【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 斷電源使空壓機(jī)自動(dòng)停止工作，當(dāng)儲(chǔ)氣罐內(nèi)的氣體壓力因外部設(shè)備的使用而下降到額定排壓以下 時(shí)，氣壓開(kāi)關(guān)自動(dòng)復(fù)位，空壓機(jī)又重新工作，使儲(chǔ)氣罐內(nèi)壓縮空氣壓力保持在一定范圍內(nèi)。三、電源控制臺(tái)（僅早期控制系統(tǒng)需依賴電源控制臺(tái)，升級(jí)后的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)本身已集成電源控制部分）電源控制屏面板：充分考慮人身安全保護(hù)，帶有漏電保護(hù)空氣開(kāi)關(guān)、電壓型漏電保護(hù)器、電流型漏電保護(hù)器。儀表綜合控制臺(tái)包含了原有的常規(guī)控制系統(tǒng)，由于它預(yù)留了升級(jí)接口，因此它在總線控制系統(tǒng)中的作用就是為上位控制系統(tǒng)提供信號(hào)。其 FCS 控制系統(tǒng)對(duì)象裝置總貌圖如圖 1 所示：圖 1 FCS控制系統(tǒng)對(duì)象裝置總貌圖 雙容水箱控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)9 雙容水箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)雙容水箱是兩個(gè)串聯(lián)在一起的水箱，整個(gè)系統(tǒng)有上水箱、中水箱、儲(chǔ)水箱及管和閥門(mén)組成。本系統(tǒng)由雙容水箱作為控制對(duì)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(hào),在由I/O接口的A/D轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制編碼的數(shù)字信號(hào)后,送入計(jì)算機(jī)端口。經(jīng)計(jì)算機(jī)算出的控制量通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換成1~5V的控制電信號(hào),加到功放上,通過(guò)改變調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度向水箱。水從上水箱進(jìn)入，上水箱閘板開(kāi)度8毫米，進(jìn)入中水箱，中水箱閘板開(kāi)度56毫米。要保證中水箱閘板開(kāi)度大約下水箱閘板開(kāi)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(guò)閘板來(lái)改變。被調(diào)量為下水位H。雙容水箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示：圖 2 雙容水箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 控制邏輯結(jié)構(gòu) 雙容水箱液位控制系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)如圖 3 所示:10圖 3 系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)圖這是一個(gè)串級(jí)控制系統(tǒng)，有兩個(gè)水箱相串聯(lián)，控制的目的是使下水箱的液位高度等于給定值所期望的高度；具有減少或消除來(lái)自系統(tǒng)內(nèi)部或外部擾動(dòng)的影響。由于雙容水箱的數(shù)學(xué)模型是二階的，故它的穩(wěn)定性不如單容液位控制系統(tǒng)。 串級(jí)控制系統(tǒng) 串級(jí)控制系統(tǒng)概述圖 4 是串級(jí)控制系統(tǒng)的方框圖。該系統(tǒng)有主、副兩個(gè)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)器的給定值，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 4 串級(jí)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(duì)象上的擾動(dòng)； f2(t)作用在副對(duì)象上的擾動(dòng)。 串級(jí)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)串級(jí)控制系統(tǒng)從總體上看，仍然是一個(gè)定值控制系統(tǒng)，因此，主變量在干擾作用下的過(guò)渡過(guò)程和單回路定值控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程具有相同的品質(zhì)指標(biāo)。但是串級(jí)控制系統(tǒng)和單回路系統(tǒng)相比，在結(jié)構(gòu)上從對(duì)象中引入一個(gè)中間變量（副變量）構(gòu)成了一個(gè)回路，因此具有一系列的特點(diǎn)。串級(jí)控制系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)有： 11副回路的干擾抑制作用 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； 主回路響應(yīng)速度的改善 副回路的存在，使副對(duì)象的相位滯后對(duì)控制系統(tǒng)的影響減小，從而改善了主回路的響應(yīng)速度； 魯棒性的增強(qiáng) 串級(jí)系統(tǒng)對(duì)副對(duì)象及調(diào)節(jié)閥特性的變化具有較好的魯棒性； 副回路控制的作用 副回路可以按照主回路的需要對(duì)于質(zhì)量流和能量流實(shí)施精確的控制。 串級(jí)控制系統(tǒng)的適用場(chǎng)合與單回路回饋控制系統(tǒng)比較，串級(jí)控制系統(tǒng)有許多優(yōu)點(diǎn)。如串級(jí)控制系統(tǒng)能改善對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性、提高系統(tǒng)的控制質(zhì)量；能迅速克服進(jìn)入副回路的二次擾動(dòng)；能提高系統(tǒng)的工作頻率以及對(duì)負(fù)荷變化的適應(yīng)性較強(qiáng)等等。串級(jí)控制方案主要適用場(chǎng)合如下：1．應(yīng)用于容量滯后較大的對(duì)象當(dāng)對(duì)象的容量滯后較大時(shí)。若采用串級(jí)控制，使等效對(duì)象的時(shí)間常數(shù)減小，以提高系統(tǒng)的工作效率，加快反應(yīng)速度，可以得到較好的控制質(zhì)量。2．應(yīng)用于純滯后較大的對(duì)象當(dāng)對(duì)象純滯后較大，有時(shí)可以用串級(jí)控制系統(tǒng)來(lái)改善系統(tǒng)的控制質(zhì)量3．應(yīng)用于擾動(dòng)變化激烈而且幅度大的對(duì)象串級(jí)控制系統(tǒng)的副回路對(duì)于進(jìn)入其中的擾動(dòng)具有較強(qiáng)的校正能力。4．應(yīng)用于參數(shù)互相關(guān)聯(lián)的對(duì)象在有些生產(chǎn)過(guò)程中，有時(shí)兩個(gè)互相關(guān)聯(lián)的參數(shù)需要利用同一個(gè)介質(zhì)進(jìn)行控制。鑒于串級(jí)控制方式所具有的這一優(yōu)勢(shì)，本設(shè)計(jì)最終采用串級(jí)控制方式來(lái)控制水箱液位。 控制規(guī)律 控制規(guī)律選擇本設(shè)計(jì)采用的是工業(yè)控制中最常用的 PID 控制規(guī)律，內(nèi)環(huán)與外環(huán)的控制算法采用PID 算法，PID 算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，控制效果好，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，外環(huán) PID 的輸出作為內(nèi)環(huán)的輸入，內(nèi)環(huán)跟隨外環(huán)的輸出。在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱 PID 控制，又稱 PID 調(diào)節(jié)。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，參數(shù)易于調(diào)整，在長(zhǎng)期的應(yīng)用中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。12 PID控制規(guī)律特點(diǎn)技術(shù)成熟；PID 調(diào)節(jié)是連續(xù)系統(tǒng)理論中技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的控制方法，它的結(jié)構(gòu)靈活，不僅可實(shí)現(xiàn)常規(guī)的 PID 調(diào)節(jié)，而且還可根據(jù)系統(tǒng)的要求，采用 PI、PD、帶死區(qū)的 PID 控制等；不需求出系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型； 控制效果好。雖然計(jì)算機(jī)控制是非連續(xù)的，但由于計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度越來(lái)越快，因此用數(shù)字 PID 完全可代替模擬調(diào)節(jié)器，并且能得到比較滿意的效果。 PID控制調(diào)節(jié)規(guī)律 典型的 PID 控制結(jié)構(gòu)如圖 5 所示： 圖 5 PID控制結(jié)構(gòu)圖1．比例部分 比例部分的數(shù)學(xué)式表達(dá)如公式（1）可見(jiàn)： 比例部分表達(dá)式(1)在模擬 PID 控制器中，比例環(huán)節(jié)的作用是對(duì)偏差瞬間作出反應(yīng)。偏差一旦產(chǎn)生控制器立即產(chǎn)生控制作用，使控制量向減少偏差的方向變化。控制 作用的強(qiáng)弱取決于比例系數(shù) Kp，比例系數(shù) Kp 越大，控制作用越強(qiáng)，則過(guò)渡過(guò)程越快，控制過(guò)程的靜態(tài)偏差也就越?。坏?Kp 越大，也越容易產(chǎn)生振蕩，破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。故而，比例系數(shù) Kp選擇必須恰當(dāng)，才能過(guò)渡時(shí)間少，靜差小而又穩(wěn)定的效果。2．積分部分 積分部分的數(shù)學(xué)式表達(dá)如公式（2）可見(jiàn)： 積分部分表達(dá)式(2)從積分部分的數(shù)學(xué)表達(dá)式可以知道，只要存在偏差，則它的控制作用就不斷的增加；只有在偏差e(t)=0時(shí)，它的積分才能是一個(gè)常數(shù)，控制作用才是一個(gè)不會(huì)增加的常數(shù)?？梢?jiàn)，積分部分可以消除系統(tǒng)的偏差。13積分環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)作用雖然會(huì)消除靜態(tài)誤差，但也會(huì)降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度，增加系統(tǒng)的超調(diào)量。積分常數(shù)Ti越大，積分的積累作用越弱，這時(shí)系統(tǒng)在過(guò)渡時(shí)不會(huì)產(chǎn)生振蕩；但是增大積分常數(shù)Ti會(huì)減慢靜態(tài)誤差的消除過(guò)程，消除偏差所需的時(shí)間也較長(zhǎng)，但可以減少超調(diào)量，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當(dāng)Ti較小時(shí)，則積分的作用較強(qiáng)，這時(shí)系統(tǒng)過(guò)渡時(shí)間中有可能產(chǎn)生振蕩，不過(guò)消除偏差所需的時(shí)間較短。所以必須根據(jù)實(shí)際控制的具體要求來(lái)確定Ti。3．微分部分 微分部分的數(shù)學(xué)式表達(dá)如公式(3)可見(jiàn)： 微分部分表達(dá)式(3)實(shí)際的控制系統(tǒng)除了希望消除靜態(tài)誤差外，還要求加快調(diào)節(jié)過(guò)程。在偏差出現(xiàn)的瞬間，或在偏差變化的瞬間，不但要對(duì)偏差量做出立即響應(yīng)（比例環(huán)節(jié)的作用），而且要根據(jù)偏差的變化趨勢(shì)預(yù)先給出適當(dāng)?shù)募m正。為了實(shí)現(xiàn)這一作用，可在PI控制器的基礎(chǔ)上加入微分環(huán)節(jié)，形成PID控制器。 微分環(huán)節(jié)的作用使阻止偏差的變化。它是根據(jù)偏差的變化趨勢(shì)（變化速度）進(jìn)行控制。偏差變化的越快，微分控制器的輸出就越大，并能在偏差值變大之前進(jìn)行修正。微分作用的引入，將有助于減小超調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，特別對(duì)髙階系統(tǒng)非常有利，它加快了系統(tǒng)的跟蹤速度。但微分的作用對(duì)輸入信號(hào)的噪聲很敏感，對(duì)那些噪聲較大的系統(tǒng)一般不用微分，或在微分起作用之前先對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波。微分部分的作用由微分時(shí)間常數(shù)Td決定。Td越大時(shí)，則它抑制偏差e(t)變化的作用越強(qiáng)；Td越小時(shí)，則它反抗偏差e(t)變化的作用越弱。微分部分顯然對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定有很大的作用。適當(dāng)?shù)剡x擇微分常數(shù)Td，可以使微分作用達(dá)到最優(yōu)。所以PID調(diào)節(jié)器的數(shù)學(xué)描述如公式(4)可見(jiàn): [e(t)] PID數(shù)學(xué)描述式(4)143 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) S7400PLC概述SIMATIC S7400是通用可編程控制器，它廣泛地應(yīng)用于自動(dòng)化領(lǐng)域，涉及多個(gè)行業(yè)，可用于組建集中式或分布式結(jié)構(gòu)的測(cè)控系統(tǒng)，重點(diǎn)在于為生產(chǎn)制造工程中的系統(tǒng)解決方案提供一個(gè)通用的自動(dòng)化平臺(tái)，性能優(yōu)良，運(yùn)行可靠。 S7400PLC采用模塊化結(jié)構(gòu)，模塊種類(lèi)的品種繁多，功能齊全，應(yīng)用范圍十分廣泛，可用于集中形式的擴(kuò)展，也可用于帶ET200M分布式結(jié)構(gòu)的配置。S7系列PLC用DIN標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌安裝，各模塊用總線連接器