基于PLC液位控制系统设计的文献综述

毕业设计（论文）文献综述书

课 题 名 称 基于PLC的液位控制系统的设计

学 生 姓 名 简志华 学 号 1041203025 系、年级专业 电气工程系、10级测控技术与仪器

指 导 教 师 王跃球

2013年12月23 日

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摘要：本文主要对PLC的发展，PID控制技术的发展做了回顾，结合实际运用

中的问题对PLC在实现闭环控制系统中PID控制器的应用做了探讨

关键词：PLC PID控制器 过程控制

1968年通用汽车提出取代继电器控制装置的要求，1969年，美国数字设备公司研制出世界第一台PLC，在通用汽车自动装配线成功试用。PLC以简单易懂、操作方便、可靠性高、通用灵活，体积小、使用寿命长等系列优点，很快地全球推广应用。随着集成电路技术和计算机技术的发展，PLC在不断发展和完善，目前已有第五代产品了。20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可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地位。

[文献1]告诉我们PLC发展的大概详情：PLC广泛应用于机械、冶金、石油、化工，轻工，纺织、电力、电子、食品及交通等行业。经验表明，80％以上的工业控制可用PLC来完成。在日本，凡8个以上中间继电器组成的控制系统都已用PLC来取代。PLC应用范围大致可归纳为：开关量的逻辑控制，位置控制，过程控制，数据处理，通信联网。这使我们对PLC的发展有初步的了解，为我们做设计时指明参考方向。

根据我们在专业课学习所学的PLC型号，我在这次的设计中选择西门子公司的S7-200系列PLC。S7-200系列系列具备如下特点：最大范围的包容了标准特点、程式执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它可以为你的工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。整个系统是关于液位控制的，在此参考[文献19]和[文献20]。 [文献20]中可以学到过程控制系统建模方法、过程控制系统设计、PID调节原理、串级控制等课程，这是我们对整个系统建模和设计串级系统的基础。

在系统设计时需对整个系统进行特性分析并进行建模，从[文献18]中我们可以学到系统建模的方法。过程控制是指对温度、压力及流量等连续变化的模拟量的闭环控制。PLC通过模拟量I／O模块，实现模拟量与数字量之间的A／D．D／A转换，并对模拟量进行闭环PID(Proportional—Integral—Derivative)控制。现

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代的大、中型PLC一般都有PID闭环控制模块。这一功能可用PID子程序来实现，也可用专用的智能PID模块实现。[文献3]对PLC闭环系统中PID的控制做了解析，这会在后再次说明。

[文献4]Proportional-Integral-Derivative(PID)控制是最常见的控制算法,普遍应用于工业，并被工业控制普遍接受。PID控制器的流行的部分原因是因为他们的鲁棒性表现在广泛的操作条件及部分功能简单实用,工程师操作他们以一种简单直接的方式。顾名思义，PID算法包括三个基本系数，比例，积分和导数是各种以获得最佳的响应。闭环系统中，理论与经典PID调节效果闭环控制系统进行了探讨。在LabVIEW PID控制工具和对这些VI易用性也讨论。

[文献5]指出在工业生产中，常常需要用闭环控制方式来控制温度、压力、流量等连续变化的模拟量，PID(pmportional—integral-differentia])控制器是比例一积分一微分控制的简称，它不需要精确的控制系统数学模型，有较强的灵活性和适应性，另外根据被控对象的具体情况，可以采用各种PID控制的变种和改进的控制方式，如PI，PD，带死区的PID、积分分离式PID、变速积分PID等，有较强的灵活性和适用性．而且PID控制器的结构典型，程序设计简单，工程上容易实现，参数调整方便．因此，无论是使用模拟量控制器的模拟控制系统还是使用计算机(包括PLC)的数字控制系统，PID控制器都得到了广泛应用。

[文献6]给我们介绍了PID控制器：比例，积分，微分（PID）控制是最常见的控制算法应用于工业，并已普遍接受的工业控制。受欢迎的PID控制器，可部分归因于他们的强大表现在工况范围广，部分原因是其功能简单，允许工程师用一个直观简单的方式操作它们。

[文献4]和[文献6]都是介绍了PID控制的理论和原理，是PID控制的基础。使我们对PID控制有更广泛的了解。[文献9]对模糊PID控制技术作了阐述， [文献7]PID控制算法是迄今为止最通用的控制策略。有许多不同的方法以确定合适的控制器参数。这些方法区分于复杂性、灵活性及使用的过程知识量。一个好的整定方法应该基于合理地考虑以下特性的折衷：负载干扰衰减，测量噪声效果，过程变化的鲁棒性，设定值变化的响应，所需模型!计算要求等。我们需要简单、直观、易用的方法，它们需要较少的信息，并能够给出合适的性能\我们也需要那些尽管需要更多的信息及计算量，但能给出较好性能的较复杂的方

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法。

从目前PID参数整定方法的研究和应用现状来看，以下几个方面将是今后一段时间内研究和实践的重点：

1) 对于单入单出被控对象!需要研究针对不稳定对象或被控过程存在较大干扰情况下的PID参数整定方法，使其在初始化、抗干扰和鲁棒性能方面进一步增强，使用最少量的过程信息及较简单的操作就能较好地完成整定。 2) 对于多入多出被控对象，需要研究针对具有显著耦合的多变量过程的多变量PID参数整定方法，进一步完善分散继电反馈方法，尽可能减少所需先验信息量，使其易于在线整定。

3）智能PID控制技术有待进一步研究，将自适应、自整定和增益计划设定有机结合，使其具有自动诊断功能；结合专家经验知识、直觉推理逻辑等专家系统思想和方法对原有PID控制器设计思想及整定方法进行改进；将预测控制、模糊控制和PID控制相结合，进一步提高控制系统性能，都是智能PID控制发展的极有前途的方向。

[文献8] 针对双容水箱液位控制问题,探讨了模糊控制理论在液位控制系统中的应用,提出了基于模糊自校正PID的串级液位控制方案,设计了一种模糊自校正PID控制器,并在此基础上对该双容水箱液位在3种不同控制方案,即单回路PID控制、串级控制以及基于模糊自校正PID的串级控制下的控制效果进行了Simulink仿真研究。结果表明,相对于常规单回路PID以及常规串级控制,基于模糊自校正PID的串级控制系统在超调量、调节时间、抗干扰等方面有更好的控制品质。这篇文献与此次水箱的PID控制器设计有共同之处，这对我的设计有很好启发和参考。 [文献17]中告诉我们采用常规PID控制器时需要同时调整比例系数、积分系数和微分系数三个参数，但通常又缺乏这三个参数与系统性能指标之间的明确联系，因此很难有效调节参数以达到制定的性能指标。而采用单参数比例积分微分控制器时，只需通过一个参数对控制器进行方便的调节。在仿真分析的基础上，将单参数比例积分微分控制器应用于双容水箱液位控制系统中，试验结果表明单参数比例积分微分控制器较好的控制性能和鲁棒性。这两篇文献都对双容水箱的PID控制做了仿真实验，这都是对本次设计很好的参照。

在后期的编写程序时，会依据[文献2]和[文献10]中的一些方法。后者介绍了

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梯形图编程的一些规则。[文献12]、[文献13]和[文献15]中是梯形图编程的一些方法和一些指令的应用。这两篇文献对后期的梯形图编程很有帮助。[文献14]则对PID控制和仿真做了说明，这在控制系统的建模时有很重要的作用。

这些文献资料是我了解了这次设计所需要知识的基础，从PLC型号的选择，过程控制的建模和PID控制的应用，还有后期的编程都非常完善。这使我对这次设计的内容有了一些理解，这对于我完成这次毕业设计至关重要。

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参考文献：

[1]朱益飞.PLC的发展及其应用[J].电气时代,2008.NO.9:70-72

[2]姚振群,杨东方.PLC闭环控制系统中PID控制器的实现[J].现代机械,2005．

[3]孙晓权,钱少明.基于PLC的PID控制器设计与实现[J].应用科技，2008,V0L．35,NO.6 [4] National Instruments Corporation. PID Control.2006

[5] National Instruments Corporation. PID Theory Explained.2006

[6]陈立锋. PID控制技术及其参数整定方法[J]. 济宁学院学报,2008, VoL. 29, No. 6:23-27 [7]林屹,叶小岭.模糊自校正PID液位串级控制系统设计与仿真.实验室研究与探索.2010，NO.3:

[8]胡包刚,应浩.模糊PID控制技术研究发展回顾及其面临的若干重要问题[J].自动化学

报.2001，VOL.26，NO.4:567-584

[9]李会娟.PLC梯形图编程规则浅析[J].电气制造.2009,NO.2:42-43

[10]Jing-Chung Shen Huann-Keng Chiang. PID Tuning Rules for Second Order Systems[J]. National Yunlin University of Science and Technology. National Huwei Institute of Technology.

[11]彭勇,胡荣强.PLC程序设计技巧[J].电气时代.2005,NO.1;66-67 [12]武惠杰.PLC程序的编写[J].电气时代.2005，NO.4;78-80

[13]刘金琨．先进PID控制与MATLAB仿真[M]．北京：电子工业出版社，2003 [14]廖常初.使用STL指令的PLC顺序控制编程方法[J]. 电气时代.2004，NO.2:82-83 [15]廖常初,周林.可编程序控制器的功能指令及其应用（一）：S7-200系列PLC功能指令概述[J].电工技术,1999,NO.7:16-19

[16]李太福,常继彬.双容水箱单参数比列积分微分控制[J].辽宁工程技术大学学报.2010,VOL.29,NO.5:817-802

[17]郭阳宽,王正林.过程控制系统仿真[M].电子工业出版社.2009.3

[18]李林.基于PLC的液位模糊控制系统设计[J].工业仪表与自动化.2009，NO.4:72-74 [19]方康玲.过程控制系统[M].武汉理工大学出版社.2007.2

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参考文献：

[1]朱益飞.PLC的发展及其应用[J].电气时代,2008.NO.9:70-72

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[3]孙晓权,钱少明.基于PLC的PID控制器设计与实现[J].应用科技，2008,V0L．35,NO.6 [4] National Instruments Corporation. PID Control.2006

[5] National Instruments Corporation. PID Theory Explained.2006

[6]陈立锋. PID控制技术及其参数整定方法[J]. 济宁学院学报,2008, VoL. 29, No. 6:23-27 [7]林屹,叶小岭.模糊自校正PID液位串级控制系统设计与仿真.实验室研究与探索.2010，NO.3:

[8]胡包刚,应浩.模糊PID控制技术研究发展回顾及其面临的若干重要问题[J].自动化学

报.2001，VOL.26，NO.4:567-584

[9]李会娟.PLC梯形图编程规则浅析[J].电气制造.2009,NO.2:42-43

[10]Jing-Chung Shen Huann-Keng Chiang. PID Tuning Rules for Second Order Systems[J]. National Yunlin University of Science and Technology. National Huwei Institute of Technology.

[11]彭勇,胡荣强.PLC程序设计技巧[J].电气时代.2005,NO.1;66-67 [12]武惠杰.PLC程序的编写[J].电气时代.2005，NO.4;78-80

[13]刘金琨．先进PID控制与MATLAB仿真[M]．北京：电子工业出版社，2003 [14]廖常初.使用STL指令的PLC顺序控制编程方法[J]. 电气时代.2004，NO.2:82-83 [15]廖常初,周林.可编程序控制器的功能指令及其应用（一）：S7-200系列PLC功能指令概述[J].电工技术,1999,NO.7:16-19

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[17]郭阳宽,王正林.过程控制系统仿真[M].电子工业出版社.2009.3

[18]李林.基于PLC的液位模糊控制系统设计[J].工业仪表与自动化.2009，NO.4:72-74 [19]方康玲.过程控制系统[M].武汉理工大学出版社.2007.2

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/dukr.html