2022年PLC水箱液位控制系统毕业设计.docx

封面作者： PanHongliang仅供个人学习摘要本次毕业设计的课题是基于PLC 的液位掌握系统的设计；在设计中，笔者主要负责的是数学模型的建立和掌握算法的设计，因此在论文中设计用到的PID 算法提到得较多， PLC方面的学问较少；关键词： FX2 系列 PLC，掌握对象特性， PID 掌握算法，扩充临界比例法， PID 指令，试验；本文的主要内容包括： PLC 的产生和定义、过程掌握的进展、水箱的特性确定与试验曲线分析， FX2 系列可编程掌握器的硬件把握， PID 参数的整定及各个参数的掌握性能的比较，应PID 掌握算法所得到的试验曲线分析，整个系统各个部分的介绍和讲解 PLC的过掌握指令 PID 指令来掌握水箱水位；ABSTRACTThe subject of graduation design is based on PLC, liquid level control system design. In the design, the author is mainly responsible for the mathematical model and control algorithm design, so the design used in the paper referred to was more PID algorithm, PLC in less knowledge.Main contents of this article: PLC creation and definition, process control,development, and water tanks and experiment to determine the characteristics curveanalysis, FX2parameters ofseries PLC hardware control, PIDtuningparameters and variousthe controlperformance comparison, the applicationPIDcontrolalgorithmobtained experimental curve analysis, the entire system, introduce andexplain the various parts of the PLC process control commands to control the tank level PID instruction.Keywords： FX2 series PLC, the control object characteristics, PID control algorithm,to expand the critical proportion method, PID instruction, experimental.The liquid level control system based on PLC目录中文摘要 II 英文摘要 IV 1 绪论 11.1 PLC 的产生、定义及现状1 1.1.1PLC 的产生、定义 1 1.1.2PLC 的进呈现状 11.2 过程掌握的进展 21.3 本文争论的目的、主要内容31.3.1 本文争论的目的、意义31.3.2 本文争论的主要内容32 FX2 系列 PLC 和掌握对象介绍 42.1 三菱 PLC 掌握系统 42.1.1 CPU 模块 42.1.2 I/O 模块 52.1.3 电源模块 52.2 过程建模 52.2.1 一阶单容上水箱对象特性52.2.2 二阶双容下水箱对象特性103 PID 调剂及串级掌握系统 133.1 PID 调剂的各个环节及其调剂过程133.1.1 比例掌握及其调剂过程143.1.2 比例积分调剂143.1.3 比例积分微分调剂 153.2 串级掌握 163.2.1 串级掌握系统的结构 163.2.2 串级掌握系统的特点 163.2.3 串级掌握系统的设计 163.3 扩充临界比例度法 183.4 三菱 FX2 系列 PLC 中 PID 指令的使用 193.5 在 PLC 中的 PID 掌握的编程 203.5.1 回路的输入输出变量的转换和标准化203.6 变量的范畴 224 掌握方案设计 244.1 系统设计 244.1.1 上水箱液位的自动调剂244.1.2 上水箱下水箱液位串级掌握系统254.2 硬件设计 254.2.1 检测单元 254.2.3 掌握单元 264.3 软件设计 275 运行 285.1 上水箱液位比例调剂 285.2 上水箱液位比例积分调剂 285.3 上水箱液位比例积分微分调剂28致 谢 30参考文献 31论文原创性声明1 绪论1.1 PLC 的产生、定义及现状1.1.1 PLC 的产生、定义一、可编程掌握器的产生20 世纪 60 岁月，在世界技术改造的冲击下，要求查找一种比继电器更可靠、功能更齐全、响应速度更快的新型工业掌握器；1968 年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司从用户角度提出了新一代掌握器应具备的十大条件后，立即引起了开发热潮；二、可编程掌握器的定义国际工委员会（ IEC）曾于 1982 年 11 月颁布了可编程掌握器标准草案第一稿， 1985 年 1 月又发表了其次稿， 1987 年 2 月颁布了第三稿；该草案中对可编程掌握器的定义是“可编程掌握器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业 环境下应用而设计；它采纳了可编程的储备器，用来在其内部储备执行规律运算、次序掌握、定时、计数和算术运算等面对用户的指令，并通过数字量和模拟量的输入和输出，掌握各种类型的机械或生产过程；可编程掌握器及其有关外围设备，都按易于与工业系统联成一个整体、易于扩充其功能的原就设计；1.1.2PLC 的进呈现状20 世纪 70 岁月中末期，可编程掌握器进入有用化进展阶段，运算机技术已全面引入可编程掌握器中，使其功能发生了飞跃；更高的运算速度、超小型体积、更牢靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID 功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的位置； 20 世纪 80 岁月初，可编程掌握器在先进工业国家中已获得广泛应用；这个时期可编程掌握器进展的特点是大规模、高速度、高性能、产 品系列化；这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程掌握器的国家日益增多， 产量日益上升；这标志着可编程掌握器已步入成熟阶段；上世纪 80 岁月至 90 岁月中期，是 PLC进展最快的时期，年增长率始终保持为 3040%；在这时期， PLC 在处理模拟量才能、数字运算才能、人机接口才能和网络才能得到大幅度提高， PLC 逐步进入过程掌握领域，在某些应用上取代了在过程掌握领域处于统治位置的DCS系统；20 世纪末期，可编程掌握器的进展特点是更加适应于现代工业的需要；从掌握规模上来说，这个时期进展了大型机和超小型机；从掌握才能上来说，产生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的掌握场 合；从产品的配套才能来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程掌握器的工业掌握设备的配套更加简洁；目前，可编程掌握器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的进展；我国可编程掌握器的引进、应用、研制、生产是相伴着改革开放开头的；最初是在引进设备中大量使用了可编程掌握器；接下来在各种企业的生产设备及产 品中不断扩大了 PLC 的应用；目前，我国自己已可以生产中小型可编程掌握器；上海东屋电气有限公司生产的 CF 系列、杭州机床电器厂生产的 DKK及 D 系列、大连组合机床争论所生产的 S 系列、苏州电子运算机厂生产的 YZ 系列等多种产品已具备了肯定的规模并在工业产品中获得了应用；此外，无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较闻名的 PLC 生产厂家；可以预期，随着我国现代化进程的深化， PLC在我国将有更宽阔的应用天地；1.2 过程掌握的进展进入 90 岁月以来，自动化技术进展很快，并取得了惊人的成就，已成为国家高科技的重要分支；过程掌握是自动化技术的重要组成部分；在现代工业生产自动化中，过程掌握技术正在为实现各种最优的技术经济指标、提高经济效益和劳动生产率、节省能源、改善劳动条件、爱护环境卫生等方面起着越来越大的作用；在本世纪 40 岁月前后，工业生产大多处于手工操作的状态，人们主要是凭体会用人工去掌握生产过程；生产过程中的噶参数靠人工观看，生产过程的操作也靠人工去执行；因此，当时的劳动效率是很低的；40 岁月以后，生产自动化进展很快；特殊是近年来，过程掌握技术进展更为快速；纵观过程掌握的进展历史，大致经受了下述几个阶段：50 岁月前后，过程掌握开头得到进展；一些工厂企业实现了外表化和局部自动化；这是过程掌握进展的第一阶段；这阶段主要的特点：检测和掌握外表普遍采纳基地式外表和部分组合外表；过程掌握结构大多数是单输入单输出系统；被掌握参数主要是温度、压力、流量、液位四种参数；掌握目的是保持这些参数的稳固，排除或削减对生产过程的主要扰动；在 60 岁月，随着工业生产的不断进展，对过程掌握提出了新的要求；随着电子技术的快速进展也为自动化技术工具的完善供应了条件，开头了过程掌握的其次阶段；在外表方面，开头大量采纳单元组合外表；为了满意定型、敏捷、多功能的要求，有显现了组合外表，它将各个单元划分为更小的功能块，以适应比较复杂的模拟和规律规律相结合的掌握系统的需要；70 岁月以来，随着现代工业生产的迅猛进展，外表与硬件的开发，微型机算计的开发应用，使生产过程自动化的进展达到了一个新的水平；对全工厂或整个工艺流程的集中掌握、应用运算机系统进行多参数综合掌握，或者用多台运算机对生产过程进行掌握和经营治理，是这一阶段的主要特点；过程掌握进展到现代过程掌握的新阶段，这是过程掌握进展的第三阶段；在新型的自动化技术工具方面，开头采纳微处理器为核心的智能单元组合外表；在测量变送器方面，教为突出的成分在线检测与数据处理的应用日益广泛；在模拟式调剂外表方面，不仅 型外表产品品种增加，牢靠性提高，而且是本质安全防爆，适应了各种复杂掌握系统的要求；1.3 本文争论的目的、主要内容1.3.1 本文争论的目的、意义为明白决人工掌握的掌握准度低、掌握速度慢、灵敏度低等一系列问题；从而我们现在就引入了工业生产的自动化掌握；在自动化掌握的工业生产过程中， 一个很重要的掌握参数就是液位；一个系统的液位是否稳固，直接影响到了工业生产的安全与否、生产效率的高低、能源是否能够得到合理的利用等一系列重要的问题；随着现在工业掌握的要求越来越高，一般的自动化掌握已经也不能够满足工业生产掌握的需求，所以我们就又引入了可编程规律掌握（又称 PLC）；引入 PLC使掌握方式更加的集中、有效、更加的准时；液位掌握系统它使我们的生活、生产都带来了不行想象的变化；它使在掌握中更加的安全，节省了更多的劳动力，更多的时间；在我国随着社会的进展，很早就实行了自动掌握；而在我国液位掌握系统也利用得相当的广泛，特殊在锅炉液位掌握，水箱液位掌握；仍在黄河治水中也的到了利用，通过液位掌握系统检测黄河的水位的高低，以免由于黄河水位的过高而在不明白的情形下，给我们人民带来生命危急和财产缺失；1.3.2 本文争论的主要内容一、一个系统是否能达到预期的掌握成效，其系统的数学模型相当的重要， 直接关系到掌握结果的正确与否；二、在液位掌握系统中，调剂阀是否与所掌握的液体发生化学反应等，直接的影响到掌握结果；三、掌握方案的选取，一个好的方案会让系统更加完善，所以方案的选取也特别重要；四、调剂器参数的整定，一个系统有了好的方案，但是假如参数整定错误那也是功亏一篑；2FX2 系列 PLC和掌握对象介绍2.1 三菱 PLC掌握系统FX2系列 PLC是三菱电机公司 1991 年继 F、F1、F2 系列之后推出的产品，是目前运行速度最快的小型 PLC之一；下面我们以小型 FX2 系列 PLC为例介绍 PLC 的硬件组成；图 2.1 为 PLC的原理图；CPROM外存其他A/D D/AEPROM接接运算机口口RAM其他设备ROM RAM中心处理器 CPU编辑器输入接口光电耦合输出接口继电器或晶体管2.1.1 CPU 模块图 2.1PLC的原理图CPU是 PLC的核心组成部分，与通用微机的CPU一样，它在 PLC系统中的作用类似于人体的神经中枢，故称为“电脑”；其功能是：1、PLC 中系统程序给予的功能，接收并储备从编程器输入的用户程序和数据；2、用扫描方式接受现场输入装置的状态，并存入映像寄存器；3、诊断电源、 PLC内部电路工作状态和编程过程中的语法错误；在 PLC 进入运行状态后，从储备器中逐条读去用户程序，按指令规定的任务，产生相应的掌握信号，去起闭有关掌握电路；2.1.2 I/O模块I/O模块是 CPU与现成 I/O 装置或其他外部设备之间的连接部件；PLC供应了各种操作电平与驱动才能的I/O 模块和各种用途 I/O 元件供用户选用；如输入/ 输出电平转换、电气隔离、串 / 并行转换、数据传送、误码校验、 A/D 或 D/A 变换以及其他功能模块等； I/O模块将外部输入信号变换成CPU能接受的信号，或将 CPU的输出信号变换成需要的掌握信号去驱动掌握对象，以确保整个系统正常的工作；其中输入信号要通过光电隔离，通过滤波进入CPU掌握板， CPU发出输出信号至输出端；输出方式有三种：继电器方式、晶体管方式和晶闸管方式；2.1.3 电源模块依据 PLC的设计特点，它对电源并无特殊需求，它可使用一般工业电源；2.2 过程建模过程掌握系统的品质，是由组成系统的过程和过程检测掌握外表各环节的特性和系统的结构所打算；在构成掌握系统的分析和设计中，过程的数学模型是极其重要的基础资料；所以，建立过程的数学模型，对实现生产过程自动化有着特别重要的意义；可以这样说，一个过程掌握系统的优劣，主要取决于对生产工艺过程的明白和建立过程的数学模型；2.2.1 一阶单容上水箱对象特性所谓单容过程，是指只有一个贮蓄容量的过程；单容过程仍可分为有自衡才能和无自衡才能两类；一、自衡过程的建摸所谓自衡过程，是指过程在扰动作用下，其平稳状态被破坏后，不需要操作人员或外表等干预，依靠起自身重新复原平稳的过程；液位过程，图 2.2 所示为一个单容液位被控过程，其流入量，转变阀 1 的开度可以转变的大小；其流出量为，它取决于用户的需要转变阀 2 开度可以转变；液位 h 的变化反映了与不等而引起贮罐中蓄水或泄水的过程 . 如作为被控过程的输入变量 ,h 为其输出变量 , 就该被控过程的数学模型就是 h 与之间的数学表达式；11h2（a）Xht0t0图 2.2 液位被控过程及其阶跃响应依据动态物料平稳关系有（ 2-1 ）将公式（ 2-1 ）表示成增量式为（2-2 ）式中：、分别表示为偏离某一平稳状态、的增量；A贮蓄截面积；在静态时，；当发生变化时，液位h 随之变化，贮蓄出口处的静压随之变化，也发生变化；由流体力学可知，流体在紊流情形下，液位 h 与流量之间为非线形关系；但为了简化起见，经线形变化，就可近似认为与 h 成正比关系，而与阀 2 的阻力成反比，即（2-3 ）式中：阀 2 的阻力，称为液阻；为了求单容过程的数学模型，需消去中间变量；消去中间变量的方法很多， 如可用代数代换法，可用信号流图法，也可用画方框图的方法；这里，介绍后一种方法；将式（ 2-2 ）、式（ 2-3 ）拉氏变换后 , 画出图 2.3 方框图；图 2.3 方框图单容液位过程的传递函数为（ 2-4 ） 式中：过程的时间常数，；过程的放大系数，；C过程的容量系数，或称过程容量；被控过程都具有肯定贮存物料或能量的才能，其贮存才能的大小，称为容量或容量系数；其物理意义 : 是：引起单位被控量变化时被控过程贮存两变化的大小；图 2.1 （b）所示为单容液位被控过程的阶跃响应曲线；从上述分析可知，液阻不但影响过程的时间常数，而且仍影响过程的放大系数，而容量系数 C仅影响过程的时间常数；在工业生产过程中，过程的纯时延问题是常常遇到的；如皮带运输机的物料传输过程，管道输送、管道反应和管道的混合过程等；下面以图2.4 为例争论纯时延过程的建模；图 2.4 纯时延单容过程及其响应曲线图 2.4所示，流量通过长度为l的管道流入贮罐；当进水阀开度产生扰动 后，需要流经管道长度为 l 的传输时间后才流入贮罐，才使液位h 发生变化；具有纯时延单容过程的阶跃响应曲线如图2.4 曲线 2 所示，它与无时延单容过程的阶跃响应曲线在外形上完全相同，仅差一纯时延；具有纯时延单容过程的微分方程和传递函数为（2-5 ）式中：过程的时间常数，；过程的放大系数，；过程的纯时延时间；二、无自衡过程的建模所谓无自衡过程，是指过程在扰动的作用下，其平稳状态被破坏后，不需要操作人员或外表等干预，依靠其自身才能不能重新复原平稳的过程；下面以图2.4 所示为例，介绍其建模方法；图 2.5 单容过程及其响应曲线假如将图 2.2 所示贮罐的出口阀 2 换成定量泵，就为图 2.5 所示；这样，其流出量与液位 h 无关；当流入量发生阶跃变化时，液位 h 即发生变化；由于流出量是不变的，所以贮罐液位或等速上升直至液体溢出，或者等速下降直至液位被抽干，其阶跃响应曲线如图 2.5 所示；图 2-7 所示过程的微分方程为（2-6 ） 式中： C贮罐的容量系数；过程的传递函数为（ 2-7 ）式中：过程的积分时间常数，；当过程具有纯时延时，就其传递函数为（ 2-8 ）2.2.2 二阶双容下水箱对象特性在工业生产过程中，被控过程往往是由多个容积和阻力构成，这种过程称为多容过程；现在，以具有自衡才能的双容过程为例，来争论其建立数学模型的方法；Q0000图 2.6 双容过程及其响应曲线图 2.6 （a）所示为两只水箱串联工作的双容过程；其被控量是其次只水箱的液位，输入量为与上述分析方法相同，依据物料平稳关系可以列出以下方程（ 2-9 ）为了消去双容过程的中间变量、，将上述方程组进行拉氏变换，并画出方框图如 2.7 所示；双容过程的数学模型为（2-10 ）1/C1s1/R21/C2s1/R3图 2.7 双容过程方框图式中：第一只水箱的时间常数，；其次只水箱的时间常数，；过程的放大系数，；分别是两只水箱的容量系数；图 2.7 所示为流量有一阶跃变化时，被控量的响应曲线；与单容过程比较， 多容过程受到扰动后，被控参数的变化速度并不是一开头就最大，而是要经过一段时延之后才达到最大值；即多容过程对于扰动的响应在时间上存在时延，被称为容量时延；产生容量时延的缘由主要是两个容积之间存在阻力，所以使的响应时间向后推移；容量时延可用作图法求得，即通过响应曲线的拐点D 作切线，与时间轴相交与 A，与相交与 C，C 点在时间轴上的投影 B，OA即为容量时延时间， AB 即为过程的时间常数 T；对与无自衡才能的双容过程，可见图 2.8 ，图中，被控量为，输入量为；产生阶跃变化时，液位并不立刻以最大的速度变化，由于中间具有容积和阻力；对扰动的响应有他、肯定的时延和惯性；同上所述，所示过（2-10 ）式中：过程积分时间常数，T第一只水箱的时间常数；同理，无自衡多容过程的数学模型为；（2-11 ）当然无自衡多容过程具有纯时延时，就其数学模型为（ 2-12 ）程的数学模型为3 PID调剂及串级掌握系统3.1 PID调剂的各个环节及其调剂过程PID 掌握的原理和特点工程实际中，应用最为广泛的调剂器掌握规律为比例、积分、微分掌握，简称 PID 掌握，又称 PID 调剂；PID 掌握器问世至今已有近70 年历史，它以其结构简洁、稳固性好、工作牢靠、调整便利而成为工业掌握的主要技术之一；当被控对象的结构和参数不能完全把握，或得不到精确的数学模型时，掌握理论的其它技术难以采纳时，系统掌握器的结构和参数必需依靠体会和现场调试来确定，这时应用 PID 掌握技术最为便利；即当我们不完全明白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 掌握技术； PID 掌握， 实际中也有 PI 和 PD掌握； PID 掌握器就是依据系统的误差，利用比例、积分、微分运算出掌握量进行掌握的；（1） 比例（ P）掌握比例掌握是一种最简洁的掌握方式；其掌握器的输出与输入误差信号成比例关系；当仅有比例掌握时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）；（2） 积分（ I ）掌握在积分掌握中，掌握器的输出与输入误差信号的积分成正比关系；对一个自动掌握系统，假如在进入稳态后存在稳态误差，就称这个掌握系统是有稳态误差的或简称有差系统（ System with Steady-state Error）；为了排除稳态误差， 在掌握器中必需引入“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，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动掌握器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零；因此，比例+积分（ PI）掌握器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差；（3） 微分（ D）掌握在微分掌握中，掌握器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系；自动掌握系统在克服误差的调剂过程中可能会显现振荡甚至失稳；其缘由是 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当是零；这就是说，在掌握器中仅引入“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”，它能猜测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的掌握器，就能够提前使抑制误差的掌握作用等于零，甚至为负值，从而防止了被控量的严峻超调；所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（ PD）掌握器能改善系统在调剂过程中的动态特性；3.1.1 比例掌握及其调剂过程在人工调剂的实践中，假如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固，达到平稳状态；这种阀门开度与被调参数的偏差成比例的调剂规律，称为比例调剂；比例调剂规律及其特点比例调剂作用，一般用字母P 来表示；假如用一个数学式来表示比例调剂作用，可写成：（3-1 ） 式中调剂器的输出变化值；调剂器的输入，即偏差；比例调剂器的放大倍数；放大倍数是可调的，所以比例调剂器实际上是一个放大倍数可调的放大器；比例调剂作用虽然准时、作用强，但是有余差存在，被调参数不能完全回复到给定值，调剂精度不高，所以有时称比例调剂为“粗调”；纯比例调剂只能用于干扰较小、滞后较小，而时间常数又不太小的对象；3.1.2 比例积分调剂对于工艺条件要求较高余差不答应存在的情形下，比例作用调剂器不能满意要求了，克服余差的方法是引入积分调剂；由于单纯的积分作用使过程缓慢，并带来肯定程度的振荡，所以积分调剂很（3-2）少单独使用，一般都和比例作用组合在一起，构成比例积分调剂器，简称PI 调剂器，其作用特性可用下式表示：这里，表示 PI 调剂作用的参数有两个：比例度P 和积分时间；而且比例度不仅影响比例部分，也影响积分部分，使总的输出既具有调剂准时、克服偏差有力的特点，又具有克服余差的性能；由于它是在比例调剂（粗调）的基础上，有加上一个积分调剂（细调），所以又称再调调剂或重定调剂；但是，积分时间太小，积分作用就太强，过程振荡猛烈，稳固程度低；积分时间太大，积分作用不明显，余差排除就很慢；假如把积分时间放到最大， PI 调剂器就丢失了积分作用，成了一个纯比例调剂器；3.1.3 比例积分微分调剂微分调剂的作用主要是用来克服被调参数的容量滞后；在生产实际中，有体会的工人总是既依据偏差的大小来转变阀门的开度大小（比例作用），同时又依据偏差变化速度的大小进行调剂；比如当看到偏差变化很大时，就估量到即将显现很大的偏差而过量地打开（关闭）调剂阀，以克服这个估量的偏差，这种依据偏差变化速度提前实行的行动，意味着有“超前”作用，因而能比较有效地改善容量滞后比较大的调剂对象的调剂质量；什么是微分调剂？微分调剂是指调剂器的输出变化与偏差变化速度成正比，可用数学表达式表示为：（3-3）式中：调剂器的输出变化值；微分时间；偏差信号变化的速度；从上式可知，偏差变化的速度越大，微分时间越长，就调剂器的输出变化就越大；对于一个固定不变的偏差，不管其有多大，微分做用的输出总是零，这是微分作用的特点；由于实际微分器的比例度不能转变，固定为100%，微分作用也只在参数变化时才显现，所以实际微分器也不能单独使用；一般都是和其它调剂作用相协作，构成比例微分或比例积分微分调剂器；比例积分微分调剂又称PID 调剂，它可由下式表示：（ 3-4）PID 调剂中，有三个调剂参数，就是比例度P、积分时间、微分时间；适当选取这三个参数值，就可以获得良好的调剂质量；由分析可知， PID 三作用调剂质量最好， PI 调剂其次， PD调剂有余差；纯比例调剂虽然动偏差比PI调剂小，但余差大，而纯积分调剂质量最差，所以一般不单独使用；3.2 串级掌握随着现代工业生产的快速进展，对于某些比较复杂的过程或者生产工艺、经济效益、安全运行、环境爱护等要求更高的场合，单回路掌握系统往往不能满意其需求；为了提高掌握品质，在单回路掌握方案的基础上，开发出了串级掌握系统；3.2.1 串级掌握系统的结构串级掌握系统采纳两套检测变送器和两个调剂器，前一个调剂器的输出作为后一个调剂器的设定，后一个调剂器的输出送往调剂阀；结构图如图3.1 所示；前一个调剂器称为主图调剂3.1器串，级它控所制系检统测方和框控图制的变量称主变量（主被控参数），即工艺掌握指标；后一个调剂器称为副调剂器，它所检测和掌握的变量称副变量（副被控参数），是为了稳固主变量而引入的帮助变量；整个系统包括两个掌握回路，主回路和副回路；副回路由副变量检测变送、副调剂器、调剂阀和副过程构成；主回路由主变量检测变送、主调剂器、副调剂器、调剂阀、副过程和主过程构成；一次扰动：作用在主被控过程上的，而不包括在副回路范畴内的扰动；二次扰动：作用在副被控过程上的，即包括在副回路范畴内的扰动；3.2.2 串级掌握系统的特点在串级掌握系统中，由于引入了一个副回路，不仅能及早克服进入副回路的扰动，而且又能改善过程特性；副调剂器具有“粗调”的作用，主调剂器具有 “细调”的作用，从而使其掌握品质得到进一步提高；其特点有以下几点：一、改善了过程的动态特性，提高了系统掌握质量；二、能快速克服进入副回路的二次扰动；三、提高了系统的工作频率； 四、对负荷变化的适应性较强；3.2.3 串级掌握系统的设计（1） 主回路的设计串级掌握系统的主回路是定值掌握，其设计单回路掌握系统的设计类似，设计过程可以依据简洁掌握系统设计原就进行；这里主要解决串级掌握系统中两个回路的和谐工作问题；主要包括如何选取副被控参数、确定主、副回路的原就等问题；（2） 副回路的设计由于副回路是随动系统，对包含在其中的二次扰动具有很强的抑制才能和自适应才能，二次扰动通过主、副回路的调剂对主被控量的影响很小，因此在挑选副回路时应尽可能把被控过程中变化猛烈、频繁、幅度大的主要扰动包括在副回路中，此外要尽可能包含较多的扰动；归纳如下；(1) 在设计中要将主要扰动包括在副回路中；(2) 将更多的扰动包括在副回路中；(3) 副被控过程的滞后不能太大，以保持副回路的快速相应特性；(4) 要将被控对象具有明显非线性或时变特性的一部分归于副对象中；(5) 在需要以流量实现精确跟踪时，可选流量为副被控量；在这里要留意 2 和3 存在明显的冲突，将更多的扰动包括在副回路中有可能导致副回路的滞后过大，这就会影响到副回路的快速掌握作用的发挥，因此， 在实际系统的设计中要兼顾 2 和3 的综合；例如，图 1 所示的以物料出口温度为主被控参数、炉膛温度为副被控参数， 燃料流量为掌握参数的串级掌握系统，假定燃料流量和气热值变化是主要扰动， 系统把该扰动设计在副回路内是合理的；（3） 主、副回路的匹配1) 主、副回路中包含的扰动数量、时间常数的匹配设计中考虑使二次回路中应尽可能包含较多的扰动，同时也要留意主、副回路扰动数量的匹配问题；副回路中假如包括的扰动越多，其通道就越长，时间常数就越大，副回路掌握作用就不明显了，其快速掌握的成效就会降低；假如全部的扰动都包括在副回路中，主调剂器也就失去了掌握作用；原就上，在设计中要保证主、副回路扰动数量、时间常数之比值在 310 之间；比值过高，即副回路的时间常数较主回路的时间常数小得太多，副回路反应灵敏，掌握作用快，但副回路中包含的扰动数量过少，对于改善系统的掌握性能不利；比值过低，副回路的时间常数接近主回路的时间常数，甚至大于主回路的时间常数，副回路虽然对改善被控过程的动态特性有益，但是副回路的掌握作用缺乏快速性，不能准时有效地克服扰动对被控量的影响；严峻时会显现主、副回路“共振”现象，系统不能正常工作；2) 主、副调剂器的掌握规律的匹配、挑选在串级掌握系统中，主、副调剂器的作用是不同的；主调剂器是定值掌握， 副调剂器是随动掌握；系统对二个回路的要求有所不同；主回路一般要求无差， 主调剂器的掌握规律应选取PI 或 PID 掌握规律；副回路要求起掌握的快速性，可以有余差，一般情形选取P 掌握规律而不引入 I或 D 掌握；假如引入 I掌握，会延长掌握过程，减弱副回路的快速掌握作用；也没有必要引入D 掌握，由于副回路采纳 P 掌握已经起到了快速掌握作用，引入D掌握会使调剂阀的动作过大，不利于整个系统的掌握；3) 主、副调剂器正反作用方式的确定一个过程掌握系统正常工作必需保证采纳的反馈是负反馈，及其主通道各环节放大系数极性乘积必需为正值；串级掌握系统有两个回路，主、副调剂器作用方式的确定原就是要保证两个回路均为负反馈；确定过程是第一判定为保证内环是负反馈副调剂器应选用那种作用方式，然后再确定主调剂器的作用方式；各环节放大系数极性的正负是这样规定的：对于调剂器，当测量值增加，调剂器的输出也增加，就为负值（即正作用调剂器）；反之，为正（即反作用调剂器）；调剂阀为气开；就为正，气关为负；过程放大系数极性是：当过程的输入增大时， 即调剂阀开大，其输出也增大，就为正，反之，为负；在图 3.1的串级掌握系统框图中可以看到，由于副回路可以简化成一个正作用方式环节，主对象作用方式为正，主测量变送环节为正；依据单回路掌握系统设计中介绍的闭合系统必需为负反馈掌握系统设计原就，即闭环各环节比例度乘积必需为正，故主调剂器均选用反作用调剂器，副调剂器均选用反作用调剂器；3.3 扩充临界比例度法试验体会法调整 PID 参数的方法中较常用的是扩充临界比例度法, 其最大的优点是，参数的整定不依靠受控对象的数学模型，直接在现场整定、简洁易行；扩充比例度法适用于有自平稳特性的受控对象，是对连续- 时间 PID 掌握器参数整定的临界比例度法的扩充；整定步骤：扩充比例度法整定数字PID 掌握器参数的步骤是：（1） ）预挑选一个足够短的采样周期；一般说应小于受控对象纯推迟时间的特别之一；表 3.1 临界振荡整定运算公式调剂参数掌握规律P2PI2.2/1.2PID1.60.50.25（2） ）用选定的使系统工作；这时去掉积分作用和微分作用，将掌握挑选为纯比例掌握器，构成闭环运行；逐步减小比例度，即减小，直至系统对输入的阶跃信号的响应显现临界振荡（稳固边缘），将这时的比例放大系数记为 , 临界振荡周期记为；（ 3） 依据表 3.1 临界振荡整定运算公式代入 、的值，运算出调剂器各个参数、的值；（ 4）依据上述运算结果设置调剂器的参数值；观看系统的响应过程，如记录曲线不符合要求时，再适当调整整定参数值；3.4 三菱 FX2系列 PLC中 PID 指令