【正文】 執(zhí)行單元 執(zhí)行單元是構成自動控制系統(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，并轉換成直角位移或轉角位移，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現(xiàn)過程參數(shù)的自動控制。校正時打開中繼箱蓋，即可進行調(diào)整，左邊的 (Z)為調(diào)零電位器，右邊的 (R)為調(diào)增益電位器。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 0~10KPa，精度為 %? ，由 24V直流電源供電，可以從 PLC 的電源中獲得，輸出為 4~20mA直流，接線如圖 43 所示。 圖 42 系統(tǒng)配置圖 1上水箱壓力變送器 2下水箱壓力變送器 3模入單元 4模出單元 5回路控制板 6CPU 單元 7電動調(diào)節(jié)閥 硬件設計 系統(tǒng)硬件的設計包括檢測單元、執(zhí)行單元和控制單元的設計，他們互相連接，組成一個完整的系統(tǒng)。 在這里，執(zhí)行機構仍然是電動調(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。 其中 SP 為給定信號，由用戶通過計算機設定，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 程序運算后輸出，調(diào)節(jié)器的輸出信號經(jīng)過 PLC 的 D/A 轉換成 4~20mA 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定值。 當上水箱的液位小于設定值時，壓力變送器檢測到的信號小于設定值，設定值與反饋值的差就是 PID 調(diào)節(jié)器的輸入偏差信號。因為有兩個水箱，所以把它分成兩個部分來分別設計。 編譯時如果指令指定的回路起始地址或回路號超出范圍， CPU將生成編譯錯誤 (范圍錯誤 )，引起編譯失敗。 2) 令上一次的過程變量 )( 1?nPV =過程變量的當前值 )( nPV 。 控制方式與出錯處理 S7300 的 PID 指令沒有設置控制方式，執(zhí)行 PID 指令為“自動”方式，不執(zhí)行 PID 指令為“手動”方式。 MX 也應限制在 ~ 之間，每次 PID 運算結束時，將 MX 寫入回路表，供下一次 PID 運算使用。從手動控制切換到 PID 自動控制方式時，回路表內(nèi)的輸出值可以用來初始化輸出值。選擇作用或反作用的原則是保證系統(tǒng)是負反饋而不是正反饋。這一過程是將 PV與 SV轉換成標準化數(shù)值的逆過程?？捎孟旅娴墓綄o定值及過程變量進行標準化： setP a nR a wN o rm Of fSRR ?? )/( (31) 式中， RNorm是標準化實數(shù)化實數(shù)值； RRaw 是標準化前的原始值或實數(shù)值；偏移量 Offset 對單極性變量為 ，對雙極性變量取 ；取值范圍 Span 等于變量的最大值減去最小值，單極性變量的典型值為 32 000，雙極性變量的典型值為 64 000。過程變量對這些量進行運算之前，必須將其轉換成標準化的浮點數(shù) (實數(shù) )。在上述情況下，都需要用戶自己編制 PID 控制程序。 在 PLC 中的 PID 控制的編程 可編程控制器對模擬量進行 PID 控制，可以采用以下幾種方法： （ 1） 使用 PID 過程控制模塊 這種模塊的 PID控制程序是可編程控制器生產(chǎn)廠家設計的，并存放在模塊中，用戶在使用時只需設置一些參數(shù)，使用起來非常方便，一塊模塊可以控制記錄甚至幾十路閉環(huán)回路。從提高系統(tǒng)控制品質出發(fā)，控制度可選小些，但就系統(tǒng)的穩(wěn)定性看，控制度宜選大些。 （ 3） 選擇控制度。下面就對擴充臨界比例法進行簡單的介紹。一般是，先取一組數(shù)據(jù)，將系統(tǒng)投運，然后對系統(tǒng)加一定擾動，如改變設定值，再觀察調(diào)節(jié)量的變化過程，若得不到滿意的性能，則重選一組數(shù)據(jù)。一個閉環(huán)在里面，被稱為副環(huán)或者副回路，在控制中起著粗調(diào)的作用；一個環(huán)在外面，被稱為主環(huán)或主回路，用來完成細調(diào)任務，以最終保證被調(diào)量滿足工藝要求。在上水箱下水箱液位串級控制系統(tǒng)中，用上水箱的液位來控制調(diào)節(jié)閥，然后再用下水箱液位來修正上水箱的給定值。 串級控制系統(tǒng)的一般結構框圖如圖 33 所示。 串級控制 在大多數(shù)情況下，單回路控制系統(tǒng)能夠滿足工藝生產(chǎn)的基本要求。所以 PI調(diào)節(jié)是在稍微犧牲控制系統(tǒng)的動態(tài)品質以換取較好的穩(wěn)態(tài)性能。這意味著被控對象在負荷擾動下的調(diào)節(jié)過程后，被調(diào)量沒有殘差，而調(diào)節(jié)閥可以停在新的負荷所要求的開度上。在 I調(diào)節(jié)中，調(diào)節(jié)器的輸出與偏差信號的積分成正比。 ? 有一個臨界值，此時系統(tǒng)處于穩(wěn)定邊界的情況，進一步減小 ? 系統(tǒng)就不穩(wěn)定了。 比例調(diào)節(jié)的殘差隨比例帶的加大而加大，從這方面考慮，人們希望盡量減小比例帶。在過程控制中習慣用增益的倒數(shù)表示調(diào)節(jié)器的輸入與輸出之間的比例關系，即 eM ?1? （ 38) 17 ? 稱為比例帶。 比例控制與其調(diào)節(jié)過程 比例作用實際上是一種線性放大 (縮小 ) 功能。 計算 ΔM(n)和 M(n)要用到第 (n－ 1)， (n－ 2)時刻的歷史數(shù)據(jù) e(n－ 1)， e(n－ 2)和M(n－ 1)，這三個歷史數(shù)據(jù)也已在前時刻存于內(nèi)存儲器中。 數(shù)字 PID控制器的輸出控制量 M(n)送給 D/A轉換器，它首先將 M(n)保存起來，再把 M(n)轉換成模擬量 (4～ 20mADC)，然后作用于執(zhí)行機構，直到下一個控制時刻到來為止，因此 D/A轉換器具有零階保持器的功能。將式 (32)和式 (33)代入式 (31)中可得差分方程 ? ? ini tialDnjICMneneTTjeTTneKnM ??????? ????? ?? )1()()()()( 0 (34) 其中 M(n)為第 n時刻的控制量。 15 圖 32 P、 PI、 PID 調(diào)節(jié)的階躍響應曲線 為了方便計算機實現(xiàn) PID控制算式，必須把微分方程式 (31)改寫成差分，作如下的近似，即 ?? ?? njt jTeedt 00 )( (32) T nenedtde )1()( ??? (33) 其中 T為控制周期， n為控制周期序號 (n=0， 1， 2，圖 32 所示分別為當設定值由 0 突變到 1 時，在比例 (P)作用、比例積分 (PI)作用和比例積分 微分 (PID)作用下，被調(diào)量 T(s)變化的過渡過程。圖中 ??tsp 是給定值， ??tpv 為反饋量，??tc 為系統(tǒng)輸 出量， PID 控制器的輸入輸出關系式為： ? ? in itia lDtICMdtdeTe dtTeKtM ????????? ??? ? /1 0 (31) 即輸出 =比例項 +積分項 +微分項 +輸出初始值，式中， )(tM 是控制器的輸出，誤差信號 ? ? ? ? ? ?tpvtspte ?? , initialM 是回路輸出的初始值， CK 是 PID 回路的增益 ，IT 和 DT 分別是積分時間和微分時間常數(shù)。利用近似公式計算式 (2－ 6)中的參數(shù) K、 T1 和 T2，具體如下： 13 )(h 02 ???? RK 階躍輸入值輸入穩(wěn)態(tài)值 tt 2121 ???? TT )()( 21221 21 ???? TT TT 最后求出 K=， T1= ， T2=。 表 25 二階雙容下水 箱對象特性實驗第一次穩(wěn)定后的紀錄值 PLC 輸出值 水箱水位高度 h1 組態(tài)顯示值 0~100 cm cm 54 迅速增加 PLC 手動輸出值，增加 10%的輸出量，這時的階躍響應過程參數(shù)如表 26 所示，它的過程變化曲線如圖 211 所示。 設上水箱進水口的流量為雙容水箱的輸入量，下水箱的高度 h2為輸出量，根據(jù)物料動態(tài)平衡關系，并考慮到液體傳輸過程中的時延，其傳遞函數(shù)為 seSTST KSGSQ SH ????????? )1)(1()()( )(2112 (26) 式中 K=R3， T1=R2C1， T2=R3C2， R R3分別為閥 5 和閥 6 的液阻， C1和 C2分別為上水箱和下水箱的容量系數(shù)。被調(diào)量變化的反應曲線如圖 210 所示的 Δh2曲線。 表 24 輸出調(diào)回到原來的位置的階躍響應參數(shù) t(秒 ) 0 40 80 120 160 200 240 280 320 360 水箱水位h1(cm) 組態(tài)讀數(shù) (cm) 圖 28 調(diào)回到第一次平衡時的曲線 10 由上述的實驗可以根據(jù)前面所說的方法求出一階環(huán)節(jié)的參數(shù) T 和 K。 表 21 第一次穩(wěn)定后的紀錄值 PLC 輸出值 水箱水位高度 h1 組態(tài)顯示值 0~100 cm cm 46 迅速增加 PLC 手動輸出值，增加 5%的輸出量，此引起的階躍響應的過程參數(shù)如表 22 所示。 過 t=0 作曲線切線，該切線與 h(∞ )線交于一點，則這段切線在時間軸上的投影即為時間常數(shù) T，見圖 26。出水閥 4 固定于某一開度值。 由階躍響應確定一階過程參數(shù)有兩種方法，一種是直角坐標圖解法，一種是半對數(shù)坐標圖解法。輸出電壓允許范圍 20( %5? )V，最大上升時間 ，最大殘留紋波 150mV， PS 307 可安裝 在導軌上，除了給 S7300 供電，也可給 I/O 模塊提供負載電源。 6 圖 23 通過 4 線回路將負載與隔離的模出模塊連接 電源模塊 PS 307 電源模塊是西門子公司為 S7300 專配的 DC24V電源， PS 307 系列模塊除輸出額定電流不同外 (有 10A)，其工作原理和參數(shù)都一樣。系統(tǒng)選用 124 ?AO 的模出模塊，其端子接線圖如圖 22 所示。模塊上需要接 24V 的直流電壓 L+，有反接保護作用。 SM 331 可選用 4 檔積分時間： 、 、 20 和 100ms，相對應的以位表示的精度： 1 1 14。系統(tǒng)選用了 128 ?AI 位模入模塊，其端子接線圖如圖 21 所示。 4) MERS：該位置瞬間接通，用以清除 CPU 存儲器。在此位置可以拔出鑰匙，防止程序正常運行時被改變操作方式。 CPU掃描用戶程序，既可以用編程裝置從 CPU 4 中讀出，也可以由編程裝置裝入 CPU中，用編程裝置可以監(jiān)控程序的運行。它內(nèi)置 20KB RAM，最大可擴展 256KB FLASHEPROM 存儲卡，有 12KB 隨機存儲器，位操作、字操作、定時加、浮點加時間分別為 、 2s、 3s、 60s，最大模擬量 I/O 通道數(shù)為 32 個，最大配置 1個機架 8 塊模塊，使用的是軟件時鐘，有定時器 64 個，位存儲器 2048bit，可用模塊：組織塊 (OB)13 個，功能塊 (FB)128 個，功能調(diào)用 (FC)128 個，數(shù)據(jù)塊 (DB)127個，系統(tǒng)數(shù)據(jù)塊 (SDB)6 個，系統(tǒng)功能塊 (SFC)34 個，系統(tǒng)功能塊 (SFB)沒有。 （ 2） 通用，著眼未來 ? 滿足各種要求的高性能模塊和三種 CPU適用于任一場合。功能強大的 CPU 的 RAM 存儲容量為 512KB，有 8192個存儲器位， 512 個定時器和 512 個計數(shù)器，數(shù)字量通道最大為 65536 點，模擬量通道最大為 4096 個，由于使用 Flash EPROM， CPU 斷電后無需后備電池可以長時間保持動態(tài)數(shù)據(jù)，使 S7300 成為完全無維護的控制設備。當系統(tǒng)規(guī)模擴大和更為復雜的時候，可以增加模塊，對 PLC 進行擴展。 論文的研究內(nèi)容 本文的主要內(nèi)容包括：水箱的特性確定與實驗曲線分析， S7300 可編程控制器的硬件掌握， PID 參數(shù)的整定及各個參數(shù)的控制性能的比較，應用 PID 控制算法所得到的實驗曲線分析，整個系統(tǒng)各個部分的介紹和應用 PLC 語句編程來控制水箱水位。另一方面，某新控制技術的發(fā)展要求更精確的 PID 控制，從而刺激了 PID 控制器設計與參數(shù)整定技術的發(fā)展。 1940 年以后是第二階段 —— 革新階段。常見的智能控制方法有以下幾種：模糊控制、分級遞階智能控制、專家控制、人工 神經(jīng)元網(wǎng)絡控制、擬人智能控制等。它是辨識與控制的結合。 2 (2) 預測控制 預測控制是直接從工業(yè)過程控制中產(chǎn)生的一類基于模型的新型控制算法。 PLC的定義如下：“可編程序控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境下應用而設計的。 9) 擴展時原系統(tǒng)改變最小。 4) 體積小于繼電器控制盤。 20 世紀 60 年代末，美國汽車制造工業(yè)競爭激烈，為適應生產(chǎn)工藝不斷更新的需要， 1968 年美國通用汽車公司 (GM)提出了研制新型邏輯順序控制裝置的十項招標指標。 II Abstract This graduation project topic is based on the PLC fluid position control sy