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1、课程设计论文摘要本文简要介绍了PID调节的工作原理，详细论述了调节器PID 参数的整定，对于PID单回路调节器在工业中的应用具有很重要的现实意义。提出一种对液体流量进行实时的精确控制的设计方案. 该方案以PLC 控制为基础,由上位机、PLC. 触摸屏、靶式流量计、电动调节阀组成. 它不仅适用于流量控制,在改变动作设备后同样适用于对温度、液位、速度、高度等模拟量的控制.关键词：PLC； PID调节器；流量控制系统；参数整定；I目 录1 设计目的与要求11.1 设计目的11.2 设计要求12 系统结构设计22.1 控制方案22.2 系统结构33 实验系统组成53.1系统简介53.2系统组成64 下
2、位机软件104.1 STEP 7简介104.2 STEP 7的安装104.3 STEP 7的硬件配置和程序结构115 上位机组态软件简介155.1 WINCC 概述155.2 WINCC的安装155.3 WINCC的通讯连接和画面组态方法166 PID作用与整定176.1 实验结果176.2 PID调节作用196.2.1 比例作用(P)196.2.2积分作用(I)196.2.3 微分作用(D)206.3控制器PID参数的整定216.3.1经验法216.3.2临界比例度法22总 结24参 考 文 献251 设计目的与要求1.1 设计目的 通过某种组态软件，结合实验已有设备，按照定值系统的控制要求
3、，根据较快较稳的性能要求，采用但闭环控制结构和PID控制规律，设计一个具有美观组态画面和较完善组态控制程序的流量单回路过程控制系统。1.2 设计要求(1) 根据流量单回路过程控制系统的具体对象和控制要求，独立设计控制方案，正确选用过程仪表。(2)了解单闭环流量控制系统的结构组成与原理。(3)进行单闭环流量控制系统调节器参数的整定。(4)分析调节器相关参数的变化对系统静、动态性能的影响。(5)研究P、PI、PD和PID四种控制分别对流量系统的控制作用。2 系统结构设计2.1 控制方案 整个过程控制系统由控制器、调节器、测量变送、被控对象组成。在本次控制系统中控制器为计算机，采用算法为PID控制规
4、律（见附录A和附录B），调节器为电磁阀，测量变送为HB、FT两个组成，被控对象为流量PV。结构组成如下图2.2所示。当系统启动后，水泵开始抽水，通过管道分别将水送到上水箱和下水箱，由HB返回信号，是否还需要放水到下水箱。若还需要（即水位过低），则通过电磁阀控制流量的大小，加大流量，从而使下水箱水位达到合适位置；若不需要（即水位过高或刚好合适），则通过电磁阀使流量保持或减小。其整个流程图如图2.1所示。图2-1 流量单回路控制系统流程图2.2 系统结构过程控制系统由四大部分组成，分别为控制器、调节器、被控对象、测量变送。本次设计为流量回路控制，即为闭环控制系统，如下图2.2.图2-2 流量单回路
5、控制系统框图本实验系统结构图和方框图如图2.2所示。被控量为气动调节阀支路（也可采用变频器支路）的流量，实验要求气动阀支路流量稳定至给定值。将电磁流量计FT1检测到的流量信号作为反馈信号，并与给定量比较，其差值通过调节器控制气动调节阀的开度，以达到控制管道流量的目的。为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制，系统的调节器应为PI控制，并在实验中P、I参数设置要比较大。本实验控制系统流程图如图3-23所示。图2-3 实验控制系统流程图本实验中的流量检测装置（电磁流量计）和执行机构（阀门定位器）均为带PROFIBUS-PA通讯接口的部件，挂接在PROFIBUS-PA总线上，PROFIBU
6、S-PA总线通过LINK和COUPLER组成的DP链路与PROFIBUS-DP总线交换数据，PROFIBUS-DP总线上挂接有控制器CPU315-2 DP，由于PROFIBUS-PA总线和PROFIBUS-DP总线中信号传输是双向的，这样既完成了现场检测信号向CPU的传送，又使得控制器CPU315-2 DP发出的控制信号经由PROFIBUS-DP总线到达PROFIBUS-PA总线来控制执行机构阀门定位器。实验内容与步骤：本实验选择气动阀支路流量作为被控对象。实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-2、F1-8、F1-11全开，其余阀门均关闭。1、接通控制系统电源，打开用作上位监
7、控的的PC机，进入的实验主界面如本实验指导书第二章第一节中的图2-5所示。2、在实验主界面中选择本实验项即“单回路流量PID控制实验”，系统进入正常的测试状态，呈现的实验界面如图3-24所示。图2-4 实验界面3 实验系统组成3.1系统简介本现场总线控制系统是基于PROFIBUS和工业以太网通讯协议、在传统过程控制实验装置的基础上升级而成的新一代过程控制系统。整个实验装置分为上位控制系统和控制对象两部分，上位控制系统流程图如图3-1所示：图3-1 上位控制系统流程图控制对象总貌图如图3-2所示。图3-2 控制对象总貌图3.2系统组成一、被控对象由不锈钢储水箱、（上、中、下）三个串接有机玻璃水箱
8、、4.5KW三相电加热模拟锅炉(由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭式锅炉夹套构成)、盘管和敷塑不锈钢管道等组成。1水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和储水箱。上、中、下水箱采用深蓝色优质有机玻璃，坚实耐用，透明度高，便于学生直接观察液位的变化和记录结果。上、中水箱尺寸均为：D=25cm，H=20cm；下水箱尺寸为：D=35cm，H=20cm。水箱结构独特，由三个槽组成，分别为缓冲槽、工作槽和出水槽，进水时水管的水先流入缓冲槽，出水时工作槽的水经过带燕尾槽的隔板流入出水槽，这样经过缓冲和线性化的处理，工作槽的液位较为稳定，便于观察。水箱底部均接有扩散硅压力传感器与变送器，可对水箱的压力和液位进行检测和变
9、送。上、中、下水箱可以组合成一阶、二阶、三阶单回路液位控制系统和双闭环、三闭环液位串级控制系统。储水箱由不锈钢板制成，尺寸为：长宽高=68cm5243，完全能满足上、中、下水箱的实验供水需要。储水箱内部有两个椭圆形塑料过滤网罩，以防杂物进入水泵和管道。2模拟锅炉：是利用电加热管加热的常压锅炉，包括加热层（锅炉内胆）和冷却层（锅炉夹套），均由不锈钢精制而成，可利用它进行温度实验。做温度实验时，冷却层的循环水可以使加热层的热量快速散发，使加热层的温度快速下降。冷却层和加热层都装有温度传感器检测其温度，可完成温度的定值控制、串级控制，前馈-反馈控制，解耦控制等实验。3盘管：模拟工业现场的管道输送和滞
10、后环节，长37米（43圈），在盘管上有三个不同的温度检测点，它们的滞后时间常数不同，在实验过程中可根据不同的实验需要选择不同的温度检测点。盘管的出水通过手动阀门的切换既可以流入锅炉内胆，也可以经过涡轮流量计流回储水箱。它可用来完成温度的滞后和流量纯滞后控制实验。4管道及阀门：整个系统管道由敷塑不锈钢管连接而成，所有的手动阀门均采用优质球阀，彻底避免了管道系统生锈的可能性。有效提高了实验装置的使用年限。其中储水箱底部有一个出水阀，当水箱需要更换水时，把球阀打开将水直接排出。二、检测装置1压力传感器、变送器：三个压力传感器分别用来对上、中、下三个水箱的液位进行检测，其量程为05KP，精度为0.5级
11、。采用工业用的扩散硅压力变送器，带不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。采用标准二线制传输方式，工作时需提供24V直流电源，输出：420mADC。（本装置已将电流信号转换为电压信号）2温度传感器：装置中采用了六个Pt100铂热电阻温度传感器，分别用来检测锅炉内胆、锅炉夹套、盘管（有3个测试点）以及上水箱出口的水温。Pt100测温范围：-200+420。Pt100传感器精度高，热补偿性较好。3模拟转换器：三个模拟转换器（涡轮流量计）分别用来对由电动调节阀控制的动力支路、由变频器控制的动力支路及盘管出口处的流量进行检测。它的优点是测量精度高，反应快。采用标准二线制传输方式
12、，工作时需提供24V直流电源。流量范围：01.2m3/h；精度：1.0%；输出：420mADC。（本装置已将电流信号转换为电压信号）三、执行机构1电动调节阀：采用智能直行程电动调节阀，用来对控制回路的流量进行调节。电动调节阀型号为：QSTP-16K。具有精度高、技术先进、体积小、重量轻、推动力大、功能强、控制单元与电动执行机构一体化、可靠性高、操作方便等优点，电源为单相220V，控制信号为420mADC或15VDC，输出为420mADC的阀位信号，使用和校正非常方便。2水泵：本装置采用磁力驱动泵，型号为16CQ-8P，流量为30升/分，扬程为8米，功率为180W。泵体完全采用不锈钢材料，以防止
13、生锈，使用寿命长。本装置采用两只磁力驱动泵,一只为三相380V恒压驱动，另一只为三相变频220V输出驱动。3电磁阀：在本装置中作为电动调节阀的旁路，起到阶跃干扰的作用。电磁阀工作压力：最小压力为0Kg/2，最大压力为1MP/2 ；工作温度：580；工作电压：220VAC。4三相电加热管：由三根1.5KW电加热管星形连接而成，用来对锅炉内胆内的水进行加温，每根加热管的电阻值约为50左右。3.3 PLC介绍SIMATIC S7-300 是模块化小型PLC系统，能满足中等性能要求的应用。各种单独 西门子PLC的模块之间可进行广泛组合构成不同要求的系统。与S7-200 PLC比较，S7-300 PLC
14、采用模块化结构，具备高速（0.60.1s）的指令运算速度；用浮点数运算比较有效地实现了更为复杂的算术运算；一个带标准用户接口的软件工具方便用户给所有模块进行参数赋值；方便的人机界面服务已经集成在S7-300操作系统内，人机对话的编程要求大大减少。SIMATIC人机界面（HMI）从S7-300中取得数据，S7-300按用户指定的刷新速度传送这些数据。S7-300操作系统自动地处理数据的传送；CPU的智能化的诊断系统连续监控系统的功能是否正常、记录错误和特殊系统事件（例如：超时，模块更换，等等）；多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密，防止未经允许的复制和修改；S7-300 PLC设有操
15、作方式选择开关，操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出，当钥匙拔出时，就不能改变操作方式，这样就可防止非法删除或改写用户程序。具备强大的通信功能，S7-300 PLC可通过编程软件Step 7的用户界面提供通信组态功能，这使得组态非常容易、简单。S7-300 PLC具有多种不同的通信接口，并通过多种通信处理器来连接AS-I总线接口和工业以太网总线系统；串行通信处理器用来连接点到点的通信系统；多点接口（MPI）集成在CPU中，用于同时连接编程器、PC机、人机界面系统及其他SIMATIC S7/M7/C7等自动化控制系统。4 下位机软件本套控制系统下位机编程软件采用SIEMENS公司的下位编程软件STEP 7。4.1 STEP 7简介STEP 7是用于SIMATIC S7-300/400站创建可编程逻辑控制程序的标准软件，可使用梯形逻辑图、功能块图和语句表。它是SIEMENS SIMATIC工业软件的组成部分。STEP 7以其强大的功能和灵活的编程方式广泛应用于工业控制系统，总体说来，
