【文章內(nèi)容簡介】 重要。 （ 4）調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定，一個系統(tǒng)有了好的方案，但是如果參數(shù)整定錯誤那也是功虧一簣 6 2 水箱液位串級控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 水箱系統(tǒng)的組成 水箱系統(tǒng)由兩個串聯(lián)水箱、一個大水箱、一個水泵、兩個壓力變送器、管道及若干閥組成。兩個壓力變送器通過分別檢測兩個水箱壓力來確定水位高度。 控制系統(tǒng)面板左側(cè)：電源： 220V AC 單相電源、空氣開關(guān)、對象系統(tǒng)流程圖。右側(cè)： S7200 CPU22 EM235 擴(kuò)展模塊、 I/O接口。 圖 21為雙溶水箱控制實(shí)驗(yàn)臺 西門子 PLC 控制系統(tǒng) S7200系列 PLC適用于各行各業(yè)，各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動化。S7200 系列的強(qiáng)大功能使其無論在獨(dú)立運(yùn)行中，或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制功能。因此 S7200 系列具有極高的性能 /價格比。 S7200 系列在集散自動化系統(tǒng)中充分發(fā)揮其強(qiáng)大功能。 S7200 系列 PLC 可提供 4 個不同的基本型號的 8 種 CPU供您使用。集成的 24V 負(fù)載電源 CPU 221～ 226 各有 2 種類型 CPU，具有不同的電源電壓和控制電壓。 圖 211為 PLC 的原理圖。 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”。其功能是： （ 1） 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)。 （ 2）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。 （ 3）診斷電源、 PLC內(nèi)部電路工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯誤。 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 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。 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。如輸入 /輸出電平轉(zhuǎn)換、電氣隔離、串 /并行轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)傳送、誤碼校驗(yàn)、 A/D 或 D/A 變換以及其他功能模塊等。 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。 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)出輸出信號外存接口 其他接口 中央處理器 CPU ROM RAM 編輯器 CPROM EPROM RAM 其他設(shè)備 計(jì)算機(jī) A/D D/A 輸入接口 光電耦合 輸出接口 繼電器或晶管 8 至輸出端。輸出方式有三種：繼電器方式、晶體管方式和晶閘管方式。 I/O 接線圖 圖 212 I/O接線示意圖 信號間的轉(zhuǎn)換關(guān)系 壓力變送器檢測水箱壓力在 0～ 5000pa 范圍內(nèi)，經(jīng)過壓力變送器轉(zhuǎn)換成 1～ 5V模擬量電壓信號，經(jīng)過模擬信號接口輸送給 EM235 擴(kuò)展模塊； 1～ 5V 模擬量信號經(jīng)過 EM235 轉(zhuǎn)換成 6400～ 32020 數(shù)量信號，再將其輸送到 PLC 中；經(jīng)過程序控制，對應(yīng) 0～ 50cm 水箱水位。 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。 水箱壓力值 0～ 5000pa 經(jīng)壓力變送器轉(zhuǎn)換成電壓值 1～ 5V,其轉(zhuǎn)換關(guān)系可用函數(shù)表達(dá)式表示 : {Y(x)1}/(x0)=(51)/(50000) (213) 化簡為 : Y(x)=+1 (214) EM235 模塊將 1～ 5V 壓力信號轉(zhuǎn)換為 6400～ 32020 數(shù)字信號 ,其轉(zhuǎn)換關(guān)系為 : {Y(x)6400}/(x1)=(320206400)/(51) (215) 化簡為 : Y(x)=1600x4800 (216) 6400～ 32020 數(shù)字信號進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理為 (除以 32020)得到結(jié)果為 ～ 準(zhǔn)化處理結(jié)果 ～ 1與 0～ 50cm 水箱水位的對應(yīng)關(guān)系表達(dá)式為 : {Y(x)0}/()=(500)/() (217) 水泵驅(qū)動模塊 水泵 左水箱 LT2 傳感器 2 AI1+ AI1 AI2+ AI2 AO+ AO LT1 傳感器 1 右水箱 EM235 + + 9 化簡為 : Y(x)= (218) 本設(shè)計(jì)中數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系 : 水箱壓力值 0～ 2020pa 經(jīng)壓力變送器轉(zhuǎn)換成電壓值 1～ ,其轉(zhuǎn)換關(guān)系可用函數(shù)表達(dá)式表示 : Y(x)=+1 (219) EM235模塊將 1～ 6400～ 16640數(shù)字信號 ,其轉(zhuǎn)換關(guān)系為 : Y(x)=6400x (2110) 6400～ 16640數(shù)字信號進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理為 (除以 32020)得到結(jié)果為 ～ .標(biāo)準(zhǔn)化處理結(jié)果 ～ 與 0～ 20cm 水箱水位的對應(yīng)關(guān)系表達(dá)式為 : Y(x)= (2111) 雙容水箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 雙容水箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 雙容水箱是兩個串聯(lián)在一起的水箱，整個系統(tǒng)有左水箱、右水箱、儲水箱愛及管和閥門組成。本系統(tǒng)由雙容水箱作為控制對象， 水箱的液位 h1 和 h2 作為被控量。水箱里液位的變化，由壓力傳感器轉(zhuǎn)換成 4～ 20mA 的標(biāo)準(zhǔn)電信號，在 I/O接口的 A/D 轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制編碼的數(shù)學(xué)信號后，送入計(jì)算機(jī)端口。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。水從左水箱進(jìn)入，左水箱閘板開度 8 毫米，進(jìn)入右水箱，右水箱閘板開度 56 毫米。要保證右水箱閘板開度大約下水箱閘板開度，這樣控制效果好些。水流入量Qi 由調(diào)節(jié)閥 u控制，流出量 Qo則由用戶通過閘板來改變。被調(diào)量為下水位 H。雙溶水箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 221 所示 圖 221雙溶水箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 10 雙容水箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 雙溶水箱液位控制系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)如圖 222所示 （ a）結(jié)構(gòu)圖 （ b）方框圖 圖 222雙閉環(huán)液位控制系統(tǒng) 圖 222 為雙閉環(huán)串級控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖和方框圖。本系統(tǒng)是由左、右兩個水箱串聯(lián)組成，右上水箱的液位為系統(tǒng)的主控制量，左上水箱的液位為副控制量。 本系統(tǒng)的控制目的，不僅要使右 上水箱的液位等于給定值，而且當(dāng)擾動出現(xiàn)在左上水箱時，由于它們的時間常數(shù)均小于右上水箱，故在右上水箱的液位未發(fā)生明顯變化前，擾動所產(chǎn)生的影響已通過內(nèi)回路的控制及時地被消除。 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。由于副控回路的輸出要求能快速、準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)主調(diào)節(jié)器輸出信號的變化規(guī)律，對副參數(shù)的動態(tài)性能和余差無特殊要求，因而副調(diào)節(jié)器采用 P或 PI 調(diào)節(jié)器。 11 雙容水箱對象特性 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。 現(xiàn)在 ，以具有自衡能力的雙容過程為例，來討論其建立數(shù)學(xué)模型的方法。 圖 223（ a）所示為兩只水箱串聯(lián)工作的雙容過程。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 dthdC 1121 ????? （ 224） 212 RhQ ??? （ 225） 00 0 Q 0 0 0 圖 223雙容過程及其響應(yīng)曲線 12 dthdC 2232 ???? （ 226） 323 RhQ ??? （ 227） 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 229所示 。 雙容過程的數(shù)學(xué)模型為 : )1)(1()()()(210120 ???? sTsT KsQ sHsW （ 228） 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)。 圖 2210 所示為流量 1Q 有一階躍變化時，被控量 2h 的響應(yīng)曲線。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。即多容過程對于擾動的響應(yīng)在時間上存在時延， 被稱為容量時延。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。容量時延可用作圖法求得，即通過 2h 響應(yīng)曲線的拐點(diǎn) D 作切線，與時間 1/C1s 1/R2 1/C2s 1/R3 — — — 圖 229 雙容過程方框圖 13 軸相交與 A，與 2 h 相交與 C， C 點(diǎn)在時間軸上的投影 B， OA即為容量時延時間 Ct ，AB 即為過程的時間常數(shù) T。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 。 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。 2h 對擾動的響應(yīng)有他、一定的時延和慣性。同上所述，所示過程的數(shù)學(xué)模型為 )1( 11)( )()( 0120 ??? TssTsQ sHsW （ 2211） 式中： 0T —— 過程積分時間常數(shù)， 20 CT ? ； T—— 第一只水箱的時間常數(shù)。 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。該系統(tǒng) 有主、副兩個控制回路，主、副調(diào)節(jié)器相串聯(lián)工作，其中主調(diào)節(jié)器有自己獨(dú)立的給定值 R，它的輸出 m1 作為副調(diào)節(jié)器給定值，副調(diào)節(jié)器的輸出 m2控制執(zhí)行器，以改變主參數(shù) C1。 圖 31串級控制系統(tǒng)方框圖 R主參數(shù)的給定值； C1被控的主參數(shù)； C2副參數(shù) f1(t)作用在主對象上的擾動 f2(t)作用在副對象上的擾動 串級控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn) 串級控制系統(tǒng)從總體上看，仍然是一個定值控制系統(tǒng)，因此，主變量在干擾作用下的過渡過程和單回路定值控制系統(tǒng)的過渡過程具有相同的品質(zhì)指標(biāo)。但是串級控制系統(tǒng) 和單回路系統(tǒng)相比，在結(jié)構(gòu)上從對象中引入一個中間變量（副變量）構(gòu)成一個回路，因此具有一系列的特點(diǎn)。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