【正文】 圖 階躍輸入后 PI調(diào)節(jié)器的實驗變化曲線 + = t t t t e? Pu? Iu? PIu? 0 0 0 0 34 6 結(jié)論 通過本次畢業(yè)論文的創(chuàng)作， 我知道了液位控制系統(tǒng)在生活中的重要性。 上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。 軟件設(shè)計 現(xiàn)在以上水箱的液位控制系統(tǒng)為例，畫出其流程圖如圖 。 控制單元 控制單元是整個系統(tǒng)的心臟。電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的組成框圖。執(zhí)行機(jī)構(gòu)首先將來自調(diào)節(jié)器的信號轉(zhuǎn)變成推力或位移，對調(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。 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。 硬件設(shè)計 系統(tǒng)硬件的設(shè)計包括檢測單元、執(zhí)行單元和控制單元的設(shè)計，他們互相聯(lián)系，組成一個完整的系統(tǒng)。主回路和副回路結(jié)合有效地抑制環(huán)境的擾動。所以 系統(tǒng)能實時地調(diào)節(jié)水箱的液位。當(dāng)液位升高到設(shè)定高度時，設(shè)定值與控制變量平衡， PID 調(diào)節(jié)器的輸入偏差信號為零，電動調(diào)節(jié)閥就維持在那個開度，流量也不變，同時水箱的液位也維持不變。系統(tǒng)原理圖如圖 所示。用戶可以在執(zhí) 行 PID 指令以前修改回路表中積分項前值。 如果使用積分控制，積分項前值要根據(jù) PID運(yùn)算結(jié)果更新。第一步是使用下面給出的公式，將回路輸出轉(zhuǎn)換成一個標(biāo)定的實數(shù)值： RScal = ( nM 偏移量 ) * 跨度 其中： RScal 是回路輸出經(jīng)過標(biāo)定的實數(shù)值 nM 是回路輸出標(biāo)準(zhǔn)化的實數(shù)值 偏移量對于單極性值為 ，對于雙極性值為 跨度值域大小，可能的最大值減去可能的最小值 對于單極性為 32,000 (典型值 ) 對于雙極性為 64,000 (典型值 ) 變量的范圍 過程變量和設(shè)定值是 PID 運(yùn)算的輸入值。 二 、 回路輸出值轉(zhuǎn)換成刻度整數(shù)值 回路輸出值一般是控制變量，比如，在汽車速度控制中，可以是油閥開度的設(shè)置。 偏移量對于單極性為 。簡化算式是： )( 1????????? nnDxnInPn eeKMeKeKM 輸出 =比例項 +積分項 +微分項 。微分項是當(dāng)前采樣和前一次采樣的函數(shù)，比例項僅是當(dāng)前采樣的函數(shù)。偏差 (e)是設(shè)定值 (SP)和過程變量 (PV)的差 。 PID 指令 用的算術(shù)表達(dá)式為： 3 PID 調(diào)節(jié)及串級控制系統(tǒng) 23 輸出值 )( 1 ????? dtTdtdTKKIDDP ??? 上式中 ? 表示誤差。 [S3]+24：報警輸出 BIT0 輸入變化量（增方）超出。 [S3]+20：輸入變化量（增方 ）報警設(shè)定值， 032767。 [S3]+4：積分時間常數(shù)（ IT ）， 032767（ *100ms），為 0和 ? 時無積分。 BIT1： 0為無輸入變化量報警， 1為輸入變化量報警有效。 [S2]：存放當(dāng)前值（ PV）的地址。 （ 4）根據(jù)上述計算結(jié)果設(shè)置調(diào)節(jié)器的參數(shù)值。 表 臨界振蕩整定計算公式 調(diào)節(jié)參數(shù) 控制 規(guī) 律 ? IT DT P 2 r? PI r? rT / PID r? rT IT （ 2）用選定的 ST 使系統(tǒng)工作。 擴(kuò)充臨界比例度法 實驗經(jīng)驗法調(diào)整 PID參數(shù)的方法中較常用的是擴(kuò)充臨界比例度法 ,其最大的優(yōu)點(diǎn)是，參數(shù)的整定不依賴受控對象的數(shù)學(xué)模型，直接在現(xiàn) 場整定、簡單易行。則 VK 為正，氣關(guān) VK 為負(fù)。串級控制系統(tǒng)有兩個回路，主、副調(diào)節(jié)器作用方式的確定原則是要保證兩個回路均為負(fù)反饋。系統(tǒng)對二個回路的要求有所不同。比值過高，即副回路的時間常數(shù)較主回路的時間常數(shù)小得太多，副回路反應(yīng)靈敏，控制作用快，但副回路中包含的擾動數(shù)量過少，對于改善系統(tǒng)的控制性能不利；比值過低，副回路的時間常數(shù)接近 主回路的時間常數(shù)，甚至大于主回路的時間常數(shù)，副回路雖然對改善被控過程的動態(tài)特性有益，但是副回路的控制作用缺乏快速性，不能及時有效地克服擾動對被控量的影響。 （ 3） 主、副回路的匹配 1) 主、副回路中包含的擾動數(shù)量、時間常數(shù) 的匹配 設(shè)計中考慮使二次回路中應(yīng)盡可能包含較多的擾動，同時也要注意主、副回路擾動數(shù)量的匹配問題。 (4) 要將被控對象具有明顯非線性或時變特性的一部分歸于副對象中。 歸納如下。 串級控制系統(tǒng)的設(shè)計 （ 1） 主回路的設(shè)計 串級控制系統(tǒng)的主回路是定值控制，其設(shè)計單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計類似，設(shè)計過程可以按照簡單控制系統(tǒng)設(shè)計原則進(jìn)行。 其特點(diǎn)有以下幾點(diǎn)： 一、 改善了過程的動態(tài)特性 ， 提高了系統(tǒng)控制質(zhì)量。 一次擾動：作用在主被控過程上的，而不包括在副回路范圍內(nèi)的擾動。 結(jié)構(gòu)圖如圖 。純比例調(diào)節(jié)雖然動偏差比 PI調(diào)節(jié)小，但余差大，而純積分調(diào)節(jié)質(zhì)量最差，所以一般不單獨(dú)使用。一般都是和其它調(diào)節(jié)作用相配合，構(gòu)成比例微分或比例積分微分調(diào)節(jié)器。 什么是微分調(diào)節(jié)？ 微分調(diào)節(jié)是指調(diào)節(jié)器的輸出變化與偏差變化速度成正比，可用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示為： dtedTuD )(??? （ 33） 式中： u? —— 調(diào)節(jié)器的輸出變化值； DT —— 微分時間； dted )(? —— 偏差信號變化的速度。 如果把積分時間放到最大， PI 調(diào)節(jié)器就喪失了積分作用，成了一個純比例調(diào)節(jié)器。 因為單純的積分作用使過程緩慢，并帶來一定程度的振蕩，所以積分調(diào)節(jié)很少單獨(dú)使用，一般都和比例作用組合在一起，構(gòu)成比例積分調(diào)節(jié)器，簡稱 PI 調(diào)節(jié)器，其作用特性可用下式表示： ?????????? )1(1 e dtTePuuu IIPPI （ 32） 3 PID 調(diào)節(jié)及串級控制系統(tǒng) 17 這里，表示 PI調(diào)節(jié)作用的參數(shù)有兩個：比例度 P 和積分時間 IT 。 放大倍數(shù) PK 是可調(diào)的，所以比例調(diào)節(jié)器實際上是一個放大倍數(shù)可調(diào)的放大器。 比例控制及其調(diào)節(jié)過程 在人工調(diào)節(jié)的實踐中，如果能使閥門的開度與被 調(diào)參數(shù)偏差成比例的話，就有可能使輸出量等于輸入量，從而使被調(diào)參數(shù)趨于穩(wěn)定，達(dá)到平衡狀態(tài)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后（ delay）組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。 （ 2）積分（ I）控制 在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。 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(jìn)行控制的。 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。 1Q 產(chǎn)生階躍變化時，液位 2h 并不立即以最大的速度變化，由于中間具有容積和阻力。即多容過程對于擾動的響應(yīng)在時間上存在時延， 1/C1s 1/R2 1/C2s 1/R3 — — — 圖 雙容過程方框圖 13 被稱為容量時延。其被控量是第二只水箱的液位 2h ，輸入量為 1Q 與上述分析方法相同，根據(jù)物料平衡關(guān)系可以列出下列方程 00 0 Q 0 0 0 圖 雙容過程及其響應(yīng)曲線 12 dthdC 1121 ????? 212 RhQ ??? dthdC 2232 ???? 323 RhQ ??? （ 29） 為了消去雙容過程的中間變量 1h 、 2Q 、 3Q ，將上述方程組進(jìn)行拉氏變換，并畫出方框圖如 。 過程的傳遞函數(shù)為 sTsW 00 1)( ? （ 27） 式中： 0T —— 過程的積分時間常數(shù)， CT?0 。這樣，其流出量與液位 h 無關(guān)。 具有純時延單容過程的微分方程和傳遞函數(shù)為 )( 0100 tTQKhdt hdT ????? sts 0e1TK(s )QH (s )(s )W0010???? （ 25） 式中： 0T —— 過程的時間常數(shù)， CRT 20 ? ； 0K —— 過程的放大系數(shù)， 20 RK ? ； 0t —— 過程的純時延時間。下面以圖 為例討論純時延過程的建模。 圖 （ b）所示為單容液位被控過程的階躍響應(yīng)曲線。 將式（ 22）、式（ 23）拉氏變換后 ,畫出圖 。但為了簡化起見，經(jīng)線形變化，則可近似認(rèn)為 2Q 與 h成正比關(guān)系，而與閥 2的阻力 2R 成反比，即 22 RdhQ ?? （ 23） 式中： 2R —— 閥 2的阻力，稱為液 阻。液位 h 的變化反映了 1Q 與 2Q 不等而引起貯罐中蓄水或泄水的過程 .若 1Q作為被控過程的輸入變量 ,h 為其輸出變量 ,則該被控過程的數(shù)學(xué)模型就是 h 與 1Q之間的數(shù)學(xué)表 達(dá)式 。單容過程還可分為有自衡能力和無自衡能力兩類。在構(gòu)成控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計中，過程的數(shù)學(xué)模型是極其重要的基礎(chǔ)資料。 其中輸入信號要通過光電隔離，通過濾波進(jìn)入 CPU 控制板， CPU 發(fā)出輸出信號至輸出端。 I/O 模塊 I/O 模塊是 CPU與現(xiàn)成 I/O 裝置或其他外部設(shè)備之間的連接部件。其功能是： PLC 中系統(tǒng)程序賦予的功能，接收并存儲從編程器輸入的用戶程序和數(shù)據(jù)。 5 2 FX2 系列 PLC 和控制對象介紹 三菱 PLC 控制系統(tǒng) FX2 系列 PLC 是三菱電機(jī)公司 1991 年繼 F、 F F2 系列之后推出的產(chǎn)品，是目前運(yùn)行速度最快的小型 PLC 之一。 本文研究的主要內(nèi)容 一、一個系統(tǒng)是否能達(dá)到預(yù)期的控制效果，其系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型相當(dāng)?shù)闹匾?，直接關(guān)系到控制結(jié)果的正確與否。它使在控制中更加的安全，節(jié)約了更多的勞動力，更多的時間。一個系統(tǒng)的液位是否穩(wěn)定，直接影響到了工業(yè)生產(chǎn)的安全與否、生產(chǎn)效率的高低、能源是否能夠得到合理的利用等一系列重要的問題。在新型的自動化技術(shù)工具方面，開始采用微處理器為核心的智能單元組合儀表；在測量變送器方面，教為突出的成分在線檢測與數(shù)據(jù)處理的應(yīng)用日益廣泛；在模擬式調(diào) 節(jié)儀表方面，不僅Ⅲ型儀表產(chǎn)品品種增加，可靠性提高，而且是本質(zhì)安全防爆，適應(yīng)了各種復(fù)雜控制系統(tǒng)的要求。為了滿足定型、靈活、多功能的要求，有出現(xiàn)了組合儀表，它將各個單元劃分為更小的功能塊，以適應(yīng)比較復(fù)雜的模擬 和邏輯規(guī)律相結(jié)合的控制系統(tǒng)的需要。這是過程控制發(fā)展的第 一階段。 40 年代以后，生產(chǎn)自動化發(fā)展很快。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)自動化中，過程控制技術(shù)正在為實現(xiàn)各種 最優(yōu)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、提高經(jīng)濟(jì)效益和勞動生產(chǎn)率、節(jié)約能源、改善勞動條件、保護(hù)環(huán)境衛(wèi)生等方面起著越來越大的作用。此外，無錫華光公司、上海鄉(xiāng)島公司等中外合資企業(yè)也是我國比較著名的 PLC 生產(chǎn)廠家。最初是在引進(jìn)設(shè)備中大量使用了可編程控制器。 20 世紀(jì)末期，可編程控制器的發(fā)展特點(diǎn)是更加適應(yīng)于現(xiàn)代工業(yè)的需要。這個階段 的另一個特點(diǎn)是世界上生產(chǎn)可編程控制器的國家日益增多，產(chǎn)量日益上升。 的發(fā)展現(xiàn)狀 20 世紀(jì) 70年代中末期，可編程控制器進(jìn)入實用化發(fā)展階段，計算機(jī)技術(shù)已全面引入可編程控制器中，使其功能發(fā)生了飛躍。 二、 可編程控制器的定義 國際工委員會（ IEC）曾于 1982 年 11 月頒布了可編程控制器標(biāo)準(zhǔn)草案第一稿，1985 年 1月又發(fā)表了第二稿， 1987 年 2 月頒布了第三稿。 本文的主要內(nèi)容包括： PLC 的產(chǎn)生和定義、過程控制的發(fā)展、 水箱的特性確定與實驗曲線分析， FX2 系列 可編程控制器的硬件掌握， PID 參數(shù)的整定及各個參數(shù)的控制性能的比較，應(yīng) PID 控制算法所得到的實驗曲線分析，整個系統(tǒng)各個部分的介紹和 講解 PLC 的過控制指令 PID 指令 來控制水箱水位。在設(shè)計中，筆者主要負(fù)責(zé)的是 數(shù)學(xué)模型的建立和 控制算法的設(shè)計，因此在論文中設(shè)計用到的 PID 算法提到得較多 ， PLC方面的知識較少 。 1968 年，美國最大的汽車制造商—— 通用汽車公司從用戶角度提出了新一代控制器應(yīng)具備的十大條件后，立即引起了開發(fā)熱潮?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)外圍設(shè)備，都按易于與工業(yè)系統(tǒng)聯(lián)成一個整體、易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計。這個時期可編程控制器發(fā)展的特點(diǎn)是大規(guī)模、高速度、高性能、產(chǎn)品系列化。在這時期， PLC 在處理模擬量能力、數(shù)字運(yùn)算能力、人機(jī)接口能力和網(wǎng)絡(luò)能力得到大幅度提高， PLC 逐漸進(jìn)入過程控制領(lǐng)域，在