摘要本文簡要介紹了pid調節的工作原理，詳細論述了調節器pid 引數的整定，對於pid單迴路調節器在工業中的應用具有很重要的現實意義。提出一種對液體流量進行實時的精確控制的設計方案. 該方案以plc 控制為基礎,由上位機、plc.
觸控螢幕、靶式流量計、電動調節閥組成. 它不僅適用於流量控制,在改變動作裝置後同樣適用於對溫度、液位、速度、高度等模擬量的控制.
關鍵詞：plc； pid調節器；流量控制系統；引數整定；
目錄1 設計目的與要求 1
1.1 設計目的 1
1.2 設計要求 1
2 系統結構設計 2
2.1 控制方案 2
2.2 系統結構 3
3 實驗系統組成 5
3.1系統簡介 5
3.2系統組成 6
4 下位機軟體 10
4.1 step 7簡介 10
4.2 step 7的安裝 10
4.3 step 7的硬體配置和程式結構 11
5 上位機組態軟體簡介 15
5.1 wincc 概述 15
5.2 wincc的安裝 15
5.3 wincc的通訊連線和畫面組態方法 16
6 pid作用與整定 17
6.1 實驗結果 17
6.2 pid調節作用 19
6.2.1 比例作用(p) 19
6.2.2積分作用(i) 19
6.2.3 微分作用(d) 20
6.3控制器pid引數的整定 21
6.3.1經驗法 21
6.3.2臨界比例度法 22
總結 24
致謝 25
參考文獻 26
通過某種組態軟體，結合實驗已有裝置，按照定值系統的控制要求，根據較快較穩的效能要求，採用但閉環控制結構和pid控制規律，設計乙個具有美觀組態畫面和較完善組態控制程式的流量單迴路過程控制系統。
(1) 根據流量單迴路過程控制系統的具體物件和控制要求，獨立設計控制方案，正確選用過程儀表。
(2)了解單閉環流量控制系統的結構組成與原理。
(3)進行單閉環流量控制系統調節器引數的整定。
(4)分析調節器相關引數的變化對系統靜、動態效能的影響。
(5)研究p、pi、pd和pid四種控制分別對流量系統的控制作用。
整個過程控制系統由控制器、調節器、測量變送、被控物件組成。在本次控制系統中控制器為計算機，採用演算法為pid控制規律（見附錄a和附錄b），調節器為電磁閥，測量變送為hb、ft兩個組成，被控物件為流量pv。結構組成如下圖2.
2所示。
當系統啟動後，水幫浦開始抽水，通過管道分別將水送到上水箱和下水箱，由hb返回訊號，是否還需要放水到下水箱。若還需要（即水位過低），則通過電磁閥控制流量的大小，加大流量，從而使下水箱水位達到合適位置；若不需要（即水位過高或剛好合適），則通過電磁閥使流量保持或減小。其整個流程圖如圖2.
1所示。
圖2-1 流量單迴路控制系統流程圖
過程控制系統由四大部分組成，分別為控制器、調節器、被控物件、測量變送。本次設計為流量迴路控制，即為閉環控制系統，如下圖2.2.
圖2-2 流量單迴路控制系統框圖
本實驗系統結構圖和方框圖如圖2.2所示。被控量為氣動調節閥支路（也可採用變頻器支路）的流量，實驗要求氣動閥支路流量穩定至給定值。
將電磁流量計ft1檢測到的流量訊號作為反饋訊號，並與給定量比較，其差值通過調節器控制氣動調節閥的開度，以達到控制管道流量的目的。為了實現系統在階躍給定和階躍擾動作用下的無靜差控制，系統的調節器應為pi控制，並在實驗中p、i引數設定要比較大。本實驗控制系統流程圖如圖3-23所示。
圖2-3 實驗控制系統流程圖
本實驗中的流量檢測裝置（電磁流量計）和執行機構（閥門定位器）均為帶profibus-pa通訊介面的部件，掛接在profibus-pa匯流排上，profibus-pa匯流排通過link和coupler組成的dp鏈路與profibus-dp匯流排交換資料，profibus-dp匯流排上掛接有控制器cpu315-2 dp，由於profibus-pa匯流排和profibus-dp匯流排中訊號傳輸是雙向的，這樣既完成了現場檢測訊號向cpu的傳送，又使得控制器cpu315-2 dp發出的控制訊號經由profibus-dp匯流排到達profibus-pa匯流排來控制執行機構閥門定位器。
實驗內容與步驟：
本實驗選擇氣動閥支路流量作為被控物件。實驗之前先將儲水箱中貯足水量，然後將閥門f1-1、f1-2、f1-8、f1-11全開，其餘閥門均關閉。
1、接通控制系統電源，開啟用作上位監控的的pc機，進入的實驗主介面如本實驗指導書第二章第一節中的圖2-5所示。
2、在實驗主介面中選擇本實驗項即「單迴路流量pid控制實驗」，系統進入正常的測試狀態，呈現的實驗介面如圖3-24所示。
圖2-4 實驗介面
本現場匯流排控制系統是基於profibus和工業乙太網通訊協議、在傳統過程控制實驗裝置的基礎上公升級而成的新一代過程控制系統。
整個實驗裝置分為上位控制系統和控制物件兩部分，上位控制系統流程圖如圖3-1所示：
圖3-1 上位控制系統流程圖
控制物件總貌圖如圖3-2所示。
圖3-2 控制物件總貌圖
一、被控物件
由不鏽鋼儲水箱、（上、中、下）三個串接有機玻璃水箱、4.5kw三相電加熱模擬鍋爐(由不鏽鋼鍋爐內膽加溫筒和封閉式鍋爐夾套構成)、盤管和敷塑不銹鋼管道等組成。
1．水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和儲水箱。上、中、下水箱採用深藍色優質有機玻璃，堅實耐用，透明度高，便於學生直接觀察液位的變化和記錄結果。
上、中水箱尺寸均為：d=25cm，h=20cm；下水箱尺寸為：d=35cm，h=20cm。
水箱結構獨特，由三個槽組成，分別為緩衝槽、工作槽和出水槽，進水時水管的水先流入緩衝槽，出水時工作槽的水經過帶燕尾槽的隔板流入出水槽，這樣經過緩衝和線性化的處理，工作槽的液位較為穩定，便於觀察。水箱底部均接有擴散矽壓力感測器與變送器，可對水箱的壓力和液位進行檢測和變送。上、中、下水箱可以組合成一階、二階、三階單迴路液位控制系統和雙閉環、三閉環液位串級控制系統。
儲水箱由不鏽鋼板製成，尺寸為：長×寬×高=68cm×52㎝×43㎝，完全能滿足上、中、下水箱的實驗供水需要。儲水箱內部有兩個橢圓形塑料過濾網罩，以防雜物進入水幫浦和管道。
2．模擬鍋爐：是利用電加熱管加熱的常壓鍋爐，包括加熱層（鍋爐內膽）和冷卻層（鍋爐夾套），均由不鏽鋼精製而成，可利用它進行溫度實驗。做溫度實驗時，冷卻層的迴圈水可以使加熱層的熱量快速散發，使加熱層的溫度快速下降。
冷卻層和加熱層都裝有溫度感測器檢測其溫度，可完成溫度的定值控制、串級控制，前饋-反饋控制，解耦控制等實驗。
3．盤管：模擬工業現場的管道輸送和滯後環節，長37公尺（43圈），在盤管上有三個不同的溫度檢測點，它們的滯後時間常數不同，在實驗過程中可根據不同的實驗需要選擇不同的溫度檢測點。盤管的出水通過手動閥門的切換既可以流入鍋爐內膽，也可以經過渦輪流量計流回儲水箱。
它可用來完成溫度的滯後和流量純滯後控制實驗。
4．管道及閥門：整個系統管道由敷塑不銹鋼管連線而成，所有的手動閥門均採用優質球閥，徹底避免了管道系統生鏽的可能性。有效提高了實驗裝置的使用年限。
其中儲水箱底部有乙個出水閥，當水箱需要更換水時，把球閥開啟將水直接排出。
二、檢測裝置
1．壓力感測器、變送器：三個壓力感測器分別用來對上、中、下三個水箱的液位進行檢測，其量程為0～5kp，精度為0.5級。
採用工業用的擴散矽壓力變送器，帶不鏽鋼隔離膜片，同時採用訊號隔離技術，對感測器溫度漂移跟隨補償。採用標準二線制傳輸方式，工作時需提供24v直流電源，輸出：4～20madc。
（本裝置已將電流訊號轉換為電壓訊號）
2．溫度感測器：裝置中採用了六個pt100鉑熱電阻溫度感測器，分別用來檢測鍋爐內膽、鍋爐夾套、盤管（有3個測試點）以及上水箱出口的水溫。pt100測溫範圍：
-200～+420℃。pt100感測器精度高，熱補償性較好。
3．模擬轉換器：三個模擬轉換器（渦輪流量計）分別用來對由電動調節閥控制的動力支路、由變頻器控制的動力支路及盤管出口處的流量進行檢測。它的優點是測量精度高，反應快。
採用標準二線制傳輸方式，工作時需提供24v直流電源。流量範圍：0～1.
2m3/h；精度：1.0%；輸出：
4～20madc。（本裝置已將電流訊號轉換為電壓訊號）
三、執行機構
1．電動調節閥：採用智慧型直行程電動調節閥，用來對控制迴路的流量進行調節。電動調節閥型號為：
qstp-16k。具有精度高、技術先進、體積小、重量輕、推動力大、功能強、控制單元與電動執行機構一體化、可靠性高、操作方便等優點，電源為單相220v，控制訊號為4～20madc或1～5vdc，輸出為4～20madc的閥位訊號，使用和校正非常方便。
過程控制實驗報告4 流量單閉環實驗
班級 082班座號 姓名成績 課程名稱 過程控制工程實驗專案 流量單閉環實驗 一 實驗目的 通過實驗掌握單迴路控制系統的構成。學生可自行設計，構成單迴路流量控制系統，並應用臨界比例度法 階躍反應曲線法和整定單迴路控制系統的pid引數，熟悉pid引數對控制系統質量指標的影響，用計算機進行pid引數的調...