【導(dǎo)讀】本次畢業(yè)設(shè)計的課題是基于PLC的液位控制系統(tǒng)的設(shè)計。在設(shè)計中，筆者主。法提到得較多，PLC方面的知識較少。部分的介紹和講解PLC的過程控制指令PID指令來控制水箱水位。關(guān)鍵詞：FX2系列PLC，控制對象特性，PID控制算法，擴(kuò)充臨界比例法，PID指令，

　　

【正文】 n eeKMeKeKM 輸出 =比例項(xiàng) +積分項(xiàng) +微分項(xiàng) 。 其中： nM 是在采樣時間 n 時，回路輸出的計算 值 ； PK 是回路增益 ； ne 是采樣時刻 n 的回路誤差值 ； 1?ne 是回路誤差的前一個數(shù)值 (在采樣時刻 n1)； IK 是積分項(xiàng)的比例常數(shù) ； xM 是積分項(xiàng)的前一個數(shù)值 (在采樣時刻 n1)； DK 是微分項(xiàng)的比例常數(shù) ； 一、 回路輸入的轉(zhuǎn)換和標(biāo)準(zhǔn)化 : 是將現(xiàn)實(shí)世界的值的實(shí)數(shù)值 表達(dá)形式轉(zhuǎn)換成 之間的標(biāo)準(zhǔn)化值。下面的算式可以用于標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)定值或過程變量值： ])/[( 偏移量跨度 ?? R ra wR n o rm 其中： Rnorm 是現(xiàn)實(shí)世界數(shù)值的標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)數(shù)值表達(dá)式 。 Rraw 是現(xiàn)實(shí)世界數(shù)值的未標(biāo)準(zhǔn)化的或原始的實(shí)數(shù)值表達(dá)式 。 偏移量對于單極性為 。 對于雙極性為 。 跨度是最大可能值減去最小可能值： 對于單極性數(shù)值 (典型值 )為 32,000。 對于雙極性數(shù)值 (典型值 )為 64,000。 重慶科技學(xué)院高等教育自學(xué)考試本科畢業(yè)論文 3 PID調(diào)節(jié)及串級控制系統(tǒng) 25 二、 回路輸出 值轉(zhuǎn)換成刻度整數(shù)值 回路輸出值一般是控制變量，比如，在汽車速度控制中，可以是油閥開度的設(shè)置?；芈份敵鍪? 和 之間的一個標(biāo)準(zhǔn)化了的實(shí)數(shù)值。在回路輸出可以用于驅(qū)動模擬輸出之前，回路輸出必須轉(zhuǎn)換成一個 16 位的標(biāo)定整數(shù)值。這一過程，是將 PV 和 SP 轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)值的逆過程。第一步是使用下面給出的公式，將回路輸出轉(zhuǎn)換成一個標(biāo)定的實(shí)數(shù)值： RScal = ( nM 偏移量 ) * 跨度 其中： RScal 是回 路輸出經(jīng)過標(biāo)定的實(shí)數(shù)值 nM 是回路輸出標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)數(shù)值 偏移量對于單極性值為 ，對于雙極性值為 跨度值域大小，可能的最大值減去可能的最小值 對于單極性為 32,000 (典型值 ) 對于雙極性為 64,000 (典型值 ) 變量的范圍 過程變量和設(shè)定值是 PID 運(yùn)算的輸入值。因此回路表中的這些變量只能被 PID指令讀而不能被改寫。輸出變量是由 PID 運(yùn)算產(chǎn)生的，所以在每一次 PID 運(yùn)算完成之后，需更新回路表中的輸出值， 輸出值被限定在 之間。當(dāng)輸出由手動 轉(zhuǎn)變?yōu)?PID(自動 )控制時，回路表中的輸出值可以用來初始化輸出值。 如果使用積分控制，積分項(xiàng)前值要根據(jù) PID 運(yùn)算結(jié)果更新。 這個更新了的值用作下一次 PID運(yùn)算的輸入，當(dāng)計算輸出值超過范圍 (大于 或小于 )，那么積分項(xiàng)前值必須根據(jù)下列公式進(jìn)行調(diào)整： )( nnx MDMPM ??? 當(dāng)計算輸出 ?nM 或 )( nnx MDMPM ??? 當(dāng)計算輸出 ?nM 其中： xM 是調(diào)整過的偏差的數(shù)值 ； nMP 是在采樣時間 n時回路輸出的比例項(xiàng)的數(shù)值 ； nMD 是在采樣時間 n時回路輸出的微分項(xiàng)的數(shù)值 ； nM 是在采樣時間 n 時回路輸出的數(shù)值 ； 這樣調(diào)整積分前值，一旦輸出回到范圍后，可以提高系統(tǒng)的響應(yīng)性能。而且重慶科技學(xué)院高等教育自學(xué)考試本科畢業(yè)論文 3 PID調(diào)節(jié)及串級控制系統(tǒng) 26 積分項(xiàng)前值也要限制在 之間，然后在每次 PID 運(yùn)算結(jié)束之后。把積分項(xiàng)前值寫入回路表，以備在下次 PID 運(yùn)算中使用。用戶可以在執(zhí)行 PID 指令以前修改回 路表中積分項(xiàng)前值。在實(shí)際運(yùn)用中，這樣做的目的是找到由于積分項(xiàng)前值引起的問題。手工調(diào)整積分項(xiàng)前值時，必須小心謹(jǐn)慎，還應(yīng)保證寫入的值在 之間。 重慶科技學(xué)院高等教育自學(xué)考試本科畢業(yè)論文 4 控制方案設(shè)計 27 4 控制方案設(shè)計 系統(tǒng)設(shè)計 上水箱液位的自動調(diào)節(jié) 在這個部分中控制的是上水箱的液位。系統(tǒng)原理圖如圖 所示。單相泵正常運(yùn)行，打開閥 1 和閥 2，打開上水箱的出水閥，電動調(diào)節(jié)閥以一定的開度來控制進(jìn)入水箱的水流量，調(diào)節(jié)手段是通過將壓力變送器檢測到的電信號送入 PLC 中，經(jīng)過 A/D 變換成數(shù)字信號，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D/A 轉(zhuǎn)換成與電動調(diào)節(jié)閥開度相對應(yīng)的電信號送入電動調(diào)節(jié)閥中控制通道中的水流量。 重慶科技學(xué)院高等教育自學(xué)考試本科畢業(yè)論文 4 控制方案設(shè)計 28 當(dāng)上水箱的液位小于設(shè)定值時，壓力變送器檢測到的信號小于設(shè)定值，設(shè)定值與反饋值的差就是 PID 調(diào)節(jié)器的輸入偏差信號。經(jīng)過運(yùn)算后即輸出控制信號給電動調(diào)節(jié)閥，使其開度增大，以使通道里的水流量變大，增加水箱里的儲水量，液位升高。當(dāng)液位升高到設(shè)定高度時，設(shè)定值與控制變量平衡， PID 調(diào)節(jié)器的輸入偏差信號為零，電動調(diào)節(jié)閥就維持在那個開度，流量也不變，同時水箱的液位也維持不變。 系統(tǒng)的控制框圖如圖 所示。其中 SP 為給定信號，由用 戶通過計算機(jī)設(shè)定，PV 為控制變量，它們的差是 PID 調(diào)節(jié)器的輸入偏差信號，經(jīng)過 PLC 的 PID 程序運(yùn)算后輸出，調(diào)節(jié)器的輸出信號經(jīng)過 PLC 的 D/A 轉(zhuǎn)換成 420mA 的模擬電信號后輸出到電動調(diào)節(jié)閥中調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥的開度，以控制水的流量，使水箱的液位保持設(shè)定值。水箱的液位經(jīng)過壓力變送器檢測轉(zhuǎn)換成相關(guān)的電信號輸入到 PLC 的輸入接口，再經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換成控制量 PV，給定值 SP 與控制量 PV經(jīng)過 PLC 的 CPU 的減法運(yùn)算成出水口 閥 3 閥 2 電動調(diào)節(jié) 閥 壓力表 閥 1 出水口 閥 6 下水箱液位傳感器 上水箱液位傳感器 閥 4 進(jìn)水口 溢水口 溢水口 儲水箱 單向泵 出水口 進(jìn)水口 系統(tǒng)原理圖 重慶科技學(xué)院高等教育自學(xué)考試本科畢業(yè)論文 4 控制方案設(shè)計 29 了偏差信號 e ,又輸入到 PID 調(diào)節(jié)器中，又開始了新的調(diào)節(jié)。所以系統(tǒng)能實(shí)時地調(diào)節(jié)水箱的液位。 上水箱 下水箱液位串級控制系統(tǒng) 上水箱下水箱液位控制系統(tǒng)由于控制過程特性呈現(xiàn)大滯后，外界環(huán)境的擾動較大，要保持上水箱下水箱液位最后都保持設(shè)定值，用簡單的單閉環(huán)反饋控制不能實(shí)現(xiàn)很好的控制效果，所以采用串級閉環(huán)反饋系統(tǒng)。 上水箱下水箱液位控制系統(tǒng)圖如圖 所示，該系統(tǒng)中，上水箱液位作為副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)對象，下水箱液位作為主調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)對象。這里的擾動主要是水箱的出水閥的擾動，有時是認(rèn)為的因素，有時是機(jī)械的因素，擾動總是不可避免的。主回路和副回路結(jié)合有效地抑制環(huán)境的擾動。 在這里，執(zhí)行機(jī)構(gòu)仍然是電動調(diào) 節(jié)閥，依舊由 PLC 經(jīng)過 PID 算法后控制它的開度以控制水管里的水流量，控制兩個水箱的水位。它有兩個 PID 回路，分別是PID1 和 PID2。 PID1 為外環(huán)，控制下水箱的液位，它的輸出值作為 PID2 的設(shè)定值，PID2 控制上水箱的液位。 硬件設(shè)計 系統(tǒng)硬件的設(shè)計包括檢測單元、執(zhí)行單元和控制單元的設(shè)計，他們互相聯(lián)系，組成一個完整的系統(tǒng)。 檢測單元 在過程控制系統(tǒng)中，檢測環(huán)節(jié)是比較重要的一個環(huán)節(jié)。液位是指密封容器或開口容器中液位的高低，通過液位測量可知道容器中的原料、半成品或成品的數(shù)主對象 副對象 執(zhí)行器 PID1 PID2 A/D D/A 主變送器 副變送器 A/D SP + —— —— PV e 圖 上下水箱控制方框圖 重慶科技學(xué)院高等教育自學(xué)考試本科畢業(yè)論文 4 控制方案設(shè)計 30 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)過程順利進(jìn)行。設(shè)計中涉及到液位的檢測和變送，以便系統(tǒng)根據(jù)檢測到的數(shù)據(jù)來調(diào)節(jié)通道中的水流量，控制水箱的液位。 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。系統(tǒng)中用到的液位變送器是浙江浙大中控自動化儀表有限公司生產(chǎn)的中控儀表 SP0018G 壓力變送器，屬于靜壓力式液位變送器，量程為 010KPa，精度為 ，由 24V 直流電源供電，可以從 PLC 的電源中獲得，輸出為 420mA 直流。 執(zhí)行單元 執(zhí)行單元是構(gòu)成自動控制系統(tǒng)不可缺少 的重要組成環(huán)節(jié)，它接受來自調(diào)節(jié)單元的輸出信號，并轉(zhuǎn)換成直角位移或轉(zhuǎn)角位移，以改變調(diào)節(jié)閥的流通面積，從而控制流入或流出被控過程的物料或能量實(shí)現(xiàn)過程參數(shù)的自動控制。 執(zhí)行器的工作原理，由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（調(diào)節(jié)閥）兩部分組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)首先將來自調(diào)節(jié)器的信號轉(zhuǎn)變成推力或位移，對調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（調(diào)節(jié)閥）根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的推力或位移，改變調(diào)節(jié)閥的閥芯或閥座間的流通面積，以達(dá)到最終調(diào)節(jié)被控介質(zhì)的目的。來自調(diào)節(jié)器的信號經(jīng)信號轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換信號制式后，與來自執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置反饋信號比較，其信號差值輸入到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以確定執(zhí)行機(jī)構(gòu)作用的方向 和大小，其輸出的力或位移控制調(diào)節(jié)閥的動作，改變調(diào)節(jié)閥的流通面積，從而改變被控介質(zhì)的流量。當(dāng)位置反饋信號與輸入信號相等時，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，調(diào)節(jié)閥處于某一開度。 系統(tǒng)中用到的調(diào)節(jié)閥是 QS智能型調(diào)節(jié)閥，所用到的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，輸出為角行程，控制軸轉(zhuǎn)動。電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的組成框圖。 來自 PLC 的模擬量輸出 DC420mA 信號 Ii 與位置反饋信號 If 進(jìn)行比較，其差值經(jīng)放大后，控制伺服電動機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，再經(jīng)減速器后，改變調(diào)節(jié)器的開度，同時輸出軸的位移，經(jīng)位置發(fā)生器轉(zhuǎn)換成電流信號 If。當(dāng) Ii=If 時，電動機(jī)停止轉(zhuǎn)動， 調(diào)節(jié)閥處于某一開度，即 Q=KIi，式中 Q為輸出軸的轉(zhuǎn)角， K 為比例常數(shù)。電動調(diào)節(jié)閥還提供手動操作，它的上部有個手柄，和軸連在一起，在系統(tǒng)掉電時可進(jìn)行手動控制，保證系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用。 控制單元 控制單元是整個系統(tǒng)的心臟。在系統(tǒng)中， PLC 是控制的中心元件，它的選擇是控制單元設(shè)計的重要部分。 系統(tǒng)應(yīng)用的是 三菱 FX2 系列的 PLC，其結(jié)構(gòu)簡單，使用靈活且易于維護(hù)。它采用模塊化設(shè)計，本系統(tǒng)主要包括 CPU 模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊和重慶科技學(xué)院高等教育自學(xué)考試本科畢業(yè)論文 4 控制方案設(shè)計 31 電源模塊。 軟件設(shè)計 現(xiàn)在以上水箱的液位控制系統(tǒng)為例，畫出其流程 圖如圖 。 上電 X1 開始 X2 檢測 X3 A/D轉(zhuǎn)換 X4 傳送 X5 PID調(diào)節(jié) X6 D/A轉(zhuǎn)換 X7 循環(huán) X8 重新啟動 X9 M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 開始燈閃爍 Y0 輸入設(shè)定值 Y1，并啟動水泵 Y2 上限報警 Y3，下限報警 Y4 A/D 轉(zhuǎn)換輸出 Y5 Y1 與 Y5 進(jìn)行偏差計算輸出 Y6 進(jìn)行 PID 調(diào)節(jié)輸出 Y7 D/A轉(zhuǎn)換輸出 Y8 閥門開度 圖 上水箱流程圖 重慶科技學(xué)院高等教育自學(xué)考試本科畢業(yè)論文 5 運(yùn)行 32 5 運(yùn)行 上水箱液位比例調(diào)節(jié) 以圖 所示的液位比例調(diào)節(jié)系統(tǒng)為例，被調(diào)參數(shù)是上水箱的液位 。在輸入的偏差信號 e? 為階躍信號。 當(dāng)比例調(diào)節(jié)器的 pK 小于 1時，其比例調(diào)節(jié)器的 實(shí)驗(yàn) 特性 圖 為圖 （ a）所示；當(dāng)比例調(diào)節(jié)器的 pK 大于 1 時，其比例調(diào)節(jié)器的 實(shí)驗(yàn) 特性圖 為圖 （ b）所示。 上水箱液 位比例積分調(diào)節(jié) 當(dāng)輸入信號為階躍變化時，才用 PI 調(diào)節(jié)器的情況。我們得到了 PI 調(diào)節(jié)器的實(shí)驗(yàn)的變化曲線圖，如圖 所示。 上水箱液位比例積分微分調(diào)節(jié) 對上水箱進(jìn)行比例積分微分調(diào)節(jié)即 PID 調(diào)節(jié)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。當(dāng)輸入信號為階躍 號時，對應(yīng)的 PID 階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)曲線圖如圖 所示。 比例調(diào)節(jié)器 e? u? （ a） （ b） 圖 比例調(diào)節(jié)器的實(shí)驗(yàn)特性圖 0 0 0 重慶科技學(xué)院高等教育自學(xué)考試本科畢業(yè)論文 5 運(yùn)行 33 圖 階躍輸入后 PI調(diào)節(jié)器的實(shí)驗(yàn)變化曲線 + = t t t t e? Pu? Iu? PIu? 0 0 0 0 Iu? t t t t t e? Pu? Du? PIDu? 0 0 0 0 0 圖 PID 階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)曲線圖 重慶科技學(xué)院高 等教育自學(xué)考試本科畢業(yè)論文 6 結(jié)論 34 6 結(jié)論 通過本次畢業(yè)論文的創(chuàng)作， 我知道了液 位控