【正文】 學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 IV 頁 STEP 7 編程 ................................................................................................................ 37 控制算法的實(shí)現(xiàn) ......................................................................................................... 38 程序流程圖 ........................................................................................................ 39 梯形圖程序 ........................................................................................................ 40 組態(tài)軟件力控 ....................................................................................................... 43 常規(guī) PID 與模糊 PID 控制器性能比較 .................................................................... 44 用 MATLAB 模糊邏輯工具箱設(shè)計(jì)模糊控制器 .............................................. 44 SIMULINK 仿真 ................................................................................................ 46 結(jié)論 .......................................................................................................................................... 48 致 謝 .................................................................................................................................. 49 參考 文獻(xiàn) .................................................................................................................................. 50 附 錄 .................................................................................................................................. 52 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 1 頁 1 緒論 過程控制概述 過程控制技術(shù)是利用測量儀表、 控制儀表、計(jì)算機(jī)、通信網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)工具，自動(dòng)獲得各種變量的信息，并對(duì)影響過程狀況的變量進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)和操作，以達(dá)到控制要求等目的的技術(shù)。過程控制主要用于使生產(chǎn)過程中的一些參量保持不變，從而保證產(chǎn)量和質(zhì)量穩(wěn)定。 60 年代，隨著各種組合儀表和 巡回檢測裝置 的出現(xiàn)，過程控制已開始過渡到集中監(jiān)視、操作和控制。 80 年代，過程控制系統(tǒng)開始與過程信息系統(tǒng)相結(jié)合，具有更多的功能。一個(gè)控制系統(tǒng)包括控制器、傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、輸入輸出接口。不同的控制系統(tǒng)，其傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)是不一樣的 。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)各類流體的液位高度進(jìn)行監(jiān)測和控制。為了保證安全生產(chǎn)以及產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量，對(duì)液位進(jìn)行及時(shí)有效的控制是非常必要的。液位控制系統(tǒng)的檢測及計(jì)算 機(jī)控制已成為工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的一個(gè)重要方面。水箱液位控制是是液位控制中的一個(gè)主要問題，它在工業(yè)過程中普遍存在，具有代表性，而且非常典型、實(shí)用。同時(shí)，控制理 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 2 頁 論的發(fā)展也經(jīng)歷了古典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論三個(gè)階段。幾十年來，工業(yè)過程控制取得了驚人的發(fā)展，無論是在大規(guī)模的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)過程中，還是在傳統(tǒng)工業(yè)過程改造中，過程控制技術(shù)對(duì)于提高產(chǎn)品質(zhì)量以及節(jié)省能源等均起著十分重要的作用。 模糊控制理論的產(chǎn)生和發(fā)展?fàn)顩r 隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，各個(gè)領(lǐng)域?qū)ψ詣?dòng)控制系統(tǒng)精度、響應(yīng)速度、系統(tǒng)穩(wěn)定性、自適應(yīng)能力 的要求越來越高，所研究的系統(tǒng)也日益復(fù)雜多變。例如，有些對(duì)象難以用一般的物理和化學(xué)方面的規(guī)律來描述，有的影響因素很多，而且相互之間又有交叉耦合，使其模型十分復(fù)雜，難于求解。對(duì)于那些難以建立數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜被控對(duì)象，采用傳統(tǒng)的控制方法，包括基于現(xiàn)代控制理論的控制方法，往往不如一個(gè)有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的操作人員所進(jìn)行的手動(dòng)控制效果好。由于存在這種模糊性使得人們無法用現(xiàn)有的定量控制理論對(duì)這些信息進(jìn)行處理，需要探索出新的理論與方法。 1973 年，扎德繼續(xù)豐富和發(fā)展了模糊集合論，提出了一種把邏輯規(guī)則語言轉(zhuǎn)化成相關(guān)控制量的思想，從而為模糊控制的形成奠定了理論基礎(chǔ)。同時(shí)，也適應(yīng)了自適應(yīng)科學(xué)發(fā)展的迫切需要。 模糊集理論在控制領(lǐng)域里的應(yīng)用開始于 1974 年。這一開拓性的工作，標(biāo)志著模糊控制論的誕生。從 1979 年開始，我國也開展了模糊控制理論及其應(yīng)用方面的研究工作。 最近幾年，對(duì)于景點(diǎn)模糊控制系統(tǒng)穩(wěn)定性能的改善，模糊集成控制、模糊自適應(yīng)控制、專家模糊控制與多變量模糊控制的研究，特別是針對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的自學(xué)習(xí)與參數(shù)或規(guī)則自調(diào)整模糊系統(tǒng)方面的研究，尤其受到各國學(xué)者的重視。 PLC 的特點(diǎn)及發(fā)展?fàn)顩r 可編程控制器簡稱 PLC(Programmable logic Controller)，是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置。它采用可編程的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)算和算術(shù)運(yùn)算等操作指令，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)械和生產(chǎn)過程 ” 。 PLC 的特點(diǎn) PLC 具有面向工業(yè)控制的鮮明特點(diǎn)。 PLC 由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。此外， PLC 帶有 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 4 頁 硬件故障自我檢測功能 ，出現(xiàn)故障時(shí)可及時(shí)發(fā)出警報(bào)信息。 （二） 配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng) PLC 發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品。除了邏輯處理功能外，現(xiàn)代 PLC 大多具有完善的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。加上 PLC 通信能力的增強(qiáng)及人機(jī)交互技術(shù)的發(fā)展，使用 PLC 組成的各種控制系統(tǒng)變得非常容易。更重要的是使用同一設(shè)備經(jīng)過改變程序改變生產(chǎn)過程成為可能。 （四） 體積小，重量輕，能耗低 以超小型 PLC 為例，三菱的 fxos14（ 8 個(gè) 24vdc 輸入， 6 個(gè)繼電器輸出），起尺寸僅為 58mm*89mm，僅大于信用卡幾毫米，而功能卻有鎖增強(qiáng)，使 PLC 的應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)大到遠(yuǎn)距離工業(yè)控制的其他行業(yè)，如快餐廳、醫(yī)院手術(shù)室、旋轉(zhuǎn)門和車輛等，甚至引入家庭住宅、娛樂場所和商業(yè)部門。 1． 開關(guān)量的邏輯控制 這是 PLC 最基本、最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，它取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實(shí)現(xiàn)邏輯控制、順序控制，既可用于單臺(tái)設(shè)備的控制，也可用于多機(jī)群控及自動(dòng)化流水線。為了使可編程控制器處理模擬量，必須實(shí)現(xiàn)模擬量（ Analog）和數(shù)字量（ Digital）之間的 A/D 轉(zhuǎn)換及 D/A 轉(zhuǎn)換。 3． 運(yùn)動(dòng)控制 PLC 可以用于圓周運(yùn)動(dòng)或直線運(yùn)動(dòng)的控制 。如可驅(qū) 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 5 頁 動(dòng)步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的單軸或多軸位置控制模塊。 4． 過程控制 過程控制是指對(duì)溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。 PID 調(diào)節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的調(diào)節(jié)方法。PID 處理一 般是運(yùn)行專用的 PID 子程序。 5． 數(shù)據(jù)處理 現(xiàn)代 PLC 具有數(shù)學(xué)運(yùn)算（含矩陣運(yùn)算、函數(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算）、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析及處理。數(shù)據(jù)處理一般用于大型控制系統(tǒng)，如無人控制的柔性制造系統(tǒng)；也可用于過程控制系統(tǒng)，如造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型控制系統(tǒng)。隨著計(jì)算機(jī)控制的發(fā)展，工廠自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)發(fā)展得很快，各 PLC 廠商都十分重視 PLC 的通信功能，紛紛推出各自的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 PLC 技術(shù)發(fā)展動(dòng)向 （ 1）產(chǎn)品規(guī)模向大、小兩方面發(fā)展。?。河烧w結(jié)構(gòu)向小型模塊化結(jié)構(gòu)發(fā)展，增強(qiáng)了配置的靈活性，降低了成本。 （ 3）不斷加強(qiáng)通訊功能。高檔的 PLC 除了主要采用 CPU 以提高處理速度外，還帶有處理器的 EPROM 或 RAM 的智能 I/O 模塊、高速計(jì)數(shù)模塊、遠(yuǎn)程 I/O 模塊等專用化模塊。有各種簡單或復(fù) 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 6 頁 雜的編程器及編程軟件，采用梯形圖、功能圖、語句表等編程語言，亦有高檔的 PLC指令系統(tǒng)。 （ 7）追求軟硬件的標(biāo)準(zhǔn)化。整體式的 PLC 結(jié)構(gòu) 如圖 所示。 圖 整體式 PLC 的結(jié)構(gòu)組成 圖 模塊式 PLC 的結(jié)構(gòu)組成 不管是哪種類型的 PLC，其硬件組成都包括 CPU、存儲(chǔ)器、輸入單元、輸出單元、 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 7 頁 電源、通信接口、 I/O 擴(kuò)展接口等部分 [5]。為了改善調(diào)節(jié)過程的動(dòng)態(tài)特性，采用串級(jí)控制。 二、論述了 PID 控制器和模糊控制器的設(shè)計(jì)和仿真，針對(duì)液位控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出較好的控制規(guī)則和隸屬度函數(shù)，推理出模糊控制查詢表。 四、設(shè)計(jì)好的控制系統(tǒng)采用 PLC 編程實(shí)現(xiàn) PID 控制、模糊控制。副回路由副變量檢測變送、 副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥和副過程構(gòu)成；主回路由主變量檢測變送、主調(diào)節(jié)器、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥、副過程和主過程構(gòu)成。主控制器的輸出作為副控制器的的設(shè)定值，由副控制器的輸出操縱調(diào)節(jié)閥，從而對(duì)主控變量具有更好的控制效果。 圖 串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖 串級(jí)控制由于增加了副回路，提高了系統(tǒng)的控制性能，改善了被控過程的動(dòng)態(tài)特性，增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗 干擾能力，提高了工作頻率，對(duì)干擾具有一定的自適應(yīng)能力。串級(jí)控制系統(tǒng)常用的控制器參數(shù)整定方法有兩種。在主、副環(huán)路閉合的情況下，將主控制器比例度放在 100%，積分時(shí)間放最大，微分時(shí)間放最小。 再整定主環(huán)。用同樣的方法整定主控制器參數(shù)。 依據(jù)所得到的 s1? 、 s1T 、 s2? 、 s2T 值，結(jié)合主、副控制器的選型，按前面單回路控制系統(tǒng)整定時(shí)所給出的公式可以計(jì)算出主、副控制器的參數(shù) ? 、 iT 及 TD。 (2)一步法 所謂一步法就是先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)將副控制器參數(shù)設(shè)定好，然后按照一般單回路系統(tǒng)的整定方法直接整定主控制器參數(shù)。 將串級(jí)系統(tǒng)投運(yùn)后，按單回路系統(tǒng)整定方法直接整定主控制器參數(shù)。 水箱液位控制系統(tǒng)組成及工作原理 雙容水箱數(shù)學(xué)模型主體由上、下兩個(gè)水箱，蓄水池，連接閥和水泵組成。控制器的輸出量用于控制調(diào)節(jié)閥的開度。 以下水箱液位為主調(diào)節(jié)量，上水箱液位為副調(diào)節(jié)量，以裝水的水箱為被控對(duì)象，構(gòu)成串級(jí)液位控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖 所示。 其輸出 的結(jié)果 作為副調(diào)節(jié)器的給定值， 再 與高位水箱的 液位傳感器 檢測到的液位信號(hào) 進(jìn)行比較 并將其結(jié)果 送人副調(diào)節(jié)器，經(jīng) PID 運(yùn)算后． 選擇合適的 PID 參數(shù)， 其輸出控制 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥 的開度， 如果液位傳感器檢測到的值小于給定值，則電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開大，如果其值等于或大于給定值則關(guān)小電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，進(jìn)而 控制進(jìn)水流量的大小，控制水箱的液位口。機(jī)理法建模就是根據(jù)生產(chǎn)過程中實(shí)際發(fā)生的變化機(jī)理，寫出各種相關(guān)的平衡方程，如物質(zhì)平衡方程、能量平衡方程、動(dòng)量平衡方程、相平衡方程，以及反映流體流動(dòng)、傳熱、化學(xué)反應(yīng)等基本規(guī)律的運(yùn)動(dòng)方程、物體參數(shù)方程和某些設(shè)備的特性方程，從中獲得所需的被控過程的數(shù)學(xué)模型。 圖 水箱模型簡圖 設(shè)流入上水箱的水流量為 Q1,流入下水箱的水流量為 Q2，流出進(jìn)入蓄水池的水流量為 Q3，上水箱的液位高度為 h1，下水箱的液位高度為 h2。在穩(wěn)態(tài)下 Qi=Qo，液位 h2 保持不變。 圖 為雙容過程的階躍響應(yīng)曲線。這是因?yàn)樵趦蓚€(gè)存儲(chǔ)罐之間存在液體流通阻力，延緩了輸出量的變化 [7]。當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象﹐或不能通過有效的測量手段來獲得 系統(tǒng)參數(shù) 時(shí)，最適合用