【正文】 —— 調(diào)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(chǎn)實際中，有經(jīng)驗的工人總是既根據(jù)偏差的大小來改變閥門的開度大?。ū壤饔茫?，同時又根據(jù)偏差變 化速度的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)。 如果把積分時間放到最大， PI 調(diào)節(jié)器就喪失了積分作用，成了一個純比例調(diào)節(jié)器。 由于它是在比例調(diào)節(jié)（粗調(diào)）的基礎(chǔ)上，有加上一個積分調(diào)節(jié)（細(xì)調(diào)），所以又稱再調(diào)調(diào)節(jié)或重定調(diào)節(jié)。 因為單純的積分作用使過程緩慢，并帶來一定程度的振蕩，所以積分調(diào)節(jié)很少單獨使用，一般都和比例作用組合在一起，構(gòu)成比例積分調(diào)節(jié)器，簡稱 PI 調(diào)節(jié)器，其作用特性可用下式表示： ?????????? )1(1 e d tTePuuu IIPPI （ 32） 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) 17 這里，表示 PI 調(diào)節(jié)作用的參數(shù)有兩個：比例度 P和積分時間 IT 。純比例調(diào)節(jié)只能用于干擾較小、滯后較小，而時間常數(shù)又不太小的對象。 放大倍數(shù) PK 是可調(diào)的，所以比例調(diào)節(jié)器實際上是一個放大倍數(shù)可調(diào)的放大器。 比例調(diào)節(jié)規(guī)律及其特點 比例調(diào)節(jié)作用，一般用字母 P 來表示。 比例控制及其調(diào)節(jié)過程 在人工調(diào)節(jié)的實踐中，如果能使閥門的開度與被調(diào)參數(shù)偏差成比例的話，就有可能使輸出量等于輸入量，從而使被調(diào)參數(shù)趨于穩(wěn)定，達(dá)到平衡狀態(tài)。這就是說，在控制器中僅引入“ 比例 ” 項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是 “ 微分項 ” ，它能預(yù)測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例 +微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié) ）或有滯后（ delay）組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。 （ 3）微分（ D）控制 在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入 “ 積分項 ” 。 （ 2）積分（ I）控制 在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。 PID 控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進(jìn)行控制的。即當(dāng)我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象﹐或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用 PID 控制技術(shù)。 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)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。 同上所述，所示過程的數(shù)學(xué)模型為 )1( 11)( )()( 0120 ??? TssTsQ sHsW （ 210） 式中： 0T —— 過程積分時間常數(shù)， 20 CT? ； T—— 第一只水箱的時間常數(shù)。 1Q 產(chǎn)生階躍變化時，液位 2h 并不立即以最大的速度變化，由于中間具有容積和阻力。容量時延可用作圖法求得，即通過 2h 響應(yīng)曲線的拐點 D 作切線，與時間 軸相交與 A，與 2 h 相交與 C， C 點在時間軸上的投影 B， OA 即為容量時延時間 Ct ，AB 即為過程的時間常數(shù) T。即 多容過程對于擾動的響應(yīng)在時間上存在時延， 1/C1s 1/R2 1/C2s 1/R3 — — — 圖 雙容過程方框圖 13 被稱為容量時延。 圖 所示為流量 1Q 有一階躍變化時，被控量 2h 的響應(yīng)曲線。其被控量是第二只水箱的液位 2h ，輸入量為 1Q 與上述分析方法相同，根據(jù)物料平衡關(guān)系可以列出下列方程 00 0 Q 0 0 0 圖 雙容過程及其響應(yīng)曲線 12 dthdC 1121 ????? 212 RhQ ??? dthdC 2232 ???? 323 RhQ ??? （ 29） 為了消去雙容過程的中間變量 1h 、 2Q 、 3Q ，將上述方程組進(jìn)行拉氏變換，并畫出方框圖如 所示。 現(xiàn)在，以具有自衡能力的雙容過程為例，來討論其建立數(shù)學(xué)模型的方法。 過程的傳遞函數(shù)為 sTsW 00 1)( ? （ 27） 式中： 0T —— 過程的積分時間常數(shù)， CT?0 。由于流出量是不變的，所以 貯罐 液位或等速上升直至液體溢出，或者等速下降直至液位被抽干，其階躍響應(yīng)曲線如圖 所示。這樣，其流出量與液位 h 無關(guān)。下面以圖 所示為例，介紹其建模方法。 具有純時延單容過程的微分方程和傳遞函數(shù)為 )( 0100 tTQKhdt hdT ????? sts 0e1TK( s )QH ( s )( s )W0010???? （ 25） 式中： 0T —— 過程的時間常數(shù)， CRT 20 ? ； 0K —— 過 程的放大系數(shù)， 20 RK ? ； 0t —— 過程的純時延時間。當(dāng)進(jìn)水閥開度產(chǎn)生擾動后， 1Q 需要流經(jīng)管道長度為 l 的傳輸時間 0t 后才流入貯罐，才使液位 h 發(fā)生變化。下面以圖 為例討論純時延過程的 建模。 在工業(yè)生產(chǎn)過程中，過程的純時延問題是經(jīng)常碰到的。 圖 （ b）所示為單容液位被控過程的階躍響應(yīng)曲線。 被控過程都具有一定貯存物料或能量的能力，其貯存能力的大小，稱為容量或容量系數(shù) 。 將式（ 22）、式（ 23）拉氏變換后 ,畫出圖 方框圖。消去中間變量的方法很多，如可用代數(shù)代換法，可用信號流圖法，也可用畫方框圖的方法。但為了簡化起見，經(jīng)線形變化，則可近似認(rèn)為 2Q 與 h成正比關(guān)系，而與閥 2的阻力 2R 成反比，即 22 RdhQ ?? （ 23） 式中： 2R —— 閥 2 的阻力，稱為液阻。 在靜態(tài)時， 21 ? ， 0?dtdh ；當(dāng) 1Q 發(fā)生變化時，液位 h隨之變化，貯蓄出口處的靜壓隨之變化， 2Q 也發(fā)生變化。液位 h的變化反映了 1Q 與 2Q 不等而引起貯罐中蓄水 或泄水的過程 .若 1Q作為被控過程的輸入變量 ,h 為其輸出變量 ,則該被控過程的數(shù)學(xué)模型就是 h 與 1Q之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式 。 液位過程，圖 所示為一個單容液位被控過程，其流入量 1Q ，改變閥 1 的開度可以改變 1Q 的大小。單容過程還可分為有自衡能力和無自衡能力兩類?？梢赃@樣說，一個過程控制系統(tǒng)的優(yōu)劣，主要取決于對生產(chǎn)工藝過程的了解和建立過程的數(shù)學(xué)模型。在構(gòu)成控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計中，過程的數(shù)學(xué)模型是極其重要的基礎(chǔ)資料。 電源模塊 根據(jù) PLC 的設(shè)計特點，它對電源并無特殊需求，它可使用一般工業(yè)電源。 其中輸入信號要通過光電隔離，通過濾波進(jìn)入 CPU 控制板， CPU 發(fā)出輸出信號至輸出端。如輸入 /輸出電平轉(zhuǎn)換、電氣隔離、串 /并行轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)傳送、誤碼校驗、 A/D 或 D/A 變換以及其他功能模塊等。 I/O 模塊 I/O 模塊是 CPU 與現(xiàn)成 I/O 裝置或其他外部設(shè)備之間的連接部件。 診斷電源、 PLC 內(nèi)部電路工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯誤。其功能是： PLC 中系統(tǒng)程序賦予的功能，接收并存儲從編程器輸入的用戶程序和數(shù)據(jù)。圖 為 PLC 的原理圖。 5 2 FX2 系列 PLC 和控制對象介紹 三菱 PLC 控制系統(tǒng) FX2 系列 PLC 是三菱電機(jī)公司 1991 年繼 F、 F F2 系列之后推出的產(chǎn)品，是目前運(yùn)行速度最快的小型 PLC 之一。 三、控制方案的選取，一個好的方案會讓系統(tǒng)更加完美，所以方案的選取也非常重要。 本文研究的主要內(nèi)容 一、一個系統(tǒng)是否能達(dá)到預(yù)期的控制效果，其系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型相當(dāng)?shù)闹匾苯雨P(guān)系到控制結(jié)果的正確與否。而在我國液 位控制系統(tǒng)也利用得相當(dāng)?shù)膹V泛，特別在鍋爐液位控制，水箱液位控制。它使在控制中更加的安全，節(jié)約了更多的勞動力，更多的時間。引入PLC 使控制方式更加的集中、有效、更加的及時。一個系統(tǒng)的液位是否穩(wěn)定，直接影響到了工業(yè)生產(chǎn)的安全與否、生產(chǎn)效率的高低、能源是否能夠得到合理的利用等一系列重要的問題。從而我們現(xiàn)在就引入了工業(yè)生產(chǎn)的自動化控制。在新型的自動化技術(shù)工具方面，開始采用微處理器為核心的智能單元組合儀表；在測量變送器方面，教為突出的成分在線檢測與數(shù)據(jù)處理的應(yīng)用日益廣泛；在模擬式調(diào)節(jié)儀表方面，不僅Ⅲ型儀表產(chǎn)品品種增加，可靠性提高，而且是本質(zhì)安全防爆，適應(yīng)了各種復(fù)雜控制系統(tǒng)的要求。對全工廠 或整個工藝流程的集中控制、應(yīng)用計算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行多參數(shù)綜合控制，或者用多臺計算機(jī)對生產(chǎn)過程進(jìn)行控制和經(jīng)營管理，是這一階段的 主要特征。為了滿足定型、靈活、多功能的要求，有出現(xiàn)了組合儀表，它將各個單元劃分為更小的功能塊，以適應(yīng)比較復(fù)雜的模擬和邏輯規(guī)律相結(jié)合的控制系統(tǒng)的需要。 在 60 年代，隨著工業(yè)生產(chǎn)的不斷發(fā)展，對過程控制提出了新的要求； 隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展也為自動化技術(shù)工具的完善提供了條件，開始了過程控制的第二階段。這是過程控制發(fā)展的第一階段?？v觀過程控制的發(fā)展歷史，大致經(jīng)歷了下述幾個階段： 50 年代前后，過程控制開始得到發(fā)展。 40 年代以后，生產(chǎn)自動化發(fā)展很快。生產(chǎn)過程中的噶參數(shù)靠人工觀察，生產(chǎn)過程的操作也靠人工去執(zhí)行。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)自動化中，過程控制技術(shù)正在為實現(xiàn)各種最優(yōu)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、提高經(jīng)濟(jì)效益和勞動生產(chǎn)率、節(jié)約能源、改善勞動條件、保護(hù)環(huán)境衛(wèi)生等方面起著越來越大的作用。 過程控制的 發(fā)展 進(jìn)入 90 年代以來，自動化技術(shù)發(fā)展很快，并取得了驚人的成就，已成為國家高科技的重要分支。此外，無錫華光公司、上海鄉(xiāng)島公司等中外合資企業(yè)也是我國比較著名的 PLC 生產(chǎn)廠家。目前，我國自己已可以生產(chǎn)中小型可編程控制器。最初是在引進(jìn)設(shè)備中大量使用了可編程控制器。目前，可編程控制器在機(jī)械制造、石油化工、冶金鋼鐵、汽車、輕工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用都得到了長足的發(fā)展。 20 世紀(jì)末期，可編程控制器的發(fā)展特點是更加適應(yīng)于現(xiàn)代工業(yè)的需要。 上世紀(jì) 80 年代至 90 年代中期，是 PLC 發(fā)展最快的時期，年增長率一直保持為 30~40%。這個階段的另一個特點是世界上生產(chǎn)可編程控制器的國家日益增多，產(chǎn)量日益上升。 20 世紀(jì) 80 年代初，可編程控制器在先進(jìn)工業(yè)國家中已獲得廣泛應(yīng)用。 的發(fā)展現(xiàn)狀 20世紀(jì) 70 年代中末期，可編程控制器進(jìn)入實用化發(fā)展階段，計算機(jī)技術(shù)已全面引入可編程控制器中，使其功能發(fā)生了飛躍。它采用了可編程的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)計算等面向用戶的指令，并通過數(shù)字量和模擬量的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。 二、 可編程控制器的定義 國際工委員會（ IEC）曾于 1982 年 11 月頒布了可編程控制器標(biāo)準(zhǔn)草案第一稿，1985 年 1月又發(fā)表了第二稿， 1987 年 2 月頒布了第三稿。 II The liquid level control system based on PLC ABSTRACT The subject of graduation design is based on PLC, liquid level control system design. In the design, the author is mainly responsible for the mathematical model and control algorithm design, so the design used in the paper referred to was more PID algorithm, PLC in less knowledge. Main contents of this article: PLC creation and definition, process control, development, and water tanks and experiment to determine the characteristics curve analysis, FX2 series PLC hardware control, PID tuning parameters and various parameters of the control performance parison, the application PID control algorithm obtained experimental curve analysis, the entire system, introduce and explain the various parts of the PLC process control ma