【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 5 頁(yè) 動(dòng)步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的單軸或多軸位置控制模塊。世界上各主要 PLC 廠家的產(chǎn)品幾乎都有運(yùn)動(dòng)控制功能，廣泛用于各種機(jī)械、機(jī)床、機(jī)器人、電梯等場(chǎng)合。 4． 過(guò)程控制 過(guò)程控制是指對(duì)溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)， PLC能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。 PID 調(diào)節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的調(diào)節(jié)方法。大中型 PLC 都有 PID 模塊，目前許多小型 PLC 也具有此功能模塊。PID 處理一 般是運(yùn)行專用的 PID 子程序。過(guò)程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場(chǎng)合有非常廣泛的應(yīng)用。 5． 數(shù)據(jù)處理 現(xiàn)代 PLC 具有數(shù)學(xué)運(yùn)算（含矩陣運(yùn)算、函數(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算）、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析及處理。這些數(shù)據(jù)可以與存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的參考值比較，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能傳送到別的智能裝置，或?qū)⑺鼈兇蛴≈票怼?shù)據(jù)處理一般用于大型控制系統(tǒng)，如無(wú)人控制的柔性制造系統(tǒng)；也可用于過(guò)程控制系統(tǒng)，如造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型控制系統(tǒng)。 6． 通信及聯(lián)網(wǎng) PLC 通信含 PLC 間 的通信及 PLC 與其它智能設(shè)備間的通信。隨著計(jì)算機(jī)控制的發(fā)展，工廠自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)發(fā)展得很快，各 PLC 廠商都十分重視 PLC 的通信功能，紛紛推出各自的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。新近生產(chǎn)的 PLC 都具有通信接口，通信非常方便 [4]。 PLC 技術(shù)發(fā)展動(dòng)向 （ 1）產(chǎn)品規(guī)模向大、小兩方面發(fā)展。大： I/O 點(diǎn)數(shù)達(dá) 14336 點(diǎn)、 32 位微處理器、多 CPU 并行工作、大容量存儲(chǔ)器、掃描速度高速化。?。河烧w結(jié)構(gòu)向小型模塊化結(jié)構(gòu)發(fā)展，增強(qiáng)了配置的靈活性，降低了成本。 （ 2） PLC 在閉環(huán)過(guò)程中應(yīng)用日益廣泛。 （ 3）不斷加強(qiáng)通訊功能。 （ 4）新器件 和模塊不斷推出。高檔的 PLC 除了主要采用 CPU 以提高處理速度外，還帶有處理器的 EPROM 或 RAM 的智能 I/O 模塊、高速計(jì)數(shù)模塊、遠(yuǎn)程 I/O 模塊等專用化模塊。 （ 5）編程工具豐富多樣，功能不斷提高，編程語(yǔ)言趨向標(biāo)準(zhǔn)化。有各種簡(jiǎn)單或復(fù) 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 6 頁(yè) 雜的編程器及編程軟件，采用梯形圖、功能圖、語(yǔ)句表等編程語(yǔ)言，亦有高檔的 PLC指令系統(tǒng)。 （ 6）發(fā)展容錯(cuò)技術(shù)：采用熱備用或并行工作、多數(shù)表決的工作方式。 （ 7）追求軟硬件的標(biāo)準(zhǔn)化。 可編程控制器的硬件組成 整體式和模塊式兩種可編程控制器具有不同的結(jié)構(gòu)形式。整體式的 PLC 結(jié)構(gòu) 如圖 所示。模塊式的 PLC 的結(jié)構(gòu)形式如圖 所示。 圖 整體式 PLC 的結(jié)構(gòu)組成 圖 模塊式 PLC 的結(jié)構(gòu)組成 不管是哪種類型的 PLC，其硬件組成都包括 CPU、存儲(chǔ)器、輸入單元、輸出單元、 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 7 頁(yè) 電源、通信接口、 I/O 擴(kuò)展接口等部分 [5]。 課題研究的主要內(nèi)容與論文結(jié)構(gòu) 課題研究?jī)?nèi)容 一、本文以水箱為研究對(duì)象，水箱的液位為被控制量。為了改善調(diào)節(jié)過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性，采用串級(jí)控制。 以實(shí)驗(yàn)室中 AE2020 控制系統(tǒng)中的雙容水箱為實(shí)際的被控對(duì)象進(jìn)行基于 PLC 的模糊 PID 水箱液位控制系統(tǒng)的 設(shè)計(jì)。 二、論述了 PID 控制器和模糊控制器的設(shè)計(jì)和仿真，針對(duì)液位控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出較好的控制規(guī)則和隸屬度函數(shù)，推理出模糊控制查詢表。 三、將設(shè)計(jì)好的模糊控制算法通過(guò) MATLAB 進(jìn)行仿真，與常規(guī) PID 控制器的性能作比較。 四、設(shè)計(jì)好的控制系統(tǒng)采用 PLC 編程實(shí)現(xiàn) PID 控制、模糊控制。 論文結(jié)構(gòu) 圖 論文結(jié)構(gòu)框圖 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 8 頁(yè) 2 水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及模型分析 水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 串級(jí)控制系統(tǒng)是采用兩個(gè)控制器串聯(lián)工作，包括兩個(gè)控制回路，主回路和副回路。副回路由副變量檢測(cè)變送、 副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥和副過(guò)程構(gòu)成；主回路由主變量檢測(cè)變送、主調(diào)節(jié)器、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥、副過(guò)程和主過(guò)程構(gòu)成。主調(diào)節(jié)器檢測(cè)和控制的變量稱主變量（主被控參數(shù)），即工藝控制指標(biāo)；副調(diào)節(jié)器檢測(cè)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。主控制器的輸出作為副控制器的的設(shè)定值，由副控制器的輸出操縱調(diào)節(jié)閥，從而對(duì)主控變量具有更好的控制效果。串級(jí)控制系統(tǒng)的方框圖如下圖 所示。 圖 串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖 串級(jí)控制由于增加了副回路，提高了系統(tǒng)的控制性能，改善了被控過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性，增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗 干擾能力，提高了工作頻率，對(duì)干擾具有一定的自適應(yīng)能力。 串級(jí)控制系統(tǒng)投運(yùn)順序是先副環(huán)，后主環(huán)，要求必須保證無(wú)擾動(dòng)切換，而且應(yīng)該是 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 9 頁(yè) 無(wú)平衡無(wú)擾動(dòng)切換。串級(jí)控制系統(tǒng)常用的控制器參數(shù)整定方法有兩種。 (1)兩步法 兩步整定法是一種先整定副環(huán)，后整定主環(huán)的方法，具體步驟是： 先整定副環(huán)。在主、副環(huán)路閉合的情況下，將主控制器比例度放在 100%，積分時(shí)間放最大，微分時(shí)間放最小。然后按照 4： 1 整定方法直接整定副環(huán)，找出副變量出現(xiàn)4:1 震蕩過(guò)程時(shí)的比例度 s2? 及振蕩周期 s2T 。 再整定主環(huán)。將副控制器比例度放于 s2? 值，積分時(shí)間放最大，微分時(shí)間放最小。用同樣的方法整定主控制器參數(shù)。找出主變量出現(xiàn) 4:1 衰減震蕩過(guò)程時(shí)的比例度 s1? 及振蕩周期 s1T 。 依據(jù)所得到的 s1? 、 s1T 、 s2? 、 s2T 值，結(jié)合主、副控制器的選型，按前面單回路控制系統(tǒng)整定時(shí)所給出的公式可以計(jì)算出主、副控制器的參數(shù) ? 、 iT 及 TD。 將上述計(jì)算所得控制器參數(shù)按先副環(huán)、后主環(huán)、先比例次積分后微分的順序在主、副控制器上放好，觀察控制過(guò)程曲線。 (2)一步法 所謂一步法就是先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)將副控制器參數(shù)設(shè)定好，然后按照一般單回路系統(tǒng)的整定方法直接整定主控制器參數(shù)。 根據(jù)副變量的類型，參照有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，選好副控制器參數(shù)，并將其設(shè)置于副控制器上。 將串級(jí)系統(tǒng)投運(yùn)后，按單回路系統(tǒng)整定方法直接整定主控制器參數(shù)。 在主、副環(huán)均閉合的情況下 適當(dāng)調(diào)整主控制器的參數(shù)，使主變量的品質(zhì)指標(biāo)達(dá)到規(guī)定的質(zhì)量要求 [6]。 水箱液位控制系統(tǒng)組成及工作原理 雙容水箱數(shù)學(xué)模型主體由上、下兩個(gè)水箱，蓄水池，連接閥和水泵組成。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥用于調(diào)節(jié)水箱進(jìn)水量，液位變送器用于檢測(cè)水箱液位?？刂破鞯妮敵隽坑糜诳刂普{(diào)節(jié)閥的開(kāi)度。蓄水池中水由水泵抽出，經(jīng)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥注入上水箱，再由手動(dòng)調(diào)節(jié)閥 1 流到下水箱，最后經(jīng)手動(dòng)調(diào)節(jié)閥 2 流回蓄水池。 以下水箱液位為主調(diào)節(jié)量，上水箱液位為副調(diào)節(jié)量，以裝水的水箱為被控對(duì)象，構(gòu)成串級(jí)液位控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖 所示。 低位水箱的液位 傳感器 檢測(cè) 到 的液位信號(hào) 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 10 頁(yè) 與給定液位值進(jìn)行比較 ，然后將結(jié)果 送人主調(diào)節(jié)器， 主調(diào)節(jié)器 經(jīng) 模糊 PID 運(yùn)算后， 建立合適的模糊控制器，如果下水箱液位值小于給定值則加大上水箱出水流量，如果液位值大于等于給定值，則減少上水箱出水流量。 其輸出 的結(jié)果 作為副調(diào)節(jié)器的給定值， 再 與高位水箱的 液位傳感器 檢測(cè)到的液位信號(hào) 進(jìn)行比較 并將其結(jié)果 送人副調(diào)節(jié)器，經(jīng) PID 運(yùn)算后． 選擇合適的 PID 參數(shù)， 其輸出控制 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥 的開(kāi)度， 如果液位傳感器檢測(cè)到的值小于給定值，則電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)大，如果其值等于或大于給定值則關(guān)小電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，進(jìn)而 控制進(jìn)水流量的大小，控制水箱的液位口。 圖 水箱模型串級(jí)控制系統(tǒng)圖 雙容水箱數(shù)學(xué)模型建立與分析 系統(tǒng)建?；痉椒ㄓ袡C(jī)理法建模和測(cè)試法建模兩種，機(jī)理法建模主要用于生產(chǎn)過(guò) 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 11 頁(yè) 程的 機(jī)理已經(jīng)被人們充分掌握，并且可以比較確切的加以數(shù)學(xué)描述的情況；測(cè)試法建模是根據(jù)工業(yè)過(guò)程的實(shí)際情況對(duì)其輸入輸出進(jìn)行某些數(shù)學(xué)處理得到，測(cè)試法建模比機(jī)理法建模簡(jiǎn)單，但對(duì)于本設(shè)計(jì)而言，由于雙容水箱的數(shù)學(xué)模型已知，故采用機(jī)理法建模。機(jī)理法建模就是根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)際發(fā)生的變化機(jī)理，寫出各種相關(guān)的平衡方程，如物質(zhì)平衡方程、能量平衡方程、動(dòng)量平衡方程、相平衡方程，以及反映流體流動(dòng)、傳熱、化學(xué)反應(yīng)等基本規(guī)律的運(yùn)動(dòng)方程、物體參數(shù)方程和某些設(shè)備的特性方程，從中獲得所需的被控過(guò)程的數(shù)學(xué)模型。 圖 為雙容水箱串級(jí)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)圖。 圖 水箱模型簡(jiǎn)圖 設(shè)流入上水箱的水流量為 Q1,流入下水箱的水流量為 Q2，流出進(jìn)入蓄水池的水流量為 Q3，上水箱的液位高度為 h1，下水箱的液位高度為 h2。兩容器的流出閥均為手動(dòng)閥門，流量 Q1 只與容器 1 的液位 h1 有關(guān)，與容器 2 的液位 h2 無(wú)關(guān)，容器 2 的液位也不 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 12 頁(yè) 會(huì)被容器 1 影響。在穩(wěn)態(tài)下 Qi=Qo，液位 h2 保持不變。 兩個(gè)水箱的物料平衡方程有： dthdA 1121 ???? dthdA 2232 ???? Δ Q1=k1*Δ x 1212 R hhQ ????? 223 RhQ ??? 整理可得： xRkhhdt hdT 112111 ?????? 0hrhdthT 1222 ????? T1=A1*R1 212122 RR RRAT ?? 212RRRr ?? 消去Δ h1 得到一個(gè)二階微分方程： ? ? ? ? xRrKhr1dt hdTTdt hdTT 1122212 2221 ???????? 得傳遞函數(shù)： ? ? ? ? ? ? 1sTTsTT Ksx sHsG 212212 ????? ?????? 因?yàn)檩斎肓拷?jīng)過(guò)控制閥以速度 v 進(jìn)入水箱，所以系統(tǒng)有純滯后て，則傳遞函數(shù)為： ? ? ? ?? ? s21 0e1sT1sT KsG ???? ? ? ? ? ? ?? ?? ? s121 0esQ1sT1sT KsH ????????????? ??? 式中： A A2 分別為上、下水箱橫截面積；Δ hΔ h2 分別為上、下水箱液位微 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 13 頁(yè) 變量； T T2 分別為上、下水箱時(shí)間常數(shù)； K 為靜態(tài)增益。 圖 為雙容過(guò)程的階躍響應(yīng)曲線。由圖可見(jiàn)，雙容過(guò)程的階躍響應(yīng)曲線從一開(kāi)始就變化緩慢。這是因?yàn)樵趦蓚€(gè)存儲(chǔ)罐之間存在液體流通阻力，延緩了輸出量的變化 [7]。 圖 雙容過(guò)程的階躍響應(yīng)曲線 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 14 頁(yè) 3 PID 控制和模糊控制 PID 控制 PID 簡(jiǎn)述 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)。當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象﹐或不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得 系統(tǒng)參數(shù) 時(shí)，最適合用 PID 控制技術(shù)。 PID 控制，實(shí)際中也有 PI 和 PD控制。 PID 控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。直到現(xiàn)在為止， PID 控制得到極其廣泛的應(yīng)用，概括起來(lái)，該算法具有如下優(yōu)點(diǎn)： ? 原理簡(jiǎn)單，使用方便。 PID 控制是由 P、 I、 D 三個(gè)環(huán)節(jié)組合而成，其基本組成原理比較簡(jiǎn)單，很容易理解它 ，參數(shù)的物理意義也比較明確。 ? 適應(yīng)性強(qiáng)?？梢詮V泛的應(yīng)用于化工、熱工、冶金、煉油、造紙、建材等各種生產(chǎn)場(chǎng)合。按 PID 控制進(jìn)行工作的自動(dòng)調(diào)節(jié)器早已商品化，在具體實(shí)現(xiàn)上經(jīng)歷了機(jī)械式、液動(dòng)式、氣動(dòng)式、電子式等發(fā)展階段，但始終沒(méi)有脫離 PID 控制的范疇。即使目前最先進(jìn)的過(guò)程控制系統(tǒng)，其基本控制算法也仍然是 PID 控制。 ? 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。大型現(xiàn)代化生產(chǎn)裝置的控制回路可能多達(dá)一二百路甚至更多，其中絕大多數(shù)都采用 PID 控制。 （一） 比例控制 Kp。 比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸 入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。比例控制是為了及時(shí)成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)，以最快速度產(chǎn)生控制作用，使偏差向減小的趨勢(shì)變化。當(dāng)系統(tǒng)誤差一旦產(chǎn)生，控制器立即就有控制作用，使被 PID 控制的對(duì)象朝著減小誤差的方向變化。比例系數(shù) Kp 的作用在于加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。 Kp 越大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，但過(guò)大將產(chǎn)生超調(diào)和振蕩甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定；如果 Kp 取值過(guò)小，則會(huì)降低調(diào)節(jié)精度，使響應(yīng)速度緩慢，從而延長(zhǎng)調(diào)節(jié)時(shí)間，使系統(tǒng)動(dòng)、靜態(tài)特性變壞。因此，比例調(diào)節(jié)常與無(wú)差的積分調(diào)節(jié)或增加阻尼的微分調(diào)節(jié)共同作用。 （二） 積分控制 Ki。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)