【文章內(nèi)容簡介】 容液位控制系統(tǒng)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(duì)于液位控制系統(tǒng)，常規(guī)的 PID 控制采用固定的參數(shù)，難以保證控制適應(yīng)系統(tǒng)的參數(shù)變化和工作條件變化，得不到理想效果，模糊控制具有對(duì)參數(shù)變化不敏感和魯棒性強(qiáng)等特征，但控制精度不太理想。如果將模糊控制和傳統(tǒng)的 PID 控制兩者結(jié)合，用模糊控制理論來整定 PID 控制器的比例，積分，微分系統(tǒng)，就能更好的適應(yīng)控制系統(tǒng)的參數(shù)變化和工作條件的變化。 本題目設(shè)計(jì)豎直雙容下水箱液位調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)，主要用 PID 算法實(shí)現(xiàn)豎直雙容下水箱液位和調(diào)節(jié)閥開度的自動(dòng)調(diào)節(jié)，用 A3000 過程控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制。 關(guān)鍵詞：液位控制 A3000 控制系統(tǒng) S7300 控制 PID 雙容水箱液位調(diào)節(jié)閥遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 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(diào)節(jié)閥遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 1 1 緒論 本課題研究的國內(nèi)外現(xiàn)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(yīng)用。在控制理論和技術(shù)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(jié)構(gòu)，并且許多高級(jí)控制都是以 PID 控制為基礎(chǔ)。我們今天所熟知的 PID 控制器產(chǎn)生并發(fā)展于 19151940 年期間。盡管自 1940 年以來，許多先進(jìn)控制方法不斷推出，但PID 控制器以其結(jié)構(gòu)簡單，對(duì)模型誤差具有魯棒性及易于操作等優(yōu)點(diǎn)，仍被廣泛應(yīng)用于冶金、化工、電力、輕工和機(jī)械等工業(yè)過程控制中。 PID 控制器作為早實(shí)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(shù)容易整定，也正是由于這些優(yōu)點(diǎn)， PID 控制器現(xiàn)在仍然是應(yīng)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(shù)整定方法和參數(shù)自適應(yīng)方法的研究過程。最早的PID 參數(shù)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(shí)間已經(jīng)過去了半個(gè)世紀(jì)，但至今還在工業(yè)控制中普遍應(yīng)用。 1953 年 Cohen 和 Coon 繼承和發(fā)展了 ZN 公式，同時(shí)也提出了一種考慮被控過程時(shí)滯大小的 CohenCoon 整定公式。從目前 PID 參數(shù)整定方法的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀來看，以下幾個(gè)方面將是今后一段時(shí)間內(nèi)研究和實(shí)踐的重點(diǎn)： 本課題水箱液位控制采用調(diào)節(jié)閥控制液位， 基于 A3000 的豎直雙容下水箱液位調(diào)節(jié)閥 PID 控制大體可以分為三種分別是非調(diào)節(jié)的開 /關(guān)液位控制、可調(diào)的開 /關(guān)液位控制、調(diào)節(jié)型液位控制。 本課題研究的意義 隨著工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)自動(dòng)化檢測、測控系統(tǒng)的要求越來越高。一方面希望可靠性、實(shí)施性強(qiáng)，界面友好，操作簡單，另一方面又要求開發(fā)周期短，系統(tǒng)便于升級(jí)改造。因此最好的辦法就是在系統(tǒng)中利用各種控制軟件包，即組態(tài)軟件，并以此 為平臺(tái)進(jìn)行二次開發(fā)。組態(tài)軟件實(shí)際上是一個(gè)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(shù)，就能很好地完成一個(gè)復(fù)雜工程所要求的多個(gè)功能。另外，用組態(tài)軟件開發(fā)的系統(tǒng)具有與 Windows 一致的圖形化操作界面，非常便于生產(chǎn)的組織和管理。液位作為工業(yè)過程中的重要參數(shù)，廣泛應(yīng)用于化工、冶金、醫(yī)藥、航空燈領(lǐng)域，對(duì)液位的控制效果直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量，甚至影響生產(chǎn)設(shè)備的安全性。液位控 制雙容水箱液位調(diào)節(jié)閥遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 2 和人們的生活息息相關(guān)，我們有必要對(duì)其進(jìn)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(gòu)成實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可靈活地進(jìn)行過程組態(tài)，實(shí)施各種不同的控制方案，可以構(gòu)成一階系統(tǒng)，二階系統(tǒng)、三階系統(tǒng)和雙入雙出系統(tǒng)。液位控制系統(tǒng)是過程控制的重要研究模型，對(duì)液位控制系統(tǒng)的研究具有顯著的理論和實(shí)際意義。為了提高我在進(jìn)入自動(dòng)化專業(yè)工作崗位之前的實(shí)際動(dòng)手能力，提前接觸和適應(yīng)自動(dòng)化專業(yè)工作崗位中可能遇到的問題，本課題通過學(xué)習(xí)和使用自動(dòng)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(xué)習(xí)并掌握自動(dòng)化專業(yè)的相關(guān)軟件。 本論文的研究內(nèi)容 本次實(shí)驗(yàn)所用的 A3000 過程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 是以工業(yè)現(xiàn)場工藝設(shè)備為背景，以 自動(dòng)化教學(xué)要求和自動(dòng)化工程師認(rèn)證技能測試要求為依據(jù)推出的實(shí)驗(yàn)、培訓(xùn)和測 試平臺(tái)。 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(diào)節(jié)閥 PID 控制實(shí)驗(yàn)過 程和對(duì)實(shí)驗(yàn)的分析。 本次實(shí)驗(yàn)具體需要應(yīng)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(diào)節(jié)閥 PID 控制 S7300 來進(jìn)行編程，然后將上位機(jī)軟件系統(tǒng)與現(xiàn)場系統(tǒng)相連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)液位的 控制。 實(shí)驗(yàn)過程中，下水箱液位受到管道壓力、流量和調(diào)節(jié)閥開度的影響，為了很 好的調(diào)節(jié)下水箱液位和管道壓力、流量和調(diào)節(jié)閥開度之間的關(guān)系，應(yīng)用 PID 算法 來達(dá)到調(diào)節(jié)要求。因此用液位調(diào)節(jié)閥 PID 控制來調(diào)節(jié)液位有重要的研究價(jià)值。 實(shí)驗(yàn)最終結(jié)果是通過對(duì)水箱開度和 P、 I、 D 三個(gè)參數(shù)的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)對(duì)水箱液位 的控制。 雙容水箱液位調(diào)節(jié)閥遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 3 2 PID PID調(diào)節(jié)原理 PID 概述 目前工業(yè)自動(dòng)化水平已成為衡量各行各業(yè)現(xiàn)代化水平的一個(gè)重要標(biāo)志。同時(shí)，控制理論的發(fā)展也經(jīng)歷了古典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理 論三個(gè)階段。智能 控制的典型實(shí)例是模糊全自動(dòng)洗衣機(jī)等。 自動(dòng)控制系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。一個(gè)控制系統(tǒng)包括控制器、傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、輸入輸出接 口。控制器的輸出經(jīng)過輸出接口、執(zhí)行機(jī)構(gòu)，加到被控系統(tǒng)上；控制系統(tǒng)的被控量，經(jīng)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(tǒng)，其傳感器、 變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)是不一樣的。比如壓力控制系統(tǒng)要采用壓力傳感器。電加熱控制系統(tǒng)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(jīng)很多，產(chǎn)品已在工程實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用，有 各種各樣的 PID 控制器產(chǎn)品，各大公司均開發(fā)了具有 PID 參數(shù)自整定功能的智能調(diào)節(jié)器 (intelligent regulator)，其中PID 控制器參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整是通過智能化調(diào)整或自校正、自適應(yīng)算法來實(shí)現(xiàn)。有利用 PID 控制實(shí)現(xiàn)的壓力、溫度、流量、液位控制 器，能實(shí)現(xiàn) PID 控制功能的可編程控制器 (PLC)，還有可實(shí)現(xiàn) PID 控制的 PC系統(tǒng)等等。 PID 控制原理 及 特點(diǎn) 在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)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(diào)節(jié)。 PID控制器問世至今已有近 70年歷史，它 以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的 其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用 PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或 不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用 PID 控制技術(shù)。 PID控制，實(shí)際中也有 PI和 PD 控制。 PID 控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、 積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。 雙容水箱液位調(diào)節(jié)閥遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 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(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)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(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的 或簡稱有差系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積 分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸 出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)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(jìn)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(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。 自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會(huì)出現(xiàn)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(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入 “比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測誤差變化的趨勢(shì)，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(fù)值，從而避免了