畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書-基于plc與組態(tài)王軟件三容水箱研究

畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書_基于plc與組態(tài)王軟件三容水箱研究畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書基于plc與組態(tài)王軟件三容水箱研究摘要三容水箱是較為典型的非線性時(shí)延對象工業(yè)上許多被控對象的整體或局部都可以抽象成三容水箱的數(shù)學(xué)模型具有很強(qiáng)的代表性和工業(yè)背景研究三容水箱的建模及控制具有重要的理論意義及實(shí)際應(yīng)用價(jià)值本文利用組態(tài)王軟件對水箱液位實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)及測試具體介紹了該系統(tǒng)的組成上位機(jī)界面的設(shè)計(jì)和測試的結(jié)果實(shí)踐證明該系統(tǒng)圖形界面友好運(yùn)行穩(wěn)定操作方便提高了監(jiān)控的質(zhì)量在實(shí)驗(yàn)時(shí)主要利用PID控制三容水箱采取采用臨界比例度法整定PID控制器參數(shù)上位監(jiān)控部分由三維力控組態(tài)軟件設(shè)計(jì)構(gòu)成可以實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)工作的實(shí)時(shí)監(jiān)控并顯示速度曲線關(guān)鍵詞組態(tài)王水箱液位監(jiān)控系統(tǒng)三容水箱模糊PID控制

AbstractThree-tankwaterisatypicalnon-linearanddelayedplantwhichhasaverystrongbackgroundofindustryforthewholeorpartofmanycontrolledobjectscanbeextractedasmathematicmodelofthree-tankwaterResearchonmodelingandcontrolofthethree-tankwaterhasafartheoreticalsignificanceandpracticalvalueInthispaperthewatertankfluidpositioncontrolsystemisdesignedandtestedusingKingviewThestructureofthissystemthedesignofHMIandtheresultofexperimentareintroducedinthepaper．Itisproventhatthissystemhavefeaturesinfriendlyinterfacerunningsteadilyeasytooperateandimprovedcontrolquality．InthispaperthedesignisthemainPIDcontrolthreeletwatertankweusethecriticalratiocontrolschemetosetthePIDcontrollerparametersuppermonitorsoftwareusingthreedimensionalforcecontrolconfigurationsoftwarewhichcanmakethesystemworkinreal-timeandshowspeedcurvesKeywordsKingviewwatertankfluidpositioncontrolsystemThreeTanksfuzzyPIDcontrol

目錄第1章緒論 1第2章組態(tài)王系統(tǒng) 221組態(tài)王軟件簡介 222液位控制系統(tǒng)和THJ-2型儀表過程控制 323系統(tǒng)制作過程和系統(tǒng)界面概述 3231設(shè)計(jì)圖形界面 4232建立數(shù)據(jù)庫 4233動(dòng)畫連接 4234系統(tǒng)趨勢曲線 5第3章三容水箱系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu) 631三容水箱的原理結(jié)構(gòu) 632三容水箱的操作步驟 7第4章PID控制的理論基礎(chǔ) 741PID控制原理 742三容水箱控制方法 10第5章雙容水箱 1651系統(tǒng)建模 1652運(yùn)動(dòng)分析 1753能控能觀性 2054穩(wěn)定性分析 2155綜合 22第6章三容水箱數(shù)理模型的建立 2461三容水箱數(shù)理模型 2462實(shí)驗(yàn)步驟 2553數(shù)學(xué)模型公式推導(dǎo) 25第7章模型仿真和實(shí)驗(yàn) 2871Simulink仿真 2872仿真結(jié)果 29第8章三容水箱PLC硬件設(shè)置 3081PLC特點(diǎn)概述 3082PLC工作原理 3283PLC組成結(jié)構(gòu) 3384PLC編程 3585力控設(shè)置 3786組態(tài)的動(dòng)態(tài)液位平衡 40總結(jié) 43參考文獻(xiàn) 43致謝 45

第1章緒論自20世紀(jì)30年代以來自動(dòng)化技術(shù)獲得非常驚人的成就已在工業(yè)和國民經(jīng)濟(jì)各行各業(yè)起著關(guān)鍵的作用隨著控制技術(shù)的發(fā)展良好的人機(jī)接口已經(jīng)成為廣大工業(yè)客戶的迫切要求而在工程項(xiàng)目的實(shí)際設(shè)計(jì)中如何提供一個(gè)直觀實(shí)時(shí)有效可靠的人機(jī)接口也日益受到工程人員的高度重視目前主要有兩種方法一是開發(fā)人員用VBVC等語言編寫復(fù)雜的程序從底層開發(fā)開發(fā)周期長通用性差二是用工控組態(tài)軟件進(jìn)行開發(fā)組態(tài)軟件能提供一個(gè)友好的界面易于操作圖形豐富形象實(shí)時(shí)性好開發(fā)周期短因此目前大多數(shù)工程項(xiàng)目都采用后種方法組態(tài)軟件功能強(qiáng)大操作簡單易學(xué)易用普通工程人員經(jīng)過短時(shí)間的培訓(xùn)就能迅速掌握多數(shù)工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和運(yùn)行操作使用組態(tài)軟件能夠避開復(fù)雜的計(jì)算機(jī)軟硬件問題集中精力去解決工程問題本身根據(jù)工程作業(yè)的需要和特點(diǎn)組態(tài)配置出高性能高可靠性和高度專業(yè)化的工業(yè)控制監(jiān)控系統(tǒng)通過完成本課題的設(shè)計(jì)希望達(dá)到以下目的1了解組態(tài)王軟件的應(yīng)用2了解PID控制的基本概念3充分理解PID控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成和工作原理4應(yīng)用PLC和組態(tài)軟件完成三容水箱液位控制實(shí)驗(yàn)5了解三容水箱結(jié)構(gòu)原理操作步驟

第2章組態(tài)王系統(tǒng)組態(tài)王是運(yùn)行在WindowsXPNT2000上的一種開放型的工業(yè)監(jiān)控軟件窗體框架結(jié)構(gòu)采用多線程COM組件等新技術(shù)實(shí)現(xiàn)多時(shí)多任務(wù)控制現(xiàn)已應(yīng)用于化工電力郵電通迅環(huán)保水處理冶金和食品等行業(yè)組態(tài)王軟件包由工程管理器ProjManager工程瀏覽器TouchExplorer畫面開發(fā)系統(tǒng)Touchmak內(nèi)嵌于工程瀏覽器和運(yùn)行系統(tǒng)Touch四部分組成具有動(dòng)畫連接實(shí)時(shí)控制實(shí)時(shí)曲線與歷史曲線報(bào)警功能報(bào)表等功能組態(tài)王內(nèi)置了大量的設(shè)備驅(qū)動(dòng)作為組態(tài)王與外部設(shè)備的通信接口組態(tài)王可通過通迅接口和外部設(shè)備交接數(shù)據(jù)包括采集數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)或指令每一個(gè)驅(qū)動(dòng)都是一個(gè)COM對象這種方式使驅(qū)動(dòng)和組態(tài)王構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)既保證了運(yùn)行系統(tǒng)的高效率也使系統(tǒng)有了很強(qiáng)的擴(kuò)展性國內(nèi)外有很多工控組態(tài)軟件可以供用戶選擇國外的有美國Intellution公司的FIX系列產(chǎn)品澳洲兩雅特公司的CITET這些軟件的研制時(shí)間比較早功能強(qiáng)大但價(jià)格昂貴國內(nèi)的有組態(tài)王和MCGS等這些軟件雖然研制較晚但都吸收了國內(nèi)外監(jiān)控軟件的優(yōu)點(diǎn)而且采用了最先進(jìn)的軟件設(shè)計(jì)思想和技術(shù)在功能上可以和國外的軟件媲美且價(jià)格是國外軟件的三分之一到八分之一它們的升級速度快服務(wù)好且采用中文界面故贏得了日益廣泛的市場目前運(yùn)行在九千例控制工程項(xiàng)目中在電力化工交通機(jī)械過程控制等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用因此本文選用了組態(tài)王6．5軟件設(shè)計(jì)了水箱液位檢測和控制系統(tǒng)該設(shè)計(jì)充分利用了組態(tài)王最強(qiáng)大的功能圖形編輯功能結(jié)合THJ-2型儀表過程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)備的實(shí)際情況制作了多個(gè)控制界面反映了控制現(xiàn)場的狀況設(shè)計(jì)復(fù)雜的動(dòng)畫顯示現(xiàn)場的操作狀態(tài)和數(shù)據(jù)監(jiān)控和記錄各種報(bào)警信息繪制歷史曲線和實(shí)時(shí)曲線反映液位的情況打印報(bào)表和檢索數(shù)據(jù)庫等這樣就避免了操作人員到現(xiàn)場的實(shí)時(shí)監(jiān)視既減少了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度又可以避免意外事故的發(fā)生同時(shí)可進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和網(wǎng)絡(luò)控制21組態(tài)王軟件簡介組態(tài)王軟件是工業(yè)自動(dòng)化軟件的一種是北京亞控科技發(fā)展有限公司的產(chǎn)品本設(shè)計(jì)用的是組態(tài)王65版本組態(tài)王65軟件包由工程瀏覽器TouchExplorer工程管理器ProjManager和畫面運(yùn)行系統(tǒng)TouchVew三部分組成在工程瀏覽器中可以查看工程的各個(gè)組成部分也可以完成數(shù)據(jù)庫的構(gòu)造定義外部設(shè)備等工作工程管理器內(nèi)嵌畫面管理系統(tǒng)用于新工程的創(chuàng)建和已有工程的管理畫面的開發(fā)和運(yùn)行由工程瀏覽器調(diào)用畫面制作系統(tǒng)TOUCHMAK和工程運(yùn)行系統(tǒng)TOUCHVEW來完成的工程瀏覽器和畫面運(yùn)行系統(tǒng)是各自獨(dú)立的Windows應(yīng)用程序均可單獨(dú)使用兩者又相互獨(dú)立在工程瀏覽器的畫面開發(fā)系統(tǒng)中設(shè)計(jì)開發(fā)的畫面應(yīng)用程序必須在畫面運(yùn)行系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境中才可能運(yùn)行信息窗口是一個(gè)獨(dú)立的Windows應(yīng)用程序用來記錄顯示組態(tài)王開發(fā)和運(yùn)行系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)信息TOUCHMAK是應(yīng)用工程的開發(fā)環(huán)境需要在這個(gè)環(huán)境中完成畫面設(shè)計(jì)動(dòng)畫連接等工作TOUCHMAK具有先進(jìn)完善的圖形生成功能數(shù)據(jù)庫提供多種數(shù)據(jù)類型能合理地提取控制對象的特性對變量報(bào)警趨勢曲線過程記錄安全防范等重要功能都有簡潔的操作方法PROJMANAGER是應(yīng)用程序的管理系統(tǒng)PROJMANAGER具有很強(qiáng)的管理功能可用于新工程的創(chuàng)建及刪除并能對已有工程進(jìn)行搜索備份及有效恢復(fù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)詞典的導(dǎo)入和導(dǎo)出22液位控制系統(tǒng)和THJ-2型儀表過程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)備概述本系統(tǒng)用來對水箱運(yùn)行系統(tǒng)進(jìn)行檢測并具有自動(dòng)控制的功能硬件部分為THJ-2型儀表過程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置系統(tǒng)通過智能模塊將液位的檢測量采集到組態(tài)王對應(yīng)變量中由組態(tài)王統(tǒng)一管理給出系統(tǒng)各部分運(yùn)行趨勢報(bào)表及報(bào)警事件并通過與給定的液位設(shè)定比較來控制入水量THJ-2型高級過程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置是基于工業(yè)過程物理模擬對象它集自動(dòng)化儀表技術(shù)計(jì)算機(jī)技術(shù)通訊技術(shù)自動(dòng)控制技術(shù)為一體的多功能實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)包括流量溫度液位壓力等熱工參數(shù)可同其它控制系統(tǒng)一起來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)辨識單回路控制串級控制前饋控制比值控制多變量解耦等各種控制系統(tǒng)本裝置還可根據(jù)用戶的需要設(shè)計(jì)構(gòu)成DDCDCSPLC等各種控制系統(tǒng)該實(shí)驗(yàn)裝置既可作為本科?？聘呗毟邔＿^程控制課程的實(shí)驗(yàn)裝置也可作為研究生及科研人員在復(fù)雜控制系統(tǒng)先進(jìn)控制系統(tǒng)智能化控制系統(tǒng)研究等各方面提供物理模擬對象和實(shí)驗(yàn)平臺THJ一2型高級過程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置集多參數(shù)閉環(huán)控制為一體由過程控制對象智能儀表模塊執(zhí)行器模塊信號檢測模塊等組成各個(gè)模塊間可以靈活組合融合了工業(yè)上的主要控制手段涉及了溫度壓力流量和液位等重要的過程控制參數(shù)23系統(tǒng)制作過程和系統(tǒng)界面概述利用組態(tài)王軟件建立應(yīng)用程序的一般過程如下1設(shè)計(jì)圖形界面2定義設(shè)備3構(gòu)造數(shù)據(jù)庫4建立動(dòng)畫連接5運(yùn)行和調(diào)試因此在用組態(tài)王畫面開發(fā)系編制應(yīng)用程序時(shí)要依據(jù)此過程考慮三個(gè)方面圖形用戶希望怎樣的圖形畫面也就是怎樣用抽象的圖形畫面來模擬實(shí)際的工業(yè)現(xiàn)場和相應(yīng)的工控設(shè)備數(shù)據(jù)怎樣用數(shù)據(jù)來描述工控對象的各種屬性也就是創(chuàng)建一個(gè)具體的數(shù)據(jù)庫此數(shù)據(jù)庫中的變量反映了工控對象的各種屬性比如液位等連接數(shù)據(jù)和圖形畫面中圖素的連接關(guān)系是什么也就是畫面上的圖素以怎樣的動(dòng)畫來模擬現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行以及怎樣操作者輸入控制設(shè)備的指令231設(shè)計(jì)圖形界面根據(jù)水箱液位檢測和控制系統(tǒng)的要求本系統(tǒng)共設(shè)計(jì)了多個(gè)界面例如控制界面歷史趨勢曲線實(shí)時(shí)趨勢曲線報(bào)表等其制作過程不一一介紹這里僅介紹大水箱液位控制實(shí)驗(yàn)控制界面的制作過程在工程瀏覽器中雙擊畫面中的新建則彈出新畫面對話框在畫面名稱中輸入大水箱液位控制實(shí)驗(yàn)在畫面設(shè)置中設(shè)置左邊為5頂邊為5寬度為1014高度為688然后點(diǎn)擊確定按鈕出現(xiàn)一個(gè)畫面點(diǎn)擊調(diào)色板中的窗口色按鈕設(shè)置窗口顏色為暗藍(lán)色應(yīng)用組態(tài)王開發(fā)系統(tǒng)的工具箱和圖庫繪制組態(tài)控制畫面內(nèi)的各個(gè)元器件這樣一個(gè)畫面就完成了232建立數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫是組態(tài)王最核心的部分在組態(tài)王運(yùn)行時(shí)工業(yè)現(xiàn)場的生產(chǎn)狀況要以動(dòng)畫的形式反映在屏幕上同時(shí)工程人員在計(jì)算機(jī)前發(fā)布的指令也要迅速送達(dá)生產(chǎn)現(xiàn)場這一切都是以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫為中介環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)庫是聯(lián)系上位機(jī)和下位機(jī)的橋梁在數(shù)據(jù)庫中存放的是變量的當(dāng)前值變量包括系統(tǒng)變量和用戶定義的變量變量的集合形象的稱為數(shù)據(jù)詞典數(shù)據(jù)詞典記錄了所有用戶可使用的數(shù)據(jù)變量的詳細(xì)信息這里共有16個(gè)變量setopl大水箱液位pvl大水箱液位svlsvlop2ktitdeimxq0qlq2pvxa其中op2變量為IO通訊串口設(shè)備ICP-7024的DA0通道連接的變量a變量為程序標(biāo)志變量set變量為啟動(dòng)儀表指示變量opl變量為計(jì)算的輸出值變量大水箱液位pvl變量為大水箱液位測量值pvx變量為前值變量大水箱液位SVl變量為大水箱液位給定值SVl變量為設(shè)定值變量ei變量為偏差變量k變量為比例系數(shù)變量q0變量為比例項(xiàng)變量ti變量為積分系數(shù)變量q1變量為積項(xiàng)變量mx變量為積分前值變量td變量為微分時(shí)間常數(shù)變量q2變量為微分項(xiàng)變量233動(dòng)畫連接定義動(dòng)畫連接是指在畫面的圖形對象與數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)變量之間建立一種關(guān)系當(dāng)變量的值改變時(shí)通過I／O接在畫面上以圖形對象的動(dòng)畫效果表示出來在表示液位的長方形中建立縮放和隱含連接在縮放連接中設(shè)置最小時(shí)為0占拒百分比為0最大時(shí)為500占據(jù)百分比為100234系統(tǒng)趨勢曲線趨勢分析是控制軟件必不可少的功能組態(tài)王對其提供了強(qiáng)有力的支持和簡單的控制方法趨勢曲線有實(shí)時(shí)趨勢曲線和歷史趨勢曲線兩種曲線外形類似于坐標(biāo)紙X軸代表時(shí)間Y軸代表變量值本系統(tǒng)顯示大水箱液位pvl變量和大水箱液位SVl變量兩條曲線建立大水箱液位控制實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)瀏覽畫面繪制出報(bào)表并調(diào)用ReportSetHistData2函數(shù)在運(yùn)行環(huán)境時(shí)通過選擇記錄的變量可以查閱被選的變量的各個(gè)時(shí)刻的值實(shí)現(xiàn)報(bào)表功能

第3章三容水箱系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)31三容水箱的原理結(jié)構(gòu)1原理框圖水箱為三容水箱系統(tǒng)組成如下圖所示它包含電控箱水箱本體及由ADDA數(shù)據(jù)采集卡和普通PC機(jī)組成的控制實(shí)驗(yàn)平臺等三大部分圖2-1三容水箱硬件關(guān)系圖2水箱本體主要由以下幾個(gè)部分組成1水箱底座2循環(huán)泵3比例電磁閥4液位傳感器5三容水柱電控箱內(nèi)安裝有如下主要部件1電磁閥控制器2IO接口板3開關(guān)電源4開關(guān)指示燈等電氣元件3控制平臺主要由以下部分組成1與IBMPCAT機(jī)兼容的PC機(jī)帶PCI插槽PCI2006數(shù)據(jù)采集卡及其驅(qū)動(dòng)程序2演示實(shí)驗(yàn)軟件32三容水箱的操作步驟1向水箱中注入清潔水2將電腦與電控箱上電3進(jìn)入演示和實(shí)驗(yàn)軟件的安裝目錄運(yùn)行Exe目錄下的WaterTankexe4初始時(shí)出現(xiàn)系統(tǒng)配置的界面可以在界面上配置水箱的ADDA通道等5選擇菜單項(xiàng)操作-開始試驗(yàn)開始實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開始對ADDA的操作6在界面上修改設(shè)定值選擇菜單項(xiàng)操作-開始控制開始控制過程7選擇菜單項(xiàng)操作-停止控制結(jié)束控制過程8選擇菜單項(xiàng)操作-停止實(shí)驗(yàn)結(jié)束實(shí)驗(yàn)9退出程序10關(guān)閉電腦與控制箱電源第4章PID控制的理論基礎(chǔ)41PID控制原理PID控制器作為一種在生產(chǎn)過程中普遍采用的控制方法已有50多年歷史現(xiàn)在仍然是應(yīng)用最廣泛的工業(yè)控制器PID控制器簡單易懂使用中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件因而成為應(yīng)用最為廣泛的控制器PID控制就是一種將偏差的比例P積分I和微分D通過線性組合構(gòu)成控制量對被控對象進(jìn)行控制的方法所以稱為PID控制自從計(jì)算機(jī)進(jìn)入控制領(lǐng)域以來用數(shù)字計(jì)算機(jī)取代模擬計(jì)算機(jī)調(diào)節(jié)器組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)不僅可以用軟件的方法實(shí)現(xiàn)PID控制算法而且可以利用計(jì)算機(jī)的邏輯功能使PID控制算法更加靈活這就是數(shù)字PID控制PID控制的原理如下圖所示圖4-1PID控制原理PID控制器是一種線性控制器它根據(jù)給定值Rt與實(shí)際輸出值Ct構(gòu)成控制偏差4-1PID控制規(guī)律為4-2寫成傳遞函數(shù)的形式4-3PID控制器各個(gè)校正環(huán)節(jié)的作用如下l比例環(huán)節(jié)kp成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號et偏差一旦產(chǎn)生控制器立即產(chǎn)生控制作用以減小偏差比例系數(shù)的作用是加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度比例系數(shù)越大系統(tǒng)響應(yīng)速度越快系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高但容易產(chǎn)生超調(diào)甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定比例系數(shù)過小會(huì)降低系統(tǒng)調(diào)節(jié)精度系統(tǒng)響應(yīng)速度變慢調(diào)節(jié)時(shí)間變長系統(tǒng)動(dòng)態(tài)靜態(tài)特性變壞2積分環(huán)節(jié)T1主要用于消除靜差提高系統(tǒng)的無差度積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)T1T1越大積分作用越弱反之越強(qiáng)積分作用過強(qiáng)可能引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定3微分環(huán)節(jié)TD反映偏差信號的變化趨勢變化速率并能在偏差信號變得太大之前在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度減少調(diào)節(jié)時(shí)間微分作用過強(qiáng)可能引起系統(tǒng)的振蕩一般的PID控制就是要確定kpT1和TD這三個(gè)參數(shù)并在控制過程中對這三個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整以達(dá)到最優(yōu)控制一般來說不同的偏差e和偏差變化率ec對PID控制器的參數(shù)kpT1和TD有不同的要求以典型二階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線和誤差曲線為例進(jìn)行分析如下圖4-2典型二階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線圖4-3典型二階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)誤差曲線從誤差曲線可以看出1當(dāng)誤差e較大時(shí)說明誤差的絕對值較大不論誤差的變化趨勢如何都應(yīng)該考慮控制器的kp取較大值以提高響應(yīng)的快速性而為防止因?yàn)閑c瞬時(shí)過大TD應(yīng)該取較小的值為控制超調(diào)T1也應(yīng)該取值很小2當(dāng)誤差e在中等大小時(shí)為保證系統(tǒng)的相應(yīng)速度并控制超調(diào)kp應(yīng)減小T1值應(yīng)增大TD應(yīng)適中3當(dāng)誤差e較小時(shí)為保證系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)特性應(yīng)加大kpT1的取值同時(shí)為避免產(chǎn)生振蕩TD的取值應(yīng)和ec聯(lián)系起來雖然PID控制器有簡單易懂使用中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件的優(yōu)點(diǎn)但它在控制非線性時(shí)變藕合及參數(shù)和結(jié)構(gòu)不確定的復(fù)雜過程時(shí)控制效果并不是太好如果PID控制器運(yùn)用于控制復(fù)雜過程可能會(huì)出現(xiàn)無論怎樣調(diào)整參數(shù)都無法達(dá)到預(yù)期的控制效果而且在確定kpT1和TD這三個(gè)參數(shù)時(shí)如果不采用其他相關(guān)輔助技術(shù)一般只能采用試湊法需要不斷地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)直到湊出最優(yōu)參數(shù)既浪費(fèi)資源又浪費(fèi)時(shí)間42三容水箱控制方法如果三容水箱采用雙閉環(huán)控制其系統(tǒng)框架圖如下圖4-4雙閉環(huán)控制系統(tǒng)框架圖一般認(rèn)為雙閉環(huán)系統(tǒng)的抗擾性能好于單閉環(huán)擾動(dòng)作用在內(nèi)環(huán)則雙環(huán)系統(tǒng)好于單環(huán)但擾動(dòng)作用在外環(huán)則雙環(huán)系統(tǒng)抗擾性能與單環(huán)類似三容水箱的擾動(dòng)作用主要體現(xiàn)在水箱三整個(gè)系統(tǒng)的擾動(dòng)作用在外環(huán)如果三容水箱采用雙閉環(huán)控制會(huì)使系統(tǒng)控制更加復(fù)雜PID控制器不好設(shè)置數(shù)學(xué)建模過程更為繁瑣且系統(tǒng)維護(hù)更難操作如果三容水箱采用單閉環(huán)控制其系統(tǒng)框架圖如下圖4-5單閉環(huán)控制系統(tǒng)框架圖我們的系統(tǒng)采用單閉環(huán)控制PID的參數(shù)整定用了兩種方法1臨界比例度法2衰減振蕩法41衰減比感覺衰減法的衰減太慢就用了臨界比例度法具體方法如下圖4-6衰減振蕩圖具體方法如下采用臨界比例度法整定PID控制器參數(shù)在閉環(huán)控制系統(tǒng)里首先將控制器置于純比例作用下從小到大逐漸增大控制器的比例增益Kp直到出現(xiàn)等幅振蕩曲線為止如圖圖4-7尋找等幅振蕩圖程序代碼如下G0tf523500P[051151617172]holdonfori1lengthPGfeedbackPiG01stepGgridonaxis[00302]end在kp172時(shí)出現(xiàn)等幅振蕩其臨界比例度δcr和臨界振蕩周期Tcr相鄰兩個(gè)波峰間的時(shí)間間隔可由下圖讀出圖4-8等幅振蕩圖知Tcr006s臨界比例度為δcr1172根據(jù)所得的Tcr和δcr查下表的經(jīng)驗(yàn)公式可以計(jì)算出調(diào)節(jié)器的各個(gè)參數(shù)表4-9臨界振蕩經(jīng)驗(yàn)公式控制規(guī)律 δ％ Tis Tds P 2δcr ----- ----- PI 22δcr Tcr12 ----- PID 16δcr 05Tcr 0125Tcr Pδ2172116PIδ221721279Ti00612005PIDδ16172093Ti05006003Td012500600075最后按先P后I最后D的操作程序?qū)⒖刂破髡▍?shù)調(diào)到計(jì)算值上仿真響應(yīng)曲線如圖所示P調(diào)節(jié)代碼clearallG0tf523500P[116]holdonfori1lengthPGfeedbackPiG01stepGgridonaxis[006015]end圖4-10純比例控制振蕩曲線然后令kp1279Ti005然后得到PI調(diào)節(jié)其代碼為clearallG0tf523500kp1279Ti[005]t00120holdonfori1lengthTiGctfkp[11Tii][10]GfeedbackG0Gc1stepGtgridonendaxis[006015]圖4-11PI控制振蕩曲線然后令kp093Ti003Td00075得到PID調(diào)節(jié)其代碼為clearallG0tf523500kp093Ti003Td[00075]t00120holdonfori1lengthTdGctfkp[TiTdiTi1][Ti0]GfeedbackG0Gc1stepGtgridonendaxis[006015]圖4-12PID控制振蕩曲線三者一起做比較得到如下圖

圖4-13控制曲線圖在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中不可能出現(xiàn)純微分動(dòng)作要經(jīng)常將純微分動(dòng)作近似成一個(gè)帶有慣性的微分環(huán)節(jié)進(jìn)而得到近似PID控制器的傳遞函數(shù)為Gcskp11TisTds1TdN在實(shí)際應(yīng)用中常取N10clearallG0tf523500kp093Td00075Ti003N[10]Gctfkp[TiTdTi1]Ti[10]GfeedbackG0Gc1stepGgridonholdoni1lengthNi1nnkpconv[Ti1][TdNi1]conv[Ti0][Td0]ddconv[Ti0][TdNi1]GctfnnddGfeedbackG0Gc1stepGgridon圖4-14D加慣性環(huán)節(jié)圖圖4-15控制曲線圖

第5章雙容水箱在實(shí)驗(yàn)過程中我們發(fā)現(xiàn)三容水箱可以看成2個(gè)雙容水箱而且雙容水箱與三容水箱相比較為簡單我們可以先對雙容水箱進(jìn)行一個(gè)簡單的研究可以更為方便地對三容水箱研究51系統(tǒng)建模圖5-1雙容水箱實(shí)際模型如圖1所示其中分別為水箱的底面積為水流量為閥門123的阻力稱為液阻或流阻經(jīng)線性化處理有5-1則根據(jù)物料平衡對水箱1有 5-25-3對水箱2有5-45-5定義輸入為輸出為則系統(tǒng)的狀態(tài)方程為5-55-7在參考各種資料和數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上可設(shè)定該雙容水箱的參數(shù)則系統(tǒng)的狀態(tài)方程可具體化為5-85-952運(yùn)動(dòng)分析為了更好的利用Matlab分析我們可將系統(tǒng)的狀態(tài)方程的輸出分解為5-105-11在Matlab中輸入下列指令可得到系統(tǒng)的傳遞函數(shù)A[-101-1]B[20]C1[10]C2[01]D0[num1den1]ss2tfABC1D[num2den2]ss2tfABC2DG1tfnum1den1Transferfunction2s2-------------s22s1G2tfnum2den2Transferfunction2-------------s22s1由上述代碼可知系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為5-125-13輸入下列指令可得到系統(tǒng)的階躍響應(yīng)stepG1得到輸出響應(yīng)曲線如圖5-2所示圖5-2響應(yīng)曲線stepG2得到輸出響應(yīng)曲線如圖5-3所示圖5-3當(dāng)然我們也也可以搭建下列simulink模型如圖4達(dá)到仿真的目的其仿真結(jié)果與上面相同圖5-4xxxxxxxxxxx從上述仿真結(jié)果可知在階躍響應(yīng)下都趨于穩(wěn)態(tài)2且無超調(diào)53能控能觀性首先能控性判斷繼續(xù)上面的Matlab中輸入的系統(tǒng)模型可繼續(xù)輸入下列代碼利用秩判據(jù)得到系統(tǒng)的能控性QcctrbABQc2-202rankQcans2由上述結(jié)果可知系統(tǒng)的可控性判別矩陣的秩為2與系統(tǒng)維數(shù)相同所以系統(tǒng)是能控的下面利用秩判據(jù)判斷系統(tǒng)的能觀性Qo1obsvAC1Qo110-10Qo2obsvAC2Qo2011-1rankQo1ans1rankQo2ans2由上述結(jié)果可知輸出是不可觀的而輸出是可觀的由于整個(gè)系統(tǒng)包含所以就整個(gè)系統(tǒng)而言是不可觀的54穩(wěn)定性分析線性定常系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析歸結(jié)為求解李雅普洛夫方程在Matlab中使用函數(shù)lyap來求解連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)的李雅普洛夫方程然后根據(jù)所求實(shí)對稱矩陣P的定號性判定系統(tǒng)的穩(wěn)定性下面給出具體計(jì)算過程由于唯一平衡狀態(tài)所以只需判定系統(tǒng)在原點(diǎn)處的穩(wěn)定性在Matlab命令窗口中輸入Qeye2Q1001XlyapAQX05000025000250007500顯然故X正定可判定系統(tǒng)為漸進(jìn)穩(wěn)定55綜合下面討論極點(diǎn)配置問題根據(jù)指定極點(diǎn)所設(shè)計(jì)的狀態(tài)反饋增益矩陣是惟一的對于上面我們所構(gòu)建的系統(tǒng)模型首先我們知道它是可控的所以選擇反饋矩陣K引入狀態(tài)反饋后系統(tǒng)的閉環(huán)極點(diǎn)可任意配置若我們想把極點(diǎn)配置在-1-2則操作可具體如下rankctrbABans2顯見系統(tǒng)狀態(tài)可控可以對其閉環(huán)極點(diǎn)進(jìn)行任意配置下面求其反饋增益矩陣Kp[-1-2]p-1-2KackerABpK050000即狀態(tài)反饋矩陣K[050]配置完畢

第6章三容水箱數(shù)理模型的建立61三容水箱數(shù)理模型當(dāng)某種形式的擾動(dòng)作用于被控制對象時(shí)就會(huì)引起對象的輸出發(fā)生相應(yīng)的變化這種變化在時(shí)域或頻域上可用微分方程或傳遞函數(shù)進(jìn)行描述稱為被控對象的數(shù)學(xué)模型它反映了對象的特性特別是動(dòng)態(tài)特性在過程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中主要的依據(jù)就是被控制對象的特性所以通過實(shí)驗(yàn)來建立三容水箱的數(shù)學(xué)模型為液位控制提供了理論依據(jù)[圖6-1三容水箱的數(shù)學(xué)模型三容水箱是液位控制系統(tǒng)中的被控對象若流入量和流出量相同水箱的液位不變平衡后當(dāng)流入側(cè)閥門開大時(shí)流入量大于流出量導(dǎo)致液位上升同時(shí)由于出水壓力的增大使流出量逐漸增大其趨勢是重新建立起流入量與流出量之間的平衡關(guān)系即液位上升到一定高度使流出量增大到與流入量相等而重新建立起平衡關(guān)系液位最后穩(wěn)定在某一高度上反之液位會(huì)下降并最終穩(wěn)定在另一高度上由于水箱的流入量可以調(diào)節(jié)流出量隨液位高度的變化而變化所以只需建立流入量與液位高度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系就可以建立該水箱對象的數(shù)學(xué)模型62實(shí)驗(yàn)步驟該實(shí)驗(yàn)中上中下三個(gè)水箱的負(fù)載閥開度分別設(shè)置為11mm14mm9mm被控量為下水箱水位h3上水箱的注水量通過上位機(jī)對電磁閥的開度進(jìn)行調(diào)節(jié)1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上電上位機(jī)進(jìn)入監(jiān)控畫面并設(shè)定調(diào)節(jié)閥FV101具有較小的開度2啟動(dòng)水泵上水箱注水3觀察監(jiān)控畫面一段時(shí)間后水位在比較低時(shí)達(dá)到平衡狀態(tài)4增大調(diào)節(jié)閥的開度記錄水位隨時(shí)間的數(shù)據(jù)直至液位再次達(dá)到平衡53數(shù)學(xué)模型公式推導(dǎo)通過三水槽物料平衡可得的公式水槽16-1水槽26-2水槽36-3其中是入水量被控量為下水箱水位分別為上中下三個(gè)水箱截面積這里的為上中下三個(gè)水箱的液位水槽16-4水槽26-5水槽36-6其中6-76-86-9R1R2R3分別為上中下三個(gè)水箱的線性水阻h1h2h3分別為上中下三個(gè)水箱的液位對上面的公式經(jīng)過一系列的微分和積分計(jì)算和整理后得到一個(gè)復(fù)雜的三階微分方程得6-10按照流體力學(xué)原理水箱流出量Q0與出口靜壓有關(guān)同時(shí)還與調(diào)節(jié)閥門的阻力R有關(guān)假設(shè)三者之間的變化關(guān)系為6-11流體在一般流動(dòng)條件下液位h和流量Q0之間的關(guān)系是非線性的如下圖所示由于水箱液位變化較為緩慢并行為了簡化問題可以用ab兩個(gè)平衡點(diǎn)間的直線代替原曲線上的一段曲線進(jìn)行線性化處理經(jīng)過線性化后水阻R是常數(shù)圖6-2線性化原理圖通常在特性曲線工作點(diǎn)a附近不大的范圍內(nèi)用切于a點(diǎn)的一段切線代替原曲線上的一段曲線進(jìn)行線性化處理經(jīng)過線性化后水阻R是常數(shù)由上式可知只要確定了三個(gè)水箱的水阻這個(gè)三階微分方程的參數(shù)就定下來了進(jìn)而可以確定三容水箱系統(tǒng)的傳遞函數(shù)此實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上水箱的流入量可以通過電磁流量計(jì)讀出畫面顯示的液位均為百分比水箱高度均為025m本實(shí)驗(yàn)開始時(shí)設(shè)定調(diào)節(jié)閥開度為10使得下水箱液位在較低時(shí)達(dá)到平衡待液位達(dá)到平衡后記錄此時(shí)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)Qi075m3h上中下水箱的液位分別為157131202然后突然加大調(diào)節(jié)閥上所加的定值電流使得開度變?yōu)?0觀察液位隨時(shí)間有一個(gè)飛升過程經(jīng)過一段時(shí)間后下水箱液位重新達(dá)到平衡記錄第二次平衡的參數(shù)Qi145m3h上中下水箱的液位分別為458288659從而可以通過計(jì)算獲得三容水箱的數(shù)學(xué)模型水箱平衡時(shí)QiQ1Q2Q3可以計(jì)算出上中下水箱的線性化水阻6-12同上計(jì)算可得6-13將上面的計(jì)算結(jié)果代人6-10中可以得到6-14對上式進(jìn)行拉普拉斯變換可得三容水箱的傳遞函數(shù)6-15

第7章模型仿真和實(shí)驗(yàn)71Simulink仿真Simulink是用于MATLAB下建立系統(tǒng)框圖和仿真的環(huán)境它集成于MATLAB中用來對動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真和分析是一種面向結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)仿真軟件用于可視化的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真根據(jù)前面推理得到的三容水箱傳遞函數(shù)在Simulink中構(gòu)建仿真模型如圖1圖2所示通過仿真軟件設(shè)置不同的KpKiKd參數(shù)值進(jìn)行仿真圖7-1PID模型圖7-2PID子系統(tǒng)模型72仿真結(jié)果圖7-3下水箱液位仿真曲線在圖7-3中橫軸表示時(shí)間其單位為秒縱軸表示單位階躍響應(yīng)ht從上圖可以觀察到其動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)圖中延遲時(shí)間td約為300s上升時(shí)間tr約為25s峰值時(shí)間tp約為7s調(diào)節(jié)時(shí)間ts約為370s超調(diào)量約為20其中P00775I00111D225從系統(tǒng)的穩(wěn)定性響應(yīng)速度超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)精度等各方面來考慮KpKiKd的作用如下1比例系數(shù)Kp的作用是加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度Kp越大系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高但易產(chǎn)生超調(diào)甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定2積分作用系數(shù)Ki的作用是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差Ki越大系統(tǒng)的靜態(tài)誤差消除越快但Ki過大在響應(yīng)過程的初期會(huì)產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象從而引起較大的超調(diào)3微分作用系數(shù)Kd的作用是改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性其作用主要是在響應(yīng)過程中抑制偏差向任何方向的變化對偏差變化進(jìn)行提前預(yù)報(bào)但Kd過大會(huì)使響應(yīng)過程提前制動(dòng)從而延長調(diào)節(jié)時(shí)間而且會(huì)降低系統(tǒng)的抗干擾性能第8章三容水箱PLC硬件設(shè)置81PLC特點(diǎn)概述1可靠性高抗干擾能力強(qiáng)工業(yè)生產(chǎn)對控制設(shè)備的可靠性要求1平均故障間隔時(shí)間長2故障修復(fù)時(shí)間平均修復(fù)時(shí)間短任何電子設(shè)備產(chǎn)生的故障通常為兩種1偶發(fā)性故障由于外界惡劣環(huán)境如電磁干擾超高溫超低溫過電壓欠電壓振動(dòng)等引起的故障這類故障只要不引起系統(tǒng)部件的損壞一旦環(huán)境條件恢復(fù)正常系統(tǒng)也隨之恢復(fù)正常但對PLC而言受外界影響后內(nèi)部存儲的信息可能被破壞2永久性故障由于元器件不可恢復(fù)的破壞而引起的故障如果能限制偶發(fā)性故障的發(fā)生條件如果能使PLC在惡劣環(huán)境中不受影響或能把影響的后果限制在最小范圍使PLC在惡劣條件消失后自動(dòng)恢復(fù)正常這樣就能提高平均故障間隔時(shí)間如果能在PLC上增加一些診斷措施和適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)手段在永久性故障出現(xiàn)時(shí)能很快查出故障發(fā)生點(diǎn)并將故障限制在局部就能降低PLC的平均修復(fù)時(shí)間為此各PLC的生產(chǎn)廠商在硬件和軟件方面采取了多種措施使PLC除了本身具有較強(qiáng)的自診斷能力能及時(shí)給出出錯(cuò)信息停止運(yùn)行等待修復(fù)外還使PLC具有了很強(qiáng)的抗干擾能力硬件措施主要模塊均采用大規(guī)?；虺笠?guī)模集成電路大量開關(guān)動(dòng)作由無觸點(diǎn)的電子存儲器完成IO系統(tǒng)設(shè)計(jì)有完善的通道保護(hù)和信號調(diào)理電路1屏蔽對電源變壓器CPU編程器等主要部件采用導(dǎo)電導(dǎo)磁良好的材料進(jìn)行屏蔽以防外界干擾2濾波對供電系統(tǒng)及輸入線路采用多種形式的濾波如LC或π型濾波網(wǎng)絡(luò)以消除或抑制高頻干擾也削弱了各種模塊之間的相互影響3電源調(diào)整與保護(hù)對微處理器這個(gè)核心部件所需的5V電源采用多級濾波并用集成電壓調(diào)整器進(jìn)行調(diào)整以適應(yīng)交流電網(wǎng)的波動(dòng)和過電壓欠電壓的影響4隔離在微處理器與IO電路之間采用光電隔離措施有效地隔離IO接口與CPU之間電的聯(lián)系減少故障和誤動(dòng)作各IO口之間亦彼此隔離5采用模塊式結(jié)構(gòu)這種結(jié)構(gòu)有助于在故障情況下短時(shí)修復(fù)一旦查出某一模塊出現(xiàn)故障能迅速更換使系統(tǒng)恢復(fù)正常工作同時(shí)也有助于加快查找故障原因軟件措施有極強(qiáng)的自檢及保護(hù)功能1故障檢測軟件定期地檢測外界環(huán)境如掉電欠電壓鋰電池電壓過低及強(qiáng)干擾信號等以便及時(shí)進(jìn)行處理2信息保護(hù)與恢復(fù)當(dāng)偶發(fā)性故障條件出現(xiàn)時(shí)不破壞PLC內(nèi)部的信息一旦故障條件消失就可恢復(fù)正常繼續(xù)原來的程序工作所以PLC在檢測到故障條件時(shí)立即把現(xiàn)狀態(tài)存入存儲器軟件配合對存儲器進(jìn)行封閉禁止對存儲器的任何操作以防存儲信息被沖掉3設(shè)置警戒時(shí)鐘WDT看門狗如果程序每循環(huán)執(zhí)行時(shí)間超過了WDT規(guī)定的時(shí)間預(yù)示了程序進(jìn)入死循環(huán)立即報(bào)警4加強(qiáng)對程序的檢查和校驗(yàn)一旦程序有錯(cuò)立即報(bào)警并停止執(zhí)行5對程序及動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行電池后備停電后利用后備電池供電有關(guān)狀態(tài)及信息就不會(huì)丟失PLC的出廠試驗(yàn)項(xiàng)目中有一項(xiàng)就是抗干擾試驗(yàn)它要求能承受幅值為1000V上升時(shí)間1nS脈沖寬度為1μS的干擾脈沖一般平均故障間隔時(shí)間可達(dá)幾十萬～上千萬小時(shí)制成系統(tǒng)亦可達(dá)45萬小時(shí)甚至更長時(shí)間2通用性強(qiáng)控制程序可變使用方便PLC品種齊全的各種硬件裝置可以組成能滿足各種要求的控制系統(tǒng)用戶不必自己再設(shè)計(jì)和制作硬件裝置用戶在硬件確定以后在生產(chǎn)工藝流程改變或生產(chǎn)設(shè)備更新的情況下不必改變PLC的硬設(shè)備只需改編程序就可以滿足要求因此PLC除應(yīng)用于單機(jī)控制外在工廠自動(dòng)化中也被大量采用3功能強(qiáng)適應(yīng)面廣現(xiàn)代PLC不僅有邏輯運(yùn)算計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)順序控制等功能還具有數(shù)字和模擬量的輸入輸出功率驅(qū)動(dòng)通信人機(jī)對話自檢記錄顯示等功能既可控制一臺生產(chǎn)機(jī)械一條生產(chǎn)線又可控制一個(gè)生產(chǎn)過程4編程簡單容易掌握目前大多數(shù)PLC仍采用繼電控制形式的梯形圖編程方式既繼承了傳統(tǒng)控制線路的清晰直觀又考慮到大多數(shù)工廠企業(yè)電氣技術(shù)人員的讀圖習(xí)慣及編程水平所以非常容易接受和掌握梯形圖語言的編程元件的符號和表達(dá)方式與繼電器控制電路原理圖相當(dāng)接近通過閱讀PLC的用戶手冊或短期培訓(xùn)電氣技術(shù)人員和技術(shù)工很快就能學(xué)會(huì)用梯形圖編制控制程序同時(shí)還提供了功能圖語句表等編程語言PLC在執(zhí)行梯形圖程序時(shí)用解釋程序?qū)⑺g成匯編語言然后執(zhí)行PLC內(nèi)部增加了解釋程序與直接執(zhí)行匯編語言編寫的用戶程序相比執(zhí)行梯形圖程序的時(shí)間要長一些但對于大多數(shù)機(jī)電控制設(shè)備來說是微不足道的完全可以滿足控制要求5減少了控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及施工的工作量由于PLC采用了軟件來取代繼電器控制系統(tǒng)中大量的中間繼電器時(shí)間繼電器計(jì)數(shù)器等器件控制柜的設(shè)計(jì)安裝接線工作量大為減少同時(shí)PLC的用戶程序可以在實(shí)驗(yàn)室模擬調(diào)試更減少了現(xiàn)場的調(diào)試工作量并且由于PLC的低故障率及很強(qiáng)的監(jiān)視功能模塊化等等使維修也極為方便6體積小重量輕功耗低維護(hù)方便PLC是將微電子技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備的產(chǎn)品其結(jié)構(gòu)緊湊堅(jiān)固體積小重量輕功耗低并且由于PLC的強(qiáng)抗干擾能力易于裝入設(shè)備內(nèi)部是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制設(shè)備以三菱公司的F1-40M型PLC為例其外型尺寸僅為305×110×110mm重量23kg功耗小于25VA而且具有很好的抗振適應(yīng)環(huán)境溫濕度變化的能力現(xiàn)在三菱公司又有FX系列PLC與其超小型品種F1系列相比面積為47體積為36在系統(tǒng)的配置上既固定又靈活輸入輸出可達(dá)24～128點(diǎn)82PLC工作原理最初研制生產(chǎn)的PLC主要用于代替?zhèn)鹘y(tǒng)的由繼電器接觸器構(gòu)成的控制裝置但這兩者的運(yùn)行方式是不相同的1繼電器控制裝置采用硬邏輯并行運(yùn)行的方式即如果這個(gè)繼電器的線圈通電或斷電該繼電器所有的觸點(diǎn)包括其常開或常閉觸點(diǎn)在繼電器控制線路的哪個(gè)位置上都會(huì)立即同時(shí)動(dòng)作2PLC的CPU則采用順序邏輯掃描用戶程序的運(yùn)行方式即如果一個(gè)輸出線圈或邏輯線圈被接通或斷開該線圈的所有觸點(diǎn)包括其常開或常閉觸點(diǎn)不會(huì)立即動(dòng)作必須等掃描到該觸點(diǎn)時(shí)才會(huì)動(dòng)作為了消除二者之間由于運(yùn)行方式不同而造成的差異考慮到繼電器控制裝置各類觸點(diǎn)的動(dòng)作時(shí)間一般在100ms以上而PLC掃描用戶程序的時(shí)間一般均小于100ms因此PLC采用了一種不同于一般微型計(jì)算機(jī)的運(yùn)行方式---掃描技術(shù)這樣在對于IO響應(yīng)要求不高的場合PLC與繼電器控制裝置的處理結(jié)果上就沒有什么區(qū)別了1掃描技術(shù)當(dāng)PLC投入運(yùn)行后其工作過程一般分為三個(gè)階段即輸入采樣用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段完成上述三個(gè)階段稱作一個(gè)掃描周期在整個(gè)運(yùn)行期間PLC的CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個(gè)階段1輸入采樣階段在輸入采樣階段PLC以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)并將它們存入IO映象區(qū)中的相應(yīng)得單元內(nèi)輸入采樣結(jié)束后轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段在這兩個(gè)階段中即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化IO映象區(qū)中的相應(yīng)單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會(huì)改變因此如果輸入是脈沖信號則該脈沖信號的寬度必須大于一個(gè)掃描周期才能保證在任何情況下該輸入均能被讀入2用戶程序執(zhí)行階段在用戶程序執(zhí)行階段PLC總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序梯形圖在掃描每一條梯形圖時(shí)又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點(diǎn)構(gòu)成的控制線路并按先左后右先上后下的順序?qū)τ捎|點(diǎn)構(gòu)成的控制線路進(jìn)行邏輯運(yùn)算然后根據(jù)邏輯運(yùn)算的結(jié)果刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài)或者刷新該輸出線圈在IO映象區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài)或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令即在用戶程序執(zhí)行過程中只有輸入點(diǎn)在IO映象區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會(huì)發(fā)生變化而其他輸出點(diǎn)和軟設(shè)備在IO映象區(qū)或系統(tǒng)RAM存儲區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)都有可能發(fā)生變化而且排在上面的梯形圖其程序執(zhí)行結(jié)果會(huì)對排在下面的凡是用到這些線圈或數(shù)據(jù)的梯形圖起作用相反排在下面的梯形圖其被刷新的邏輯線圈的狀態(tài)或數(shù)據(jù)只能到下一個(gè)掃描周期才能對排在其上面的程序起作用3輸出刷新階段當(dāng)掃描用戶程序結(jié)束后PLC就進(jìn)入輸出刷新階段在此期間CPU按照IO映象區(qū)內(nèi)對應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路再經(jīng)輸出電路驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的外設(shè)這時(shí)才是PLC的真正輸出2PLC的IO響應(yīng)時(shí)間為了增強(qiáng)PLC的抗干擾能力提高其可靠性PLC的每個(gè)開關(guān)量輸入端都采用光電隔離等技術(shù)為了能實(shí)現(xiàn)繼電器控制線路的硬邏輯并行控制PLC采用了不同于一般微型計(jì)算機(jī)的運(yùn)行方式掃描技術(shù)以上兩個(gè)主要原因使得PLC得IO響應(yīng)比一般微型計(jì)算機(jī)構(gòu)成的工業(yè)控制系統(tǒng)滿的多其響應(yīng)時(shí)間至少等于一個(gè)掃描周期一般均大于一個(gè)掃描周期甚至更長83PLC組成結(jié)構(gòu)可編程控制器是60年代末在美國首先出現(xiàn)當(dāng)時(shí)叫可編程邏輯控制器PLCProgrammableLogicController目的是用來取代繼電器以執(zhí)行邏輯判斷計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)等順序控制功能PLC的基本設(shè)計(jì)思想是把計(jì)算機(jī)功能完善靈活通用等優(yōu)點(diǎn)和繼電器控制系統(tǒng)的簡單易懂操作方便價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來控制器的硬件是標(biāo)準(zhǔn)的通用的根據(jù)實(shí)際應(yīng)用對象將控制內(nèi)容編成軟件寫入控制器的用戶程序存儲器內(nèi)控制器和被控對象連接方便隨著半導(dǎo)體技術(shù)尤其是微處理器和微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展到70年代中期以后PLC已廣泛地使用微處理器作為中央處理器輸入輸出模塊和外圍電路也都采用了中大規(guī)模甚至超大規(guī)模的集成電路這時(shí)的PLC已不再是邏輯判斷功能還同時(shí)具有數(shù)據(jù)處理PID調(diào)節(jié)和數(shù)據(jù)通信功能可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)它采用了可編程序的存儲器用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算順序控制定時(shí)計(jì)算和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令并通過數(shù)字式和模擬式的輸入輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程PLC是微機(jī)技術(shù)與傳統(tǒng)的繼電接觸控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物它克服了繼電接觸控制系統(tǒng)中機(jī)械觸點(diǎn)的接線復(fù)雜可靠性低功耗高通用性和靈活性差的缺點(diǎn)充分利用微處理器的優(yōu)點(diǎn)可編程控制器對用戶來說是一種無觸點(diǎn)設(shè)備改變程序即可改變生產(chǎn)工藝因此可在初步設(shè)計(jì)階段選用可編程控制器在實(shí)施階段再確定工藝過程另一方面從制造生產(chǎn)可編程控制器的廠商角度看在制造階段不需要根據(jù)用戶的訂貨要求專門設(shè)計(jì)控制器適合批量生產(chǎn)由于這些特點(diǎn)可編程控制器問世以后很快受到工業(yè)控制界的歡迎并得到迅速的發(fā)展目前可編程控制器已成為工廠自動(dòng)化的強(qiáng)有力工具得到了廣泛的應(yīng)用可編程控制器的結(jié)構(gòu)多種多樣但其組成的一般原理基本相同都是以微處理器為核心的結(jié)構(gòu)通常由中央處理單元CPU存儲器RAMROM輸入輸出單元IO電源和編程器等幾個(gè)部分組成1．中央處理單元CPUCPU作為整個(gè)PLC的核心起著總指揮的作用CPU一般由控制電路運(yùn)算器和寄存器組成這些電路通常都被封裝在一個(gè)集成電路的芯片上CPU通過地址總線數(shù)據(jù)總線控制總線與存儲單元輸入輸出接口電路連接CPU的功能有以下一些從存儲器中讀取指令執(zhí)行指令取下一條指令處理中斷2．存儲器RAMROM存儲器主要用于存放系統(tǒng)程序用戶程序及工作數(shù)據(jù)存放系統(tǒng)軟件的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器存放應(yīng)用軟件的存儲器稱為用戶程序存儲器存放工作數(shù)據(jù)的存儲器稱為數(shù)據(jù)存儲器常用的存儲器有RAMEPROM和EEPROMRAM是一種可進(jìn)行讀寫操作的隨機(jī)存儲器存放用戶程序生成用戶數(shù)據(jù)區(qū)存放在RAM中的用戶程序可方便地修改RAM存儲器是一種高密度低功耗價(jià)格便宜的半導(dǎo)體存儲器可用鋰電池做備用電源掉電時(shí)可有效地保持存儲的信息EPROMEEPROM都是只讀存儲器用這些類型存儲器固化系統(tǒng)管理程序和應(yīng)用程序3．輸入輸出單元IO單元IO單元實(shí)際上是PLC與被控對象間傳遞輸入輸出信號的接口部件IO單元有良好的電隔離和濾波作用接到PLC輸入接口的輸入器件是各種開關(guān)按鈕傳感器等PLC的各輸出控制器件往往是電磁閥接觸器繼電器而繼電器有交流和直流型高電壓型和低電壓型電壓型和電流型常用的IO分類如下開關(guān)量按電壓水平分有220VAC110VAC24VDC按隔離方式分有繼電器隔離和晶體管隔離模擬量按信號類型分有電流型4-20mA0-20mA電壓型0-10V0-5V-10-10V等按精度分有12bit14bit16bit等除了上述通用IO外還有特殊IO模塊如熱電阻熱電偶脈沖等模塊按IO點(diǎn)數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量IO模塊可多可少但其最大數(shù)受CPU所能管理的基本配置的能力即受最大的底板或機(jī)架槽數(shù)限制4電源PLC電源單元包括系