1、西 安 邮 电 学 院毕 业 设 计（论 文）题 目：管道流量调节阀 PID 远程控制系统设计 院 （系）： 自动化学院 专 业： 自动化班 级： 自动 0703 学生姓名：李紫鹏导师姓名： 沈建冬 职称： 讲师 起止时间：2011 年 01 月 10 日 至 2011 年 06 月 17 日毕业设计（论文）诚信声明书本人声明：本人所提交的毕业论文管道流量调节阀 PID 远程控制系统是本人在指导教师指导下独立研究、写作的成果，论文中所引用他人的文献、数据、图件、 资料均已明确 标注；对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明并表示感谢。本人完全清楚本声明的法律后果，申请学位
2、论文和资料若有不实之处，本人愿承担相应的法律责任。论文作者签名： 时间： 年 月 日指导教师签名： 时间： 年 月 日西 安 邮 电 学 院毕业设计(论文)任务书学生姓名 李紫鹏 指导教师 沈建冬 职称 讲师院系 自动化学院 专业 自动化题目 管道流量调节阀 PID 远程控制系统设计任务与要求1、 了解 PID 的基本原理。2、 熟练掌握组态王 6.52 软件。3、 掌握 PID 调节水箱液位的原理及作用。4、 了解用 PLC 编程的思想，并能够画组态界面。5、 会用 S7-300 编程，具有一定的编程能力。开始日期 2011 年 01 月 10 日 完成日期 2011 年 06 月 17 日
3、院长(签字) 2011 年 01 月 10 日西 安 邮 电 学 院毕 业 设 计 (论文) 工 作 计 划学生姓名李紫鹏指导教师沈建冬 职称讲师 院（系）自动化学院专业 自动化题目 管道流量调节阀 PID 远程控制系统设计 _工作进程1 月 10 日3 月 30 日 了解 PID 的基本原理4 月 1 日4 月 26 日 熟悉 S7-300 软件编程环境及组态王软件4 月 27 日5 月 8 日 画出组态王监控画面5 月 9 日6 月 1 日 编写并并调试控制程序6 月 1 日6 月 17 日 撰写毕业论文、答辩 主要参考书目(资料)主要参考书目(资料)1胡寿松.自动控制原理.科学出版社,2
4、002。2邵裕森. 过程控制工程. 机械工业出版社，2002。3A3000 过程控制实验系统指导书.清华大学深圳研究院工程教育中心，2006。4张运刚 宋小春 郭武强 西门子 S7-300/400PLC 技术与应用 人民邮电出版社，2007.起 止 时 间 工 作 内 容西安邮电学院主要仪器设备及材料A3000 高级过程控制实验系统及 S7-300 软件、组态王软件、计算机论文(设计 )过程中教师的指导安排每周检查一次设计进程，每周三下午、周五下午进行辅导答疑对计划的说明尽量在自己的努力下独立完成毕业设计。毕 业 设 计 (论 文 )开 题 报 告自动化学院自动化专业 07 级 03 班课题名
5、称： 管道流量调节阀 PID 远程控制系统设计学生姓名： 李紫鹏 学号：06071079指导教师： 沈建冬 报告日期：2011 年 03 月 28 日1本课题所涉及的问题及应用现状综述1.1 过程控制是生产过程自动控制的简称，这是自动化技术的一个重要组成部分。通常是指石油、化工、电力、冶金、轻工、建材、核能等工业生产中连续的进行的生产过程自动控制。在现代工术正在为实现各种最优的技术经济指标、提或按一定周期与程序高经济效益和劳动生产率、改善劳动业生产过程中，过程控制技条件、保护生态环境等方面起着越来越大的作用近年来我国各企业采用多功能 PID 控制器生产各类产品，国内 PID 控制器产品技术工艺
6、应用有很好的前景。PID 技术工艺的发展对行业项目也有一定的影响。国外更大程度的发展 PID 技术，在美国、日本、欧盟等国家这方面的技术更是成熟，在控制方面有很大的贡献，还占有着相当大的市场，而且，这方面得知识技术也是日新月异，发展很快。1.2 PID 控制是工业过程控制中应用最广泛的一种控制规律，PID 控制表示比例、积分、微分控制。其工作原理是：由于来自外界的各种扰动不断产生，要想达到现场控制对象值保持恒定的目的，控制作用就必须不断进行。若扰动出现使得现场控制对象值发生变化，现场检测原件就会将这种变化记录并传送给 PID 控制器，改变过程变量值，经变送器送至 PID 控制器的输入端，并与给
7、定值 SP 进行比较得到偏差值e，调节器按此偏差以预先设定的整定参数控制规律发出控制信号，去改变调节器的开度，使调节器的开度增加或减少，从而使被调参数发生改变，并趋向于给定值SP，以达到控制的目的，用流量调节阀 PID 控制来调节流量有重要的研究价值。2本课题需要重点研究的关键问题、解决的思路及实现预期目标的可行性分析重点研究的关键问题：PID 原理、A3000 过程控制系统及软件的编写解决思路：见原理图预期目标的可行性分析：水介质由泵 P102 从水箱 V104 中加压获得压头，经由调节阀 FT-102 进入水箱V103，通过手阀 QV-116 回流至水箱 V104 形成水循环；通过 FV1
8、01 获得当前流量经过PID 整定来控制流量调节阀 FT102 的开度，本例为定值自动调节系统，FV-101 为操作变量，FT-102 为被控变量，采用 PID 调节来完成。3完成本课题的工作方案首先了解 PID 调节流量的国内外现状以及本课题的可行性。接着开始对 PID 原理和 A3000 过程控制系统的熟悉。在开始熟悉软件编程环境及组态王软件。然后画出管道容量 PID 过程控制系统的框图及流程图。做好这些准备工作之后就进行程序的编写。最后撰写毕业论文。4指导教师审阅意见指导教师(签字)：年月日说明：本报告必须由承担毕业论文(设计)课题任务的学生在毕业论文(设计) 正式开始的第 1 周周五之
9、前独立撰写完成，并交指导教师审阅。西 安 邮 电 学 院 毕 业 设 计 (论 文 )成 绩 评 定 表学生姓名 李紫鹏 性别 男 学号 06071079 专 业班 级 自动 0703 班课题名称 管道流量调节阀 PID远程控制系统设计 课题类型 实际应用 难度 一般毕 业 设 计（ 论 文 ） 时间2011 年 01 月 10 日06 月 17 日 指 导 教 师 沈建冬 (职称讲师)课题任务完成情况 论 文 (千字)；设 计 、 计 算 说 明 书 (千字)； 图 纸 (张)；其 它 (含 附 件 )：指导教师意见分项得分：开题调研论证分； 课题质量（论文内容）分； 创新分；论文撰写（规范
10、）分； 学习态度分； 外文翻译分指导教师审阅成绩：指导教师 (签字 )： 年月日评阅教师意见分项得分：选题分； 开题调研论证分； 课题质量（论文内容）分； 创新分；论文撰写（规范）分； 外文翻译分评阅成绩：评阅教师 (签字 )：年月日验收小组意见 分项得分：准备情况分； 毕业设计（论文）质量分； （操作）回答问题分验收成绩：验收教师 (组长 )(签字 )：年月日答辩小组意见分项得分：准备情况分； 陈述情况分； 回答问题分； 仪表分答辩成绩： 答辩小组组长 (签字 )：年月日成绩计算方法(填 写 本 系 实 用 比 例 )指导教师成绩 ( ) 评阅成绩 ( ) 验收成绩 ( ) 答辩成绩 ( )
11、学生实得成绩 (百分制 )指导教师成绩 评阅成绩验收成绩答辩成绩 总评答辩委员会意见毕业论文 (设计 )总评成绩 (等级 )：答辩委员会主任 (签字 )： 院（系） (签章 )年月日备注西安邮电学院毕业论文(设计)成绩评定表(续表)管道流量调节阀 PID 远程控制系统设计目录摘 要 .IABSTRACT II引 言 11 .现状及发展趋势 21.1 本课题研究的国内外现状 .21.2 本课题研究的意义 .31.3 本论文的研究内容 .32原理 42.1 单回路控制系统的组成及原理 .42.2 PID 原理及 PID 控制器 42.3 PID 被调参数的选定 82.4 PID 参数的整定 92.
12、5 PLC 的 PID 控制器实现 .102.6 小结 .103.程序及组态设计 .113.1 S7-300 介绍 .113.2 程序设计 123.3 组态介绍 163.4 组态设计 .163.5 小结 234.调试过程及结果分析 .244.1 调试过程 244.2 结果分析 255.结论及展望 .295.1 结论 .295.2 展望 .29致谢 30参考文献 31管道流量调节阀 PID 远程控制系统设计I摘 要本文介绍了 PID 原理、组态王、PLC（可编程控制器）的国内外现状和发展趋势，以 A3000 过程控制实验系统为平台，采用西门子 S7-300PLC 为控制器，PID 控制原理，在
13、STEP7 编程软件和组态王软件的基础上，实现了单回路流量调节阀 PID的控制，最终实现管道流量的 PID 控制。可编程控制器，简称 PLC（Programmable Logic Controller）,是指以计算机为基础的新型工业控制装置。在 1987 年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的 PLC 标准草案中对 PLC 做了如下定义： “PLC 是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编程控制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计算和算术运算等操作的指令，并能通过数学式或模拟式的输
14、入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PID 控制规律是一种教理想的控制规律，它在比例的基础上引入积分，可以消除余差，再加入微分作用，又能提高系统的稳定性。PID 控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定 PID 控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。关键词： PID ； 组态王； PLC；AbstractThis article describes the principle of the PID, Kingview, PLC (programmable logic controller) of the status quo at home and abr
15、oad and development trends, based on A3000 experimental system for process control platform, use Siemens S7-300PLC controller and PID control principle, on the basis of the STEP7 .Programmable Logic Controller, which refers to the computer technology-based new industrial control devices. In 1987, In
16、ternational Electrical Committee issued a draft standard for PLC like the following definition: PLC is a specialized in industrial 管道流量调节阀 PID 远程控制系统设计IIenvironments for applications designed to operate electronic digital computing device. It uses the memory which can be programmed to store implemen
17、tation logic operating Instructions, the order of operations, timing, counting and arithmetic operations, and operating instructions in its internal, it also can digital or analog input and output to control of various types of machinery or the production process. PID control law is ideal controlled
18、. It is based on the introduction of the proportion of points, which can eliminate the residual error, and then joined the differential role, but also improve system stability. PID controller parameter tuning control system is the core of the design. It is a process in accordance with the characteri
19、stics of the accused to determine the ratio of coefficient of PID controller, integration time and the size of the time differential .Keywords: PID； Kingview； PLC；管道流量调节阀 PID 远程控制系统设计1引 言随着科学技术的发展，现代工业生产工艺中的控制问题也日趋复杂。在人们的沈国中以及木屑刮宫和能源的生产过程中，常常设计一些液位或流量控制的问题，例如居民胜过用水的供应，通常需要使用蓄水池，蓄水池中的液位需要维持合适的高度，还有一些
20、水处理的过程也需要对蓄水池中的液位实施控制，另外涉及蓄液容器的生产过程液很多见，例如在核动力蒸汽发生器工作过程中以及乙稀工程污水处理厂的自动排水处理场等，因此，需要涉及合适的控制器自动调整容器的出入液流量，使的容器内液位保持正常水平。工业生产过程是流量控制应用的一大领域，流量与温度、压力和物位一起统称为过程控制中的四大参数，人们通过这些参数对生产过程进行监视与控制。对流体流量进行正却测量和调节是保证生产过程安全经济运行、提高产品 质量、降低物质消耗、提高经济效益、实现科学管理的基础。在科学试验领域，对中流体的高温、高压、高黏度以及变组分、脉动流和微小流量等都是经常要面对的流量控制对象。除了上述
21、的应用领域之外，流量控制在现代农业、水利建设、生物工程、管道输送、航天航空、军事领域等也都有广泛的应用。由于 PID 控制器易操作、鲁棒性能、易于整定控制参数等有点。因此利用 PID控制算法不仅简单而且可以达到满意的控制效果。1 .现状及发展趋势1.1 本课题研究的国内外现状随着工业自动化技术的发展，人们对自动化检测、测控系统的要求越来越高。一方面希望可靠性、实施性强，界面友好，操作简单，另一方面又要求开发周期短，系统便于升级改造。因此最好的办法就是在系统中利用各种控制软件包，即组态软件，并以此为平台进行二次开发。组态软件实际上是一个专为工控开发的工具软件。它为用户提供了多种通用工具模块，用户
22、不需要掌握太多的编程语言技术，就能很好地完成一个复杂工程所要求的多个功能。另外，用组态软件开发的系统具有与管道流量调节阀 PID 远程控制系统设计2Windows 一致的图形化操作界面，非常便于生产的组织和管理。21 世纪，PLC 会有更好更广的发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的新型产品出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型的方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更加丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通讯设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国
23、际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看，可编程控制器和其他工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。目前，PLC 在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械构造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个领域。目前的挑战在于 1）硬件上如何适应工业恶劣环境；2）通讯机制如何提高其可靠性。以太网能否顺利进入工控领域，还存在争论。但以太网在工控系统的应用却日益增多，适应这一过程，各 PLC 厂商纷纷推出适应以太网的产品或中间产品。S7-300 是模块化小型 PLC 系统，各种单独的模块之间可进行广
24、泛组合构成不同要求的系统。与 S7-200PLC 比较，S7-300 采用模块化结构，具备高速（ 0.60.1us）的指令运算速度；用浮点数运算比较有效的实现了更为复杂的算术运算；一个带标准用户接口的软件工具方便用户给所有模块进行参数赋值；方便的人机界面服务已经集成在 S7-300 的操作系统内，人机对话的编程要求大大减小。 SIMATIC 人机界面（HMI）从 S7-300 中取得数据，S7-300 按用户指定的刷新速度传送这些数据。S7-300 操作系统自动地处理数据的传送；CPU 的智能化的诊断系统连续监控系统的功能是否正常、记录错误和特殊系统事件（超时，模块更换等） ；多级口令保护可以
25、使用户高度、有效地保护其技术机密，防止未经允许的复制和修改；S7-300PLC 设有操作方式选择开关，操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出，当钥匙拔出时，就不能改变操作方式，这样就可防止非法删除或改写用户程序。具备强大的通讯功能，S7-300 可通过编程软件 STEP7 的用户界面提供通信组态功能，这使得组态非常容易、简单。S7-300PLC 具有多种不同的通信接口，并通过多种通信处理器来完成连接AS-1 总线接口和工业以太网总线系统；串行通信处理器用来连接点到点的通信系统；多点接口（MPI ）集成在 CPU 中，用于同时连接编辑器、 PC 人机界面系统及其他SIMATIC S7/M7/C7 等
26、自动化控制系统。S7-300 能满足中等性能要求的应用，是 S7 系列 PLC 中应用最广的产品，它以管道流量调节阀 PID 远程控制系统设计3成功的用于范围广泛的自动化领域。S7-300 的重点在于为生产制造工程中的系统解决方案提供一个通用的自动化平台。这就是说，S7-300 是用于集中式或分布式结构的优化解决方案。1.2 本课题研究的意义液位作为工业过程中的重要参数，广泛应用于化工、冶金、医药、航空灯领域，对流量的控制效果直接影响到产品的质量，甚至影响生产设备的安全性。流量控制和人们的生活息息相关，我们有必要对其进行一些简单的研究。为了提高我再进入自动化专业工作岗位之前的实际动手能力，提前
27、接触和适应自动化专业工作岗位中可能遇到的问题，本课题通过学习和使用自动化专业可能用到的编程软件 S7-300 和组态王，使我能够提前学习并掌握自动化专业的相关软件。1.3 本论文的研究内容本次实验所用的 A3000 过程控制实验系统是以工业现场工艺设备为背景，以自动化教学要求和自动化工程师认证技能测试要求为依据推出的实验、培训和测试平台。本论文主要介绍了 PID 的原理、S7-300 介绍、S7-300 编程、组态王 6.5 介绍、组态王 6.5 制图。本次实验具体需要应用组态王 6.5 软件来建立控制组态，并且通过S7-300 来进行编程，然后将上位机软件系统与现场系统相连接，实现对流量的控
28、制。2原理2.1 单回路控制系统的组成及原理单回路调节系统，一般是指用一个控制器来控制一个被控对象，其中控制器只接收一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。单回路流量 PID 控制系统就是一种单回路调节系统，典型的单回路流量 PID 控制系统如图 2-1 所示管道流量调节阀 PID 远程控制系统设计4图 2-1 单回路流量 PID 控制系统方框在图 2-1 中单回路流量 PID 控制系统，控制的任务是使水箱液位等于给定值所要求的高度（液位为被控量） ；减小或消除来自系统内部或外部扰动的影响。其中，测量电路主要功能是测量对象的液位并对其进行归一化等处理；PID 控制器是整个控制系统的核心，它根
29、据设定值和测量值的偏差信号来进行调节，从而控制单回路的流量达到期望的设定值。单回路调节系统可以满足大多数工业生产的要求，只有在单回路调节系统不能满足生产更高要求的情况下，才采用复杂的调节系统。2.2 PID 原理及 PID 控制器PID 控制是工业过程控制中应用最广泛的一种控制规律，PID 控制表示比例、积分、微分（Proportional， Integral， Differential）控制。其工作原理是：由于来自外界的各种扰动不断产生，要想达到现场控制对象值保持恒定的目的，控制作用就必须不断进行。若扰动出现使得现场控制对象值（即被调参数）发生变化，现场检测原件就会将这种变化记录并传送给 P
30、ID 控制器，改变过程变量值，经变送器送至 PID 控制器的输入端，并与其给定值（简称 SP 值）进行比较得到偏差值（简称 e 值） ，调节器按此偏差并以预先设定的整定参数控制规律发出控制信号，去改变调节器的开度，使调节器的开度增加或减少，从而使被调参数发生改变，并趋向给定值（SP 值） ，以达到控制的目的。其优点是不需要精确的控制系统数学模型，有较强的灵活性和适应性，而且 PID 控制器的结构典型、程序设计简单、工程上易于实现、参数调整方便。下面分别介绍一下比例控制、积分控制、微分控制；a) 比例控制在基本控制规律中，比例作用是最基本、最主要也是最普遍的控制规律，它能较快的克服扰动的影响，使
31、系统很快的稳定下来。其输出与输入误差信号成比例关系，系统一出现偏差，控制器立即将偏差放大 Kp 倍输出。在 PID 控制器中 Kp 值的选取决定了系统的响应速度。增大 Kp 能提高响应速度，减小稳态误差；但是 Kp 值PID控 制 器 执 行 机 构 被 控 对 象测 量 电 路测 量 值 干 扰 输 出管道流量调节阀 PID 远程控制系统设计5过大会产生较大的超调，甚至使得系统不稳定；减小 Kp 可以减小超调，提高稳定性，但 Kp 过小会减慢响应速度，延长调节时间。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。虽然它能叫快地克服扰动的影响，使系统很快地稳定下来，但不能很好稳定在一个理想的数值，因为它
32、常有余差出现。它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、控制要求不高、允许在一定范围内有余差的场合。b) 积分调节积分调节作用的输出与输入偏差的积分成正比。积分作用的输出不仅取决与偏差信号的大小，还取决与偏差存在的时间。只要有偏差存在，尽管偏差可能很小，但它存在的时间越长，输出信号就越大，只有消除偏差，输出才停止变化。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项” 。由于某些原因（如饱和非线性） ，积分过程有可能在调节过程的初期产生积饱和，从而引起调节过程的较大超调。因此，调节过程的初期，为防止积分饱和，其积分作用应当弱一点，甚至可以取零；而在调节中期，为了影响稳定性，其积分作用应该比较适中；最
33、后在调节过程的后期，则应增强积分作用，使稳态误差进一步减小，直到等于零。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。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的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，直到等于零。因此，比例加积分控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。c) 微分调节微分调节的输出是与被调量的变化率成正比。在比例微分调节作用下，有时尽管偏差很小，但其变化速度很快，则微分调节器就有一个较大的输出。在微分控制中，控制器的输出与输
34、入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后（delay）组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的方法是使抑制误差的作用的变化“超前” ，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项” ，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例加微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所管道流量调节阀 PID 远程控制系统设计6以
35、对有较大惯性或滞后的被控对象，比例加微分（PD）控制器能改善系统在调剂过程中的动态特性。另外,再介绍几种常用的控制规律：1) 比利积分控制规律（PI） 。在工程中比利积分控制规律是应用最广泛的一种控制规律。积分能在比例的基础上消除余差，它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、被调参数不允许有余差的场合。2) 比例微分控制规律（PD） 。微分具有超前作用，对于具有容量滞后的控制通道，引入微分参与控制，在微分项设置得当的情况下，对于提高系统的动态性能指标有显著效果。因此，对于控制通道的时间常数或容量滞后较大的场合，为了提高系统的稳定性，减小动态偏差等，可选用比例微分控制规律。3) 比利积分微分控制
36、规律（PID） 。PID 控制规律是一种较理想的控制规律，它在比例的基础上引入积分，可以消除余差，再加入微分作用，又能提高系统的稳定性。它适用于控制通道时间常数或容量滞后较大、控制要求较高的场合，如温度控制。成分控制等。一般而言，用比例（P ）调节器的系统是一个有差系统，比例度 （比例系数 Kp的倒数，即 1/Kp）的大小不仅会影响到余差的大小，而且也与系统的动态性能密切相关。系统的余差与比例放大倍数成反比，也就是与比例度成正比，即比例度越大。比例放大倍数由小到大变化，系统将由稳定向震荡发展，系统的稳定性在变差。因此，比例放大倍数增大，控制精度提高（余差减少） ，但系统的稳定性下降。比例积分（
37、PI ）调节器，由于积分的作用，不仅能实现系统无余差，而且只要参数 、T；调节合理，也能使系统具有良好的动态性能。比例积分微分（PID）调节器是在 PI调节器的基础上再引入微分 D 的作用，微分时间常数调整得当，可使过渡过程缩短，从而使系统既无余差存在，又能改善系统的动态性能（快速性、稳定性等） 。在单位阶跃作用下，P 、PI、PID 调节系统的阶跃响应分别如图 2 -2 中的曲线、所示。管道流量调节阀 PID 远程控制系统设计7图 2-2 P、PI 和 PID 调节的阶跃响应曲线PID 控制算法具有很强的灵活性，根据被控对象特点的不同，可以使用 PI 控制、PD 控制、PID 控制等多种形式
38、，从而达到更好的控制效果。随着智能控制技术的发展，PID 控制与模糊控制、神经网络控制等现代控制方法的结合，可以实现 PID 控制器的参数自整定，使 PID 控制器具有经久不衰的生命力。 、在工业生产中，常需要用闭环控制方式来控制温度、压力、流量等连续变化的模拟量，无论是使用模拟量控制器的模拟控制系统还是使用计算机（包括 PLC）的数字控制系统，PID 控制都得到了广泛的应用。PID 控制在生产过程中是一种普遍采用的控制方法，在冶金、机械、化工等行业中获得了广泛的应用。PLC 由于具有数值运算的能力和处理模拟信号的功能，所以可设计出各种 PID 控制器，运用于具有连续量控制的闭环系统；还可以根
39、据被控对象具有特点和要就来调整必要的控制参数，具有监控功能，并可以在运行中调整参数。在实际应用中，利用 PLC 来完成 PID 控制，须进行理想 PID 控制算式转换。另外，在实际控制过程中控制变量因受执行元件机械和物理的束缚，被限制在有限范围内。如果计算机输出的控制量在此范围内变化，则可以达到预期的效果；一旦超出范围，将引起不良的效果；因此，为了改善控制品质，应针对不同的对象和工业现场，对 PID 的控制算法进行一些改善，以满足不同控制系统的需要。在工业生产过程中，一般用闭环控制方式来控制温度、压力、流量、转速等这些连续变化的模拟量。无论是模拟调节器的模拟控制系统或者是 PLC 的数字控制系
40、统，PID 控制，都得到了广泛的应用。这是因为 PID 控制具有三个优点：1)不需求出控制系统的数字模型 2）PID 调节器具有典型的结构，程序设计简单，参数调整方便。3）它具有较强的灵活性和适应性，根据被控对象，可以采用 PID 控制的改进方式，如PI、PD 、带死区的 PID、变速积分 PID 等。模拟量 PID 调节是一种常见的控制方式，这是由于 PID 调节不需要求出控制系统的数学模型。至今为止，很难求出许多控制对象的准确数学模型。对于这一类系统，使用 PID 控制可以取得比较令人满意的效果。同时，PID 调节器又具有典型的结构，可以根据被控对象的具体情况，采用各种 PID 的变种，有
41、较强的灵活性和适应性。管道流量调节阀 PID 远程控制系统设计8PID 控制器问世至今已有近 70 年的历史，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。被控对象的结构和参数不能完全掌握，获得不到精确的数学模型时，控制理论的其他技术难以才用时，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。在实际过程控制中，为使现场过程值在较理想的时间内跟定 SP 值，如何确定选用何种控制系统组合来满足现场控制的需要显得十分重要。常用的
42、各种控制规律的控制特点如下：PID 控制算法是经典的闭环控制，它是连续系统中技术最成熟、应用最广泛的调节方式。PID 调节的实质就是根据输入的偏差值，按比例、积分和微分的函数关系进行运算，其运算结果用以输出控制。在系统输出误差绝对值较大时系统采取饱输出工作方式，这样可以减小液位系统的时滞性。同时为了防止系统过大的超调量，在系统误差的绝对值比较小时才用增大积分系数的办法，从而可以提高系统的稳态精度。微分控制算法简单，参数调整方便，并且有一定的控制精度，能感觉出误差的变化趋势。增大微分控制作用可以加快系统响应，使超调减小，可以获得比较满意的控制效果。因此，它成为当前最为普遍使用最广的控制算法。2.
43、3 PID 被调参数的选定在生产过程中，影响工艺过程的工艺参数很多，但并非所有的参数都要加以控制，而且也不可能都进行控制。因此，正确选定被调参数显得尤为重要。选择被调参数要根据生产工艺的要求，深入分析生产工艺过程，找出对产品的产量、质量、安全、节能和环保等具有决定性作用，能较好地反映工艺生产状态变化的参数，并且这些参数可以直接测量，或者是人工控制难以满足要求，劳动强度较大，客观上要求进行自动控制的参数。被调参数的选择一般要注意一下几个方面：一是被调参数一定是反映工艺操作指标或状态的重要参数。二是被调参数是为保持生产稳定，需要经常控制调节的参数。三是如果工艺参数本身就是要求控制的指标，则应选用与
44、直接指标有单值对应关系且反应又快的间接指标为被调参数。四是被调参数一般应该是独立可调的，不至于因调整它时引起其他参数的明显变化，发生关联作用而影响系统稳定。五是被调参数应是易于测量、灵敏度足够高的变量。管道流量调节阀 PID 远程控制系统设计92.4 PID 参数的整定PID 的整定参数一般包括 Kc，TI，TD 等 3 个常用的控制参数，准确有效地选定 PID 的最佳整定参数是 PID 控制器是否有效的关键。参数整定通常有理论设计和现场经验整定两种方法。现场经验整定法是人们在长期工作工程实践中，从各种控制规律对系统控制质量的影响的定性分析总结出来的一种行之有效，并且得到广泛使用的工程整定方法
45、。在现场整定过程中，实行 PID 按先比例，后积分，最后微分的顺序进行，在观察现场过程值 PV 的趋势曲线的同时，慢慢地改变 PID 参数，进行反复凑试，直到控制质量符合要求为止。首先只整定比例系数，将 PID 调节器的 TI 设置为无穷大、TD 设置为零，使其成为纯比例调节。初期比例度按经验数据设定，根据 PV 曲线，再慢慢地整定比例控制比例度，使系统达到 4:1 衰减振荡的 PV 曲线；然后，再加积分作用。在加积分作用之前，应将比例度加大到原来的 1.2 倍左右。将积分时间 TI 由大到小地进行调整，直到系统再次得到 4:1 衰减振荡的 PV 曲线为止。若需引入微分作用，微分时间按 TD=
46、 （1/31/4）TI 计算，这时可将比例度调到原来数值或更小一些，再将微分时间由小到大整定，直到 PV 曲线达到满意为止。在找到最佳整定参数之前，要对PV 值进行走势分析，判断扰动存在的变化大小，再慢慢进行凑试。如果经过多次仍然找不到最佳整定参数或参数无法达到理想状态，而生产工艺又必须要求较为准确时，那就得考虑单回路 PID 控制的有效性，看是否要考虑其他的控制方案，如串级控制、前馈控制、大滞后控制等。2.5 PLC 的 PID 控制器实现PLC 的 PID 控制器的设计是以连续的 PID 控制规律为基础，将其数字化，写成离散形式的 PID 方程，再根据离散方程进行控制程序的设计。在连续系统
47、中，典型的 PID 闭环控制系统如图 2-3 所示。图 1 中 sp（t ）是给定值；pv（t）为反馈值；c（t）为系统的输出量 PID控 制 器 执 行 机 构 被 控 对 象敏 感 原 件()et ()Mt ()ct()spt ()pvt管道流量调节阀 PID 远程控制系统设计10图 2-3 连续闭环控制系统方框图基于 PLC 的闭环控制系统如图 2-4 所示，图中虚线部分在 PLC 内，spn，pvn ，Mn 分别为模拟量 sp（t） ，pv（t） ，e（t ） ，M （t）在第 n 次采样的数字量。在许多控制系统中，可能只需要 P，I，D 中的一种或者 2 中控制类型。例如，可能只要求
48、比例或比例与积分控制，通过设置参数可对回路控制类型进行选择。图 2-4 PLC 闭环控制系统方框图2.6 小结采用单回路调节系统可以满足大多数工业生产的要求，在单回路调节系统中，PID 控制算法是经典的闭环控制，它是连续系统中技术最成熟、应用最广泛的调节方式。采用 PLC 的 PID 控制，借助于组态王的 WEB 功能，在中央控制室可以实现对于生产过程的整个监测与控制。3.程序及组态设计3.1 S7-300 介绍S7-300 是模块化的通用性 PLC，适用于中等性能的控制要求。用户可以根据系统的具体情况选择合适的模块，维修时更换模块十分方便。当系统规模扩大和功能复杂时，可以增加模块，对 PLC
49、 进行扩展。简单实用的分布式结构和强大的通信联网能力，使其应用十分灵活。S7-300 的 CPU 模块（简称为 CPU）集成了过程控制功能，用于执行用户程序。不需要附加任何硬件、软件和编程，就可以建立一个 MPI（多点接口）网络。如果PID控 制 器 执 行 机 构 被 控 对 象敏 感 原 件 ()ct()spt A/D()pvt ()Mt()et D/A管道流量调节阀 PID 远程控制系统设计11有 PROFIBUS-DP 接口，可以建立一个网络。1. SIMATIC S7-300 可编程控制器是模块化结构设计。各种单独的模块之间可进行广泛组合以用于扩展。系统组成包括：中央处理单元（CPU）：各种 CPU 有各种不同的性能，例如，我们通常所配的 CPU313C-2DP 集成了数字量输入和输出，以及 PROFIBUS-DP 主站/从站接口。带有与过程相关的功能，可以连接标准 I/O 设备。CPU
