【正文】 系統(tǒng)的Nyquist曲線如圖33所示。對(duì)于線性時(shí)不變系統(tǒng)，如果輸入信號(hào)是正弦信號(hào)，則穩(wěn)定后輸出信號(hào)為同頻率的正弦信號(hào)，只有幅度和相位發(fā)生變化。整定公式本身包含了 PID 控制器的設(shè)計(jì)過(guò)程，可以直接應(yīng)用于 PID 自整定控制器中。 PID 參數(shù)整定公式PID 參數(shù)自整定包括提取過(guò)程動(dòng)態(tài)特性和 PID 控制器的設(shè)計(jì)兩部分。臨界比例度法雖然非常簡(jiǎn)單易用，在工程上也曾經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，但是仍然存在許多的缺陷。實(shí)驗(yàn)的最終目的，是要使閉環(huán)cKcK系統(tǒng)做臨界等幅振蕩，此時(shí)的比例增益 就被稱為臨界增益，記為 而此時(shí)uK系統(tǒng)的振蕩周期被稱為臨界振蕩周期，記為 。這種方法不像飛升曲線法那樣依賴于對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，而是通過(guò)實(shí)驗(yàn)由經(jīng)驗(yàn)公式得到 PID 控制器的最優(yōu)整定參數(shù)。首先，它難以確定最大斜率處，并且能夠利用的系統(tǒng)信息不足；其次，飛升曲線法只限定與FOPDT 模型，對(duì)象廣泛的其他經(jīng)典過(guò)程對(duì)象，飛升曲線法則束手無(wú)策。飛升曲線法非常方便簡(jiǎn)潔，只要知道過(guò)程對(duì)象的函數(shù)模型，即可根據(jù)公式算得 PID 控制器的三個(gè)參數(shù)。在曲線上最大斜率點(diǎn) P 處作切線，F(xiàn)OPDT 模型的參數(shù)如圖 32 所示。 過(guò)程控制中常見 PID 參數(shù)整定方法從對(duì)象的開環(huán)響應(yīng)曲線來(lái)看大多數(shù)工業(yè)過(guò)程都能用一階慣性加純滯后(First Order Plus Delay Time)模型來(lái)近似描述，簡(jiǎn)記為 FOPDT 模型，其傳遞函數(shù)如下所示： (35)seTKsG????1)(、 、 分別為對(duì)象模型的開環(huán)增益、純滯后時(shí)間常數(shù)和慣性時(shí)間常數(shù)。所以我們不能過(guò)強(qiáng)地增加微分調(diào)節(jié)，否則會(huì)對(duì)控制系統(tǒng)抗干擾能力產(chǎn)生 不利的影響。在微分作用合適的情況下，系統(tǒng)的超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間可以被有效的減小。微分作用的強(qiáng)弱取決于微分時(shí)間 的大小， 越大，微分作用越強(qiáng)，反之則越弱。直觀而言，微分作用能在偏差還沒有形成之前，就已經(jīng)消除偏差。 (3) 微分作用引入微分作用是為了改善控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度，同時(shí)使相位超前，提高系統(tǒng)的相位裕度增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但積分作用的引入同時(shí)使信號(hào)產(chǎn)生相位滯后，使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢。從原理上看，只要控制系統(tǒng)存在動(dòng)態(tài)誤差，積分調(diào)節(jié)就產(chǎn)生作用，直至無(wú)差，積分作用就停止，此時(shí)積分調(diào)節(jié)的輸出為常數(shù)。但是過(guò)大的比例增益會(huì)使調(diào)節(jié)過(guò)程出現(xiàn)較大的超調(diào)量，從而降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在某些嚴(yán)重的情況下，甚至可能造成閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。三個(gè)部分對(duì)系統(tǒng)性能的影iTd響如下所示：(1) 比例作用引入比例作用是為了即時(shí)地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)作用立即生效，使系統(tǒng)偏差快速向減小的趨勢(shì)變化。圖 31 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖PID 控制器基本可以由以下的傳遞函數(shù)表示： （31）1())cdiGsKTs??其中 為比例增益， 為積分時(shí)間， 為微分時(shí)間。PID 控制器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn)，因此，今天它己經(jīng)成為應(yīng)用最廣泛的控制技術(shù)，在石化，化工，造紙等工業(yè)領(lǐng)域，甚至有 97%的常規(guī)控制器都是 PID 控制器。 PID 控制器PID 控制技術(shù)是在反饋思想被實(shí)際應(yīng)用以后在工業(yè)應(yīng)中發(fā)展起來(lái)的。首先要根據(jù)受控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型和它的各特性以及設(shè)計(jì)要求，確定控制器的結(jié)構(gòu)以及和受控對(duì)象的連接方式。 S7300PLC 的結(jié)構(gòu)示意圖如圖 23 和 24。 S7300 型 PLC 的特性S7300PLC 是西門子公司的中型 PLC，最多可以擴(kuò)展 32 個(gè)模塊。 PLC 的編程 常用的 PLC 程序設(shè)計(jì)方法有梯形圖(LAD)、功能塊圖(FBD)和語(yǔ)句表(STL)。PLC 是通過(guò)各種 I/O 接口模塊與外界聯(lián)系的，按 I/O 點(diǎn)數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量，I/O 模塊可多可少，但其最大數(shù)受 CPU 所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或機(jī)架槽數(shù)限制。根據(jù)存儲(chǔ)內(nèi)容的不同，PLC 的存儲(chǔ)空間一般分為以下 3 個(gè)區(qū)域：系統(tǒng)程序存儲(chǔ)區(qū)、用戶程序存儲(chǔ)區(qū)、系統(tǒng) RAM 存儲(chǔ)區(qū)。存儲(chǔ)器主要用于存放系統(tǒng)程序和應(yīng)用軟件。它的功能是接收并存貯用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場(chǎng)輸入裝置送來(lái)的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中，同時(shí)，診斷電源和 PLC 內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過(guò)程中的語(yǔ)法錯(cuò)誤等。輸入單元中央處理單元CPU 輸出單元電源存儲(chǔ)單元 編程器或其他編程設(shè)備 圖 22 PLC 的基本結(jié)構(gòu)圖中央處理器（CPU）是 PLC 的核心，一般由運(yùn)算器、控制器、寄存器組成，這些電路都集成在一個(gè)芯片內(nèi)。 PLC 的基本結(jié)構(gòu)PLC 專為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)，采用了典型的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，主要由中央處理器（CPU）、存儲(chǔ)器（RAM、ROM）、輸入輸出單元（I/O 接口）、電源及編程器等幾大部分組成。按 PLC 功能上的強(qiáng)弱可分為低檔機(jī)，中檔機(jī)，高檔機(jī)。中型 PLC：I/O 點(diǎn)數(shù)一般在 2561024 點(diǎn)之間；按容量大小，可將 PLC 分為：按照硬件的結(jié)構(gòu)形式，可將 PLC 分為整體式和模塊式兩類，還有一些 PLC 將整體式和模塊式的特點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，構(gòu)成所謂疊裝式 PLC。PLC 現(xiàn)在的發(fā)展很快，總的趨勢(shì)是向高集成度、小體積、大容量、高速度、使用方便、高性能和智能化方向發(fā)展 [2]。我國(guó)從 1974 年開始研制，于 1977 年開始工業(yè)應(yīng)用 [1]。1971 年日本從美國(guó)引進(jìn)了這項(xiàng)技術(shù)，很快研制了日本第一臺(tái) PLC。1969 年美國(guó)數(shù)字設(shè)備公司（DEC）根據(jù)美國(guó)通用汽車公司的這種要求，研制成功了世界上第一臺(tái)可編程控制器，并在通用汽車公司的自動(dòng)裝配線上試用，取得很好的效果。20 世紀(jì) 60 年代末，美國(guó)的汽車制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)激烈，各生產(chǎn)廠家汽車型號(hào)不斷更新，它必然要求加工的生產(chǎn)線亦隨之改變，以及對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)重新配置，這樣，繼電器控制系統(tǒng)就需要經(jīng)常更新和安裝，阻礙了更新周期的縮短。 PLC 的歷史和發(fā)展趨勢(shì)20 世紀(jì) 20 年代起，人們把各種繼電器、定時(shí)器、接觸器及其觸點(diǎn)按一定的邏輯關(guān)系連接起來(lái)組成控制系統(tǒng)，控制各種機(jī)械設(shè)備，這就是傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)。它采用可以編制程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過(guò)數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。開關(guān)量 模擬量 信號(hào) 信號(hào) 通信數(shù)據(jù) 鍵盤 開關(guān)量輸入電路模擬量輸入電路通信接口電路鍵盤接口電路 微控制器及其接口電路開關(guān)量輸出電路模擬量輸出電路顯示器接口電路打印機(jī)接口電路 開關(guān)量 模擬量 顯示器 打印機(jī) 輸出信號(hào) 輸出信號(hào) 圖 21 智能儀表硬件組成框架圖。由 CPU 對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理、計(jì)算分析等一系列工作，通過(guò)接口送至顯示器或打印機(jī)，也可輸出開關(guān)量信號(hào)或經(jīng)模擬量輸出電路的 D/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬量輸出信號(hào)。智能儀表的工作過(guò)程如下：輸入信號(hào)要經(jīng)過(guò)開關(guān)量輸入電路或模擬量輸入電路進(jìn)行變換、放大、整形、補(bǔ)償?shù)忍幚怼Ｖ悄軆x表硬件組成框架圖如圖 21 所示。 智能儀表的功能總結(jié)起來(lái)，智能儀表大體上能實(shí)現(xiàn)如下一些功能：自動(dòng)校正零點(diǎn)、滿度和切換量程可進(jìn)行多通道、多參數(shù)巡回檢測(cè)自動(dòng)修正各類測(cè)量誤差數(shù)字濾波及數(shù)據(jù)處理控制算法多種輸出形式數(shù)據(jù)通信自診斷 智能儀表的基本組成智能儀表由硬件和軟件兩大部分組成。 我國(guó)的儀表行業(yè)由于起步晚、水平低，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比差距較大。隨著微控制器（包括單片機(jī)、DSP、ARM 等）技術(shù)的不斷進(jìn)步和普及，智能儀表得到了迅猛的發(fā)展。第七章，總結(jié)全文。第五章，介紹了人機(jī)界面的設(shè)計(jì)。第四章，研究了控制器的設(shè)計(jì)方法。第二章，簡(jiǎn)單概述了智能儀表以及 PLC 的基本概念以及結(jié)構(gòu)功能等基礎(chǔ)內(nèi)容。 論文研究?jī)?nèi)容 本論文研究的是智能儀表與 PLC 技術(shù)在液位控制系統(tǒng)上的應(yīng)用。所以，發(fā)展先進(jìn)的液位控制技術(shù)是我們必須重視的趨勢(shì)。智能化、自適應(yīng)的控制系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)還沒有相關(guān)的成熟技術(shù)。反觀我國(guó)，雖然液位控制系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)生產(chǎn)生活的應(yīng)用十分廣泛，但國(guó)內(nèi)的液位控制器的發(fā)展水平仍然不高，同先進(jìn)國(guó)家的差距仍然很大。這些先進(jìn)的控制器不僅能實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜環(huán)境下的液位控制系統(tǒng)的控制，而且運(yùn)用先進(jìn)的算法，采用自適應(yīng)控制、自校正控制、模糊控制、人工智能及計(jì)算機(jī)技術(shù)，使液位控制器的適用范圍更加廣泛。近年來(lái)液位控制系統(tǒng)取得了很大的進(jìn)步，出現(xiàn)了許多新型的液位控制儀，如超聲波液位計(jì)、雷達(dá)液位計(jì)、光電液位開關(guān)等，這些控制器的出現(xiàn)大大提高了控制系統(tǒng)的精度，實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)的豐富多樣性。使用液位控制系統(tǒng)來(lái)自動(dòng)維持液位高度，工作人員可以輕易在操作室獲知整個(gè)設(shè)備的儲(chǔ)水狀況，大大減低工作人員工作的危險(xiǎn)性，同時(shí)更提高了工作的效率及簡(jiǎn)便性。 液位控制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r 近幾十年來(lái)，控制系統(tǒng)已被廣泛使用，在起研究和發(fā)展上也已趨于完備，控制的概念更是應(yīng)用在許多生活周遭的事物?？删幊炭刂破?Programmable Logic ControllerPLC)是一種應(yīng)用廣泛非常的自動(dòng)控制裝置，它將傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通訊技術(shù)融為一體，具有控制能力強(qiáng)、操作靈活方便、可靠性高、適宜長(zhǎng)期連續(xù)工作的特點(diǎn)，非常適合液位控制的要求。智能儀表不僅能解決傳統(tǒng)儀表不易或不能解決的問(wèn)題，還能簡(jiǎn)化儀表電路，提高儀表的可靠性，更容易實(shí)現(xiàn)高精度、高性能、多功能的目的。PID 控制器問(wèn)世至今已有近 70 年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為液位控制的主要技術(shù)之一。在石油工業(yè)、化工生產(chǎn)、電力工程、機(jī)械制造和食品加工等諸多領(lǐng)域中，人們都需要對(duì)各類流體、參數(shù)多變、運(yùn)行慣性大、控制滯后等特點(diǎn)，它對(duì)控制調(diào)節(jié)器要求極高。實(shí)驗(yàn)證明，控制系統(tǒng)效果比較令人滿意，具有較大的工程實(shí)用價(jià)值。系統(tǒng)采用 PID 算法，實(shí)現(xiàn)液位的自動(dòng)控制?？删幊炭刂破?Programmable Logic ControllerPLC)是一種應(yīng)用廣泛非常的自動(dòng)控制裝置，它將傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通訊技術(shù)融為一體，具有控制能力強(qiáng)、操作靈活方便、可靠性高、適宜長(zhǎng)期連續(xù)工作的特點(diǎn)，非常適合液位控制的要求。本 科 生 畢 業(yè) 論 文（設(shè)計(jì)） 題 目：基于智能儀表和 PLC 的液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘 要 微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，引起了儀表結(jié)構(gòu)的根本性變革，以微型計(jì)算機(jī)（單片機(jī)）為主體，將計(jì)算機(jī)技術(shù)和檢測(cè)技術(shù)有機(jī)結(jié)合，組成新一代“智能化儀表” ，在測(cè)量過(guò)程自動(dòng)化、測(cè)量數(shù)據(jù)處理及功能多樣化方面與傳統(tǒng)儀表的常規(guī)測(cè)量電路相比較，取得了巨大進(jìn)展。智能儀表不僅能解決傳統(tǒng)儀表不易或不能解決的問(wèn)題，還能簡(jiǎn)化儀表電路，提高儀表的可靠性，更容易實(shí)現(xiàn)高精度、高性能、多功能的目的。本文介紹了基于智能儀表、西門子 S7300 型可編程控制器（ PLC） 、組態(tài)軟件的液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。利用組態(tài)軟件設(shè)計(jì)人機(jī)界面，通過(guò)串行口和可編程控制器通信，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集與處理。關(guān)鍵詞： 液位控制；智能儀表；可編程控制器；PID；人機(jī)界面 AbstractNowadays intelligent measuring appliance is improving more and more has been used in more an more place of our can make Electric circuit much easier than the control can be realized much more precise and convenient. Microelectronics and puter technology continues to develop, led to fundamental changes in the structure of instruments to microputer (single chip) as the main body, the puter technology and the anic integration of detection technology to form a new generation of smart meters in Measurement of process automation, measurement data processing and functional diversification of the traditional instrument, pared to conventional measuring circuit, tremendous progress has been made.PLC is a very useful control installment . It is widely used in a lot of control system in ourlives. It is