【正文】 .............................................................. 30 上水箱液位比例積分調(diào)節(jié) .................................................................................. 30 上水箱液位比例積分微分調(diào)節(jié) .......................................................................... 32 結(jié)論 ....................................................................................................... 33 致謝 ........................................................................................................ 34 參考文獻 .................................................................................................. 35 1 1 緒論 PLC 的產(chǎn)生、定義及現(xiàn)狀 可編程控制器出現(xiàn)前，繼電器 控制在工業(yè)控制領(lǐng)域占據(jù)主導地位。由于接線復雜，當生產(chǎn)工藝和流程改變時必須改變接線，因此，其通用性和靈活性較差。 20 世紀 60 年代末，美國汽車制造工業(yè)競爭激烈，為適應生產(chǎn)工藝不斷更新的需要， 1968 年美國通用汽車公司 (GM)提出了研制新型邏輯順序控制裝置的十項招標指標。 2) 維修方便，采用插件式結(jié)構(gòu)。 4) 體積小于繼電器控制盤。 6) 成本可與繼電器控制盤競爭。 9) 擴展時原系統(tǒng)改變最小。 這些實際上提出了將繼電器控制的簡單移動、使用方便、價格低的優(yōu)點與計算機的功能完善、靈活性、通用性好的優(yōu)點結(jié)合起來，將繼電接觸器控制的硬連線邏輯轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬎銠C的軟件邏輯編程的設想。 PLC的定義如下：“可編程序控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境下應用而設計的。可編程序控制器及其有關(guān)設備，都應按易于使工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴充其功能的原理設計。 2 (2) 預測控制 預測控制是直接從工業(yè)過程控制中產(chǎn)生的一類基于模型的新型控制算法。預測控制有三要素，即預測模型、滾動優(yōu)化和反饋校正。它是辨識與控制的結(jié)合。 (4) 智能控制 隨著科學技術(shù)的發(fā)展，對工業(yè)過程不僅要求控制的精確性，更加注重控制的魯棒性、實時性、容錯性以及對控制參數(shù)的自適應和自學習能力。常見的智能控制方法有以下幾種：模糊控制、分級遞階智能控制、專家控制、人工 神經(jīng)元網(wǎng)絡控制、擬人智能控制等。 PID 控制的歷史和發(fā)展現(xiàn)狀 PID 控制技術(shù)的發(fā)展可以分為兩個階段。 1940 年以后是第二階段 —— 革新階段。從氣動控制到電氣控制到電子控制再到數(shù)字控制， PID 控制器的體積逐漸縮小，性能不斷提高各種現(xiàn)代控制技術(shù)的出現(xiàn)并沒有削弱 PID 控制器的應用，相反，新技術(shù)的出現(xiàn)對于 PID 控制技術(shù)發(fā)展起了很大的推動作用。另一方面，某新控制技術(shù)的發(fā)展要求更精確的 PID 控制，從而刺激了 PID 控制器設計與參數(shù)整定技術(shù)的發(fā)展。 PID 控制具有以下優(yōu)點： 1) 原理簡單，使用方便。 論文的研究內(nèi)容 本文的主要內(nèi)容包括：水箱的特性確定與實驗曲線分析， S7300 可編程控制器的硬件掌握， PID 參數(shù)的整定及各個參數(shù)的控制性能的比較，應用 PID 控制算法所得到的實驗曲線分析，整個系統(tǒng)各個部分的介紹和應用 PLC 語句編程來控制水箱水位。模塊式 PLC 由機架和模塊組成， S7300 是模塊化的中小型 PLC，適用于中等性能的控制要求。當系統(tǒng)規(guī)模擴大和更為復雜的時候，可以增加模塊，對 PLC 進行擴展。 S7300 的 CPU模塊集成了過程控制功能，用于執(zhí)行用戶程序。功能強大的 CPU 的 RAM 存儲容量為 512KB，有 8192個存儲器位， 512 個定時器和 512 個計數(shù)器，數(shù)字量通道最大為 65536 點，模擬量通道最大為 4096 個，由于使用 Flash EPROM， CPU 斷電后無需后備電池可以長時間保持動態(tài)數(shù)據(jù)，使 S7300 成為完全無維護的控制設備。 ? 強勁的內(nèi)部集成功能，全面的故障診斷功能、口令保護，便利的連接系統(tǒng)和無槽位限制的模塊化結(jié)構(gòu)。 （ 2） 通用，著眼未來 ? 滿足各種要求的高性能模塊和三種 CPU適用于任一場合。 ? 用于與 SIMATIC 其他產(chǎn)品相連的接口，集成了 MMI(人機界面 )設備，用戶友好的 Windows STEP7 編程，使得 S7300 成為對未來的安全投資。它內(nèi)置 20KB RAM，最大可擴展 256KB FLASHEPROM 存儲卡，有 12KB 隨機存儲器，位操作、字操作、定時加、浮點加時間分別為 、 2s、 3s、 60s，最大模擬量 I/O 通道數(shù)為 32 個，最大配置 1個機架 8 塊模塊，使用的是軟件時鐘，有定時器 64 個，位存儲器 2048bit，可用模塊：組織塊 (OB)13 個，功能塊 (FB)128 個，功能調(diào)用 (FC)128 個，數(shù)據(jù)塊 (DB)127個，系統(tǒng)數(shù)據(jù)塊 (SDB)6 個，系統(tǒng)功能塊 (SFC)34 個，系統(tǒng)功能塊 (SFB)沒有。 S7300 的 CPU 模塊的方式選擇開關(guān)都一樣，有 4 種工作方式，通過可卸的專用鑰匙控制選擇。 CPU掃描用戶程序，既可以用編程裝置從 CPU 4 中讀出，也可以由編程裝置裝入 CPU中，用編程裝置可以監(jiān)控程序的運行。 2) RUN：運行方式。在此位置可以拔出鑰匙，防止程序正常運行時被改變操作方式。 CPU 不掃描用戶程序，可以通過編程裝置從 CPU 中讀出，也可以下 載程序到 CPU中。 4) MERS：該位置瞬間接通，用以清除 CPU 存儲器。 模擬量輸入模塊 系統(tǒng)中從檢測裝置過來的模擬量需經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換才能輸入到 CPU 處理，這就要求 PLC 有模擬量輸入處理模塊。系統(tǒng)選用了 128 ?AI 位模入模塊，其端子接線圖如圖 21 所示。 A/D 轉(zhuǎn)換部件是模塊的核心，其轉(zhuǎn)換原理采用積分方法。 SM 331 可選用 4 檔積分時間： 、 、 20 和 100ms，相對應的以位表示的精度： 1 1 14。 某一通道開始轉(zhuǎn)換模擬量輸入值起到再次開始轉(zhuǎn)換的時間是模入模塊的循環(huán)時間。模塊上需要接 24V 的直流電壓 L+，有反接保護作用。 模擬量輸出模塊 經(jīng)過 CPU處理后的結(jié)果是數(shù)字量，而執(zhí)行機構(gòu)能接收的信號是模擬信號，這就要求 PLC 配有模擬量輸出模塊。系統(tǒng)選用 124 ?AO 的模出模塊，其端子接線圖如圖 22 所示。在輸出電壓時，可以采用 2 線回路和 4 線回路與負載連接。 6 圖 23 通過 4 線回路將負載與隔離的模出模塊連接 電源模塊 PS 307 電源模塊是西門子公司為 S7300 專配的 DC24V電源， PS 307 系列模塊除輸出額定電流不同外 (有 10A)，其工作原理和參數(shù)都一樣。 PS 307 10A 模塊基本電路如圖 24 所示。輸出電壓允許范圍 20( %5? )V，最大上升時間 ，最大殘留紋波 150mV， PS 307 可安裝 在導軌上，除了給 S7300 供電，也可給 I/O 模塊提供負載電源。階躍響應測試法是系統(tǒng)在開環(huán)運行條件下，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，通過調(diào)節(jié)器或其他操作器，手動改變對象的輸入信號 (階躍信號 )。 由階躍響應確定一階過程參數(shù)有兩種方法，一種是直角坐標圖解法，一種是半對數(shù)坐標圖解法。系統(tǒng)的階躍響應曲線如圖 26 所示， t=0 時曲線斜率最大，之后斜率減小，逐漸上升到穩(wěn)態(tài)值 h(∞ )，該曲線可用一階有時延環(huán)節(jié)來近似。出水閥 4 固定于某一開度值。令輸入量Q1(s)=R0/s， R0 為常量，則輸出液位的高度為 TsKRsKRTss KRsH 1)1()( 000 ????? (23) 根據(jù)上式，需要確定的參數(shù)是過程放大系數(shù) K 和水箱的時間常數(shù) T。 過 t=0 作曲線切線，該切線與 h(∞ )線交于一點，則這段切線在時間軸上的投影即為時間常數(shù) T，見圖 26。開啟單向泵電源開關(guān)，啟動動力支路，將被控參數(shù)液位高度控制在 。 表 21 第一次穩(wěn)定后的紀錄值 PLC 輸出值 水箱水位高度 h1 組態(tài)顯示值 0~100 cm cm 46 迅速增加 PLC 手動輸出值，增加 5%的輸出量，此引起的階躍響應的過程參數(shù)如表 22 所示。 表 22 增加 PLC 手動輸出后的過程參數(shù) t(秒 ) 0 40 80 120 160 200 240 280 320 360 水箱水位h1(cm) 組態(tài)讀數(shù)(cm) 9 圖 27 增加輸出值后的變化曲線 進入新的平衡狀態(tài)，這時的數(shù)據(jù)如表 23 所示。 表 24 輸出調(diào)回到原來的位置的階躍響應參數(shù) t(秒 ) 0 40 80 120 160 200 240 280 320 360 水箱水位h1(cm) 組態(tài)讀數(shù) (cm) 圖 28 調(diào)回到第一次平衡時的曲線 10 由上述的實驗可以根據(jù)前面所說的方法求出一階環(huán)節(jié)的參數(shù) T 和 K。這是由兩個一階非周期慣性環(huán)節(jié)串聯(lián) 圖 29 上水箱下水箱系統(tǒng)圖 起來的，被調(diào)量是第二水槽的水位 h2。被調(diào)量變化的反應曲線如圖 210 所示的 Δh2曲線。由于多了一個容器，就使調(diào)節(jié)對象的飛升特性在時間上更加落后一步。 設上水箱進水口的流量為雙容水箱的輸入量，下水箱的高度 h2為輸出量，根據(jù)物料動態(tài)平衡關(guān)系，并考慮到液體傳輸過程中的時延，其傳遞函數(shù)為 seSTST KSGSQ SH ????????? )1)(1()()( )(2112 (26) 式中 K=R3， T1=R2C1， T2=R3C2， R R3分別為閥 5 和閥 6 的液阻， C1和 C2分別為上水箱和下水箱的容量系數(shù)。 開啟單向泵電源開關(guān)，啟動動力支路，將 PLC 的輸出值迅速上升到小于等于60，將被控參數(shù)液位高度控制在 15cm 處。 表 25 二階雙容下水 箱對象特性實驗第一次穩(wěn)定后的紀錄值 PLC 輸出值 水箱水位高度 h1 組態(tài)顯示值 0~100 cm cm 54 迅速增加 PLC 手動輸出值，增加 10%的輸出量，這時的階躍響應過程參數(shù)如表 26 所示，它的過程變化曲線如圖 211 所示。 表 27 新的平衡狀態(tài)的數(shù)據(jù) PLC 輸出值 水箱水位高度 h1 組態(tài)顯示值 0~100 cm cm 64 再將輸出儀表調(diào)回到系統(tǒng)第一次平衡前的位置，紀錄階躍響應過程參數(shù)的曲線如圖 212 所示。利用近似公式計算式 (2－ 6)中的參數(shù) K、 T1 和 T2，具體如下： 13 )(h 02 ???? RK 階躍輸入值輸入穩(wěn)態(tài)值 tt 2121 ???? TT )()( 21221 21 ???? TT TT 最后求出 K=， T1= ， T2=。當 t1/t2= 時，為一階環(huán)節(jié)；當 t1/t2= 時，過程的傳遞函數(shù)2)1()( ?? TSKSG (此時 )( 2121 ???? ttTT )。圖中 ??tsp 是給定值， ??tpv 為反饋量，??tc 為系統(tǒng)輸 出量， PID 控制器的輸入輸出關(guān)系式為： ? ? in itia lDtICMdtdeTe dtTeKtM ????????? ??? ? /1 0 (31) 即輸出 =比例項 +積分項 +微分項 +輸出初始值，式中， )(tM 是控制器的輸出，誤差信號 ? ? ? ? ? ?tpvtspte ?? , initialM 是回路輸出的初始值， CK 是 PID 回路的增益 ，IT 和 DT 分別是積分時間和微分時間常數(shù)。如果取其中的一項或兩項，可以組成 P、 PD 或 PI 控制器。圖 32 所示分別為當設定值由 0 突變到 1 時，在比例 (P)作用、比例積分 (PI)作用和比例積分 微分 (PID)作用下，被調(diào)量 T(s)變化的過渡過程。比例積分作用則需要稍長的時間。 15 圖 32 P、 PI、 PID 調(diào)節(jié)的階躍響應曲線 為了方便計算機實現(xiàn) PID控制算式，必須把微分方程式 (31)改寫成差分，作如下的近似，即 ?? ?? njt jTeedt 00 )( (32) T nenedtde )1()( ??? (33) 其中 T為控制周期， n為控制周期序號 (n=0， 1， 2，將式 (32