1.实验目的

（1）掌握过程控制的方法；

（2）熟练掌握台达编程技巧；

（3）熟悉实验室水箱系统、变频器的接线方法；

（4）学会用文件寄存器来读取数据并处理数据；

（5）学会台达PLC内部PID控制器指令的运用；

（6）学会根据实际模型搭建单闭环和串级反馈控制系统；

（7）学会利用DVP06XA模块进行模拟量的输入和输出；

（8）熟练掌握PID参数的整定方法。

2.实验对象以及环境

2.1.实验对象

（1）实验室水箱控制系统

（2）变频器

（3）台达DVP-SV2型PLC

2.2.实验环境

（1）PLC：DVP-SV2型

（2）软件:WPLsoft2.46

（3）通讯方式:RS232

2.3.实验要求

      以实验室水箱系统为控制对象，选择其中的 1 个被控参数完成 2 种控制策略的控制（单回路 PID 控制策略，串级控制或前馈-反馈控制或其他控制策略），将被控参数控制在给定值附近。

      要求在单回路控制中，进行参数整定（反应曲线法、衰减曲线法、临界比例度法，任选），重点在于参数的整定和投运，实时采集控制参数，将其导出画出阶跃响应的曲线图。

      要求在复杂回路控制中，选择主副被控变量、系统的搭建和参数的整定。

2.4.简易系统

     上图即为水箱控制系统的实物概况图，系统总体上由水箱、水槽、电机和若干水管、调节阀组成，水箱进水口有两个阀门，一个手动控制，另一个利用模拟量输入线进行PLC控制，水箱的出水口是一个手动控制开度的阀门，水箱的液位高度由一个液位高度传感器将高度信息转化为电流模拟量通过输出线输出给PLC；水槽用来储水，存放水箱排除的水，同时提供给电机抽进水箱的水；电机由变频器给定输入信号，根据变频器给定模拟量的大小可以控制电机的转速进而控制进水量；同时在进水管道有一个压力传感器可以检测管道内水流的压力并转化为电流模拟量通过输出线输出给PLC。

3.控制系统基本原理图

3.1.单闭环反馈控制

     上图为单闭环反馈控制策略的控制结构图，由于水箱系统主要需要控制的是水箱内部的液位，而且液位高度可以通过传感器轻松测量，因此选取液位高度作为被控变量，液位偏差信号送入PID调节器，PID输出控制信号到调节阀控制调节阀的开度控制进水量进而控制水箱的液位高度。

3.2.串级双闭环反馈控制

      上图为串级双闭环反馈控制策略的控制结构图，鉴于液位单闭环控制策略中不可以完全用阀门的开度控制进水量，进水量的大小同时也受管内水压的影响，同时水压可以通过压力传感器检测到，因此可以选用压力作为副被控变量，液位作为主被控变量，选用变频器控制的电机作为执行机构，搭建串级双闭环反馈控制系统。

       液位的偏差量送入液位PID调节器，液位PID输出信号作为压力的给定值，压力的偏差量送入压力PID调节器，压力PID输出控制信号给变频器，变频器控制电机的转速从而控制管道内的水压稳定，从而达到控制进水量的目的。

4.流程图

4.1单闭环反馈控制

       上图即为液位单闭环反馈控制的程序工作流程图，首先，将模拟量模块DVP06XA的CH1、CH2通道设置为4-20mA电流输入作为液位和压力的输入信号，将CH6通道设置为4-20mA电流输出作为调节阀的控制信号，然后设定取值10次取平均值以达到滤波的目的，然后不断地读取液位信号，放入PID，PID控制调节阀的开度，如此，循环往复。

4.2.串级双闭环反馈控制

     上图即为液位-压力串级双闭环反馈控制的程序工作流程图，首先，将模拟量模块DVP06XA的CH1、CH2通道设置为4-20mA电流输入作为液位和压力的输入信号，将CH5通道设置为0-10V电压输出作为变频器的控制信号，将CH6通道设置为4-20mA电流输出作为调节阀的控制信号，然后设定取值10次取平均值以达到滤波的目的，然后不断地读取液位和压力信号，液位的偏差量送入液位PID调节器，液位PID输出信号作为压力的给定值，压力的偏差量送入压力PID调节器，压力PID输出控制信号给变频器，变频器控制电机的转速从而控制管道内的水压稳定，从而达到控制进水量的目的。

5.关键程序

5.1.模拟量通道模块设置

      以串级双闭环反馈为例，上图程序段的作用是将模拟量模块DVP06XA的CH1、CH2通道设置为4-20mA电流输入作为液位和压力的输入信号，将CH5通道设置为0-10V电压输出作为变频器的控制信号，将CH6通道设置为4-20mA电流输出作为调节阀的控制信号。

5.2.压力温度采集部分

     上图程序段的作用是读取十次水位和压力信号的平均值分别放入寄存器D2000、D2100，取出的信息取平均值的作用是为了达到滤波的作用，减小误差。

5.3.PID控制部分

     以液位PID为例，上图程序段的作用是完成PID调节器的各项参数设置，包括取样时间、比例系数、积分系数、微分系数、正反作用等，同时完成PID给定值和控制量的投运，并将输出的控制信号装入寄存器D190

5.4.文件寄存器读取部分

      上图即为文件寄存器读取数据部分的梯形图程序部分，通过一个定时器设定一个1s的中断信号，中断程序每次执行文件寄存器写入寄存器地址加一，然后将当前的温度和压力值写入文件寄存器中，然后将文件寄存器中的数据导出为表格文件，在MATLAB软件中画出被控量随时间的响应曲线。

6.实验结果

6.1.单闭环反馈控制

      搭建完系统后，我们选择液位作为被控变量，然后的工作就是PID参数的整定，鉴于水箱控制系统系统模型比较简单，选用临界比例法来整定PID的参数，首先将微分和积分时间常数置为0，比例时间常数选用5000（较大的值），水箱液位响应曲线如下图

     根据上述临街振荡过程曲线中的临界比例带和等幅振荡周期，取PID参数为Kp=1000,Ki=1,Kd=1,再次运行水箱系统，液位响应曲线如下图:

     参数调节完毕，液位响应曲线如上图，由曲线图可以看出，响应存在超调，但是超调量在误差允许范围内可以满足要求，超调过后，水位逐渐稳定在100mm附近，稳态误差在误差允许范围内可以忽略，控制达到要求。

6.2.串级双闭环反馈控制

     上图即为采用串级控制来控制水箱液位是系统主被控变量——液位的响应曲线，PID参数通过参照单闭环反馈控制的PID参数通过凑试法得出，由曲线图可以看出，响应存在超调，但是超调量在误差允许范围内可以满足要求，超调过后，水位逐渐稳定在100mm附近，稳态误差在误差允许范围内可以忽略，控制达到要求。