【正文】 品的配套能力來說，生產(chǎn)了各種人機界面單元、通信單元，使應(yīng)用可編程控制器的工業(yè)控制設(shè)備的配套更加容易。接下來在各種企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備及產(chǎn)品中不斷擴大了 PLC 的應(yīng)用?？梢灶A(yù)期，隨著我國現(xiàn)代化進(jìn)程的深入， PLC 在我國將有更廣闊的應(yīng)用天地。 在本世紀(jì) 40 年代前后，工業(yè)生產(chǎn)大多處于手工操作的狀態(tài)，人們主要是憑經(jīng)驗用人工去控制生產(chǎn)過程。尤其是近年來，過程控制技術(shù)發(fā)展更為迅速。這階段主要的特點：檢測和控制儀表普 遍采用基地式儀表和部分組合儀表；過程控制結(jié)構(gòu)大多數(shù)是單輸入單輸出系統(tǒng)；被控制參數(shù)主要是 溫度、壓力、流量、液位四種參數(shù)；控制目的是保持這些參數(shù)的穩(wěn)定，消除或減少對生產(chǎn)過程的主要擾動。 3 70 年 代以來，隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的迅猛發(fā)展，儀表與硬件的開發(fā)，微型機算計的開發(fā)應(yīng)用，使生產(chǎn)過程自動化的發(fā)展達(dá)到了一個新的水平。 本文研究的目的、主要內(nèi)容 本文研究的目的、意義 為了解決人工控制的控制準(zhǔn)度低、控制速度慢、靈敏度低等一系列問題。隨著現(xiàn)在工業(yè)控制的要求越來越高，一般的自動化控制已經(jīng)也不能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)控制的需求，所以我們就又引入了可編程 邏輯控制（又稱 PLC）。 在我國隨著社會的發(fā)展，很早就實行了自動控制。 二、在液位控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)閥是否與所控制的液體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)等，直接的影響到控制結(jié)果。下面我們以小型 FX2 系列 PLC 為例介紹 PLC的硬件組成。 用掃描方式接受現(xiàn)場輸入裝置的狀態(tài)，并存入映像寄存器。 PLC 提供了各種操作電平與驅(qū)動能力的 I/O 模塊和各種用途 I/O元件供用戶選用。輸出方式有三種：繼電器方式、晶體管方式和晶閘管方式。所以，建立過程的數(shù)學(xué)模型，對實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化有著十分重要的意義。 一、 自衡過程的建摸 所謂自衡過程，是指過程在擾動作用下，其平衡狀態(tài)被破壞后，不需要操作人員或儀表等干預(yù)，依靠起自身重新恢復(fù)平衡的過程。 7 （ a） 圖 根據(jù)動態(tài)物料平衡關(guān)系有 dtdhA ?? 21 （ 21） 將公式 （ 21） 表示成增量式為 dthdA ????? 21 （ 22） 式中： 1Q? 、 2Q? 、 hd? —— 分別表示為偏離某一平衡狀態(tài) 10Q 、 20Q 、 0h? 的增量； A—— 貯蓄截面積。 為了求單容過程的數(shù)學(xué)模型，需消去中間變量 2Q 。 圖 單容液位過程的傳遞函數(shù)為 11)()()(001210 ????? sTKCsR RsQ sHsW （ 24） 式中： 0T —— 過程的時間常數(shù)， CRT 20 ? ； 0K —— 過程的放大系數(shù)， 20 RK ? ； C—— 過程的容量系數(shù)，或稱過程容量。 從上述分析可知，液阻 2R 不但影響過程的時間常數(shù) 0T ，而且還影響過 程的放大系數(shù) 0K ，而容量系數(shù) C 僅影響過程的時間常數(shù)。 21R Cs1 9 圖 圖 所示，流量 1Q 通過長度為 l 的管道流入貯罐。 二、無自衡過程的建模 所謂無自衡過程，是指過程在擾動的作用下，其平衡狀態(tài)被破壞后，不需要操作人員或儀表等干預(yù)，依靠其自身能 力不能重新恢復(fù)平衡的過程。當(dāng)流入量 1Q 發(fā)生階躍變化時，液位 h 即發(fā)生變化。 圖 單容過程及其響應(yīng)曲線 11 當(dāng)過程具有純時延時，則其傳遞函數(shù)為 stesTsW 000 1)( ?? （ 28） 二階雙容下水箱對象特性 在工業(yè)生產(chǎn)過程中，被控過程往往是由多個容積和阻力構(gòu)成， 這種過程稱為多容過程。 雙容過程的數(shù)學(xué)模型為 )1)(1()()()(210120 ???? sTsT KsQ sHsW （ 210） 式中： 1R —— 第一只水箱的時間常數(shù)， 211 RCT ? ； 2T —— 第二只水箱的時間常數(shù)， 322 RCT ? ； 0K —— 過程的放大系數(shù)， 30 RK ? ； 21,CC —— 分別是 兩只水箱的容量系數(shù)。產(chǎn)生容量時延的原因主要是兩個容積之間存在阻力，所以使 2h 的響應(yīng)時間向后推移。 2h 對擾動的響應(yīng)有他、一定的時延和慣性。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù) 不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時，控制理論的其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應(yīng)用 PID 控制技術(shù)最為方便。 （ 1） 比例（ P）控制 比例控制是一種最簡單的控制方式。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（ System with Steadystate Error）。因此，比例 +積分（ PI）控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化 “ 超前 ” ，重慶科技學(xué)院高等教育自學(xué)考試本科畢業(yè)論文 3 PID調(diào)節(jié)及串級控制系統(tǒng) 16 即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這種閥門開度與被調(diào)參數(shù)的偏差成比例的調(diào)節(jié)規(guī)律，稱為比例調(diào)節(jié)。 比例調(diào)節(jié)作用雖然及時、作用強，但是有余差存在，被調(diào)參數(shù)不能完全回復(fù)到給定值，調(diào)節(jié)精度不高，所以有時稱比例調(diào)節(jié)為“粗調(diào)”。而且比例度不僅影響比例部分，也影響積分部分，使總的輸出既具有調(diào)節(jié)及時、克服偏差有力的特點，又具有克服余差的性能。 比例積分微分調(diào)節(jié) 微分調(diào)節(jié)的作用主要是用來克服被調(diào)參數(shù)的容量滯后。 從上式可知，偏差變化的速 度 越大，微分時間 DT 越長，則調(diào)節(jié)器 的輸出變化就越大。 dted )(?重慶科技學(xué)院高等教育自學(xué)考試本科畢業(yè)論文 3 PID調(diào)節(jié)及串級控制系統(tǒng) 18 比例積分微分調(diào)節(jié)又稱 PID 調(diào)節(jié)，它可由下式表示： ])(1[1dt edTe dtTePu DI ??????? ? （ 34） PID 調(diào)節(jié)中，有三個調(diào)節(jié)參數(shù)，就是比例度 P、積分時 間 IT 、微分時間 DT 。 串級控制 隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，對于某些比較復(fù)雜的過程或者生產(chǎn)工藝、經(jīng)濟(jì)效益、安全運行、環(huán)境保護(hù)等要求更高的場合，單回路控制系統(tǒng)往往不能滿足其需求。 前一個調(diào)節(jié)器稱為主調(diào)節(jié)器，它所檢測和控制的變量稱主變量（主被控參數(shù)），即工藝控制指標(biāo)；后一個調(diào)節(jié)器稱為副調(diào)節(jié)器，它所檢測和控制的變量稱副變量（副被控參數(shù)），是為了穩(wěn)定主變量而引入的輔助變量。二次擾動：作用在副被控過程上的，即包括在副回路范圍內(nèi)的擾動。 二、 能迅速克服進(jìn)入副回路的二次擾動。這里主要解決串級控制系統(tǒng)中兩個回路的協(xié)調(diào)工作問題。 (1) 在設(shè)計中要將主要擾動包括在副回路中。 (5) 在需要以流量實現(xiàn)精確跟蹤時，可選流量為副被控量。副回路中如果包括的擾動越多，其通道就越長，時間常數(shù)就越大，副回路控制作用就不明顯了，其快速 控制的效果就會降低。嚴(yán)重時會出現(xiàn)主、副回路 “ 共振 ” 現(xiàn)象 ，系統(tǒng)不能正常工作。主回路一般要求無差，主調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律應(yīng)選取 PI 或 PID 控制規(guī)律；副回路要求起控制的快速性，可以有余差，一般情況選取 P控制規(guī)律而不引入 I 或 D 控制。確定過程是首先判定為保證內(nèi)環(huán)是負(fù)反饋副調(diào)節(jié)器應(yīng)選用那種作用方式，然后再確定主調(diào)節(jié)器的作用方式。過程放大系數(shù)極性是：當(dāng)過程的重慶科技學(xué)院高等教育自學(xué)考試本科畢業(yè)論文 3 PID調(diào)節(jié)及串級控制系統(tǒng) 21 輸入增大時，即調(diào)節(jié)閥開大，其輸出也增大，則 0K 為正，反之， 0K 為負(fù)。 擴充比例度法適用于有自平衡特性的受控對象，是對連續(xù) 時間 PID 控制器參數(shù)整定的臨界比例度法的擴充。這時去掉積分作用和微分作用，將控制選擇為純比例控制器，構(gòu)成閉環(huán)運行。觀察系統(tǒng)的響應(yīng)過程，若記錄重慶科技學(xué)院高等教育自學(xué)考試本科畢業(yè)論文 3 PID調(diào)節(jié)及串級控制系統(tǒng) 22 曲線不符合要求時，再適當(dāng)調(diào)整整定 參數(shù)值。 [D]：存放控制回路調(diào)節(jié)值（ MV）即輸出值的地址。 BIT2： 0為無輸入變化量報警， 1為輸出變化量報警有效。 [S3]+5：微分增益（ DK ）， 0100%。 [S3]+21：輸入變化量（減方）報警設(shè)定值， 032767。 BIT1 輸入變化量（減方）超出。該指令可 以用中斷、子程序、步進(jìn)梯形指令和條件跳步指令，指令的應(yīng)用如圖 所示。 PID 控制的原理基于下面的算式；輸出 M(t)是比例項、積分項和微分項的函數(shù)。在數(shù)字計算機中，不保存所有的誤差項，實際上也不必要。 其中： nM 是在采樣時間 n時，回路輸出的計算值 ； 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 是積分項的比例常數(shù) ； xM 是積分項的前一個數(shù)值 (在采樣時刻 n1)； DK 是微分項的比例常數(shù) ； 一、 回路輸入的轉(zhuǎn)換和標(biāo)準(zhǔn)化 : 是將現(xiàn)實世界的值的實數(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)化了的實數(shù)值。因此回路表中的這些變量只能被 PID指令讀而不能被改寫。 這個更新了的值用作下一次 PID運算的輸入，當(dāng)計算輸出值超過范圍 (大于 或小于 )， 那么積分項前值必須根據(jù)下列公式進(jìn)行調(diào)整： )( nnx MDMPM ??? 當(dāng)計算輸出 ?nM 或 )( nnx MDMPM ??? 當(dāng)計算輸出 ?nM 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的數(shù)值 ； nMD 是在采樣時間 n 時回路輸出的微分項的數(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。在實際運用中，這樣做的目的是找到由于積分項前值引起的問題。單相泵正常運行，打開閥 1和閥 2，打開上水箱的出水閥，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。 系統(tǒng)的控制框圖如圖 所示。 上水箱下水箱液位串級控制系統(tǒng) 上水箱下水箱液位控制系統(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，要保持上水箱下水箱液位最后都保持設(shè)定值，用簡單的單閉環(huán)反饋控制不能實現(xiàn)很好的控制效果，所以采用串級閉環(huán)反饋系統(tǒng)。 在這里，執(zhí)行機構(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。 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)。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。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)行機構(gòu)的位置反饋信號比較，其信號差值輸入到執(zhí)行機構(gòu)，以確定執(zhí)行機構(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。 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。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)計的重要部分。 上電 X1 開始 X2 檢測 X3 A/D轉(zhuǎn)換 X4 傳送 X5 PID調(diào)節(jié) X6 D/A轉(zhuǎn)換 X7 循環(huán) X8 重新啟動 X9 M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 開始燈閃爍 Y0 輸入設(shè)定值 Y1，并啟動水泵 Y2 上限報警 Y3，下限報警 Y4 A/D 轉(zhuǎn)換輸出 Y5 Y1 與 Y5 進(jìn)行偏差計算輸出 Y6 進(jìn)行 PID 調(diào)節(jié)輸出 Y7 D/A轉(zhuǎn)換輸出 Y8 閥門開度 圖 上水箱流程圖 重慶科技學(xué)院高等教育自學(xué)考試本科畢業(yè)論文 5 運行 32 5 運行 上水箱液位比例調(diào)節(jié) 以圖 所示的液位比例調(diào)節(jié)系統(tǒng)為例，被調(diào)參數(shù)是上水箱的液位 。我們得到了 PI 調(diào)節(jié)器的實驗的變化曲線圖，如圖 所示。基于PLC 的液位控制系統(tǒng)能讓我們在生活中遇到比較危險的場合中變得安全化、智能