PLC的冷庫控制系統(tǒng)設(shè)計 佳木斯大學(xué)程維海.doc

摘要 摘摘 要要 近年來 隨著市場經(jīng)濟的不斷發(fā)展 現(xiàn)代物流系統(tǒng)的不斷完善 食品冷藏鏈的產(chǎn)業(yè) 化發(fā)展前景十分廣闊 毫無疑問 冷庫為我們的日常生活帶來了方便 當(dāng)今 國內(nèi)大多 數(shù)冷庫的溫度控制方法有待改進 自動化程度有待提高 因此對冷庫的控制系統(tǒng)研究十 分必要 本文通過冷庫控制系統(tǒng)框架圖對冷庫的控制系統(tǒng)進行了概述 系統(tǒng)主要由模糊溫度 控制系統(tǒng)和電路控制系統(tǒng)組成 其中模糊溫度控制系統(tǒng)主要由模糊參數(shù)自整定PID控制器 組成 模糊參數(shù)自整定PID控制器和電路控制系統(tǒng)都是通過PLC來實現(xiàn) 在模糊溫度控制系統(tǒng)中 針對冷庫控制系統(tǒng)大滯后 大慣性 時變性的特點 而常 規(guī)PID控制具有參數(shù)整定困難 無法克服超調(diào)而造成資源浪費的問題 本文提出了模糊 PID參數(shù)自整定控制 在電路控制系統(tǒng)中 本文用最簡單的PLC控制代替了老式的繼電器 控制 從而讓整個控制系統(tǒng)得以穩(wěn)定的操作和運行 進而實現(xiàn)無人操作的便捷 由此可見 PLC在冷庫系統(tǒng)中的應(yīng)用具有很大的前景 關(guān)鍵詞 關(guān)鍵詞 冷庫 PLC 模糊參數(shù)自整定 PID 控制 Abstract ABSTRACT In recent years with the continuous development of market economy and the continuous improvement of modern logistics system the industrial development of food cold chain has a bright future There is no doubt that cold storage has brought much convenience for us in our daily life Presently the temperature control method and the degree of automation both needs to be improved for the majority of domestic cold storage Therefore it is necessary for us to make a further study of the control system of cold storage In this paper we have a brief description of the control system through the framework chart of the control system The system is mainly composed of the fuzzy temperature control system and the circuit control system And the fuzzy temperature control system is mainly composed of a fuzzy parameter self tuning PID controller Fuzzy parameter self tuning PID controller and the circuit control system both are achieved by PLC In the fuzzy temperature control system according to the characteristics of large time delay inertia and parameter variety of cold storage refrigeration system and conventional PID control has the problem that the parameters are difficult to adjust and the system is unable to overcome the overshoot which will cause the waste of resources we put forward PID parameter adaptive fuzzy control In the circuit control system we use simple PLC control instead of the old fashioned relay so as to ensure the stability of the entire control system and then make it easy for unmanned operation Therefore it can be seen that the application of PLC has a great prospect in the cold storage system Keywords cold storage PLC fuzzy parameter self tuning PID control 目錄 i i 目目 錄錄 摘 要 I ABSTRACT II 目 錄 I 第 1 章 緒論 1 1 1 冷庫系統(tǒng)研究背景 1 1 2 國內(nèi)外冷庫發(fā)展現(xiàn)狀 2 1 3 PLC 在冷庫中的應(yīng)用簡介 3 1 4 本論文做的主要工作 4 第 2 章 冷庫系統(tǒng)概述 5 2 1 冷庫的組成 5 2 1 1 主庫 5 2 1 2 制冷壓縮機房和設(shè)備間 6 2 1 3 其他設(shè)施 6 2 2 冷庫控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu) 7 2 2 1 系統(tǒng)框架 7 2 2 2 溫度控制流程 8 2 3 冷庫系統(tǒng)配件的選取 8 2 3 1 壓縮機組的選取 8 2 3 2 變頻器的選取 9 2 3 3 A D D A 轉(zhuǎn)換器的選取 10 2 3 4 傳感器的選取 10 2 4 冷庫的監(jiān)控系統(tǒng) 11 2 4 1 RS 485 總線 11 2 4 2 CPU315 2DP 主從站 12 2 4 3 人機界面 13 第 3 章 模糊 PID 控制器及其 PLC 設(shè)計 15 3 1 PID 控制器概述 15 3 1 1 PID 控制器的原理 15 3 1 2 PID 控制器的數(shù)字算法 16 3 1 3 PID 控制器的參數(shù)整定 17 3 2 模糊控制器概述 17 3 2 1 模糊化 18 目錄 3 2 2 模糊推理 19 3 2 3 反模糊化 20 3 3 模糊 PID 控制器設(shè)計 20 3 3 1 模糊集及隸屬函數(shù)的確定 21 3 3 2 模糊規(guī)則的建立 23 3 3 3 解模糊化及輸出量計算 25 3 4 模糊 PID 控制器的 PLC 實現(xiàn) 26 第 4 章 冷庫控制電路設(shè)計 29 4 1 電路控制要求 29 4 2 三菱 FX2N系列 PLC 簡介 29 4 3 PLC 程序 30 第 5 章 結(jié)論與展望 35 5 1 結(jié)論 35 5 2 不足之處及未來展望 35 參考文獻 36 致 謝 37 基于 PLC 的冷庫控制系統(tǒng)設(shè)計 1 1 第第 1 章章 緒論緒論 1 1 冷庫系統(tǒng)研究背景冷庫系統(tǒng)研究背景 冷庫 是利用降溫設(shè)施創(chuàng)造適宜的濕度和低溫條件的倉庫 又稱冷藏庫 是加工 貯存農(nóng)畜產(chǎn)品的場所 它能擺脫氣候的影響 延長農(nóng)畜產(chǎn)品的貯存保鮮期限 以調(diào)節(jié) 市場供應(yīng) 冷庫主要用作對食品 乳制品 肉類 水產(chǎn) 禽類 果蔬 冷飲 花卉 綠植 茶葉 藥品 化工原料 電子儀表儀器等的恒溫貯藏 從冷庫的現(xiàn)狀與發(fā)展趨 勢來看 果品恒溫氣調(diào)庫發(fā)展迅速 低溫庫比例有所增加 適合農(nóng)戶建造使用的微型冷 庫異軍突起 冷庫設(shè)計自動化控制程度逐步提高 政府安全生產(chǎn)和質(zhì)量監(jiān)督等管理部門 對冷庫的監(jiān)管力度大大加強 因此 本論文就是根據(jù)市場需要研究自動化的果蔬恒溫冷 庫 在我國 食品專用冷庫嚴(yán)重的不足 食品的冷藏鏈的不完善 加之食品經(jīng)營管理的 各種因素 每年約有3000萬噸水果 蔬菜 乳制品和其他易腐食品有待于從變質(zhì)中拯救 出來 易腐食品每年要損失十多億元 養(yǎng)殖種植業(yè)的大幅度發(fā)展與保鮮 存儲及流通的 發(fā)展極不協(xié)調(diào) 產(chǎn)量越大虧損越多 我國現(xiàn)有人口已達13億 食品資源非常寶貴 如不 盡快改觀 不僅是中國的食品工業(yè)的水平將大幅度落后于先進國家 而且將會照成資源 的大量浪費 當(dāng)務(wù)之急 我們要提高冷庫整體的自動化管理水平 加強管理 降低運營 成本 促進冷庫向安全 規(guī)范 節(jié)能 環(huán)保結(jié)構(gòu)簡單 操作方便的方向發(fā)展 制冷系統(tǒng) 控制裝置 隔熱庫房 附屬性建筑物等是冷庫的基本組成部分 冷庫的 制冷系統(tǒng)主要包括冷庫機組 它是冷庫的核心 保證冷庫庫房內(nèi)的冷源供應(yīng) 控制裝置 是冷庫的大腦 它指揮制冷系統(tǒng)保證冷量供應(yīng) 冷庫的冷庫房如圖 1 1所示 圖1 1 冷庫的冷庫房外觀圖 制冷系統(tǒng)的自動控制是提高制冷品質(zhì)的最有效手段之一 采用自動控制可以保證庫 學(xué)位論文 溫穩(wěn)定 避免不必要的低溫 并可使食品在貯藏期間質(zhì)量穩(wěn)定 減緩食品表面水分的蒸 發(fā) 此外 采用自動控制還可以使冷庫制冷系統(tǒng)運行中的溫度 壓力 液位等狀態(tài)參數(shù) 保持在要求的范圍內(nèi) 保證系統(tǒng)安全高效運行 據(jù)統(tǒng)計 冷庫制冷系統(tǒng)采用自動控制比 手動控制可節(jié)能10 15 近年來 隨著計算機控制技術(shù)的不斷發(fā)展 計算機越來越廣泛地被應(yīng)用到工業(yè)領(lǐng)域 中 冷庫系統(tǒng)也不例外 目前 越來越多的冷庫系統(tǒng)采用計算機進行檢測 實施控制與 管理 使產(chǎn)品的自動化提高了一個新的水平 典型的微機過程控制系統(tǒng)如圖1 2所示 圖 1 2中 該系統(tǒng)以微型計算機作為控制器 由A D和D A轉(zhuǎn)換器 計算機 執(zhí)行器和被控對 象組成 A D轉(zhuǎn)換器將物理信號轉(zhuǎn)換成計算機能夠識別的數(shù)字信號 經(jīng)計算機分析計算出 調(diào)節(jié)量 D A轉(zhuǎn)換器將計算機輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量 控制執(zhí)行器的調(diào)節(jié)工作 整個 系統(tǒng)控制規(guī)律的實現(xiàn)是通過軟件來完成的 改變控制規(guī)律只需要通過改變相應(yīng)的程序即 可 控制器D A A D 被控對象執(zhí)行器 變送器 偏差 被控 變量 給定值 微型計算機冷庫系統(tǒng) 圖1 2 微機過程控制系統(tǒng) 制冷系統(tǒng)的自動控制 可采用繼電器與其它控制儀表組成全自動控制器 工業(yè)可編 程控制器 即PLC 單板計算機和工業(yè)控制計算機等 事實上 PLC也是一種計算機控制 系統(tǒng) 只不過具有更強的與工業(yè)控制元件相連接的接口 具有更直接地適應(yīng)控制要求的 編程語言 另外 現(xiàn)代PLC的功能指令越來越大 能夠?qū)崿F(xiàn)許多復(fù)雜的控制算法 結(jié)合模 擬量輸入 輸出擴展模塊 在復(fù)雜的過程控制 運動控制中應(yīng)用越來越廣泛 其中 將 模糊控制技術(shù)和PLC現(xiàn)結(jié)合 對一些無法建立精確數(shù)學(xué)模型的 復(fù)雜的非線性控制系統(tǒng)具 有較好的控制效果 還有 當(dāng)前許多PLC配備有模糊控制軟件程序 使用起來很方便 因 此 PLC控制應(yīng)用到冷庫中具有很大的前景 1 2 國內(nèi)外冷庫發(fā)展現(xiàn)狀國內(nèi)外冷庫發(fā)展現(xiàn)狀 隨著人民營養(yǎng)和生活水平的提高 食品冷藏鏈近年來有了快速的發(fā)展 已經(jīng)有了良 好的基礎(chǔ) 然而與國外發(fā)達國家相比仍由非常大的差距 國內(nèi)外食品冷藏發(fā)展情況對比 如表1 1所示 1 目前國內(nèi)冷庫較多 但冷庫的壓縮機控制大多仍采用繼電器邏輯電路組 成的控制器 這種控制器具有接線復(fù)雜 功耗高 工作壽命短 可靠性 通用性及靈活 性低的缺點 而且大多數(shù)選用庫房溫度作為檢測信號 反應(yīng)慢 不經(jīng)濟 我國冷庫的制 基于 PLC 的冷庫控制系統(tǒng)設(shè)計 3 3 冷設(shè)備大多采用手動控制 或者僅對某一個制冷部件采用了局部自動控制技術(shù) 對整個 制冷系統(tǒng)做到完全自動控制的較少 貨物進出 裝卸等方面的自動化程度普遍較低 總 之 PLC的應(yīng)用在國內(nèi)冷庫行業(yè)還沒有得到完全的重視 表1 1 國內(nèi)外冷藏鏈的發(fā)展?fàn)顩r 內(nèi)容國外國內(nèi)原因分析 預(yù)冷保鮮率美國和歐洲80 100 30 左右沒有有效地冷藏技術(shù) 冷凍冷藏能力世界總量為8000萬噸800萬噸冷藏業(yè)發(fā)展無序 冷藏鏈管理高效復(fù)雜沒有真正建立冷藏鏈管理體系 國外冷庫的制冷裝置廣泛采用了自動控制技術(shù) 而他們采用的可編程控制器PLC恰恰 具有可靠性高 功能完善 組合靈活 編程簡單 使用方便以及功耗低等特點 并采用 壓縮機的吸入壓力作為檢測參數(shù) 具有反應(yīng)迅速 經(jīng)濟性能比高的特點 國外大多數(shù)冷 庫只有1 3名操作人員 許多冷庫基本實現(xiàn)夜間無人值班 采用PLC替代原來繼電器邏輯電路組成的控制器對壓縮機進行控制 使冷庫的運行態(tài) 達到最佳效果 并對節(jié)能 減輕勞動強度有實際意義 為實現(xiàn)無人值班冷庫提供了方便 因此 PLC在國內(nèi)仍需要不斷更新和開發(fā) 以適應(yīng)像冷庫系統(tǒng)這樣的工藝要求 1 3 PLC 在冷庫中的應(yīng)用簡介在冷庫中的應(yīng)用簡介 與傳統(tǒng)的繼電器控制相比較 PLC功耗小 有很好的靈活性和擴展性 與單片機比較 PLC是針對工業(yè)現(xiàn)場的自動化而設(shè)計的 編程簡單 易于掌握 大型的冷庫控制系統(tǒng) 除 了PLC控制之外 還有人機界面輔助 人機界面主要功能是顯示冷庫機組的運行參數(shù) 運 行工況和動態(tài)流程圖 還可以顯示故障記錄等 由PLC與人機界面組成的冷庫控制系統(tǒng) 能夠做到一鍵開機 一鍵關(guān)機 冷庫要求冷藏間 低溫穿堂 凍結(jié)間 預(yù)冷間等不同房 間的溫度控制各有不同 各個單元即要獨立運行調(diào)節(jié)控溫又需協(xié)調(diào)聯(lián)網(wǎng)及監(jiān)控管理 由 上位計算機 PLC 現(xiàn)場測控元件組成多級 開放 模塊化 可擴展的高性價比冷庫全自 動控制解決方案 確保制冷控制系統(tǒng)安全 可靠 高效 穩(wěn)定 節(jié)能運行 改善工人勞 動條件 提升電控配套設(shè)備制造檔次 PLC控制系統(tǒng)如圖1 3所示 學(xué)位論文 圖1 3 PLC控制系統(tǒng)圖 為了使冷庫機組安全可靠地運行 PLC控制系統(tǒng)充分利用了自身的優(yōu)勢 加入了對冷 庫機組運行故障的預(yù)報功能 稱之為故障管理系統(tǒng) 故障管理系統(tǒng)能夠通過PLC的操作界 面 在機組出現(xiàn)故障時 提示故障部位 故障原因和故障處理方法 使操作人員能夠更 快地處理故障 提高了機組的使用效率和運行可靠性 與常規(guī)的控制器相同 PLC可實現(xiàn) 冷庫機組所需要的各種控制功能 包括實現(xiàn)冷庫機組的能量調(diào)節(jié) 執(zhí)行安全保護功能 執(zhí)行正常的開停機程序和故障停機程序等 PLC用于系統(tǒng)的控制后 不但實現(xiàn)了常規(guī)的控 制規(guī)律 而且可以將最先進的控制方法應(yīng)用于機組的控制運行中 使得機組的運行能效 比更高 另外 PLC控制系統(tǒng)還可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測功能 它具有RS 485等通訊接口 可以 實現(xiàn)與其他計算機的連接與通訊 實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控 另外 值得注意的是 與常規(guī)的控制系統(tǒng)相比 PLC可以實現(xiàn)包括自適應(yīng)控制 模糊 控制在內(nèi)的更復(fù)雜的調(diào)節(jié)控制規(guī)律 改善調(diào)節(jié)品質(zhì) 提高冷庫機組運行的經(jīng)濟性 根據(jù) 冷庫機組的工作要求 PLC所實現(xiàn)的功能可以劃分為檢測功能 記憶功能 預(yù)報功能和執(zhí) 行功能等四個主要的功能 1 4 本論文做的主要工作本論文做的主要工作 一般的冷庫包含冷卻間 凍結(jié)間 冷卻物冷藏間 凍結(jié)物冷藏間 氣調(diào)保鮮間和儲冰 間 高溫冷庫的控制溫度范圍是 5 5 oC 適合果品蔬菜類保鮮 為了簡化說明本系統(tǒng) 本論文以控制室溫為0 1 oC 相對濕度為85 95 的冷卻物 冷藏間為研究對象 主要用于儲藏經(jīng)過冷卻的果蔬 本文主要做了以下工作 1 學(xué)習(xí)了解冷庫系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié) 主要包括壓縮機 變頻器 傳感器 A D轉(zhuǎn)換器 D A轉(zhuǎn)換器 并要學(xué)會這些配件的選型 針對冷庫系統(tǒng)是一個包含很多冷藏室且必須對其 實施在線監(jiān)控的大系統(tǒng) 本文討論了冷庫監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計方法 2 繪制冷庫控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總圖 說明該系統(tǒng)主要是由模糊溫度控制系統(tǒng)和電路控制 系統(tǒng)組成 其中模糊溫度控制系統(tǒng)主要由模糊參數(shù)自整定PID控制器組成 模糊參數(shù)自整 基于 PLC 的冷庫控制系統(tǒng)設(shè)計 5 5 定PID控制器和電路控制系統(tǒng)都是通過PLC來實現(xiàn) 3 在模糊溫度控制系統(tǒng)中 針對冷庫控制系統(tǒng)大滯后 大慣性 時變性的特點 而 常規(guī)PID控制具有參數(shù)整定困難 無法克服超調(diào)而造成資源浪費的問題 本文提出了模糊 PID參數(shù)自整定控制 在模糊控制部分 本系統(tǒng)充分利用了MATLAB PLC首先根據(jù)環(huán)境 與冷庫庫溫 對實際偏差值及偏差值的變化率進行模糊PID運算 調(diào)整PLC的PID參數(shù) 并將運算結(jié)果傳遞給壓縮機的變頻器 改變壓縮機的頻率 控制送往冷凝器的輸氣量或 制冷能量 4 在電路控制系統(tǒng)中 本文用最簡單的PLC控制代替了老式的繼電器控制 從而 讓整個控制系統(tǒng)得以穩(wěn)定的操作和運行 進而實現(xiàn)無人操作的便捷 主要介紹了冷庫冷 藏程序的編寫 包括輸入輸出地址表的建立 狀態(tài)流程圖的繪制 程序梯形圖的編寫 再次說明了PLC在冷庫應(yīng)用中的優(yōu)勢 學(xué)士學(xué)位論文 第第 2 章章 冷庫系統(tǒng)概述冷庫系統(tǒng)概述 2 1 冷庫的組成冷庫的組成 冷庫 按控制溫度可分為高溫冷庫 中溫冷庫 低溫冷庫和凍結(jié)冷庫 高溫冷庫的 控制溫度范圍是 5 5 oC 適合果品蔬菜類保鮮 中溫冷庫的控制溫度范圍是 10 5 oC 適合凍結(jié)后的食品冷藏 低溫冷庫的控制溫度范圍是 20 10 oC 適合凍結(jié)后的水 產(chǎn) 禽肉類食品的冷藏 凍結(jié)冷庫的控制溫度范圍是 23 oC以下 適合在鮮品冷藏前的快 速凍結(jié) 同樣 冷庫按容積可分為小型冷庫 1000 m3 一般的冷庫 特別是大中型冷庫是一個建筑群 主要由建筑主 體 主庫 制冷壓縮機房及設(shè)備間 其他設(shè)施組成 2 1 1 主庫主庫 主庫主要由冷卻間 凍結(jié)間 再凍間 冷卻物冷藏間 凍結(jié)物冷藏間 氣調(diào)保鮮間 制冰間 穿堂等組成 冷卻間 冷卻間是用來對食品進行冷卻加工的庫房 水果 蔬菜在進行冷藏前 為 防止某些生理病害 應(yīng)及時逐步降溫冷卻 鮮蛋在冷藏前也應(yīng)進行冷卻 以免驟然遇冷 時 內(nèi)容物收縮 蛋內(nèi)壓力降低 空氣中微生物隨空氣從蛋殼氣孔進入蛋內(nèi)而使鮮蛋變 壞 此外 牲畜屠宰后也可加工為冷卻肉 中心溫度 0 4 oC 作短期儲藏 肉味較凍肉鮮 美 對于采用二次凍結(jié)工藝來說 也需將屠宰處理后的家畜胴體送入冷卻間冷卻 使食 品溫度由 35 oC 降至 4 oC 再進行凍結(jié) 冷卻間的室溫為 0 2 oC 達到冷卻要求溫度的 食品稱為 冷卻物 可轉(zhuǎn)入冷卻物冷藏問 當(dāng)果蔬 鮮蛋的一次進貨量小于冷藏間容量的 5 時 也可不經(jīng)冷卻直接進入冷藏間 凍結(jié)間 對于需長期儲藏的食品 需要將其由常溫或冷卻狀態(tài)迅速降至 15 18 oC 的凍結(jié)狀態(tài) 達到凍結(jié)終溫的食品稱為 凍結(jié)物 凍結(jié)間是借助冷風(fēng)機或?qū)Ｓ脙鼋Y(jié)裝置用 以凍結(jié)食品的冷間 它的室溫為 23 30 oC 國外有采用 40 oC 或更低溫度的 另外 凍 結(jié)間也可移出主庫而單獨建造 再凍間 再凍間設(shè)于分配性冷庫中 供外地調(diào)入凍結(jié)食品中溫度超過 8 oC 的部分在 入庫前再凍用 再凍間分配設(shè)備的選用與凍結(jié)間相同 冷卻物冷藏間 冷卻物冷藏間又稱高溫冷藏間 室溫為 4 2 oC 相對濕度為 85 95 因儲藏食品的不同而異 它主要用于儲藏經(jīng)過冷卻的鮮蛋 果蔬 由于果蔬在儲藏 中仍有呼吸作用 庫內(nèi)除需保持合適的溫濕度條件外 還要引進適量的新鮮空氣 如儲 藏冷卻肉 儲藏時間不宜超過 15 天 凍結(jié)物冷藏間 凍結(jié)物冷藏間又稱低溫冷藏間 室溫在 18 25 oC 相對濕度 95 98 用于較長凍結(jié)期的儲藏凍結(jié)食品 在國外有的凍結(jié)物冷藏間溫度有降至 28 30 oC 的趨勢 日本對凍金槍魚還采用了 45 50 oC 所謂超低溫的冷藏間 氣調(diào)保鮮間 氣調(diào)保鮮主要是針對果蔬的儲藏而言 果蔬采收后 仍然保持著旺盛 的生命活動能力 呼吸作用就是這種生命活動最明顯的表現(xiàn) 在一定范圍內(nèi) 溫度越高 果蔬呼吸作用越強 衰老越快 所以多年來生產(chǎn)上一直采用降溫的辦法來延長果蔬的儲 基于 PLC 的冷庫控制系統(tǒng)設(shè)計 7 7 藏期 目前國內(nèi)外正在發(fā)展控制氣體成分的儲藏 簡稱 CA 儲藏 即在果蔬儲藏環(huán)境中 適當(dāng)降低氧的含量和提高二氧化碳的濃度 來抑制果實的呼吸強度 延緩成熟 達到延 長儲藏的目的 一般情況下 氣體成分控制如下 氧氣為 2 5 二氧化碳為 0 4 制冰間 制冰間的位置宜靠近設(shè)備間 水產(chǎn)冷庫常把它設(shè)于多層冷庫的頂層 以便 于冰塊的輸出 制冰間宜有較好的采光和通風(fēng)條件 要考慮到冰塊入庫或輸出的方便 室內(nèi)高度要考慮到提冰設(shè)備運行的方便 并要求排水暢通 以免室內(nèi)積水和過分潮濕 穿堂是食品進出的通道 并起到溝通各制冷間 便于裝卸周轉(zhuǎn)的作用 庫內(nèi)穿堂有 低溫穿堂和中溫穿堂兩種 分屬高 低溫庫房使用 目前冷庫中較多采用庫外常溫穿堂 將穿堂布置在常溫環(huán)境中 通風(fēng)條件好 改善了工人的操作條件 也能延長穿堂使用年 限 常溫穿堂的建筑結(jié)構(gòu)一般與庫房結(jié)構(gòu)分開 此外 主庫還包括其他部分 如電梯間 挑選間 包裝間 分發(fā)間 副產(chǎn)品冷藏間 次品冷藏問 樓梯問等 2 1 2 制冷壓縮機房和設(shè)備間制冷壓縮機房和設(shè)備間 制冷壓縮機房是冷庫主要的動力車間 安裝有制冷壓縮機 中間冷卻器 調(diào)節(jié)站 儀表屏及配用設(shè)備等 目前國內(nèi)大多將制冷壓縮機房裝置在主庫附近 且單獨建造 一 般采用單層建筑 國外的大型冷庫常把制冷壓縮機房布置在樓層內(nèi) 以提高底層利用率 對于單層冷庫 也有在每個庫房外分設(shè)制冷機組 采用分散供液的方法 而不設(shè)置集中 供冷的制冷壓縮機房 設(shè)備間安裝有殼管臥式冷凝器 儲氨器 氣液分離器 循環(huán)儲液桶 氨泵等制冷設(shè) 備 其位置緊靠制冷壓縮機房 在小型冷庫中 因機器設(shè)備不多 制冷壓縮機房與設(shè)備 間可合為一間 水泵房也包括在設(shè)備間內(nèi) 變 配電間包括變壓器間 高壓配電間 低壓配電間 大型冷庫還設(shè)有電容器間 變 配電間應(yīng)盡量靠近負(fù)荷大的機房間 當(dāng)機房間為單層建筑時 一般多設(shè)在機房間的 一端 變壓器間也可單獨建筑 高度不得小于5m 要求通風(fēng)條件良好 在小型冷庫中 也可將變壓器放在室外架空擱置 變 配電間內(nèi)的具體布置視電氣工藝要求而定 2 1 3 其他設(shè)施其他設(shè)施 冷庫的呼叫系統(tǒng)是為了防止人員被誤關(guān)在冷間內(nèi)而設(shè)置的 其控制原理包括呼叫 呼叫確認(rèn) 呼叫回應(yīng)和呼叫解除幾個部分 新規(guī)范中沒有要求冷庫必需裝設(shè)呼叫系統(tǒng) 由于現(xiàn)在的冷藏門有較大改進 在庫內(nèi)可以方便地將門開啟 因而設(shè)計人員可根據(jù)需要 進行設(shè)計 但如果有安裝呼叫系統(tǒng) 冷庫間內(nèi)門上方要設(shè)置常明燈 工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)強制性條文的房屋建筑部分規(guī)定電梯電源應(yīng)專用 機房照明電源應(yīng)與 電梯電源分開 因此按負(fù)荷的重要性 將貨梯主機電源和控制箱的照明 報警 通風(fēng)電 源 歸為電梯電源從變 配電所低壓配電屏單獨引出電源 貨梯機房照明 空調(diào) 插座 電源和井道插座 照明電源另從照明回路引出 此外 冷庫還配備消防設(shè)施 消防設(shè)施可分為庫內(nèi)監(jiān)控警報 室內(nèi)消防設(shè)備 消防 學(xué)士學(xué)位論文 報警三部分 2 2 冷庫控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)冷庫控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu) 本論文以控制室溫為 0 1 oC 相對濕度為 85 95 的冷卻物冷藏間為研究對象 主要用于儲藏經(jīng)過冷卻的果蔬 為此有必要對該冷卻物冷藏間的系統(tǒng)框架圖及溫度控制 流程圖做出相關(guān)說明 2 2 1 系統(tǒng)框架系統(tǒng)框架 如圖 2 1 所示 該冷卻物冷藏間系統(tǒng)由兩個子系統(tǒng)組成 即模糊溫度控制系統(tǒng)和電路 控制系統(tǒng)組成 其中模糊溫度控制系統(tǒng)主要由模糊參數(shù)自整定 PID 控制器組成 模糊參 數(shù)自整定 PID 控制器和電路控制系統(tǒng)都是通過 PLC 來實現(xiàn) 模糊參數(shù)自整定 PID 控制器 簡稱模糊 PID 控制器 由 PID 控制器和模糊控制器組 成 該冷卻物冷藏間的模糊控制主要是根據(jù)溫度傳感器測得的溫度和算出的溫度變化 運用模糊推理確定果蔬溫度 控制壓縮機的運轉(zhuǎn) 達到最佳的運行效果和保鮮效果 同 樣 模糊 PID 控制器的輸入也要充分考慮戶外溫度 庫門開關(guān)狀態(tài)和室內(nèi)濕度檢測 模 糊參數(shù)自整定 PID 控制器由 PLC 實現(xiàn) 在冷卻物冷藏間系統(tǒng)中需要考慮 PID 計算 模糊 推理系統(tǒng)以及其它各種數(shù)據(jù)的處理 為了滿足這樣大容量的數(shù)據(jù)傳輸和處理 本文選用 西門子 S7 300 系列的 PLC 其具體實現(xiàn)方法見本文第三章 在電路控制系統(tǒng)中 設(shè)計思想是用最簡單的PLC控制代替了老式的繼電器控制 從而 讓整個控制系統(tǒng)得以穩(wěn)定的操作和運行 三菱FX2N系列的PLC恰恰具有連接方便 簡單易 懂 價格便宜的優(yōu)點 因而 該冷卻物冷藏間的電路控制系統(tǒng)采用FX2N系列的PLC 其 具體實現(xiàn)方法見本文第四章 如圖2 1中虛線框所示 2 電路硬件系統(tǒng) 由輸入電 路 三菱 FX2N系列的PLC和輸出電路組成 輸入電路主要用于輸入冷卻物冷藏間的內(nèi)部 狀態(tài) 電源狀態(tài)和用戶所設(shè)定的溫度 所以輸入部件包括冷卻物冷藏間溫度檢測電路 電源檢測電路和溫度給定電路等 輸出部件主要用于控制壓縮機和溫度顯示 所以輸出 部件包括壓縮機運行狀態(tài)電路和溫度顯示電路 冷藏間 傳感器 庫溫 庫溫變化 氣溫 傳感器 門開關(guān) 檢測器 戶外溫度 開關(guān)狀態(tài) 模 糊 PID 控 制 器 冷藏溫度檢測 電源檢測 門狀態(tài)檢測 壓縮機斷電時間檢測 周圍環(huán)境狀態(tài) 冷藏溫度設(shè)定 可 編 程 邏 輯 控 制 器 壓縮機制冷運行 庫內(nèi)警報鈴 溫度顯示 自動消防警報 冷庫指示燈 室內(nèi)濕度 檢測 壓縮機恒溫運行 圖2 1 冷庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖 基于 PLC 的冷庫控制系統(tǒng)設(shè)計 9 9 該冷卻物冷藏間系統(tǒng)以冷卻物冷藏間的溫度作為控制目標(biāo) 根據(jù)溫度與設(shè)定指標(biāo)的 偏差來決定壓縮機的運行狀態(tài) 當(dāng)經(jīng)過冷卻的果蔬運送到該冷卻物冷藏間后 壓縮機制 冷運行 溫度開始慢慢下降 直至溫度在 0 1 oC 時 壓縮機恒溫運行 當(dāng)溫度不在 0 1 oC 時 壓縮機制冷運行 如此往復(fù) 直至庫溫穩(wěn)定在 0 1 oC 壓縮機循環(huán)控制如圖 2 2 所示 果蔬入庫 壓縮機 制冷運行 庫溫調(diào)節(jié) 壓縮機 恒溫運行 Y N 庫溫 0 1 圖 2 2 壓縮機循環(huán)控制圖 2 2 2 溫度控制流程溫度控制流程 如圖 2 3 所示 該冷庫控制結(jié)構(gòu)流程圖主要由模糊 PID 控制器 變頻器 壓縮機 傳 感器 A D 轉(zhuǎn)換器 D A 轉(zhuǎn)換器組成 模糊 PID 控制器主要由模糊推理系統(tǒng)和 PID 控制 器組成 模糊 PID 控制器由 PLC 來實現(xiàn) PLC 首先根據(jù)環(huán)境與冷庫庫溫 對實際偏差值 及偏差值的變化率進行模糊 PID 運算 調(diào)整 PLC 的 PID 參數(shù) 并將運算結(jié)果傳遞給壓縮 機的變頻器 改變壓縮機的頻率 控制送往冷凝器的輸氣量或制冷能量 模糊PID 控制器 變頻器壓縮機庫溫 A D傳感器 D A 輸入r 溫度y 圖 2 3 冷庫控制結(jié)構(gòu)圖 2 3 冷庫系統(tǒng)配件的選取冷庫系統(tǒng)配件的選取 冷庫系統(tǒng)配件主要包括壓縮機 變頻器 A D轉(zhuǎn)換器 D A轉(zhuǎn)換器和溫度傳感器 這 些配件的選取將直接影響冷庫系統(tǒng)的性能 2 3 1 壓縮機組的選取壓縮機組的選取 在冷庫控制系統(tǒng)中 是最為關(guān)鍵的配件 壓縮機是冷庫中能耗最大的裝置 約占電 機輸入功率的 30 左右 在環(huán)境溫度較低時 壓縮機的性能幾乎決定著整個冷庫系統(tǒng)的 性能 一般情況下 小型冷庫選用全封閉壓縮機 中型冷庫一般選用半封閉壓縮機 大型 冷庫選用半封閉壓縮機 無論何種品牌的壓縮機組的選型 都是根據(jù)冷庫的蒸發(fā)溫度及冷 學(xué)士學(xué)位論文 庫有效工作容積來確定 另外還要參考冷凍或冷藏物品的冷凝溫度 入庫量 貨物進出 庫頻率等參數(shù) 冷庫制冷量根據(jù)冷凍或冷藏物品的冷凝溫度 入庫量 貨物進出庫頻率 來確定 通常高溫冷庫制冷量計算公式為 冷庫容積 90 1 16 正偏差 正偏差量根據(jù)冷凍 或冷藏物品的冷凝溫度 入庫量 貨物進出庫頻率確定 范圍在 100 400W 之間 中溫 冷庫制冷量計算公式為 冷庫容積 95 1 16 正偏差 正偏差量范圍在 200 600W 之 間 低溫冷庫壓縮機組制冷量計算公式為 冷庫容積 110 1 2 正偏差 正偏差量范圍 在 300 800W 之間 在生產(chǎn)實際中 為了確定各個庫房的壓縮機組和配電設(shè)備 一般要 計算庫房耗冷量 對于儲藏果蔬的冷庫系統(tǒng) 庫房的耗冷量一般包括圍護結(jié)構(gòu)耗冷量 果蔬的呼吸熱 冷庫開門和通氣換風(fēng)的耗冷量 電機運行的耗冷量和運行管理耗冷量 冷庫壓縮機組的品牌選用主要根據(jù)用戶對某種品牌的了解程度 維護方便 項目投 資的數(shù)額各方面來考慮 目前國內(nèi)通常選用法國的美優(yōu)樂 美國的谷輪以及德國的比澤 爾 這三種品牌的壓縮機組性能都很穩(wěn)定 而且三者在國內(nèi)都有合資生產(chǎn)企業(yè) 谷輪的 ZB系列渦旋壓縮機外形如圖2 4所示 圖2 4 谷輪ZB系列渦旋壓縮機 2 3 2 變頻器的選取變頻器的選取 壓縮機一般是按設(shè)計工況所需制冷量進行選型 冷庫系統(tǒng)使用的環(huán)境溫度橫跨夏冬 兩季的極限高低溫 與傳統(tǒng)的空調(diào)制冷系統(tǒng)相對穩(wěn)定的環(huán)境溫度有著較大的差別 因而 其實際使用工況難免會與設(shè)計工況存在一定的偏差 為了使冷庫系統(tǒng)適應(yīng)不同工況的要 求 使制冷量與負(fù)荷盡量品配 因此有必要對壓縮機進行能量調(diào)節(jié) 目前壓縮機的能量調(diào)節(jié)方式有 壓縮機間歇控制 ON OFF 運行 吸氣調(diào)節(jié) 氣缸卸載 熱氣旁通能量調(diào)節(jié) 分檔變進調(diào)節(jié)輸氣量 無級變速調(diào)節(jié) 目前 冷庫及冷藏箱制冷系統(tǒng) 的能量調(diào)節(jié)方法一般采用壓縮機間歇運行 當(dāng)庫溫高于設(shè)定溫度上限時 壓縮機啟動運 行 當(dāng)庫溫低于設(shè)定溫度下限時 壓縮機停機 這種調(diào)節(jié)方法適用于負(fù)荷變化不大時的 基于 PLC 的冷庫控制系統(tǒng)設(shè)計 1111 工況 而實際使用中 冷庫的負(fù)荷受季節(jié)的影響較大 然而冷庫的負(fù)荷還受流動地域環(huán) 境等的影響 因此壓縮機基本上處于變工況下運行 此外 壓縮機的頻繁啟停會造成額 外的能量損耗 引起電網(wǎng)的波動增大 且對壓縮機的壽命影響也較大 隨著變頻技術(shù)的發(fā)展 變頻器已廣泛用于空調(diào)制冷行業(yè) 變頻技術(shù)就是利用變頻器 輸出相應(yīng)的頻率電源到壓縮機 其實質(zhì)類似于分檔變速調(diào)節(jié) 但其能在一定范圍內(nèi)連續(xù) 進行能量調(diào)節(jié) 使制冷量與負(fù)荷達到最佳匹配 如表2 1所示 3 對比各種調(diào)節(jié)方法 變 頻調(diào)節(jié)是以上各種方法中能耗最小的調(diào)節(jié)手段 而且其控溫精度也是最高的 因此 變 頻壓縮機在冷庫制冷系統(tǒng)上具有較大的應(yīng)用前景 在理想情況下 制冷機組的制冷量與 制冷劑的質(zhì)量流量成正比 變頻能量調(diào)節(jié)的基本思想就是改變壓縮機的轉(zhuǎn)速 使制冷劑 的質(zhì)量流量發(fā)生變化 從而改變機組的制冷量 表2 1 調(diào)節(jié)方法優(yōu)缺點及能耗 調(diào)節(jié)方法優(yōu)缺點負(fù)荷為60 時的能耗百分?jǐn)?shù) ON OFF 控制 結(jié)構(gòu)簡單 便宜 主要用于小型機組 部 分負(fù)荷及啟動時損失較大 溫控精度差 63 氣缸 卸載 有級調(diào)節(jié) 只用于多氣缸機組 部分負(fù)荷 時效率下降較小 0 吸氣 節(jié)流 無級調(diào)節(jié) 系統(tǒng)簡單但調(diào)節(jié)范圍較小 效 率低 70 熱氣 旁通 無級調(diào)節(jié) 調(diào)節(jié)范圍較廣 但系統(tǒng)復(fù)雜 效率低 100 變頻 調(diào)節(jié) 無級調(diào)節(jié) 系統(tǒng)簡單 效率高 但裝置成 本高 60 2 3 3 A D D A 轉(zhuǎn)換器的選取轉(zhuǎn)換器的選取 一般冷庫中包含A D轉(zhuǎn)換器和D A轉(zhuǎn)換器 A D轉(zhuǎn)換器將物理信號轉(zhuǎn)換成計算機能夠 識別的數(shù)字信號 經(jīng)計算機分析計算出調(diào)節(jié)量 D A轉(zhuǎn)換器將計算機輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成 模擬量 控制執(zhí)行器的調(diào)節(jié)工作 選取A D D A轉(zhuǎn)換器時 要充分考慮系統(tǒng)的精度問題 D A轉(zhuǎn)換器要滿足模糊控制器和變頻器的精度要求 A D轉(zhuǎn)換器要滿足傳感器的精度要求 MAXIM公司推出的16位逐次逼近型A D轉(zhuǎn)換器MAX195和16位D A轉(zhuǎn)換器MAX5631 具 有體積小 功耗低 轉(zhuǎn)換速度快 精度高等優(yōu)點 可以滿足冷庫系統(tǒng)要求 2 3 4 傳感器的選取傳感器的選取 考慮到冷庫內(nèi)蔬果監(jiān)測必須采用全方位多點監(jiān)測有效地保證果蔬的安全儲藏 系統(tǒng) 選取一種連線簡單 測量精度高 抗干擾能力強的傳感器DSl8B20 其接線圖如圖2 5所 示 4 該芯片在冷庫監(jiān)測系統(tǒng)中有其它芯片無法比擬的特點 該芯片溫度測量范圍為 55 125 oC 以0 5 oC遞增 該溫度測量值可以滿足低溫監(jiān)測的要求 溫度以9位數(shù)字量讀出 學(xué)士學(xué)位論文 通過一個單線接口DQ發(fā)送或接收信息 如果在測量點數(shù)不多的情況下 PLC與DSl8820之 間僅需一根連接線而無需外部電源供電 寄生電源方式 每個DSl8820都有一個唯一的長 達64位的光刻ROM編碼 最前面的8位是單線系列編碼 中間48位是唯一的序列號 最后 8位是前面56位的CRC碼 由于每個DSl8820擁有唯一的一個序列號 所以多個DSl8820可 以在一條線上工作 通過對DQ時序的操作只有被選中ROM序號的DSl8820才能響應(yīng)和工 作 冷庫中庫溫采用多點監(jiān)測 考慮到驅(qū)動的因數(shù)不采用寄生電源方式而是直接采用外 部電源供電 圖2 5 DSl8B20接線圖 2 4 冷庫的監(jiān)控系統(tǒng)冷庫的監(jiān)控系統(tǒng) 要保證新鮮的果蔬充足 安全保鮮是必不可少的 庫溫檢測是冷庫關(guān)注的重點 對 于大型冷庫 倉容巨大 如何有效地對每個倉庫的庫溫進行中央檢測顯得尤為重要 監(jiān) 控系統(tǒng)構(gòu)架如圖2 6所示 4 網(wǎng)絡(luò)適配器 RS 485總線 MODBUS協(xié)議 冷庫1冷庫2冷庫n 圖2 6 監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)架 基于 PLC 的冷庫控制系統(tǒng)設(shè)計 1313 2 4 1 RS 485 總線總線 在冷庫這樣的工業(yè)環(huán)境中 為了使設(shè)備簡單 成本低廉和維護方便 總希望用最少 的信號線來完成數(shù)據(jù)采集與控制 RS 485串行接口就具有此功能 在RS 485發(fā)送端 驅(qū) 動器將TTL電平信號轉(zhuǎn)換成差分信號輸出 在接收端接收器將差分信號還原成TTL信號 所以RS 485有很強的和很高的抗干擾能力和接收靈敏度 RS 485 是一個電氣接口規(guī)范 它只規(guī)定了平衡驅(qū)動器和接收器的電特性 而沒有規(guī) 定接插件 傳輸電纜和通信協(xié)議 RS 485 標(biāo)準(zhǔn)定義了一個基于單對平衡線的多點 雙向 半雙工 通信鏈路 是一種極為經(jīng)濟 并具有相當(dāng)高噪聲抑制 傳輸速率 傳輸距離 和寬共模范圍的通信平臺 該冷庫監(jiān)控系統(tǒng)用RS 485構(gòu)成分布式數(shù)據(jù)采集與控制 采用總線方式 而傳達數(shù)據(jù) 采用主從站方法 主站啟動并控制每一次通信 每一個從站有一個識別地址 在此選用 半雙式低功耗收發(fā)器件MAX487來完成RS 485通信 MAX487接收器輸入阻抗為十分之一 單位負(fù)載 允許在總線上掛接128個MAX487收發(fā)器 MAX487如圖所示2 7所示 圖2 7 MAX487 2 4 2 CPU315 2DP 主從站主從站 由于冷庫與控制室之間大約有50m的距離 因此系統(tǒng)選用了帶從站功能的CPU315 2DP 其具有大中規(guī)模的程序容量 對二進制和浮點數(shù)有較高的處理性能 有兩個 PROFIBUS DP主站 從站接口 可用于建立分布式I O結(jié)構(gòu)和大規(guī)模的I O配置 本系統(tǒng)采 用主從方式因而具備主 從兩種結(jié)構(gòu) 上位機PLC作為主站 下位機作為從站 根據(jù)系統(tǒng) 要求 主站用于模塊擴展 負(fù)責(zé)收集從站檢測的數(shù)據(jù)并將其傳給PLC 從而控制風(fēng)機的轉(zhuǎn) 速和溫度控制 從站中配置了開關(guān)量輸入模塊和輸出模塊和模擬量輸入模塊 用來控制 庫門的升降 壓縮機的動作 庫門安全銷的動作 冷庫上各種儀表或傳感器的檢測 并 且接收主機命令回傳溫度值 主 從機程序流程圖如圖2 8所示 學(xué)士學(xué)位論文 開始 初始化設(shè)備 發(fā)送命令 等待回傳 溫度值 傳給PLC 溫度測量 回傳 溫度值 開始 初始化設(shè)備 中斷接收 至主機 主機 從機 圖2 8 主 從機程序流程圖 2 4 3 人機界面人機界面 該冷庫控制系統(tǒng)采用人機界面TP270 10 它能對圖形進行快速響應(yīng) 具有高對比度的 STN顯示 能夠CCFL背光顯示 壽命超過40000 60000小時 可適用中文組態(tài)軟件CPI 和直接控制鍵可用為快速響應(yīng) 可顯示漢字 可組態(tài)的觸摸按鈕用于文本 狀態(tài)指標(biāo) 圖形及圖形狀態(tài)指示 在Windows環(huán)境下使用ProTool軟件進行組態(tài) 擁有IP65保護等級 可與多種PLC進行連接 在冷庫控制系統(tǒng)中 人機界面完成智能化的后臺管理 各種溫度 參數(shù)的設(shè)定及制冷狀況的監(jiān)視和報警 基于 PLC 的冷庫控制系統(tǒng)設(shè)計 1515 學(xué)士學(xué)位論文 第第 3 章章 模糊模糊 PID 控制器及其控制器及其 PLC 設(shè)計設(shè)計 3 1 PID 控制器控制器概述概述 在自動控制系統(tǒng)中 常用的控制器有P PI PD PID控制器 其中在這幾種調(diào)節(jié)規(guī) 律中 PID的調(diào)節(jié)規(guī)律最為理想 在工程實際中 PID控制 又稱PID調(diào)節(jié) 是一種應(yīng)用最 為廣泛的控制方法 而PID控制器是一種應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器 PID控制器問世至今已有近70年歷史 它以其結(jié)構(gòu)簡單 穩(wěn)定性好 工作可靠 調(diào)整 方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一 當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握 或得不 到精確的數(shù)學(xué)模型時 控制理論的其它技術(shù)難以采用時 系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須 依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定 這時應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便 即當(dāng)我們不完全了解一個 系統(tǒng)和被控對象 或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時 最適合用PID控制技術(shù) PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差 利用比例 積分 微分計算出控制量進行控制的 目前 PID控制及其控制器或智能PID控制器 儀表 已經(jīng)很多 產(chǎn)品已在工程實際 中得到了廣泛的應(yīng)用 有各種各樣的PID控制器產(chǎn)品 且各大公司均開發(fā)了具有PID參數(shù) 自整定功能的智能調(diào)節(jié)器 intelligent regulator 其中PID控制器參數(shù)的自動調(diào)整是通過智 能化調(diào)整或自校正 自適應(yīng)算法來實現(xiàn) 有利用PID控制實現(xiàn)的壓力 溫度 流量 液位 控制器 能實現(xiàn)PID控制功能的可編程控制器 還有可實現(xiàn)PID控制的PC系統(tǒng)等等 可編 程控制器 PLC 是利用其閉環(huán)控制模塊來實現(xiàn)PID控制 而可編程控制器 PLC 可以直接與 ControlNet相連 如Rockwell的PLC 5等 還有可以實現(xiàn)PID控制功能的控制器 如 Rockwell 的Logix產(chǎn)品系列 它可以直接與ControlNet相連 利用網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)其遠(yuǎn)程控制 功能 3 1 1 PID 控制器的原理控制器的原理 常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖3 1所示 系統(tǒng)由常規(guī)PID控制器和被控對象組成 圖3 1 常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理圖 由于PID調(diào)節(jié)器是由比例積分微分三種調(diào)節(jié)規(guī)律合成的一種調(diào)節(jié)器 因此比例積分微 分調(diào)節(jié)器的動作規(guī)律為 3 1 t D I P dt tde Tdtte T teKtu 0 1 基于 PLC 的冷庫控制系統(tǒng)設(shè)計 1717 tctrte 式 3 1 中 為控制器的輸出 u t 為控制器的輸入 它是給定值和被控對象輸出值的差 稱偏差信號 e t KP 控制器的比例系數(shù) TI 控制器的積分時間 TD 控制器的微分時間 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為 ST ST K SE SU SD D I P 1 1 PID控制器包括比例 積分 微分這三個環(huán)節(jié) 各環(huán)節(jié)的作用如下 比例環(huán)節(jié) 即時成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號 偏差一旦產(chǎn)生 調(diào)節(jié)器立即 e t 產(chǎn)生控制作用以減小偏差 積分環(huán)節(jié) 主要用于消除靜差 提高系統(tǒng)的無差度 積分作用的強弱取決于積分時 間常數(shù) TI TI越大 積分作用越弱 反之則越強 微分環(huán)節(jié) 能反應(yīng)偏差信號的變化趨勢 變化速率 并能在偏差信號的值變得太大 之前 在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號 從而加快系統(tǒng)的動作速度 減小調(diào)節(jié)時 間 3 1 2 PID 控制器的數(shù)字算法控制器的數(shù)字算法 PID 調(diào)節(jié)原理簡單 魯棒性強 易于工程實現(xiàn) 在計算機用于自動控制系統(tǒng)之前 人 們采用氣動 液動和電動調(diào)節(jié)器實現(xiàn) PID 調(diào)節(jié)規(guī)律 隨著現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展 相繼出 現(xiàn)了一些復(fù)雜的 只有計算機才能實現(xiàn)的控制算法 但內(nèi)部結(jié)構(gòu)仍然以 PID 控制算法為 主流 與計算機的強大運算功能和邏輯判斷功能相結(jié)合 使 PID 控制規(guī)律數(shù)字化 是自 動控制技術(shù)應(yīng)用發(fā)展的重要方向之一 因此 需要將 PID 控制規(guī)律進行離散化處理 如 表 3 1 所示 表 3 1 模擬 PID 控制規(guī)律的離散化 模擬形式離散化形式 tctrte ncnrne dT tde T nene 1 t dtte 0 n i n i ieTTie 00 PID 差分方程 5 在離散控制系統(tǒng)中可表示為 學(xué)士學(xué)位論文 3 2 1 0 nununu nene T T ie T T neKnu DIP n i D I P 式 3 2 中 T 為采樣周期 稱為比例項 neKnu PP 稱為積分項 n i I PI ie T T Knu 0 稱為微分項 1 nene T T Knu D PD PID 增量型算法的算式為 2 1 2 1 1 nenene T T Kne T T KneneK nununu D P I PP 3 1 3 PID 控制器的參數(shù)整定控制器的參數(shù)整定 控制器的比例系數(shù) 積分時間和微分時間的大小 PID控制器參數(shù)整定的方法很多 概括起來有兩大類 一是理論計算整定法 它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 經(jīng)過理論計 算確定控制器參數(shù) 這種方法所得到的計算數(shù)據(jù)未必可以直接用 還必須通過工程實際 進行調(diào)整和修改 二是工程整定方法 它主要依賴工程經(jīng)驗 直接在控制系統(tǒng)的試驗中 進行 且方法簡單 易于掌握 在工程實際中被廣泛采用 PID控制器參數(shù)的工程整定方法 5 主要有臨界比例法 反應(yīng)曲線法和衰減法 三種 方法各有其特點 其共同點都是通過試驗 然后按照工程經(jīng)驗公式對控制器參數(shù)進行整 定 但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù) 都需要在實際運行中進行最后調(diào)整與 完善 3 2 模糊控制器模糊控制器概述概述 模糊控制是近代控制理論中建立在模糊集合論基礎(chǔ)上的一種基于語言規(guī)則與模糊推 理的控制理論 6 它是智能控制的一個重要分支 隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展 在那些復(fù)雜 的 受多因素影響的 嚴(yán)重非線性 不確定性 多樣性的大系統(tǒng)中 傳統(tǒng)的控制理論和 方法越來越顯示出其局限性 為此我們以人類思維的控制方案為基礎(chǔ) 創(chuàng)造出了一種能 反映人類經(jīng)驗的控制過程知識 并可以達到控制目的 能夠用某種形式表示出來 而且 這種形式既能夠取代那種精密 反復(fù) 有錯誤傾向的模型建造過程 又能避免精密地估 計模型方程中各種參數(shù)的過程 這就是模糊控制產(chǎn)生的背景 傳統(tǒng)控制系統(tǒng)采用的控制機理是經(jīng)典或現(xiàn)代控制理論 而模糊控制器是一般的數(shù)字 控制器 模糊控制系統(tǒng)應(yīng)用模糊控制機理 模糊控制器的一般組成如圖3 2所示 為多輸 入多輸出模糊控制器 包括輸入量模糊化 數(shù)據(jù)庫 規(guī)則庫 模糊推理和反模糊化組成 模糊控制器在輸入和輸出之間起著非線性映射作用 其輸入和輸出都是確定的實數(shù)值 而不是模糊集合 模糊化是指將輸入轉(zhuǎn)換為模糊集合 模糊推理使用規(guī)則庫中的規(guī)則產(chǎn) 生模糊結(jié)論 反模糊化則將模糊結(jié)論轉(zhuǎn)換為確定實數(shù)輸出 根據(jù)控制對象的特點 要求 基于 PLC 的冷庫控制系統(tǒng)設(shè)計 1919 及專家經(jīng)驗 合理選擇控制器的輸入量 輸出量 從而確定模糊控制器的結(jié)構(gòu) 輸入維 數(shù)越多 控制會更精密 但控制規(guī)則的選取越困難 控制算法也越復(fù)雜 實現(xiàn)起來較困 難 二維模糊控制器是最為常用的一類模糊控制器 二維模糊控制器的兩個輸入基本上 都選為被控變量與給定值的偏差E和EC 由于它能較嚴(yán)格地反映控制系統(tǒng)中輸出變量的動 態(tài)特性 因此在控制效果上要比一維模糊控制器好得多 當(dāng)二維模糊控制器有多個輸出 時 應(yīng)當(dāng)將這個模糊控制器拆分成多個二輸入一輸出的模糊控制器 例如 本論文中的 模糊控制器有兩個輸入和一個輸出 則可以將該模糊控制器拆分成三個二輸入一輸出的 模糊控制器 下面就兩輸入以輸出的模糊控制器進行分析 模 糊 化 反 模 糊 化 模糊推理 規(guī)則庫數(shù)據(jù)庫 知識庫 實數(shù)輸入實數(shù)輸出 x1 x2 xn y1 y2 yn 模糊化輸入模糊結(jié)論 圖 3 2 模糊控制器的組成 3 2 1 模糊化模糊化 模糊化是將測量得到的精確量轉(zhuǎn)化為模糊量 以作為模糊推理的輸入 模糊化處理 的過程分為兩步 首先確定論域 并把精確量轉(zhuǎn)換成論域中的元素 然后再進行模糊化 精確量到論域中的元素得轉(zhuǎn)換 對每個輸入變量都指定一個標(biāo)準(zhǔn)的論域 n n n為 正整數(shù) 例如 對偏差e和偏差的變化率de dt 取論域為 E 4 3 2 1 0 0 1 2 3 4 EC 4 3 2 1 0 0 1 2 3