【正文】 高性能地工控計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)合，向控制層和管理層提供軟、硬件地全部接口，進(jìn)行系統(tǒng)集成。 （ 3）控制方案的選取，一個好的方案會讓系統(tǒng)更加完美，所以方案的選取也非 常重要。右側(cè)： S7200 CPU22 EM235 擴(kuò)展模塊、 I/O接口。 S7200 系列在集散自動化系統(tǒng)中充分發(fā)揮其強(qiáng)大功能。 7 圖 211PLC的原理圖 CPU模塊 CPU 是 PLC 的核心組成部分，與通用微機(jī)的 CPU 一樣，它在 PLC 系統(tǒng)中的作用類似于人體的神經(jīng)中樞，故稱為“電腦”。 在 PLC 進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)后，從存儲器中逐條讀去用戶程序，按指令規(guī)定的任務(wù)，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，去起閉有關(guān)控制電路。 I/O 模塊將外部輸入信號變換成 CPU 能接受的信號，或?qū)?CPU的輸出信號變換成需要的控制信號去驅(qū)動控制對象，以確保整個系統(tǒng)正常的工作。 本設(shè)計(jì)應(yīng)用到水箱壓力在 0～ 2020pa 之間，經(jīng)過壓力變送器轉(zhuǎn)換成電壓信號為 1～ ，經(jīng)過 EM235 轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號 6400～ 16640，其對應(yīng)的水箱 水位在 0～20cm 之間。經(jīng)計(jì)算機(jī)算出的控制控制量通過 D/A 轉(zhuǎn)換成 1～ 5V 的控制電信號，通過改變調(diào)節(jié)閥的開度向水箱。被調(diào)量為下水位 H。 為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在階躍給定和階躍擾動作用下的無靜差控制，系統(tǒng)的主調(diào)節(jié)器應(yīng)為 PI 或 PID 控制。 圖 223（ a）所示為兩只水箱串聯(lián)工作的雙容過程。與單容過程比較，多容過程受到擾動后，被控參數(shù) 2h 的變化速度并不是一開始就最大，而是要經(jīng)過一段時延之后才達(dá)到最大值。對與無自衡能力的雙容過程，可見圖 2210，圖中，被控量為 2h ，輸入量 為 1Q 。 同理，無自衡多容過程的數(shù)學(xué)模型為 圖 2210無自衡能力的雙容過程 t t t 14 nTssTsW )1( 11)( 00 ?? （ 2212） 當(dāng)然無自衡多容過程具有純時延時，則其數(shù)學(xué)模型為 stn eTssTsW 0)1( 11)(00??? （ 2213） 15 3 串級控制 串級控制系統(tǒng)概述 圖 31 是串級控制系統(tǒng)的方框圖。串級控制系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)由： 發(fā)生在副回路的干擾，在影響主回路之前即可由副控制器加以校正； 副回路的存在，使副對象的相位滯后對控制系統(tǒng)的影響減小，從而改善了主回路的響應(yīng)速度； 串級系統(tǒng)對副對象及調(diào)節(jié)閥特性的變化具有較好的魯棒性； 16 副回路可以按照主回路的需要對于質(zhì)量流實(shí)施精確的控制。若采用串級控制，使等效對象的時間常數(shù)減小，以提高系統(tǒng)的工作效率，加快反映速度，可以得到較好的控制質(zhì)量。在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例 、積分、微分控制，簡稱 PID控制，又稱 PID 調(diào)節(jié)。偏差一旦產(chǎn)生控制器立即產(chǎn)生控制作用，使控制量向減少偏差的方向變化?？梢姡e分部分可以消除系統(tǒng)的偏差。當(dāng) Ti 較小時，則積分的作用較強(qiáng)，這時系統(tǒng)過渡時間中有可能產(chǎn)生振蕩，不過消除偏差所需的時間較短。為了實(shí)現(xiàn)這一作用，可在 PI 控制的基礎(chǔ)上加入微分環(huán)節(jié)，形成 PID 控制器。微分作用的引入，將有助于減小超調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，特別對高階系統(tǒng)非常有利，它加快了系統(tǒng)的跟蹤速度。 所以 PID 調(diào)節(jié)器的數(shù)學(xué)描述如公式 (4)可見： PID數(shù)學(xué)描述式 (4) 西門子 S7200 系列 PLC 中 PID 指令的使用 比例積分微分指令即 PID 指令其指令格式如下： 19 PID 指令用的算術(shù)表達(dá)式為： 輸出值 )( 1 ????? dtTdtdTKK IDDP ??? 上式中 ? 表示誤差。偏差 (e)是設(shè)定值 (SP)和過程變量 (PV)的差 。微分項(xiàng)是當(dāng)前采樣和前一次采樣的函數(shù)，比例項(xiàng)僅是當(dāng)前采樣的函數(shù)。簡化算式是： 輸出 =比例項(xiàng) +積分項(xiàng) +微分項(xiàng) ： )( 1????????? nnDxnInPn eeKMeKeKM 其中： nM 是在采樣時間 n 時，回路輸出的計(jì)算值 ； PK 是回路增益 ； ne 是采樣時刻 n的回路誤差值 ； 1?ne 是回路誤差的前一個數(shù)值 (在采樣時刻 n1)； IK是積分項(xiàng)的比例常數(shù) ； xM 是積分項(xiàng)的前一個數(shù)值 (在采樣時刻 n1)； DK 是微分項(xiàng)的比例常數(shù) ； :是將現(xiàn)實(shí)世界的值的實(shí)數(shù)值表達(dá)形式轉(zhuǎn)換成 之間的標(biāo)準(zhǔn)化值。 對于雙極性為 ?；芈份敵鍪? 和 之間的一個標(biāo)準(zhǔn)化了的實(shí)數(shù)值。 變量的范圍 過程變量和設(shè)定值是 PID 運(yùn)算的輸入值。如果使用積分控制，積分項(xiàng)前值要根據(jù) PID 運(yùn)算結(jié)果更新。把積分項(xiàng)前值寫入回路表，以備在下次 PID 運(yùn)算中使用。 22 5 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 水箱液位的自動調(diào)節(jié) 在這個部分中控制的是 左右 箱的液位。經(jīng)過運(yùn)算后即輸出控制信號給電動調(diào)節(jié)閥，使其開度增大，以使通道里的水流量變大，增加水箱里的儲水量，液位升高。這里的擾動主要是水箱的出水閥的擾動，有時是認(rèn)為的因素，有時是機(jī)械的因素，擾動總是不可避免的。 PID1 為外環(huán)，控制下水箱的液位，它的輸出值作為 PID2 的設(shè)定值，PID2 控制上水箱的液位。設(shè)計(jì)中涉及到液位的檢測和變送，以便系統(tǒng)根據(jù)檢測到的數(shù)據(jù)來調(diào)節(jié)通道中的水流量，控制水箱的液位。 執(zhí)行器的工作原理，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。 系統(tǒng)中用到的調(diào)節(jié)閥是 QS智能型調(diào)節(jié)閥，所用到的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，輸出為角行程，控制軸轉(zhuǎn)動。電動調(diào)節(jié)閥還提供手動操作，它的上部有個手柄，和軸連在一起，在系統(tǒng)掉電時可進(jìn)行手動控制，保證系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用。它采用模塊化設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)主要包括 CPU 模塊、模擬量輸入模塊 、模擬量輸出模塊和電源模塊。 右 水箱液位比例積分調(diào)節(jié) 當(dāng)輸入 信號為階躍變化時，才用 PI 調(diào)節(jié)器的情況。副比例系數(shù)、副采樣時間、積分時間、微分時間通過實(shí)數(shù)傳送指令傳送到寄存器上，這部分是?？刂破?。在菜單“文件”中選 → “新建工程” .如圖 71 圖 71 建立新 畫面 在 MCGS組態(tài)平臺上，單擊 “ 用戶窗口 ” ，在 “ 用戶窗口 ” 中單擊 “ 新建窗口 ”按鈕， 則產(chǎn)生新 “ 窗口 0” ，即： 選中 “ 窗口 0” ， 如圖 72 圖 72 選中 “ 窗口 0” ,單擊 “ 窗口屬性 ” ，進(jìn)入 “ 用戶窗口屬性設(shè)置 ” ，將 “ 窗口名稱 ” 改為：水位控制；將 “ 窗口標(biāo)題 ” 改為：水位控制；在 “ 窗口位置 ” 中選中 “ 最大化顯 示 ” ，其它不變，單擊 “ 確認(rèn) ” 。 如圖 75 建立文字框： 鼠標(biāo)點(diǎn)擊工具條中 “ 工具箱 ” 按鈕，打開系統(tǒng)圖符 工具箱。本文對多溶液位 的研究只不過是基本雙溶液位的基礎(chǔ)之上，所涉及的也不過是多溶液位的基本，還有三溶乃至更多的液位控制沒有涉及。 因?yàn)槭堑谝淮?對自己的實(shí)踐進(jìn)行嚴(yán)格檢驗(yàn)，所以在設(shè)計(jì)中難免有出錯或者是不完整之處，還請邊老師多多指導(dǎo)，我會盡我最大的能力去修改、去完善。 這次畢業(yè)設(shè)計(jì)得到了很多老師、同學(xué)和朋友的幫助，其中我的指導(dǎo)老師邊娟鴿老師對我的關(guān)心和支持尤為重要，另外，感謝校方給予我這樣一次機(jī)會，能夠獨(dú)立地完成一個課題，并在這個過程給予我們各種方便，使我們在即將離校的最后一段時間里，能夠更多學(xué)習(xí)一些實(shí)踐應(yīng)用知識，增強(qiáng)了我們實(shí)踐操作和動手應(yīng)用能力。最后感謝所有在這次畢業(yè)論文中給予過我?guī)椭娜?。感謝在整個畢業(yè)設(shè)計(jì)期間和我一起做設(shè)計(jì)的同學(xué)，和曾經(jīng)在各方面給予過我?guī)椭幕锇閭?，在大學(xué)生活即將結(jié)束的最后的日子里，我們通過努力把一個基本沒有接觸過的課題終于完成了。他們是我們的良師益友，是我們前進(jìn)路上的指明燈，讓我們每天都在成長，每天都在進(jìn)步，借此機(jī)會，對他們表示衷心的感謝。 這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我和蔡志斌兩個人分模塊化的設(shè)計(jì)方式，對每一個模塊進(jìn)行分析和對比，參照學(xué)校提供的資料才讓我們在最后的調(diào)試中取得成功。雙溶水箱的數(shù)學(xué)建模以及控制策略的研究對工業(yè)生產(chǎn)中液位控制系統(tǒng)的研究有積極的指導(dǎo)作用，為研究更加復(fù)雜的系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。 如圖 74 圖 74 工具箱 的用應(yīng) 單擊工具條中的 “ 工具箱 ” 按鈕，則打開動 畫工具箱， 圖標(biāo) 對應(yīng)于選擇器，用于在編輯圖形時選取用戶窗口中指定的圖形對象 . 常用圖符工具箱包括 27 種常用的圖符對象。 MCGS 交互界面設(shè)計(jì)流程 建立 MCGS 新工程 首先在計(jì)算機(jī)上安裝“ MCGS 組態(tài)軟件” ,在 Windows 桌面上，會有 “ Mcgs 組態(tài)環(huán)境”與“ Mcgs 運(yùn)行環(huán)境” 圖標(biāo)。 左 水箱液位比例積分微分調(diào)節(jié) 對左水箱進(jìn)行比例積分微分調(diào)節(jié)即 PID 調(diào)節(jié)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在輸入的偏差信號 e? 為階躍信號。在系統(tǒng)中， PLC 是控制的中心元件，它的選擇是控制單元設(shè)計(jì)的重要部分。 來自 PLC 的模擬量輸出 DC420mA 信號 Ii與位置反饋信號 If 進(jìn)行比較，其差值經(jīng)放大后，控制伺服電動機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，再經(jīng)減速器后，改變調(diào)節(jié)器的開度，同 時輸出軸的位移，經(jīng)位置發(fā)生器轉(zhuǎn)換成電流信號 If。來自調(diào)節(jié)器的信號經(jīng)信號轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換信號制式后，與來 自執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置反饋信號比較，其信號差值輸入到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以確定執(zhí)行機(jī)構(gòu)作用的方向和大小，其輸出的力或位移控制調(diào)節(jié)閥的動作，改變調(diào)節(jié)閥的流通面積，從而改變被控介質(zhì)的流量。系統(tǒng)中用到的液位變送器是浙江浙大中控自動化儀表有限公司生產(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 420mA 直流。 檢測單元 在過程控制系統(tǒng)中，檢測環(huán)節(jié)是比較重要的一個環(huán)節(jié)。 在這里，執(zhí)行機(jī)構(gòu)仍然是電動調(diào)節(jié)閥，依舊由 PLC 經(jīng)過 PID 算法后控制它的開度以控制水管里的水流量，控制兩個水箱的水位。 左 水箱 右 水箱液位串級控制系統(tǒng) 左 水箱 右 水箱液位控制系統(tǒng)由于控制過程特性呈現(xiàn)大滯后，外界環(huán)境的擾動較大，要保持 左 水箱 右 水箱液位最后都保持設(shè)定值，用簡單的單閉環(huán)反饋控制不能實(shí)現(xiàn)很好的控制效果，所以采用串級閉環(huán)反饋系統(tǒng)。單相泵正常運(yùn)行，打開閥 1，打開 倆 水箱 連通 閥，電動調(diào)節(jié)閥以一定的開度來控制進(jìn)入水箱的水流量，調(diào)節(jié)手 段是通過將壓力變送器檢測到的電信號送入 PLC 中，經(jīng)過 A/D變換成數(shù)字信號，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 D/A 轉(zhuǎn)換成與電動調(diào)節(jié)閥開度相對應(yīng)的電信號送入電動調(diào)節(jié)閥中控制通道中的水流量。在實(shí)際運(yùn)用中，這樣做的目的是找到由于積分項(xiàng)前值引起的問題。 21 其中： xM 是調(diào)整過的偏差的數(shù)值 ； nMP 是在采樣時間 n時回路輸出的比例項(xiàng)的數(shù)值 ； nMD 是在采樣時間 n 時回路輸出的微分項(xiàng)的數(shù)值 ； nM 是在采樣時間n時回路輸出的數(shù)值 ； 這樣調(diào)整積分前值，一旦輸出回到范圍后，可以提高系統(tǒng)的響應(yīng)性能。輸出變量是由 PID 運(yùn)算產(chǎn)生的，所以在每一次 PID 運(yùn)算完成之后，需更新回路表中的輸出值， 輸出值被限定在 之間。這一過程，是將 PV 和 SP 轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)值的逆過程。對于雙極性數(shù)值 (典型值 )為 64,000。 Rraw 是現(xiàn)實(shí)世界數(shù)值的未標(biāo)準(zhǔn)化的或原始的實(shí)數(shù)值表達(dá)式 。由于計(jì)算機(jī)從第一次采樣開始，每有一個偏差采樣值必須計(jì)算一次輸出值，只需要保存偏差前值和積分項(xiàng)前值。 輸出 =比例項(xiàng) +積分項(xiàng) +微分項(xiàng) ： dtdeKM i n i t a le d tKeKMDIPt ?????? ?)( 其中： tM 是作為時間函數(shù)的回路輸出 ； K 是回路增益 ； e 是回路誤差 (設(shè)定值和過程變量之間的差 )； Minitial 是回路輸出的初始值 ； 為了能讓數(shù)字計(jì)算機(jī)處理這個控制算式，連續(xù)算式必須離散化為周期采樣偏差算式，才能用來計(jì)算輸出值。 當(dāng) X0=ON 時執(zhí)