基于數(shù)字PID的雙容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(安陽(yáng)工學(xué)院 電子信息與電氣工程學(xué)院，河南 安陽(yáng) 455000)

0 引 言

雙容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)的硬件由配置有STEP7-Micro/WIN和組態(tài)王的上位機(jī)、S7-200PLC及模擬量擴(kuò)展模塊EM235、壓力變送器、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥等組成，整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

以中水箱液位為主參數(shù)，上水箱液位為副參數(shù)，其中主回路為定值控制系統(tǒng)，主調(diào)節(jié)器的輸出是副調(diào)節(jié)器的給定值，副回路是一個(gè)隨動(dòng)控制系統(tǒng)。

1 PID控制規(guī)律的軟件設(shè)計(jì)

1.1 PID指令

S7-200系列的PLC中集成有專門的PID軟件，可以直接應(yīng)用于閉環(huán)控制系統(tǒng)中的工程設(shè)計(jì)。指令中回路表的起始地址是TBL，回路編號(hào)為L(zhǎng)OOP，提供8條回路。STEP 7-Micro/WIN編程軟件中提供有PID指令向?qū)?，可以很大程度上減少工作量和難度。

1.2 串級(jí)PID編程

首先是初始化程序，這里主要是將主調(diào)節(jié)器的給定值設(shè)為100，送入VD500中。EM235模塊中AI1與中水箱液位測(cè)量值連接，因此主調(diào)節(jié)器子程序PID1_INIT的模擬量輸入PV_I為AIW0，輸出送到VW400中。給定值Setpoint_R讀取VD500中的數(shù)值，取值范圍為0～200。Manual Output是手動(dòng)模式時(shí)標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)數(shù)值輸入(0.00～1.00)，0.15表示200 mm的15%，即30 mm。

主調(diào)節(jié)器的輸出送至VW400中，轉(zhuǎn)換為0～200之間的液位量，再送到副調(diào)節(jié)器，作為給定值。其線性對(duì)應(yīng)的是數(shù)字量6400～32000，送至VD450中。數(shù)字量x與液位量H的關(guān)系如下式：

將VD450中得到的0～200之間的液位量，送至副調(diào)節(jié)器子程序PID2_INIT的Setpoint_R中，作為副調(diào)節(jié)器的給定值；上水箱液位以AIW2中的數(shù)據(jù)送入PV_I中，作為測(cè)量值。EM35輸出AO與電動(dòng)調(diào)節(jié)閥連接，所以O(shè)utput輸出值地址為AQW0。

2 系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計(jì)

這個(gè)設(shè)計(jì)采用北京亞控公司出品的組態(tài)王6.5版本實(shí)現(xiàn)“雙容水箱串級(jí)控制系統(tǒng)”組態(tài)。

3 系統(tǒng)的運(yùn)行與調(diào)試

首先使PLC處于RUN狀態(tài)，完成系統(tǒng)調(diào)零與調(diào)量程，然后可以使用PID調(diào)節(jié)控制面板上的自動(dòng)調(diào)節(jié)功能完成參數(shù)自整定。先對(duì)副調(diào)節(jié)器參數(shù)進(jìn)行整定，PLC會(huì)先計(jì)算滯后死區(qū)值和偏差值，然后調(diào)節(jié)PID參數(shù)，最后把數(shù)值寫入PLC。之后用同樣的方法自動(dòng)調(diào)整主調(diào)節(jié)器的PID參數(shù)。

3.1 自整定過(guò)程分析

串級(jí)系統(tǒng)進(jìn)行PID自動(dòng)調(diào)節(jié)后，能夠很快達(dá)到穩(wěn)態(tài)。其中單回路控制系統(tǒng)的比例度為40%，積分時(shí)間為88s，單回路控制系統(tǒng)的超調(diào)量為16.04%，調(diào)節(jié)時(shí)間約為7分31秒；而串級(jí)控制系統(tǒng)的超調(diào)量為11.13%，調(diào)節(jié)時(shí)間約為6分鐘，和單回路控制系統(tǒng)相比，快速性和平穩(wěn)性都有顯著的提高。

3.2 系統(tǒng)抗擾分析

改變控制系統(tǒng)的設(shè)定值，待系統(tǒng)平衡后，將設(shè)定值改為110 mm，再次平衡后，再將設(shè)定值改為90 mm，觀察兩次正負(fù)階躍擾動(dòng)下，系統(tǒng)的抗擾能力。串級(jí)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)過(guò)程具有更好的穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中完成了雙容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，重點(diǎn)包括PID程序編寫、系統(tǒng)組態(tài)畫面設(shè)計(jì)以及PLC與組態(tài)王的通訊連接等等。依托實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有設(shè)備，完成系統(tǒng)的運(yùn)行與調(diào)試，可以看出串級(jí)控制比單回路控制有著更好的動(dòng)態(tài)及穩(wěn)態(tài)性能。