【正文】 編寫并調(diào)試水箱液位調(diào)節(jié)閥 PID 控制程序 5 月 24 日 ~6 月 17 日 撰寫畢業(yè)論文起 止 時(shí) 間 工 作 內(nèi) 容 主要參考書目 (資料 ) 主要參考書目 (資料 ) [1]胡壽松 .自動(dòng)控制原理 .科學(xué)出版社 ,2021。 [3]A3000 過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)指導(dǎo)書 .清華大學(xué)深圳研究院工程教育中心， 2021。在控制理論和 技術(shù)飛速發(fā)展的今天，工業(yè)過(guò)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)。盡管自 1940 年以來(lái)，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(jiǎn)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(guò)程控制中。 PID 的發(fā)展過(guò)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(guò)程。 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(guò)程時(shí)滯大小的 CohenCoon 整定公式。 （ 2）對(duì)于多入多出被控對(duì)象，需要研究針對(duì)具有顯著耦合的多變量過(guò)程的多 變量 PID 參數(shù)整定方法，進(jìn)一步完善分散繼電反饋方法，盡可能減少所需先驗(yàn)信 息量，使其易于在線整定。這些都是只能 PID 控 制發(fā)展 的極有前途的方向。 液位控制問(wèn)題是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的一類常見問(wèn)題，例如在飲料、食品加工，溶液過(guò)濾，化工生產(chǎn)等多種行業(yè)的生產(chǎn)加工過(guò)程中都需要對(duì)液位進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂啤Ｓ捎谝后w本身的屬性及控制機(jī)構(gòu) (電機(jī)、閥門等 )摩擦等因素的影響，控制對(duì)象具有一定純滯后和容量滯后的特點(diǎn)，水位上升的過(guò)程緩慢，呈現(xiàn)非線性。時(shí)滯系統(tǒng)作為復(fù)雜控制系統(tǒng)中的一個(gè)重要部分廣泛存在于現(xiàn)代的工業(yè)過(guò)程中。由于雙容水箱所固有的特性決定了其控制的復(fù)雜性， 因此對(duì)雙容水箱的模型設(shè)計(jì)和控制方法研究是有必要的。 液位控制，在豎直雙容下水箱液位調(diào)節(jié)過(guò)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(lái)達(dá)到調(diào)節(jié)要求。雙容水槽液位控制系統(tǒng)是一類典型的控制實(shí)驗(yàn)設(shè)備，它具有非線性、強(qiáng)耦合和滯后性的特點(diǎn)，可用于檢驗(yàn)各種控制理論在非線性、滯后系統(tǒng)中的應(yīng)用效果。同時(shí)，它也是控制理論應(yīng)用的一個(gè)重要領(lǐng)域，因此對(duì)于時(shí)滯系統(tǒng)的研究有其很重要的意義。 重點(diǎn)研究的關(guān)鍵問(wèn)題： PID 原理、壓力變頻器 PID 原理及軟件的編寫解決思路：見原理圖 雙容水箱液位調(diào)節(jié)閥遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 可行性分析： 水介質(zhì)由泵 P102 從水箱 V104 中加壓獲得壓頭，經(jīng)由調(diào)節(jié)閥 FV101進(jìn)入水箱V102，通過(guò)手閥 QV11水箱 V10手閥 QV116 回流至水箱 V104 大儲(chǔ)水箱而形成水循環(huán)：其中，水箱 V103 的液位有 LT103 測(cè)得，用調(diào)節(jié)閥 QV116 或 QV117 的開啟程度來(lái)模擬負(fù)載的大小， QV118全開。 3． 完成本課題的工作方案 1月 10日 —— 4月 05日了解 PID 的基本原理 4月 06日 —— 4月 20日 熟悉 S7300 軟件編程環(huán)境及組態(tài)王軟件 4月 21日 —— 5月 09日畫出組態(tài)王監(jiān)控畫面 5月 10日 —— 5月 23日編寫并調(diào)試水箱液位調(diào)節(jié)閥 PID 控制程序 5月 24日 —— 6月 17日撰寫畢業(yè)論文。 西安郵電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )成績(jī)?cè)u(píng)定表 學(xué)生姓名 郭珂 性別 男 學(xué)號(hào) 06071090 專業(yè)班級(jí) 自動(dòng) 0703 班 課題名稱 雙容水箱液位調(diào)節(jié)閥遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 課題 類型 實(shí)際 應(yīng)用 難度 一 般 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）時(shí)間 2021 年 1 月 10 日 ～ 6 月 17 日 指導(dǎo)教師 沈建冬 (職稱 講師 ) 課題任務(wù) 完成情況 論 文 (千字 )； 設(shè)計(jì)、計(jì)算說(shuō) 明書 (千字 )； 圖紙 (張 )； 其它 (含附 件 )： 指導(dǎo)教師意見 分項(xiàng)得分：開題調(diào)研論證 分； 課題質(zhì)量（論文內(nèi)容） 分； 創(chuàng)新 分； 論文撰寫（規(guī)范） 分； 學(xué)習(xí) 態(tài)度 分； 外文翻譯 分 指導(dǎo)教師審閱成績(jī)： 指導(dǎo)教師 (簽字 )： 年 月 日 評(píng) 閱 教 師 意見 分項(xiàng)得分：選題 分； 開題調(diào)研論證 分； 課題質(zhì)量（論文內(nèi)容） 分； 創(chuàng)新 分； 論文撰寫（規(guī)范） 分； 外文翻譯 分 評(píng)閱成績(jī)： 評(píng)閱教師 (簽字 )： 年 月 日 驗(yàn)收小組意見 分項(xiàng)得分：準(zhǔn)備情況 分； 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）質(zhì)量 分； （操作）回答問(wèn)題 分 驗(yàn)收成績(jī)： 驗(yàn) 收教師 (組長(zhǎng) )(簽字 )： 年 月 日 答 辯 小組 意 見 分項(xiàng)得分：準(zhǔn)備情況 分； 陳述情況 分； 回答問(wèn)題 分； 儀表 分 答辯成績(jī)： 答辯小組組長(zhǎng) (簽字 )： 年 月 日 成績(jī)計(jì)算方法 (填寫本系實(shí)用比例 ) 指導(dǎo)教師成績(jī) (％ ) 評(píng)閱成績(jī) (％ ) 驗(yàn)收成績(jī) (％ ) 答辯成績(jī) (％ ) 學(xué)生實(shí)得成績(jī) (百分制 ) 指導(dǎo)教師成績(jī) 評(píng)閱成績(jī) 驗(yàn)收成績(jī) 答辯成績(jī) 總評(píng) 答辯委員會(huì)意見 畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) )總評(píng)成績(jī) (等級(jí) )： 答辯委員會(huì)主任 (簽字 )： 院（系） (簽章 ) 年 月 日 備 注 西安郵電學(xué)院畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) )成績(jī)?cè)u(píng)定表 (續(xù)表 ) 目錄 摘要 .................................................................................................................................I Abstract .......................................................................................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。這里 “ 過(guò)程 ” 是指在生產(chǎn)裝置或設(shè)備中進(jìn)行的物質(zhì)和能量的相互作用和轉(zhuǎn)換過(guò)程。 通過(guò)對(duì)過(guò)程參量的控制，可使生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)品的產(chǎn)量增加、質(zhì)量提高和能耗減少。 液位控制是工業(yè)中常見的過(guò)程控制，它對(duì)生產(chǎn)的影響不容忽視。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。 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(guò)程控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制。在控制理論和技術(shù)飛速發(fā)展的今天，工業(yè)過(guò)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)。盡管自 1940 年以來(lái)，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(jiǎn)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(guò)程控制中。 PID 的發(fā)展過(guò)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(guò)程。 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(guò)程時(shí)滯大小的 CohenCoon 整定公式。 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(cè)、測(cè)控系統(tǒng)的要求越來(lái)越高。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)。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(yǔ)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。液位作為工業(yè)過(guò)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。液位不僅是工業(yè)過(guò)程中的常見變量，且便于直接觀 察，也容易測(cè)量。液位控制系統(tǒng)是過(guò)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。 本論文的研究?jī)?nèi)容 本次實(shí)驗(yàn)所用的 A3000 過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 是以工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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(cè)試要求為依據(jù)推出的實(shí)驗(yàn)、培訓(xùn)和測(cè) 試平臺(tái)。 本次實(shí)驗(yàn)具體需要應(yīng)用組態(tài)王 軟件來(lái)建立雙容液位控制組態(tài)，并且通過(guò) 基于 A3000 的豎直雙容下水箱液位調(diào)節(jié)閥 PID 控制 S7300 來(lái)進(jìn)行編程，然后將上位機(jī)軟件系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)相連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)液位的 控制。因此用液位調(diào)節(jié)閥 PID 控制來(lái)調(diào)節(jié)液位有重要的研究?jī)r(jià)值。 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。智能 控制的典型實(shí)例是模糊全自動(dòng)洗衣機(jī)等。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。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。電加熱控制系統(tǒng)的傳感器是溫度傳感器。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控制器問(wèn)世至今已有近 70年歷史，它 以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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。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(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用 PID 控制技術(shù)。 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。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。 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。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。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。 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。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。這就是說(shuō)，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(cè)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，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。 PID 算法 PID 算法概述 在過(guò)程控制中，按偏差的比例（ P）、積分（ I）和微分（ D）進(jìn)行控制的 PID控制器（亦稱 PID 調(diào)節(jié)器 ）是應(yīng)用最為廣泛的一種自動(dòng)控制器。 PID 調(diào)節(jié)規(guī)律是 連續(xù)雙容水箱液位調(diào)節(jié)閥遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 5 系統(tǒng) 動(dòng)態(tài)品質(zhì)校正的一種有效方法，它的參數(shù)整定方式簡(jiǎn)便，結(jié)構(gòu)改變靈活（ PI、PD、 ? ）。 (1) 比例系數(shù)Ｋ p 對(duì)系統(tǒng)性能的影響 比例系數(shù)加大，使系統(tǒng)的動(dòng)作靈敏，速度加快，穩(wěn)態(tài)誤差減小。Ｋ p太大時(shí)，系統(tǒng)會(huì)趨于不穩(wěn)定。Ｋ p可以選負(fù)數(shù)，這主要是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器以控制對(duì)象的特性決定的。 (2) 積分控制Ｔｉ對(duì)系統(tǒng)性能的影響 積分作用使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，Ｔｉ?。ǚe分作用強(qiáng)）會(huì)使系統(tǒng)不穩(wěn)定，但能消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的控制精度。Ｔｄ偏小時(shí)，超調(diào)量也較大，調(diào)節(jié)時(shí)間也較長(zhǎng)。 雙容水箱液位調(diào)節(jié)閥遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 6 3 PLC和組態(tài)王軟件 PLC S7300介紹 S730