基于数字PID的双容水箱液位串级控制系统设计

， ，

(安阳工学院 电子信息与电气工程学院，河南 安阳 455000)

0 引 言

双容水箱液位串级控制系统的硬件由配置有STEP7-Micro/WIN和组态王的上位机、S7-200PLC及模拟量扩展模块EM235、压力变送器、电动调节阀等组成，整体结构框图如图1所示。

图1 控制系统结构框图

以中水箱液位为主参数，上水箱液位为副参数，其中主回路为定值控制系统，主调节器的输出是副调节器的给定值，副回路是一个随动控制系统。

1 PID控制规律的软件设计

1.1 PID指令

S7-200系列的PLC中集成有专门的PID软件，可以直接应用于闭环控制系统中的工程设计。指令中回路表的起始地址是TBL，回路编号为LOOP，提供8条回路。STEP 7-Micro/WIN编程软件中提供有PID指令向导，可以很大程度上减少工作量和难度。

1.2 串级PID编程

首先是初始化程序，这里主要是将主调节器的给定值设为100，送入VD500中。EM235模块中AI1与中水箱液位测量值连接，因此主调节器子程序PID1_INIT的模拟量输入PV_I为AIW0，输出送到VW400中。给定值Setpoint_R读取VD500中的数值，取值范围为0～200。Manual Output是手动模式时标准化的实数值输入(0.00～1.00)，0.15表示200 mm的15%，即30 mm。

主调节器的输出送至VW400中，转换为0～200之间的液位量，再送到副调节器，作为给定值。其线性对应的是数字量6400～32000，送至VD450中。数字量x与液位量H的关系如下式：

将VD450中得到的0～200之间的液位量，送至副调节器子程序PID2_INIT的Setpoint_R中，作为副调节器的给定值；上水箱液位以AIW2中的数据送入PV_I中，作为测量值。EM35输出AO与电动调节阀连接，所以Output输出值地址为AQW0。

2 系统组态设计

这个设计采用北京亚控公司出品的组态王6.5版本实现“双容水箱串级控制系统”组态。

3 系统的运行与调试

首先使PLC处于RUN状态，完成系统调零与调量程，然后可以使用PID调节控制面板上的自动调节功能完成参数自整定。先对副调节器参数进行整定，PLC会先计算滞后死区值和偏差值，然后调节PID参数，最后把数值写入PLC。之后用同样的方法自动调整主调节器的PID参数。

3.1 自整定过程分析

串级系统进行PID自动调节后，能够很快达到稳态。其中单回路控制系统的比例度为40%，积分时间为88s，单回路控制系统的超调量为16.04%，调节时间约为7分31秒；而串级控制系统的超调量为11.13%，调节时间约为6分钟，和单回路控制系统相比，快速性和平稳性都有显著的提高。

3.2 系统抗扰分析

改变控制系统的设定值，待系统平衡后，将设定值改为110 mm，再次平衡后，再将设定值改为90 mm，观察两次正负阶跃扰动下，系统的抗扰能力。串级控制系统调节过程具有更好的稳定性。

4 结束语

文中完成了双容水箱液位串级控制系统的设计，重点包括PID程序编写、系统组态画面设计以及PLC与组态王的通讯连接等等。依托实验室现有设备，完成系统的运行与调试，可以看出串级控制比单回路控制有着更好的动态及稳态性能。