单闭环流量PID控制.docx
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单闭环流量PID控制
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；
1设计目的与要求
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，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。
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
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。
其整个流程图如图所示。
图2-1流量单回路控制系统流程图
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.
图2-2流量单回路控制系统框图
本实验系统结构图和方框图如图所示。
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，PROFIBUS-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CPU315-2DP，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CPU315-2DP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
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
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、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=68cm×52㎝×43㎝，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0～5KP，精度为级。
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：
4～20mADC。
（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，工作时需提供24V直流电源。
流量范围：
0～1.2m3/h；精度：
%；输出：
4～20mADC。
（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4～20mADC或1～5VDC，输出为4～20mADC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：
－5～80℃；工作电压：
220VAC。
4．三相电加热管：
由三根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50Ω左右。
PLC介绍
SIMATICS7-300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S7-200PLC比较，S7-300PLC采用模块化结构，具备高速（~μs）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；S7-300PLC设有操作方式选择开关，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，S7-300PLC可通过编程软件Step7的用户界面提供通信组态功能，这使得组态非常容易、简单。
S7-300PLC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SIMATICS7/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STEP7。
STEP7简介
STEP7是用于SIMATICS7-300/400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SIEMENSSIMATIC工业软件的组成部分。
STEP7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，它有如下功能特性：
可通过选择SIMATIC工业软件中的软件产品进行扩展
为功能摸板和通讯处理器赋参数值
强制和多处理器模式
全局数据通讯
使用通讯功能块的事件驱动数据传送
组态连接
STEP7的安装
包含五种语言的STEP7版本能够在以下操作系统上运行：
1、MSWindows95OSR2（95b），推荐使用MSWindows95c。
2、MSWindows98SE。
3、MSWindowsMe。
4、如果操作系统是MSWindowsNTWorkstation，则MSWindowsNTWorkstation至少应该是SP6a以上的版本。
5、如果操作系统是MSWindows2000Professional，则MSWindows2000Professional至少应该是SP1以上的版本。
6、MSWindowsXPProfessional，推荐使用MSWindowsXPProfessionalSP1，
MSWindowsXP家庭版操作系统不支持STEP7。
将STEP7CD放入PC机的CD-ROM驱动器，安装程序将自动启动，根据安装程序界面的提示即可安装完毕。
如果安装程序没有自动启动，可在CD-ROM的以下路径中找到安装程序〈驱动器〉：
/Step7/Disk1/.
一旦安装完成并已重新启动计算机，“SIMATICManager（SIMATIC管理器）”的图标将显示在Windows桌面上。
STEP7的硬件配置和程序结构
一般来说，要在STEP7中完成一个完整自动控制项目的下位机程序设计，要经过设计自动化任务解决方案、生成项目、组态硬件，生成程序、传送程序到CPU并调试等步骤，其结构流程图如图4-1所示。
图4-1程序设计结构流程图
从其流程图来看，设计自动化任务解决方案是首要的，它是根据实际项目的要求进行设计，本实验指导书对此不做过多地阐述。
在生成项目和传送程序到CPU并调试步骤之间，有先组态硬件后生成程序和先生成程序后组态硬件两种方案可供选择，两种方案本质都是一样的，设计者可根据具体情况和自己的习惯来选择其中一种。
下面，我们就选择第一种方案，从生成项目开始，逐步介绍如何完成一个自动化控制项目的下位机程序设计。
（一）生成项目
1、双击桌面上的“SIMATICManager”图标，则会启动STEP7管理器及STEP7新项目创建向导如图4-2所示。
图4-2STEP7新项目创建向导
2、按照向导界面提示，点击“NEXT”，选择好CUP型号，本示例选择的CPU型号为CPU315-2DP，设置CPU的MPI地址为2，点击“NEXT”，在出现的界面中选择好你所熟悉的编程语言（有梯形图、编程指令、流程图等可供选择），点击“FINISH”，项目生成完毕，启动后STEP7管理器界面如图4-3所示
图4-3STEP7管理器界面
（二）组态硬件
硬件组态的主要工作是把控制系统的硬件在STEP7管理器中进行相应地配置，并在配置时对模块的参数进行设定。
1、鼠标左键单击STEP7管理器左边窗口中的“SIMATIC300Station”项，则右边窗口中会出现“Hardware”和“CPU315-2DP
（1）”两个图标，双击图标“Hardware”，打开硬件配置窗口如图4-4所示。
图4-4硬件配置窗口
2、整个硬件配置窗口分为四部分，左上方为为模块机架，左下方为机架上模块的详细内容，右上方是硬件列表，右下方是硬件列表中具体某个模块的功能说明和订货号。
3、要配置一个新模块，首先要确定模块放置在机架上的什么地方，再在硬件列表中找到相对应的模块，双击模块或者按住鼠标左键拖动模块到安放位置，放好后，会自动弹出模块属性对话框，设置好模块的地址和其他参数即可。
4、按照上面的步骤，逐一按照实际硬件排放顺序配置好所有的模块，编译通过后，保存所配置的硬件。
5、点击“开始\设置\控制面板”,鼠标左键双击控制面板中的“SetPG/PCInterface”图标，选择好你的PC机和CPU的通讯接口部件后点击“OK”按钮退出。
6、把控制系统的电源打开，把CPU置于STOP或者RUN-P状态，回到硬件配置窗口，点击图标，下载配置好的硬件到CPU中，把CPU置于RUN状态（如果下载程序时CPU置于RUN-P状态，则可省略这一步），如果CPU的SF灯不亮，亮的只有绿灯，表明硬件配置正确。
7、如果CPU的SF灯亮，则表明配置出错，点击硬件配置窗口中图标，则配置错的模块将有红色标记，反复修改出错模块参数，保存并下载到CPU，直到CPU的SF灯不亮，亮的只有绿灯为止。
（三）程序结构
配置好硬件之后，回到STEP7管理器界面窗口，鼠标左键单击窗口左边的“Block”选项，则右边窗口中会出现“OB1”图标，“OB1”是系统的主程序循环块，“OB1”里面可以写程序，也可以不写程序，根据需要确定。
STEP7中有很多功能各异的块，分别描述如下：
1、组织块（OganizationBlock,简称OB）。
组织块是操作系统和用户程序间的接口，它被操作系统调用。
组织块控制程序执行的循环和中断、PLC的启动、发送错误报告等。
你可以通过在组织块里编程来控制CPU的动作。
2、功能函数块（FunctionBlock,简称FB）。
功能函数块为STEP7系统函数，每一个功能函数块完成一种特定的功能，你可以根据实际需要调用不同的功能函数块。
3、函数（Function,简称FC）。
函数是为了满足用户一种特定的功能需求而由用户自己编写的子程序，函数编写好之后，用户可对它进行调用。
4、数据块（DataBlock,简称DB）。
数据块是用户为了对系统数据进行存储而开辟的数据存储区域。
5、数据类型（DataType,简称UDT）。
它是用户用来对系统数据定义类型的功能模块。
6、变量标签（VariableTable,简称VAT）。
用户可以在变量标签中加入系统变量，并对这些变量加上用户易懂的注释，方便用户编写程序或进行变量监视。
如果你要加入某种块，可在右边窗口（即出现“OB1”的窗口）空白处单击鼠标右键选择“InsertNewObject”选项，在其下拉菜单中鼠标左键单击你所要的块即可。
添加好了你所要的块之后就是程序编写了，鼠标左键双击你所要编写程序的块即可编写程序了（编写程序的指令和语法可参考SIEMENSA&D网站上的《S7-300CPU31xc指令表》一书）。
程序写好并编译通过之后点击STEP7管理器界面窗口中的图标，下载到CPU中，把CPU置于RUN状态即可运行程序。
5上位机组态软件简介
本套控制系统上位机监控软件采用SIEMENS公司的上位监控组态软件SIMATICWINCC。
WINCC概述
WINCC指的是WindowsControlCenter，它是在生产和过程自动化中解决可视化和控制任务的监控系统，它提供了适用于工业的图形显示、消息、归档以及报表的功能模板。
高性能的功能耦合、快速的画面更新以及可靠的数据交换使其具有高度的实用性。
WINCC是基于WindowsNT32位操作系统的，在WindowsNT或Windows2000标准环境中，WINCC具有控制自动化过程的强大功能，它是基于个人计算机，同时具有极高性价比的操作监视系统。
WINCC的显著特性就是全面开放，它很容易结合用户的下位机程序建立人机界面，精确的满足控制系统的要求。
不仅如此，WINCC还建立了像DDE、OLE等在Windonws程序间交换数据的标准接口，因此能毫无困难的集成ActiveX控制和OPC服务器、客户端功能。
WINCC软件是基于多语言设计的，这意味着可以在中文、德语、英语等众多语言之间进行选择。
WINCC的安装
把WINCC光盘放入PC机的光驱中，则系统会自动运行安装程序（如不能自动运行，则可打开光驱所在的盘，运行Setup可执行文件即可），按照安装界面所提示的步骤完成安装，重新启动系统，安装即告完毕。
一旦安装了WINCC，在开始菜单的Simatic\WiCC文件夹下就建立了几个与辅助程序的连接如图5-1所示。
图5-1WiCC文件夹下辅助程序的连接
WINCC的通讯连接和画面组态方法
WINCC的通讯连接是组态上位机监控界面的第一步。
在WINCC的变量管理器里添加新的驱动程序之后，你就会看到WINCC有很多种通讯连接方式，根据你的通讯硬件配置选取正确的通讯连接方式。
WINCC比较常用的的通讯方式有MPI、PROFIBUS和工业以态网，本系统在上位监控机和控制器之间采用工业以太网方式通讯，在控制器和现场装置之间采用PROFIBUS方式通讯。
PROFIBUS（过程现场总线）和工业以太网都是一种用于单元级和现场级的子网。
PROFIBUS用于在少数几个通讯伙伴之间传送少量数据或中等数量的数据，通过DP（分散设备）协议，PROFIBUS可与智能型现场设备通讯，这种通讯类型具有快速、周期性传送数据的特点。
6PID作用与整定
实验结果如下
图6-1P作用时流量变化曲线
图6-2PI作用时流量变化曲线
图6-3PD作用时流量变化曲线
图6-4PID作用时流量变化曲线
对于控制系统来说，在设定值发生变化或系统受到扰动作用后，系统将从原来的稳态经历一个过程进入另一个新的稳态。
一个自动控制系统的好坏在稳态下是难以判别的，只有在过渡过程中才充分反映出来。
一个良好的控制系统，在经历扰动后，一般应平稳、迅速和准确地趋近或回复到设定值。
这就需要对调节器的控制参数进行准确的设定才能达到理想的效果，而PID调节器在出厂时一般都不会提供现成的PID参数，它们只能由技术人员在生产过程中根据实际情况自己摸索出来。
这个工作能鉴别一个自控人员是否具有足够实践经验和清晰的控制理论概念。
在讨论PID参数整定之前，首先必须对PID调节规律有一个大致的了解。
根据实验结果可以计算出上述图的传递函数，PID控制器的动作规律：
应传递函数为：
=
。
下面结合实验的结果来讨论PID调节作用及工作原理。
PID调节作用
单回路控制系统的控制算式仅为PID形式，在讨论P、I、D作用时人们一般以调节器的阶跃响应特性来说明。
下面分别予以说明:
比例作用（P）
其输出信号（指变化量）y与偏差信号ε（假定设定值不变，偏差变化量就是输入变化量）之间成比例关系，
即：
y=Kp*ε
其中式中Kp式一个可调的比例增益。
比例调节作用的优点是反映速度快，调节作用能立即见效，即当有偏差信号输入时，调节器的输出立刻与偏差成比例地变化。
输入的偏差信号越大，输出的调节作用也越强，这是比例调节器的一个显著特点。
但因调节器的输出信号与偏差信号之间任何时候都存在着比例关系，因此这种调节器用在自动调节系统中就难免要存在静差，这是它的最大缺点。
为了减小静差，必须增大Kp，但Kp的增大使系统的稳定性变差，所以单纯的比例调节要同时兼顾静态和动态品质指标是比较困难的。
如图6-1所示即可知道P的作用。
积分作用（I）
其输出信号（指变化量）y与偏差信号ε的积分成正比，
即
式中1/Ti代表积分速度，Ti称为积分时间。
当有偏差存在时，积分调节器的输出信号将随时间不断增长（或减小），只有当输入偏差等于零时，输出信号才会停止变化，而稳定在某一数值上。
调节器的输出信号变化的快慢与输入偏差ε的大小和积分速度1/Ti成正比，调节器的输出变化方向由ε的正负决定。
由上可知在用积分调节器组成调节系统时，就可以达到无静差调节。
但也存在着一个缺点，因其调节作用是随着时间的积累而逐渐增强的，所以调节作用缓慢，这样会出现调节不及时。
当对象的惯性较大时，被调参数将出现很大的超调量，调节时间也将延长，甚至使系统难以稳定。
为此在调节系统中往往是把比例和积分组合起来，这样调节既及时，又能消除静差。
微分作用（D）
对于一些惯性较大的对象，常常希望能根据被调参数变化的趋势，即偏差变化速度来进行调节，这就要求调节器具有微分的调节特性。
所谓微分调节特性，是指其输出信号与偏差信号的变化成正比，即：
y=Td（dε/dt）
式中Td为微分时间；dε/dt代表信号变化速度。
从上式可知：
调节器的输出信号变化量y与输入偏差ε的变化速度成正比。
当输入端出现阶跃信号时，在出现阶跃信号的瞬间（t=t0），相当于偏差信号变化速度为无穷大，从理论上讲输出也将无穷大，但实际上是不可能的。
对于一个固定的偏差来说，不管这个偏差有多大，因为它的变化速度为零，故微分输出也为零。
对于一个等速上升的偏差来说，即dε/dt=m（常数），则微分输出也为一常数y=Tdm，这是微分调节规律的特点。
由以上分析可知，这种调节器使用在系统中，即使偏差很小，但只要出现变化趋势，即可马上进行调节，故有“超前”调节之称。
但它的输出只能反映偏差信号的变化速度，不能反映偏差的大小，调节结果也不能消除偏差，所以不能单独使用这种调节器。
它常与比例或积分调节规律组合构成PD或PID调节
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