毕设论文位液自动控制系统的研究.docx

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毕设论文位液自动控制系统的研究

液位自动控制系统的研究

摘要

水位控制系统设计是模拟工业生产过程中对水位、流量参数进行测量、控制、观察其变化特性，研究过程控制规律的课题，它主要研究过程控制中动态过程的一般特点——大惯性、大时延、非线性，难以对其进行精确控制，从而使其成为控制理论与控制工程、过程控制教学、试验和研究的理想对象。

本课题首先对水位控制系统做了整体的分析并简单介绍了水位控制系统的控制平台；然后详细介绍了PLC可编程控制器并详细分析了基于PLC的PID控制和串级PID控制，对串级控制系统的特点和主副回路设计进行了详述,设计了双容水箱串级水位控制系统,并根据4：

1衰减曲线法对PID参数进行整定；最后根据理论分析进行水位控制系统实验，实验结果表明系统具有优良的控制精度和稳定性。

关键词：

水位自动控制系统，PLC技术，PID控制，串级控制

TheResearchofTheWaterLevelAutomaticControlSystem

Abstract

Thewaterlevelcontrolsystemdesignisatopic,whichallowsstudyoftheprinciplesofprocesscontrolastheprocessvariables,forexamplethelevelandflux,tobemeasured,controlledandobservedforitsvariabilityduringthesimulationprocessofmodemindustrialmanufacture.Ithasthecommoncharacteristicofdynamicprocessinprocesscontrolsuchasgreatinertia,largerdelay,nonlinearanddifficulttobecontrolledprecisely,sothatitbecomesaperfectobjectinthefieldofcontroltheoryandcontrolengineering,processcontrolteaching,testingandstudy.

Thistopicfirsthasmadethewholeanalysistothewaterlevelcontrolsystemandsimplyintroducesthewaterlevelsystemcontrolplatform,thenintroducesthePLCprogrammablecontrollerindetailandamplyanalysesthePIDcontrolandthecascadePIDcontrolwhichbasedonPLC.Itintroducesthecascadecontrolsystemcharacteristicandthehostvice-returnroutedesignindetail.Thetwo-tankwaterlevelcascadecontrolsystemhasbeendesigned.ThenitcarriesonthePIDparameterby4:

1decaycurvelaw;finallythewatercontrolsystemexperimenthasbeendonebythetheoreticalanalysis.Theexperimentalresultindicatesthesystemhasthefinecontrolprecisionandthestability.

Keywords:

waterlevelcontrolsystem,PLC,PIDcontrol,cascadecontrol

目录

摘要I

AbstractII

1绪论1

1.1引言1

1.2水位控制当前的研究动态1

1.3PID调节器概述2

1.3.1PID控制特点2

1.3.2PID控制中尚需解决的问题3

1.4本文的主要工作4

2水位控制系统的整体分析5

2.1水位控制系统的整体设计5

2.2控制平台介绍5

2.2.1电源控制屏5

2.2.2交流变频调速器6

2.3被控对象介绍6

3可编程序控制器PLC概述8

3.1PLC的基本结构8

3.1.1CPU模块8

3.1.2I/O模块9

3.1.3编程装置9

3.1.4电源10

3.2西门子S7-200PLC简介10

3.2.1西门子S7-200PLC的功能概述10

3.2.2西门子S7-200PLC的特点11

3.2.3西门子S7-200PLC的硬件结构11

3.2.4西门子S7-200PLC的工作原理12

3.3西门子S7-200PLC的编程语言14

3.4Step7-Micro/WIN编程软件简介15

3.5西门子S7-200PLC的程序结构15

4PID控制器的设计16

4.1PID算法概述16

4.2串级控制系统18

4.2.1串级控制系统的特点18

4.2.2串级控制系统的设计19

4.3基于PLC的串级控制19

4.3.1控制系统框架19

4.3.2串级系统的参数整定21

5控制结果22

5.1控制软件简介22

5.1.1控制界面22

5.1.2控制软件的主要功能22

5.2实验结果及分析23

结束语26

致谢27

参考文献28

附录A（英文文献）30

附录B（中文译文）36

1绪论

1.1引言

随着现代工业的进步，水位控制技术迅速发展，但与国外相比仍有很大的差距，当国内还在对水利采取笨拙的排水、泄水方式时，国外便开始通过先进的测控设备，对水利资源进行合理的疏导。

水位控制系统是以水位为被控参数的控制系统，它在工业生产的各个领域都有广泛的应用。

在工业生产过程中，有很多地方需要对容器内的水位控制，使之高精度的保持在给定的数值。

水位控制一般指对某一水位进行控制调节，使之达到所要求的控制精度。

在本文中，以二阶的水位系统为研究对象，以双容水箱的水位为被控制量，主要研究基于PLC的PID控制器和串级PID控制的设计和实现。

1.2水位控制当前的研究动态

水位自动控制系统作为自动控制、化工过程等领域中非常典型的教学实验设备，它不仅可以作为水位过程控制的实验设备来供学生做试验，而且也应用于非线性控制和故障诊断的研究项目中，因此在国内外都受到广泛关注[1]。

文献[8]中SacoR.等人以控制教育的目的详细的介绍了双容水箱水位控制系统的构成，仿真建模和实时仿真；在德国杜伊斯堡大学（UniversityofDuisburg）测量与控制系的研究者使用“DTS200”模型成功地测试了非线性解耦的方法和基于模型的故障诊断方法。

文献[9]中NouraHassan等用双容水箱水位控制系统作为实验模型对执行器容错控制的设计进行了研究。

文献[10]用源于离散时间李雅普诺夫（Lyapunov）理论的控制技术与对实时故障估计有自寻优和在线自适应能力的现代智能技术相结合的方法对基于多模型的在线故障诊断与定位进行了研究，并给出了在双容水箱水位控制系统上进行仿真的试验结果。

文献[11]中TsudaK.等人利用水位控制系统作为试验对象提出了解决线性混杂系统重组问题的几种算法。

文献[12]为四个相识非线性滤波器推导了敏感模型，利用这些敏感模型得出一种广义自适应滤波算法（GeneralAdaptiveFilteringAlgorithm），并在双容水箱水位控制系统上进行了验证。

文献[13]通过水箱水位控制系统的例子，说明了在一个分布式智能控制系统内多个智能子系统之间进行动态协调的机制和大致过程。

文献[14]提出了一种推广的基于模型的预测控制（ExtendedMPC）方案，用以龙伯格—马夸特（Levenberg-Marquardt）算法离线训练非线性状态空间神经元网络为基础的摸，在水箱水位控制系统上验证了方案的正确性。

文献[15]利用ZIR（ZeroInputResponse）和ZSR（ZeroStateResponse）综合控制信号，构建基于非线性受控对象物理模型—水箱水位控制系统的仿真器，并利用其获得理想的控制特性。

文献[16]将多变量投影方法和径向基神经网络良好的逼近能力结合起来，提出了一种基于嵌入径向基神经网络的非线性主成分回归算法的过程监测及故障诊断方法，在水箱水位控制实验装置上进行的实验结果说明该方法确实能够有效地实现过程监测、快速地检测并诊断出故障状态。

上述文献都是以水箱水位控制系统为研究对象，对故障的检测与诊断以及分离和建模及监控策略进行了研究，并提出了很多行之有效的算法，为水箱水位控制系统的仿真及监控平台的开发提供了坚实的理论依据。

1.3PID调节器概述

1.3.1PID控制特点

PID控制是比例积分微分控制的简称。

在生产过程自动控制的发展历程中，PID控制是历史最久，生命力最强的基本控制方法。

在上世纪40年代以前，除在最简单的情况下可采用开关控制外，它上唯一的控制方法。

此后，随着科学技术的发展特别是电子计算机的诞生和发展，涌现出许多新的控制方法。

然而直到现在，PID控制由于它自身的优点仍然是得到最广泛应用的基本控制方法[2-5]。

事实表明，对于PID这样简单的控制器，能够适用于如此广泛的工业与民用对象，并仍以很高的性能／价格比在市场中占据着重要地位，充分地反映了PID控制器的良好品质。

概括地讲，PID控制的优点主要体现在以下几个方面：

1、简单实用，易于实现，性能优良。

PID控制器具有简单而固定的形式，原理也不复杂，使用起来很方便，控制效果也很好。

2、适用范围广泛。

它可以广泛应用于化工、热工、冶金、炼油以及造纸、建材等各种生产部门。

3、鲁棒性能优良。

其控制品质对被控对象特性的变化不大敏感，在很宽的操作条件范围内都能保持较好的鲁棒性。

4、易于在线整定。

它允许工程技术人员以一种简单而直接的方式来调节系统。

由于具有这些优点，在过程控制中，人们首先想到的总是PID控制，但PID参数复杂繁琐的整定过程一直困扰着工程技术人员，研究PID参数整定技术具有十分重要的工程实践意义。

1.3.2PID控制中尚需解决的问题

常规的PID控制器设计大致可分为基于模型的方法和基于规则的方法。

在基于模型的方法中，可先假定精确的数学模型（如FOPDT、SOPDT），通过瞬态响应（如脉冲响应、阶跃响应）或频率响应的实验，或通过参数辨识（如最小二乘法）的方法获得过程模型的参数，或者仅仅只获得被控过程的某些特性参数（如临界比例增益、临界振荡周期），通过这些参数来优化控制器参数，得到我们所期望的控制器性能[6]。

在这些控制器的设计方法中，所采用的性能指标可分为两大类[7]：

一类是时域性能指标，诸如超调量（overshot）、上升时间（risingtime）、过渡过程时间（settlingtime）、积分误差（如IAE、ISE、ITAE）等；另一类是频域性能指标，如增益裕度（GainMargin）、相角裕度（PhaseMargin）等。

时域性能指标虽然很好的展现了控制器某一方面的性能，但显然它忽视了控制系统一个很重要的方面——鲁棒性（Robustness），我们知道，我们所用的数学模型往往是不精确的，实际情况是，对象或过程往往是时变的，难于建立精确的数学模型，因此，基于精确的数学模型的控制器整定或设计方法通常是不鲁棒的，在进行控制器设计和比较时，我们不仅要看时域性能的好坏，而且也要考虑频域鲁棒性。

在频域性能指标中，最常用的是增益裕度和相角裕度，它们可以反映对象的不确定性，在很多情况下是很好的鲁棒性能尺度，Ho等人研究了一些著名的PID整定公式的增益裕度和相角裕度,得出一些结论:

在基于复合（load-based）的整定方法中,增益裕度一般为1.5,相角裕度从30变化到60度；在基于设定点（setpoint-based）的整定方法中,增益裕度一般为2，相角裕度在65度左右，但遗憾的是，作为鲁棒性能指标，增益裕度和相角裕度是相关的，有些时候表现出了矛盾的一面，而且，增益裕度和相角裕度也不适用于多变量过程。

因此，我们有必要发展新的鲁棒性能尺度以克服上述的缺陷[17-18]。

1.4本文的主要工作

本文以二阶水位控制系统为研究对象，对其特性进行整体分析。

然后介绍了PLC可编程控制器的基本常识并设计出水位控制系统基于PLC的PID控制、PID串级控制，并用PLC程序实现了其控制算法。

具体内容如下：

（1）绪论主要介绍本课题的研究内容、水位控制系统研究现状，PID控制的特点及尚未解决的问题，以及本课题所做的主要工作。

（2）水位控制系统的整体分析，并介绍了相应的控制平台。

（3）对PLC可编程控制器作了介绍.

（4）控制系统基于PLC的PID控制，串级PID控制的研究与实现。

（5）根据理论知识做出水位控制系统实验，对串级PID控制的调节过程进行分析。

（6）总结和展望对已完成的工作进行总结，并对今后的工作提出建议。

2水位控制系统的整体分析

2.1水位控制系统的整体设计

水箱自动控制系统主要由计算机、控制平台和被控对象组成。

被控对象包括上水箱、下水箱、储水箱以及管道。

控制平台主要包括电源控制屏、PLC可编程控制器和交流变频调速器。

根据需要配置了微机通讯接口单元（RS232），以满足计算机实时控制需要。

水位控制系统的系统方框图如图2.1所示：

图2.1水位控制系统方框图

如图2.1所示，先在计算机中设定控制参数，通过通讯设备传送给PLC控制器，PLC根据接受到的控制信号和所编制的程序动作，从而控制变频器工作，变频器工作带动电机与水泵工作，给被控对象打水，检测与变送将检测被控对象的水位高度并传送给PLC控制器，测量值通过采样在计算机中显示。

2.2控制平台介绍

2.2.1电源控制屏

水箱水位控制系统的电源控制屏主要由一个交流电源控制区与三个执行部件接线区组成.

交流电源控制区：

由总电源钥匙开关、空气开关、带灯启动和停止按扭、漏电保护器、电加热器控制开关、照明开关、电压表、报警指示灯与复位按扭等组成。

具体操作方法如下：

1、将电源插座接220V市电电源，要注意“左零右火”的接线方式且要有可靠的接线保护。

2、插上三芯插头，此时控制屏左、右两侧的三芯电源插座均带电。

3、先打开空气开关，再打开总电源钥匙开关，此时“停止”按扭红灯亮，表示系统总电源接通。

4、按下“启动”按扭，此时“启动”按扭绿灯亮表示系统电源接通。

5、拨开照明开关到上侧，此时接通日光灯电源，日光灯亮。

本装置配有电压型和电流型漏电保护系统。

当屏上漏电时保护系统动作，报警灯亮并自动切断系统电源，等到解除报警时才能启动。

2.2.2交流变频调速器

交流变频器为三菱FR-S520S-0.4K型。

为了是变频器各接线端子不因每次做试验经常的装拆线而损坏或丢失，应将常用端子引到挂箱面板上，以方便试验连线，它们分别是：

1、A、B、C：

变频器的三个输出端，连接三相鼠笼电机三相定子绕组的接线端U、V、W。

2、2和5：

外部电压控制信号（0-5V）输入端，2接信号正极，5接信号地线。

3、STF、STR：

电机正转与反转控制端，当STF与SD相连时电机为正转，当STR与SD相连时电机为反转。

交流变频器的作用是根据PLC可编程控制器发送来的信号，改变电机的转速，从而改变水泵的打水量，达到控制水位平衡的目的。

2.3被控对象介绍

被控对象系统结构组成如图2.2所示：

图2.2系统结构流程图

被控对象的供水有两路：

一路是由磁力泵1从储水箱中抽水，通过阀1再经阀3向上水箱供水、经阀4向下水箱供水、经阀5向复合加热水箱的内胆供水；另一路是磁力泵2从储水箱中抽水，分别通过阀2经阀9向上水箱供水、经阀10向下水箱供水，经阀11向复合加热水箱的夹套供水。

每个水箱的出水口均经过线性化处理，上水箱的水通过阀6流到下水箱，在上水箱中安装了压力传感器（PT、LT），用于检测压力、液位的大小；而下水箱的水经阀7流到复合加热水箱的外套，再经阀8流回储水箱，各水箱都设有溢流口，保证水箱满后不外流并顺利经溢流口流回储水箱。

3可编程序控制器PLC概述

3.1PLC的基本结构

可编程序控制器主要有CPU模块、输入模块、输出模块、编程装置和电源

组成，如图3.1所示。

图3.1可编程控制器示意图

3.1.1CPU模块

在可编程序控制器控制系统中，CPU模块不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出，统一命令和协调整个PLC控制系统的工作过程。

CPU模块的工作电压一般是DC5V。

CPU模块主要由微处理器（CPU芯片）和存储器组成。

1.微处理器

微处理器分为：

通用微处理器、单片微处理器和位片式微处理器。

其主要有如下功能：

（1）接收从编程器输入的用户程序和数据，送入存储器存储；

（2）用扫描方式接收输入设备的状态信号，并存入相应的数据区；

（3）监测和诊断电源、PLC内部电路工作状态和用户程序编程过程中的语法错误；

（4）执行用户程序、完成各种数据的运算、传递和存储等功能；

（5）根据数据处理的结果，刷新有关标志位的状态和输出状态寄存器表中的内容，以实现输出控制、制表打印或数据通信等功能。

2.存储器

存储器分为：

系统程序存储器和用户程序存储器。

系统程序存储器存放着

系统程序，系统程序是由可编程序控制器生产厂家设计并固化只读存储器ROM中，能完成可编程序控制器设计者规定的工作，且用户不能读取；用户程序存储器存放着用户编制的控制程序，其容量以字为单位，用户程序由用户设计，使可编程序控制器完成用户要求的特定功能。

3.1.2I/O模块

输入模块和输出模块简称为I/O模块，联系着外部现场和CPU模块之间的桥梁。

输入模块用来接收和采集输入信号。

数字量输入模块用来接收从按钮、选择开关、数字拨码开关、限位开关、接近开关、光电开关、压力继电器等来的数字量输入信号；模拟量输入模块用来接收电位器、测速发电机和各种变送器提供的连续变化的模拟量电流电压信号。

输出模块用来发送输出信号。

数字量输出模块用来控制接触器、电磁阀、电磁铁、指示灯、数字显示装置和报警装置等输出设备；模拟量输出模块用来控制调节阀、变频器等执行装置。

I/O模块除了传递信号外，还有电平转换与隔离的作用。

3.1.3编程装置

编程装置是PLC不可缺少的一部分，用来生成用户程序，并对其进行编辑、检查和修改，还可以在线监视PLC的工作状态。

编程装置通过接口与CPU模块联系，实现人机对话。

使用编程软件不仅可以设置可编程序控制器的各种参数，还可以在屏幕上直接生成和编辑梯形图、指令表、功能块图和顺序功能图程序，并可以实现不同编程语言的相互转换。

程序被编译下载到可编程序控制器，也可以将可编程序控制器中的程序上传到计算机。

程序可以存盘或打印，还可以通过网络实现远程编程和传送。

3.1.4电源

可编程序控制器使用220V交流电源或24V直流电源。

内部的开关电源为各模块提供DC5V、±12V、24V等直流电源。

驱动可编程序控制器负载的直流电源一般有用户提供。

3.2西门子S7-200PLC简介

3.2.1西门子S7-200PLC的功能概述

西门子S7-200PLC系列属于小型可编程序控制器，可用于简单的控制场合，也可用于复杂的自动化控制系统。

由于它具有极强的通信功能，即使在大型的网络控制系统中也能充分发挥作用。

S7-200PLC系统是紧凑型可编程序控制器。

系统的硬件构架是由成系统的CPU模块和丰富的扩展模块组成。

它能够满足各种设备的自动化控制需求。

应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。

如：

冲压机床、印刷机械、中央空调、电梯控制、运动系统等等。

S7-200系列除了具有PLC的基本控制功能以外，还在以下三个方面有独到之处：

（1）功能强大的指令集

指令内容包括位逻辑指令、计数器、定时器、复杂数学运算指令、PID指令、字符串指令、时钟指令、通讯指令以及和智能模块配合的专用指令等。

（2）丰富强大的通讯功能

S7-200提供了十种左右的通讯方式以满足不同的应用需求，从简单的S7-200之间的通讯到S7-200通过Profibus-DP网络通讯，甚至到S7-200通过以太网通讯。

（3）编程软件的易用性

STEP7-Micro/WIN32编程软件为用户提供了开发、编辑和监控的良好编程环境。

Windows的界面风格、以及丰富的编程向导和帮助信息，能够使用户快速上手。

西门子S7-200系列PLC具有极高的性价比，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。

S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。

3.2.2西门子S7-200PLC的特点

S7-200系列具有鲜明的特点：

（1）极高的可靠性；

（2）极丰富的指令集；（3）数据安全性；（4）易于掌握，操作便捷；（5）丰富的内置集成功能；（6）实时特性；（7）强劲的通讯能力；（8）丰富的扩展模块。

3.2.3西门子S7-200PLC的硬件结构

西门子S7-200系列PLC具有牢固紧凑的塑料外壳，通过安装孔垂直或水平地安装在板上或安装在标准DIN导轨上。

利用总线连接电缆，可以把CPU模块和其他扩展模块，如数字量I/O模块、模拟量I/O模块、通讯模块等等，连接起来。

采用可选的端子排作为固定的接线配件，易于接线。

S7-200CPU外形如图3.2所示。

图3.2S7-200CPU外形示意图

S7-200CPU将一个微处理器、一个集成的电源和若干数字量I/O点集成在一个紧凑的封装中，组成一个功能强大的PLC。

西门子提供了多种类型的CPU，以适应各种应用的要求。

目前，提供的S7-200CPU有：

CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP、CPU226、CPU226XM。

我们使用的是具有较强控制功能的CPU226。

可以利用PC/PPI电缆和自由口通讯功能把S7-200CPU连接到许多和RS-232标准兼容的设备。

目前有两种不同型号的PC/PPI电缆：

带有RS-232口的隔离型PC/PPI电缆，用5个DIP开关设置波特率和其它配置项；带有RS-232口的非隔离型PC/PPI电缆，用4个DIP开关设置波特率。

3.2.4西门子S7-200PLC的工作原理

S7-200PLC具有两种工作模式，分别是：

运行（RUN）模式和停止（STOP）模式。

在运行模式下，通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能；在停止模式下，S7-200C