单容液位控制系统设计-课程设计

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1、南通大学期末课程设计项目：单容液位控制系统设计班级：姓名：学号：摘要本文根据液位系统过程机理，建立了单容水箱的数学模型。在设计中用到的PID算法提到得较多，PLC方面的知识较少。并根据算法的比较选择了增量式PID算法。建立了PID液位控制模拟界面和算法程序，进行了系统仿真，并通过整定PID参数，同时得出了整定后的仿真曲线和实际曲线。本文的主要内容包括：PLC的产生和定义、过程控制的发展、水箱的特性确定与实验曲线分析，FX2系列可编程控制器的硬件掌握，PID参数的整定及各个参数的控制性能的比较，应用PID控制算

2、法所得到的实验曲线分析，整个系统各个部分的介绍和讲解PLC的过程控制指令PID指令来控制水箱水位。 PLC在工业自动化中应用的十分广泛。PID控制经过很长时间的发展，已经成为工业中重要的控制手段。本设计就是基于PLC的PID算法对液位进行控制。PLC经传感电路进行液位高度的采集，然后经过自动调节方式来确定完PID参数后，通过控制直流泵的工作时间来实现液位的控制。MCGS(监视与控制通用系统)是用于快速构造上位机监控系统的组态软件系统，系统的监测环节就是通过MCGS来设计的。这样我们就可以通过组态画面对液位高度

3、和泵的起停情况进行监测，而且可以对PLC进行启动、停止、液位高度设置等控制。整个系统运行稳定、简单实用，MCGS与PLC通信流畅。 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、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。一．控制要求与系统功能 1.判断计算机通信以及

4、设备工作是否正常；如正常，实时地显示水箱的水位和调节阀的阀位信息；2.可分别进行自动和手动控制，在手动控制方式下，设定值需跟随测量值变化，调节阀阀门开度可以直接在用户窗口的运行界面中人为设定；3.在自动控制方式下，提供相关控制算法以备选择，包括：双位控制；标准PID控制；带死区的PID控制；积分分离PID控制；不完全微分PID控制；4.自动方式下，液位设定值、采样周期和P、I、D参数都可以修改，并依据修改的数据实现相应的算法，调节阀开度为控制算法的结果；5.为保证自动控制和手动控制的无扰切换，在切换瞬间调节阀

5、开度不能发生突变；6.当水箱液位高于30cm时，进行安全报警指示；当液位越限时，进行越限报警，报警偏差值可在窗口中修改；7.具有显示液位设定值、液位测量值和阀位变化的实时曲线功能；8.显示液位设定值、液位测量值和阀位变化的历史曲线，具有打印曲线所在窗口功能；9.具有液位设定值、液位测量值和阀位变化的历史数据查询功能，并将其存储到指定的位置；10.报警事件记录功能。14二．课程设计内容与要求分析 2.1课程设计内容 针对某厂的液位控制过程与要求实现模拟控制，其工艺过程如下：用泵作为原动力，把水从低液位池抽到高液

6、位池，实现对高液位池液位高度的自动控制。具体设计内容是利用西门子S7-200PLC作为控制器，实现对单容水箱液位高度的定值控制，同时利用MCGS组态软件建立单容水箱液位控制系统的监控界面，实现实时监控的目的。 2.2课程设计要求分析 （1）以RTGK-2型过程控制实验装置中的单个水箱作为被控对象、PLC作为控制器、静压式压力表作为检测元件、电动调节阀作为执行器构成一个单容水箱单闭环控制系统，实现对水箱液位的恒值控制。 （2）PLC控制器采用PID算法，各项控制性能满足要求：超调量≤15%，稳态误差≤±0.1；

7、调节时间ts≤60s； （3）组态测控界面上，实时设定并显示液位给定值、测量值及控制器输出值；实时显示液位给定值实时曲线、液位测量值实时曲线和PID输出值实时曲线；并能显示历史曲线。 （4）选择合适的整定方法确定PID参数，并能在组态测控界面上实时改变PID参数； （5）通过S7-200PLC编程软件Step7实现PLC程序设计与调试； （6）分析系统基本控制特性，并得出相应的结论； 2.3 PID控制的原理和特点 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

8、。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﹐14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。PI