过程控制综合训练
课程报告
16 — 17 学年第二学期
课题名称基于PLC 和组态王的 系统
姓名
学号
班级
成绩
水箱液位控制系统
[摘要] 在工业生产过程中，液位贮槽如进料罐、成品罐、中间缓冲器、水箱等设备应用十分普遍，为了保证生产正常进行，物料进出需均衡，以保证过程的物料平衡。因此，工艺要求贮槽内的液位需维持在给定值上下，或在某一小范围内变化，并保证物料不产生溢出。例如，锅炉系统汽包的液位控制，自流水生产系统过滤池、澄清池水位的控制等等。根据课题要求，设计一个单容水箱的液位过程控制系统，该系统能对一个单容水箱液位的进行恒高度控制。
关键词：过程控制液位控制 PID控制
Abstract :In the process of industrial production, liquid storage tank such as product cans, buffer, tanks and other equipments are widely used. In order to ensure the normal production,material supply and demand must be balanced to guarantee the process of the production. So, the process requires that the liquid level in the tank should be maintained at a given value, or change in a small range,and ensure that the material does not overflow,forinstance,system of boiler drum level control, level control of filter pool and clarification pool of self-flowing water production system and so on. According to the requirement of project, we need design a liquid level process control system for a single tank which make the liquid level on the constant height.
Key words: Process Control Liquid Level Control PID Control
一、系统建模
如图所示，单容液位过程只有一个储液箱。流入量为Q1，由进水阀的开度μ控制Q1的大小；流出量为Q2，随下游工序的需要而变化，其大小由出水阀的开度控制；在出水阀开度不变的情况下，液位h 越高，储液箱静压越大，流出量Q2越大。下面分析进水阀的开度μ与液位h 之间的动态关系，建立该单容水箱的数学模型。
图1-1 单容水箱模型
根据动态物质平衡关系可得：
dv ⎫ =Q 1-Q 2⎪dh 1=(Q 1-Q 2) dt ⎬⇒dt A ⎪ V =A ⋅h ⎭
其中 Q 1=K μ⋅μ
Q 2=k h
设稳态时变量为：
Q 10, Q 20, h 0, μ0 dh Q 10-Q 20=0=A 0⇒h 不变 dt
各变量相对稳态的增量为：
∆h =h -h 0, ∆Q 1=Q 1-Q 10
∆Q 2=Q 2-Q 20, ∆μ=μ-μ0
dh 1=(Q 1-Q 2) dt A
d ∆h ⎫ ∆Q 1-∆Q 2=A dt ⎪ ⎪⎪ ∆Q 1=K μ∆μ⎬消∆Q 1, ∆Q 2中间变量
⎪ 1⎪∆Q 2=∆h ⎪Rs ⎭
1d ∆h 得到： K μ∆μ-∆h =A Rs dt
d ∆h AR s +∆h =K μR s ∆μ dt
令 T =AR S , K =K μR S
则有 d ∆h T +∆h =K ∆μdt
取拉氏变换得：
sTH (s ) +H (s ) =K μ(s )
H (s ) K =(s ) Ts +1
由上述可知，单容水箱系统为一阶惯性系统，其中时间常数T 是表征液位过程响应快慢的重要参数。
二、系统设计
2.1系统总体设计
恒液位水箱控制系统是一个闭环负反馈控制系统，将给定输入和实际输出相比较，得到的误差经PID 控制器计算后送给D/A，经过D/A转换后得到0～10V 的电压来控制变频器的频率，以此来控制电动调节阀的开度达到控制液位的目的。液位经过传感器转换成4～20mA 的电流信号在经过A/D转换反馈至输入端，这样就形成了一个闭环控制系统，当液位过高时，控制输出减小，当液位过低时，控制输出增大，以此来达到恒液位控制。
图2-1液位控制系统总体框图 2.2 D/A模块设计
2.2.1端子接线
本模块采用电压输出方式，故接线图如图2-2所示。
图2-2 D/A模块端子接线图图2-3 输入输出特性
其输入输出特性如图2-3所示，当输入数字范围为0～4000时，输出模拟电压为0～10V ，且成线性关系。
2.2.2 编程设计
图2-4 D/A转换程序
如图2-4所示，首先将D10寄存器中的数值传到辅助继电器（M100～M115）中，然后写低8位数据并保持，接着写高4位数据并保持，最后执行D/A转换，输出0～10V 电压。
2.3变频器设置
2.3.1 接线
因为本次设计只用到了正转功能，所以只连接了STF 端和COM 端，电压输入并联在2和5端口来控制频率输出。接线图如图2-5所示。
图2-5 变频器接线图
2.3.2变频器参数设置
参数79可以用来设置变频器运行模式，其中79-1为固定PU 运行模式，即所有指令通过控制面板输入；79-2为固定外部运行模式，即所有指令通过外部输入；79-3为组合运行模式1，启动指令通过外部控制，而频率通过面板上的旋钮来控制；79-4为组合运行模式2，其启动指令通过控制面板上的RUN 来发出，而频率则通过外部模拟量来控制，如图2-6所示。本次设计采用79-2固定外部运行模式。
图2-6 变频器运行模式
2.4 A/D模块设计
2.4.1端子接线
液位变送器输出的是4～20mA 电流信号，所以接线采用电流输入方式，将V+和l+短接，如图2-7所示。
图2-7 A/D模块端子接线图
2.4.2编程设计
图2-8 A/D转换程序
如图2-8所示，首先设置A/D转换的工作方式，因为连线接的是通道3，所以将通道3设置成模拟量输入范围为4mA ～20mA, 数字量输出范围为0～4000的模式3，其他通道禁用，设置成F ；然后进行A/D转换，将通道3 BFM12 的值读出到D0中。
2.5 PID控制器与组态王设计
2.5.1定义变量
图2-9 变量定义
如图2-9所示，其中Y0为PLC 输出，连接到变频器的STR 来控制电机转动；输入为设定的液位；实际液位是由传感器的输出转换得到的；sp 、pv 、M 为PID 控制器的参数；D0为A/D转换的值；D10为D/A转换的值。
2.5.2总体设计
图2-10 控制界面
图2-11 命令语言
如图2-11所示，因为传感器经A/D转换的数字量和实际液位之间成一次函数关系，所以可以测量几组数据来求得它们的关系以此获得实际液位值。
SP为PID 控制器的设定值，PV 为反馈跟踪值，M 为输出。将液位高度除以满量程40，这样便使得PID 控制器的输出M 在0%～100%内变化，这样便能很好的表征电动调节阀的开度；又由于要使变频器在0～50Hz 内变化，且变频器50Hz 时D/A的输入值为2000，因为M 的值已经在0～1之间变化，所以只要将M 的值直接乘以2000写入D/A即可。至此便通过组态王完成了对整个系统的连接，实现了对整个系统的控制。
三、PID 参数整定
组态王中的PID 控件可以实现对系统的控制，而为了获得较好的控制效果，则需要整定PID 参数，下面简单介绍一下PID 控制及其整定方法。
3.1 PID控制
在工程实际中，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。
P是比例环节，引入比例环节可以提高稳态精度，加快系统的反应速度。但是Kp 过大，超调增大稳定裕度降低，甚至可能不稳定；
I是积分环节，引入积分环节可以消除静差，改善系统稳态性能。但是积分环节降低系统稳定裕度，有滞后，反应不灵敏，Ki 过大，是系统超调增大，甚至有可能不稳定；
D微分环节，引入微分环节可以提高系统的响应速度，超调减小，振荡减轻。但是微分环节会放大高频噪声，抗干扰能力差。
PID控制综合了他们的优点，平和了缺点，可以获得很好的控制效果。
3.2 PID参数整定方法
3.2.1 稳定边界法
在生产工艺容许的情况下，先让调节器按比例调节工作。从大到小逐渐改变调节器的比例度，直至系统产生等幅振荡；记录此时的比例度和周期，再通过经验公式计算，求出调节器的整定参数。稳定边界法适用于一般的流量、压力、液位和温度控制系统，但不适用于比例度特别小的过程。
3.2.2 响应曲线法
响应曲线法也称动态特性参数法，是一种开环整定方法，它利用系统广义对象的动态特性，即广义对象输入变量作单位阶跃变化时被控参数的响应曲线，再根据响应曲线确定该广义对象动态特性参数，然后利用这些参数计算出最佳整定参数。测试实验时，要求加入扰动幅度足够大，使被控参数产生足够大的变化，保证测试的准确性，但这在一些生产过程中是不允许的。因此，响应曲线法只适用于允许被控参数变化范围较大的生产过程。
3.2.3 衰减曲线法
衰减曲线法也是在调节器投入运行的情况下进行，通过获得4:1的衰减比来确定整定参数。衰减曲线法不需要系统在稳定边界运行，比较安全，而且容易掌握，能适用于各类控制系统。从反应时间较长的温度控制系统到反应时间短到几秒的
流量控制系统，都可以应用衰减曲线法。
3.3系统参数整定
因为单容水箱的数学模型为一阶惯性环节，所以稳定边界法和衰减曲线法均不适用。本次设计采用响应曲线法，经过不断地尝试，最终在Kp=2，Ki=,Kd=8时，获得了较好的控制效果，如图3-1和3-2所示。
图3-1 给定输入
图3-2 系统响应曲线
四、总结
在这次单容水箱液位控制系统设计过程中，我深刻的理解了什么是一个完整的控制系统以及怎样去搭建一个控制系统；我也真正理解了什么是PID 控制，以前PID 控制对我来说只是书本上生硬的知识，而现在自己有了切身的体会，比如比例作用会加快响应，水放的会更快；而积分作用能够提高稳态精度，稳定时液位会更精确，但系统反应却变得不灵敏；而微分作用则可以提升系统的灵敏度，这些现象让我更加了解了PID 控制。本次实训中总结了以下几点：第一，要善于搜集资料。当你对一样东西不是太了解的时候首先应该做的就是寻找它的有关资料，然后去了解、学习。第二，要善于求助他人。请教一个有经验的人可以让你少走弯路。相比自学，有一个经验丰富的人的指导会让你节省大量宝贵的时间，做到事半功倍。第三，要有团队精神。任何一个大的项目都不可能一个人完成，要有互助、合作的团队精神，有一个好的团队至关重要。
本次实训基本完成了课题要求的任务，为以后更加复杂的系统控制奠定了基础。
参考文献
[1]王再英，刘淮霞，陈毅静. 过程控制系统与仪表[M].机械工业出版社，2015.
[2]徐湘元. 过程控制技术及其应用[M].清华大学出版社 ,2015.
[3]胡寿松. 自动控制原理[M].科学出版社,2007.
[4]杨帆, 李方园. 三菱PLC 应用简明教程[M].机械工业出版社,2013.
[5]郑凤翼. 轻松解读三菱变频器原理与应用[M].机械工业出版社,2012.
过程控制综合训练
课程报告
16 — 17 学年第二学期
课题名称基于PLC 和组态王的 系统
姓名
学号
班级
成绩
水箱液位控制系统
[摘要] 在工业生产过程中，液位贮槽如进料罐、成品罐、中间缓冲器、水箱等设备应用十分普遍，为了保证生产正常进行，物料进出需均衡，以保证过程的物料平衡。因此，工艺要求贮槽内的液位需维持在给定值上下，或在某一小范围内变化，并保证物料不产生溢出。例如，锅炉系统汽包的液位控制，自流水生产系统过滤池、澄清池水位的控制等等。根据课题要求，设计一个单容水箱的液位过程控制系统，该系统能对一个单容水箱液位的进行恒高度控制。
关键词：过程控制液位控制 PID控制
Abstract :In the process of industrial production, liquid storage tank such as product cans, buffer, tanks and other equipments are widely used. In order to ensure the normal production,material supply and demand must be balanced to guarantee the process of the production. So, the process requires that the liquid level in the tank should be maintained at a given value, or change in a small range,and ensure that the material does not overflow,forinstance,system of boiler drum level control, level control of filter pool and clarification pool of self-flowing water production system and so on. According to the requirement of project, we need design a liquid level process control system for a single tank which make the liquid level on the constant height.
Key words: Process Control Liquid Level Control PID Control
一、系统建模
如图所示，单容液位过程只有一个储液箱。流入量为Q1，由进水阀的开度μ控制Q1的大小；流出量为Q2，随下游工序的需要而变化，其大小由出水阀的开度控制；在出水阀开度不变的情况下，液位h 越高，储液箱静压越大，流出量Q2越大。下面分析进水阀的开度μ与液位h 之间的动态关系，建立该单容水箱的数学模型。
图1-1 单容水箱模型
根据动态物质平衡关系可得：
dv ⎫ =Q 1-Q 2⎪dh 1=(Q 1-Q 2) dt ⎬⇒dt A ⎪ V =A ⋅h ⎭
其中 Q 1=K μ⋅μ
Q 2=k h
设稳态时变量为：
Q 10, Q 20, h 0, μ0 dh Q 10-Q 20=0=A 0⇒h 不变 dt
各变量相对稳态的增量为：
∆h =h -h 0, ∆Q 1=Q 1-Q 10
∆Q 2=Q 2-Q 20, ∆μ=μ-μ0
dh 1=(Q 1-Q 2) dt A
d ∆h ⎫ ∆Q 1-∆Q 2=A dt ⎪ ⎪⎪ ∆Q 1=K μ∆μ⎬消∆Q 1, ∆Q 2中间变量
⎪ 1⎪∆Q 2=∆h ⎪Rs ⎭
1d ∆h 得到： K μ∆μ-∆h =A Rs dt
d ∆h AR s +∆h =K μR s ∆μ dt
令 T =AR S , K =K μR S
则有 d ∆h T +∆h =K ∆μdt
取拉氏变换得：
sTH (s ) +H (s ) =K μ(s )
H (s ) K =(s ) Ts +1
由上述可知，单容水箱系统为一阶惯性系统，其中时间常数T 是表征液位过程响应快慢的重要参数。
二、系统设计
2.1系统总体设计
恒液位水箱控制系统是一个闭环负反馈控制系统，将给定输入和实际输出相比较，得到的误差经PID 控制器计算后送给D/A，经过D/A转换后得到0～10V 的电压来控制变频器的频率，以此来控制电动调节阀的开度达到控制液位的目的。液位经过传感器转换成4～20mA 的电流信号在经过A/D转换反馈至输入端，这样就形成了一个闭环控制系统，当液位过高时，控制输出减小，当液位过低时，控制输出增大，以此来达到恒液位控制。
图2-1液位控制系统总体框图 2.2 D/A模块设计
2.2.1端子接线
本模块采用电压输出方式，故接线图如图2-2所示。
图2-2 D/A模块端子接线图图2-3 输入输出特性
其输入输出特性如图2-3所示，当输入数字范围为0～4000时，输出模拟电压为0～10V ，且成线性关系。
2.2.2 编程设计
图2-4 D/A转换程序
如图2-4所示，首先将D10寄存器中的数值传到辅助继电器（M100～M115）中，然后写低8位数据并保持，接着写高4位数据并保持，最后执行D/A转换，输出0～10V 电压。
2.3变频器设置
2.3.1 接线
因为本次设计只用到了正转功能，所以只连接了STF 端和COM 端，电压输入并联在2和5端口来控制频率输出。接线图如图2-5所示。
图2-5 变频器接线图
2.3.2变频器参数设置
参数79可以用来设置变频器运行模式，其中79-1为固定PU 运行模式，即所有指令通过控制面板输入；79-2为固定外部运行模式，即所有指令通过外部输入；79-3为组合运行模式1，启动指令通过外部控制，而频率通过面板上的旋钮来控制；79-4为组合运行模式2，其启动指令通过控制面板上的RUN 来发出，而频率则通过外部模拟量来控制，如图2-6所示。本次设计采用79-2固定外部运行模式。
图2-6 变频器运行模式
2.4 A/D模块设计
2.4.1端子接线
液位变送器输出的是4～20mA 电流信号，所以接线采用电流输入方式，将V+和l+短接，如图2-7所示。
图2-7 A/D模块端子接线图
2.4.2编程设计
图2-8 A/D转换程序
如图2-8所示，首先设置A/D转换的工作方式，因为连线接的是通道3，所以将通道3设置成模拟量输入范围为4mA ～20mA, 数字量输出范围为0～4000的模式3，其他通道禁用，设置成F ；然后进行A/D转换，将通道3 BFM12 的值读出到D0中。
2.5 PID控制器与组态王设计
2.5.1定义变量
图2-9 变量定义
如图2-9所示，其中Y0为PLC 输出，连接到变频器的STR 来控制电机转动；输入为设定的液位；实际液位是由传感器的输出转换得到的；sp 、pv 、M 为PID 控制器的参数；D0为A/D转换的值；D10为D/A转换的值。
2.5.2总体设计
图2-10 控制界面
图2-11 命令语言
如图2-11所示，因为传感器经A/D转换的数字量和实际液位之间成一次函数关系，所以可以测量几组数据来求得它们的关系以此获得实际液位值。
SP为PID 控制器的设定值，PV 为反馈跟踪值，M 为输出。将液位高度除以满量程40，这样便使得PID 控制器的输出M 在0%～100%内变化，这样便能很好的表征电动调节阀的开度；又由于要使变频器在0～50Hz 内变化，且变频器50Hz 时D/A的输入值为2000，因为M 的值已经在0～1之间变化，所以只要将M 的值直接乘以2000写入D/A即可。至此便通过组态王完成了对整个系统的连接，实现了对整个系统的控制。
三、PID 参数整定
组态王中的PID 控件可以实现对系统的控制，而为了获得较好的控制效果，则需要整定PID 参数，下面简单介绍一下PID 控制及其整定方法。
3.1 PID控制
在工程实际中，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。
P是比例环节，引入比例环节可以提高稳态精度，加快系统的反应速度。但是Kp 过大，超调增大稳定裕度降低，甚至可能不稳定；
I是积分环节，引入积分环节可以消除静差，改善系统稳态性能。但是积分环节降低系统稳定裕度，有滞后，反应不灵敏，Ki 过大，是系统超调增大，甚至有可能不稳定；
D微分环节，引入微分环节可以提高系统的响应速度，超调减小，振荡减轻。但是微分环节会放大高频噪声，抗干扰能力差。
PID控制综合了他们的优点，平和了缺点，可以获得很好的控制效果。
3.2 PID参数整定方法
3.2.1 稳定边界法
在生产工艺容许的情况下，先让调节器按比例调节工作。从大到小逐渐改变调节器的比例度，直至系统产生等幅振荡；记录此时的比例度和周期，再通过经验公式计算，求出调节器的整定参数。稳定边界法适用于一般的流量、压力、液位和温度控制系统，但不适用于比例度特别小的过程。
3.2.2 响应曲线法
响应曲线法也称动态特性参数法，是一种开环整定方法，它利用系统广义对象的动态特性，即广义对象输入变量作单位阶跃变化时被控参数的响应曲线，再根据响应曲线确定该广义对象动态特性参数，然后利用这些参数计算出最佳整定参数。测试实验时，要求加入扰动幅度足够大，使被控参数产生足够大的变化，保证测试的准确性，但这在一些生产过程中是不允许的。因此，响应曲线法只适用于允许被控参数变化范围较大的生产过程。
3.2.3 衰减曲线法
衰减曲线法也是在调节器投入运行的情况下进行，通过获得4:1的衰减比来确定整定参数。衰减曲线法不需要系统在稳定边界运行，比较安全，而且容易掌握，能适用于各类控制系统。从反应时间较长的温度控制系统到反应时间短到几秒的
流量控制系统，都可以应用衰减曲线法。
3.3系统参数整定
因为单容水箱的数学模型为一阶惯性环节，所以稳定边界法和衰减曲线法均不适用。本次设计采用响应曲线法，经过不断地尝试，最终在Kp=2，Ki=,Kd=8时，获得了较好的控制效果，如图3-1和3-2所示。
图3-1 给定输入
图3-2 系统响应曲线
四、总结
在这次单容水箱液位控制系统设计过程中，我深刻的理解了什么是一个完整的控制系统以及怎样去搭建一个控制系统；我也真正理解了什么是PID 控制，以前PID 控制对我来说只是书本上生硬的知识，而现在自己有了切身的体会，比如比例作用会加快响应，水放的会更快；而积分作用能够提高稳态精度，稳定时液位会更精确，但系统反应却变得不灵敏；而微分作用则可以提升系统的灵敏度，这些现象让我更加了解了PID 控制。本次实训中总结了以下几点：第一，要善于搜集资料。当你对一样东西不是太了解的时候首先应该做的就是寻找它的有关资料，然后去了解、学习。第二，要善于求助他人。请教一个有经验的人可以让你少走弯路。相比自学，有一个经验丰富的人的指导会让你节省大量宝贵的时间，做到事半功倍。第三，要有团队精神。任何一个大的项目都不可能一个人完成，要有互助、合作的团队精神，有一个好的团队至关重要。
本次实训基本完成了课题要求的任务，为以后更加复杂的系统控制奠定了基础。
参考文献
[1]王再英，刘淮霞，陈毅静. 过程控制系统与仪表[M].机械工业出版社，2015.
[2]徐湘元. 过程控制技术及其应用[M].清华大学出版社 ,2015.
[3]胡寿松. 自动控制原理[M].科学出版社,2007.
[4]杨帆, 李方园. 三菱PLC 应用简明教程[M].机械工业出版社,2013.
[5]郑凤翼. 轻松解读三菱变频器原理与应用[M].机械工业出版社,2012.