基于PLC的液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、摘 要 本次課程設(shè)計(jì)的課題是基于 plc 的液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本次課程設(shè)計(jì)的目 的是在于了解簡(jiǎn)單過(guò)程控制系統(tǒng)的構(gòu)成，掌握簡(jiǎn)單過(guò)程控制的原理和 plc 控制系 統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)調(diào)試方法，并且熟悉掌握組態(tài)軟件的應(yīng)用方法。在設(shè)計(jì)中，主要負(fù) 責(zé)的是控制算法的設(shè)計(jì)，因此在論文中設(shè)計(jì)用到的 pid 算法提到得較多。 本文的主要內(nèi)容包括：水箱的特性確定與實(shí)驗(yàn)曲線分析， s7-300 可編程控 制器的硬件掌握，pid 參數(shù)的整定及各個(gè)參數(shù)的控制性能的比較，應(yīng)用 pid 控制 算法得到實(shí)驗(yàn)曲線，整個(gè)系統(tǒng)各個(gè)部分的介紹和應(yīng)用 plc 語(yǔ)句編程來(lái)控制水箱水 位。 關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：s7-300 西門子 plc、控制對(duì)象

2、特性、pid 控制算法、壓力變送器、電動(dòng) 調(diào)節(jié)閥、pid 指令、變頻器。 目 錄 摘 要 .i 第 1 章 緒論.1 1.1 plc 的產(chǎn)生、定義及現(xiàn)狀 .1 1.2 過(guò)程工業(yè)控制算法的應(yīng)用現(xiàn)狀.2 1.3 pid 控制的歷史和發(fā)展現(xiàn)狀 .3 1.4 論文的研究?jī)?nèi)容.5 第 2 章 s7-300 中小型 plc 和控制對(duì)象介紹.6 2.1 西門子 plc 控制系統(tǒng).6 2.1.1 cpu 模塊.7 2.1.2 模擬量輸入模塊.8 2.1.3 模擬量輸出模塊.9 2.1.4 電源模塊.10 2.2 控制對(duì)象特性.11 2.2.1 一階單容上水箱特性.11 2.2.2 二階雙容下水箱對(duì)象特性.14

3、 第 3 章 pid 控制算法介紹 .18 3.1 pid 控制算法 .18 3.2 pid 調(diào)節(jié)的各個(gè)環(huán)節(jié)及其調(diào)節(jié)過(guò)程 .20 3.2.1 比例控制與其調(diào)節(jié)過(guò)程.21 3.2.2 比例積分調(diào)節(jié).21 3.2.3 比例積分微分調(diào)節(jié).22 3.3 串級(jí)控制.22 3.4 擴(kuò)充臨界比例法.24 3.5 在 plc 中的 pid 控制的編程.25 3.5.1 回路的輸入輸出變量的轉(zhuǎn)換和標(biāo)準(zhǔn)化.26 3.5.2 變量的范圍.28 3.5.3 控制方式與出錯(cuò)處理.29 第 4 章 控制方案設(shè)計(jì).31 4.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì).31 4.1.1 上水箱液位的自動(dòng)調(diào)節(jié).31 4.1.2 上水箱下水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)

4、.32 4.2 硬件設(shè)計(jì).33 4.2.1 檢測(cè)單元.33 4.2.2 執(zhí)行單元.34 4.2.3 控制單元.36 4.3 軟件設(shè)計(jì).36 第 5 章 實(shí)驗(yàn)情況介紹.39 5.1 上水箱液位比例調(diào)節(jié).39 5.2 上水箱液位比例積分調(diào)節(jié).40 5.3 上水箱液位比例積分微分調(diào)節(jié).41 第 6 章 結(jié)論.43 參考文獻(xiàn).44 致謝.46 第 1 章 緒論 1.1 plc 的產(chǎn)生、定義及現(xiàn)狀的產(chǎn)生、定義及現(xiàn)狀 可編程控制器出現(xiàn)前，繼電器控制在工業(yè)控制領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。但是繼電 器控制系統(tǒng)具有明顯的缺點(diǎn)：設(shè)備體積大、可靠性低、故障查找困難以及維修不 方便。由于接線復(fù)雜，當(dāng)生產(chǎn)工藝和流程改變時(shí)必須改變

5、接線，因此，其通用性 和靈活性較差。 20 世紀(jì) 60 年代，計(jì)算機(jī)技術(shù)開始應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，但由于價(jià)格高、輸 入輸出電路不匹配、編程難度大以及難以適應(yīng)惡劣工業(yè)環(huán)境等原因，未能在工業(yè) 控制領(lǐng)域獲得推廣。20 世紀(jì) 60 年代末，美國(guó)汽車制造工業(yè)競(jìng)爭(zhēng)激烈，為適應(yīng)生 產(chǎn)工藝不斷更新的需要，1968 年美國(guó)通用汽車公司(gm)提出了研制新型邏輯順序 控制裝置的十項(xiàng)招標(biāo)指標(biāo)。主要內(nèi)容是： 1)編程方便，可現(xiàn)場(chǎng)修改程序。 2)維修方便，采用插件式結(jié)構(gòu)。 3)可靠性高于繼電器控制裝置。 4)體積小于繼電器控制盤。 5)數(shù)據(jù)可直接送入管理計(jì)算機(jī)。 6)成本可與繼電器控制盤競(jìng)爭(zhēng)。 7)輸入可為市電 8)輸出

6、可為市電，容量要求在 2a 以上，可直接驅(qū)動(dòng)接觸器等。 9)擴(kuò)展時(shí)原系統(tǒng)改變最小。 10)用戶存儲(chǔ)器大于 4kb。 這些實(shí)際上提出了將繼電器控制的簡(jiǎn)單移動(dòng)、使用方便、價(jià)格低的優(yōu)點(diǎn)與計(jì) 算機(jī)的功能完善、靈活性、通用性好的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，將繼電接觸器控制的硬連 線邏輯轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)的軟件邏輯編程的設(shè)想。美國(guó)數(shù)字設(shè)備公司(dec)中標(biāo)，并于 1969 年研制出第一臺(tái)可編程控制器 pdp-14，在美國(guó)通用汽車公司的生產(chǎn)線上試 用成功，并取得了滿意的效果，可編程控制器自此誕生。 隨著電子技術(shù)的發(fā)展，可編程控制器(programmable logic controller.以下簡(jiǎn) 稱plc)由原來(lái)簡(jiǎn)單的邏輯量

7、控制，逐步具備了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的功能，同時(shí)，還 具有抗干擾性強(qiáng)、可靠性強(qiáng)、體積小、編程方便、修改容易、網(wǎng)絡(luò)功能強(qiáng)大等顯 著優(yōu)點(diǎn)，它可以與計(jì)算機(jī)一起組成功能完備的控制系統(tǒng)。plc在工業(yè)控制領(lǐng)域得 到了廣泛的應(yīng)用，在plc組成的控制系統(tǒng)中，一般由上、下位機(jī)組成主從式控制 系統(tǒng)。plc作為下位機(jī)，完成數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)判別、輸入輸出控制等，上位機(jī)(微 型計(jì)算機(jī)、工業(yè)控制機(jī))，完成采集數(shù)據(jù)信息的存儲(chǔ)、分析處理、復(fù)雜運(yùn)算、狀態(tài) 顯示以及打印輸出，以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。微型計(jì)算機(jī)與plc組成的主從式 實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，能夠充分發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)和功能，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。 plc的定義如下：“可編程序控制器是一種數(shù)字運(yùn)算

8、操作的電子系統(tǒng)，專為 工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。它采用可編程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏 輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過(guò)數(shù)字式、模擬 式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)設(shè) 備，都應(yīng)按易于使工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原理設(shè)計(jì)。 s7-300的cpu具有豐富的指令功能，編程十分方便。采用plc作為液位控制 系統(tǒng)的核心，克服了以往儀表控制的單回路調(diào)節(jié)器的缺點(diǎn)，可以由用戶自己定義 pid參數(shù)，控制液位變化曲線，同時(shí)利用plc控制邏輯量的優(yōu)點(diǎn)，與輸入、輸出信 號(hào)通過(guò)簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn)連鎖，可以對(duì)各種故障情況及時(shí)做出反應(yīng)，使控制

9、系統(tǒng)更 加安全可靠。 1.2 過(guò)程工業(yè)控制算法的應(yīng)用現(xiàn)狀過(guò)程工業(yè)控制算法的應(yīng)用現(xiàn)狀 畢業(yè)設(shè)計(jì)是基于plc的液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),在其中我主要負(fù)責(zé)的是控制算法 的設(shè)計(jì)。 過(guò)程控制在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，在理論的研究與生產(chǎn)的實(shí)踐中發(fā)展出很多 的控制算法，主要有下列幾種： (1)pid控制算法 大量的事實(shí)證明，傳統(tǒng)的pid控制算法對(duì)于絕大部分工業(yè)過(guò)程的被控對(duì)象(高 達(dá)90%)可取得較好的控制結(jié)果。采用改進(jìn)的pid算法或者將pid算法與其他算法進(jìn) 行有機(jī)的結(jié)合往往可以進(jìn)一步提高控制質(zhì)量。 (2)預(yù)測(cè)控制 預(yù)測(cè)控制是直接從工業(yè)過(guò)程控制中產(chǎn)生的一類基于模型的新型控制算法。它 高度結(jié)合了工業(yè)實(shí)際的要求，綜合控制

10、質(zhì)量比較高，因而很快引起工業(yè)控制界以 及學(xué)術(shù)界的廣泛興趣與重視。預(yù)測(cè)控制有三要素，即預(yù)測(cè)模型、滾動(dòng)優(yōu)化和反饋 校正。它的機(jī)理表明它是一種開放式的控制策略,體現(xiàn)了人們?cè)谔幚韼в胁淮_定性 問(wèn)題時(shí)的一種通用的思想方法。 (3)自適應(yīng)控制 在過(guò)程工業(yè)中，不少的過(guò)程是時(shí)變的，如采用參數(shù)與結(jié)構(gòu)固定不變的控制器， 則控制系統(tǒng)的性能會(huì)不斷惡化，這時(shí)就需要采用自適應(yīng)控制系統(tǒng)來(lái)適應(yīng)時(shí)變的過(guò) 程。它是辨識(shí)與控制的結(jié)合。目前，比較成熟的自適應(yīng)控制分三類：a、自整定 調(diào)節(jié)器及其它簡(jiǎn)單自適應(yīng)控制器；b、模型參考自適應(yīng)控制；c、自校正調(diào)節(jié)與控 制。自適應(yīng)控制己在工程實(shí)際中得到了不少的應(yīng)用，但它至今仍然有許多待進(jìn)一 步解決的

11、問(wèn)題(特別在參數(shù)估計(jì)方面)，這些問(wèn)題不解決，自適應(yīng)控制的廣泛應(yīng)用仍 將遇到許多困難。 (4)智能控制 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)工業(yè)過(guò)程不僅要求控制的精確性，更加注重控制的 魯棒性、實(shí)時(shí)性、容錯(cuò)性以及對(duì)控制參數(shù)的自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)能力。另外，被控工 業(yè)過(guò)程日趨復(fù)雜，過(guò)程嚴(yán)重的非線性和不確定性，使許多系統(tǒng)無(wú)法用數(shù)學(xué)模型精 確描述。沒(méi)有精確的數(shù)學(xué)模型作前提，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的性能將大打折扣。智能控 制對(duì)于復(fù)雜的工業(yè)過(guò)程往往可以取得很好的控制效果。常見的智能控制方法有以 下幾種：模糊控制、分級(jí)遞階智能控制、專家控制、人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制、擬人 智能控制等。這些智能控制方法各有千秋，但又存在各自的不足。研究表明將它

12、 們相互交叉結(jié)合或與傳統(tǒng)的控制方法結(jié)合將會(huì)產(chǎn)生更佳的效果。智能控制在家電 行業(yè)及工業(yè)過(guò)程中取得了許多成功的應(yīng)用。在國(guó)內(nèi)外，模糊控制與人工神經(jīng)元網(wǎng) 絡(luò)也在石化、鋼鐵、冶金、食品等行業(yè)取得了成功的應(yīng)用。 1.3 pid 控制的歷史和發(fā)展現(xiàn)狀控制的歷史和發(fā)展現(xiàn)狀 pid 控制技術(shù)的發(fā)展可以分為兩個(gè)階段。20 世紀(jì) 30 年代晚期微分控制的加入 標(biāo)志著 pid 控制成為一種標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)也是 pid 控制兩個(gè)發(fā)展階段的分水嶺。第一個(gè) 階段為發(fā)明階段 (19001940)pid 控制的思想逐漸明確，氣動(dòng)反饋放大器被發(fā)明， 儀表工業(yè)的重心放在實(shí)際 pid 控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上。1940 年以后是第二階段 革新階段

13、。在革新階段，pid 控制器已經(jīng)發(fā)展成一種魯棒的、可靠的、易于應(yīng)用 的控制器。儀表工業(yè)的重心是使 pid 控制技術(shù)能跟上工業(yè)技術(shù)的最新發(fā)展。從氣 動(dòng)控制到電氣控制到電子控制再到數(shù)字控制，pid 控制器的體積逐漸縮小，性能 不斷提高。一些處于世界領(lǐng)先地位的自動(dòng)化儀表公司對(duì) pid 控制器的早期發(fā)展做 出重要貢獻(xiàn)，甚至可以說(shuō) pid 控制器完全是在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中被發(fā)明并逐步完善 起來(lái)的。值得指出的是，1939 年 taylor 儀器公司推出的一款帶有所謂“preact” 功能的名為“fulscope”的氣動(dòng)控制器以及同時(shí)期 foxboro 儀器公司推出的帶有所 謂“hyper-re-set”功能的

14、“stabilog”氣動(dòng)控制器都是最早出現(xiàn)的具有完整結(jié)構(gòu)的 pid 控制器。 “pre-act”與“hyper-re-set”功能實(shí)際都是在控制器中加入了微分控 制。pid 控制至今仍是應(yīng)用最廣泛的一種實(shí)用控制器。各種現(xiàn)代控制技術(shù)的出現(xiàn) 并沒(méi)有削弱 pid 控制器的應(yīng)用，相反，新技術(shù)的出現(xiàn)對(duì)于 pid 控制技術(shù)發(fā)展起了 很大的推動(dòng)作用。一方面，各種新的控制思想不斷被應(yīng)用于 pid 控制器的設(shè)計(jì)之 中，或者是用新的控制思想設(shè)計(jì)出具有 pid 結(jié)構(gòu)的新控制器，pid 控制技術(shù)被注 入了新的活力。另一方面，某新控制技術(shù)的發(fā)展要求更精確的 pid 控制，從而刺 激了 pid 控制器設(shè)計(jì)與參數(shù)整定技術(shù)的

15、發(fā)展。 總結(jié)近年來(lái) pid 控制的發(fā)展趨勢(shì)，可以將 pid 控制的發(fā)展分為兩個(gè)大方向： 傳統(tǒng) pid 控制技術(shù)的繼續(xù)發(fā)展和各種新型控制技術(shù)與 pid 控制的結(jié)合。傳統(tǒng) pid 控制的發(fā)展包括自整定技術(shù)，變?cè)鲆婵刂坪妥赃m應(yīng)控制。傳統(tǒng) pid 控制的發(fā)展可 以改善 pid 控制的效果,使 pid 控制器的自動(dòng)化程度和對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力不斷提高。 各種新型控制技術(shù)與 pid 控制的結(jié)合包括新控制技術(shù)應(yīng)用于 pid 控制器的設(shè)計(jì)與 整定之中，或者是使用新的控制思想設(shè)計(jì)出具有 pid 結(jié)構(gòu)的新控制器。諸如模糊 控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等新型控制技術(shù)與 pid 控制的結(jié)合擴(kuò)大了 pid 控制器的應(yīng)用范圍， 對(duì)于解決非

16、線性和不確定系統(tǒng)控制等采用傳統(tǒng) pid 控制器難以有效控制的情況收 到了很好的效果。 在生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化控制的發(fā)展歷程中，pid 控制是歷史最久、生命力最強(qiáng)的 基本控制方式。在本世紀(jì) 40 年代以前，除在最簡(jiǎn)單的情況下可采用開關(guān)控制外， 它是唯一的控制方式。此后，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展特別是電子計(jì)算機(jī)的誕生和發(fā) 展，涌現(xiàn)出許多新的控制方式。然而直到現(xiàn)在，pid 控制由于它自身的優(yōu)點(diǎn)仍然 是得到最廣泛應(yīng)用的基本控制方式。 pid 控制具有以下優(yōu)點(diǎn)： 1)原理簡(jiǎn)單，使用方便。 2)適應(yīng)性強(qiáng)，可以廣泛應(yīng)用于化工、熱工、冶金、煉油以及造紙、建材等 各種生產(chǎn)部門。按 pid 控制進(jìn)行工作的自動(dòng)調(diào)節(jié)器早已商品化

17、。在具體 實(shí)現(xiàn)上它們經(jīng)歷了機(jī)械式、液動(dòng)式、氣動(dòng)式、電子式等發(fā)展階段，但始 終沒(méi)有脫離 pid 控制的范疇。系統(tǒng)中所用的 plc 是 s7-300 系列的 plc，其中配有 pid 的控制模塊和專門的 pid 控制功能指令，方便進(jìn)行 pid 控制。 3)魯棒性強(qiáng)，即其控制品質(zhì)對(duì)被控對(duì)象特性的變化不大敏感。 在連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，一般采用兩種 pid 控制算法：一種是含 有理想微分的 pid 控制，另一種是含有實(shí)際微分的 pid 控制。 1.4 論文的研究?jī)?nèi)容論文的研究?jī)?nèi)容 本文的主要內(nèi)容包括：水箱的特性確定與實(shí)驗(yàn)曲線分析， s7-300 可編程控制 器的硬件掌握，pid 參數(shù)的整定及各

18、個(gè)參數(shù)的控制性能的比較，應(yīng)用 pid 控制算 法所得到的實(shí)驗(yàn)曲線分析，整個(gè)系統(tǒng)各個(gè)部分的介紹和應(yīng)用 plc 語(yǔ)句編程來(lái)控制 水箱水位。 第 2 章 s7-300 中小型 plc 和控制對(duì)象介紹 2.1 西門子西門子 plc 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 西門子的中小型 plc s7-300 系列采用模塊式結(jié)構(gòu)，用搭積木的方法來(lái)組成系 統(tǒng)。模塊式 plc 由機(jī)架和模塊組成，s7-300 是模塊化的中小型 plc，適用于中等 性能的控制要求。品種繁多的 cpu 模塊和功能模塊能滿足各種領(lǐng)域的自動(dòng)控制任 務(wù)，用戶可以根據(jù)系統(tǒng)的具體情況選擇合適的模塊，維修時(shí)更換模塊也很方便。 當(dāng)系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)大和更為復(fù)雜的時(shí)候，可以

19、增加模塊，對(duì) plc 進(jìn)行擴(kuò)展。簡(jiǎn)單實(shí)用 的分布式結(jié)構(gòu)和強(qiáng)大的通信聯(lián)網(wǎng)能力，使其應(yīng)用十分靈活。 s7-300 的 cpu 模塊集成了過(guò)程控制功能，用于執(zhí)行用戶程序。每個(gè) cpu 都 有一個(gè)編程用的 rs-485 接口，可以和計(jì)算機(jī)連接，plc 作為下位機(jī)，利用計(jì)算機(jī) 作為上位機(jī)進(jìn)行編程。功能強(qiáng)大的 cpu 的 ram 存儲(chǔ)容量為 512kb，有 8192 個(gè) 存儲(chǔ)器位，512 個(gè)定時(shí)器和 512 個(gè)計(jì)數(shù)器，數(shù)字量通道最大為 65536 點(diǎn)，模擬量 通道最大為 4096 個(gè)，由于使用 flash eprom，cpu 斷電后無(wú)需后備電池可以長(zhǎng) 時(shí)間保持動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，使 s7-300 成為完全無(wú)維護(hù)的控

20、制設(shè)備。 s7-300 系列 plc 的主要特點(diǎn)是： （1） 功能強(qiáng) 極強(qiáng)的計(jì)算性能，完善的指令集，mpi 接口和通過(guò) simeclams 聯(lián)網(wǎng) 的網(wǎng)絡(luò)功能，使 s3-300 功能更強(qiáng)。 強(qiáng)勁的內(nèi)部集成功能，全面的故障診斷功能、口令保護(hù)，便利的連接系 統(tǒng)和無(wú)槽位限制的模塊化結(jié)構(gòu)。 快速，極其快速的指令處理大大地縮短了循環(huán)周期。 （2） 通用，著眼未來(lái) 滿足各種要求的高性能模塊和三種 cpu 適用于任一場(chǎng)合。 模塊可擴(kuò)展至最多三個(gè)擴(kuò)展機(jī)架，相當(dāng)高的安裝密度。 用于與 simatic 其他產(chǎn)品相連的接口，集成了 mmi(人機(jī)界面)設(shè)備， 用戶友好的 windows step7 編程，使得 s7-3

21、00 成為對(duì)未來(lái)的安全投資。 2.1.1 cpu 模塊 s7-300 plc 有 cpu 312ifm、cpu 314、cpu 314ifm、cpu 315/315- 2dp、cpu 316-2dp、cpu 318-2dp 等 8 種不同的處理單元可供選擇。cpu 314ifm 帶有集成的數(shù)字和模擬輸入/輸出模塊的緊湊型 cpu，用于要求快速反應(yīng) 和特殊功能的裝備。cpu 313、cpu 314、cpu 315 模塊上不帶集成的 i/o 端口， 其存儲(chǔ)容量、指令速度、可擴(kuò)展的 i/o 點(diǎn)數(shù)、計(jì)時(shí)器/定時(shí)器數(shù)量、軟件塊數(shù)量隨 序號(hào)的遞增而增加。cpu 315-2dp、cpu 316-2dp、cp

22、u 318-2dp 都具有現(xiàn)場(chǎng)總 線擴(kuò)展功能。 系統(tǒng)選用的 cpu 模塊為 cpu 314。 s7-300 的 cpu 模塊的方式選擇開關(guān)都一樣，有 4 種工作方式，通過(guò)可卸的專 用鑰匙控制選擇。 1)run-p：可編程運(yùn)行方式。cpu 掃描用戶程序，既可以用編程裝置從 cpu 中讀出，也可以由編程裝置裝入 cpu 中，用編程裝置可以監(jiān)控程序的運(yùn)行。 在此位置鑰匙不能拔出。 2)run：運(yùn)行方式。cpu 不掃描用戶程序，可以用變成裝置讀出并監(jiān)控 plc 的 cpu 中的程序，但不能改變裝置存儲(chǔ)器中的程序。在此位置可以拔出鑰匙， 防止程序正常運(yùn)行時(shí)被改變操作方式。 3)stop：停止方式。cpu

23、 不掃描用戶程序，可以通過(guò)編程裝置從 cpu 中讀 出，也可以下載程序到 cpu 中。在此位置可以拔出鑰匙。 4)mers：該位置瞬間接通，用以清除 cpu 存儲(chǔ)器。cpu 模塊面板上有 6 個(gè) led 指示燈，顯示運(yùn)行狀態(tài)和故障。 2.1.2 模擬量輸入模塊 系統(tǒng)中從檢測(cè)裝置過(guò)來(lái)的模擬量需經(jīng)過(guò) a/d 轉(zhuǎn)換才能輸入到 cpu 處理，這 就要求 plc 有模擬量輸入處理模塊。 sm 331 模擬量輸入 簡(jiǎn)稱模入(ai) 模塊目前有三種規(guī)格型號(hào)，即位128ai 模塊、位模塊和位模塊。系統(tǒng)選用了位模入模塊，其端168ai122ai128ai 子接線圖如圖 2-1 所示。 圖 2-1 sm 331

24、端子接線圖 sm 331 模入模塊主要由 a/d 轉(zhuǎn)換部件、模擬切換開關(guān)、補(bǔ)償電路、恒流源、 光電隔離元件、邏輯電路組成。a/d 轉(zhuǎn)換部件是模塊的核心，其轉(zhuǎn)換原理采用積 分方法。被測(cè)模擬量的精度是所設(shè)定的積分時(shí)間的正函數(shù)。sm 331 可選用 4 檔積 分時(shí)間：2.5、16.7、20 和 100ms，相對(duì)應(yīng)的以位表示的精度： 8、12、12、14。sm 331 的 8 個(gè)模擬量輸入通道共用一個(gè)積分式 a/d 轉(zhuǎn)換部件。 某一通道開始轉(zhuǎn)換模擬量輸入值起到再次開始轉(zhuǎn)換的時(shí)間是模入模塊的循環(huán)時(shí)間。 sm 331 的每?jī)蓚€(gè)輸入通道構(gòu)成一個(gè)輸入通道組，可以按通道組任意選擇測(cè)量 方法和測(cè)量范圍。模塊上需要

25、接 24v 的直流電壓 l+，有反接保護(hù)作用。不用的通 道要在組態(tài)軟件中屏蔽掉，以免受干擾。 2.1.3 模擬量輸出模塊 經(jīng)過(guò) cpu 處理后的結(jié)果是數(shù)字量，而執(zhí)行機(jī)構(gòu)能接收的信號(hào)是模擬信號(hào)，這 就要求 plc 配有模擬量輸出模塊。 sm 332 模擬量輸出簡(jiǎn)稱模出(ao)模塊目前有 3 種規(guī)格型號(hào)：位模124ao 塊、位模塊和位模塊。系統(tǒng)選用的模出模塊，其端子122ao164ao124ao 接線圖如圖 2-2 所示。 圖 2-2 sm 332 位模入模塊端子接線圖124ao sm 332 可以輸出電壓，也可以輸出電流。在輸出電壓時(shí)，可以采用 2 線回路 和 4 線回路與負(fù)載連接。4 線回路的

26、精度高，因此采用 4 線回路，它與負(fù)載的接 線如圖 2-3 所示。 圖 2-3 通過(guò) 4 線回路將負(fù)載與隔離的模出模塊連接 2.1.4 電源模塊 ps 307 電源模塊是西門子公司為 s7-300 專配的 dc24v 電源，ps 307 系列模 塊除輸出額定電流不同外(有 2、5、10a)，其工作原理和參數(shù)都一樣。系統(tǒng)選用 5a 的電源模塊。 ps 307 5a 模塊基本電路如圖 2-4 所示。ps 307 5a 模塊的輸入接單相交流系 統(tǒng)，輸入電壓 120/230v，50/60hz，在輸入和輸出之間有可靠的隔離。輸出電壓 允許范圍 20()v，最大上升時(shí)間 2.5s，最大殘留紋波 150mv

27、，ps 307 可安裝%5 在導(dǎo)軌上，除了給 s7-300 供電，也可給 i/o 模塊提供負(fù)載電源。 圖 2-4 ps 307 電源模塊(10a)基本電路圖 2.2 控制對(duì)象特性控制對(duì)象特性 2.2.1 一階單容上水箱特性 單容水箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 2-5 所示，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥由 s7-300plc 手動(dòng)輸出，通 圖 2-5 上水箱液位控制系統(tǒng)原理圖 過(guò)階躍響應(yīng)測(cè)試確定系統(tǒng)的對(duì)象模型的各參數(shù)。階躍響應(yīng)測(cè)試法是系統(tǒng)在開環(huán)運(yùn) 行條件下，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，通過(guò)調(diào)節(jié)器或其他操作器，手動(dòng)改變對(duì)象的輸入信號(hào) (階躍信號(hào))。同時(shí)，記錄對(duì)象的輸出數(shù)據(jù)或階躍響應(yīng)曲線，然后根據(jù)已給定對(duì)象模 型的結(jié)構(gòu)形式，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理

28、，決定模型中各參數(shù)。 由階躍響應(yīng)確定一階過(guò)程參數(shù)有兩種方法，一種是直角坐標(biāo)圖解法，一種是 半對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖解法。畢業(yè)設(shè)計(jì)運(yùn)用直角坐標(biāo)圖解法確定系統(tǒng)一階系統(tǒng)的參數(shù)。系 統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線如圖 2-6 所示，t=0 時(shí)曲線斜率最大，之后斜率減小，逐漸上升 到穩(wěn)態(tài)值 h()，該曲線可用一階有時(shí)延環(huán)節(jié)來(lái)近似。 圖 2-6 一階系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線 2.2.2 二階雙容下水箱對(duì)象特性 二階雙容水箱的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 2-9。這是由兩個(gè)一階非周期慣性環(huán)節(jié)串聯(lián) 圖 2-9 上水箱下水箱系統(tǒng)圖 起來(lái)的，被調(diào)量是第二水槽的水位 h2。當(dāng)輸入量有一個(gè)階躍增加 q1時(shí)。被調(diào)量 變化的反應(yīng)曲線如圖 2-10 所示的 h2曲線。它

29、不再是簡(jiǎn)單的指數(shù)曲線，而是呈 圖 2-10 被調(diào)量變化的反映曲線 s 型的一條曲線。由于多了一個(gè)容器，就使調(diào)節(jié)對(duì)象的飛升特性在時(shí)間上更加落 后一步。在圖中 s 型曲線的拐角 p 上作切線，它在時(shí)間軸上截出一段時(shí)間 oa， 這段時(shí)間可以近似地衡量由于多了一個(gè)容量而使飛升過(guò)程向后推遲的程度，因此 稱容量滯后，通常以 c代表之。 第 3 章 pid 控制算法介紹 3.1 pid 控制算法控制算法 典型的 pid 模擬控制系統(tǒng)如圖 3-1 所示。圖中是給定值，為反饋量，tsptpv 為系統(tǒng)輸出量，pid 控制器的輸入輸出關(guān)系式為：tc (3-1) initiald t i c mdtdetedt t

30、ektm / 1 0 即輸出=比例項(xiàng)+積分項(xiàng)+微分項(xiàng)+輸出初始值，式中，是控制器的輸出，)(tm 誤差信號(hào), initial m是回路輸出的初始值，是 pid 回路的增益，tpvtspte c k 和分別是積分時(shí)間和微分時(shí)間常數(shù)。 i t d t 式(3-1)中等號(hào)右邊前 3 項(xiàng)分別是比例、積分、微分部分，它們分別與誤差、 誤差的積分和微分成正比。如果取其中的一項(xiàng)或兩項(xiàng)，可以組成 p、pd 或 pi 控 制器。需要較好的動(dòng)態(tài)品質(zhì)和較高的穩(wěn)態(tài)精度時(shí)，可以選用 pi 控制方式；控制對(duì) 3-1 模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng) 象的慣性滯后較大時(shí)，應(yīng)選擇 pid 控制方式。圖 3-2 所示分別為當(dāng)設(shè)定值由 0 突

31、 變到 1 時(shí)，在比例(p)作用、比例積分(pi)作用和比例積分微分(pid)作用下，被調(diào) 量 t(s)變化的過(guò)渡過(guò)程?？梢钥闯霰壤e分微分作用效果為最佳，能迅速地使 t(s)達(dá) 到設(shè)定值 1。比例積分作用則需要稍長(zhǎng)的時(shí)間。比例作用則最終達(dá)不到設(shè)定值， 而有余差。 圖 3-2 p、pi、pid 調(diào)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線 為了方便計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)pid控制算式，必須把微分方程式(3-1)改寫成差分，作如 下的近似，即 (3-2) n j t jteedt 0 0 )( (3-3) t nene dt de) 1()( 其中t為控制周期，n為控制周期序號(hào)(n=0，1，2，)，e(n-1)和e(n)分別為 第(

32、n-1)和第n控制周期所得的偏差。將式(3-2)和式(3-3)代入式(3-1)中可得差分方程 (3-4) initial d n j i c mnene t t je t t neknm ) 1()()()()( 0 其中m(n)為第n時(shí)刻的控制量。如果控制周期t與被控對(duì)象時(shí)間常數(shù)td比較是相對(duì) 小的，那么這種近似是合理的，并與連續(xù)控制十分接近。 1. 位置型算法 系統(tǒng)中的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)動(dòng)作是連續(xù)的，任何輸出控制量m都對(duì)應(yīng)于調(diào)節(jié) 閥的位置。由式(3-4)可知，數(shù)字pid控制器的輸出控制量m(n)也和閥門位置對(duì)應(yīng)， 所以式(3-4)即是位置型算式。 數(shù)字pid控制器的輸出控制量m(n)送給d/

33、a轉(zhuǎn)換器，它首先將m(n)保存起來(lái)， 再把m(n)轉(zhuǎn)換成模擬量(420madc)，然后作用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)，直到下一個(gè)控制時(shí) 刻到來(lái)為止，因此d/a轉(zhuǎn)換器具有零階保持器的功能。 因?yàn)橛?jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)位置型算式不夠方便，這是因?yàn)橐奂悠頴(j)，不僅要占用 較多的存儲(chǔ)單元，而且不便于編程，為須此改進(jìn)式(3-4)。 2. 增量型算式 第(n-1)時(shí)刻控制量m(n1)，即 (3-5) initial d n j i c mnene t t je t t neknm )2() 1()() 1()( 1 0 將式(210)減式(211)得n時(shí)刻控制量的增量m(n)為 initialdic initial d i

34、c mnenenekneknenek mnenene t t ne t t neneknm )2() 1(2)()() 1()( )2() 1(2)()() 1()()( (3-6) 其中 稱為比例增益 1 c k 稱為積分系數(shù) i ci t t kk 稱為微分系數(shù) t t kk d cd 式(3-6)中的m(n)對(duì)應(yīng)于第 時(shí)刻閥門位置的增量，故稱此式為增量型算式。n 因此第n時(shí)刻的實(shí)際控制量為 (3-7)() 1()(nmnmnm 其中m(n1)為第(n1)時(shí)刻的控制量。 計(jì)算m(n)和m(n)要用到第(n1)，(n2)時(shí)刻的歷史數(shù)據(jù)e(n1)，e(n2)和 m(n1)，這三個(gè)歷史數(shù)據(jù)也已在

35、前時(shí)刻存于內(nèi)存儲(chǔ)器中。采用平移法保存這些數(shù) 據(jù)。采用增量型算式計(jì)算m(n)的優(yōu)點(diǎn)是:編程簡(jiǎn)單，歷史數(shù)據(jù)可以遞推使用，占用 存儲(chǔ)單元少，運(yùn)算速度快。 3.2 pid 調(diào)節(jié)的各個(gè)環(huán)節(jié)及其調(diào)節(jié)過(guò)程調(diào)節(jié)的各個(gè)環(huán)節(jié)及其調(diào)節(jié)過(guò)程 水箱液位控制系統(tǒng)目前主要采用pid(比例積分微分)控制方式，這種方式，對(duì) 不同的控制對(duì)象要用不同的pid參數(shù)。 3.2.1 比例控制與其調(diào)節(jié)過(guò)程 比例作用實(shí)際上是一種線性放大(縮小) 功能。比例調(diào)節(jié)的顯著特點(diǎn)是有差調(diào) 節(jié)，如果采用比例調(diào)節(jié)，則在負(fù)荷的擾動(dòng)下調(diào)節(jié)過(guò)程結(jié)束后，被調(diào)量不可能與設(shè) 定值準(zhǔn)確相等，它們之間一定有殘差。采樣偏差一旦產(chǎn)生,控制器立即產(chǎn)生正比于 偏差大小的控制作用

36、,使被調(diào)量朝誤差減小方向變化,其作用大小通過(guò)比例增益度量,比 例增益大時(shí)響應(yīng)速度快,穩(wěn)態(tài)誤差小,但會(huì)產(chǎn)生較大的超調(diào)或產(chǎn)生不穩(wěn)定,而過(guò)小 c k 會(huì)使響應(yīng)速度緩慢,調(diào)節(jié)時(shí)間加長(zhǎng),調(diào)節(jié)精度降低。 在比例調(diào)節(jié)中調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)m(n)與偏差信號(hào)e成比例，比例系數(shù)為kc，稱 為比例增益。在過(guò)程控制中習(xí)慣用增益的倒數(shù)表示調(diào)節(jié)器的輸入與輸出之間的比 例關(guān)系，即 （3-8)em 1 稱為比例帶。具有重要的物理意義。如果m直接代表調(diào)節(jié)閥開度的變化量， 那么就代表使調(diào)節(jié)閥開度改變100%即從全關(guān)到全開時(shí)所需要的被調(diào)量的變化范 圍。根據(jù)p調(diào)節(jié)器的的輸入輸出測(cè)試數(shù)據(jù)，很容易確定它的比例帶的大小。 比例調(diào)節(jié)的殘差隨比

37、例帶的加大而加大，從這方面考慮，人們希望盡量減小 比例帶。然而，減小比例帶就等于加大調(diào)節(jié)系統(tǒng)的開環(huán)增益，其后果是導(dǎo)致系統(tǒng) 激烈振蕩甚至不穩(wěn)定。穩(wěn)定性是任何閉環(huán)控制的首要要求，比例帶的設(shè)置必需保 證系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定裕度。很大意味著調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作幅度很小，因此被調(diào)量 的變化比較平穩(wěn)，甚至沒(méi)有超調(diào)，但殘差很大，調(diào)節(jié)時(shí)間也很長(zhǎng)；減小就加大 了調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作幅度，引起被調(diào)量來(lái)回波動(dòng)，但系統(tǒng)仍可能是穩(wěn)定的，殘差相應(yīng) 減小。有一個(gè)臨界值，此時(shí)系統(tǒng)處于穩(wěn)定邊界的情況，進(jìn)一步減小系統(tǒng)就不 穩(wěn)定了。的臨界值可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定。 3.2.2 比例積分調(diào)節(jié) 積分作用則是一種記憶,對(duì)誤差進(jìn)行累積,有利于消除靜差。但積分作用

38、如果太 強(qiáng),會(huì)引起較大超調(diào)或振蕩,且在實(shí)際當(dāng)中會(huì)經(jīng)常碰到積分飽和現(xiàn)象。在i調(diào)節(jié)中， 調(diào)節(jié)器的輸出與偏差信號(hào)的積分成正比。i調(diào)節(jié)的特點(diǎn)是無(wú)差調(diào)節(jié)，與p調(diào)節(jié)的有 差調(diào)節(jié)成鮮明對(duì)比。只有當(dāng)偏差e為零時(shí)，i調(diào)節(jié)器的輸出才會(huì)保持不變。然而與 此同時(shí)，調(diào)節(jié)器的輸出卻可以停在任何值上。這意味著被控對(duì)象在負(fù)荷擾動(dòng)下的 調(diào)節(jié)過(guò)程后，被調(diào)量沒(méi)有殘差，而調(diào)節(jié)閥可以停在新的負(fù)荷所要求的開度上。 pi調(diào)節(jié)就是綜合p、i兩種調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)，利用p調(diào)節(jié)快速抵消干擾，同時(shí)利用i 調(diào)節(jié)消除余差。pi調(diào)節(jié)引入積分動(dòng)作帶來(lái)消除系統(tǒng)殘差的同時(shí)，卻降低了原有系 統(tǒng)的穩(wěn)定性。為保持控制系統(tǒng)原來(lái)的衰減率，pi調(diào)節(jié)器的比例帶必須適當(dāng)加大。 所以

39、pi調(diào)節(jié)是在稍微犧牲控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)以換取較好的穩(wěn)態(tài)性能。在比例帶 不變的情況下，減小積分時(shí)間，將使系統(tǒng)穩(wěn)定性降低、振蕩加劇、調(diào)節(jié)過(guò)程加快、 振蕩頻率升高。 3.2.3 比例積分微分調(diào)節(jié) 微分作用主要是用來(lái)產(chǎn)生提前的控制作用,改善動(dòng)態(tài)特性, 減小調(diào)整時(shí)間,使系 統(tǒng)易于穩(wěn)定。以上的比例調(diào)節(jié)和積分調(diào)節(jié)都是根據(jù)當(dāng)時(shí)的偏差方向和大小進(jìn)行調(diào) 節(jié)的，不管被控對(duì)象中流入流出量之間有多大的不平衡，而這個(gè)不平衡正決定著 此后被調(diào)量將如何變化的趨勢(shì)。 由于被調(diào)量的變化速度(包括大小和方向)可以反映當(dāng)時(shí)或稍前一些時(shí)間流入、 流出量間的不平衡情況，因此，如果調(diào)節(jié)器能夠根據(jù)被調(diào)量的變化速度來(lái)移動(dòng)調(diào) 節(jié)閥，而不要等被調(diào)

40、量已經(jīng)出現(xiàn)較大的偏差后才開始動(dòng)作，那么調(diào)節(jié)的效果將會(huì) 更好，等于賦予調(diào)節(jié)器以某種預(yù)見性，這種調(diào)節(jié)動(dòng)作稱為微分調(diào)節(jié)。單純微分的 調(diào)節(jié)器是不能工作的，這是因?yàn)閷?shí)際的調(diào)節(jié)器都有一定的失靈區(qū)，如果被控對(duì)象 的流入、流出量只相差很少以致被調(diào)量只以調(diào)節(jié)器不能察覺(jué)的速度緩慢變化時(shí)， 調(diào)節(jié)器并不會(huì)動(dòng)作。當(dāng)時(shí)經(jīng)過(guò)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間后，被調(diào)量偏差卻可以積累到相當(dāng)大 的數(shù)字而得不到校正。這種情況是不被容許的。因此微分調(diào)節(jié)只能起輔助的調(diào)節(jié) 作用，它可以與其它調(diào)節(jié)動(dòng)作結(jié)合成 pd 和 pid 調(diào)節(jié)動(dòng)作。 3.3 串級(jí)控制串級(jí)控制 在大多數(shù)情況下，單回路控制系統(tǒng)能夠滿足工藝生產(chǎn)的基本要求。但是在有 些情況下，例如有些被控過(guò)程的

41、動(dòng)特性決定了它很難控制，又例如有些工藝過(guò)程 對(duì)控制質(zhì)量的要求很高，此時(shí)單回路控制系統(tǒng)就滿足不了要求，需要開發(fā)和運(yùn)用 新的控制系統(tǒng)，以進(jìn)一步提高控制質(zhì)量。 對(duì)于過(guò)程控制系統(tǒng)裝置，雙級(jí)水箱液位控制比單級(jí)水箱液位控制困難，會(huì)遇到 許多的問(wèn)題，滯后時(shí)間比較長(zhǎng)，對(duì)于環(huán)境的變化多少會(huì)受一定的影響，如想要好 的控制效果就要引入新的控制系統(tǒng)，運(yùn)用單回路控制系統(tǒng)來(lái)控制是不能達(dá)到控制 精度和要求。串級(jí)控制系統(tǒng)、前饋補(bǔ)償控制、大時(shí)延預(yù)估控制等一類較為復(fù)雜的 控制系統(tǒng)就是適應(yīng)上述要求而產(chǎn)生的。 串級(jí)控制系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)框圖如圖 3-3 所示。 圖 3-3 一般串級(jí)控制系統(tǒng)框圖 串級(jí)控制系統(tǒng)與簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的顯著區(qū)別是，串

42、級(jí)控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上形成兩 個(gè)閉環(huán)，一個(gè)閉環(huán)在里面，稱為副環(huán)(或副回路)，它的輸出送往調(diào)節(jié)閥直接控制生 產(chǎn)過(guò)程。串級(jí)控制只多了一個(gè)測(cè)量變送器，增加的儀表并不多，而控制效果卻得 到了顯著的改善。 串級(jí)控制特點(diǎn)及應(yīng)用范圍是： 特點(diǎn)： (1)能夠迅速克服進(jìn)入副回路的干擾，抗干擾能力強(qiáng)，控制質(zhì)量強(qiáng)； (2)改善過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的工作頻率； (3)對(duì)負(fù)荷和操作條件的變化適應(yīng)性強(qiáng)； 應(yīng)用范圍： (1)應(yīng)用于容量滯后較大的過(guò)程； (2)應(yīng)用于純時(shí)延較大的過(guò)程； (3)應(yīng)用于干擾變化激烈的而且幅度大的過(guò)程； (4)應(yīng)用于參數(shù)互相關(guān)聯(lián)的過(guò)程； (5)應(yīng)用于非線性過(guò)程； 采用串級(jí)可以大大提高調(diào)節(jié)品質(zhì)。在上

43、水箱下水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)中， 用上水箱的液位來(lái)控制調(diào)節(jié)閥，然后再用下水箱液位來(lái)修正上水箱的給定值?？?制方框圖如圖3-4所示。由圖可以看出，上水箱的擾動(dòng)包括在副環(huán)內(nèi)，可以減小這 個(gè)擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響。 圖3-4 上水箱下水箱液位控制系統(tǒng)框圖 串級(jí)系統(tǒng)和簡(jiǎn)單系統(tǒng)有一個(gè)顯著的區(qū)別，即其在結(jié)構(gòu)上形成了兩個(gè)閉環(huán)。一 個(gè)閉環(huán)在里面，被稱為副環(huán)或者副回路，在控制中起著粗調(diào)的作用；一個(gè)環(huán)在外 面，被稱為主環(huán)或主回路，用來(lái)完成細(xì)調(diào)任務(wù)，以最終保證被調(diào)量滿足工藝要求。 系統(tǒng)有兩個(gè)調(diào)節(jié)器，主調(diào)節(jié)器具有自己獨(dú)立的設(shè)定值，它的輸出作為副調(diào)節(jié)器的 設(shè)定值，而副調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)則被送到調(diào)節(jié)閥去控制生產(chǎn)過(guò)程。 3.4 擴(kuò)充

44、臨界比例法擴(kuò)充臨界比例法 要使 pid 控制取得好的效果，關(guān)鍵是選定 pid 控制參數(shù)。要選定這些參數(shù)， 首先要對(duì)這些參數(shù)的物理意義有所了解。 pid 控制參數(shù)的整定是先確定采樣周期 t，再比例系數(shù) kc，然后為積分常數(shù) ti，再就是微分常數(shù) td。而且這些參數(shù)選定，多都是憑經(jīng)驗(yàn)，在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試中具體 確定。一般是，先取一組數(shù)據(jù)，將系統(tǒng)投運(yùn)，然后對(duì)系統(tǒng)加一定擾動(dòng)，如改變?cè)O(shè) 定值，再觀察調(diào)節(jié)量的變化過(guò)程，若得不到滿意的性能，則重選一組數(shù)據(jù)。反復(fù) 調(diào)試直到滿意為止。在設(shè)計(jì)中用到一種在工程中廣泛應(yīng)用的擴(kuò)充臨界比例法來(lái)整 定 pid 參數(shù),它是一種基于系統(tǒng)臨界振蕩參數(shù)的閉環(huán)整定法。這種方法實(shí)質(zhì)上是模 擬調(diào)

45、節(jié)器中采用的穩(wěn)定邊界法的推廣，用來(lái)整定離散 pid 算式中的 t、kc、ti和 td參數(shù)。下面就對(duì)擴(kuò)充臨界比例法進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。 擴(kuò)充臨界比例法的具體方法如下： （1） 選擇一個(gè)足夠短的采樣周期。一般來(lái)說(shuō)，應(yīng)小于對(duì)象延遲時(shí) min t min t 間 的 1/10。 （2） 令系統(tǒng)為純比例控制，逐漸加大比例增益 kc(縮小比例帶)，使系統(tǒng) 出現(xiàn)等幅振蕩，此時(shí)的比例增益為臨界比例增益(對(duì)應(yīng)臨界比例帶),值為 cr k cr 1900，振蕩周期稱為臨界振蕩周期，值為 30s。 cr t （3） 選擇控制度?？刂贫染褪且阅M調(diào)節(jié)器為基礎(chǔ)，定量衡量系統(tǒng)與模擬 調(diào)節(jié)器對(duì)同一對(duì)象的控制效果?？刂菩Ч脑u(píng)價(jià)

46、函數(shù)通常采用(最小 0 2 )(mindtte 誤差平方面積)，那么 ana ddc ana ddc ise ise dtte dtte )min( )min( )(min )(min 0 2 0 2 控制度 式中下標(biāo) ddc 和 ana 分別表示直接數(shù)字控制系統(tǒng)和模擬調(diào)節(jié)器控制。ddc 系統(tǒng) 的控制品質(zhì)要低于模擬系統(tǒng)的控制品質(zhì)，即控制度總是大于 1，且控制度越大， 相應(yīng)的 ddc 系統(tǒng)控制品質(zhì)越差。從提高系統(tǒng)控制品質(zhì)出發(fā)，控制度可選小些，但 就系統(tǒng)的穩(wěn)定性看，控制度宜選大些。在本系統(tǒng)中控制度選為 1.20。 4)根據(jù)選定的控制度，查表 3-1，計(jì)算 =3s，=893，=14.1s，=4.8s

47、。t c k i t d t 5) 按所求的系統(tǒng)參數(shù)運(yùn)行，觀察系統(tǒng)的運(yùn)行情況，得到一個(gè)滿意的曲線。 3.5 在在 plc 中的中的 pid 控制的編程控制的編程 第 4 章 控制方案設(shè)計(jì) 畢業(yè)設(shè)計(jì)的課題的液位控制系統(tǒng)原理圖如圖 2-1 和 2-5 所示。因?yàn)橛袃蓚€(gè)水箱， 所以把它分成兩個(gè)部分來(lái)分別設(shè)計(jì)。 4.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4.1.1 上水箱液位的自動(dòng)調(diào)節(jié) 在這個(gè)部分中控制的是上水箱的液位。系統(tǒng)原理圖如圖 2-5 所示。單相泵正 常運(yùn)行，打開閥 1 和閥 2，打開上水箱的出水閥，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥以一定的開度來(lái)控 制進(jìn)入水箱的水流量，調(diào)節(jié)手段是通過(guò)將壓力變送器檢測(cè)到的電信號(hào)送入 plc 中， 經(jīng)

48、過(guò) a/d 變換成數(shù)字信號(hào)，送入數(shù)字 pid 調(diào)節(jié)器中，經(jīng) pid 算法后將控制量經(jīng)過(guò) d/a 轉(zhuǎn)換成與電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開度相對(duì)應(yīng)的電信號(hào)送入電動(dòng)調(diào)節(jié)閥中控制通道中的水 流量。 當(dāng)上水箱的液位小于設(shè)定值時(shí)，壓力變送器檢測(cè)到的信號(hào)小于設(shè)定值，設(shè)定 值與反饋值的差就是 pid 調(diào)節(jié)器的輸入偏差信號(hào)。經(jīng)過(guò)運(yùn)算后即輸出控制信號(hào)給 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，使其開度增大，以使通道里的水流量變大，增加水箱里的儲(chǔ)水量， 液位升高。當(dāng)液位升高到設(shè)定高度時(shí)，設(shè)定值與控制變量平衡，pid 調(diào)節(jié)器的輸 入偏差信號(hào)為零，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥就維持在那個(gè)開度，流量也不變，同時(shí)水箱的液位 也維持不變。 系統(tǒng)的控制框圖如圖 4-1 所示。其中 sp 為

49、給定信號(hào)，由用戶通過(guò)計(jì)算機(jī)設(shè)定， pv 為控制變量，它們的差是 pid 調(diào)節(jié)器的輸入偏差信號(hào)，經(jīng)過(guò) plc 的 pid 程序 運(yùn)算后輸出，調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò) plc 的 d/a 轉(zhuǎn)換成 420ma 的模擬電信號(hào)后 輸出到電動(dòng)調(diào)節(jié)閥中調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥的開度，以控制水的流量，使水箱的液位保持設(shè) 定值。水箱的液位經(jīng)過(guò)壓力變送器檢測(cè)轉(zhuǎn)換成相關(guān)的電信號(hào)輸入到 plc 的輸入接 口，再經(jīng)過(guò) a/d 轉(zhuǎn)換成控制量 pv，給定值 sp 與控制量 pv 經(jīng)過(guò) plc 的 cpu 的 減法運(yùn)算成了偏差信號(hào) e ,又輸入到 pid 調(diào)節(jié)器中，又開始了新的調(diào)節(jié)。所以系統(tǒng) 能實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)水箱的液位。 圖 4-1 上水箱液位自

50、動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制框圖 4.2 硬件設(shè)計(jì)硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)包括檢測(cè)單元、執(zhí)行單元和控制單元的設(shè)計(jì)，他們互相連接， 組成一個(gè)完整的系統(tǒng)。 4.2.1 檢測(cè)單元 在過(guò)程控制系統(tǒng)中，檢測(cè)環(huán)節(jié)是比較重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。液位是指密封容器或 開口容器中液位的高低，通過(guò)液位測(cè)量可知道容器中的原料、半成品或成品的數(shù) 量，以便調(diào)節(jié)流入流出容器的物料，使之達(dá)到物料的平衡，從而保證生產(chǎn)過(guò)程順 利進(jìn)行。設(shè)計(jì)中涉及到液位的檢測(cè)和變送，以便系統(tǒng)根據(jù)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)來(lái)調(diào)節(jié)通 道中的水流量，控制水箱的液位。 液位變送器分為浮力式、靜壓力式、電容式、應(yīng)變式、超聲波式、激光式、 放射性式等。系統(tǒng)中用到的液位變送器是浙江浙大中控自動(dòng)化儀

51、表有限公司生產(chǎn) 的中控儀表 sp0018g 壓力變送器，屬于靜壓力式液位變送器，量程為 010kpa， 精度為，由 24v 直流電源供電，可以從 plc 的電源中獲得，輸出為%0 . 1 420ma 直流，接線如圖 4-3 所示。 圖 4-3 壓力變送器的接線圖 接線說(shuō)明：傳感器為二線制接法，它的端子位于中繼箱內(nèi)，電纜線從中繼箱 的引線口接入，直流電源 24v+接中繼箱內(nèi)正端(+)，中繼箱內(nèi)負(fù)端()接負(fù)載電阻 的一端，負(fù)載電阻的另一端接 24v-。傳感器輸出 420ma 電流信號(hào)，通過(guò)負(fù)載電 阻 250 轉(zhuǎn)換成 15v 電壓信號(hào)。 零點(diǎn)和量程調(diào)整： 零點(diǎn)和量程調(diào)整電位器位于中繼箱內(nèi)的另一側(cè)。校

52、正時(shí)打開中繼箱蓋，即可 進(jìn)行調(diào)整，左邊的(z)為調(diào)零電位器，右邊的(r)為調(diào)增益電位器。 圖 4-4 壓力變送器工作原理圖 壓力變送器的工作原理見圖 4-4。大氣壓力為 pa，選定的零液位處壓力為 pb，零液位至液面高度為 h，其產(chǎn)生的壓差 p 為 (4-1)ghppp ab 式中， 為水的密度，g 為重力加速度。根據(jù)式(4-1)，利用壓力變送器將 pb轉(zhuǎn)換 成 dc420ma 統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)送入 plc 中，便得知被測(cè)的液位。 4.2.2 執(zhí)行單元 執(zhí)行單元是構(gòu)成自動(dòng)控制系統(tǒng)不可缺少的重要組成環(huán)節(jié)，它接受來(lái)自調(diào)節(jié)單 元的輸出信號(hào)，并轉(zhuǎn)換成直角位移或轉(zhuǎn)角位移，以改變調(diào)節(jié)閥的流通面積，從而 控制流入或流出被控過(guò)程的物料或能量實(shí)現(xiàn)過(guò)程參數(shù)的自動(dòng)控制。 執(zhí)行器的工作原理見圖 4-5，由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(調(diào)節(jié)閥)兩部分組成。 圖 4-5 執(zhí)行器的工作原理圖 執(zhí)行機(jī)構(gòu)首先將來(lái)自調(diào)節(jié)器的信號(hào)轉(zhuǎn)變成推力或位移，對(duì)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(調(diào)節(jié)閥)根據(jù)執(zhí) 行機(jī)構(gòu)的推力或位移，改變調(diào)節(jié)閥的閥芯或閥座間的流通面積，以達(dá)到最終調(diào)節(jié) 被控介質(zhì)的目的。由