基于PLC 的压力过程控制系统压力过程控制系统的被控对象是由两个压力容器对象组成，可以根据需要构成不同阶（1或2阶）的被控对象。

压缩空气经过两路进入压力容器中，经过两个流量调节阀，在单回路控制过程中，可以把一路作为主回路，另一路作为干扰回路。

被控对象调节采用线性的理想特征，构成的控制系统为线性控制系统。

2.1 设计方案2.1.1 设计方案“基于PLC 的压力过程控制系统”利用工业控制计算机 (IPC) 作为上位机，利用MCGS 软件作为程序开发平台，下位机采用可编程序控制器 (三菱FX2N —16M PLC)，组成一个压力过程控制监控系统（如图2.1）。

图2.1 压力过程监控系统 被控对象由上、下两个压力罐组成，其控制要求为：将压力罐 1 的压力值P1和压力罐 2 的压力值 P2 分别控制在某个范围内。

两个个压力罐的压力信号分别由检测装置进行实时检测，然后将被测的标准信号经 A/ D 转换后输入计算机，根据采集到的信号情况，计算机将控制信号经 D/ A 转换后输出给执行机构，对气泵和控制阀进行通断控制，从而形成计算机控制的闭环控制方案。

2.1.2 控制阀的选择1．主、副控制器：三菱FX2N PLC MCGSIPC 工控机PLC 上位机下位机2．压力变送器：2台DBYG-300A压力变送器3．调节阀：2台ZMAP-100B小流量调节阀4．电气转换器：2台QZD-1000电气转换器5．减压器：3台QFH-221型空气过滤减压器6．24VDC电源所有仪表所需的接线端子都全部拉到接线板上，也就是面板上的接线端子都是跟仪表的对应接线端子相并联的，所以可以直接在接线板上通过合理的连线组成所需要的控制系统。

气动调节阀动作分气开型和气关型两种。

气开型是当膜头上空气压力增加时，阀门向增加开度方向动作，当达到输入气压上限时，阀门处于全开状态。

反过来，当空气压力减小时，阀门向关闭方向动作，在没有输入空气时，阀门全闭。

气关型动作方向正好与气开型相反。

当空气压力增加时，阀门向关闭方向动作；空气压力减小或没有时，阀门向开启方向动作直到全开为止。

气动调节阀的气开或气关，通常是通过执行机构的正反作用和阀态结构的不同组装方式实现。

气开气关的选择是根据工艺生产的安全角度出发来考虑。

即当气源切断时，调节阀是处于关闭位置安全还是开启位置安全。

比如：一个加热炉的燃烧控制，调节阀安装在燃料气管道上，根据炉膛的温度或被加热物料在加热炉出口的温度来控制燃料的供应。

这时，宜选用气开阀更安全些，因为一旦气源停止供给，阀门处于关闭比阀门处于全开更合适。

本系统的压力罐控制阀采用气关型。

考虑原因是，当压力信号中断时应保证设备和工作人员的安全。

在事故状态下保持阀门全开。

当压力罐内正常工作时，可保持气体不外泄。

总体而言，用气关型比较安全。

2.1.3 控制方式的选择在控制系统中，串级控制系统对改善控制过程的品质极为有效，它改善了单回路系统时间常数大、容易受到干扰等缺点，因此在生产过程中得到了广泛的应用。

鉴于其能够提高系统的放大系数、抗干扰能力以及有一定的自适应能力等优点。

“基于PLC的压力过程控制系统”采用串级控制系统。

压力变送器2 压力变送器1V 控制器 2 P1 P2控制器1 1．串级系统的组成SP1 SP2 dF1 dF2+ + + + _ _PV PV2．采用串级控制系统 串级系统由主、副两个控制回路组成，主、副调节其相串联工作。

以一阶回路为外环，二阶回路为内环设计串级控制系统3．串级系统的优点①改善被控对象的特性由负反馈原理可知，副回路不仅能改变副对象的结构，而且还能使副对象的放大系数减小，频带变宽，从而使系统的响应速度变快，动态性能得到改善。

②能及时克服进入副回路的各种二次扰动，提高了系统的抗扰动能力串级控制系统由于比单回路控制系统多了一个副回路，当二次扰动进入副回路，由于主对象的时间常数大于副对象的时间常数，因而当扰动还没有影响到主控参数时，副调节器就开始动作，及时减小或消除扰动对主参数的影响。

基于这个特点，在设计串级控制系统时尽可能把可能产生的扰动都纳入到副回路中，以确保主参数的控制质量。

至于作用在主对象上的一次扰动对主参数的影响，一般通过主回路的控制来消除。

③提高了系统的鲁棒性“鲁棒性”又称“强壮性”，系统地控制品质对对象特性变化不灵敏，则系统的“鲁棒性”越好。

由于副回路的存在，它对副对象（包括执行机构）特性变化的灵敏度降低，即系统地鲁棒性得到提高。

④具有一定的自适应能力串级控制系统的主回路时一个定值控制系统，副回路则是一个随动系统。

朱调节器能按照负荷和操作条件的变化，不断地自动改变副调节器的给定值，使副调节器的给定值能适应负荷的操作条件的变化。

2.2 控制算法2.2.1 控制算法的选择PID （比例-积分-微分）控制器作为最早实用化的控制器已有50多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。

PID 控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。

PID 控制器由比例单元（P ）、积分单元（I ）和微分单元（D ）组成。

其输入e (t)与输出u (t)的关系为)/)(*)(/1)((()(0dt t de T dt t e T t e k t u D tI p ++=⎰因此它的传递函数为：)*)*/(11()(/)()(s T s T k s E s U s G D I p ++==其中,k p 为比例系数； T I 为积分时间常数； T D 为微分时间常数它由于用途广泛、使用灵活，已有系列化产品，使用中只需设定三个参数（K p ， K i 和K d ）即可。

在很多情况下，并不一定需要全部三个单元，可以取其中的一到两个单元，但比例控制单元是必不可少的。

PID 应用范围广。

虽然很多工业过程是非线性或时变的，但通过对其简化可以变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统，这样PID 就可控制了。

PID 参数较易整定。

也就是，PID 参数Kp ，Ki 和Kd 可以根据过程的动态特性及时整定。

如果过程的动态特性变化，例如可能由负载的变化引起系统动态特性变化，PID 参数就可以重新整定。

2.2.2 PID 控制的原理和特点在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。

它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。

当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。

即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID 控制技术。

PID控制，实际中也有PI和PD控制。

PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。

比例（P）控制比例控制是一种最简单的控制方式。

其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。

当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。

积分（I）控制在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。

对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error）。

为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。

积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。

这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零即影响其静态特性。

因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。

微分（D）控制在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。

自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。

其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。

解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。

这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调即改变其动态特性。

所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。

2.2.3 PID控制器的参数整定PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。

它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。

PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。

它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。

这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。

二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。

PID 控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。

三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。

但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。

现在一般采用的是衰减曲线法。

衰减比例法是指：在闭环系统中，在纯比例的情况下，按比例度δ从大到小的变化规则，对于某一δ值做小幅度的设定值阶跃干扰，直至出现4：1的衰减为止。

利用该方法进行 PID控制器参数的整定步骤如下：(1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；(2)仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现4：1的衰减曲线。

记下这时的比例放大系数和衰减周期；(3)在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。

在实际调试中，可以先大致设定一个经验值，然后根据调节效果修改。

对于压力串级控制，可以设Kp =30 Ki=10 Kd=0软件部分的实现3.1 MCGS组态软件3.1.1 组态软件的介绍组态软件，又称监控组态软件，译自英文SCADA,即 Supervision,Control and Data Aquisition(数据采集与监视控制),组态软件的应用领域很广，它可以应用于电力系统、给水系统、石油、化工等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。

在电力系统以及电气化铁道上又称远动系统(RTU System,Remote Terminal Unit)。

组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。