单容水箱液位恒值控制系统设计

过程控制系统课程设计专业：自动化设计题目：单容水箱液位恒值控制系统设计班级：自0942学生姓名：学号：指导教师：分院院长：教研室主任：电气工程学院一、课程设计任务书1.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.设计要求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；调节时间ts≤10s；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；7）设计完成后，提交打印设计报告。3.参考资料1）邵裕森,戴先中主编.过程控制工程(第2版).北京:机械工业出版社.20032）崔亚嵩主编.过程控制实验指导书（校内）3）廖常初主编.PLC编程及应用(第2版).北京:机械工业出版社.20074）吴作明主编.工业组态软件与PLC应用技术.北京:北京航空航天大学出版社.20074.设计进度（2012年12月3日至2011年12月16日）时间设计内容2012年12月3日布置设计任务、查阅资料、进行硬件系统设计2012年12月4日～2012年12月5日编制PLC控制程序，并上机调试；2012年12月6日～利用MCGS组态软件建立该系统的工2012年12月7日程文件2012年12月10日～2012年12月12日进行MCGS与PLC的连接与调试进行PID参数整定2012年12月13日～2012年12月14日系统运行调试，实现单容水箱液体定值控制2012年1月15日～2012年1月16日写设计报告书5.设计时间及地点设计时间：上午：8：00～11：00下午：1：00～4：00晚上：6：00~9：00设计地点：新实验楼，过程控制实验室（310）机房（323）过程控制系统课程设计报告班级：自动化0942姓名：学号：37指导教师：撰写日期：2012-12-5目录I引言........................................................................................................................................1第一章课程设计内容与要求分析......................................................................................21.1课程设计内容.........................................................................................................21.2课程设计要求.........................................................................................................21.3PID控制的原理.......................................................................................................3第二章MCGS组态软件的概述.............................................................................................42.1MCGS组态软件介绍.................................................................................................42.2MCGS组态软件设计.................................................................................................52.3设备安装与连接.....................................................................................................9第三章S7-200PLC编程设计.............................................................................................123.1S7-200PLC介绍.....................................................................................................123.2S7-200PLC设计程序.............................................................................................12第四章系统运行调试........................................................................................................164.1设备安装与调试...................................................................................................164.2系统运行数据调试...............................................................................................164.2.1等幅震荡...................................................................................................164.2.2P调节器.....................................................................................................184.2.3PI调节器...................................................................................................184.2.4PID调节器.................................................................................................194.3P、PI、PID调节器的比较...................................................................................20课程设计总结......................................................................................................................22参考文献..............................................................................................................23引言1引言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。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。第一章课程设计内容与要求分析2第一章课程设计内容与要求分析1.1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。1.2课程设计要求（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20%，稳态误差≤±0.1；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；（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；（7）设计完成后，提交打印设计报告。第一章课程设计内容与要求分析31.3PID控制的原理工程实际中，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