水箱液位控制系统的设计

昌吉学院

毕业设计论文

题目水箱液位控制系统的设计

系别物理系

专业能源工程及自动化

班级物理系B1105班

学生陈希嘉

学号 1125862019

指导教师李斌

第一章 (4)

1.1过程控制的发展背景 (4)

1.1.1液位控制系统设计的意义 (4)

1.2研究的目的和意义 (4)

1.3液位串级控制系统的介绍 (5)

1.4PLC的产生和定义 (5)

1.4.1可编程控制器的产生 (5)

1.4.2可编程控制器的定义 (5)

1.4.3 PLC的发展现状 (6)

第二章水箱液位控制系统总体方案的设计 (7)

2.1对水箱液位控制系统的内容进行论述 (7)

2.2此控制系统的总体方框图 (8)

2.3控制算法 (10)

2.3.1PID算法 (10)

2.3.2PLC中的PID实现 (11)

2.3.3PID控制的各种常见的控制规律如下： (12)

2.3.4选择适合本系统的控制规律 (15)

2.4PLC的组成及原理 (16)

2.5PLC硬件配置 (17)

2.5.1CPU的选择 (17)

摘要

这篇论文的目的是设计一个水箱液位串级控制系统，为了实现对水箱液位的串级控制，采用了计算机技术，通讯技术，自动化仪表技术和自动控制技术。首先我们要对被控对象进行分析，根据被控对象和被控过程特性设计一个串级控制系统

通过毕业设计，加深对所学传感器技术、转换技术、电子技术、自动控制原理以及过程控制的基本原理、基本知识的理解和应用，掌握串级控制系统的设计步骤和方法，掌握工程整定参数方法，培养创新意识，增强动手能力，为今后工作打下一定的理论和实践基础

第一章

1.1过程控制的发展背景

自本世纪30年代以来，伴随着自动控制理论的日趋成熟，自动化技术不断地发展并获得了惊人的成就，在工业生产和科学发展中起着关键性的作用。过程控制技术是自动化技术的重要组成部分，普遍运用于石油，化工，电力，冶金，轻工，纺织，建材等工业部门。

初期的过程控制系统采用基地式仪表和部分单元组合仪表，过程控制系统结构大多是单输入，单输出系统，过程控制理论是以频率法和根轨迹法为主体的经典控制理论，以保持被控参数液位，温度，压力，流量的稳定和消除主要扰动为控制目的过程。其后，串级控制，比值控制和前馈控制等复杂过程控制系统逐步应用于工业生产中，气动和电动单元组合仪表也开始大量采用，同时电子技术和计算机技术开始应用于过程控制领域，实现了直接数字控制（DDC）和设定值控制（SPC）。

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。

1.1.1液位控制系统设计的意义

水箱液位控制实验系统是一个研究和开发先进的控制方法、策略的平台，它具有体积小、功耗小、灵活安全等诸多优点，它不仅能够完成控制系统的设计，还可以通过大量的实验来对系统进行优化。它是专门针对于过程控制中液位控制研究的实验研究系统，它包含有温度、压力、液位等多种被控变量，通过 PLC 下位机软件设计控制器，可实现多种控制方式。同时也可以对液位控制系统的控制策略进行设计、验证与研究。水箱液位控制系统的研究与设计为解决实际工程应用提供了良好的研发平台。

1.2研究的目的和意义

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，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液位串级控制系统的介绍

在工业实际生产中，液位是过程控制系统的重要被控量，在石油﹑化工﹑环保﹑水处理﹑冶金等行业尤为重要。在工业生产过程自动化中，常常需要对某些设备和容器的液位进行测量和控制。通过液位的检测与控制，了解容器中的原料﹑半成品或成品的数量，以便调节容器内的输入输出物料的平衡，保证生产过程中各环节的物料搭配得当。通过控制计算机可以不断监控生产的运行过程，即时地监视或控制容器液位，保证产品的质量和数量。如果控制系统设计欠妥，会造成生产中对液位控制的不合理，导致原料的浪费﹑产品的不合格，甚至造成生产事故，所以设计一个良好的液位控制系统在工业生产中有着重要的实际意义。

在液位串级控制系统的设计中将以THJ-2高级过程控制实验系统为基础，展开设计控制系统及工程实现的工作。虽然是采用传统的串级PID控制的方法，但是将利用智能调节仪表﹑数据采集模块和计算机控制来实现控制系统的组建，努力使系统具有良好的静态性能，改善系统的动态性能。

1.4PLC的产生和定义

1.4.1可编程控制器的产生

20世纪60年代，在世界技术改造的冲击下，要求寻找一种比继电器更可靠、功能更齐全、响应速度更快的新型工业控制器。1968年，美国最大的汽车制造商——通用汽车公司从用户角度提出了新一代控制器应具备的十大条件后，立即引起了开发热潮。

1.4.2可编程控制器的定义

国际工委员会（IEC）曾于1982年11月颁布了可编程控制器标准草案第一稿，1985年1月又发表了第二稿，1987年2月颁布了第三稿。该草案中对可编程控制器的定义是“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术计算等面向用户的指令，并通过数字量和模拟量的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，

都按易于与工业系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。

1.4.3 PLC的发展现状

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30~40%。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。

第二章水箱液位控制系统总体方案的设计

2.1对水箱液位控制系统的内容进行论述

单回路控制系统是过程控制中结构最简单的一种形式，它只用一个调节器，调节器也只有一个输入信号，从系统方框图看，只有一个闭环。在大多数情况下，这种简单系统已经能够满足工艺生产的要求，因此，它是一种最基本的、使用最广泛的控制系统。但是也有另外一些情况，譬如调节对象的动态特性决定了它很难控制，而工艺对调节质量的要求又很高；或者调节对象的动态特性虽然并不复杂，但控制的任务却比较特殊，则单回路控制系统就无能为力了。另外，随着生产过程向着大型、连续和强化方向发展，对操作条件要求更加严格，参数间相互关系更加复杂，对控制系统的精度和功能提出许多新的要求，对能源消耗和环境污染也有明确的限制。为此，需要在单回路的基础上，采取其它措施，组成复杂控制系统，而串级控制系统就是其中一种改善和提高控制品质的极为有效的控制系统。

液位和流量是工业生产过程中最常用的两个参数，对液位和流量进行控制的装置在工业生产中应用的十分普遍。液位的时间常数T一般很大，因此有很大的容积迟延，如果用单回路控制系统来控制，可能无法达到较好的控制质量。而串级控制系统可以用一般常规仪表来实现，成本增加也不大，却可以起到十分明显的提高控制质量的效果，因此往往采用串级控制系统对液位进行控制。一般情况下，流量是影响液位的主要因素，其时间常数较小，将它纳入副回路进行控制，不仅有效地克服了流量对液位造成的干扰，而且使系统工作频率提高，能够对液位实行较快的控制。

当然，还有一些其它的克服大容积迟延的控制方案，例如前馈控制、大迟延滞后补偿控制。但这两种控制方案较难用一般常规仪表来实现，在经济性和简便性上不如串级控制，一般用在其它有特殊要求的控制系统中。

2.2此控制系统的总体方框图

被控对象的构成图

被控对象为图2.1中所示液位对象。

图2.1

二、被控对象的工作原理、传递函数及理论推导如下：

单容水箱如图2.1所示，Qi 为入口流量，由调节阀开度μ加以控制，出口流量则由电磁阀控制产生干扰。被调量为水箱中的水位H,它反映水的流入与流出量之间的平衡关系。现在分析水位在电磁阀开度扰动下的动态特性。显然，在任何时刻水位的变化均满足下述物料平衡方程：

()1i o dH Q Q dt F

=- （2.1） 其中 i Q k μμ= （2.2）

o Q = （2.3）

F 为水箱的横截面积；k μ是决定于阀门特性的系数，可以假定它是常数；k

是与电磁阀开度有关的系数，在固定不变的开度下，k 可视为常数。

将（2.2）、（2.3）两式代入式（2.1）得

(1dH k dt F μμ=- （2.4） 上式是一个非线性微分方程。这个非线性给下一步的分析带来很大的困难，但如果水位始终保持在其稳态值附近很小的范围内变化，那就可以将上式加以线性化。为此，首先把原始的平衡方程改写成增量形式，其方法如下。 在过程控制中，描述各种动态环节的动态特性最常用的方式是阶跃响应，这意味着在扰动发生以前，该环节原处于稳定平衡状态，对于上述水箱来说，在起始的稳定平衡状态下，平衡方程（2.1）变为

()0010i o Q Q F

=- （2.5） 上式说明在稳定平衡状态下，因入口流量0i Q 必然等于出口流量0o Q ，故水位变化速度为零。

将（2.1）、（2.5）两式相减，并以增量形式表示各个量偏离其起始稳态值的程度，即

0H H H ?=-，0i i i Q Q Q ?=-，0o o o Q Q Q ?=- （2.6）

那么就得到

()1i o d H Q Q dt F

?=?-? （2.7） 它就是平衡方程（2.1）的增量形式。考虑水位只在其稳态值附近的小范围变化，故由式（2.3）可以近似认为

o Q H ?=

（2.8） 则式（2.7）变为

1i d H Q H dt F ???=?- ? ???

或

i d H H Q dt ??+?=????

（2.9） 如果各变量都以自己的稳态值为起算点，即

000i H Q ==

则可去掉上式中的增量符号，直接写成

i dH F H dt ?+=????

（2.10） 因假定000i H Q ==，则对微分方程（2.10）进行拉普拉斯变换可得

(

)()1i Fs H s s ?+=????

（2.11） 将式（2.11）改写成如下形式

()(

)i H s Q s = （2.12） 式（2.12）即液位对象的传递函数。

2.3控制算法

2.3.1PID 算法

PID 控制器由比例单元（P ）、积分单元（I ）和微分单元（D ）组成。PID 算法的输入量e 是设定值r 和检测值y 的偏差量，即 ，经过运算，并输出控制信号u 。PID 控制算法的理想形式为

01t c d i de u K e edt T T dt ??=++ ???? 式中 c K ——控制器比例增益；

i T ——积分时间；

d T ——微分时间。 由理想PID 控制算法连续形式可以得到其离散形式。离散PID 控制算法有三种不同的形式：位置算法、增量算法、速度算法。由连续的PID 算法容易的到其位置算法，为

()

3-1

()()()()0s 11T k c k s d

i i e k e k u k K e e i T T T =--??=++????∑ 其中， s T 为采样周期。

PID 控制增量算法为相邻两次采样时刻所计算的位置值之差，即

()()()1u k u k u k ?=-- PID 控制速度算法为增量值除以采样周期，即

()()s

u k v k T ?=

2.3.2PLC 中的PID 实现

S7-200 PLC 的PID 指令中，PID 控制算法是基于理想PID 控制算法的改进得到的。其微分项采用微分先行改进，积分项采用抗积分饱和法改进。

微分先行，是指只对被控量微分，而对偏差无微分作用，这样避免了当改变设定值时对系统产生冲击。 抗饱和积分，是指对计算出的控制量限幅。在S7-200 PLC 中，积分项MI 的

积分公式为 ()s n c n n i T MI K SP PV MX T =-+ 式中

n MI ——第n 次采样的积分项数值；

n SP ——第n 次采样的设定值数值； n PV ——第n 次采样的检测值数值

MX ——第n-1次采样的积分项数值。

对控制量的限幅为

1.0() 1.0()

0.0n n n n n n MX MP MD M MX MP MD M =-+>??=-+

n MP ——第n 次采样的比例计算输出数值； n MD ——第n 次采样的积分计算输出数值；

()

3-2()

3-3()

3-5()3-6

n M ——第n 次采样的PID 控制量计算输出数值。

通过按照上述方式调节MX ，一旦计算输出返回适当范围即可实现系统应答能力的改善。控制量也被固定在0.0~1.0。

2.3.3PID 控制的各种常见的控制规律如下：

一、比例调节（P 调节）

在P 调节中，调节器的输出信号()u t 与偏差信号()e t 成比例，即

()()C u t K e t = （3.1）

式中Kc 称为比例增益（视情况可设置为正或负）, ()u t 为调节器的输出，是对调节器起始值()0u 的增量，()0u 的大小可以通过调整调节器的工作点加以改变。

在过程控制中习惯用比例增益的倒数表示调节器输入与输出之间的比例关系：

()()1u t e t δ=

（3.2）

其中δ称为比例带。

比例调节的显著特点就是有差调节。

比例调节的余差随着比例带的加大而加大。从这一方面考虑，人们希望尽量减小比例带。然而，减小比例带就等于加大调节系统的开环增益，其后果是导致系统激烈振荡甚至不稳定。稳定性是任何闭环控制系统的首要要求，比例带的设置必须保证系统具有一定的稳定裕度。此时，如果余差过大，则需通过其它的途径解决。

δ很大意味着调节阀的动作幅度很小，

因此被调量的变化比较平稳,甚至可以没有超调，但余差很大，调节时间也很长。减小δ就加大了调节阀的动作幅度，引起被调量来回波动，但系统仍可能是稳定的，余差相应减小。δ具有一个临界值，此时系统处于稳定边界的情况，进一步减小δ系统就不稳定了。

二、积分调节（I 调节）的特点

在I 调节中，调节器的输出信号的变化速度du (t)/d t 与偏差信号e 成正比，即

()()I du t K e t dt

= （3.3） 或

()()0t

I u t K e t dt =? （3.4） 式中K I 称为积分速度，可视情况取正值或负值。上式表明，调节器的输出与偏差信号的积分成正比。

I 调节的特点是无差调节，与P 调节的有差调节形成鲜明对比。式（3.3）表明，只有当被调量偏差e 为零时，I 调节器的输出才会保持不变。然而与此同时，调节器的输出却可以停在任何数值。这意味着被控对象在负荷扰动的调节过程结束后，被调量没有余差，而调节阀则可以停在新的负荷所要求的开度上。

I 调节的另一特点是它的稳定作用比P 调节差。例如，根据奈氏稳定判据可知，对于非自衡的被控对象采用P 调节时，只要加大比例带总可以使系统稳定（除非被控对象含有一个以上的积分环节）；如果采用I 调节则不可能得到稳定的系统。

对于同一个被控对象，采用I 调节时其调节过程的进行总比采用P 调节时缓慢，表现在振荡频率较低。把它们各自在稳定边界上的振荡频率加以比较就可以知道，在稳定边界上若采用P 调节则被控对象须提供180°相角滞后。若采用I 调节则被控对象只须提供90°相角滞后。这就说明用I 调节取代P 调节就会降低系统的振荡频率。

采用I 调节时，控制系统的开环增益与积分速度K I 成正比。因此，增大积分速度将会降低控制系统的稳定程度，直到最后出现发散的振荡过程。因为K I 愈大，则调节阀的动作愈快，就愈容易引起和加剧振荡。但与此同时，振荡频率将愈来愈高，而最大动态偏差则愈来愈小。被调量最后都没有余差，这是I 调节的特点。

三、比例积分调节（PI 调节）

PI 调节就是综合P 、I 两种调节的优点，利用P 调节快速抵消干扰的影响，同时利用I 调节消除余差。它的调节规律为：

()()()0t

c I u t K e t K e t dt =+? (3.5) 或 ()()()011t

I u t e t e t dt T δ??=+ ???? (3.6) 式中δ为比例带，可视情况取正值或负值；I T 为积分时间。δ和I T 是PI 调节器的两个重要参数。图3.1是PI 调节器的阶跃响应，它是由比例动作和积分动作两部分组成的。在施加阶跃输入的瞬间，调节器立即输出一个幅值为Δe/δ的阶跃，然后以固定速度Δe/δTI 变化。当t=T I 时，调节器的总输出为2Δe/δ。这样，就可以根据图3.1确定δ和T I 的数值。还可以注意到，当t=T I 时，输出的积分部分正好等于比例部分。由此可见，T I 可以衡量积分部分在总输出中所占的比重：T I 愈小，积分部分所占的比重愈大。

图3.1[1]

PI 调节器引入积分动作带来消除余差之好处的同时，却降低了原有系统的稳定性。为保持控制系统原来的衰减率，PI 调节器比例带必须适当加大，这样会使调节时间ts 增大，最大偏差也会增大。

四、微分调节的特点

比例调节和积分调节都是根据当时偏差的方向和大小进行调节的，而不管那时被控对象中流入量与流出量之间有多大的不平衡，而这个不平衡正决定着此后

被调量将如何变化的趋势。由于被调量的变化速度（包括其大小和方向）可以反映当时或稍前一些时间流入、流出量之间的不平衡情况，因此，如果调节器能够根据被调量的变化速度来移动调节阀，而不要等到被调量已经出现较大偏差后才开始动作，那么调节的效果将会更好，等于赋予调节器以某种程度的预见性，这种调节动作称为微分调节。此时调节器的输出与被调量或其偏差对于时间的导数成正比，即

()()D de t u t K dt

= (3.7) 然而，单纯按上诉规律动作的调节器是不能工作的。这是因为实际的调节器都有一定的失灵区，如果被控对象的流入、流出量只相差很少以致被调量只以调节器不能察觉的速度缓慢变化时，调节器并不会动作。但是经过相当长时间以后，被调量偏差却可以积累到相当大的数字而得不到校正。这种情况当然是不能允许的。

因此微分调节只能起辅助的调节作用，它可以与其它调节动作结合成PD 和PID 调节动作。

五、比例积分微分调节（PID 调节）

PID 调节器的动作规律是

()()()()0t c I D de t u t K e t K e t dt K dt

=++? (3.8) 或 ()()()()011t D I de t u t e t e t dt T T dt δ??=++ ???

? (3.9) 式中δ、T I 和T D 参数意义与PI 、PD 调节器相同。

2.3.4选择适合本系统的控制规律

一般来说，对于串级控制系统，主变量不允许有余差。而对副变量的要求一般都不是很严格，允许它有波动和余差。为了主变量的稳定，主调节器必须具有积分作用。因此，主调节器通常都选用比例积分规律。有时，对象控制通道容量滞后比较大（像温度对象和成分对象等），为了克服容量滞后，选用比例积分微

分三作用的调节器作为主调节器。

副调节器的给定值随主调节器输出的变化而变化，为了能快速跟踪，副调节器一般不设置积分作用，微分作用也不需要，因为当副调节器有微分作用时，一旦主调节器的输出稍有变化，执行机构就将大幅度地变化。但副调节器容量滞后比较大时，可以适当加一点微分作用，一般情况下，副调节器只需用比例作用就可以了。

本系统的液位对象容量滞后比较大，故主调节器选用比例积分微分调节作用，而流量对象时间常数很小，副调节器只用比例作用。

根据以上分析，加入控制规律后系统框图如下所示：

2.4PLC的组成及原理

PLC包括中央处理单元(CPU)、存储器、电源，采用循环扫描的工作方式1）每次扫描过程。集中对输入信号进行采样并对输出信号进行刷新。

2）输入刷新过程。当输入端口关闭时，程序在进行执行阶段时，输入端有新状态，新状态不能被读入。只有程序进行下一次扫描时，新状态才被读入。

3）一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新。

4）元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的。

5）扫描周期的长短由三条决定：CPU执行指令的速度；指令本身占有的时间；指令条数。

2.5PLC硬件配置

2.5.1CPU的选择

S7-200系列PLC可提供4种不同的基本单元和6种型号的扩展单元如表2.1所示。其系统构成包括基本单元、扩展单元、编程器、存储卡、写入器等。

表2.1 S7-200系列CPU22X单元

本论文采用的是CPU222： 8路输入、6路输出。可连接2个扩展模块， 26K 字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。