设计完整版《容器液位调节阀远程控制系统的设计》完整详细版

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1、西安邮电大学 毕 业 设 计（论 文） 题 目：容器液位调节阀远程控制系统的设计 院 系： 自动化学院 专 业： 自动化 班 级： 自动0703班 学生姓名： 王党伟 导师姓名： 职称： 起止时间：2011年1 月 10日 至 2011 年 6月17日毕业设计（论文）诚信声明书本人声明：本人所提交的毕业论文容器液位调节阀远程控制系统的设计是本人在指导教师指导下独立研究、写作的成果，论文中所引用他人的文献、数据、图件、资料均已明确标注；对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明并表示感谢。本人完全清楚本声明的法律后果，申请学位论文和资料若有不实之处，本人愿承担相应的法律责任。

2、论文作者签名： 时间： 年 月 日指导教师签名： 时间： 年 月 日西 安 邮 电 学 院毕业设计(论文)任务书学生姓名王党伟指导教师沈建冬职称讲师院（系）自动化学院专业自动化题目 容器液位调节阀远程控制系统的设计 任务与要求1、 学习西门子PLC和组态软件组态王的使用方法。2、 熟悉S7-300软件和组态王软件。3、 会使用组态王6.52软件画组态界面。4、 绘制电气原理图、装配图、接线图。5、 熟练掌握S7-300软件，具有一定的编程能力开始日期1月10日完成日期6月17日院主任(签字)2011年3月28日西 安 邮 电 学 院毕 业 设 计 (论文) 工 作 计 划 学生姓名_王党伟_指

3、导教师_沈建冬_职称_讲师_系别_自动化学院_专业_自动化_ 题目容器液位调节阀远程控制系统的设计_工作进程起 止 时 间工 作 内 容 3月23日4月12日 学习西门子PLC和组态软件组态王的使用方法 4月13日4月29日 熟悉S7-300软件和组态王软件 4月30日5月24日 编写控制程序，画组态画面 5月25日6月4日 仿真该控制方案，并进行实际操作 6月4日6月13日 撰写毕业论文主要参考书目(资料)1 廖常初.S7-300 PLC编程及应用.北京：机械工业出版社.20052 钟肇焱主编,西门子S7-300系列PLC及应用软件STEP.武汉：华南理工大学出版社.2005 3 组态王6.

4、52软件资料4 邱道伊等，S7-300/400PLC入门和应用分析.北京：中国电力出版社，2008 主要仪器设备及材料S7-300软件、组态王软件论文(设计)过程中教师的指导安排 每周三下午、周五下午对计划的说明西 安 邮 电 学 院毕业设计(论文)开题报告自动化 学院 自动化 专业 07 级 03 班 课题名称：容器液位调节阀远程控制系统的设计学生姓名： 王党伟 学号 06071085 指导教师： 沈建冬 职称 讲师 报告日期： 2011年3月30日 1本课题所涉及的问题及应用现状综述在石油工业、化工生产、电力工程、机械制造和食品加工等诸多领域中，人们都需要对各类流体的液位高度进行检测和控制

5、.由于其具有工况复杂、参数多变、运行惯性大、控制滞后等特点，它对控制调节器要求极高。随着科学技术的不断发展，人们对液位控制系统的要求越来越高，特别是高精度、智能化、人性化的液位控制系统是国内外液位控制系统发展的必然趋势。2本课题需要重点研究的关键问题、解决的思路及实现预期目标的可行性分析重点研究的关键问题：液位控制精度、基于S7-300软件的程序编写、熟悉组态王。解决思路：除了传统的PID控制系统外，近年来随着智能仪表和PLC的发展，加入智能型控制的系统也得以应用。通过西门子PLC控制器或智能仪表，水位传感器将检测到的实际水位转化为电压信号，经过模拟量输入模块转换成数字量信号并送到PLC中进行

6、PID调节。PLC控制器通过调节电动调节阀的工作来实现对水位的自动控制，同时利用组态软件组态王设计一个人机界面（HMI），通过串行口与可编程控制器或智能仪表通信，对控制系统进行全面监控，从而使用户操作更方便可行性分析：做好硬件设计，完成PLC控制电路设计，水位检测电路设计，以及控制电路设计，完成人机界面设计。最后，通过在实验室进行多次调试以及实验，对实验装置以及实验程序进行深入测试以及调试，使其尽可能达到最好的控制效果。3完成本课题的工作方案第一周：了解题目，寻找相关的资料。第二周至第五周：学习西门子PLC和组态软件组态王的使用方法。第六周至第七周：熟悉S7-300软件和组态王软件。第八周至第

7、九周：编写控制程序，画组态画面。第十周：仿真该控制方案，并进行实际操作。第十一周至第十三周：撰写论文。第十四周：提交论文，并进行答辩。4指导教师审阅意见 指导教师(签字)： 年 月 日说明：本报告必须由承担毕业论文(设计)课题任务的学生在毕业论文(设计) 正式开始的第1周周五之前独立撰写完成，并交指导教师审阅。西安邮电学院毕业设计 (论文)成绩评定表学生姓名王党伟 性别男学号06071085专 业班 级自动0703班课题名称 容器液位调节阀远程控制系统的设计课题类型实际应用难度一般毕业设计（论文）时间2011年1月 10日6月 17 日 指导教师沈建冬 (职称讲师)课题任务完成情况论 文 (千

8、字)；设计、计算说 明书 (千字)； 图纸 (张)；其它(含附 件)：指导教师意见分项得分：开题调研论证 分； 课题质量（论文内容） 分； 创新 分；论文撰写（规范） 分； 学习态度 分； 外文翻译 分指导教师审阅成绩： 指导教师(签字)： 年 月 日评阅教师意见分项得分：选题 分； 开题调研论证 分； 课题质量（论文内容） 分； 创新 分；论文撰写（规范） 分； 外文翻译 分评阅成绩： 评阅教师(签字)： 年 月 日验收小组意见 分项得分：准备情况 分； 毕业设计（论文）质量 分； （操作）回答问题 分验收成绩： 验收教师(组长)(签字)： 年 月 日答辩小组意见分项得分：准备情况 分； 陈

9、述情况 分； 回答问题 分； 仪表 分答辩成绩： 答辩小组组长(签字)： 年 月 日成绩计算方法(填写本系实用比例)指导教师成绩 () 评阅成绩 () 验收成绩 () 答辩成绩 ()学生实得成绩(百分制)指导教师成绩 评阅成绩 验收成绩 答辩成绩 总评 答辩委员会意见毕业论文(设计)总评成绩(等级)： 答辩委员会主任(签字)： 院（系）(签章) 年 月 日备注西安邮电学院毕业论文(设计)成绩评定表(续表)目录摘 要IABSTRACTII第一章 绪论11.1 PLC的简介及其国内外发展趋势1 PLC国内外现状1本论文研究的意义4本论文研究的主要内容5第二章 PID原理62.1 PID的原理、算法

10、简介及参数整定6比例（P），积分（I），微分（D）的控制原理62.1.2 PID算法6控制器P、I、D项的选择92.1.4 PID控制器的参数整定11第三章 程序及组态设计133.1 S7-300介绍133.1.1 S7-300 PLC系统组成133.1.2 STEP7的工程建立过程143.2程序设计153.2.1 PLC程序153.3组态软件介绍163.4组态画面设计17组态王简介173.4.2 组态王开发17第四章 实验结果分析214.1实验分析214.2 结论及展望234.2.1 结论234.2.2 展望23致谢24参考文献25摘 要过程控制是生产过程自动控制的简称，这是自动化技术的一个

11、重要组成分。通常是指石油、化工、电力、冶金、轻工、建材、核能等工业生产中连续的或按一定周期与程序进行的生产过程自动控制。在现代工业生产过程中，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、改善劳动条件、保护生态环境等方面起着越来越大的作用。本课题主要以单容水箱为理论模型，主要以PID算法，组态王为上位组态软件，内置西门子S7-300PLC的A3000过程控制系统实现水箱液位的自动调节。首先分别介绍PLC,PID的基础知识及其特点，应用领域，然后介绍了西门子S7-300PLC的具体设计过程和组态王的功能应用。 关键词：西门子S7-300PLC，PID算法,组态王，A30

12、00过程控制系统。AbstractProcess control automation of the production process is Short title, Usually refersto oil, chemicals, power, metallurgy, light industry, building materials, such asindustrial production of nuclear energy in a continuous cycle or by a certain procedureand the production of automatic

13、control. In the course of modern industrial production,Process control technology is optimal for the realization of all the technical andeconomic indicators, enhance economic efficiency and labor productivity, improveworking conditions and protecting the environment and other aspects of playing anin

14、creasing role.This topic is in single let water tank for theoretical model, mainly PID algorithm, kingview for superior configuration software, built-in Siemens s7-300 A3000 process control system in mill realization of automatic adjustment of the tank level. First introduced PLC, the PID respective

15、ly the basic knowledge and its characteristics, application field, then introduces Siemens s7-300 PLC design process and configuration king function applications. Keywords: Siemens S7 300PLC, PID algorithm, kingview, A3000 process control system. 第一章 绪论 1.1 PLC的简介及其国内外发展趋势PLC国内外现状a.PLC的概念可编程控制器（ Pro

16、grammable Logic Controller）简称PLC或PC，是从早期的继电器逻辑控制系统发展而来，它不断吸收微计算机技术使之功能不断增强，逐渐适合复杂的控制任务 。 PLC之所以有生命力，在于它更加适合工业现场和市场的要求：高可靠性、强抗各种干扰的 能力、编程安装使用简便、低价格长寿命。比之单片机，它的输入输出端更接近现场设备，不需添加太多的中间部件或需要更多的接口，这样节省了用户时间和成本。PLC的下端(输入端)为继电器、晶体管和晶闸管等控制部件，而上端一般是面向用户的微型计算机。人们在应用它时，可以不必进行计算机方面的专门培训，就能对可编程控制器进行操作及编程。用来完成各种各样

17、的复杂程度不同的工业控制任务。 自1836年继电器问世，人们就开始用导线将它同开关器件巧妙地连接，构成用途各异的逻辑 控制或顺序控制。至今，在PLC的编程语言梯形图中还可以看到这些布线的影子。直到60年代末、70年代初可编程控制器问世，随着微电子技术、计算机技术和数据通信技术的飞速发展，以及微处理器的出现，PLC产品朝小型和超小型化方面进行了一次飞跃，最终使早期的PLC从最初的逻辑控制、顺序控制，发展成为具有逻辑判断、定时、计数、记忆和算术运算、数据处理、联网通信及PID回路调节等功能的现代PLC。国际电工委员会（IEC）在其标准中将PLC定义为：可程式逻辑控制器是一种数位运算操作的电子系统，

18、专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算数操作等。面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种机械或生产过程。可程式逻辑控制器及其有关的外部设施，都按易于工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。bPLC国内外状况世界上公认的第一台PLC是1969年美国数字设备公司（DEC）研制的。限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等

19、功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。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

20、、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。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

21、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。c. PLC的应用领域目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输

22、、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。（1）开关量的逻辑控制这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。（2）模拟量控制在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。（3）运动控制PL

23、C可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。（4）过程控制过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热

24、处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。dPLC的展望21世纪，PLC会有更大的发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技

25、术的发展方向。目前的计算机集散控制系统DCS（Distributed Control System）中已有大量的可编程控制器应用。伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。PID的相关知识介绍及其发展趋势PID英文全称为Proportion Integration Differentiation，它是一个数学物理术语。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

26、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。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、 积分、微分计算出控制量进行控制的。目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。同时，控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。智能 控制的典型实例是模糊全自动洗衣机

27、等。自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接 口。控制器的输出经过输出接口、执行机构，加到被控系统上；控制系统的被控量，经过传感器，变送器，通过输入接口送到控制器。不同的控制系统，其传感器、 变送器、执行机构是不一样的。比如压力控制系统要采用压力传感器。电加热控制系统的传感器是温度传感器。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器 （仪表）已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的PID控制器产品。本论文研究的意义过程控制是自动技术的重要应用领域，它是指对液位、温度、流量等过程变量进行控制，在冶金、机械、化工、

28、电力等方面得到了广泛应用。尤其是液位控制技术在现实生活、生产中发挥了重要作用，比如，民用水塔的供水，如果水位太低，则会影响居民的生活用水；工矿企业的排水与进水，如果排水或进水控制得当与否，关系到车间的生产状况；锅炉汽包液位的控制，如果锅炉内液位过低，会使锅炉过热，可能发生事故；精流塔液位控制，控制精度与工艺的高低会影响产品的质量与成本等。在这些生产领域里，基本上都是劳动强度大或者操作有一定危险性的工作性质，极容易出现操作失误，引起事故，造成厂家的的损失。可见，在实际生产中，液位控制的准确程度和控制效果直接影响到工厂的生产成本、经济效益甚至设备的安全系数。所以，为了保证安全条件、方便操作，就必须

29、研究开发先进的液位控制方法和策略。在本设计中以液位控制系统的水箱作为研究对象，水箱的液位为被控制量，选择了出水阀门作为控制系统的执行机构。针对过程控制试验台中液位控制系统装置的特点，建立了以组态王模拟界面，西门子S7-300PLC为控制器的PID液位控制系统。本论文研究的主要内容除模拟PID调节器外，可以采用计算机PID算法控制。首先由差压传感器检测出水箱水位；水位实际值通过PLC进行A/D转换，变成数字信号后，被输入计算机中；最后，在计算机中，根据水位给定值与实际输出值之差，利用PID程序算法得到输出值，再将输出值传送到PLC中，由PLC将数字信号转换成模拟信号。最后，由PLC的输出模拟信号

30、控制电磁阀，从而形成一个闭环系统，实现水位的计算机自动控制。第二章 PID原理2.1 PID的原理、算法简介及参数整定比例（P），积分（I），微分（D）的控制原理（1）比例（P）控制比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。（2）积分（I）控制在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error）。为了消除稳态误差，在控制器中必

31、须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。（3）微分（D）控制在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后（delay）组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就

32、应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。 PID算法数字PID控制算法在计算机控制系统中，使用的是数字PID控制器，数字PID控制算法通常又分为位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。位置式PID控制算法 在模拟过程控制中，PID控制算式为 (2.1)写成传递函数形式为 (2.2)式中 比

33、例系数； 积分时间常数； 微分时间常数；由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，因此式（2.1）中的积分和微分项不能直接使用，需要进行离散化处理。当采样周期T足够短时，以一系列的采样时刻点代表连续时间t，以和式代替积分，以增量代替微分，,则可作如下近似变换： （2.3）在上式中，为书写方便，将简化表示成等，即省去T。将式（2.3）代入式（2.1），可得离散的PID表达式为： (2.4)写成： (2.5)式中 采样序号，；第次采样时刻的计算机输出值；第次采样时刻输入的偏差值；积分系数，；微分系数，。根据变换的性质：和对式（2.5）进行变换为： （2.6）由式（2.6）

34、便可得到数字PID控制器的传递函数为 （2.7）由于计算机输出的直接去控制执行机构（如阀门），的值和执行机构的位置（如阀门开度）是一一对应的，所以通常称式（2.4）为位置式PID控制算法。由于位置式PID控制算法是全量输出，故每次输出均与过去的状态有关，计算时要对进行累加，计算机运算工作量大。而且，因为计算机输出对应的是执行机构的实际位置，如果计算机出现故障，大幅度变化，会引起执行机构位置的大幅度变化，在某些场合，可能造成重大的生产事故，为避免这种情况的发生，提出了增量式PID控制的控制算法。增量式PID控制算法增量式PID是指数字控制器的输出只是控制量的增量，由式（2.5）和递推原理可得 (

35、2.8)用式（2.5）减去（2.8），可得 (2.9 ) (2.10)式中 式（2.10）即增量式PID控制算法。式（2.10）可进一步改写为： (2.11)式中 ，。它们都是与采样周期、比例系数、积分时间常数、微分时间常数有关的系数。可以看出，由于一般计算机控制系统采用恒定的采样周期，一旦确定了、，只要使用前后3次测量值的偏差，即可求出控制增量。采用增量式算法时，计算机输出的控制增量对应的是本次执行机构位置（例如阀门开度）的增量。对应阀门实际位置的控制量，即控制量增量的积累需要采用一定的方法来解决，例如用有积累作用的元件来实现；而目前较多的是利用算式通过软件来完成。和位置式PID控制相比，增

36、量式PID控制具有许多优点：（1）由于计算机输出增量，所以误动作时影响小，必要时可用逻辑判断的方法去掉。（2）手动/自动切换时冲击小，便于实现无扰动切换。此外，当计算机发生故障时，由于输出通道或执行装置具有信号的锁存作用，故仍能保持原值。（3）算式中不需要累加。控制增量的确定，仅与最近次的采样值有关，所以较容易通过加权处理而获得比较好的控制效果。增量式PID控制器的不足之处：积分截断效应大，有静态误差；溢出的影响大。控制器P、I、D项的选择比例调节作用：是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的

37、稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。积分调节作用：是使系统消除稳态误差，提高无差度。因为有误差，积分调节就进行，甚至无差，积分调节停止，积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti,Ti越小，积分作用就越强。反之Ti大则积分作用弱，加入积分调节可使系统稳定性下降，稳态性下降，稳态响应慢。积分作用常与另两种调节规律结合，组成PI调节器或PID调节器。微分调节作用：微分作用反应系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没形成之前，已被微分调节作用消除。因此，可以改善系统动态性能。在微分时间选择合适情况下，可以减少超调，减少调节时间。微分作用

38、对噪声干扰有放大作用，因此过强的加微分调节，对系统抗干扰不利。此外，微分反应的是变化率，而当输入没有变化时，微分作用输出为零。微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合，组成PD或PID控制器。比例（P）控制单独的比例控制也称“有差控制”，输出的变化与输入控制器的偏差成比例关系，偏差越大输出越大。实际应用中，比例度的大小应视具体情况而定，比例度太小，控制作用太弱，不利于系统克服扰动，余差太大，控制质量差，也没有什么控制作用；比例度太大，控制作用太强，容易导致系统的稳定性变差，引发振荡。 对于反应灵敏、放大能力强的被控对象，为提高系统的稳定性，应当使比例度稍小些；而对于反应迟钝，放大能力

39、又较弱的被控对象，比例度可选大一些，以提高整个系统的灵敏度，也可以相应减小余差。 单纯的比例控制适用于扰动不大，滞后较小，负荷变化小，要求不高，允许有一定余差存在的场合。工业生产中比例控制规律使用较为普遍。 比例积分（PI）控制比例控制规律是基本控制规律中最基本的、应用最普遍的一种，其最大优点就是控制及时、迅速。只要有偏差产生，控制器立即产生控制作用。但是，不能最终消除余差的缺点限制了它的单独使用。克服余差的办法是在比例控制的基础上加上积分控制作用。 积分控制器的输出与输入偏差对时间的积分成正比。这里的“积分”指的是“积累”的意思。积分控制器的输出不仅与输入偏差的大小有关，而且还与偏差存在的时

40、间有关。只要偏差存在，输出就会不断累积（输出值越来越大或越来越小），一直到偏差为零，累积才会停止。所以，积分控制可以消除余差。积分控制规律又称无差控制规律。 积分时间的大小表征了积分控制作用的强弱。积分时间越小，控制作用越强；反之，控制作用越弱。 积分控制虽然能消除余差，但它存在着控制不及时的缺点。因为积分输出的累积是渐进的，其产生的控制作用总是落后于偏差的变化，不能及时有效地克服干扰的影响，难以使控制系统稳定下来。所以，实用中一般不单独使用积分控制，而是和比例控制作用结合起来，构成比例积分控制。这样取二者之长，互相弥补，既有比例控制作用的迅速及时，又有积分控制作用消除余差的能力。因此，比例积

41、分控制可以实现较为理想的过程控制。 比例积分控制器是目前应用最为广泛的一种控制器，多用于工业生产中液位、压力、流量等控制系统。由于引入积分作用能消除余差，弥补了纯比例控制的缺陷，获得较好的控制质量。但是积分作用的引入，会使系统稳定性变差。对于有较大惯性滞后的控制系统，要尽量避免使用。 比例微分（PD）控制比例积分控制对于时间滞后的被控对象使用不够理想。所谓“时间滞后”指的是：当被控对象受到扰动作用后，被控变量没有立即发生变化，而是有一个时间上的延迟，比如容量滞后，此时比例积分控制显得迟钝、不及时。为此，人们设想：能否根据偏差的变化趋势来做出相应的控制动作呢？犹如有经验的操作人员，即可根据偏差的

42、大小来改变阀门的开度（比例作用），又可根据偏差变化的速度大小来预计将要出现的情况，提前进行过量控制，“防患于未然”。这就是具有“超前”控制作用的微分控制规律。微分控制器输出的大小取决于输入偏差变化的速度。 微分输出只与偏差的变化速度有关，而与偏差的大小以及偏差是否存在与否无关。如果偏差为一固定值，不管多大，只要不变化，则输出的变化一定为零，控制器没有任何控制作用。微分时间越大，微分输出维持的时间就越长，因此微分作用越强；反之则越弱。当微分时间为0时，就没有微分控制作用了。同理，微分时间的选取，也是需要根据实际情况来确定的。 微分控制作用的特点是：动作迅速，具有超前调节功能，可有效改善被控对象有

43、较大时间滞后的控制品质；但是它不能消除余差，尤其是对于恒定偏差输入时，根本就没有控制作用。因此，不能单独使用微分控制规律。 比例和微分作用结合，比单纯的比例作用更快。尤其是对容量滞后大的对象，可以减小动偏差的幅度，节省控制时间，显著改善控制质量。 比例积分微分（PID）控制最为理想的控制当属比例-积分-微分控制规律。它集三者之长：既有比例作用的及时迅速，又有积分作用的消除余差能力，还有微分作用的超前控制功能。 当偏差阶跃出现时，微分立即大幅度动作，抑制偏差的这种跃变；比例也同时起消除偏差的作用，使偏差幅度减小，由于比例作用是持久和起主要作用的控制规律，因此可使系统比较稳定；而积分作用慢慢把余差

44、克服掉。只要三个作用的控制参数选择得当，便可充分发挥三种控制规律的优点，得到较为理想的控制效果。 PID控制器的参数整定PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种访法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的实验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行PID控制器参数的整定步骤如下(1)首先预选择一个足够短

45、的采样周期让系统工作；（2）仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这是的比例放大系数和临界振荡周期；（3）在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制参数。PID参数的设定：是靠经验及工艺的熟悉，参考测量值跟踪与设定值曲线，从而调整PID的大小。第三章 程序及组态设计3.1 S7-300介绍S7-300是模块化的通用型PLC，适用于中等性能的控制要求。用户可以根据系统的具体情况选择合适的模块，维修时更换模块十分方便。当系统规模扩大和功能复杂时，可以增加模块，对PLC进行扩展。简单实用的分布式结构和强大的通信联网能力，使其应用十分灵活。S7-300的CPU模块（简称为CPU

46、）集成了过程控制功能，用于执行用户程序。不需要附加任何硬件、软件和编程，就可以建立一个MPI（多点接口）网络。如果有PROFIBUS-DP接口，可以建立一个DP网络。S7-300可大范围扩展各种功能模块，可以非常好地满足和适应自动控制任务。由于简单实用的分散式结构和多界面网络能力，使得应用十分灵活。产品设计紧凑、可用于空间有限的场合。指令集功能强大，可用于复杂控制。无需电池备份，免维护。 S7-300 PLC系统组成SIMATIC S7-300可编程序控制器是模块化结构设计。各种单独的模块之间可进行广泛组合以用于扩展。系统组成： 中央处理单元 (CPU) ：各种CPU 有各种不同的性能，例如，

47、我们通常所配的CPU 313C-2DP集成了数字量输入和输出，以及PROFIBUS DP主站/从站接口。带有与过程相关的功能，可以连接标准I/O设备。CPU运行时需要微存储器卡。信号模块 (SM) ：用于数字量和模拟量输入/输出。负载电源模块 (PS) ：用于将SIMATIC S7-300 连接到120/230V AC电源。根据客户要求，还可以提供以下设备： 通讯处理器 (CP) ：用于连接网络和点对点连接。功能模块 (FM) ：用于高速计数，定位操作 (开环或闭环控制) 和闭环控制。接口模块 (IM) ：用于多机架配置时连接主机架(CR)和扩展机架 (ER)。S7-300通过分布式的主机架(

48、CR)和3个扩展机架(ER)，可以操作多达32个模块。运行时无需风扇。 STEP7的工程建立过程打开STEP7 软件，新建工程并命名，设置保存路径，然后又右键单击项目在子菜单选择“插入对象”的SIMATIC300站点进行硬件配置，如图3.1图3-1硬件配置在“S7程序”菜单中建立符号表，然后在块中建立各种模块，如图3.2。包括组织块、功能块、功能、数据块、变量表几个部分。（1） OB1（组织块）：用于循环程序处理的组织块。（2） FB（功能块）；需要背景数据块的函数块，数据在执行完之后要需要保存的。在各种逻辑块中可以调用FB。FB可以自己编写，也可以调用西门子S7-300 内部的FB，FB41

49、就是一个提供连续PID控制的函数。（3） FC（功能）：数据执行时分配临时空间，FC运算结束后不保存运算结果。（4） DB（数据块）；是整个工程内的全局数据块。（5） 变量表：用于建立和组态软件的相关变量。如图3.23.2程序设计 PLC程序程序段1：首先把各个输入转换成0-100，以便给PID运算器，或者给组态软件S7格式，2-10V（4-20MA）对应5530-27648。程序段2：将当前液位值与设定值进行PID运算，PID运算的程序块在FB41里，属于西门子内部程序。可直接调用。程序段3：把PID运算后的数据转换成2-10V（4-20MA）对应的5530-27648，然后通过模拟量输出通

50、道1输出。3.3组态软件介绍组态王开发监控系统软件，是新型的工业自动控制系统正以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。 它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。尤其考虑三方面问题：画面、数据、动画。通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。而且，它能充分利用Windows的

51、图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。 3.4组态画面设计组态王简介组态王（Kingview）是由北京亚控公司开发，在PC机上建立工业控制对象人机接口的一种智能软件包，它以Window2000/WindowXP/WindowNT中文操作系统作为其操作平台，充分利用了Windows图形功能设备，界面一致性好，易学易用等特点，具有功能完备的人机接口界面和面向对象的图形开发环境，便于高效，快捷地把整个工艺过程构成监控画面，以动画的形式显示各个控制设备的状态，在报警

52、和历史趋势方面的功能，方便了对系统的监控，具有较强的网络功能。组态王图形界面开发功能使用方便，对I/O设备广泛支持。它所使用的PC机开发的系统工程，比以往使用专用机开发的工业控制系统更有通用性，大大减少了工控软件开发者的重复性工作，还可以运用PC机丰富的软件资源进行二次开发。组态王软件结构由工程管理器、工程浏览器及运行系统三部分构成。 工程管理器：工程管理器用于新工程的创建和已有工程的管理，对已有工程进行搜索、添加、备份、恢复以及实现数据词典的导入和导出等功能。 工程浏览器：工程浏览器是一个工程开发设计工具，用于创建监控画面、监控的设备及相关变量、动画链接、命令语言以及设定运行系统配置等的系统

53、组态工具。 运行系统：工程运行界面，从采集设备中获得通讯数据，并依据工程浏览器的动画设计显示动态画面，实现人与控制设备的交互操作。 组态王开发（1）定义变量对所用到的变量进行定义。这些变量均是在组态王的工程浏览器中的数据字典中定义的,如图3-4所示的液位变量定义。图3-3图3-4按照液位控制变量的方法可以响应创建水流控制、水流变量、电动调节阀这些变量。（2）新建工程双击桌面图标，打开工程管理器，建立工程，并设置好工程保存路径等。如图3-5所示，容器液位是所建的工程。图3-5（3）界面开发点击项目进入工程浏览器，点击画面并新建系统所需的界面。如图3-6所示。 图3-6已建好的系统画面。如图3-7

54、所示。图3-7第四章 实验结果分析4.1实验分析实验一实验参数：P=10 I=800000 D=0 SP=20实验曲线如图4-1所示：图4-1实验结果分析：P值过大导致调节阀开度(曲线MV反应过快)变化过大，MV震荡过大说明I值设置过大。实验二实验参数：P=10 I=10000 D=0 SP=20实验曲线如图4-2所示：图4-2实验分析：P值过大导致调节阀开度(曲线MV)变化过大，I值较为合理使曲线很快稳定下来。实验三试验参数：P=0.02 I=10000 D=O SP=20实验曲线如图4-3所示：图4-3试验分析：P值设置已经非常合理使曲线控制速度平缓，I值较为合理使曲线很快稳定下来。4.2

55、 结论及展望 结论a) 在I为一定值时，D为0时，P的范围为之间，在这个范围内，系统的稳定性良好，稳态误差较小。b) 当把P值固定，进行I值范围选取时，I值减小的时候，系统的稳定性变差，出现振荡，I减小的越多，振荡越严重，I值在8000-10000之间是比较理想的范围。c) 微分时间常数增加，会使得系统的稳定性下降，但是，调整得当，可使过渡过程缩短，从而使系统既无余差存在，又能改善系统的动态性能。d) 本次调试，最终选择的P、I、D的时间常数为Kp、Ki、Kd分别为0.02，8000，0。在这些时间常数下，系统的稳定性能很好，能够达到控制系统稳、快、准的要求，所以说，基于A3000的管道流量P

56、ID控制系统的设计与调试是成功的。 展望基于智能仪表、PLC与HMI组成的液位控制系统具有抗干扰能力强，控制精度高等优点，实用性很强，可以应用于大量类似的液位控制场合。随着科学技术的不断发展，人们对液位控制系统的要求愈来愈高，因此，高精度、智能化、人性化的液位控制系统是国内外必然发展趋势。 致谢这次毕业设计能够顺利的完成，得益与老师的指导和同学们的帮助、鼓励和支持。首先，感谢我的母校西安邮电学院，给我提供了一个良好的学习环境以及丰富的学习资源。其次感谢我的指导老师沈建冬，还有实验室的其他老师。他们对待工作认真负责，对待同学热情而有耐心。最后感谢在一起愉快的度过本科生涯的自动化0703班的同学，感谢你们在学习和生活上给予我的帮助。参考文献1 廖常初.S7-300 PLC编程及应用.北京：机械工业出版社，20052 钟肇焱主编.西门子S7-300系列PLC及应用软件STEP.武汉：华南理工大学出版社，20053 组态王6.52软件资料4 邱道伊等.S7-300/400入门和应用分析.北京：中国电力出版社，20085 张万忠主编.可编程控制器入门与应用实例. 北京：中国电力出版社，20056 基于S7-300PLC控制系统A3000实验和测试培训、北京华昇高科教学仪器有限公司编制