单容水箱液位恒值控制系统设计毕业设计.doc

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1、 毕业设计（论文） 单容水箱液位恒值控制系统设计专业（系） 电气工程系电气自动化 班 级 工控103班 学生姓名 指导老师 完成日期 摘要本文根据液位系统过程原理，建立了单容水箱的数学模型。在设计中用到的PID算法和PLC方面的知识。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、S7-200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

2、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。

3、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。关键词: PID控制 过程控制 液位控制 PLCAbstractAccording to the principle of level system process to establish a mathematical model of the single-tank water. PID algorithm

4、and PLC knowledge used in the de-sign. PID level control analog interface and algorithm, system simulation, and tun-ing PID parameters, obtained after setting the simulation curve and the actual curve.The main content of this paper include: PLC generation and definition, development of process contr

5、ol, S7-200 programmable controller hardware grasp the comparison of the performance of PID parameter tuning and parameter control, PID control algorithm experimental curve analysis, part of the introduction of the entire system and explain the PLC process control tank water level control instruction

6、s PID instruction. PLC in a wide range of industrial automation applications. PID control after a very long period of development, has become an important means of control in the indus-try. The design is based on PLC PID algorithm to control the liquid level. PLC via the sensing circuit, the height

7、of liquid acquisition, and then after the automatic adjustment After the PID parameters is determined to achieve a liquid level control, through the control of the working time of the DC pump. MCGS (monitoring and control of the general system) configuration PC monitoring system for the rapid constr

8、uction of software systems, the monitoring aspects of the system design by MCGS. So that we can through the configuration screen of the liquid level and pump start and stop monitoring the PLC and can start, stop, set the height of liquid level control. Entire system is stable, simple and practical,

9、on MCGS PLC communication smooth. Process control is the closed-loop control of temperature, pressure, flow and other analog. As industrial control computer, PLC program can prepare a wide variety of control algorithms, the completion of the closed-loop control. PID regulator is generally closed-loo

10、p control system used more adjustment method. Medium-sized PLC has PID module, many small PLC with this function module. The PID treatment generally run dedicated PID subroutine. Process control in metallurgy, chemical industry, heat treatment, boiler control, and other occasions there is a very wid

11、e range of applications.Keywords: PID control PLC process control level control目录摘要IAbstractII第一章 绪论11.1过程控制的定义及发展11.2本文研究的目的、意义21.3本文研究的主要内容3第二章 硬件设计42.1单容水箱液位系统整体组成42.2执行器的选择42.3 液位变送器的选择52.4 PLC的概述62.5 西门子S7-200控制系统82.5.1 CPU模块92.5.2 I/O单元及I/O扩展接口92.5.3电源部分102.6西门子 S7-200的工作原理10第三章 算法设计123.1 水箱液位

12、控制系统原理框图123.2 水箱液位控制系统的数学模型133.3 PID算法的工作控制原理和特点153.4 PID控制器参数整定163.4 PID 参数的调整原则183.5 PID调节各个环境及其调节过程183.5.1比例（P）控制及调节过程183.5.2比例积分（PI）控制及调节过程193.5.3比例积分微分（PID）控制及调节过程20第四章 系统设计224.1 MCGS通用监控系统的构成及其主要功能224.2 MCGS通用监控系统的创建过程234.3系统设计PLC程序244.4系统界面的制作和调试284.4.1 设备配置284.4.2 新建画面284.4.3 设备连接32第五章 总结37参

13、考文献38第一章 绪论计算机控制是自动技术的重要应用领域，它是指对液位、温度、流量等过程变量进行控制，在冶金、机械、化工、电力等方面得到了广泛应用。尤其是液位控制技术在现实生活、生产中发挥了重要作用，比如，民用水塔的供水，如果水位太低，则会影响居民的生活用水；工矿企业的排水与进水，如果排水或进水控制得当与否，关系到车间的生产状况；锅炉汽包液位的控制，如果锅炉内液位过低，会使锅炉过热，可能发生事故；精流塔液位控制，控制精度与工艺的高低会影响产品的质量与成本等。在这些生产领域里，基本上都是劳动强度大或者操作有一定危险性的工作性质，极容易出现操作失误，引起事故，造成厂家的的损失。可见，在实际生产中，

14、液位控制的准确程度和控制效果直接影响到工厂的生产成本、经济效益甚至设备的安全系数。所以，为了保证安全条件、方便操作，就必须研究开发先进的液位控制方法和策略。19世纪70年代以来(全盘自动化阶段)：发展到现代过程控制的新阶段，主要特点：检测和控制仪表-新型仪表、智能化仪表、微型计算机；过程控制系统结构-由单多变量系统，由PID控制规律在通过PLC程序与在MCGS组态软件下做出的动态界面进行动态连接，在经过检查证明组态的设置没有错误后，进入MCGS的运行环境，可以在MCGS运行环境下看到液位的实时曲线的变化输出情况，随时对水箱的液位状况进行调整和监测。在运行环境中可以通过鼠标在线的改变PID的参数

15、设定值来实现对上下水箱的液位调节和控制，可以使系统达到要求值,从而大大提高了工作效率。1.1过程控制的定义及发展生产过程自动化，一般是指石油、化工、冶金、炼焦、造纸、建材、陶瓷及电力发电等工业生产中连续的或按一定程序进行的生产过程的自动控制。电力拖动及电动机运转等过程的自动控制一般不包括在内。凡是采用模拟或数字控制方式对生产过程的某一或某些物理参数进行的自动控制通称为过程控制。过程控制是自动控制学科的一个重要分支，是对过程控制系统进行分析与综合。进入90年代以来，自动化技术发展很快，并取得了惊人的成就，已成为国家高科技的重要分支。过程控制是自动化技术的重要组成部分。在现代工业生产自动化中，过程

16、控制技术正在为实现各种最优的技术经济指标、提高经济效益和劳动生产率、节约能源、改善劳动条件、保护环境卫生等方面起着越来越大的作用。在本世纪40年代前后，工业生产大多处于手工操作的状态，人们主要是凭经验用人工去控制生产过程。生产过程中的噶参数靠人工观察，生产过程的操作也靠人工去执行。因此，当时的劳动效率是很低的。40年代以后，生产自动化发展很快。尤其是近年来，过程控制技术发展更为迅速。纵观过程控制的发展历史，大致经历了下述几个阶段：50年代前后，过程控制开始得到发展。一些工厂企业实现了仪表化和局部自动化。这是过程控制发展的第一阶段。这阶段主要的特点：检测和控制仪表普遍采用基地式仪表和部分组合仪表

17、；过程控制结构大多数是单输入单输出系统；被控制参数主要是温度、压力、流量、液位四种参数；控制目的是保持这些参数的稳定，消除或减少对生产过程的主要扰动。60年代，随着工业生产的不断发展，对过程控制提出了新的要求；随着电子技术的迅速发展也为自动化技术工具的完善提供了条件，开始了过程控制的第二阶段。在仪表方面，开始大量采用单元组合仪表。为了满足定型、灵活、多功能的要求，有出现了组合仪表，它将各个单元划分为更小的功能块，以适应比较复杂的模拟和逻辑规律相结合的控制系统的需要。70年代以来，随着现代工业生产的迅猛发展，仪表与硬件的开发，微型机算计的开发应用，使生产过程自动化的发展达到了一个新的水平。对全工

18、厂或整个工艺流程的集中控制、应用计算机系统进行多参数综合控制，或者用多台计算机对生产过程进行控制和经营管理，是这一阶段的主要特征。过程控制发展到现代过程控制的新阶段，这是过程控制发展的第三阶段。在新型的自动化技术工具方面，开始采用微处理器为核心的智能单元组合仪表；在测量变送器方面，教为突出的成分在线检测与数据处理的应用日益广泛；在模拟式调节仪表方面，不仅型仪表产品品种增加，可靠性提高，而且是本质安全防爆，适应了各种复杂控制系统的要求。1.2本文研究的目的、意义为了解决人工控制的控制准度低、控制速度慢、灵敏度低等一系列问题。从而我们现在就引入了工业生产的自动化控制。在自动化控制的工业生产过程中，

19、一个很重要的控制参数就是液位。一个系统的液位是否稳定，直接影响到了工业生产的安全与否、生产效率的高低、能源是否能够得到合理的利用等一系列重要的问题。随着现在工业控制的要求越来越高，一般的自动化控制已经也不能够满足工业生产控制的需求，所以我们就又引入了可编程逻辑控制（又称PLC）。引入PLC使控制方式更加的集中、有效、更加的及时。液位控制系统它使我们的生活、生产都带来了不可想象的变化。它使在控制中更加的安全，节约了更多的劳动力，更多的时间。在我国随着社会的发展，很早就实行了自动控制。而在我国液位控制系统也利用得相当的广泛，特别在锅炉液位控制，水箱液位控制。还在黄河治水中也的到了利用，通过液位控制

20、系统检测黄河的水位的高低，以免由于黄河水位的过高而在不了解的情况下，给我们人民带来生命危险和财产损失。1.3本文研究的主要内容本次设计主要是综合应用所学知识，设计单容水箱液位控制系统的设计，并在实践的基本技能方面进行一次系统的训练。能够较全面地巩固和应用“计算机控制系统”课程中所学的基本理论和基本方法，并初步掌握计算机系统设计的基本方法。该课题主要用泵作为原动力，把水从低处抽到高液位池，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S7200PLC作为控制器，在控制策略上，它依然沿用传统的PID控制，把PID算法做成模块，固化在PLC中。，由PID控制规律在通过PLC程序进行动态连

21、接，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。从工业控制的实际应用角度出发，是通过一些PLC程序在PLC以及MCGS组态软件上得以实现，提高和扩展了组态软件和PLC的应用水平和应用范围，大大提高了系统的控制水平。第二章 硬件设计2.1单容水箱液位系统整体组成 如图2-1所示，将实验所需的设备如液位变送器、PLC、调节阀等安装并接线。水通过电动调节阀进入水箱中，用PLC给液位一个设定值sp, 通过液位变送器测量液位量得到测量值pv，当测量值pv减去设定值sp等于一个负值时，PLC就会控制电动调节阀的开口增大，从而加大进水量。

22、反之，测量值pv减去设定值sp是个正值，就会减少电动阀开口减少进水量。再用电脑制作组态页面达到远程自动化控制。图2-1系统控制示意图2.2执行器的选择执行器在控制系统中起着极其重要的作用。控制系统的控制性能指标与执行器的性能和正确选用有着十分密切的关系。执行器接受控制其输出的控制信号，实现对操纵变量的改变，从而使被控变量向设定值靠拢。执行器位于控制回路的最总端，因此又称为最终元件。本设计所使用的执行器为控制阀，也称调节阀。控制阀发装现场，通常在高温、高压、高粘度、强腐蚀、易渗透、易结晶、易燃易爆、剧毒等场合下工作。如果选择不当或维修不妥，就会使整个系统无法正常运作。经验表明，控制系统不能正常运

23、行的原因，多数发生在控制阀上。对于系统控制阀的选择很重要。控制阀接受控制器输出的控制信号，通过改变阀的开度来达到控制流量的目的。控制阀有执行机构和调节机构两部分组成。执行机构是根据可能稚气的控制信号产生推力或位移的装置，调节机构是根据执行机构的输出信号去改变能量或物料输送量的装置。控制阀按其能源形式可分为气动、电动、液动三大类。液动控制阀推力最大，但比较笨重，目前已经极少使用。电动控制阀的能源取用方便，信号传递迅速，但结构复杂、防爆性能差。气动控制阀采用压缩空气作为能源，其特点是简单、动作可靠、平稳、输出推力较大、维修方便、防火防爆而且价格较低，因此得到广泛应用。气动控制阀可以方便的与电动仪表

24、配套使用，即使是采用电动仪表或计算机控制时，只要经过电气转换阀门定位器将电信号转换为20100kPa的标准气压信号仍可采用气动控制阀。据上述我们最终选择了直通单座调节阀作为本课题的执行器，该阀具有泄漏小、许用压差小、流路复杂、结构简单的特点，适用于泄漏要求严、工作压差小的干净介质场合。2.3 液位变送器的选择测量变送环节的作用是将工业生产过程中的参数经过检测、变送单元转换成标准信号。在模拟仪表中，标准信号通常采用420mADC、15VDC、010mADC的电流（电压）信号，或20100kPa的气压信号；在现场总线仪表中，标准信号是数字信号。下面是生产过程中常用的液位变送器：（1） 浮球式液位变

25、送器浮球式液位变送器由磁性浮球、测量导管、信号单元、电子单元、接线盒及安装件组成。一般磁性浮球的比重小于0.5，可漂于液面之上并沿测量导管上下移动。导管内装有测量元件，它可以在外磁作用下将被测液位信号转换成正比于液位变化的电阻信号，并将电子单元转换成420mA或其它标准信号输出。该变送器为模块电路，具有耐酸、防潮、防震、防腐蚀等优点，电路内部含有恒流反馈电路和内保护电路，可使输出最大电流不超过28mA，因而能够可靠地保护电源并使二次仪表不被损坏。（2） 浮简式液位变送器浮筒式液位变送器是将磁性浮球改为浮筒，它是根据阿基米德浮力原理设计的。浮筒式液位变送器是利用微小的金属膜应变传感技术来测量液体

26、的液位、界位或密度的。它在工作时可以通过现场按键来进行常规的设定操作。（3）静压或液位变送器该变送器利用液体静压力的测量原理工作。它一般选用硅压力测压传感器将测量到的压力转换成电信号，再经放大电路放大和补偿电路补偿，最后以420mA或010mA电流方式输出。（4）电容式物位变送器电容式物位变送器适用于工业企业在生产过程中进行测量和控制生产过程，主要用作类导电与非导电介质的液体液位或粉粒状固体料位的远距离连续测量和指示。电容式液位变送器由电容式传感器与电子模块电路组成，它以两线制420mA恒定电流输出为基型，经过转换，可以用三线或四线方式输出，输出信号形成为15V、05V、010mA等标准信号。

27、电容传感器由绝缘电极和装有测量介质的圆柱形金属容器组成。当料位上升时，因非导电物料的介电常数明显小于空气的介电常数，所以电容量随着物料高度的变化而变化。变送器的模块电路由基准源、脉宽调制、转换、恒流放大、反馈和限流等单元组成。采用脉宽调特原理进行测量的优点是频率较低，对周围元射频干扰、稳定性好、线性好、无明显温度漂移等。（5）超声波变送器超声波变送器分为一般超声波变送器（无表头）和一体化超声波变送器两类，一体化超声波变送器较为常用。一体化超声波变更新器由表头（如LCD显示器）和探头两部分组成，这种直接输出420mA信号的变送器是将小型化的敏感元件（探头）和电子电路组装在一起，从而使体积更小、重

28、量更轻、价格更便宜。超声波变送器可用于液位。物位的测量和开渠、明渠等流量测量，并可用于测量距离。经过这几种类型液位变送器的比较，我们最终选择了超声波变送器，可用于测量液位，刚好符合本课题的研究。而且经济实惠，体积小、重量轻、便于携带。2.4 PLC的概述可编程控制器（PLC）是计算机家族中的一员是为工业控制应用而设计制造的，早期的可编程控制器称作：可编程逻辑控制器简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围因此今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。PLC是一种专门为在

29、工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段的另一个特点是世界

30、上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。 上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为3040%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通

31、信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。上海东屋电气有限公司生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKK及D系列、大连组合机床研究所生产的S系列、苏州电子计算机厂生产的YZ系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。此外，无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国

32、比较著名的PLC生产厂家。可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。2.5 西门子S7-200控制系统图2-5西门子S7-200SIMATIC S7-200系列是西门子公司20世纪90年代投入市场的小型可编程序控制器，适用于各行各种场合中的检测、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，其应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测、自动化控制有关的工业及民用领域。S7-200系列出色表现在以下几个方面：（1）极高的可靠性；（2）极丰富的指令集；（3）易于掌握；（4）便捷的操作；（5）丰富的内置集成功能；（6）实时特

33、性；（7）强劲的通讯能力；（8）丰富的扩展模块。S7-200 PLC硬件系统的配置方式：主机中包含一定量的输入/输出点,同时还可以扩展I/O模块和各种功能模块。西门子S7-200完整的系统组成：（1）基本单元包括CPU、存储器、基本输入/输出点和电源等，是PLC的主要部分。（2）扩展单元是主机I/O点数量不能满足控制系统的要求时，用户可根据需要扩展各种I/O模块。（3）特殊功能模块是当需要完成某些特殊功能的控制任务时,需要扩展功能模块,它们是完成某种特殊任务的一些装置。（4）相关设备是为充分和方便的利用系统的硬件和软件资源而开发和使用的一些设备。（5）工业软件是为更好的管理和使用这些设备而开发

34、的与之配套的程序。S7-200系列是专为工业场合设计，采用了典型的计算机结构，主要是由CPU、电源、存储器和专门设计的输入输出接口电路等组成。CPU一般由控制器、运算器和寄存器组成，这些电路都集成在一个芯片上。CPU通过数据总线、地址总线和控制总线与存储单元、输入输出接口电路相连接。存储器有两种类型：只读类型的存储器EEPROM和读写随机存储器RAM，它们集成在CPU模块内部。输入输出单元包含两部分：一是与被控设备相连的接口电路，另一部分是输入和输出的映像寄存器。输入输出接口电路都采用了电气隔离技术，具有很高的可靠性和极强的抗干扰能力。2.5.1 CPU模块CPU是可编程控制器的控制中枢，相当

35、于人的大脑。CPU一般由控制电路、运算器和寄存器组成。这些电路通常都被封装在一个集成的芯片上。CPU通过地址总线、数据总线、控制总线与存储单元、输入输出接口电路连接。CPU的功能有:它在系统监控程序的控制下工作，通过扫描方式，将外部输入信号的状态写入输入映象寄存区域，PLC进入运行状态后，从存储器逐条读取用户指令，按指令规定的任务进行数据的传送、逻辑运算、算术运算等，然后将结果送到输出映像寄存区域。2.5.2 I/O单元及I/O扩展接口（1）I/O单元PLC内部输入电路作用是将PLC外部电路（如行程开关、按钮、传感器等）提供的符合PLC输入电路要求的电压信号，通过光电耦合电路送至PLC内部电路

36、。输入电路通常以光电隔离和阻容波滤的方式提高抗干扰能力，输入响应时间一般在0.115ms之间。根据输入信号形式的不同，可分为模拟量I/O单元、数字量I/O单元两大类。根据输入单元形式的不同，可分为基本I/O单元、扩展I/O单元两大类。PLC的基本组成如图3-2所示。图2-6 PLC的基本组成部分（2）I/O扩展接口可编程控制器利用I/O扩展接口使I/O扩展单元与PLC的基本单元实现连接，当基本I/O单元的输入或输出点数不够使用时，可以用I/O扩展单元来扩充开关量I/O点数和增加模拟量的I/O端子。2.5.3电源部分电源单元的作用是把外部电源（220V的交流电源）转换成内部工作电压。外部连接的电

37、源，通过PLC内部配有的一个专用开关式稳压电源，将交流/直流供电电源转化为PLC内部电路需要的工作电源（直流5伏、正负12伏、24伏），并为外部输入元件（如接近开关）提供24V直流电源（仅供输入端点使用），而驱动PLC负载的电源由用户提供。2.6西门子 S7-200的工作原理S7-200采用循环扫描方式，一个扫描周期一般包括五个阶段:输入处理、执行程序、处理通讯请求、执行CPU自诊断测试和写输出。 输入处理阶段对个数字量输入点的当前状态进行输入扫描，并将各扫描结果分别写入对应的映像寄存器中。在执行程序阶段，CPU从第一条指令开始顺序取指令并执行，直到最后一条指令结束。执行指令时从映像寄存器中读

38、取各输入点的状态，每条指令的执行是对各数据进行算术或逻辑运算，然后将运算结果送到输出映像寄存器中。在扫描周期的信息处理阶段，CPU自动检测并处理各通讯端口接收到的任何信息。即检查是否有编程器、计算机等的通信请求，若有则进行相应处理，在这一阶段完成数据通讯任务。CPU自诊断阶段，CPU检测主机硬件，同时也检查所有的输入输出模块的状态。如果发现异常，则停机并显示出错。若自诊断正常，继续向下扫描。写输出阶段，CPU用输出映像寄存器中的数据几乎同时集中对输出点进行刷新，通过输出部件转换成被控设备所能接受的电压或电流信号，以驱动被控设备。扫描周期执行的任务依赖于CPU的工作模式，S7-200 CPU有两

39、种操作模式：STOP模式和RUN模式。对于扫描周期，STOP模式和RUN模式的主要差别是在RUN模式下运行用户程序，而在STOP模式下不运行用户程序。第三章 算法设计3.1 水箱液位控制系统原理框图本论文对水箱液位控制系统的设计是一个简单控制系统，所谓简单液位控制系统通常是指由一个被控对象、一个检测变送单元（检测元件及变送器）、以个控制器和一个执行器（控制阀）所组成的单闭环负反馈控制系统，也称为单回路控制系统。简单控制系统有着共同的特征，它们均有四个基本环节组成，即被控对象、液位变送装置、调节器和执行器。对于不同对象的简单控制系统，尽管其具体装置与变量不相同，但都可以用相同的方框图表示：被控变

40、量扰动偏差操纵变量调节器 执行器 被控对象 液位变送器扰动通道图3-1控制系统框图由这个简单控制系统通用的框图设计出水箱液位控制系统的原理框图如：扰动液位变送器+PID控制器电动控制阀阀阀器液位_水箱图3-2系统原理框图这是单回路水箱液位控制系统，单回路调节系统一般指在一个调节对象上用一个调节器来保持一个参数的恒定，而调节器只接受一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。本系统所要保持的恒定参数是液位的给定高度，即控制的任务是控制水箱液位等于给定值所要求的高度。根据控制框图，这是一个闭环反馈单回路液位控制，采用工业智能仪表控制。3.2 水箱液位控制系统的数学模型该系统主要是自衡的非振荡过程，即

41、在外部阶跃输入信号作用下，过程原有的平衡状态被破坏，并在外部信号作用下自动的非震荡地稳定到一个新的稳态，这一大类是在工业生产过程中最常见的过程。（1） 确定过程的输入变量和输出变量如下图所示，流入水箱的流量是由进料阀1来控制的；流出水箱的流量取决于水箱液位L和出料阀2的开度，而出料阀的开库是随用户的需要而改变的。这里，液位L是被控变量（即输出变量），进料阀1为控制系统中的控制阀，它所控制的进料流量是过程的控制输入（即操纵量），出料流量是外部扰动。本设计以进料流量作为输入变量。2L1tL()L(t)L(0)图3-3水箱液位过程及其阶跃响应曲线（2）根据过程内在原理，列写原始方程根据物料平衡关系，

42、当过程处于原有稳定状态是，水箱液位保持不变，其静态方程为： -=0 （16）、分别为原稳定状态下水箱的进料流量和出料流量，当进料流量突然增大是，水箱原来的平衡状态被破坏，此时进料量大于出料量，多余的液体在水箱内储存起来，使其液位升高。设水箱液体的储存量为V，则单位时间内出料流量与进料流量之差等于水箱液体储存量的净增量。其动态方程为： -= （17）=、，、分别为和的增量。设水箱截面积为A，则有V=AL，其增量形式为dV=AdL，即： （18）将=、和式（18）代入式（17），得： （19）将式（19）减去式（16）可得用新增量形式表示的动态方程式，为： （110）（3）消去中间变量，简化，求的

43、微分方程式中间变量式原始方程式中出现的一些既不是输入变量也不是输出变量的工艺变量。式（110）中，为中间变量。与输出变量L的关系可表示为：= ：比例系数 （111）当只考虑液位与流量均在有限小的范围内变化式，就可以认为出料流量与液位变化呈线性关系。将式（111）改写成增量形式： 令，则有： （112）将式（112）代入式（110）中，即得： （113）式（113）即为水箱液位过程的数学模型。由此可见，这是一个一阶微风方程，液位过程为一阶过程。将该式写成的一阶过程的微风方程的标准形式： （114）或 （115）为一阶过程的时间常数，,具有时间量纲；为一阶过程的放大系数，具有放大倍数的量纲；为一阶

44、过程的输出变量；为一阶过程的输入变量；为阻力系数，=液位的变化量 / 出料流量的变化量；为容量系数，=储存的物料变化量/ 液位的变化量。当被控变量的检测地点与产生扰动的地点之间由一段物料传输距离时，就会出现滞后。在控制过程中，若进料阀安装在与水箱进料口有一段距离，则当进料阀开度变化而引起进料流量变化后，液体需要经过一段传输时间才能流入水箱，使液位发生变化并被检测出来。显然液体流经这段距离所需时间完全是传输滞后造成的。纯滞后一阶过程的微风方程为：具有纯滞后的一阶过程的特性与放大系数、时间常数和纯滞后时间有关综上所述，水箱液位控制系统是一个一阶自衡过程，其特性可用放大系数、时间常数和纯滞后时间这三

45、个特性参数来全面表征。3.3 PID算法的工作控制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。一般，在控制系统中，控制器最常用的控制规律是PID控制。常规PID控制系统原理框图如图3-4所示。系统由模拟PID控制器和被控对象组成。积分比例微分被控对象 + + +u(t)e(t)r(t) +-c(t)图3-4 模拟PID控制系统原理框图 PID控制器是一种线性控制器，它是根据给定值r(t)与实际输出值c(t)构成控制偏差 将偏差的比例（P）、积分（I