【正文】 大氣壓力為 PA，選定的零液位處壓力為 PB，零液位至液面高度為 H，其產(chǎn)生的壓差Δ P 為 gHPPP AB ????? (41) 式中，ρ為水的密度， g 為重力加速度。液位是指密封容器或開(kāi)口容器中液位的高低，通過(guò)液位測(cè)量可知道容器中的原料、半成品或成品的數(shù)量，以便調(diào)節(jié)流入流出容器的物料，使之 達(dá)到物料的平衡，從而保證生產(chǎn)過(guò)程順利進(jìn)行。所以系統(tǒng)能實(shí)時(shí)地 調(diào)節(jié)水箱的液位。系統(tǒng)原理圖如圖 25 所示。 PID 的能流記憶位的默認(rèn)值為 1，在啟動(dòng) CPU 或從 STOP 方式轉(zhuǎn)換到 RUN方式時(shí)它被置位。手工調(diào)整 MX 時(shí)必須嚴(yán)格小心，而且寫入回路表的 MX 必須是 ~ 之間的實(shí)數(shù)。每次完成 PID 運(yùn)算后，都要更新回路表中的輸出值 Mn。 /R 64 //累加器中的實(shí)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化 +R //加上偏移值，使其在 ~ T MD100 //將標(biāo)準(zhǔn)化后的值存入回路表內(nèi) ? 回路輸出即 PID 控制器的輸出，它是 ~ 之間的實(shí)數(shù)。給定值通常是固定的值，如水箱液位的給定值。 4) 根據(jù)選定的控制度，查表 31，計(jì)算 T =3s， CK =893， IT =， DT =。一般來(lái)說(shuō)， minT 應(yīng)小于對(duì)象延遲時(shí)間τ的 1/10。 擴(kuò)充臨界比例法 PID 控制參數(shù)的整定是先確定采樣周期 T，再比例系數(shù) Kc，然后為積分常數(shù)TI，再就是微分常數(shù) TD。串級(jí)控制只多了一個(gè)測(cè)量變送器，增加的儀表并不多，而控制效果卻得到了顯著的改善 。以上的比例調(diào)節(jié)和積分調(diào)節(jié)都是根據(jù)當(dāng)時(shí)的偏差方向和大小進(jìn)行調(diào)節(jié)的，不管被控對(duì)象中流入流出量之間有多大的不平衡，而這個(gè)不平衡正決定著此后被調(diào)量將如何變化的趨勢(shì)。只有當(dāng)偏差 e為零時(shí)， I調(diào)節(jié)器的輸出才會(huì)保持不變。穩(wěn)定性是任何閉環(huán)控制的首要要求，比例帶的設(shè)置必需保證系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定裕度 。采樣偏差一旦產(chǎn)生 ,控制器立即產(chǎn)生正比于偏差大小的控制作用 ,使被調(diào)量朝誤差減小方向變化 ,其作用大小通過(guò)比 例增益度量 ,比例增益大時(shí)響應(yīng)速度快 ,穩(wěn)態(tài)誤差小 ,但會(huì)產(chǎn)生較大的超調(diào)或產(chǎn)生不穩(wěn)定 ,而 CK 過(guò)小會(huì)使響應(yīng)速度緩慢 ,調(diào)節(jié)時(shí)間加長(zhǎng) ,調(diào)節(jié)精度降低。 2. 增量型算式 第 (n1)時(shí)刻控制量 M(n－ 1)，即 ? ? i ni t i alDnjICMneneTTjeTTneKnM ??????? ??????? ??? )2()1()()1()( 10 (35) 將式 (2－ 10)減式 (2－ 11)得 n時(shí)刻控制量的增量 ΔM(n)為 16 ? ?? ? ? ? i n i t i a lDICi n i t i a lDICMneneneKneKneneKMneneneTTneTTneneKnM????????????????? ?????????)2()1(2)()()1()()2()1(2)()()1()()( (36) 其中 ?1?CK 稱為比例增益 ICI TTKK ? 稱為積分系數(shù) TTKK DCD ? 稱為微分系數(shù) 式 (36)中的 ΔM(n)對(duì)應(yīng)于第 n 時(shí)刻閥門位置的增量，故稱此式為增量型算式。如果取其中的一項(xiàng)或兩項(xiàng)，可以組成 P、 PD 或 PI 控制器。 表 27 新的平衡狀態(tài)的數(shù)據(jù) PLC 輸出值 水箱水位高度 h1 組態(tài)顯示值 0~100 cm cm 64 再將輸出儀表調(diào)回到系統(tǒng)第一次平衡前的位置，紀(jì)錄階躍響應(yīng)過(guò)程參數(shù)的曲線如圖 212 所示。由于多了一個(gè)容器，就使調(diào)節(jié)對(duì)象的飛升特性在時(shí)間上更加落后一步。 表 22 增加 PLC 手動(dòng)輸出后的過(guò)程參數(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) 9 圖 27 增加輸出值后的變化曲線 進(jìn)入新的平衡狀態(tài)，這時(shí)的數(shù)據(jù)如表 23 所示。令輸入量Q1(s)=R0/s， R0 為常量，則輸出液位的高度為 TsKRsKRTss KRsH 1)1()( 000 ????? (23) 根據(jù)上式，需要確定的參數(shù)是過(guò)程放大系數(shù) K 和水箱的時(shí)間常數(shù) T。階躍響應(yīng)測(cè)試法是系統(tǒng)在開(kāi)環(huán)運(yùn)行條件下，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，通過(guò)調(diào)節(jié)器或其他操作器，手動(dòng)改變對(duì)象的輸入信號(hào) (階躍信號(hào) )。在輸出電壓時(shí)，可以采用 2 線回路和 4 線回路與負(fù)載連接。 某一通道開(kāi)始轉(zhuǎn)換模擬量輸入值起到再次開(kāi)始轉(zhuǎn)換的時(shí)間是模入模塊的循環(huán)時(shí)間。 模擬量輸入模塊 系統(tǒng)中從檢測(cè)裝置過(guò)來(lái)的模擬量需經(jīng)過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換才能輸入到 CPU 處理，這就要求 PLC 有模擬量輸入處理模塊。 2) RUN：運(yùn)行方式。 ? 用于與 SIMATIC 其他產(chǎn)品相連的接口，集成了 MMI(人機(jī)界面 )設(shè)備，用戶友好的 Windows STEP7 編程，使得 S7300 成為對(duì)未來(lái)的安全投資。 S7300 的 CPU模塊集成了過(guò)程控制功能，用于執(zhí)行用戶程序。 PID 控制具有以下優(yōu)點(diǎn)： 1) 原理簡(jiǎn)單，使用方便。 PID 控制的歷史和發(fā)展現(xiàn)狀 PID 控制技術(shù)的發(fā)展可以分為兩個(gè)階段。預(yù)測(cè)控制有三要素，即預(yù)測(cè)模型、滾動(dòng)優(yōu)化和反饋校正。 這些實(shí)際上提出了將繼電器控制的簡(jiǎn)單移動(dòng)、使用方便、價(jià)格低的優(yōu)點(diǎn)與計(jì)算機(jī)的功能完善、靈活性、通用性好的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，將繼電接觸器控制的硬連線邏輯轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)的軟件邏輯編程的設(shè)想。 2) 維修方便，采用插件式結(jié)構(gòu)。 系統(tǒng)根據(jù)雙容水箱的數(shù)學(xué)模型，采用微分先行的串級(jí)控制技術(shù)、 PLC 控制器、MCCS 軟件組態(tài)實(shí)現(xiàn)了雙容水箱液位的高精度控制和實(shí)時(shí)顯示 本文的主要內(nèi)容包括：水箱的特性確定與實(shí)驗(yàn)曲線分析， S7300 可編程控制器的硬件掌握， PID 參數(shù)的整定及各個(gè)參數(shù)的控制性能的比較，應(yīng)用 PID 控制算法所得到的實(shí)驗(yàn)曲線分析，整個(gè)系統(tǒng)各個(gè)部分的介紹和應(yīng)用 PLC 語(yǔ)句編程來(lái)控制水箱水位。 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）的內(nèi)容與技術(shù)參數(shù) 本設(shè)計(jì)使用的是軟件是 STEP7Micro/WIN,該軟件主要協(xié)助用戶開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序，除了具有創(chuàng)建程序的相關(guān)功能，還有一些文檔管理等工具性功能，還可直接通過(guò)軟件設(shè)置 PLC 的工作方式、參數(shù)和運(yùn)行監(jiān)控等 。 技術(shù)參數(shù)：（ 1） 利用定時(shí)中斷功能實(shí)現(xiàn) PID 控制的定時(shí)采樣及輸出控制。 關(guān)鍵詞： S7300 西門子 PLC、控制對(duì)象特 性、 PID 控制算法、擴(kuò)充臨界比例法、壓力變送器、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、 PID 指令。 3) 可靠性高于繼電器控制裝置。美國(guó)數(shù)字設(shè)備公司 (DEC)中標(biāo)，并于 1969 年研制出第一臺(tái)可編程控制器 PDP14，在美國(guó)通用汽車公司的生產(chǎn)線上試用成功，并取得了滿意的效果，可編程控制器自此誕生。 (3) 自適應(yīng)控制 在過(guò)程工業(yè)中，不少的過(guò)程是時(shí)變的， 如采用參數(shù)與結(jié)構(gòu)固定不變的控制器，則控制系統(tǒng)的性能會(huì)不斷惡化，這時(shí)就需要采用自適應(yīng)控制系統(tǒng)來(lái)適應(yīng)時(shí)變的過(guò)程。第一個(gè)階段為發(fā)明階段 (1900～1940)PID 控制的思想逐漸明確，氣動(dòng)反饋放大器被發(fā)明，儀表工業(yè)的重心放在實(shí)際 PID 控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上。 2) 適應(yīng)性強(qiáng)，可 以廣泛應(yīng)用于化工、熱工、冶金、煉油以及造紙、建材等 3) 魯棒性強(qiáng)，即其控制品質(zhì)對(duì)被控對(duì)象特性的變化不大敏感。每個(gè) CPU都有一個(gè)編程用的 RS485 接口，可以和計(jì)算機(jī)連接， PLC 作為下位機(jī)，利用計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)進(jìn)行編程。 CPU 模塊 系統(tǒng)選用的 CPU模塊為 CPU 313。 CPU不掃描用戶程序，可以用變成裝置讀出并監(jiān)控 PLC的 CPU中的程序，但不能改變裝置存儲(chǔ)器中的程序。 SM 331 模擬量輸入 [簡(jiǎn)稱模入 (AI)] 模塊目前有三種規(guī)格型號(hào)，即 128 ?AI 位模塊、 168 ?AI 位模塊和 122 ?AI 位模塊 。 SM 331 的每?jī)蓚€(gè)輸入通道構(gòu)成一個(gè)輸入通道組，可以按通道組任意選擇測(cè)量 5 方法和測(cè)量范圍。 4 線回路的精度高，因此采用 4 線回路，它與負(fù)載的接線如圖 23 所示。同時(shí)，記錄對(duì)象的輸出數(shù)據(jù)或階躍響應(yīng)曲線，然后根據(jù)已給定對(duì)象模型的結(jié)構(gòu)形式，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，決定模型中各參數(shù)。 當(dāng) t=T 時(shí)， 有 ）（）（）（ ??????? ? hKReKRTh 632063201 010 (24) 即 )1()( 0 TteKRth ??? (25) 當(dāng) t→∞時(shí)， h(∞ )=KR0，因而有 K=h(∞ )/R0=輸出穩(wěn)態(tài)值 /階躍輸入。 表 23 新的平衡狀態(tài)的數(shù)據(jù) PLC 輸出值 水箱水位高度 h1 組態(tài)顯示值 0~100 cm cm 51 再將輸出儀表調(diào)回到系統(tǒng)第一次平衡前的位置，紀(jì)錄階躍響應(yīng)過(guò)程參數(shù)的曲線如圖 28 所示，階躍響應(yīng)過(guò)程參數(shù)如表 24。在圖中 S 型曲線的拐角 P 上作切線，它在時(shí)間軸上截出一段時(shí)間 OA，這段時(shí)間可以近似地衡量由于多了一個(gè)容量而使飛升過(guò)程向后推遲的程度，因此稱容量滯后，通常以τ c代表之。 圖 212 達(dá)到新的平衡的曲線 由曲線 211 上得出 h2(t)穩(wěn)態(tài)值的漸近線 h2(∞ )為 ， )()( 212 ??? hth tt時(shí)曲線上的點(diǎn)和對(duì)應(yīng)的時(shí)間 t1 為 3`17``， )()( 222 ??? hth tt 時(shí)曲線上的點(diǎn)和對(duì)應(yīng)的時(shí)間 t2 為 7`35``。需要較好的動(dòng)態(tài)品質(zhì)和較高的穩(wěn)態(tài)精度時(shí)，可以選用 PI 控制方式；控制對(duì) 31 模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng) 象的慣性滯后較大時(shí)，應(yīng)選擇 PID 控制方式。 )， e(n1)和 e(n)分別為第 (n1)和第 n控制周期所得的偏差。因此第 n時(shí)刻的實(shí)際控制量為 )()1()( nMnMnM ???? (37) 其中 M(n－ 1)為第 (n－ 1)時(shí)刻的控制量。 在比例調(diào)節(jié)中調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào) M(n)與偏差信號(hào) e成比例，比例系數(shù)為 KC，稱為比例增益。 ? 很大意味著調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作幅度很小，因此被調(diào)量的變化比較平穩(wěn)，甚至沒(méi)有超調(diào)，但殘差很大，調(diào)節(jié)時(shí)間也很長(zhǎng)；減小 ? 就加大了調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作幅度，引起被調(diào)量來(lái)回波動(dòng)，但系統(tǒng)仍可能是穩(wěn)定的，殘差相應(yīng)減小。然而與此同時(shí)，調(diào)節(jié)器的輸出卻可以停在任何值上。 由于被調(diào)量的變 化速度 (包括大小和方向 )可以反映當(dāng)時(shí)或稍前一些時(shí)間流入、流出量間的不平衡情況，因此，如果調(diào)節(jié)器能夠根據(jù)被調(diào)量的變化速度來(lái)移動(dòng)調(diào)節(jié)閥，而不要等被調(diào)量已經(jīng)出現(xiàn)較大的偏差后才開(kāi)始動(dòng)作，那么調(diào)節(jié)的效果將會(huì)更好，等于賦予調(diào)節(jié)器以某種預(yù)見(jiàn)性，這種調(diào)節(jié)動(dòng)作稱為微分調(diào)節(jié)。 串級(jí)控制特點(diǎn)及應(yīng)用范圍是： 特點(diǎn)： (1)能夠迅速克服進(jìn)入副回路的干擾，抗干擾能力強(qiáng)，控制質(zhì)量強(qiáng)； (2)改善過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的工作頻率； (3)對(duì)負(fù)荷和操作條件的變化適應(yīng)性強(qiáng)； 應(yīng)用范圍： (1)應(yīng)用于容量滯后較大的過(guò)程； (2)應(yīng)用于純時(shí)延較大的過(guò)程； (3)應(yīng)用于干擾變化激烈的而且幅度大的過(guò)程； (4)應(yīng)用于參數(shù)互相關(guān)聯(lián)的過(guò)程； (5)應(yīng)用于非線性過(guò)程； 采用串級(jí)可以大大提高調(diào)節(jié)品質(zhì)。而且這些參數(shù)選定，多都是憑經(jīng)驗(yàn)，在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試中具體確定。 （ 2） 令系統(tǒng)為純比例控制，逐漸加大比例增益 KC(縮小比例帶 ? )，使系統(tǒng)出現(xiàn)等幅振蕩，此時(shí)的比例增益為臨界比例增益 crK (對(duì)應(yīng)臨界比例帶 cr? ),值為1900，振蕩周期稱為臨界振蕩周期 crT ，值為 30s。 5) 按所求的系統(tǒng)參數(shù)運(yùn)行，觀察 系統(tǒng)的運(yùn)行情況，得到一個(gè)滿意的曲線。過(guò)程變量是經(jīng)過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換和計(jì)算后得到的被控量的實(shí)測(cè)值，如水箱液位的測(cè)量值。將回路輸出送給 D/A 轉(zhuǎn)換器之前，必須轉(zhuǎn)換成 16 位二進(jìn)制整數(shù)。它被限制在 ~ 之間?；芈繁韮?nèi)的過(guò)程變量的差值用于PID 計(jì)算的微分部分，用戶不應(yīng)修改它。進(jìn)入 RUN 方式后 PID 指令首次有效時(shí)，沒(méi)有檢測(cè)到使能為的正跳變，就不會(huì)執(zhí)行無(wú)擾動(dòng)的切換操作。單相泵正常運(yùn)行，打開(kāi)閥 1 和閥 2，打開(kāi)上水箱的出水閥，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥以一定的開(kāi)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(kāi)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。 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)。 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。根據(jù)式 (41)，利