【文章內容簡介】 制系統(tǒng)硬件部分 控制系統(tǒng)的組成 雙容水箱控制系統(tǒng) 由雙容水箱、傳感器、變送器、調節(jié)器、執(zhí)行器、計算機等組成 ]10[ ，主要構件包括： （ 1） PLC：運用 PLC 中的 PID 模塊作為系統(tǒng)中的主、副控制器，并通過 PLC的通信接口實現(xiàn)與上位機的通信，實現(xiàn)實時監(jiān)控 。 （ 2） 計算機 （ 3） 雙容水箱：被控對象。 （ 4）電動調節(jié)閥：接受來自 PLC 的控制信號，調節(jié)上水箱的進水量。 （ 5）壓力傳感器、液位變送器：壓力傳感器位于水箱中的底部，把水的壓力轉換為電流或電壓信號；電流、壓信號經(jīng)液位變送器標準化處理之后送入 PLC。 （ 6）通信電纜：使用 PC/PPI 電纜連接 PLC 與上位機。 （ 7） 水泵：為水箱供水。 圖 21 控制系統(tǒng)硬件結構圖 工作原理：上、下水箱壓力傳感 器測量到水箱液位信號送入 EM235 模塊經(jīng)過 A/D轉換后供 PLC 讀取， PLC 讀取下水箱液位后與主回路的設定值比較得出偏差， 然后進行 PID 運算 ； 主 調節(jié)器的 輸出 值 作為副 調節(jié)器 的給定，并將其與上水箱的水位數(shù)據(jù)比較的到偏差后再 進行運算 ， 獲得 420 mA 的電流輸出信號 ， 電動調節(jié)閥接收到該信號后改變閥門開度，從而調節(jié)上水箱的流入量最終達到控制下水箱液位的目的。 西南科技大學本科生畢業(yè)論文 8 PLC 與上位機之間通過 RS485— RS232 串口實現(xiàn)通信，通過 MCGS 監(jiān)控軟件實現(xiàn)過程監(jiān)控。 器件型號 （ 1） 控制器 該系統(tǒng)的控制裝置選用的的是西門 子的 S7200PLC，因為系統(tǒng)只需要兩個控制器， S7— 200PLC（ 8 個 PID 模塊）在內存、掃描通信等方面都能滿足控制的要求。S7200PLC 硬件系統(tǒng)采用整體式加積木式，由于 主機 CPU224 部分沒有模擬量輸入、輸出接口，故使用了模擬量輸入輸出模塊 EM235 與 水箱進行數(shù)據(jù)交換，該模塊有 4個模擬量輸入接口與 1 個模擬量輸出接口 ]11[ 。 （ 2）執(zhí)行機構 該系統(tǒng)的執(zhí)行器使用的是 QS 智能型電動調節(jié)閥，其型號為： QSTP16K，所需的控制信號為 4～ 20mA 的電信號。 （ 3） 檢測裝置 壓力變送器將水箱之中的壓力信號轉換為 4～ 20mA 的電流信號，電流信號再經(jīng)過 接入阻值 50? 的電阻值后轉換成 1～ 5V的電壓信號送入 PLC 的 EM235 模塊。該系統(tǒng)中的變送器的型號為： KYB18G01MIPXC2，該變送器測量的范圍為 0～ 10KPa， 電源為 24V DC（由 PLC 主機提供）。 西南科技大學本科生畢業(yè)論文 9 第 3 章 被控對象建模 單容過程建模 單容水箱建模是指只有一個儲蓄容量 過程的建模。單容過程分為自衡過程和非自衡過程，自衡過程是指在系統(tǒng)達到平衡之后，其輸入量發(fā)生變化，原平衡狀態(tài)被打破，在無任何外界因素的干預下，系統(tǒng)能通過 自 身的調整達到新的平衡狀態(tài)；非自衡過程則不能通過自身的調整達到新的平衡狀態(tài) ]12[ 。 圖 31 所示的是一個有自衡能力的單容過程，該過程的輸入量為 1q ，輸出量為 2q ，改變閥門 1 的開度便能改變 1q 。 2q 的大小 則是取決于閥門 2 的開度以及水箱液位 h ，液位 h 越高，水箱底部的壓力越大， 2q 就越大。當閥門 2 的開度固定時，水箱液位 h的變化反映了 由于 1q 和 2q 不等而引起水箱蓄水或排水的過程。 圖 31 單容過程 假設 h 為被控過程的輸 出量，則該過程的數(shù)學模型就是 h 與 1q 之間的數(shù)學表達式。根據(jù)動態(tài)物料平衡關系，其微分方程： dtdhAqq ??21 （ 311） 其增量式為： dt hdCdt hdAqq ???????21 （ 312） 式中 1q? 、 2q? 、 h? 分別表示偏移原平衡狀態(tài)的 1q 、 2q 、 h 的增量； A=C 表示水箱截面積。 西南科技大學本科生畢業(yè)論文 10 2q 與 h 的關系經(jīng)過線性化處理之后，在工作區(qū)域內， 2q 與 h 成比列關系，而與閥門 2 的阻力 2R 成反比，即： 22 Rhq ??? （ 313） 將式（ 212）、式（ 213）經(jīng)過拉氏變換后得： ?????????????2221)()()()()(RsHsQSsHAsQsQ （ 314） 由式（ 214）可得單容過程的傳遞函數(shù)為： 11)( )()( 2 210 ????? Ts KCsR RsQ sHsW （ 315） 式中 T 為單容水箱的時間常數(shù)， CRT 2? ； K 為放大系數(shù)， 2RK? ； C為水箱的容量系數(shù)。 當水箱受到階躍擾動時，設擾動為 sx0 ，代入式（ 215）得： )111(1)( 00 TssKxsxTs KsH ?????? （ 316） 上式經(jīng)過拉氏反變換得： )1()( /0 TteKxth ??? （ 317） 式中階躍量 0x 為常數(shù)，一般為 10%。 當 ??t 時， 0)( Kxh ?? 。所以 K 的值便可以由下公式求得： 0)(xhK ?? （ 318） 當 Tt? 時，則有 )(6 3 )1()( 10 ???? ? keKxTh （ 319） 所以在曲線上找到一個值為穩(wěn)態(tài)值的 T，其具體做法見圖 32。單容水箱的階躍響應曲線在原點的斜率最大，在 該 點做切線，切線與穩(wěn)態(tài)值的交點所對應的時間就是時間常數(shù) T，由此便能求出單容水箱的傳遞函數(shù)。 西南科技大學本科生畢業(yè)論文 11 圖 32 階躍響應曲線 雙容過程建模 雙容過程的示意圖見圖 11。 設該過程的被控量為下水箱的液位 2h ，輸入量為 1q ，當閥門 3 的開度一定時，可求得該過程的數(shù)學模型 ]12[ 。 根據(jù)物料平衡關系可得： ?????????????????????????32322322121121RhqdthdCqqRhqdthdCqq （ 221） 上式經(jīng)過拉氏變換再整理之后可得雙容水箱的數(shù)學模型： )1)(1()( )()( 21120 ???? sTsT KsQ sHsW （ 222） 式中 K 為過程放大系數(shù)； 1T 、 2T 分別為上、下水箱的時間常數(shù)。 式（ 222）中的特性參數(shù) K 、 1T 、 2T 可通過兩點法求得，首先放大系數(shù) K 可以通過式（ 218）求出 ， 其次 1T 、 2T 可以通過階躍響應曲線上 的兩個點的位置求出 ，如圖 34 所示 。 西南科技大學本科生畢業(yè)論文 12 圖 34 雙容過程的階躍響應曲線 按圖中的方法求取曲線上 A、 B 兩點對應的時間 1t 、 2t ，運用下面公式計算 1T 、 2T ，便可求得雙容水箱的傳遞函數(shù)。 ??????????????)(21221212121ttTTTTttTT （ 223） 西南科技大學本科生畢業(yè)論文 13 第 4 章 實驗法求取水箱參數(shù) 由上一章可知雙容水箱的傳遞函數(shù)是在其階躍響應曲線的基礎上計算出來的。通過實驗的方法可以得到雙容水箱的階躍響應數(shù)據(jù)，從而得到階躍響應曲線。 修正實驗裝置誤差 由于各種原因實驗裝置中的傳感器、電動調節(jié)閥等都會存在一定的誤差。在實驗之前應該測得誤差值，并在程序中做適當?shù)奶幚硪韵`差。 電動調節(jié)閥的特性 電動調節(jié)閥的實際開度 與 設定的開度 不相等 ，采用手動控制的方法設定調節(jié)閥的開度，同時記錄調節(jié)閥的實際開度。記錄數(shù)據(jù)見表 41。 表 41 調節(jié)閥開度特性 設定開度（ %） 實際開度 （ %） 設定開度 （ %） 實際開度 （ %） 設定開度 （ %） 實際開度 （ %） 0 0 35 70 5 40 75 10 45 80 15 50 85 20 55 90 25 60 95 30 65 100 調節(jié)閥開度特性曲線見圖 41。 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000102030405060708090設定開度（ % ）實際開度（%） 圖 41 調節(jié)閥開度特性曲線 西南科技大學本科生畢業(yè)論文 14 由圖可知，調節(jié)閥開度特性共有兩個轉折點，在第一個轉折點 “ 30%” 之前調節(jié)閥的誤差很小可以忽略；在第一個轉折點 “ 30%” 于第二個轉折點 “ 80%” 之間則有存在一個較大的靜態(tài)誤差；第二個轉折點之后存在很大的誤差。 在實驗室之中對調節(jié)閥做出以下修正： ① 開度在 “ 0～ 30%” 之間：不修正。 ② 開度在 “ 30%～ 80%” 之間：調節(jié)閥的設定開度與實際開度之間成線性 關系，所以只需要對設定開度加上一個適當?shù)闹?“ 2%” ，便能夠減小誤差。 ③ 開度在 “ 80%～ 100%” 之間：由于誤差受到調節(jié)閥自身的限制，此處不予修正。 上水箱水位特性 由于傳感器存在誤差，水箱的實際水位置與測量值之間存在誤差。上水箱的特性參數(shù)見表 42。 表 42 上水箱水位特性參數(shù) 實際值（ cm） 顯示值（ cm） 實際值 顯示值 實際值 顯示值 0 10 20 2 12 22 4 14 24 6 16 26 8 18 28 上水箱水位特性曲線見圖 42。 0 5 10 15 20 25 30051015202530實際水位（ cm ）顯示水位（cm） 圖 42 上水箱水位特性曲線 西南科技大學本科生畢業(yè)論文 15 由圖可知，在總體上來說上水箱水位的實際值與顯示值成線性關系，顯示值比實際值大 左右，所以在在程序之中應對采樣得到的水位值減去 作為實際值。 下水箱水位特性 下水箱水位特性參數(shù)見表 43。 表 43 下水箱水位特性參數(shù) 實際值（ cm） 顯示值（ cm） 實際值 顯示值 實際值 顯示值 0 10 20 2 12 22 4 14 24 6 16 26 8 18 28 下水箱水位特性曲線見圖 43。 0 5 10 15 20 25 305051015202530實際水位（ cm ）顯示水位（cm） 圖 43 下水箱水位特性曲線 由圖可知，在總體上來說上水箱水位的實際值與顯示值成線性關系，顯示值 比實際值小 左右，所以在在程序之中應對采樣得到的水位值加上 作為實際值。 測定水箱階躍數(shù)據(jù) 實驗原理圖見圖 44。 西南科技大學本科生畢業(yè)論文 16 圖 44 水箱模型測定原理圖 在實驗中通過調節(jié)電動調節(jié)閥的開度（ 40?50）改變上水箱的進水量，從而對被控對象施加階躍輸入信號。實驗時各手動閥門的開度不能改變。 試驗臺的壓力變送器的輸出值為 4～ 20mA，在經(jīng)過接入阻 值 50? 的電阻值后轉換成 1～ 5V的電壓信號，具有 20%的偏移量。因此在編寫 PLC 程序之時要把通過EM235 模塊采集來的數(shù)據(jù)減去 6400（消除偏移）之后再除以 256 便得到水箱的水位數(shù)據(jù)。同樣電動調節(jié)閥的控制也要考慮到偏移的問題。 利用 MCGS 軟件的 “ 存盤數(shù)據(jù)策略 ” 記錄雙容水箱的階躍響應數(shù)據(jù)，采集數(shù)據(jù)的時間間隔為 20 秒。 (1)上水箱階躍響應參數(shù)： 表 44 上水箱階躍響應參數(shù) 水位 /cm 水位 /cm 水位 /cm 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15