【正文】 (37)將式(37)表示為增量形式 (38)dthAQ???21式中：ΔQ 1， ΔQ2， Δh分別為偏離某一平衡狀態(tài)的增量；。在平衡時，Q 1=Q2， ；0?dth當(dāng)Q1發(fā)生變化時，液位h 隨之變化，水箱出口處的靜壓也隨之變化，Q 2也發(fā)生變化。由流體力學(xué)可知，流體在紊流情況下，液位h 與流量之間為非線性關(guān)系。但為了簡化起見，經(jīng)線性化處理后，可近似認(rèn)為Q 2與h 成正比關(guān)系，而與閥F1td211611的阻力R成反比，即 （39）RhQ??2式中：，稱為液阻。將式(38)、式(39)經(jīng)拉氏變換并消去中間變量Q 2，即可得到單容水箱的數(shù)學(xué)模型為 （310）1)(10 ???TsKRCsQHW式中T為水箱的時間常數(shù)，T＝RC ；K為放大系數(shù)，K＝R ；C為水箱的容量系數(shù)。若令Q 1(s)作階躍擾動，即 ，X 0=常數(shù)，則式(310)可改寫為s1)( （311）TsKTKsH1/ 0?????對上式取拉氏反變換得 （312）)()(/0teXth?當(dāng)t→ ∞ 時，h（∞）h（0）=KX 0，因而有 （313）階 躍 輸 入輸 出 穩(wěn) 態(tài) 值??)(K當(dāng)t=T時，則 有 （314）)(.)1()(0 ???hKXeXTh式（312）表示一階慣性環(huán)節(jié)的響應(yīng)曲線是一單調(diào)上升的指數(shù)函數(shù)，如圖35（a）所示，該曲線上升到穩(wěn)態(tài)值的63%所對應(yīng)的時間，就是水箱的時間常數(shù)T。也可由坐標(biāo)原點(diǎn)對響應(yīng)曲線作切線OA，切線與穩(wěn)態(tài)值交點(diǎn)A 所對應(yīng)的時間就是該時間常數(shù)T，由響應(yīng)曲線求得K和T后，就能求得單容水箱的傳遞函數(shù)。 圖 35 單容水箱的階躍響應(yīng)曲線17 （a ）無滯后特性響應(yīng)曲線（ b）具滯后特性響應(yīng)曲線如果對象具有滯后特性時，其階躍響應(yīng)曲線則為圖35（b） ，在此曲線的拐點(diǎn)D處作一切線，它與時間軸交于B點(diǎn)，與響應(yīng)穩(wěn)態(tài)值的漸近線交于A點(diǎn)。圖中OB即為對象的滯后時間 ， BC為對象的時間常數(shù)T，所得的傳遞函數(shù)為：? （315）()1sKeH???? 其中 為系統(tǒng)滯后時間， T為時間常數(shù)，K為放大倍數(shù)。通過實(shí)驗(yàn)建模，傳?遞函數(shù)中各參數(shù)為：K=，T=12 min， =1 s。?第四章 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 硬件配置 實(shí)驗(yàn)使用“THSA1 型過控綜合自動化控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺”，該實(shí)驗(yàn)臺是由實(shí)驗(yàn)控制對象、實(shí)驗(yàn)控制臺及上位監(jiān)控PC 機(jī)三部分組成 智能儀表采用上海萬迅儀表有限公司生產(chǎn)的AI 系列全通用人工智能調(diào)節(jié)儀表，其中SA12 智能調(diào)節(jié)儀控制掛件為AI818 型，SA13 智能位式調(diào)節(jié)儀為AI708 型。AI818 型儀表為PID 控制型，輸出為4～20mADC 信號；而AI708 型儀表為位式控制型，輸出為繼電器觸點(diǎn)型開關(guān)量信號。AI 系列儀表通過RS485 串口通信協(xié)議與上位計(jì)算機(jī)通訊，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時監(jiān)控。本實(shí)驗(yàn)采用SA12掛件。P、I、D參數(shù)可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要調(diào)整。如圖41為SA12智能儀表掛件。18 圖41 儀表掛件 PLCS7 系列PLC 有很強(qiáng)的模擬量處理能力和數(shù)字運(yùn)算功能，具有許多過去大型PLC才有的功能，其掃描速度甚至超過了許多大型的PLC，S7 系列 PLC功能強(qiáng)、速度快、擴(kuò)展靈活，并具有緊湊的、無槽位限制的模塊化結(jié)構(gòu)，因而在國內(nèi)工控現(xiàn)場得到了廣泛的應(yīng)用。在本裝置中采用了S7300PLC控制系統(tǒng)，使用SA41S7300PLC可編程控制器掛件。S7300是采用模塊化結(jié)構(gòu)的中小型PLC，包括一個CPU3152DP 主機(jī)模塊、一個SM331 模擬量輸入模塊和一個SM332模擬量輸出模塊，以及一塊西門子CP5611 專用網(wǎng)卡和一根 MPI 網(wǎng)線。其中SM331 為8 路模擬量輸入模塊， SM332 為4 路模擬量輸出模塊。圖42所示為S7300PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。19 圖42 S7300PLC控制系統(tǒng)框圖如圖43為S7300PLC掛件。 圖43 S7300PLC掛件 檢測裝置壓力傳感器、變送器：壓力傳感器用來對上、中、下水箱的液位進(jìn)行檢測，其量程為0～5KP， 級。采用工業(yè)用的擴(kuò)散硅壓力變送器，帶不銹鋼隔離膜片，同時采用信號隔離技術(shù)，對傳感器溫度漂移跟隨補(bǔ)償。采用標(biāo)準(zhǔn)二線制傳輸方式，工作時需提供24V 直流電源，輸出：4～20mADC。 執(zhí)行機(jī)構(gòu)電動調(diào)節(jié)閥：采用智能直行程電動調(diào)節(jié)閥，用來對控制回路的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。電動調(diào)節(jié)閥型號為：QSVP16K。具有精度高、技術(shù)先進(jìn)、體積小、重量輕、推動力大、功能強(qiáng)、控制單元與電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)一體化、可靠性高、操作方便等20優(yōu)點(diǎn)，電源為單相220V，控制信號為4～20mADC 或1～5VDC，輸出為4～20mADC的閥位信號，使用和校正非常方便。如圖44為電動調(diào)節(jié)閥。 圖44 電動調(diào)節(jié)閥 水泵：本裝置采用磁力驅(qū)動泵，型號為16CQ8P，流量為30 升/分，揚(yáng)程為8 米，功率為180W。泵體完全采用不銹鋼材料，以防止生銹，使用壽命長。本裝置采用兩只磁力驅(qū)動泵,一只為三相380V 恒壓驅(qū)動，另一只為三相變頻220V輸出驅(qū)動。 電磁閥：在本裝置中作為電動調(diào)節(jié)閥的旁路，起到階躍干擾的作用。電磁閥型號為：2W16025 ；工作壓力：最小壓力為0Kg/㎝ 2 ，最大壓力為7Kg/㎝2；工作溫度：－5～80℃；工作電壓：24VDC。 控制流程 本系統(tǒng)選擇下水箱作為被測對象（也可選擇上水箱或中水箱） 。實(shí)驗(yàn)之前先將儲水箱中貯足水量，然后將閥門F1F1F18全開，將下水箱出水閥門F111開至適當(dāng)開度，其余閥門均關(guān)閉。21 智能儀表控制 將“SA12 智能調(diào)節(jié)儀控制” 掛件掛到屏上，并將掛件的通訊線插頭插入屏內(nèi)RS485通訊口上，將控制屏右側(cè)RS485通訊線通過RS485/232 轉(zhuǎn)換器連接到計(jì)算機(jī)串口2，并按照圖45的控制屏接線圖連接實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。將“LT3 下水箱液位”鈕子開關(guān)撥到“ON”的位置。 圖 45 智能儀表單容水箱液位控制系統(tǒng)接線圖 接通總電源空氣開關(guān)和鑰匙開關(guān)，打開24V 開關(guān)電源，給壓力變送器上電，按下啟動按鈕，合上單相Ⅰ、單相Ⅲ空氣開關(guān)，給智能儀表及電動調(diào)節(jié)閥上電。 打開上位機(jī)組態(tài)環(huán)境，打開“智能儀表控制系統(tǒng)”工程，然后進(jìn)入組態(tài)運(yùn)行環(huán)境，進(jìn)入本控制系統(tǒng)的監(jiān)控界面。 在上位機(jī)監(jiān)控界面中將智能儀表設(shè)置為“手動”控制，并將輸出值設(shè)置為一個合適的值，此操作需通過調(diào)節(jié)儀表實(shí)現(xiàn)。 合上三相電源空氣開關(guān)，磁力驅(qū)動泵上電打水，適當(dāng)增加/減少智能儀表的輸出量，使下水箱的液位處于某一平衡位置，記錄上位機(jī)曲線。上位機(jī)曲線，如圖 46 所示。 h 1022 5 t/min 0 2 4 圖 46： 單容水箱液位測量曲線 S7300PLC 控制 將“SA41 S7300PLC 控制”掛件掛到屏上，并用MPI 通訊電纜線將S7300PLC 連接到計(jì)算機(jī)CP5611 專用網(wǎng)卡，并按照下圖47控制屏接線圖連接實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。將“LT3下水箱液位”鈕子開關(guān)撥到“ON”的位置。 接通總電源空氣開關(guān)和鑰匙開關(guān)，打開24V 開關(guān)電源，給S7300PLC及壓力變送器上電，按下啟動按鈕，合上單相Ⅰ空氣開關(guān)，給電動調(diào)節(jié)閥上電。 打開 Step 7 軟件，打開“S7300”程序進(jìn)行下載，然后將 S7300PLC 置于運(yùn)行狀態(tài)，然后運(yùn)行組態(tài)軟件，打開“S7300PLC 控制系統(tǒng)”工程，然后激活組態(tài)運(yùn)行環(huán)境，進(jìn)入本控制系統(tǒng)的監(jiān)控界面。參照上一實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行操作。23 圖 47 S7300PLC 單容水箱液位控制系統(tǒng)接線圖上位機(jī)曲線，如圖 48 所示 h 5 t/min 0 1 3 48 單容水箱液位測量曲線 PLC 程序設(shè)計(jì)簡介 PID 功能在Step 7 中集成了PID 調(diào)節(jié)功能塊FB41 (連續(xù)量)、FB42 (開關(guān)量) 和脈沖轉(zhuǎn)換功能塊FB43, 以便于用戶使用其PID 調(diào)節(jié)功能。因?yàn)樵诒驹O(shè)計(jì)方案中要多次用到PID 連續(xù)量控制, 故這里有必要對FB41作些簡要介紹。Step 7 還提供了標(biāo)準(zhǔn)閉環(huán)控制模塊FM 355, 可以實(shí)現(xiàn)定值控制、串級控制、比例控制和三分量控制等多種功能。由于本控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的控制功能較簡單, 故只用Step 7 內(nèi)置PID 功能塊即可。FB41 (CONT 　C) 命名為continuous controller , 在S7300 PLC 中用于控制輸入和輸出量為連續(xù)信號的控制對象, 可以通過參數(shù)設(shè)置, 將其設(shè)定為P, PI 或PID 控制器, 也可以組成單獨(dú)的I 控制器和D 控制器。PID模塊輸入?yún)?shù)如表41所示。 表41 輸入?yún)?shù)參數(shù) 數(shù)據(jù)類型 數(shù)據(jù)范圍 默認(rèn)值 描述COM_RST BOOL FALSE 完全重啟，當(dāng)為真時執(zhí)行重啟程24序 MAN_ON BOOL TRUE 手動操作，若為真，控制環(huán)中斷，操作值手動設(shè)定 PVPER_ON BOOL FALSE 過程變量直接從外設(shè)輸入 P_SEL BOOL TRUE 為真則比例控制起作用 I_SEL BOOL TRUE 為真則積分控制起作用 D_SEL BOOL FALSE 為真則微分控制起作用 INT_HOLD BOOL FALSE 為真則積分控制的輸出不變 I_ITL_ON BOOL FALSE 為真，使積分器的輸出為I_ITLVAL CYCLE TIME =1ms T1s 采樣時間 SP_INT REAL 100~100%或者物理量 內(nèi)部的給定點(diǎn)的輸入值 PV_IN REAL 100~100%或者物理量 過程變量以浮點(diǎn)形式輸入的值 PV_PER WORD W160000 過程變量從外設(shè)直接輸入的值 MAN REAL 100~100%或者物理量 通過這個參數(shù)設(shè)定手動操作的值 GAIN REAL 比例控制增益 TI TIME =CYCLE T20s 決定積分器的響應(yīng)時間 TD TIME =CYCLE T10s 微分時間 TM_LAG TIME =CYCLE/2 T2s 微分器的延遲時間 LMN_HLM REAL 操作值的最高限 LMN_LLM REAL 操作值的最低限 PV_FAC REAL 過程變量因子，調(diào)整過程變量的范圍 PV_OFF REAL 過程變量偏置，調(diào)整過程變量的范圍 LMN_FAC REAL 操作值因子，調(diào)整操作值的范圍 25LMN_OFF REAL 操作值偏置，調(diào)整操作值的范圍 I_ITLVAL REAL 100~100%或者物理量 積分器的初始化值 DISV REAL 100~100%或者物理量 輸入的擾動變量 DEADE_W REAL 100~100%或者物理量 死區(qū)寬度 控制程序設(shè)計(jì)按照系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)要求和系統(tǒng)實(shí)際情況，利用STEP7 編寫控制程序。圖49為系統(tǒng)接線原理圖，圖410為控制程序流程圖。 PLC 26 圖 49 系統(tǒng)接線原理圖PS CPU DI DO AI/O計(jì)算機(jī) 液位檢測信號電動調(diào)節(jié)閥反饋信號電動調(diào)節(jié)閥控制信號報警信號現(xiàn)場手動控制信號 報警 手動 自動開機(jī)初始化