PDF《基于 SIMIT SEC 的水位 PID 控制实验》

基于 SIMIT SEC 的水位 PID 控制实验 余朝刚, 刘启中, 齐东平,刘凯, (上海工程技术大学 自动化系,上海 201620) 摘要:设计了单水箱水流循环系统,分析了该系统的数学模型,在SIMIT SEC 环境下进行 了对象仿真,使用 SIMATIC STEP7 研究了 PID 控制算法在水箱液位控制中的应用,结果表 明SIMIT SEC 可以解决理论教学与工厂实际控制脱离的问题, 有利于培养学生的创新能力.

关键词:PID 控制;

PLC;

仿真 中图分类号:TP13 ,TP21 文献标识码:A 文章编号: Water Lever PID Control Experiment Based on SIMIT SEC YU Chao-gang , LIU Qi-zhong, QI Dong-ping, LIU Kai ( Department of Automatic, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620) Abstract: A single tank water circulation system was designed and studied. A simulation model based on SIMIT SEC was built, and the PID controlling algorithm was researched under the environment of SIMATIC STEP 7. The result show that the SIMIT SEC is an effective tool to resolved the problem that it is difficult to get control objects in teaching progress and SIMIT SEC is conducive to cultivate the creative of the students. Key words: PID control;

PLC;

simulation CLC number:TP23 Document code: A Article ID:

1 概述 可编程逻辑控制器(PLC)是大学电气自 动化及相关专业的一门重要课程, SIMIT SEC 是西门子公司的用于工厂员工培训学校教 育的一个仿真软件,用于解决不便于PLC控 制器与实际对象连接或者实际对象短缺的 问题 [1] ,而PID控制器有结构典型、程序设 计简单、各参数物理意义明确、参数调整方 便、容易实现多回路控制、串级控制等复杂 的控制算法等诸多特点, 随着智能控制技术 的发展,PID控制与神经网络控制等现代控 制方法结合,可以实现PID控制器的参数自 整定,使得PID控制器有着经久不衰的生命 力[2] ,因此结合西门子300系列的 PLC及SIMIT SEC 设计了使用PID控制器 收稿日期: 作者简介:余朝刚(1967-) ,男,贵州普安 人,汉族,博士,主要研究方向为智能检测 与自动控制,

电话: (021)67791126, E-mail:[email protected]. 上海市教委科研项目(06NZ003) ,校创新实 验项目(SF0802001) 控制水箱的水位实验.

2 实验对象 过程控制装置广泛应用于教学科研工作 中[3[4][5] , 本文用过程控制装置的单水箱循环 单元为研究对象.如图1所示.水箱液位决 定于入水量、出水量和水箱形状等因素,实 验使用PID算法将水箱液位控制在指定位 置,用西门子315-2DP/PA PLC采集水箱水位 信号,与设定的液位进行比较,使用PID算 法得到阀门控制信号,送到图中气动调节 阀,气动阀门根据该信号改变开度,调节进 水量实现控制目标.水箱为圆桶形,d=0.35m,h=0.20m.压力传感器、变送器采 用SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯协议的压力 传感器, 调节阀为上海江浪流体机械制造有 限公司的气动调节阀,采用SIEMENS 带PROFIBUS-PA通讯协议的阀门定位器控制. 水泵为上海凯通泵业的16CQ-8P磁力驱动 泵,流量为32升/分,扬程为8米, 用三相 380V、功率180W恒压交流电机驱动,管道内 径为150mm,管道高度H为0.5 m.

3 数学模型 该单容水槽的控制系统是一个级连控制 系统,如图

2 所示,主控制器 PLC 根据设定 液位 SP1 与主回路反馈回来的实际液位 h 比较, 使用 PID 算法输出 SP2 作为辅助调节器 即阀门定位器的输入. 过程

1 表示阀门的阀 心的位置变化,通过阀门定位器的调节,阀 心的位置与主控制器的输出量 SP2 成正比, 从而控制进水流量 Q1.Q2 是出水量,由手动 阀门 F3 控制. 过程

2 表示水箱的液位变化过 程. 假设气动阀进水口压力和出水口压力 差能够保持恒定, 当SP2 变化时阀心随时间 做线性调整,则理想线性调节阀的流量 Q1 与时间的关系可以用下式表示 [7] : t L Q Q * ± =

0 1 (1) 式中:Q0――初始水流量,t――时间,L― ―比例系数.式(1)中如果变化后的 SP2 比当前值小取减号,SP2 比当前值大则取加 号,直到阀心运动到 SP2.流量和阀芯位置 都用与各自最大值的百分比表示, 因此二者 的数值相同. 根据物料平衡关系,在平衡状态时:

0 20

10 = ? Q Q 式中:Q10――平衡时进水量,Q20――平衡时 出水量.动态时,则有 Q1-Q2= dt dV (2) 式中 V――水箱的贮水容积, dt dV ――水贮 存量的变化率,它与 h 的关系为 Adh dV = , 即dt dV = A dt dh (3) A――水箱的底面积.把式(3)代入式(2) 得Q1-Q2=A dt dh (4) 图1控制对象 主控制器 阀门定位控制器 过程1 过程

2 SP1 SP2 Q Q2 辅助回路 主回路 Q1 h 图2单水箱的级联系统 基于 Q2= S R h ,RS 为阀 F3 的液阻,则上式可 改写为 Q1- S R h = A dt dh 即ARS dt dh +h=RSQ1 或写作 ) ( ) (

1 s Q s H =

1 + TS K (5) 式中 T=ARS,它与水箱的底面积 A 和V2 的RS 有关;

K=RS. 式(5)就是单容水箱的传递函数. 若令 Q1(S)= S R0 ,R0=常数,则式(5)可 改为 H(S)= T S T K

1 / + * S R0 =K S R0 - T S KR

1 0 + 对上式取拉氏反变换得 h(t)=KR0(1-e -t/T ) (6) 当t―>

∞时,h(∞)=KR0,因而有 K=h(∞)/R0=输出稳态值/阶跃输入 当t=T 时,则有 h(T)=KR0(1-e -1 )=0.632KR0=0.632h(∞) 表示一阶惯性环节的响应曲线是一单调上 升的指数函数. 保持手动阀门不动,改变气动调节阀的开 度,可以测出(5)式中的 T 和K的值,它们 随着手动阀门的开度改变而改变.

4 SIMIT 模型的实现 IEC1131 的RAMP 构件作为核心元件来 实现气动阀的调节过程, 实现方法如图

3 虚 线左边部分所示. 以RAMP 的PHYS 为气动阀 心的实际位置, 该数值在

0 到100 之间变化. 从PLC 来的气动动阀门位置信号 SP2与PHYS 的比较,从而控制 PHYS 的变化.如果 SP2 小于 PHYS,RAMP 的UP 为1,PHYS 以每秒增 大5的速度变化,直到 SP2 大于 PHYS-0.5. 如果SP2大于PHYS则RAMP的DOWP为1, PHYS 以同样的速度减小直到 PHYS 小于等于 SP2. ARAMP 有三个输入 (PRE、 SETP、 SPEED) 、 四个输出(LL、UL、PHYS、OUT)和需要设 置的四个参数(LIMIT_UP、LIMIT_DOWN、 POS_DIRECTION、TIME) .该控件产生两个随 时间线性上升或者线性下降的斜坡函数, 输出OUT 的值在 0.0 到1.0 之间, PHYS 的值在 上限 (LIMIT_UP) 和下限(LIMIT_DOWN)之间. POS_DIRECTION 控制函数变化的方向,POS_DIRECTION=1 时函数值随时间增大而线 性上升,POS_DIRECTION=0 时函数值随时间 增大而线性下降.TIME 是时间间隔,SPEED 是每经过一个时间间隔输出变化的百分比. LL 和UL 表示斜坡函数值是否到达下限或者 上限.PRE=1,该构件将输出值立即设置为 SETP 所输入的数值;

PRE=0,构件根据有关 参数计算斜坡函数的数值. 以SIMIT 的Library/IEC1131 里的构件 PT1 为中心来实现一阶时延模型,如图

3 虚 线右边所示.模拟输入构件 A-SWITCH 的输 出值为液阻 Rs, 乘以容器的横切面积后得到 图3SIMIT 后台逻辑设计 得到时间延迟常数 T, 乘以流量 PHTS 作为 PT1 的输入 X. PT1 实现如下传递函数:

1 1 ) ( ) ( + = = TS s X Y S F PT1 有四个输入端(X、SV、S、T) ,一 个输出端 (Y) . X 是随时间变化的输入信号. SV 是构件处于 设定状态 (Settting Mode) 时信号的输入端.S=0 时,构件处于延时 (Delay Mode)工作状态,Y 是X的一阶延 时输出;

S=1 构件处于设定状态,Y 的值与 SV 相同.T 是延迟时间常数. PT1 的属性 选项有两个参数 Ti 和EXTERNAL, EXYERNAL=0 则延迟时间为 Ti, EXYERNAL=1 则延迟时间为 T.

5 PID 控制实现及实验操作 PID 运算在 STEP7 环境下, 在组织块 OB35 里调用系统函数 SFC41 实现.SIMIT 对象接 收SFC41 提供的阀芯位置信号, 反馈回液位 信号.SFC41 将该液位信号和设定的目标液 位进行比较而实现液位 PID 控制. 执行 OB35 的时间间隔就是 PID 控制的采样周期, 可以 在CPU属性设置对话框的循环中断选项卡中 设置. SBF41 采用位置式 PID 控制算法, 比 例运算、积分运算和微分运算

3 部分并联, 用P_SEL、I_SEL 和D_SEL 单独激活或者取 消它们,因此可以将控制器组态为 P、PI、 PD 及PID 控制器. GAIN 为比例部分的增益, TI 和TD 分别为积分时间常数和微分时间常 数. 改变 I_ITL_ON 及ITLVAL 的设置可以改 变积分器的初始值. CPR_IN 设置为时从模拟 量输入模块采集的数值通过 PV_PER 输入到 PID 控制器. 使用 SFC41 完成 PID 控制的关键是正确 设置 GAIN、TI、TD 等参数,这些参数的修 改可以通过组态软件 WINCC 实现, 也可以使 用STEP7 的变量表(Variable Table) .通过SIMIT 的GRAPH 可以观察控制结果.

6 结论 过程控制实验装置所进行的实验对于 研究控制算法、学习 PLC、人机界面有重要 作用,当前很多高校添置这一装置,但是由 于成本过高,往往只购买一两套共演示使 用,难以让人数较多的本科学生实际操作. 在SIMIT SCE 软件环境下开发控制例程,建 立虚拟实验室,配合实际的设备进行教学, 提高了设备的使用效果. 本校在本科毕业设 计时,鼓励学生在 SIMIT SCE 环境下开发了 大量的实际工程仿真程序, 解决了理论教学 与工厂实际控制脱离的问题, 非常有利于培 养学生的创新能力, 体现了用于培训的现代 计算机仿真巨大的发展潜力. 参考文献(Reference): [1] 吉顺平,路明,黄捷.SIMIT及其在PLC 教学中的应用[J].电气电子教学学报, 2006,28(5) :53-56 [2] 廖常初. S7-300/400PLC应用技术[M]. 北京:机械工业出版社,2005 [3] 张永德,刘乙奇. CS3000在THJ-2高级 控制系统实验装置上的应用[J].实验室 研究与探索,2007,26(4) :65-68,75 [4] 任俊杰,钱琳琳,刘泽祥.基于SIMATICS7 PLC的现场总线控制系统[J]. 电工技术杂志 , 2004,(09) . [5] 丘佰平,喻寿益.基于以太网及现场总 线的过程控制系统实验装置[J].实验室 研究与探索,2005,24(1) :43-45,49 [6] 廖庭常,方彦军.PROFIBUS现场总线控 制实验系统的研究与探讨[J].实验室研 究与探索,2002,21(1) :50-53,55 [7] 吴国熙. 调节阀使用与维修[M].北京: 化学工业出版社,1999 ........