【正文】 .............................................................. 30 上水箱液位比例積分調(diào)節(jié) .................................................................................. 30 上水箱液位比例積分微分調(diào)節(jié) .......................................................................... 32 結(jié)論 ....................................................................................................... 33 致謝 ........................................................................................................ 34 參考文獻(xiàn) .................................................................................................. 35 1 1 緒論 PLC 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。 可編程邏輯控制器實(shí)質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計(jì)算機(jī)相同，基本構(gòu)成 為： 電源 、 中央處理單元 (CPU)、 存儲(chǔ)器 、 輸入輸出接口電路 、 功能模塊 、 通信模塊 。 （ 2） 在本系統(tǒng)中，只用比例積分控制，確定增益和時(shí)間常數(shù)為：增益 Kc=?；?S7300 PLC的編程軟件 ,采用模塊化的程序設(shè)計(jì)方法，大量采用代碼重用，減少軟件的開發(fā)和維護(hù) 。系統(tǒng)利用對(duì) PLC 軟件的設(shè)計(jì) ,實(shí)現(xiàn)變頻器的參數(shù)設(shè)置、故障診斷和電機(jī)的啟動(dòng)和停止。 （ 3）采樣時(shí)間 Ts=；積分時(shí)間 Ti=30S；微分時(shí)間 Td=0S。 針對(duì)雙容水箱普遍存在容積延 遲問(wèn)題和傳統(tǒng) PID 單回路控制難于達(dá)到控制要求的特點(diǎn)，提出了基于串級(jí)技術(shù)和 PLC 控制器的雙容液位控制系統(tǒng) 。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。主要 內(nèi)容是： 1) 編程方便，可現(xiàn)場(chǎng)修改程序。 5) 數(shù)據(jù)可直接送入管理計(jì)算機(jī)。 10) 用戶存儲(chǔ)器大于 4KB。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。它高度結(jié)合了工業(yè)實(shí)際的要求，綜合控制質(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。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。這些智能控制方法各有千秋，但又存在各自的不足 ， 它們相互交叉結(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。在革新階段，PID 控制器已經(jīng)發(fā)展成一種 最魯棒的、 可靠的、易于應(yīng)用的控制器。 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。 3 2 S7300 中小型 PLC 和控制對(duì)象介紹 西門子 PLC 控制系統(tǒng) 西門子的中小型 PLC S7300 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)。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。 S7300 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 S3300 功能更強(qiáng)。 ? 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。 CPU 313 是具有更大存儲(chǔ)器、低成本的解決方案。在此位置鑰匙不能拔出。 3) STOP：停止方式。 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。 圖 21 SM 331 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。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。不用的通道要在組態(tài)軟件中屏蔽掉，以免受干擾。 圖 22 SM 332 124 ?AO 位模入模塊端子接線圖 SM 332 可以輸出電壓，也可以輸出電流。系統(tǒng)選用10A 的電源模塊。 圖 24 PS 307 電源模塊 (10A)基本電路圖 7 控制對(duì)象特性 一階單容上水箱特性 單容水箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 25 所示，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥由 S7300PLC 手動(dòng)輸出，通 圖 25 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)。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)。 根據(jù)物料動(dòng)態(tài)平衡的關(guān)系，求得： 122 QRhdt hdCR ????? (21) 8 在零初始條件下，對(duì)上式求拉氏變換，得： 11)()()(221 ????? TsKCsR RsQ sHsG (22) 式中， T 為水箱的時(shí)間常數(shù) (閥 4 的開度大小會(huì)影響到水箱的時(shí)間常數(shù) )， T=R2*C，K=R2 為過(guò)程放大倍數(shù)， R2 為閥 4 的液阻， C 為水箱的容量系數(shù)。 在一階單容上水箱對(duì)象特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，先設(shè)定輸出值的大小，這個(gè)值根據(jù)出水閥門的開度大小來(lái)設(shè)定，初次設(shè)定的值為 46。由此得到的 變化曲線如圖 27 所示。 )(6 3 ??? hT 86)0()()( 00 ?????? R hhRhK 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 29。它不再是簡(jiǎn)單的指數(shù)曲線，而是呈 11 圖 210 被調(diào)量變化的反映曲線 S 型的一條曲線。由式中的 K、 T1和 T2須從由實(shí)驗(yàn)求得的階躍響應(yīng)曲線上求出。 表 25 輸出增加后的階躍響應(yīng)參數(shù) t(秒 ) 0 40 80 120 160 200 240 280 320 360 水箱水位h1(cm) 組態(tài)讀 數(shù)(cm) 12 圖 211 輸出值增加后的二階系統(tǒng)的過(guò)程變化曲線 進(jìn)入新的平衡狀態(tài)，這時(shí)的數(shù)據(jù)如表 27 所示。對(duì)于式 (26)所示的二階過(guò)程，t1/t2。 式 (31)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。可以看出比例積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。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。 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?e(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 (34)。采用平移法保存這些數(shù)據(jù)。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。 ? 具有重要的物理意義。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。 ? 的臨界值可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定。 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。 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。 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。但是在有些情況下，例如有些被控過(guò)程的動(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。 圖 33 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。控制方框圖如圖 34所示。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。反復(fù)調(diào)試直到滿意為止。 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 minT ?？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。在本系統(tǒng)中控制度選為 。但這種模塊的價(jià)格昂貴，一般在大型系統(tǒng)中使用。 回路的輸入輸出變量的轉(zhuǎn)換 和標(biāo)準(zhǔn)化 PID 回路有兩個(gè)輸入量，即給定值 (SP)和過(guò)程變量 (PV)。 ? 回路輸入的轉(zhuǎn)換與標(biāo)準(zhǔn)化 轉(zhuǎn)換的第一步是將給定值或 A/D轉(zhuǎn)換后的整數(shù)值由 16 位整數(shù)轉(zhuǎn)換成浮點(diǎn)數(shù)。 下面是將上述的轉(zhuǎn)換后得到的 AC0 中的雙極性實(shí)數(shù) (其 Span=64 000)轉(zhuǎn)換成~ 之間的實(shí)數(shù)的指令序列。這一部用下式將回路輸出轉(zhuǎn)換成實(shí)數(shù)： Spano ffsetMR nS ca l ??? )( 式中， RScal 是回路輸出對(duì)應(yīng)的實(shí)數(shù)值， Mn 是回路輸出標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)數(shù)值， Offset與 Span 與上述的定義相同。 變量的范圍 過(guò)程變量與給定值是 PID 運(yùn)算的輸入值，在回路表中它們只能被 PID 指令讀取而不能改寫。 如果使用積分控制，上一次的積分值 MX(積分和 )要根據(jù) PID 運(yùn)算的結(jié)果來(lái)更新，更新后的數(shù)值作為下一次運(yùn)算的輸入。在執(zhí)行 PID 指令前，用戶可修改回路表上一次的積分值MX，以解決某些情況下 MX 引起的問(wèn)題。 PID 指令中的 TBL 是回路表的起始地址， LOOP 是回路編號(hào) (見(jiàn)圖 35)， PID 指令有一個(gè)能流記憶位，用該位檢測(cè)到 EN 端的能流從0 到 1 正跳變時(shí)，指令將執(zhí)行一系列的操作，使 PID 從手動(dòng)方式切換到自動(dòng)方式。 3) 令積分和 )(MX =輸出值 ( nM )。 PID 指令對(duì)回路表中的某些輸入值不進(jìn)行范圍檢查，應(yīng)保證過(guò)程變量不超限。 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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。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。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)。它有兩個(gè) PID 回路，分別是PID1和 PID2。 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)。 圖 43 壓力變送器的接線圖 26 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。 圖 44 壓力變送器工作原理圖 壓力變送器的工作原理見(jiàn)圖 44。 執(zhí)行器的工作原理見(jiàn)圖 45，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。根據(jù)式 (41)，利用壓力變送器將 PB轉(zhuǎn)換成 DC4~20mA 統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)送入 PLC 中，便得知被測(cè)的液位。 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)。 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。 整個(gè)系統(tǒng)的配置如圖 42 所示。 圖 41 上水箱液位自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制框圖 上水箱下水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng) 上水箱下水箱液位控制系統(tǒng)由于控制過(guò)程特性呈現(xiàn)大滯后，外界環(huán)境的擾動(dòng) 25 較大，要保持上水箱下水箱液位最后都保持設(shè)定值，用簡(jiǎn)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(jí)閉環(huán)反饋系統(tǒng)。 系統(tǒng)的控制框圖如 圖 41 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)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。 表 32 PID 指令的回路表 偏移地址 變量 格式 類型 描述 0 過(guò)程變量PVn 雙字實(shí)數(shù) 輸入 應(yīng)在 ~ 之間 4 給定值 SPn 雙字實(shí)數(shù) 輸入 應(yīng)在 ~ 之間 8 輸出值 Mn 雙字實(shí)數(shù) 輸入 /輸出 應(yīng)在 ~ 之間 12 增益 Kc 雙字實(shí)數(shù) 輸入 比例常數(shù)，可正可負(fù) 16 采樣時(shí)間 Ts 雙字實(shí)數(shù) 輸入 單位為 s，必須為正數(shù) 20 積分時(shí)間 TI 雙字實(shí)數(shù) 輸入 單位為 min，