单容下水箱液位调节阀PID控制.docx

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单容下水箱液位调节阀PID控制

西安郵電大学

PLC课程设计报告书

题目：

单容下水箱液位调节阀PID控制

院（系）名称

：

自动化学院

学生姓名

：

1号:

郭丽丽9号:

朱雅

29号:

宋党朋

专业名称

：

测控技术与仪器

班级

：

测控1003班

时间

：

2013年09月09日至

2013年09月22日

单容下水箱液位调节阀PID单回路控制

1.无原理图框；

2．无程序流程图；

3.两组报告完全一样；

一、艺过程

（1）单容下水箱液位PID控制流程图，如图1所示

图1控制流程图

水介质由泵P102从水箱V104中加压获得压头，经由调节阀FV-101进入水箱V103，通过手阀QV-116回流至水箱V104而形成水循环；其中，水箱V103的液位由LT-103测得，用调节手阀QV-116的开启程度来模拟负载的大小。

本例为定值自动调节系统，FV-101为操纵变量，LT-103为被控变量，采用PID调节来完成。

二、上位组态

组态流程图界面，如图2所示

图2组态流程图

三、操作过程和调试

1）在现场系统上，打开手阀QV102、QV105，调节下水箱闸板QV116开度（可以稍微大一些），其余阀门关闭。

2）在控制系统上，将IO面板的下水箱液位输出连接到AI0，IO面板的电动调节阀控制端连到AO0。

3）启动计算机组态软件，进入测试项目界面。

启动调节器，设置各项参数，将调节器切换到自动控制。

4）设置比例参数，待系统稳定后，对系统加扰动信号（一般可通过改变设定值实现），选择合适的P，得到较满意的过渡过程曲线。

5）固定比例P值，改变PI调节器的积分时间Ti，对系统加扰动信号选择合适的I，得到较满意的响应曲线。

6）固定I于某一中间值，微调P的大小，观察加扰动后被调量输出的动态波形，得到满意的响应曲线。

7）在PI调节器控制的基础上，再引入适量的微分作用（设置D参数），得到满意的响应曲线。

四．测试结果及分析

1）选择合适的P值，响应曲线图如图3、图4所示

P=20，I=

D=0

P=22，I=

D=0

图3P值不同的组态

P=22，I=

D=0

P=24，I=

D=0

图4P值不同的组态

分析：

根据图3.4、3.5可知，P=20、P=22与P=24的响应曲线相比较，峰值时间

，即

越小，响应速度越快；但P=24的响应曲线有振荡的趋势。

综合考虑，选择P=22。

2）选择合适的I值，响应曲线图如图5、图6所示

图5I值不同的组态

P=22，I=8,D=0

P=22，I=10,D=0

图6I值不同的组态

分析：

根据图5、6可知，I=20、I=15、I=10与I=8的响应曲线相比较，

超调量

；稳态误差

，同时I=8的曲线有振荡的趋势。

综合考虑，选择P=22，I=20。

注意：

I=20与I=15、I=10、I=8曲线所加的扰动不一样，需对I=20的扰动进行折合。

3）选择合适的D值，响应曲线图如图7、图8所示

图7D值不同的组态

P=22，I=20,D=2

P=22，I=20,D=4

图8D值不同的组态

分析：

根据图8和图9可知，D=8、D=4与D=2的响应曲线相比较，超调量

，而D=2的微分作用较弱。

综合考虑，选择P=22，I=20，D=4。

注意：

D=8与D=4、D=2曲线所加的扰动不一样，需对D=8的扰动进行折合。

五、控制器的程序设计

本节提供了对于使用STEP7V5.2开发、编辑和运行一个梯形图（LAD）示例程序，并与组态软件通信的循序渐进的指导。

工程的开发被分为6个阶段，如表1所示。

表1工程开发阶段

第1阶段

第2阶段

第3阶段

第4阶段

第5阶段

第6阶段

创建工程

通信设置

硬件组态

程序编写

程序调试

组态通信

1）新建工程

1.单击File>New…，新建一个工程项目,例如Test。

2.单击“OK”按钮，生成新工程Test：

3.建立S7-300站。

右键单击工程名Test，单击InsertNewObject>SIMATIC300Station。

4.单击展开Test，双击Hardware（硬件），即可进入硬件组态环境。

5.硬件组态完毕后，SIMATIC300

（1）中出现CPU型号。

展开Block，即可进行程序编写

6.图中清晰地显示了项目的分层结构。

在项目中，数据在分层结构中一对象的形式保存，左边窗口内的树（Tree）显示项目的结构。

第一层为项目，第二层为站（Station），站是组态硬件的起点。

“S7Program”文件夹是编写程序的起点，所有的软件均存放在该文件夹中。

用鼠标选中图中某一层的对象，在管理器右边的工作区将显示所选文件内的对象和下一级的文件夹。

双击工作区中的图标，可以打开并编辑对象。

7.Blocks（块）对象包含程序块（Blocks）、用户定义的数据类型（UDT）、系统数据（Systemdata）和调试程序用的变量表（VAT）。

程序块包括逻辑块（OB、FB、FC）和数据块（DB），需要把它们下载到CPU中，用于执行自动控制任务，符号表、变量表和UDT不用下载到CPU。

生成项目时会在块文件夹中自动生成一个空的组织块OB1。

用户生成的变量表（VAT）在调试用户程序是用于监视和修改变量。

系统数据块（SDB）中的系统数据含有系统组态和系统参数的信息，它是用户进行硬件组态时提供的数据自动生成的。

如图2.2.6所示，是一个编辑完成的程序。

2）硬件组态与DP总线

硬件组态

在HWConfig中，双击Hardware，从而进入HWConfig窗口。

如果要安装新的DP设备，则需要安装GSD文件。

在HWConfig中，插入RACK-300机架。

如图9所示。

图9PACK-300机架

在HWConfig中插入RACK-300，然后在机架第一栏中插入电源模块。

选中机架第二栏，插入CPU，注意准确的编号。

如果CPU支持DP通讯，则可以建立DP通讯参数。

设置完毕后，可以随时在Rack-300中双击DP，选择Property按钮，设置DP总线地址和速率。

增加IO模块，有的CPU集成了IO，然后设定这些IO的地址。

例如:

DI地址：

256-263

DO地址：

256-259

单击Station>Save保存设置。

在SIMATICManager中，选择工程，选择PLC>Clear/Reset，可以清除原来的配置信息。

如图10所示：

图10清除S7-300CPU内存

把CPU开关拨到STOP，再转到RUN位置。

则CPU开始运行。

在HW-CONFIG窗口中，选择Station>SaveandCompile，选择PLC>Download，或者Ctrl+L快捷键。

就可以下装调试，如果你没有硬件，则可以使用仿真软件来下装调试。

3）DP总线

用于现场层的高速数据传送。

主站周期地读取从站的输入信息并周期地向从站发送输出信息。

总线循环时间必须要比主站（PLC）程序循环时间短。

除周期性用户数据传输外，PROFIBUS-DP还提供智能化设备所需的非周期性通信以进行组态．诊断和报警处理。

①传输技术：

RS－485双绞线．双线电缆或光缆。

波特率从9.6Kbit/s到12Mbit/s。

②总线存取：

各主站间令牌传递，主站与从站间为主－从传送。

支持单主或多主系统。

总线上最站点（主－从设备）数为126。

③通信：

点对点（用户数据传送）或广播（控制指令）。

循环主－从用户数据传送和非循环主－主数据传送。

④运行模式：

运行．清除．停止。

⑤同步：

控制指令允许输入和输出同步。

同步模式：

输出同步；锁定模式：

输入同步。

⑥功能：

DP主站和DP从站间的循环用户有数据传送。

各DP从站的动态激活和可激活。

DP从站组态的检查。

强大的诊断功能，三级诊断诊断信息。

输入或输出的同步。

通过总线给DP从站赋予地址。

通过部线对DP主站（DPM1）进行配置，每DP从站的输入和输出数据最大为246字节。

⑦可靠性和保护机制：

所有信息的传输按海明距离HD＝４进行。

DP从站带看门狗定时器（WatchdogTimer）。

对DP从站的输入／输出进行存取保护。

DP主站上带可变定时器的用户数据传送监视。

⑧设备类型：

第二类DP主站（DPM2）是可进行编程．组态．诊断的设备。

第一类DP主站（DPM1）是中央可编程控制器，如PLC．PC等。

DP从站是带二进制值或模拟量输入输出的驱动器．阀门等.

4）功能块的程序设计

4.1）DB的参数值

图11DB参数设定

4.2）DB3的设置

图12DB3的参数设定

4.3）功能块的程序图

图13功能块程序图

图片14功能块程序图

六、实验心得

宋党朋：

在本次课程设计过程当中，通过对实验整个过程的认识，了解到许多在控制生产过程当中需要注意的事项和研究方法。

首先熟悉了S7-300的整体架构，了解到相关的仪器设备，例如传感器、执行器，AI、AO、DI、DO模块，调节阀，流量计等。

对于实现一个工程的目的，不仅仅是了解硬件结构就可以的，必须通过相应的软件设计来结合硬件实现。

然后熟悉了程序制作过程当中所需要的软件，例如组态王软件，STEP7。

在实验过程中，我们接触的是一个已经调试完，在使用中的一个系统。

通过改变这个系统的参数，使得系统输出变化，还通过对PID参数的调节加深了数字式PID控制技术及其改进策略在应用领域中的作用。

通过这次实验室调试，我了解到了PID调节器的参数整定的方法，深化了我对过程控制系统的理解。

在实验里，我们观摩模拟真实环境的过程控制，了解了现场系统的结构，以及对现场系统进行几个控制规律具体调试操作的实践。

在实验中，我们利用课本上学到的比例、积分及微分作用对系统性能的影响的相关知识，根据所获得的响应曲线进行P、I、D参数地整定，从而进一步得到满意的响应曲线。

同时，在PID调节器整定的过程中，我对比例积分微分对系统性能的影响有更深的理解，提高了对课本知识的融合。

在实践操作过程中，我认识到理论与实际的差距，再好的理论设计也需要通过实践来检验和校正，这样才能更好地作用于实践。

总之，经过这次实验操作，我受益匪浅。

朱雅：

在设计过程中，由于课题是针对工业现场的设计。

所以我们不仅要考虑到实验环境下的一些条件，还要考虑工业是的经济、实用、可靠、智能等一系列问题。

课程设计是一个综合的设计，尤其它不仅仅涵盖了我们过程控制仪表这一门课的所学内容，同样还要求我们具备电气知识、计算机控制计数知识、单片机知识、PLC知识等。

采用经验法调节输出结果，最后曲线图如上组态王软件设计结果。

当发现输出曲线逐步趋于稳定，变化不大，可以视为最后结果，最后记录相关PID数值。

总之，对于给定的值，我们要想办法通过PID等相关调节方法来使输出结果快、准、稳，这就是过程控制工程的目的。

在最后的调试过程，也是最需要耐心的一个过程。

真正的设计，绝大部分时间是花在了调试上。

通过这次实验室调试，我了解到了PID调节器的参数整定的方法，深化了我对过程控制系统的理解。

在实验里，我们观摩模拟真实环境的过程控制，了解了现场系统的结构，以及对现场系统进行几个控制规律具体调试操作的实践。

在实验中，我们利用课本上学到的比例、积分及微分作用对系统性能的影响的相关知识，根据所获得的响应曲线进行P、I、D参数地整定，从而进一步得到满意的响应曲线。

郭丽丽：

通过曲线图对比,我知道PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。

它是控制实验中常用的一种实验方法。

我们要在老师的指导下认真学习这种方法。

为以后的学习打下坚实的基础。

在曲线图中。

当我们改变其中的某一个值时。

曲线也会发生相应的变化，我们能直接看出来。

而不必经过计算。

这都是PID参数整定的好处。

在本次课程设计过程当中，通过对实验整个过程的认识，了解到许多在控制生产过程当中需要注意的事项和研究方法。

首先熟悉了S7-300的整体架构，了解到相关的仪器设备，例如传感器、执行器，AI、AO、DI、DO模块，调节阀，流量计等。

对于实现一个工程的目的，不仅仅是了解硬件结构就可以的，必须通过相应的软件设计来结合硬件实现。

然后熟悉了程序制作过程当中所需要的软件，例如组态王软件，STEP7。

在实验过程中，我们接触的是一个已经调试完，在使用中的一个系统。

通过改变这个系统的参数，使得系统输出变化，还通过对PID参数的调节加深了数字式PID控制技术及其改进策略在应用领域中的作用。

而实践操作过程中，理论与实际是有很大差距的，再好的理论设计也需要通过实践来检验和校正，这样才能更好地作用于实践。

这次的实验让我更好的体会到了这一点。