中原工学院信息商务学院毕业论文（设计）
t?kTs(k?0,1,2,?)
?e(t)?T?e?jT??T?e(j) (2-7)
sss0j?0j?0kkkde(t)e?kTs??e??k?1?Ts?e?k??e(k?1)?? dtTsTs可得离散PID表达式:
Tu?k??Kp(e?k??sTikj?0?e?j??j?0kTde?k??e?k?1??)?Ts? Kpe(k)?Ki?e?j??Kd(e?k??e?k?1?)) (2-8)
式中，Ki=Kp*TS/T;} Kd=Kp*Td/TS} T，为采样周期，k为采样序号，k=1, 2,…，e(k-1)和e(k)分别为第(k-1)和第k时刻所得的偏差信号。 3.2.2.3基本的PID算法 （1）位置式PID控制算法 基本PID控制器的理想算式
tde?t?1u(t)?Kp[e?t???e?t?dt?Td] （2-9）
Ti0dt式中
为控制器输出，控制器输入，为控制器的比例放大系数 设为第k次采样时刻控制器的输出值，可得离散化的PID算式
u(k)?Kpe(k)?Ki?e(j)?Kd[e(k)?e(k?1)] (2-10)
位置式PID的缺点：当前采样时刻的输出与过去的各个状态有关，计算时要对进行累加，运算量大，而且控制器的输出对应的是执行机构的实际位置，如果计算机出现故障，的大幅度变化会引起执行机构位置的大幅度变化。 （2）增量式PID控制算法
增量式PID是指数字控制器的输出只是控制量的增量。采用增量式算法时，计算机输出的控制量对应的是本次执行机构位置的增量，而不是对应执行机构的实际位置，因此要求执行机构必须具有对控制量[18]增量的累计功能，才能实现对被控对象的控制操作，执行机构的累计功能可以采用硬件的方法实现；也可以采用软件的方法实现，如利用算式程序化来完成。
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由式（2-7）可得而增量式PID控制算式
?u?k??u?k??u?k?1??Kp?e?k??Kie?k??Kd[?e?k???e?k?1?]
增量式PID的优点：1算式中不需要累加。控制量的确定仅与最近3次的采集值有关，○容易通过加权处理获得比较好的控制效果；○2计算机每次只输出控制增量，即对应的执行机构位置的变化量，故机器发生故障时的影响范围小、不会严重影响生产过程；3○手动-自动切换是冲击小。当控制器从手动向自动切换时，可以做到无扰动切换。本系统采用增量式PID控制。 （3）抗饱和积分
如果执行机构已经到了极限位置，仍不能消除静差时，由于积分作用，尽管PID差分方程式所得计算结果会进一步的增大或缩小，但执行机构已无相应动作，这就是抗饱和积分
抗饱和积分的措施有：○1限制PI调节器的输出○2积分分离法○3遇限削弱积分法 3.2.2.4PID控制器的参数整定
PID控制器参数整定是控制系统设计的重要内容，应根据被控过程的特性来确定PID控制器的积分时间、微分时间和比例系数。 PID控制器参数整定的方法分为两大类：
（1）理论计算整定法，它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。由于实验测定的过程数学模型只能近似反映过程动态特，理论计算的参数整定值可靠性不高，还必须通过工程实际进行调整和修改。
（2）工程整定方法，它主要依靠工程经验，在控制系统试验中直接进行控制器参数整定，而且方法简单、容易于掌握，在工程实际中应用广泛。控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例度法、经验试凑法、和衰减曲线法。三种方法都是通过实验，然后按照工程经验公式对PID控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实践中进行最后完善与调整。
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4系统设计
4.1系统总体设计
触摸屏PLC液位变送器液位变送器电动凋节阀压力传感器压力传感器
图5控制系统硬件结构
4.2 PLC及外围模块的选型
（1）主机，扩展模块
根据I/O点及地址分配分析并参照西门子S7-200PLC产品目录及市场实际价格选用CPU224。本机集成了14点输入/10点输出，共有24个数字量I/O。它可连接7个扩展模块，最大扩展至168点数字量I/O点或35路模拟量I/O点。CPU224有13K字节程序和数据存贮空间，6个独立的30KHZ高速计数器，2路独立的20KHZ高速脉冲输出，具有PID控制器。CPU224配有1个RS-485通讯/编程口，具有PPI通讯、MPI通讯和自由方式通讯能力，是具有较强控制能力的小型控制器。扩展模块选择EM235。 （2）水泵
采用QDX10-10型单相潜水泵，额定流量15（m3/n），额定扬程7（m），电压220V,功率0.55KW，转速2860（r/min） （3）压力变送器
采用工业公的BP800型扩散硅压力变送器对水箱液位变化进行测量，含不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器[19]的温度漂移跟随补偿。当水箱中注水导致液位变化时，BP800压力传感器对被控过程中的流体压力进行测量，过程压力通过压力传感器将压力信号转换成电信号，经过差分放大器，输出放大器放大后，再经过V/A转换器，转换成与输入压力呈线性对应关系的标准电流输出信号。
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BP800压力变送器的技术指标如下：
表1电子式电动双座调节阀 被测介质 测量范围 输出 准确度 零点温度系数 满程温度系数 电源电压 液体 -100Kpa~100Mpa 4~20mA DC二线制 0.5级 小于0.02%/C 小于0.02%/C 24DC 二进制 机械保护 防爆等级 关联设备 温度极限 过载保护 相对湿度 负载电阻 IP65 IaⅡCT5 EXZ231B安全栅 -10~80。C 40~120。C 额定量程的1.5~3倍 小于95% ≤750欧姆 （4）电动凋节阀
采用QSVP-16K型电动调节阀实现对双容水箱液位系统进水量的控制，其由QSL智能型电动执行机构与阀门组合构成。通过将压力变送器检测到的电压/电流信号输入到QSL电动执行机构的智能放大器，和来自位置信号发生器产生的开度信号相比较并放大后，向消除其偏差的方向驱动并控制电机转动，以改变电动阀的开度，同时将阀门开度的隔离信号反馈给控制系统，当期偏差值达到零时，电机停。
表2电动调节阀的技术指标 阀开关形式 输入控制信号 输出信号 输入阻抗 输出最大负载 电源 公称直径 公称压力 行程 电形式 4~20mA DC/1~5V DC 4~20mA DC 250Ω/500 500Ω 220V/50Hz 20mm 1.6MPa 10mm 动作速度 流量特性 额定流量系数Kv 介质温度 死区 回差 可调范围 防护等级 功耗 0.25mm/s 直线 1.2 -4~200°C ≤±1.0% ≤±1.0% 50:1 IP65 5VA （5）西门子触摸屏
西门子触摸屏功能强大，多面手，应用广泛 ----MicroMaster440是全新一代可以广泛应用的多功能标准变频器。它采用高性能的矢量控制技术，提供低速高转矩输出和良好的动态特性，同时具备超强的过载能力，以满足广泛的应用场合。创新的BiCo功能有无可比拟的灵活性。
主要特征：200V-240V ±10%，单相/三相，交流，0.12kW-45kW； 380V-480V±10%，三相，交流，0.37kW-250kW；矢量控制方式，可构成闭环矢量控制，闭环转矩控制；
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高过载能力，内置制动单元；三组参数切换功能。
线性v/f控制，平方v/f控制，可编程多点设定v/f控制，磁通电流控制免测速矢量控制，闭环矢量控制，闭环转矩控制，节能控制模式；标准参数结构，标准调试软件；数字量输入6个，模拟量输入2个，模拟量输出2个，继电器输出3个；独立I/O端子板，方便维护；采用Bico技术，实现I/O端口自由连接；内置PID控制器，参数自整定；集成RS485通讯接口，可选PROFIBUS-DP/Device-Net通讯模块；具有15个固定频率，4个跳转频率，可编程；可实现主/从控制及力矩控制方式。
4.3 I/O口分配
表3 I/O地址分配 名称 液位1 液位2 凋节阀 启动 停止 急停 上水箱上液位 上水箱下液位 下水箱上液位 下水箱下液位 自动手动 手动启动泵 泵启动 自动方式指示 手动方式指示 代码 AIW0 AIW2 AQW0 SB1 SB2 SB3 S1 S2 S3 S4 SA1 SA2 KA1 H1 H2 I0.O I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 I1.0 Q0.0 Q0.1 Q0.2 地址 名称 自动运行指示 液位1读取 液位2读取 液位1设定 液位2设定 液位1设定手动 液位2设定手动 液位1上限设定 液位1下限设定 液位2上限设定 液位2下限设定 P参数 I参数 D参数 代码 H3 VD0 VD4 VD8 VD12 VD16 VD20 VD24 VD28 VD32 VD36 VD40 VD44 VD48 地址 Q0.3
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