毕业设计（论文）基于PLC的串级控制系统设计.doc

提供全套，各专业毕业设计编号： 　　　 本科毕业设计（论文）题目：（中文）基于PLC的串级控制系统设计 （英文）The design based on the PLC of cascade control system 学 院 理工学院 专 业 电气工程与自动化 班 级 自动化2班 学 号 姓　名 指导教师 职称 　 完成日期 宁波大学科学技术学院本科毕业设计（论文）诚 信 承 诺我谨在此承诺：本人所写的毕业论文《基于PLC的串级控制系统设计》均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉及其他作者的观点和材料，均作了注释，若有不实，后果由本人承担 承诺人（签名）： 年 月日摘　要【摘要】：可编程逻辑控制器在工业技术发达的国家获得广泛应用，同时世界上生产可编程控制器的国家日益增多，随着可编程逻辑控制器的广泛运用，可编程逻辑控制器的开关量的逻辑控制、数据处理、通信及联网等特点越来越受到关注。

串级控制是基于单回路PID控制基础发展起来的一种控制方法使用串级控制可以提高系统对一次干扰信号、二次干扰信号的抑制能力，加快调节能力，提高控制系统的动态性能，提高了控制系统的工作频率，提高了控制系统的响应速度，并且串级控制具有一定的自适应能力，可以减小副回路内非线性环节对控制系统影响关键词】可编程逻辑控制器；PID控制；串级控制Abstract【ABSTRACT】Programmable logic controller is widely available in countries with developed industrial technology,At the same time ,the national who produces programmable controllers have become more and more.With the extensive use of programmable logic controllers,more attentions have been paid to the Programmable logic controller on its' Switch logic control, data processing, communications and networking capabilities. Cascade control is a control method based on the single-loop PID control.Cascade control can improve the anti - interference ability,and accelerate the ability to regulate,and improve the dynamic performance ,operating frequency and response speed of the control system .And cascade control can also reduce the impact of the Vice loop nonlinear components of the control system.【KEYWORDS】Programmable logic controller;PID control;Cascade Control.目　录摘　要 IIAbstract III目　录 IV1 绪论 11.1 PLC的产生、定义及现状 11.1.1 PLC的产生 11.1.2 PLC的定义 11.1.3 PLC的发展现状 21.2 过程控制常用的控制算法 31.2.1 单回路控制 41.2.2 多回路控制 41.2.3 纯滞后控制 41.2.4 模型预测控制 41.2.5 模糊控制 41.3 串级控制的工业应用 51.3.1 用于克服被控过程较大的容量滞后 51.3.2 用于克服被控过程的纯滞后 51.3.3 用于抑制变化剧烈幅度较大的扰动 51.3.4 用于克服被控过程的非线性 51.4 毕业设计的主要任务 62 串级控制介绍 72.1 串级控制的意义 72.2 串级控制相对于其他控制方法的优势 72.3 串级控制系统设计 82.3.1 副回路的选择 82.3.2 主、副控制器设计 82.4 本章小结 93 S7-200微型PLC222和控制对象介绍 103.1 西门子PLC控制系统 103.1.1 CPU模块 103.1.2 模拟量输入输出模块 113.1.3 电源模块 113.1.4 编程软件 123.1.5 EM 235模拟量输入和输出模块X 133.2 被控对象特性 143.2.1 一阶单容上水箱特性测试 143.2.2 二阶双容下水箱对象特性测试 173.3 本章小结 214 PLC串级控制系统的设计 234.1 串级控制系统设计概述 234.2 控制系统的硬件设计 234.2.1 检测单元 244.2.2 执行单元 254.2.3 控制单元 264.3 控制系统软件设计 264.3.1 输入采样 274.3.2 控制信号输出 274.3.3 PID控制器设计 274.4 实时数据监测 274.4.1 MCGS控制界面绘制 284.4.2 PLC与MCGS的通讯 294.5 本章小结 325 PID控制与MATLAB仿真 335.1 PID控制算法介绍 335.2 PID调节的各个环节 335.2.1 比例控制 345.2.2 比例积分控制 355.2.3 比例微分控制 355.2.4 比例积分微分控制 355.3 基于MATLAB的水箱控制仿真 355.3.1 一阶单容水箱PID控制 365.3.2 二阶双容水箱PID控制 395.3.3 二阶双容水箱串级控制 415.4 本章小结 456 串级控制系统调试 466.1 PID相关参数的整定 466.2 水箱液位比例积分微分调试 466.2.1 一阶单容水箱PID控制调试 466.2.2 二阶双容水箱PID控制 496.2.3 二阶双容水箱串级控制 516.3 本章小结 557 结论 57参考文献 60致谢 61附录 62I1 绪论1.1 PLC的产生、定义及现状1.1.1 PLC的产生在PLC出现之前，继电气控制在工业控制过程中占主导地位，在该控制系统中，大量的开关按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，以及大量离散数据的采集。

但由于继电器控制系统由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等硬件组成的，是利用继电器的常开、常闭触点的不同组合方式来实现控制逻辑的，这使得继电器控制系统具有结构复杂、占地积大、功率损耗大等缺点，而且控制系统一旦构成，便很难再改变系统的控制功能此外，继电器的触点个数有限，这使得继电器控制系统的难以实现复杂的控制项目，降低了控制系统的灵敏度，为PLC的产生莫定了基础年，美国最大的汽车制造商——通用汽车公司(GM)为适应生产工艺公开招标，要求研制比继电器更优异的新的控制器，并提出以下要求：⑴设计周期短，更改容易，接线简单，成本低⑵把继电器控制和计算机技术结合起来但编程要比计算机简单易学，操作方便⑶系统通用性强年，世界上第一台PLC由美国数字设备公司研制出，并在通用汽车公司(GM)的汽车生产线上首次应用成功，PLC自此诞生这一举动立即引起了开发热潮，PLC也逐步取代继电器控制器，成为工业控制的主导1.1.2 PLC的定义美国电气制造商协会NEMA经过四年的调查工作，于年首先将其正式命名为PLC Programmable Logic Controller，并给PLC作了如下定义 “PLC是一个数字式的电子装置，它使用了可编程序的记忆体储存指令。

用来执行诸如逻辑，顺序，计时，计数与演算等功能，并通过数字或类似的输入/输出模块，以控制各种机械或工作程序一部数字电子计算机若是从事执行PLC的功能，亦被视为PLC ，但不包括鼓式或类似的机械式顺序控制器 国际电工委员会ICE在年月颁发了对PLC的标准草案第一稿，在年月颁发了对PLC的标准草案第二稿，年月也颁发了对PLC的标准草案第三稿草案中对PLC定义如下：“可编程控制器PLC是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计1.1.3 PLC的发展现状年，第一台可编程逻辑控制器PDP-14由美国数字设备公司研制出 ，并在美国通用汽车公司的生产线上试用成功，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这是第一代可编程逻辑控制器，称Programmable，是世界上公认的第一台PLC年，美国研制出世界第一台PDP-14年，日本研制出第一台DCS-8。

年，德国研制出第一台PLC年，中国研制出第一台PLC世纪年代初由于微处理器的出现，可编程逻辑控制器引入微处理器，使可编程逻辑控制器增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置从此之后可编程逻辑控制器成为了微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物个人计算机发展起来后，为了方便和反映可编程控制器的功能特点，可编程逻辑控制器定名为Programmable Logic Controller世纪年代中末期，可编程逻辑控制器进入实用化发展阶段，此时，可编程控制器与计算机技术相互结合，让可编程控制器功能发生重大的变化，逻辑运算速度更快、体积更小、抗干扰能力更强、实现了模拟量运算和PID控制功能，这使得可编程控制器逐步占据了现代工业控制的主导地位世纪年代初，可编程逻辑控制器在工业技术发达的国家获得广泛应用同时世界上生产可编程控制器的国家日益增多，可编程逻辑控制器的产量也随之增加世纪年代至年代中期，是可编程逻辑控制器发展最快的时期，每年可编程逻辑控制器的产量保持增长率在这时期，可编程逻辑控制器在处理逻辑运算、模拟量计算、人机接口等方面能力上得到了提高和改进，可编程逻辑控制器逐渐在过程控制领域占据主导地位，取代了DCS系统在过程控制领域的统治地位。

世纪末期，可编程逻辑控制器在满足现代工业的发展需要的特点上有了更进一步的的提高在这个时期大型机和超小型机得到了发展、可编程逻辑控制器的也增加了特殊功能单元，并出现了与可编程逻辑控制器相兼容的各种人机界面单元、通信单。