单容水箱液位恒值控制系统设计

过程控制系统课程设计专业：自动化设计题目：单容水箱液位恒值控制系统设计班级：自动化0841学生姓名：王欢学号：15指导教师：尹振红分院院长：许建平教研室主任：方健电气工程学院一、课程设计任务书1. 设计内容针对某厂的液位控制过程与要求实现模拟控制，其工艺过程如下：用泵作为原动力，把水从低液位池抽到高液位池，实现对高液位池液位高度的自动控制。

具体设计内容是利用西门子S7-200PLC作为控制器，实现对单容水箱液位高度的定值控制，同时利用MCGS组态软件建立单容水箱液位控制系统的监控界面，实现实时监控的目的。

2. 设计要求1）以RTGK-2型过程控制实验装置中的单个水箱作为被控对象、PLC作为控制器、静压式压力表作为检测元件、电动调节阀作为执行器构成一个单容水箱单闭环控制系统，实现对水箱液位的恒值控制。

2）PLC控制器采用PID算法，各项控制性能满足要求：超调量≤15%，稳态误差≤±0.1；调节时间ts≤60s；3）组态测控界面上，实时设定并显示液位给定值、测量值及控制器输出值；实时显示液位给定值实时曲线、液位测量值实时曲线和PID输出值实时曲线；并能显示历史曲线。

4）选择合适的整定方法确定PID参数，并能在组态测控界面上实时改变PID参数；5）通过S7-200PLC编程软件Step7实现PLC程序设计与调试；6）分析系统基本控制特性，并得出相应的结论；7）设计完成后，提交打印设计报告。

3. 参考资料1）邵裕森,戴先中主编.过程控制工程(第2版).北京:机械工业出版社.2003 2）崔亚嵩主编.过程控制实验指导书（校内）3）廖常初主编.PLC编程及应用(第2版).北京:机械工业出版社.20074）吴作明主编.工业组态软件与PLC应用技术.北京:北京航空航天大学出版社.20074. 设计进度（2011年12月5日至2011年12月19日）时间设计内容2011.12.5 布置设计任务、查阅资料、进行硬件系统设计2011.12.6~7 编制PLC控制程序，并上机调试；2011.12.8~9工程文件2011.12.12~13 进行MCGS与PLC的连接与调试进行PID参数整定2011.12.14~15 系统运行调试，实现单容水箱液体定值控制2011.12.16 答辩2011.12.17~19 写设计报告书5. 设计时间及地点设计时间：上午：8：00～11：00下午：1：00～4：00晚上：6：00~9：00设计地点：新实验楼，过程控制实验室（310）机房（323）二、评语及成绩课程设计成绩：指导教师：过程控制系统课程设计报告班级：自动化0841姓名：王欢学号： 15指导教师：尹振红撰写日期： 2011-12-16摘要本文根据液位系统过程机理，建立了单容水箱的数学模型。

在设计中用到的PID算法提到得较多，PLC方面的知识较少。

并根据算法的比较选择了增量式PID算法。

建立了PID液位控制模拟界面和算法程序，进行了系统仿真，并通过整定PID参数，同时得出了整定后的仿真曲线和实际曲线。

本文的主要内容包括：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。

PLC在工业自动化中应用的十分广泛。

PID控制经过很长时间的发展，已经成为工业中重要的控制手段。

本设计就是基于PLC的PID算法对液位进行控制。

PLC经传感电路进行液位高度的采集，然后经过自动调节方式来确定完PID参数后，通过控制直流泵的工作时间来实现液位的控制。

MCGS(监视与控制通用系统)是用于快速构造上位机监控系统的组态软件系统，系统的监测环节就是通过MCGS来设计的。

这样我们就可以通过组态画面对液位高度和泵的起停情况进行监测，而且可以对PLC进行启动、停止、液位高度设置等控制。

整个系统运行稳定、简单实用，MCGS与PLC通信流畅。

过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。

作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。

PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。

大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。

PID处理一般是运行专用的PID子程序。

过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。

目录摘要 (6)目录 0第一章课程设计内容与要求分析 01.1课程设计内容 01.2课程设计要求分析 01.3 PID控制的原理和特点 01.3.1比例（P）控制及调节过程 (1)1.3.2积分（I）控制及调节过程 (1)1.3.3微分（D）控制及调节过程 (2)1.4单容上水箱自衡过程的建摸 (4)第二章课程设计的方案 (8)2.1 MCGS组态软件概述 (8)2.2系统设计PLC程序 (9)2.3 软件调试 (12)2.3.1 设备之间安装与连接 (13)2.3.2 系统的联机调试 (14)第三章课程设计总结 (17)参考文献 (18)附录 (19)第一章课程设计内容与要求分析1.1课程设计内容针对某厂的液位控制过程与要求实现模拟控制，其工艺过程如下：用泵作为原动力，把水从低液位池抽到高液位池，实现对高液位池液位高度的自动控制。

具体设计内容是利用西门子S7-200PLC作为控制器，实现对单容水箱液位高度的定值控制，同时利用MCGS组态软件建立单容水箱液位控制系统的监控界面，实现实时监控的目的。

1.2课程设计要求分析（1）以RTGK-2型过程控制实验装置中的单个水箱作为被控对象、PLC 作为控制器、静压式压力表作为检测元件、电动调节阀作为执行器构成一个单容水箱单闭环控制系统，实现对水箱液位的恒值控制。

（2）PLC控制器采用PID算法，各项控制性能满足要求：超调量≤15%，稳态误差≤±0.1；调节时间ts≤60s；（3）组态测控界面上，实时设定并显示液位给定值、测量值及控制器输出值；实时显示液位给定值实时曲线、液位测量值实时曲线和PID输出值实时曲线；并能显示历史曲线。

（4）选择合适的整定方法确定PID参数，并能在组态测控界面上实时改变PID参数；（5）通过S7-200PLC编程软件Step7实现PLC程序设计与调试；（6）分析系统基本控制特性，并得出相应的结论；1.3 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。

1.3.1比例（P ）控制及调节过程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 ）。

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：eK u p ∆=∆ （1-1） 式中 u ∆——调节器的输出变化值；e ∆——调节器的输入，即偏差；p K——比例调节器的放大倍数。

放大倍数P K 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。

1.3.2积分（I ）控制及调节过程在积分控制中，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。

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：这里，表示PI调节作用的参数有两个：比例度P和积分时间I。

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。

1.3.3微分（D）控制及调节过程在微分控制中，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。

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。