流量单回路过程控制系统设计.doc

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； 目 录 1 设计目的与要求 1 1.1 设计目的 1 1.2 设计要求 1 2 系统结构设计 2 2.1 控制方案 2 2.2 系统结构 3 3 实验系统组成 5 3.1系统简介 5 3.2系统组成 6 4 下位机软件 10 4.1 STEP 7简介 10 4.2 STEP 7的安装 10 4.3 STEP 7的硬件配置和程序结构 11 5 上位机组态软件简介 15 5.1 WINCC 概述 15 5.2 WINCC的安装 15 5.3 WINCC的通讯连接和画面组态方法 16 6 PID作用与整定 17 6.1 实验结果 17 6.2 PID调节作用 19 6.2.1 比例作用(P) 19 6.2.2积分作用(I) 19 6.2.3 微分作用(D) 20 6.3控制器PID参数的整定 21 6.3.1经验法 21 6.3.2临界比例度法 22 总 结 24 致 谢 25 参 考 文 献 26 1 设计目的与要求 1.1 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。 1.2 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 2.1 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2.2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2.1所示。 图2-1 流量单回路控制系统流程图 2.2 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2.2. 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2.2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CPU315-2 DP，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CPU315-2 DP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