【文章內容簡介】 容液位控制系統具有非線性，滯后，耦合等特征，能夠很好的模擬工業(yè)過程特征。對于液位控制系統，常規(guī)的 PID 控制采用固定的參數，難以保證控制適應系統的參數變化和工作條件變化，得不到理想效果，模糊控制具有對參數變化不敏感和魯棒性強等特征，但控制精度不太理想。如果將模糊控制和傳統的 PID 控制兩者結合，用模糊控制理論來整定 PID 控制器的比例，積分，微分系統，就能更好的適應控制系統的參數變化和工作條件的變化。 本題目設計豎直雙容下水箱液位調節(jié)閥控制系統，主要用 PID 算法實現豎直雙容下水箱液位和調節(jié)閥開度的自動調節(jié)，用 A3000 過程控制系統實現控制。 關鍵詞：液位控制 A3000 控制系統 S7300 控制 PID 雙容水箱液位調節(jié)閥遠程控制系統的設計 II Abstract Process control in the production process of parameter is characterized by control that close to a given value amount in a given range or to maintain the automatic control system. Here process refers to the production device or equipment of matter and energy in the interaction and conversion process. The main process parameters have characterized the temperature, pressure, and flow, liquid level, ponents, concentration, etc. Through the control of process parameter, can make the production process production increase, to enhance the quality and reduce energy consumption. The general process control system usually adopts feedback control form, this is the main way process control. Liquid level control is industrial process control, mon in the influence on production can not be ignored. Single let liquid level control system with nonlinear and coupling, lag can be good features, such as simulated industrial process characteristics. For liquid level control system, the conventional PID control adopts fixed parameters, difficult to ensure control of adaptive system parameter variations and working conditions change, not the ideal effect, the fuzzy control is not sensitive to parameter variations and robust control precision characteristics, but not very good. If the fuzzy control and the traditional PID control both union, using the fuzzy control theory to setting the proportional, integral PID controller, differential system, can better adapt to control the parameters of the system change and working conditions change. This topic design vertical double let next cistern level regulator control system, mainly using PID algorithm to realize the vertical double let next cistern level and regulator opening with the automatic adjustment, A3000 process control system to realize control. Keywords: level control S7300 A3000 control system of PID 雙容水箱液位調節(jié)閥遠程控制系統的設計 1 1 緒論 本課題研究的國內外現狀 在過去幾十年里， PID 控制器在工業(yè)控制中得到了廣泛應用。在控制理論和技術飛速發(fā)展的今天，工業(yè)過程控制中 95%以上的控制回路都具有 PID 結構，并且許多高級控制都是以 PID 控制為基礎。我們今天所熟知的 PID 控制器產生并發(fā)展于 19151940 年期間。盡管自 1940 年以來，許多先進控制方法不斷推出，但PID 控制器以其結構簡單，對模型誤差具有魯棒性及易于操作等優(yōu)點，仍被廣泛應用于冶金、化工、電力、輕工和機械等工業(yè)過程控制中。 PID 控制器作為早實用化的控制器已有 70 多年歷史，它的算法簡單易懂、使用中參數容易整定，也正是由于這些優(yōu)點， PID 控制器現在仍然是應用最廣泛的工業(yè)控制器。 PID 的發(fā)展過程，很大程度上是它的參數整定方法和參數自適應方法的研究過程。最早的PID 參數工程整定方法是在 1942 年由 Ziegler 和 Nichols 提出的簡為 ZN 的整定公式，盡管時間已經過去了半個世紀，但至今還在工業(yè)控制中普遍應用。 1953 年 Cohen 和 Coon 繼承和發(fā)展了 ZN 公式，同時也提出了一種考慮被控過程時滯大小的 CohenCoon 整定公式。從目前 PID 參數整定方法的研究和應用現狀來看，以下幾個方面將是今后一段時間內研究和實踐的重點： 本課題水箱液位控制采用調節(jié)閥控制液位， 基于 A3000 的豎直雙容下水箱液位調節(jié)閥 PID 控制大體可以分為三種分別是非調節(jié)的開 /關液位控制、可調的開 /關液位控制、調節(jié)型液位控制。 本課題研究的意義 隨著工業(yè)自動化技術的發(fā)展，人們對自動化檢測、測控系統的要求越來越高。一方面希望可靠性、實施性強，界面友好，操作簡單，另一方面又要求開發(fā)周期短，系統便于升級改造。因此最好的辦法就是在系統中利用各種控制軟件包，即組態(tài)軟件，并以此 為平臺進行二次開發(fā)。組態(tài)軟件實際上是一個專為工控開發(fā)的工具軟件。它為用戶提供了多種通用工具模塊，用戶不需要掌握太多的編程語言技術，就能很好地完成一個復雜工程所要求的多個功能。另外，用組態(tài)軟件開發(fā)的系統具有與 Windows 一致的圖形化操作界面，非常便于生產的組織和管理。液位作為工業(yè)過程中的重要參數，廣泛應用于化工、冶金、醫(yī)藥、航空燈領域，對液位的控制效果直接影響到產品的質量，甚至影響生產設備的安全性。液位控 制雙容水箱液位調節(jié)閥遠程控制系統的設計 2 和人們的生活息息相關，我們有必要對其進行一些簡單的研究。液位不僅是工業(yè)過程中的常見變量，且便于直接觀 察，也容易測量。以液位過程構成實驗系統，可靈活地進行過程組態(tài)，實施各種不同的控制方案，可以構成一階系統，二階系統、三階系統和雙入雙出系統。液位控制系統是過程控制的重要研究模型，對液位控制系統的研究具有顯著的理論和實際意義。為了提高我在進入自動化專業(yè)工作崗位之前的實際動手能力，提前接觸和適應自動化專業(yè)工作崗位中可能遇到的問題，本課題通過學習和使用自動化專業(yè)可能用到的編程軟件 S7300 和組態(tài)王，使我能夠提前學習并掌握自動化專業(yè)的相關軟件。 本論文的研究內容 本次實驗所用的 A3000 過程控制實驗系統 是以工業(yè)現場工藝設備為背景，以 自動化教學要求和自動化工程師認證技能測試要求為依據推出的實驗、培訓和測 試平臺。 本論文主要介紹了 PID 的原理、 S7300 介紹、 S7300 編程、組態(tài)王 介 紹、組態(tài)王 制圖、基于 A3000 的豎直雙容下水箱液位調節(jié)閥 PID 控制實驗過 程和對實驗的分析。 本次實驗具體需要應用組態(tài)王 軟件來建立雙容液位控制組態(tài)，并且通過 基于 A3000 的豎直雙容下水箱液位調節(jié)閥 PID 控制 S7300 來進行編程，然后將上位機軟件系統與現場系統相連接，實現對液位的 控制。 實驗過程中，下水箱液位受到管道壓力、流量和調節(jié)閥開度的影響，為了很 好的調節(jié)下水箱液位和管道壓力、流量和調節(jié)閥開度之間的關系，應用 PID 算法 來達到調節(jié)要求。因此用液位調節(jié)閥 PID 控制來調節(jié)液位有重要的研究價值。 實驗最終結果是通過對水箱開度和 P、 I、 D 三個參數的調節(jié)實現對水箱液位 的控制。 雙容水箱液位調節(jié)閥遠程控制系統的設計 3 2 PID PID調節(jié)原理 PID 概述 目前工業(yè)自動化水平已成為衡量各行各業(yè)現代化水平的一個重要標志。同時，控制理論的發(fā)展也經歷了古典控制理論、現代控制理論和智能控制理 論三個階段。智能 控制的典型實例是模糊全自動洗衣機等。 自動控制系統可分為開環(huán)控制系統和閉環(huán)控制系統。一個控制系統包括控制器、傳感器、變送器、執(zhí)行機構、輸入輸出接 口?？刂破鞯妮敵鼋涍^輸出接口、執(zhí)行機構，加到被控系統上；控制系統的被控量，經過傳感器，變送器，通過輸入接口送到控制器。不同的控制系統，其傳感器、 變送器、執(zhí)行機構是不一樣的。比如壓力控制系統要采用壓力傳感器。電加熱控制系統的傳感器是溫度傳感器。 目前， PID 控制及其控制器或智能 PID 控制器 （儀表）已經很多，產品已在工程實際中得到了廣泛的應用，有 各種各樣的 PID 控制器產品，各大公司均開發(fā)了具有 PID 參數自整定功能的智能調節(jié)器 (intelligent regulator)，其中PID 控制器參數的自動調整是通過智能化調整或自校正、自適應算法來實現。有利用 PID 控制實現的壓力、溫度、流量、液位控制 器，能實現 PID 控制功能的可編程控制器 (PLC)，還有可實現 PID 控制的 PC系統等等。 PID 控制原理 及 特點 在工程實際中，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和被控對象，或 不能通過有效的測量手段來獲得系統參數時，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的誤差，利用比例、 積分、微分計算出控制量進行控制的。 雙容水箱液位調節(jié)閥遠程控制系統的設計 4 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輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（ Steadystate error）。 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，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統是有穩(wěn)態(tài)誤差的 或簡稱有差系統。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，直到等于零。因此，比例 +積分 (PI)控制器，可以使系統在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。 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”，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