【正文】
象廣泛的其他經(jīng)典過程對象,飛升曲線法則束手無策。飛升曲線法非常方便簡潔,只要知道過程對象的函數(shù)模型,即可根據(jù)公式算得 PID 控制器的三個參數(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。 過程控制中常見 PID 參數(shù)整定方法從對象的開環(huán)響應(yīng)曲線來看大多數(shù)工業(yè)過程都能用一階慣性加純滯后(First Order Plus Delay Time)模型來近似描述,簡記為 FOPDT 模型,其傳遞函數(shù)如下所示: (35)seTKsG????1)(、 、 分別為對象模型的開環(huán)增益、純滯后時間常數(shù)和慣性時間常數(shù)。所以我們不能過強(qiáng)地增加微分調(diào)節(jié),否則會對控制系統(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)時間可以被有效的減小。微分作用的強(qiáng)弱取決于微分時間 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使信號產(chǎn)生相位滯后,使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降,動態(tài)響應(yīng)變慢。從原理上看,只要控制系統(tǒng)存在動態(tài)誤差,積分調(diào)節(jié)就產(chǎn)生作用,直至無差,積分作用就停止,此時積分11調(diào)節(jié)的輸出為常數(shù)。但是過大的比例增益會使調(diào)節(jié)過程出現(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。三個部分對系統(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地反映控制系統(tǒng)的偏差信號,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, 為積分時間, 為微分時間。PID 控制器具有結(jié)構(gòu)簡單,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)展起來的。首先要根據(jù)受控對象的數(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)和語句表(STL)。PLC 是通過各種 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)存儲內(nèi)容的不同,PLC 的存儲空間一般分為以下 3 個區(qū)域:系統(tǒng)程序存儲區(qū)、用戶程序存儲區(qū)、系統(tǒng) RAM 存儲區(qū)。存儲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)場輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù),并存入規(guī)定的寄存器中,同時,診斷電源和 PLC 內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯誤等。輸入單元中央處理單元CPU 輸出單元電源存儲單元 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芯片內(nèi)。 PLC 的基本結(jié)構(gòu)PLC 專為工業(yè)現(xiàn)場應(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,構(gòu)成所謂疊裝式 PLC。PLC 現(xiàn)在的發(fā)展很快,總的趨勢是向高集成度、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 年日本從美國引進(jìn)了這項(xiàng)技術(shù),很快研制了日本第一臺 PLC。1969 年美國數(shù)字設(shè)備公司(DEC)根據(jù)美國通用汽車公司的這種要求,研制成功了世界上第一臺可編程控制器,并在通用汽車公司的自動裝配線上試用,取得很好的效果。20 世紀(jì) 60 年代末,美國的汽車制造業(yè)競爭激烈,各生產(chǎn)廠家汽車型號不斷更新,它必然要求加工的生產(chǎn)線亦隨之改變,以及對整個控制系統(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20 世紀(jì) 20 年代起,人們把各種繼電器、定時器、接觸器及其觸點(diǎn)按一定的邏輯關(guān)系連接起來組成控制系統(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器,用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算 5 等操作的指令,并能通過數(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)過程。開關(guān)量 模擬量 信號 信號 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 輸出信號 圖 21 智能儀表硬件組成框架圖。由 CPU 對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理、計(jì)算分析等一系列工作,通過接口送至顯示器或打印機(jī),也可輸出開關(guān)量信號或經(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。智能儀表的工作過程如下:輸入信號要經(jīng)過開關(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?。智能儀表硬件組成 4 框架圖如圖 21 所示。 智能儀表的功能總結(jié)起來,智能儀表大體上能實(shí)現(xiàn)如下一些功能:自動校正零點(diǎn)、滿度和切換量程可進(jìn)行多通道、多參數(shù)巡回檢測自動修正各類測量誤差數(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。 我國的儀表行業(yè)由于起步晚、水平低,與發(fā)達(dá)國家相比差距較大。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。 論文研究內(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。智能化、自適應(yīng)的控制系統(tǒng),國內(nèi)還沒有相關(guān)的成熟技術(shù)。反觀我國,雖然液位控制系統(tǒng)在國內(nèi)生產(chǎn)生活的應(yīng)用十分廣泛,但國內(nèi)的液位控制器的發(fā)展水平仍然不高,同先進(jìn)國家的差距仍然很大。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)來自動維持液位高度,工作人員可以輕易在操作室獲知整個設(shè)備的儲水狀況,大大減低工作人員工作的危險(xiǎn)性,同時更提高了工作的效率及簡便性。 液位控制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r 近幾十年來,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題,還能簡化儀表電路,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 控制器問世至今已有近 70 年歷史,它以其結(jié)構(gòu)簡單、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)液位的自動控制。可編程控制器(Programmable Logic ControllerPLC)是一種應(yīng)用廣泛非常的自動控制裝置,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) 院 系: 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 專 業(yè): 自動化 學(xué)生姓名: 學(xué) 號: 指導(dǎo)教師: (職 稱)二〇一零 年 四 月 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)和檢測技術(shù)有機(jī)結(jié)合,組成新一代“智能化儀表” ,在測量過程自動化、測量數(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題,還能簡化儀表電路,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)時監(jiān)控、現(xiàn)場數(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 i iAbstractNowadays 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 the product of the puter,control,munication can make Electric circuit much easier than the control c