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plc水箱液位控制系統(tǒng)畢業(yè)設計-畢業(yè)設計(參考版)

2025-01-23 06:48本頁面
  

【正文】 老師為我提供了良好的研究條件,謹向各位同仁表示誠摯的敬意和謝忱。 感謝 謝 老師、 王 老師、 程 老師等對我的教育培養(yǎng)。 李 老師一絲不茍 的作風,嚴謹求實的態(tài)度,踏踏實實的精神,不僅授我以文,而且教我做人,雖歷時三載,卻給以終生受益無窮之道。 35 致 謝 本課題在選題及研究過程中得到 李 老師的悉心指導。對于前人以前的所做的液位控制系統(tǒng)本系統(tǒng)更加的人性化,可以隨時修改液位的設定值。 比例調節(jié)器 e? u? ( a) ( b) 圖 比例調節(jié)器的實驗特性圖 0 0 0 33 圖 階躍輸入后 PI調節(jié)器的實驗變化曲線 + = t t t t e? Pu? Iu? PIu? 0 0 0 0 34 6 結論 通過本次畢業(yè)論文的創(chuàng)作, 我知道了液位控制系統(tǒng)在生活中的重要性。 上水箱液位比例積分微分調節(jié) 對上水箱進行比例積分微分調節(jié)即 PID 調節(jié)進行實驗。 上水箱液位比例積分調節(jié) 當輸入信號為階躍變化時,才用 PI 調節(jié)器的情況。在輸入的偏差信號 e? 為階躍信號。 軟件設計 現在以上水箱的液位控制系統(tǒng)為例,畫出其流程圖如圖 。 系統(tǒng)應用的是 三菱 FX2 系列的 PLC,其結構簡單,使用靈活且易于維護。 控制單元 控制單元是整個系統(tǒng)的心臟。當 Ii=If 時,電動機停止轉動,調節(jié)閥處于某一開度,即 Q=KIi,式中 Q為輸出軸的轉角, K 為比例常數。電動執(zhí)行機構的組成框圖。當位置反饋信號與輸入信號相等時,系統(tǒng)處于平衡狀態(tài),調節(jié)閥處于某一開度。執(zhí)行機構首先將來自調節(jié)器的信號轉變成推力或位移,對調節(jié)機構(調節(jié)閥)根據執(zhí)行機構的推力或位移,改變調節(jié)閥的閥芯或閥座間的流通面積,以達到最終調節(jié)被控介質的目的。 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過程參數的自動控制。 液位變送器分為浮力式、靜壓力式、電容式、應變式、超聲波式、激光式、放射性式等。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 30 量,以便調節(jié)流入流出容器的物料,使之達到物料的平衡,從而保證生產過程順利進行。 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,他們互相聯系,組成一個完整的系統(tǒng)。它有兩個 PID 回路,分別是PID1 和 PID2。主回路和副回路結合有效地抑制環(huán)境的擾動。 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節(jié)器調節(jié)對象,下水箱液位作為主調節(jié)器調節(jié)對象。所以 系統(tǒng)能實時地調節(jié)水箱的液位。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 調節(jié)器的輸入偏差信號,經過 PLC 的 PID 程序運算后輸出,調節(jié)器的輸出信號經過 PLC的 D/A 轉換成 420mA 的模擬電信號后輸出到電動調節(jié)閥中調節(jié)調節(jié)閥的開度,以控制水的流量,使水箱的液位保持設定值。當液位升高到設定高度時,設定值與控制變量平衡, PID 調節(jié)器的輸入偏差信號為零,電動調節(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。 28 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 調節(jié)器的輸入偏差信號。系統(tǒng)原理圖如圖 所示。手工調整積分項前值時,必須小心謹慎,還應保證寫入的值在 之間。用戶可以在執(zhí) 行 PID 指令以前修改回路表中積分項前值。而且積分項前值也要限制在 之間,然后在每次 PID 運算結束之后。 如果使用積分控制,積分項前值要根據 PID運算結果更新。輸出變量是由 PID 運算產生的,所以在每一次 PID 運算完成之后,需更新回路表中的輸出值, 輸出值被限定在 之間。第一步是使用下面給出的公式,將回路輸出轉換成一個標定的實數值: RScal = ( nM 偏移量 ) * 跨度 其中: RScal 是回路輸出經過標定的實數值 nM 是回路輸出標準化的實數值 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 過程變量和設定值是 PID 運算的輸入值。在回路輸出可以用于驅動模擬輸出之前,回路輸出必須轉換成一個 16位的標定整數值。 二 、 回路輸出值轉換成刻度整數值 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置。 跨度是最大可能值減去最小可能值: 3 PID 調節(jié)及串級控制系統(tǒng) 25 對于單極性數值 (典型值 )為 32,000。 偏移量對于單極性為 。下面的算式可以用于標準化設定值或過程變量值: ])/[( 偏移量跨度 ?? R r a wR n o rm 其中: Rnorm 是現實世界數值的標準化的實數值表達式 。簡化算式是: )( 1????????? nnDxnInPn eeKMeKeKM 輸出 =比例項 +積分項 +微分項 。由于計算機從第一次采樣開始,每有一個偏差采樣值必須計算一次輸出值,只需要保存偏差前值和積分項前值。微分項是當前采樣和前一次采樣的函數,比例項僅是當前采樣的函數。 輸出 =比例項 +積分項 +微分項 dtdeKMi ni tale dtKeKM DIPt ?????? ?)( 其中: tM 是作為時間函數的回路輸出 K 是回路增益 e 是回路誤差 (設定值和過程變量之間的差 ) Minitial 是回路輸出的初始值 為了能讓數字計算機處理這個控制算式,連續(xù)算式必須離散化為周期采樣偏差算式,才能用來計算輸出值。偏差 (e)是設定值 (SP)和過程變量 (PV)的差 。 當 X0=ON 時執(zhí)行 PID 指令,把 PID 控制回路的設定值存放在 D100D124 這 25個數據寄存器中,對 [S2]的當前值( D1)和( S1)的設定值 ( D0)進行比較,通過 PID 回路處理數值之間的偏差后計算出一個調節(jié)值,此調節(jié)值存入目 標操作數D150 中。 PID 指令 用的算術表達式為: 3 PID 調節(jié)及串級控制系統(tǒng) 23 輸出值 )( 1 ????? dtTdtdTKKIDDP ??? 上式中 ? 表示誤差。 BIT2 輸出變化量(增方)超出。 [S3]+24:報警輸出 BIT0 輸入變化量(增方)超出。 [S3]+22:輸出變化量(增方)報警設定值, 032767。 [S3]+20:輸入變化量(增方 )報警設定值, 032767。 [S3]+6:微分時間 常數( DT ), 032767( *100ms),為 0時無微分。 [S3]+4:積分時間常數( IT ), 032767( *100ms),為 0和 ? 時無積分。 [S3]+2:輸入濾波常數, 099%。 BIT1: 0為無輸入變化量報警, 1為輸入變化量報警有效。 [S3]:指定存放控制回路參數值的首地址,共占用 25 個數據寄存器,其選用范圍為 D0D75,各元件存放的參數如下: [S3]:采樣時間( ST ),取值范圍為 132767( ms)。 [S2]:存放當前值( PV)的地址。 三菱 FX2 系列 PLC 中 PID 指令的使用 比例積分微分指令即 PID 指令其指令格式如下: FNC88 PID 操作數: [S1]、 [S2]、 [S3][D]:全部用數據寄存器 D。 ( 4)根據上述計算結果設置調節(jié)器的參數值。逐漸減小比例度,即 ? 減小 ,直至系統(tǒng)對輸入的階躍信號的響應出現臨界振蕩(穩(wěn)定邊緣),將這時的比例放大系數記為 r? ,臨界振蕩周期記 為 rT 。 表 臨界振蕩整定計算公式 調節(jié)參數 控制 規(guī) 律 ? IT DT P 2 r? PI r? rT / PID r? rT IT ( 2)用選定的 ST 使系統(tǒng)工作。 整定步驟: 擴充比例度法整定數字 PID 控制器參數的步驟是: ( 1)預選擇一個足夠短的采樣周期 ST 。 擴充臨界比例度法 實驗經驗法調整 PID參數的方法中較常用的是擴充臨界比例度法 ,其最大的優(yōu)點是,參數的整定不依賴受控對象的數學模型,直接在現 場整定、簡單易行。 在圖 的串級控制系統(tǒng)框圖中可以看到,由于副回路可以簡化成一個正作用方式環(huán)節(jié),主對象作用方式為正,主測量變送環(huán)節(jié)為正。則 VK 為正,氣關 VK 為負。 各環(huán)節(jié)放大系數極性的正負是這樣規(guī)定的:對于調節(jié)器 CK ,當測量值增加,調節(jié)器 3 PID 調節(jié)及串級控制系統(tǒng) 21 的輸出也增加,則 CK 為負值(即正作用調節(jié)器);反之, CK 為正(即反作用調節(jié)器)。串級控制系統(tǒng)有兩個回路,主、副調節(jié)器作用方式的確定原則是要保證兩個回路均為負反饋。如果引入 I 控制,會延長控制過程,減弱副回路的快速控制作用;也沒有必要引入 D 控制,因為副回路采用 P 控制已經起到了快速控制作用,引入 D 控制會使調節(jié)閥的動作過大,不利于整個系統(tǒng)的控制。系統(tǒng)對二個回路的要求有所不同。 2) 主、副調節(jié)器的控制規(guī)律的匹配、選擇 在串級控制系統(tǒng)中,主、副調節(jié)器的作用是不同的。比值過高,即副回路的時間常數較主回路的時間常數小得太多,副回路反應靈敏,控制作用快,但副回路中包含的擾動數量過少,對于改善系統(tǒng)的控制性能不利;比值過低,副回路的時間常數接近 主回路的時間常數,甚至大于主回路的時間常數,副回路雖然對改善被控過程的動態(tài)特性有益,但是副回路的控制作用缺乏快速性,不能及時有效地克服擾動對被控量的影響。如果所有的擾動都包括在副回路中,主調節(jié)器也就失去了控制作用。 ( 3) 主、副回路的匹配 1) 主、副回路中包含的擾動數量、時間常數 的匹配 設計中考慮使二次回路中應盡可能包含較多的擾動,同時也要注意主、副回路擾動數量的匹配問題。 在這里要注意 (2)和 (3)存在明顯的矛盾,將更多的擾動包括在副回路中有可 3 PID 調節(jié)及串級控制系統(tǒng) 20 能導致副回路的滯后過大,這就會影響到副回路的快速控制作用的發(fā)揮,因此,在實際系統(tǒng)的設計中要兼顧 (2)和 (3)的綜合。 (4) 要將被控對象具有明顯非線性或時變特性的一部分歸于副對象中。 (2) 將更多的擾動包括在副回路中。 歸納如下。主要包括如何選取副被控參數、確定主、副回路的原則等問題。 串級控制系統(tǒng)的設計 ( 1) 主回路的設計 串級控制系統(tǒng)的主回路是定值控制,其設計單回路控制系統(tǒng)的設計類似,設計過程可以按照簡單控制系統(tǒng)設計原則進行。 三、 提高了系統(tǒng)的工作頻率。 其特點有以下幾點: 一、 改善了過程的動態(tài)特性 , 提高了系統(tǒng)控制質量。 串級控制系統(tǒng)的特點 在串級控制系統(tǒng)中,由于引入了一個副回路,不僅能及早克服進入副回路的擾動,而且又能改善過程特性。 一次擾動:作用在主被控過程上的,而不包括在副回路范圍內的擾動。 整個系統(tǒng)包括兩個控制回路,主回路和副回路。 結構圖如圖 。為了提高控制品質,在單回路控制方案的基礎上,開發(fā)出了串級控制系統(tǒng)。純比例調節(jié)雖然動偏差比 PI調節(jié)小,但余差大,而純積分調節(jié)質量最差,所以一般不單獨使用。適當選取這三個參數值,就可以獲得良好的調節(jié)質量。一般都是和其它調節(jié)作用相配合,構成比例微分或比例積分微分調節(jié)器。對于一個固定不變的偏差,不管其有多大,微分做用的輸出總是零,這是微分作用的特點。 什么是微分調節(jié)? 微分調節(jié)是指調節(jié)器的輸出變化與偏差變化速度成正比,可用數學表達式表示為: dtedTuD )(??? ( 33) 式中: u? —— 調節(jié)器的輸出變化值; DT —— 微分時間; dted )(? —— 偏差信號變化的速度。在生產實際中,有經驗的工人總是既根據偏差的大小來改變閥門的開度大小(比例作用),同時又根據偏差變化速度的大小進行調節(jié)。 如果把積分時間放到最大, PI 調節(jié)器就喪失了積分作用,成了一個純比例調節(jié)器。 由于它是在比例調節(jié)(粗調)的基礎上,有加上
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