单容水箱液位恒值控制系统设计报告.doc-资料库

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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：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. 参考资料社.2003 出版社.2007 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 2）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.2007 4）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 4. 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 2012 年 12 月 4 日～ 2012 年 12 月 5 日布置设计任务、查阅资料、进行硬件系统设计编制 PLC 控制程序，并上机调试；

2012 年 12 月 6 日～ 2012 年 12 月 7 日 2012 年 12 月 10 日～ 2012 年 12 月 12 日 2012 年 12 月 13 日～ 2012 年 12 月 14 日 2012 年 1 月 15 日～ 2012 年 1 月 16 日利用 MCGS 组态软件建立该系统的工程文件进行 MCGS 与 PLC 的连接与调试进行 PID 参数整定系统运行调试，实现单容水箱液体定值控制写设计报告书 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）二、评语及成绩评分项目评分标准量化分数

1.独立分析与解决问题的能力很强较强一般不能 2 组态界面设计、 PLC 程序编制及系统调试 3.报告撰写情况 4.辅导答疑 5.设计态度界面规范积极积极程序整洁认真认真硬件逻辑分析杂乱应付应付调试有错误消极消极 7.出勤全勤缺勤次数 10 35 25 10 10 10 附加评语量化总分课程设计成绩：指导教师：过程控制系统课程设计报告

班姓学级：名：号：指导教师：撰写日期：

目录目录第一章课程设计内容与要求分析 ..................................1 1.1 课程设计内容 ........................................... 1 1.2 课程设计要求分析 ....................................... 1 1.3 PID 控制的原理和特点 ....................................1 1.3.1 比例（P）控制及调节过程 ........................... 2 1.3.2 积分（I）控制及调节过程 ........................... 2 1.3.3 微分（D）控制及调节过程 ........................... 3 1.4 临界振荡整定计算公式 .................................. 5 第二章系统组态设计 ............................................6 2.1 MCGS 组态软件概述 .......................................6 2.1.1 如何创建 MCGS 组态工程 ............................. 6 2.1.2 设备配置 ..........................................7 2.1.3 新建画面 .......................................... 7 2.1.4 设备连接 .........................................10 第三章 PLC 设计 ............................................... 13 3.1 PLC 概述 ...............................................13 3.2 系统 PLC 设计程序 .......................................14 第四章单容水箱液位恒值系统数据调试 ...........................16 4.1 等幅震荡 .............................................. 16 4.2 P 调节器 ...............................................17 4.3 PI 调节器 ..............................................17 4.4 PID 调节器 .............................................18 4.5 P 、PI、PID 调的比较 ...................................18 课程设计总结 ..................................................20 参考文献 ......................................................21

第一章课程设计内容与要求分析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 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。 1.3 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。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 1

第一章课程设计内容与要求分析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。 1.3.1 比例（P）控制及调节过程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）。在人工调节的实践中，如果能使阀门的开度与被调参数偏差成比例的话，就有可能使输出量等于输入量，从而使被调参数趋于稳定，达到平衡状态。这种阀门开度与被调参数的偏差成比例的调节规律，称为比例调节。比例调节规律及其特点比例调节作用，一般用字母 P 来表示。如果用一个数学式来表示比例调节作用，可写成： eKu  p （1-1）式中 u ——调节器的输出变化值； e ——调节器的输入，即偏差； pK ——比例调节器的放大倍数。放大倍数 PK 是可调的，所以比例调节器实际上是一个放大倍数可调的放大器。比例调节作用虽然及时、作用强，但是有余差存在，被调参数不能完全回复到给定值，调节精度不高，所以有时称比例调节为“粗调”。纯比例调节只能用于干扰较小、滞后较小，而时间常数又不太小的对象。 1.3.2 积分（I）控制及调节过程在积分控制中，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，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间 2

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