重要的一个环节。液位是指密封容器或开口容器中液位的高低，通过液位测量可知道容器中的原料、半成品或成品的数量，以便调节流入流出容器的物料，使之达到物料的平衡，从而保证生产过程顺利进行。设计中涉及到液位的检测和变送，以便系统根据检测到的数据来调节通道中的水流量，控制水箱的液位。
液位变送器分为浮力式、静压力式、电容式、应变式、超声波式、激光式、放射性式等。系统中用到的液位变送器是浙江浙大中控自动化仪表有限公司生产的中控仪表SP0018G压力变送器，属于静压力式液位变送器，量程为0-10KPa，精度为 ，由24V直流电源供电，可以从PLC的电源中获得，输出为4-20mA直流。
33
哈尔滨工业大学成人高等教育本科毕业设计（论文）
4.2.2执行单元
执行单元是构成自动控制系统不可缺少的重要组成环节，它接受来自调节单元的输出信号，并转换成直角位移或转角位移，以改变调节阀的流通面积，从而控制流入或流出被控过程的物料或能量实现过程参数的自动控制。
执行器的工作原理，由执行机构和调节机构（调节阀）两部分组成。执行机构首先将来自调节器的信号转变成推力或位移，对调节机构（调节阀）根据执行机构的推力或位移，改变调节阀的阀芯或阀座间的流通面积，以达到最终调节被控介质的目的。来自调节器的信号经信号转换单元转换信号制式后，与来自执行机构的位置反馈信号比较，其信号差值输入到执行机构，以确定执行机构作用的方向和大小，其输出的力或位移控制调节阀的动作，改变调节阀的流通面积，从而改变被控介质的流量。当位置反馈信号与输入信号相等时，系统处于平衡状态，调节阀处于某一开度。
系统中用到的调节阀是QS智能型调节阀，所用到的执行机构为电动执行机构，输出为角行程，控制轴转动。电动执行机构的组成框图。
来自PLC的模拟量输出DC4-20mA信号Ii与位置反馈信号If进行比较，其差值经放大后，控制伺服电动机正转或反转，再经减速器后，改变调节器的开度，同时输出轴的位移，经位置发生器转换成电流信号If。当Ii=If时，电动机停止转动，调节阀处于某一开度，即Q=KIi，式中Q为输出轴的转角，K为比例常数。电动调节阀还提供手动操作，它的上部有个手柄，和轴连在一起，在系统掉电时可进行手动控制，保证系统的调节作用。
4.2.3控制单元
控制单元是整个系统的心脏。在系统中，PLC是控制的中心元件，它的选择是控制单元设计的重要部分。
系统应用的是三菱FX2系列的PLC，其结构简单，使用灵活且易于维护。它采用模块化设计，本系统主要包括CPU模块、模拟量输入模块、模拟量输出
34
哈尔滨工业大学成人高等教育本科毕业设计（论文）
模块和电源模块。
4.3软件设计
现在以上水箱的液位控制系统为例，画出其流程图如图4-3。
M1 重新启动X9 M2 上电X1 开始灯闪烁Y0 开始X2
输入设定值Y1，并启动水泵Y2
检测X3
M3 循环X8 M4 上限报警Y3，下限报警Y4 X4 A/D转换
A/D转换输出Y5
传送X5
M5 Y1与 Y5进行偏差计算输出Y6 PID调节 X6
M6 进行 PID调节输出Y7 D/A转换X7
M7 D/A转换输出Y8阀门开度
图4-3 上水箱流程图
4.4本章小结
本章主要介绍了水箱液位控制系统的方案设计，其中包括硬件设计和软件
设计，并介绍了各个控制单元的功能以及如何用软件进行编程。
35
哈尔滨工业大学成人高等教育本科毕业设计（论文）
第5章 运行调试分析
5.1 上水箱液位比例调节
以图5-1所示的液位比例调节系统为例，被调参数是上水箱的液位。在输入的偏差信号?e为阶跃信号。当比例调节器的
Kp小于1时，其比例调节器的大于1时，其比例调节器的
实验特性图为图5-1（a）所示；当比例调节器的实验特性图为图5-1（b）所示。
0
（a）
Kp?e 比例调节器 ?u 0 0
（b）
图5-1 比例调节器的实验特性图
5.2 上水箱液位比例积分调节
当输入信号为阶跃变化时，才用PI调节器的情况。我们得到了PI调节器的实验的变化曲线图，如图5-2所示。
5.3 上水箱液位比例积分微分调节
对上水箱进行比例积分微分调节即PID调节进行实验。当输入信号为阶跃号时，对应的PID阶跃响应实验曲线图如图5-3 所示。
36
哈尔滨工业大学成人高等教育本科毕业设计（论文）
?e 0 t ?uP ?uI ?uPI +
0
0 t
t
=
0
t
图5-2阶跃输入后PI调节器的实验变化曲线
?e ?uP 0 t
0 t
?uI ?uD ?uPID 0 t 0 t 0 t
图5-3 PID阶跃响应实验曲线图
37
哈尔滨工业大学成人高等教育本科毕业设计（论文）
结 论
长期以来，PLC始终处于工业自动化控制领域的主战场，为各种各样的自动化控制设备提供了非常可靠的控制应用。其主要原因，在于它能够为自动化控制应用提供安全可靠和比较完善的解决方案，适合于当前工业企业对自动化的需要。另一方面，PLC还必须依靠其他新技术来面对市场份额逐渐缩小所带来的冲击，尤其是工业PC所带来的冲击。PLC需要解决的问题依然是新技术的采用、系统开放性和价格。PLC技术展的最终趋势仍然是人们所争论的焦点之一。大多数人认为，PLC将会继续失去市场份额；更有甚者认为，在工业PC面前，PLC将会一步一步走向死亡；但也有一部分人相信，一些特殊工业应用领域仍将为PLC提供一定的市场份额。在全球工业计算机控制领域，围绕开放与再开放过程控制系统、开放式过程控制软件、开放性数据通信协议，已经发生巨大变革，几乎到处都有PLC，但这种趋势也许不会继续发展下去。随着软PLC(SoftPLC)控制组态软件技术的诞生与进一步完善和发展，安装有SoftPLC组态软件和基于工业PC控制系统的市场份额正在逐步得到增长，这些事实使传统PLC供应商在思想上已经发生了戏剧性的变化，他们必须面对现实，在传统PLC的技术发展与提高方面作出更加开放的高姿态。对于控制软件来讲，这是PLC控制器的核心，PLC供应商正在向工业用户提供开放式的编程组态工具软件，而且对于工业用户表现得非常积极。
通过本次毕业论文的创作，我知道了液位控制系统在生活中的重要性。基
于PLC的液位控制系统能让我们在生活中遇到比较危险的场合中变得安全化、智能化。对于前人以前的所做的液位控制系统本系统更加的人性化，可以随时修改液位的设定值。
38
哈尔滨工业大学成人高等教育本科毕业设计（论文）
致 谢
本课题在选题及研究过程中得到王老师的悉心指导。王老师多次询问研究进程，并为我指点迷津，帮助我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励。王老师一丝不苟的作风，严谨求实的态度，踏踏实实的精神，不仅授我以文，而且教我做人，虽历时三载，却给以终生受益无穷之道。对王老师的感激之情是无法用言语表达的。
感谢老师对我的教育培养。他们细心指导我的学习与研究，在此，我要向诸位老师深深地鞠上一躬。老师为我提供了良好的研究条件，谨向各位同仁表示诚挚的敬意。
39
哈尔滨工业大学成人高等教育本科毕业设计（论文）
参考文献
1 王树青编著，《工业过程控制工程》，化学工业出版社，北京，2002 2 施仁、刘文江、郑辑先编著，《自动仪表与过程控制》，电子工业出版社，北京1995
3 邵裕森编著，《过程控制及仪表》，上海交通大学出版社，上海，1995、7 4 王永初编著，《自动调节系统工程设计》，机械工业出版社，北京，1983年 5 黄俊饮编著，《静、动态数学模型的实用建模过程》，机械工业出版社，北京，1988
6 金以慧编著，《过程控制》，青华大学出版社，北京，1993年 7 帅克宽等编著，《过程参数检测》，中国计量出版社，北京，1990 8 尹宏业编著，《可编程控制器应用》，航天出版社，北京，1998
9 吴丽编著，《电气控制与PLC实用教程》，黄河水利出版社，河南，2005 10 顾战松编著，《可编程控制器原理及应用》，国防工业出版社，北京，1996 11 尤田涑编著，《参数检测与过程控制》，浙江大学出版社，浙江，1997 12 Fu K.S Learning Control System and Intelligent Control System: An Intersection of Artificial Intelligence and Automatic Control. IEEE Trans on AC, 1971: 334-339
13 Back T, Hoffmeister F. Extended Election Mechanisms in Genetic Algorithms. 1991: 22-26
14 Novakovic, Z. R.The Principle of Self-Support in Control System. Elsevier Science Publishers,Netherlands,1992: 35-41
40
百度搜索“77cn”或“免费范文网”即可找到本站免费阅读全部范文。收藏本站方便下次阅读，免费范文网，提供经典小说综合文库毕业设计(5.26)在线全文阅读。
相关推荐：