液位自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究-畢業(yè)(設(shè)計(jì))論文論文

液位自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究鞍山科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第PAGEI頁(yè)液位自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究摘要水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是模擬工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)水位、流量參數(shù)進(jìn)行測(cè)量、控制、觀察其變化特性，研究過(guò)程控制規(guī)律的課題，它主要研究過(guò)程控制中動(dòng)態(tài)過(guò)程的一般特點(diǎn)——大慣性、大時(shí)延、非線性，難以對(duì)其進(jìn)行精確控制，從而使其成為控制理論與控制工程、過(guò)程控制教學(xué)、試驗(yàn)和研究的理想對(duì)象。本課題首先對(duì)水位控制系統(tǒng)做了整體的分析并簡(jiǎn)單介紹了水位控制系統(tǒng)的控制平臺(tái)；然后詳細(xì)介紹了PLC可編程控制器并詳細(xì)分析了基于PLC的PID控制和串級(jí)PID控制，對(duì)串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)和主副回路設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳述,設(shè)計(jì)了雙容水箱串級(jí)水位控制系統(tǒng),并根據(jù)4：1衰減曲線法對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行整定；最后根據(jù)理論分析進(jìn)行水位控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)具有優(yōu)良的控制精度和穩(wěn)定性。關(guān)鍵詞：水位自動(dòng)控制系統(tǒng)，PLC技術(shù)，PID控制，串級(jí)控制TheResearchofTheWaterLevelAutomaticControlSystemAbstractThewaterlevelcontrolsystemdesignisatopic,whichallowsstudyoftheprinciplesofprocesscontrolastheprocessvariables,forexamplethelevelandflux,tobemeasured,controlledandobservedforitsvariabilityduringthesimulationprocessofmodemindustrialmanufacture.Ithasthecommoncharacteristicofdynamicprocessinprocesscontrolsuchasgreatinertia,largerdelay,nonlinearanddifficulttobecontrolledprecisely,sothatitbecomesaperfectobjectinthefieldofcontroltheoryandcontrolengineering,processcontrolteaching,testingandstudy.Thistopicfirsthasmadethewholeanalysistothewaterlevelcontrolsystemandsimplyintroducesthewaterlevelsystemcontrolplatform,thenintroducesthePLCprogrammablecontrollerindetailandamplyanalysesthePIDcontrolandthecascadePIDcontrolwhichbasedonPLC.Itintroducesthecascadecontrolsystemcharacteristicandthehostvice-returnroutedesignindetail.Thetwo-tankwaterlevelcascadecontrolsystemhasbeendesigned.ThenitcarriesonthePIDparameterby4:1decaycurvelaw;finallythewatercontrolsystemexperimenthasbeendonebythetheoreticalanalysis.Theexperimentalresultindicatesthesystemhasthefinecontrolprecisionandthestability.Keywords:waterlevelcontrolsystem,PLC,PIDcontrol,cascadecontrol目錄TOC\o\h\z摘要 IAbstract II1緒論 11.1引言 11.2水位控制當(dāng)前的研究動(dòng)態(tài) 11.3PID調(diào)節(jié)器概述 21.3.1PID控制特點(diǎn) 21.3.2PID控制中尚需解決的問(wèn)題 31.4本文的主要工作 42水位控制系統(tǒng)的整體分析 52.1水位控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì) 52.2控制平臺(tái)介紹 52.2.1電源控制屏 52.2.2交流變頻調(diào)速器 62.3被控對(duì)象介紹 63可編程序控制器PLC概述 83.1PLC的基本結(jié)構(gòu) 83.1.1CPU模塊 83.1.2I/O模塊 93.1.3編程裝置 93.1.4電源 103.2西門子S7-200PLC簡(jiǎn)介 103.2.1西門子S7-200PLC的功能概述 103.2.2西門子S7-200PLC的特點(diǎn) 113.2.3西門子S7-200PLC的硬件結(jié)構(gòu) 113.2.4西門子S7-200PLC的工作原理 123.3西門子S7-200PLC的編程語(yǔ)言 143.4Step7-Micro/WIN編程軟件簡(jiǎn)介 153.5西門子S7-200PLC的程序結(jié)構(gòu) 154PID控制器的設(shè)計(jì) 164.1PID算法概述 164.2串級(jí)控制系統(tǒng) 184.2.1串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn) 184.2.2串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 194.3基于PLC的串級(jí)控制 194.3.1控制系統(tǒng)框架 194.3.2串級(jí)系統(tǒng)的參數(shù)整定 215控制結(jié)果 225.1控制軟件簡(jiǎn)介 225.1.1控制界面 225.1.2控制軟件的主要功能 225.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 23結(jié)束語(yǔ) 26致謝 27參考文獻(xiàn) 28附錄A（英文文獻(xiàn)） 30附錄B（中文譯文） 361緒論1.1引言隨著現(xiàn)代工業(yè)的進(jìn)步，水位控制技術(shù)迅速發(fā)展，但與國(guó)外相比仍有很大的差距，當(dāng)國(guó)內(nèi)還在對(duì)水利采取笨拙的排水、泄水方式時(shí)，國(guó)外便開(kāi)始通過(guò)先進(jìn)的測(cè)控設(shè)備，對(duì)水利資源進(jìn)行合理的疏導(dǎo)。水位控制系統(tǒng)是以水位為被控參數(shù)的控制系統(tǒng)，它在工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，有很多地方需要對(duì)容器內(nèi)的水位控制，使之高精度的保持在給定的數(shù)值。水位控制一般指對(duì)某一水位進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，使之達(dá)到所要求的控制精度。在本文中，以二階的水位系統(tǒng)為研究對(duì)象，以雙容水箱的水位為被控制量，主要研究基于PLC的PID控制器和串級(jí)PID控制的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。1.2水位控制當(dāng)前的研究動(dòng)態(tài)水位自動(dòng)控制系統(tǒng)作為自動(dòng)控制、化工過(guò)程等領(lǐng)域中非常典型的教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，它不僅可以作為水位過(guò)程控制的實(shí)驗(yàn)設(shè)備來(lái)供學(xué)生做試驗(yàn)，而且也應(yīng)用于非線性控制和故障診斷的研究項(xiàng)目中，因此在國(guó)內(nèi)外都受到廣泛關(guān)注[1]。文獻(xiàn)[8]中SacoR.等人以控制教育的目的詳細(xì)的介紹了雙容水箱水位控制系統(tǒng)的構(gòu)成，仿真建模和實(shí)時(shí)仿真；在德國(guó)杜伊斯堡大學(xué)（UniversityofDuisburg）測(cè)量與控制系的研究者使用“DTS200”模型成功地測(cè)試了非線性解耦的方法和基于模型的故障診斷方法。文獻(xiàn)[9]中NouraHassan等用雙容水箱水位控制系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)執(zhí)行器容錯(cuò)控制的設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[10]用源于離散時(shí)間李雅普諾夫（Lyapunov）理論的控制技術(shù)與對(duì)實(shí)時(shí)故障估計(jì)有自尋優(yōu)和在線自適應(yīng)能力的現(xiàn)代智能技術(shù)相結(jié)合的方法對(duì)基于多模型的在線故障診斷與定位進(jìn)行了研究，并給出了在雙容水箱水位控制系統(tǒng)上進(jìn)行仿真的試驗(yàn)結(jié)果。文獻(xiàn)[11]中TsudaK.等人利用水位控制系統(tǒng)作為試驗(yàn)對(duì)象提出了解決線性混雜系統(tǒng)重組問(wèn)題的幾種算法。文獻(xiàn)[12]為四個(gè)相識(shí)非線性濾波器推導(dǎo)了敏感模型，利用這些敏感模型得出一種廣義自適應(yīng)濾波算法（GeneralAdaptiveFilteringAlgorithm），并在雙容水箱水位控制系統(tǒng)上進(jìn)行了驗(yàn)證。文獻(xiàn)[13]通過(guò)水箱水位控制系統(tǒng)的例子，說(shuō)明了在一個(gè)分布式智能控制系統(tǒng)內(nèi)多個(gè)智能子系統(tǒng)之間進(jìn)行動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)的機(jī)制和大致過(guò)程。文獻(xiàn)[14]提出了一種推廣的基于模型的預(yù)測(cè)控制（ExtendedMPC）方案，用以龍伯格—馬夸特（Levenberg-Marquardt）算法離線訓(xùn)練非線性狀態(tài)空間神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的摸，在水箱水位控制系統(tǒng)上驗(yàn)證了方案的正確性。文獻(xiàn)[15]利用ZIR（ZeroInputResponse）和ZSR(ZeroStateResponse)綜合控制信號(hào)，構(gòu)建基于非線性受控對(duì)象物理模型—水箱水位控制系統(tǒng)的仿真器，并利用其獲得理想的控制特性。文獻(xiàn)[16]將多變量投影方法和徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)良好的逼近能力結(jié)合起來(lái)，提出了一種基于嵌入徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性主成分回歸算法的過(guò)程監(jiān)測(cè)及故障診斷方法，在水箱水位控制實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明該方法確實(shí)能夠有效地實(shí)現(xiàn)過(guò)程監(jiān)測(cè)、快速地檢測(cè)并診斷出故障狀態(tài)。上述文獻(xiàn)都是以水箱水位控制系統(tǒng)為研究對(duì)象，對(duì)故障的檢測(cè)與診斷以及分離和建模及監(jiān)控策略進(jìn)行了研究，并提出了很多行之有效的算法，為水箱水位控制系統(tǒng)的仿真及監(jiān)控平臺(tái)的開(kāi)發(fā)提供了堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)。1.3PID調(diào)節(jié)器概述1.3.1PID控制特點(diǎn)PID控制是比例積分微分控制的簡(jiǎn)稱。在生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制的發(fā)展歷程中，PID控制是歷史最久，生命力最強(qiáng)的基本控制方法。在上世紀(jì)40年代以前，除在最簡(jiǎn)單的情況下可采用開(kāi)關(guān)控制外，它上唯一的控制方法。此后，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展特別是電子計(jì)算機(jī)的誕生和發(fā)展，涌現(xiàn)出許多新的控制方法。然而直到現(xiàn)在，PID控制由于它自身的優(yōu)點(diǎn)仍然是得到最廣泛應(yīng)用的基本控制方法[2-5]。事實(shí)表明，對(duì)于PID這樣簡(jiǎn)單的控制器，能夠適用于如此廣泛的工業(yè)與民用對(duì)象，并仍以很高的性能／價(jià)格比在市場(chǎng)中占據(jù)著重要地位，充分地反映了PID控制器的良好品質(zhì)。概括地講，PID控制的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1、簡(jiǎn)單實(shí)用，易于實(shí)現(xiàn)，性能優(yōu)良。PID控制器具有簡(jiǎn)單而固定的形式，原理也不復(fù)雜，使用起來(lái)很方便，控制效果也很好。2、適用范圍廣泛。它可以廣泛應(yīng)用于化工、熱工、冶金、煉油以及造紙、建材等各種生產(chǎn)部門。3、魯棒性能優(yōu)良。其控制品質(zhì)對(duì)被控對(duì)象特性的變化不大敏感，在很寬的操作條件范圍內(nèi)都能保持較好的魯棒性。4、易于在線整定。它允許工程技術(shù)人員以一種簡(jiǎn)單而直接的方式來(lái)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。由于具有這些優(yōu)點(diǎn)，在過(guò)程控制中，人們首先想到的總是PID控制，但PID參數(shù)復(fù)雜繁瑣的整定過(guò)程一直困擾著工程技術(shù)人員，研究PID參數(shù)整定技術(shù)具有十分重要的工程實(shí)踐意義。1.3.2PID控制中尚需解決的問(wèn)題常規(guī)的PID控制器設(shè)計(jì)大致可分為基于模型的方法和基于規(guī)則的方法。在基于模型的方法中，可先假定精確的數(shù)學(xué)模型（如FOPDT、SOPDT），通過(guò)瞬態(tài)響應(yīng)（如脈沖響應(yīng)、階躍響應(yīng)）或頻率響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，或通過(guò)參數(shù)辨識(shí)（如最小二乘法）的方法獲得過(guò)程模型的參數(shù)，或者僅僅只獲得被控過(guò)程的某些特性參數(shù)（如臨界比例增益、臨界振蕩周期），通過(guò)這些參數(shù)來(lái)優(yōu)化控制器參數(shù)，得到我們所期望的控制器性能[6]。在這些控制器的設(shè)計(jì)方法中，所采用的性能指標(biāo)可分為兩大類[7]：一類是時(shí)域性能指標(biāo)，諸如超調(diào)量(overshot)、上升時(shí)間(risingtime)、過(guò)渡過(guò)程時(shí)間(settlingtime)、積分誤差(如IAE、ISE、ITAE)等；另一類是頻域性能指標(biāo)，如增益裕度(GainMargin)、相角裕度(PhaseMargin)等。時(shí)域性能指標(biāo)雖然很好的展現(xiàn)了控制器某一方面的性能，但顯然它忽視了控制系統(tǒng)一個(gè)很重要的方面——魯棒性(Robustness)，我們知道，我們所用的數(shù)學(xué)模型往往是不精確的，實(shí)際情況是，對(duì)象或過(guò)程往往是時(shí)變的，難于建立精確的數(shù)學(xué)模型，因此，基于精確的數(shù)學(xué)模型的控制器整定或設(shè)計(jì)方法通常是不魯棒的，在進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)和比較時(shí)，我們不僅要看時(shí)域性能的好壞，而且也要考慮頻域魯棒性。在頻域性能指標(biāo)中，最常用的是增益裕度和相角裕度，它們可以反映對(duì)象的不確定性，在很多情況下是很好的魯棒性能尺度，Ho等人研究了一些著名的PID整定公式的增益裕度和相角裕度,得出一些結(jié)論:在基于復(fù)合(load-based)的整定方法中,增益裕度一般為1.5,相角裕度從30變化到60度；在基于設(shè)定點(diǎn)(setpoint-based)的整定方法中,增益裕度一般為2，相角裕度在65度左右，但遺憾的是，作為魯棒性能指標(biāo)，增益裕度和相角裕度是相關(guān)的，有些時(shí)候表現(xiàn)出了矛盾的一面，而且，增益裕度和相角裕度也不適用于多變量過(guò)程。因此，我們有必要發(fā)展新的魯棒性能尺度以克服上述的缺陷[17-18]。1.4本文的主要工作本文以二階水位控制系統(tǒng)為研究對(duì)象，對(duì)其特性進(jìn)行整體分析。然后介紹了PLC可編程控制器的基本常識(shí)并設(shè)計(jì)出水位控制系統(tǒng)基于PLC的PID控制、PID串級(jí)控制，并用PLC程序?qū)崿F(xiàn)了其控制算法。具體內(nèi)容如下：（1）緒論主要介紹本課題的研究?jī)?nèi)容、水位控制系統(tǒng)研究現(xiàn)狀，PID控制的特點(diǎn)及尚未解決的問(wèn)題，以及本課題所做的主要工作。（2）水位控制系統(tǒng)的整體分析，并介紹了相應(yīng)的控制平臺(tái)。（3）對(duì)PLC可編程控制器作了介紹.（4）控制系統(tǒng)基于PLC的PID控制，串級(jí)PID控制的研究與實(shí)現(xiàn)。（5）根據(jù)理論知識(shí)做出水位控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，對(duì)串級(jí)PID控制的調(diào)節(jié)過(guò)程進(jìn)行分析。（6）總結(jié)和展望對(duì)已完成的工作進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)今后的工作提出建議。2水位控制系統(tǒng)的整體分析2.1水位控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)水箱自動(dòng)控制系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)、控制平臺(tái)和被控對(duì)象組成。被控對(duì)象包括上水箱、下水箱、儲(chǔ)水箱以及管道?？刂破脚_(tái)主要包括電源控制屏、PLC可編程控制器和交流變頻調(diào)速器。根據(jù)需要配置了微機(jī)通訊接口單元（RS232），以滿足計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制需要。水位控制系統(tǒng)的系統(tǒng)方框圖如圖2.1所示：計(jì)算機(jī)PLC控制器變頻器計(jì)算機(jī)PLC控制器變頻器電機(jī)與泵被控對(duì)象檢測(cè)與變送如圖2.1所示，先在計(jì)算機(jī)中設(shè)定控制參數(shù)，通過(guò)通訊設(shè)備傳送給PLC控制器，PLC根據(jù)接受到的控制信號(hào)和所編制的程序動(dòng)作，從而控制變頻器工作，變頻器工作帶動(dòng)電機(jī)與水泵工作，給被控對(duì)象打水，檢測(cè)與變送將檢測(cè)被控對(duì)象的水位高度并傳送給PLC控制器，測(cè)量值通過(guò)采樣在計(jì)算機(jī)中顯示。2.2控制平臺(tái)介紹2.2.1電源控制屏水箱水位控制系統(tǒng)的電源控制屏主要由一個(gè)交流電源控制區(qū)與三個(gè)執(zhí)行部件接線區(qū)組成.交流電源控制區(qū)：由總電源鑰匙開(kāi)關(guān)、空氣開(kāi)關(guān)、帶燈啟動(dòng)和停止按扭、漏電保護(hù)器、電加熱器控制開(kāi)關(guān)、照明開(kāi)關(guān)、電壓表、報(bào)警指示燈與復(fù)位按扭等組成。具體操作方法如下：1、將電源插座接220V市電電源，要注意“左零右火”的接線方式且要有可靠的接線保護(hù)。2、插上三芯插頭，此時(shí)控制屏左、右兩側(cè)的三芯電源插座均帶電。3、先打開(kāi)空氣開(kāi)關(guān)，再打開(kāi)總電源鑰匙開(kāi)關(guān)，此時(shí)“停止”按扭紅燈亮，表示系統(tǒng)總電源接通。4、按下“啟動(dòng)”按扭，此時(shí)“啟動(dòng)”按扭綠燈亮表示系統(tǒng)電源接通。5、撥開(kāi)照明開(kāi)關(guān)到上側(cè)，此時(shí)接通日光燈電源，日光燈亮。本裝置配有電壓型和電流型漏電保護(hù)系統(tǒng)。當(dāng)屏上漏電時(shí)保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作，報(bào)警燈亮并自動(dòng)切斷系統(tǒng)電源，等到解除報(bào)警時(shí)才能啟動(dòng)。2.2.2交流變頻調(diào)速器交流變頻器為三菱FR-S520S-0.4K型。為了是變頻器各接線端子不因每次做試驗(yàn)經(jīng)常的裝拆線而損壞或丟失，應(yīng)將常用端子引到掛箱面板上，以方便試驗(yàn)連線，它們分別是：1、A、B、C：變頻器的三個(gè)輸出端，連接三相鼠籠電機(jī)三相定子繞組的接線端U、V、W。2、2和5：外部電壓控制信號(hào)（0-5V）輸入端，2接信號(hào)正極，5接信號(hào)地線。3、STF、STR：電機(jī)正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)控制端，當(dāng)STF與SD相連時(shí)電機(jī)為正轉(zhuǎn)，當(dāng)STR與SD相連時(shí)電機(jī)為反轉(zhuǎn)。交流變頻器的作用是根據(jù)PLC可編程控制器發(fā)送來(lái)的信號(hào)，改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而改變水泵的打水量，達(dá)到控制水位平衡的目的。2.3被控對(duì)象介紹被控對(duì)象系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖2.2所示：圖2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程圖被控對(duì)象的供水有兩路：一路是由磁力泵1從儲(chǔ)水箱中抽水，通過(guò)閥1再經(jīng)閥3向上水箱供水、經(jīng)閥4向下水箱供水、經(jīng)閥5向復(fù)合加熱水箱的內(nèi)膽供水；另一路是磁力泵2從儲(chǔ)水箱中抽水，分別通過(guò)閥2經(jīng)閥9向上水箱供水、經(jīng)閥10向下水箱供水，經(jīng)閥11向復(fù)合加熱水箱的夾套供水。每個(gè)水箱的出水口均經(jīng)過(guò)線性化處理，上水箱的水通過(guò)閥6流到下水箱，在上水箱中安裝了壓力傳感器（PT、LT），用于檢測(cè)壓力、液位的大小；而下水箱的水經(jīng)閥7流到復(fù)合加熱水箱的外套，再經(jīng)閥8流回儲(chǔ)水箱，各水箱都設(shè)有溢流口，保證水箱滿后不外流并順利經(jīng)溢流口流回儲(chǔ)水箱。3可編程序控制器PLC概述3.1PLC的基本結(jié)構(gòu)可編程序控制器主要有CPU模塊、輸入模塊、輸出模塊、編程裝置和電源組成，如圖3.1所示。圖3.1可編程控制器示意圖3.1.1CPU模塊在可編程序控制器控制系統(tǒng)中，CPU模塊不斷地采集輸入信號(hào)，執(zhí)行用戶程序，刷新系統(tǒng)的輸出，統(tǒng)一命令和協(xié)調(diào)整個(gè)PLC控制系統(tǒng)的工作過(guò)程。CPU模塊的工作電壓一般是DC5V。CPU模塊主要由微處理器（CPU芯片）和存儲(chǔ)器組成。1.微處理器微處理器分為：通用微處理器、單片微處理器和位片式微處理器。其主要有如下功能：（1）接收從編程器輸入的用戶程序和數(shù)據(jù)，送入存儲(chǔ)器存儲(chǔ)；（2）用掃描方式接收輸入設(shè)備的狀態(tài)信號(hào)，并存入相應(yīng)的數(shù)據(jù)區(qū)；（3）監(jiān)測(cè)和診斷電源、PLC內(nèi)部電路工作狀態(tài)和用戶程序編程過(guò)程中的語(yǔ)法錯(cuò)誤；（4）執(zhí)行用戶程序、完成各種數(shù)據(jù)的運(yùn)算、傳遞和存儲(chǔ)等功能；（5）根據(jù)數(shù)據(jù)處理的結(jié)果，刷新有關(guān)標(biāo)志位的狀態(tài)和輸出狀態(tài)寄存器表中的內(nèi)容，以實(shí)現(xiàn)輸出控制、制表打印或數(shù)據(jù)通信等功能。2.存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器分為：系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器和用戶程序存儲(chǔ)器。系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器存放著系統(tǒng)程序，系統(tǒng)程序是由可編程序控制器生產(chǎn)廠家設(shè)計(jì)并固化只讀存儲(chǔ)器ROM中，能完成可編程序控制器設(shè)計(jì)者規(guī)定的工作，且用戶不能讀??；用戶程序存儲(chǔ)器存放著用戶編制的控制程序，其容量以字為單位，用戶程序由用戶設(shè)計(jì)，使可編程序控制器完成用戶要求的特定功能。3.1.2I/O模塊輸入模塊和輸出模塊簡(jiǎn)稱為I/O模塊，聯(lián)系著外部現(xiàn)場(chǎng)和CPU模塊之間的橋梁。輸入模塊用來(lái)接收和采集輸入信號(hào)。數(shù)字量輸入模塊用來(lái)接收從按鈕、選擇開(kāi)關(guān)、數(shù)字撥碼開(kāi)關(guān)、限位開(kāi)關(guān)、接近開(kāi)關(guān)、光電開(kāi)關(guān)、壓力繼電器等來(lái)的數(shù)字量輸入信號(hào)；模擬量輸入模塊用來(lái)接收電位器、測(cè)速發(fā)電機(jī)和各種變送器提供的連續(xù)變化的模擬量電流電壓信號(hào)。輸出模塊用來(lái)發(fā)送輸出信號(hào)。數(shù)字量輸出模塊用來(lái)控制接觸器、電磁閥、電磁鐵、指示燈、數(shù)字顯示裝置和報(bào)警裝置等輸出設(shè)備；模擬量輸出模塊用來(lái)控制調(diào)節(jié)閥、變頻器等執(zhí)行裝置。I/O模塊除了傳遞信號(hào)外，還有電平轉(zhuǎn)換與隔離的作用。3.1.3編程裝置編程裝置是PLC不可缺少的一部分，用來(lái)生成用戶程序，并對(duì)其進(jìn)行編輯、檢查和修改，還可以在線監(jiān)視PLC的工作狀態(tài)。編程裝置通過(guò)接口與CPU模塊聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話。使用編程軟件不僅可以設(shè)置可編程序控制器的各種參數(shù)，還可以在屏幕上直接生成和編輯梯形圖、指令表、功能塊圖和順序功能圖程序，并可以實(shí)現(xiàn)不同編程語(yǔ)言的相互轉(zhuǎn)換。程序被編譯下載到可編程序控制器，也可以將可編程序控制器中的程序上傳到計(jì)算機(jī)。程序可以存盤或打印，還可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程編程和傳送。3.1.4電源可編程序控制器使用220V交流電源或24V直流電源。內(nèi)部的開(kāi)關(guān)電源為各模塊提供DC5V、±12V、24V等直流電源。驅(qū)動(dòng)可編程序控制器負(fù)載的直流電源一般有用戶提供。3.2西門子S7-200PLC簡(jiǎn)介3.2.1西門子S7-200PLC的功能概述西門子S7-200PLC系列屬于小型可編程序控制器，可用于簡(jiǎn)單的控制場(chǎng)合，也可用于復(fù)雜的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。由于它具有極強(qiáng)的通信功能，即使在大型的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中也能充分發(fā)揮作用。S7-200PLC系統(tǒng)是緊湊型可編程序控制器。系統(tǒng)的硬件構(gòu)架是由成系統(tǒng)的CPU模塊和豐富的擴(kuò)展模塊組成。它能夠滿足各種設(shè)備的自動(dòng)化控制需求。應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，覆蓋所有與自動(dòng)檢測(cè)，自動(dòng)化控制有關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域，包括各種機(jī)床、機(jī)械、電力設(shè)施、民用設(shè)施、環(huán)境保護(hù)設(shè)備等等。如：沖壓機(jī)床、印刷機(jī)械、中央空調(diào)、電梯控制、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)等等。S7-200系列除了具有PLC的基本控制功能以外，還在以下三個(gè)方面有獨(dú)到之處：（1）功能強(qiáng)大的指令集指令內(nèi)容包括位邏輯指令、計(jì)數(shù)器、定時(shí)器、復(fù)雜數(shù)學(xué)運(yùn)算指令、PID指令、字符串指令、時(shí)鐘指令、通訊指令以及和智能模塊配合的專用指令等。（2）豐富強(qiáng)大的通訊功能S7-200提供了十種左右的通訊方式以滿足不同的應(yīng)用需求，從簡(jiǎn)單的S7-200之間的通訊到S7-200通過(guò)Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)通訊，甚至到S7-200通過(guò)以太網(wǎng)通訊。（3）編程軟件的易用性STEP7-Micro/WIN32編程軟件為用戶提供了開(kāi)發(fā)、編輯和監(jiān)控的良好編程環(huán)境。Windows的界面風(fēng)格、以及豐富的編程向?qū)Ш蛶椭畔?，能夠使用戶快速上手。西門子S7-200系列PLC具有極高的性價(jià)比，適用于各行各業(yè)，各種場(chǎng)合中的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)及控制的自動(dòng)化。S7-200系列的強(qiáng)大功能使其無(wú)論在獨(dú)立運(yùn)行中，或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制功能。3.2.2西門子S7-200PLC的特點(diǎn)S7-200系列具有鮮明的特點(diǎn)：（1）極高的可靠性；（2）極豐富的指令集；（3）數(shù)據(jù)安全性；（4）易于掌握，操作便捷；（5）豐富的內(nèi)置集成功能；（6）實(shí)時(shí)特性；（7）強(qiáng)勁的通訊能力；（8）豐富的擴(kuò)展模塊。3.2.3西門子S7-200PLC的硬件結(jié)構(gòu)西門子S7-200系列PLC具有牢固緊湊的塑料外殼，通過(guò)安裝孔垂直或水平地安裝在板上或安裝在標(biāo)準(zhǔn)DIN導(dǎo)軌上。利用總線連接電纜，可以把CPU模塊和其他擴(kuò)展模塊，如數(shù)字量I/O模塊、模擬量I/O模塊、通訊模塊等等，連接起來(lái)。采用可選的端子排作為固定的接線配件，易于接線。S7-200CPU外形如圖3.2所示。圖3.2S7-200CPU外形示意圖S7-200CPU將一個(gè)微處理器、一個(gè)集成的電源和若干數(shù)字量I/O點(diǎn)集成在一個(gè)緊湊的封裝中，組成一個(gè)功能強(qiáng)大的PLC。西門子提供了多種類型的CPU，以適應(yīng)各種應(yīng)用的要求。目前，提供的S7-200CPU有：CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP、CPU226、CPU226XM。我們使用的是具有較強(qiáng)控制功能的CPU226?？梢岳肞C/PPI電纜和自由口通訊功能把S7-200CPU連接到許多和RS-232標(biāo)準(zhǔn)兼容的設(shè)備。目前有兩種不同型號(hào)的PC/PPI電纜：帶有RS-232口的隔離型PC/PPI電纜，用5個(gè)DIP開(kāi)關(guān)設(shè)置波特率和其它配置項(xiàng)；帶有RS-232口的非隔離型PC/PPI電纜，用4個(gè)DIP開(kāi)關(guān)設(shè)置波特率。3.2.4西門子S7-200PLC的工作原理S7-200PLC具有兩種工作模式，分別是：運(yùn)行（RUN）模式和停止（STOP）模式。在運(yùn)行模式下，通過(guò)執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來(lái)實(shí)現(xiàn)控制功能；在停止模式下，S7-200CPU不執(zhí)行用戶程序，此時(shí)可設(shè)置CPU系統(tǒng)的硬件功能，并將用戶程序、數(shù)據(jù)以及硬件設(shè)置信息下載到S7-200CPU。其中用戶程序用編程軟件創(chuàng)建和編輯。CPU模塊上的模式開(kāi)關(guān)用于改變和轉(zhuǎn)換S7-200PLC的工作模式。開(kāi)關(guān)撥到RUN位置時(shí)，CPU運(yùn)行，啟動(dòng)用戶程序的運(yùn)行；當(dāng)開(kāi)關(guān)撥到STOP位置時(shí)，CPU停止，用戶程序的運(yùn)行也停止；開(kāi)關(guān)撥到TERM位置時(shí)，不改變當(dāng)前操作模式。此外還可以通過(guò)Step7-Micro/MIN32編程軟件控制S7-200CPU的運(yùn)行和停止。S7-200CPU前面板上的LED顯示著當(dāng)前的工作模式。S7-200PLC通電后，需要對(duì)硬件和軟件做一些初始化的工作。為了使PLC的輸出及時(shí)地響應(yīng)各種輸入信號(hào)。初始化后，S7-200CPU按照循環(huán)掃描的方式，完成包括執(zhí)行用戶程序在內(nèi)的各項(xiàng)不同的任務(wù)。S7-200CPU周而復(fù)始地分階段執(zhí)行一系列任務(wù)。任務(wù)執(zhí)行依次稱為一個(gè)掃描周期。在一個(gè)掃描周期內(nèi)，CPU執(zhí)行如圖3.3所示。（1）讀輸入在PLC的存儲(chǔ)器中，設(shè)置了一片區(qū)域來(lái)存放輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的狀態(tài)，它們分別稱為輸入映像寄存器和輸出寄存器。CPU以字節(jié)為單位來(lái)讀寫(xiě)輸入/輸出映像寄存器。在讀輸入階段，S7-200CPU讀取物理輸入點(diǎn)上的ON/OFF（1/0）狀態(tài)并復(fù)制到輸入映像寄存器。圖3.3S7-200CPU的工作掃描過(guò)程示意圖（2）執(zhí)行用戶程序用戶程序由若干條指令組成，指令在存儲(chǔ)器中按順序排列，來(lái)實(shí)現(xiàn)控制邏輯。一般情況下，用戶程序從輸入映像寄存器獲得外部控制和狀態(tài)信號(hào)，把運(yùn)算結(jié)果寫(xiě)入輸出映像寄存器，或者存入到不同的數(shù)據(jù)保存區(qū)。在執(zhí)行指令時(shí)，從I/O映像寄存器或別的位元件的映像寄存器讀出其0或1狀態(tài)，并根據(jù)指令的要求執(zhí)行相應(yīng)的邏輯運(yùn)算，運(yùn)算的結(jié)果寫(xiě)入到相應(yīng)的映像寄存器中。因此，除只讀的輸入映像寄存器外，各映像寄存器的內(nèi)容隨著程序的執(zhí)行而變化。S7-200CPU執(zhí)行完用戶程序后，將輸出映像寄存器的0或1狀態(tài)傳送到輸出模塊并鎖存起來(lái)。（3）處理通訊任務(wù)在處理通訊任務(wù)階段，S7-200CPU處理通信口接收到的信息，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候?qū)⑿畔鬟f給通信請(qǐng)求方。（4）執(zhí)行自診斷S7-200CPU檢查整個(gè)系統(tǒng)是否工作正常。自診斷測(cè)試包括定期檢查EEPROM、用戶程序存儲(chǔ)器、I/O模塊狀態(tài)以及I/O擴(kuò)展總線的一致性，將監(jiān)控定時(shí)器復(fù)位，以及完成一些別的內(nèi)部工作。（5）寫(xiě)輸出復(fù)制輸出過(guò)程映像寄存器中的數(shù)據(jù)狀態(tài)到物理輸出點(diǎn)。過(guò)程映像寄存器是S7-200CPU中的特殊存儲(chǔ)區(qū)，專門用于存放從物理輸入/輸出點(diǎn)讀取或?qū)懙轿锢磔斎?輸出點(diǎn)的狀態(tài)。（6）中斷程序的處理如果在程序中使用了中斷，中斷事件發(fā)生時(shí)立即執(zhí)行中斷，中斷程序可能在掃描周期在任意點(diǎn)上被執(zhí)行。3.3西門子S7-200PLC的編程語(yǔ)言西門子S7-200PLC系列采用的編程語(yǔ)言常用的有以下三種：梯形圖（LadderDiagram）、功能塊圖（FunctionBlockDiagram）、語(yǔ)言表或稱指令表（Instruction/StatementList）。1.梯形圖梯形圖（LAD）是使用最多的可編程序控制器編程語(yǔ)言。梯形圖由觸點(diǎn)、線圈和用方框表示的功能塊組成。觸點(diǎn)代表邏輯輸入條件，如外部的開(kāi)關(guān)、按鈕和內(nèi)部條件等；線圈代表邏輯輸出結(jié)果，用來(lái)控制外部的指示燈、交流接觸器和內(nèi)部的輸出條件等；方框表示的功能塊代表定時(shí)器、計(jì)數(shù)器或者數(shù)學(xué)運(yùn)算等附加指令。觸點(diǎn)和線圈等組成的獨(dú)立電路稱為網(wǎng)絡(luò)（Network），用編程軟件生成的梯形圖和語(yǔ)言表程序中有網(wǎng)絡(luò)編號(hào)，允許以網(wǎng)絡(luò)為單位，給梯形圖加注釋。在網(wǎng)絡(luò)中，程序的邏輯運(yùn)算按從左到右的方向執(zhí)行。各網(wǎng)絡(luò)按從上到下的順序執(zhí)行，執(zhí)行完所有的網(wǎng)絡(luò)后，返回最上面的網(wǎng)絡(luò)重新執(zhí)行。梯形圖比較適合有電氣技術(shù)基礎(chǔ)的人使用。2.功能塊圖功能塊圖（FBD）與數(shù)字邏輯門電路的編程語(yǔ)言相類似，用一種功能方框來(lái)表示一種特定的功能，方框圖中的符號(hào)表示著該功能塊圖的功能。該編程語(yǔ)言用類似與門、或門的方框來(lái)表示邏輯運(yùn)算關(guān)系，方框的左側(cè)為邏輯運(yùn)算的輸入變量，右側(cè)為輸出變量，輸入、輸出端的小圓圈表示“非”運(yùn)算，方框被“導(dǎo)線”連接在一起，信號(hào)從左到右流動(dòng)。把所需的功能塊連接起來(lái)，用來(lái)實(shí)現(xiàn)控制功能。功能塊圖比較適合有數(shù)字電路基礎(chǔ)的人使用。3.語(yǔ)句表S7-200系列可編程序控制器將指令表稱為語(yǔ)句表。語(yǔ)句表是一種助記符表達(dá)式，與計(jì)算機(jī)的匯編語(yǔ)言的指令相似。盡管語(yǔ)言表比梯形圖、功能塊圖抽象，但可以實(shí)現(xiàn)某些梯形圖或功能塊圖無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能。語(yǔ)言表比較適合有邏輯程序設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的人使用。3.4Step7-Micro/WIN編程軟件簡(jiǎn)介供S7-200使用的Step7-Micro/WIN32編程軟件提供了兩種指令集：SIMATIC指令集與IEC1131-3指令集。通常SIMATIC指令豐富，且執(zhí)行時(shí)間短，可使用梯形圖、功能塊圖和語(yǔ)句表語(yǔ)言；而IEC1131-3指令集只提供梯形圖、功能塊圖，且指令較少。所以我們選用SIMATIC指令集來(lái)完成編程。STEP7-Micro/WIN32V3.2兼容所有的S7-200系列，是我們選用的編程軟件，可以對(duì)CPU226進(jìn)行編程。3.5西門子S7-200PLC的程序結(jié)構(gòu)S7-200PLC系列的控制程序是由主程序（OB1）、子程序和中斷程序組成。主程序是整個(gè)程序的主體，每個(gè)項(xiàng)目都必須并且只能有一個(gè)主程序。在主程序中可調(diào)用子程序和中斷程序。主程序通過(guò)指令控制整個(gè)應(yīng)用程序的執(zhí)行，每次CPU掃描都要執(zhí)行一次主程序。子程序是一個(gè)可選的指令集合，僅在被其他程序調(diào)用時(shí)執(zhí)行。同一子程序可以在不同的地方被多次調(diào)用，使用子程序可以簡(jiǎn)化程序代碼、減少掃描時(shí)間、更好地組織程序結(jié)構(gòu)和增強(qiáng)移植性。中斷程序也是一個(gè)可選的指令集合，中斷程序不是被主程序調(diào)用，而是在中斷事件發(fā)生時(shí)由可編程序控制器的操作系統(tǒng)調(diào)用。中斷事件會(huì)在S7-200CPU程序循環(huán)周期中任何時(shí)刻發(fā)生。中斷程序是用來(lái)處理預(yù)先規(guī)定的中斷事件，執(zhí)行中斷程序前后，S7-200系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)保護(hù)和恢復(fù)被中斷的程序運(yùn)行環(huán)境。因?yàn)椴荒茴A(yù)知何時(shí)出現(xiàn)中斷事件，所以不允許中斷程序改寫(xiě)可能在其他程序中使用的存儲(chǔ)器。中斷程序不會(huì)再被中斷。4PID控制器的設(shè)計(jì)本文是利用在生產(chǎn)過(guò)程中最普遍采用的控制方法——串級(jí)控制作為系統(tǒng)的控制方法來(lái)設(shè)計(jì)控制軟件的。4.1PID算法概述在模擬控制系統(tǒng)中，控制器最常用的控制控制規(guī)律是PID控制，常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖4.1所示。系統(tǒng)有模擬PID控制器和被控對(duì)象組成。圖4.1模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值與實(shí)際輸出值構(gòu)成控制偏差：（4—1）將偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，故稱PID控制器。其控制規(guī)律為：（4—2）離散化連續(xù)時(shí)間PID控制器便可得到數(shù)字PID控制器如下：（4—3）式中：—比例系數(shù)；—積分時(shí)間常數(shù)；—微分時(shí)間常數(shù)。PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下：（1）比例環(huán)節(jié)：即時(shí)成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。（2）積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)，越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。（3）微分環(huán)節(jié)：能反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)（變化速率），并能在偏差信號(hào)值變的太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減小調(diào)節(jié)時(shí)間。PID控制器的三種控制作用是各自獨(dú)立的，互不影響的，改變一個(gè)控制參數(shù)，只影響一種控制作用，而不影響其他的控制作用。由式（4—2）和式（4—3）可以看出，采用增量式的PID算法只需保存當(dāng)前時(shí)刻以前三個(gè)時(shí)刻的誤差即可，這種算法具有如下優(yōu)點(diǎn)：1、增量式PID算法只需計(jì)算增量，計(jì)算誤差或精度不足時(shí)對(duì)控制量的計(jì)算影響較小，誤動(dòng)作少。2、采用增量PID算法，其輸出與原始值無(wú)關(guān)，易于實(shí)現(xiàn)手動(dòng)到自動(dòng)的無(wú)沖擊切換或使切換沖擊很小。3、增量式算法不進(jìn)行累加計(jì)算，增量只與最近三次的誤差值有關(guān)，節(jié)省了計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)空間，容易獲得較好的控制效果。常規(guī)PID控制器是一種應(yīng)用廣泛，技術(shù)成熟的控制方法，它能滿足一般工業(yè)控制的要求，但采用PID控制算法的控制系統(tǒng)，其控制品質(zhì)的優(yōu)劣在很大程度上依賴于PID的控制參數(shù)的整定。而其整定方法都是根據(jù)對(duì)象特性離線進(jìn)行的，因此，當(dāng)工業(yè)對(duì)象存在時(shí)變性、非線性和不確定性時(shí)，PID控制往往不能保證良好的控制品質(zhì)，對(duì)于大慣性、大時(shí)滯的對(duì)象，其效果也不能令人滿意，原因在于常規(guī)PID控制器的參數(shù)是經(jīng)離線整定后相對(duì)固定，不能根據(jù)對(duì)象特性變化和動(dòng)態(tài)過(guò)程修改控制參數(shù)。所以，在控制過(guò)程中如果對(duì)象的特性變化或具有動(dòng)態(tài)特性，要采取更加靈活有效的控制方式，如串級(jí)控制。4.2串級(jí)控制系統(tǒng)4.2.1串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)單回路控制系統(tǒng)解決了工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中大量的參數(shù)定值控制問(wèn)題。隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，工藝操作條件的要求更加嚴(yán)格，對(duì)安全運(yùn)行、經(jīng)濟(jì)性和對(duì)控制質(zhì)量的要求也更高。單回路控制系統(tǒng)往往不能滿足生產(chǎn)工藝上的要求，在這樣的情況下，串級(jí)控制系統(tǒng)就應(yīng)運(yùn)而生。由于串級(jí)控制系統(tǒng)是改善控制質(zhì)量的有效方法之一，因而它在過(guò)程控制中得到廣泛應(yīng)用。串級(jí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4.2所示。主被控參數(shù)副被控參數(shù)副調(diào)節(jié)器給定 主被控參數(shù)副被控參數(shù)副調(diào)節(jié)器副檢測(cè)與變送副檢測(cè)與變送主檢測(cè)與變送主檢測(cè)與變送圖4.2串級(jí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)串級(jí)控制系統(tǒng)適用于時(shí)間常數(shù)及純滯后較大的對(duì)象.串級(jí)系統(tǒng)與單回路系統(tǒng)的區(qū)別在于前者可獲得可測(cè)中間變量,并利用它構(gòu)成副反饋回路,對(duì)影響中間變量的干擾進(jìn)行預(yù)先調(diào)節(jié),從而改善整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì).串級(jí)控制系統(tǒng)在提高系統(tǒng)控制質(zhì)量方面主要表現(xiàn)在：（1）對(duì)進(jìn)入副回路的二次干擾有很強(qiáng)的克服能力；（2）改善了被控過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性,提高了系統(tǒng)的工作頻率；（3）串級(jí)控制系統(tǒng)減小了對(duì)象時(shí)間常數(shù)；（4）對(duì)負(fù)荷或操作條件的變化有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。串級(jí)控制系統(tǒng)的抗干擾能力、快速性、適應(yīng)性和控制質(zhì)量都比單回路要好,一般應(yīng)用在下列情況：制通道純延遲時(shí)間較長(zhǎng)；對(duì)象容量滯后大；負(fù)荷變化大,被控對(duì)象又具有非線性；系統(tǒng)存在變化劇烈的干擾。4.2.2串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是副參數(shù)的選擇和副回路的設(shè)計(jì)以及主、副回路關(guān)系的考慮。1.主參數(shù)的選擇和主回路的設(shè)計(jì)主回路是一個(gè)定值控制系統(tǒng),對(duì)于主參數(shù)的選擇和主回路的設(shè)計(jì),基本上可以按照單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則進(jìn)行。凡直接或間接與生產(chǎn)過(guò)程運(yùn)行性能密切相關(guān)并可直接測(cè)量的工藝參數(shù)均可選擇作主參數(shù)。若條件許可,可以選用質(zhì)量指標(biāo)作為主參數(shù),因?yàn)樗钪苯右沧钣行?。否則應(yīng)選用一個(gè)與產(chǎn)品質(zhì)量有單值函數(shù)關(guān)系的參數(shù)作為主參數(shù)。另外,對(duì)于選用的主參數(shù)必須具有足夠的靈敏度,并符合工藝過(guò)程的合理性。2.副參數(shù)的選擇和副回路的設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)副回路具有調(diào)節(jié)速度快!抑制擾動(dòng)能力強(qiáng)的特點(diǎn)。在副回路設(shè)計(jì)時(shí),要充分發(fā)揮這一特點(diǎn),把生產(chǎn)過(guò)程中的主要擾動(dòng)(并可能多的把其它一些擾動(dòng))包括在副回路中,以盡量減少對(duì)主參數(shù)的影響,提高主參數(shù)的控制質(zhì)量。在選擇副參數(shù)進(jìn)行副回路設(shè)計(jì)時(shí),必須注意主、副過(guò)程時(shí)間常數(shù)的匹配問(wèn)題。因?yàn)樗谴?jí)控制系統(tǒng)正常運(yùn)行的主要條件,是保證安全生產(chǎn)、防止共振的根本措施。4.3基于PLC的串級(jí)控制4.3.1控制系統(tǒng)框架本文研究的對(duì)象是一個(gè)串聯(lián)式雙容水箱的水位控制過(guò)程,如圖2.2所示：磁力泵1從儲(chǔ)水箱中抽水，通過(guò)閥1再經(jīng)閥3向上水箱供水、經(jīng)閥4向下水箱供水?，F(xiàn)在要求控制下水箱的水位高度h為某一定值，若選擇上水箱的進(jìn)水量Q為控制變量，則雙容水位控制的數(shù)學(xué)模型為：從模型可知,該系統(tǒng)是一個(gè)有時(shí)間延遲的二階系統(tǒng),自身不穩(wěn)定。若按照單回路方法設(shè)計(jì)控制系統(tǒng),則因作用于系統(tǒng)的擾動(dòng)要經(jīng)過(guò)一個(gè)滯后時(shí)間才能使被控量有所反應(yīng),而調(diào)節(jié)器的控制作用又不能及時(shí)反映出來(lái),因此將導(dǎo)致控制過(guò)頭,產(chǎn)生振蕩。理論分析表明,用單回路方法對(duì)上述過(guò)程進(jìn)行控制效果不是很理想。該分析結(jié)果,也得到實(shí)驗(yàn)證實(shí),經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)反復(fù)調(diào)試得知,在有干擾作用或給定值變化的情形下,系統(tǒng)是無(wú)法穩(wěn)定的。而且由于該系統(tǒng)是串聯(lián)式雙容水箱水位控制過(guò)程，兩水箱串聯(lián)而存在容量滯后,這些因素致使單回路控制方案難以實(shí)施。與單回路方案相比,串級(jí)控制系統(tǒng)具有明顯優(yōu)點(diǎn),在克服容量滯后和純滯后對(duì)控制質(zhì)量的影響方面有其獨(dú)到之處。據(jù)此設(shè)計(jì)了如圖4.3所示的串級(jí)控制系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)PLC控制器變頻器電機(jī)泵上水箱下水箱液位傳感器1液位傳感器2A/DA/D圖4.3串級(jí)控制系統(tǒng)框圖該系統(tǒng)是以上水箱的水位為副參數(shù)、以下水箱的水位h為主參數(shù)構(gòu)成的串級(jí)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)工作時(shí),變頻器通過(guò)采集來(lái)自反饋的水箱水位測(cè)量值,與給定值作比較,送入模塊運(yùn)算,自動(dòng)改變輸出頻率,調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速,從而控制液料流量,達(dá)到穩(wěn)定液位的作用。液位傳感器1和液位傳感器2分別將檢測(cè)到的上水箱水位信號(hào)和下水箱水位信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換傳送到PLC控制器,使其分別與兩個(gè)調(diào)節(jié)器的設(shè)定值比較,判斷有無(wú)偏差存在或者計(jì)算偏差大小。首先將系統(tǒng)設(shè)定值與下水箱水位信號(hào)進(jìn)行比較,得到的偏差作為PID1的輸入信號(hào)；PID1對(duì)該偏差進(jìn)行運(yùn)算后的輸出信號(hào),作為上水箱水位的設(shè)定值。將該設(shè)定值與上水箱的水位信號(hào)進(jìn)行比較,由PID2對(duì)偏差實(shí)現(xiàn)運(yùn)算,運(yùn)算結(jié)果通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換,改變電機(jī)的輸出頻率,調(diào)整水泵轉(zhuǎn)速,從而調(diào)整上水箱的水位,達(dá)到控制下水箱水位的目的。4.3.2串級(jí)系統(tǒng)的參數(shù)整定串級(jí)系統(tǒng)的整定比單回路復(fù)雜。因?yàn)閮蓚€(gè)調(diào)節(jié)器串在一起工作,各回路之間相互聯(lián)系,相互影響。改變主、副調(diào)節(jié)器中的任何一個(gè)整定參數(shù),對(duì)主、副回路的過(guò)渡過(guò)程都有影響,這種影響程度取決于主、副對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，而且待整定的參數(shù)比單回路多,因此,串級(jí)系統(tǒng)的整定必然比較困難和繁瑣。常用的工程整定方法有：試湊法,兩步整定法和一步整定法。兩步法就是在主、副回路都閉合的情況下,按單回路系統(tǒng)方法各整定一次副回路和主回路,然后按這兩步求得的特征值查表計(jì)算,就可以取得較為滿意的主、副調(diào)節(jié)參數(shù)。而一步整定法就是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)先將副調(diào)節(jié)器參數(shù)一次設(shè)置好,然后按一般單回路系統(tǒng)的整定方法直接整定調(diào)節(jié)器放大倍數(shù)KC2,按純比例控制規(guī)律設(shè)置副調(diào)節(jié)器；主調(diào)節(jié)器也先置于純比例作用,使串級(jí)控制系統(tǒng)投入運(yùn)行,用整定單回路的任何方法整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)；加干擾,觀察運(yùn)行過(guò)程,根據(jù)KC1和KC2相互匹配原理,適當(dāng)調(diào)整調(diào)節(jié)器參數(shù),使主調(diào)節(jié)器滿足控制質(zhì)量最好。本系統(tǒng)采用4：1衰減曲線法整定主調(diào)節(jié)器參數(shù),參數(shù)設(shè)定如表4.1表4.14：1衰減曲線法整定參數(shù)表5控制結(jié)果5.1控制軟件簡(jiǎn)介5.1.1控制界面基于PLC的PID控制運(yùn)行時(shí)的控制界面如圖5.1所示：圖5.1控制界面控制界面具有“實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)”、“實(shí)時(shí)曲線”、“實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)瀏覽”、“歷史曲線”、“自動(dòng)/手動(dòng)”、“退出實(shí)驗(yàn)”等菜單，界面上的參數(shù)都可以手動(dòng)設(shè)置。本控制軟件人機(jī)界面友好，美觀，具有真彩閃屏啟動(dòng)畫(huà)面、動(dòng)態(tài)圖標(biāo)、超酷超炫動(dòng)畫(huà)窗口、幫助小精靈和精美絕倫的皮膚等，令人機(jī)界面十分美觀，給人耳目一新的感覺(jué)。5.1.2控制軟件的主要功能本控制軟件主要實(shí)現(xiàn)以下一些功能：1、在本軟件中，用戶可以輕松改變控制算法或調(diào)節(jié)各控制算法的參數(shù)，通過(guò)仿真曲線，可以找到最佳的控制算法和控制參數(shù)。3、系統(tǒng)的中間狀態(tài)變量、系統(tǒng)輸出和輸入誤差數(shù)據(jù)可以保存在數(shù)據(jù)庫(kù)或文本文件中，也可以在開(kāi)始實(shí)驗(yàn)時(shí)，從文本文件或數(shù)據(jù)庫(kù)中導(dǎo)入數(shù)據(jù)。4、具有記錄歷史數(shù)據(jù)和歷史曲線的功能，用戶可以隨時(shí)對(duì)所做實(shí)驗(yàn)和記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢。5、采用數(shù)字來(lái)動(dòng)態(tài)顯示系統(tǒng)的各個(gè)數(shù)據(jù)，同時(shí)在主界面上有個(gè)信息窗口，用來(lái)顯示系統(tǒng)的參數(shù)、實(shí)時(shí)信息等數(shù)據(jù)，讓用戶隨時(shí)了解系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。5.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析本串級(jí)控制系統(tǒng)中，主調(diào)節(jié)器采用比例積分（PI）調(diào)節(jié)，副調(diào)節(jié)器采用比例（P）調(diào)節(jié)。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行反復(fù)調(diào)試，使下水箱的水位快速穩(wěn)定在設(shè)定值上,這時(shí)設(shè)定值應(yīng)與反饋值相同。待水位穩(wěn)定后,在上水箱上加擾動(dòng),如果擾動(dòng)比較大或參數(shù)并不理想,雖經(jīng)過(guò)副回路的校正,還將影響水位,此時(shí)再由主回路進(jìn)一步調(diào)節(jié),從而完全克服上述擾動(dòng),使水位調(diào)回到設(shè)定值上。當(dāng)擾動(dòng)加在下水箱時(shí),擾動(dòng)使水位發(fā)生變化,主回路產(chǎn)生校正作用,克服擾動(dòng)對(duì)水位的影響。由于副回路的存在加快了校正作用,使擾動(dòng)對(duì)水位的影響較小。實(shí)時(shí)控制曲線如圖5.2所示圖5.2實(shí)時(shí)控制曲線根據(jù)串級(jí)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)的工程整定方法一步整定法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行整定。首先選取副調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)Kp=1.3。然后將主調(diào)節(jié)器按4：1衰減曲線法進(jìn)行整定。選取比例（P）系數(shù)Kp=1.2，積分（I）時(shí)間Ti=0.6。其運(yùn)行曲線如圖5.3所示圖5.34：1衰減曲線主調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)規(guī)律,副調(diào)節(jié)器采用P調(diào)節(jié)規(guī)律，經(jīng)整定后的控制參數(shù)為：主調(diào)節(jié)器比例系數(shù)Kp=1.0，積分時(shí)間Ti=0.3；副調(diào)節(jié)器比例系數(shù)Kp=1.3。取系統(tǒng)曲線如圖5.4所示圖5.4參數(shù)整定后的實(shí)時(shí)控制曲線分析實(shí)驗(yàn)曲線可知：比例調(diào)節(jié)的殘差隨著比例帶的加大而加大；減小比例帶就等于加大調(diào)節(jié)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)增益，其后果是導(dǎo)致系統(tǒng)激烈振蕩甚至不穩(wěn)定。積分調(diào)節(jié)的特點(diǎn)是無(wú)差調(diào)節(jié)，但它的穩(wěn)定作用不如比例調(diào)節(jié)。比例積分調(diào)節(jié)引如積分作用來(lái)消除系統(tǒng)殘差，卻降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為保持系統(tǒng)較好的穩(wěn)定性，PI調(diào)節(jié)器的比例帶必須適當(dāng)增大。所以PI調(diào)節(jié)是在稍微犧牲控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)以換取較好的穩(wěn)定性能。在參數(shù)整定后的狀態(tài)下運(yùn)行，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，對(duì)上水箱加一定的階躍擾動(dòng)信號(hào)，觀測(cè)到的過(guò)度曲線如圖5.5所示。圖5.5加階躍擾動(dòng)后的過(guò)度曲線由圖5.5可以看出，加擾動(dòng)后系統(tǒng)可以迅速的恢復(fù)平衡，證明經(jīng)參數(shù)整定后的系統(tǒng)符合設(shè)計(jì)要求。

結(jié)束語(yǔ)隨著生產(chǎn)水平和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代控制系統(tǒng)的規(guī)模日趨大型化、復(fù)雜化，對(duì)自動(dòng)化程度的要求也越來(lái)越高。但系統(tǒng)發(fā)生故障的可能性也隨之增加，尤其是在某些工程領(lǐng)域中，控制系統(tǒng)發(fā)生故障，會(huì)導(dǎo)致失敗而帶來(lái)災(zāi)難性后果。為了保證工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的安全性，產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，及時(shí)準(zhǔn)確地把握生產(chǎn)運(yùn)行狀況，已經(jīng)成為目前過(guò)程控制領(lǐng)域的一項(xiàng)重要內(nèi)容。水位控制系統(tǒng)是模擬工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)水位、流量參數(shù)進(jìn)行測(cè)量、控制、觀察其變化特性，研究過(guò)程控制規(guī)律的科研產(chǎn)品，具有過(guò)程控制中動(dòng)態(tài)過(guò)程的一般特點(diǎn)——大慣性、非線性，難以對(duì)其進(jìn)行精確控制，從而使其成為控制理論與控制工程、過(guò)程控制教學(xué)、試驗(yàn)和研究的理想實(shí)驗(yàn)對(duì)象。本課題首先對(duì)水位控制系統(tǒng)進(jìn)行了整體分析；然后簡(jiǎn)單介紹了水位控制系統(tǒng)控制平臺(tái)并介紹了PLC可編程控制器的常識(shí),分析了PID調(diào)節(jié)器的各個(gè)環(huán)節(jié)的作用和基于PLC的串級(jí)PID控制；根據(jù)對(duì)象特性選擇不同動(dòng)作規(guī)律的調(diào)節(jié)器，此外PID各個(gè)環(huán)節(jié)的參數(shù)的選擇也對(duì)系統(tǒng)控制有較大影響；最后通過(guò)試驗(yàn)，用4：1衰減曲線法求出了串級(jí)PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定并繪出了階躍響應(yīng)曲線，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)水位控制系統(tǒng)的研究。由于時(shí)間關(guān)系，本課題尚有許多地方需要完善。由于這只是一套實(shí)驗(yàn)裝置，從系統(tǒng)的物理意義上能夠?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行了分析，并沒(méi)有在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，所以與現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中或許還有一定的偏差。如果將整個(gè)控制系統(tǒng)放到現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行更多的改進(jìn)，使其發(fā)揮更優(yōu)良的性能。致謝本論文是在我的指導(dǎo)教師XX老師的悉心指導(dǎo)下完成的。在設(shè)計(jì)期間，XX老師以其淵博的知識(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和寶貴的經(jīng)驗(yàn)給我以啟迪，使我終生受益，并激勵(lì)著我在今后的學(xué)習(xí)和工作中銳意進(jìn)取，不斷前進(jìn)。我在論文中取得的每一點(diǎn)進(jìn)步，無(wú)不凝聚著XX老師的心血和汗水。在此，向感謝實(shí)驗(yàn)室的XXXXXXXXX等每一位同學(xué)，雖然我們有著各自不同的研究領(lǐng)域，但是通過(guò)我們之間的交流，使我增長(zhǎng)了知識(shí)，擴(kuò)展了視野，他們的建議給了我很大的啟示，使我在設(shè)計(jì)工作中受益匪淺。還要感謝我的室友，在畢業(yè)設(shè)計(jì)期間，我們相處的非常愉快，并且我有許多東西是通過(guò)他們的講解才明白的，感謝他們對(duì)我生活和學(xué)習(xí)上的幫助。感謝所有關(guān)心和幫助過(guò)我的老師、同學(xué)和朋友，真心對(duì)你們表示感謝。參考文獻(xiàn)[1]胡濤。VisualC++.NET編程技術(shù)體驗(yàn)[M]。北京：電子工業(yè)出版社，2003，256-298.[2]張培仁。自動(dòng)控制技術(shù)和應(yīng)用[M]。合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2001.[3]王樹(shù)青。先進(jìn)控制技術(shù)及應(yīng)用[M]。北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001.[4]方崇智，蕭德云。過(guò)程辨識(shí)[M]。北京：清華大學(xué)出版社，1988.[5]劉美霞，智能溫度控制系統(tǒng)[D]。南京：南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文，2003.[6]張石，蔡惠龍。過(guò)程監(jiān)控軟件的發(fā)展及應(yīng)用[J]，自動(dòng)化儀表，1995，16（1A）：78-96.[7]李春文，馮元瑪。多變量非線性控制的逆系統(tǒng)方法[M]。北京：清華大學(xué)出版社，1991年8月.[8]SacoR.,PiresE.,GodfridC.,Realtimecontrolledlaboratoryplantforcontroleducation,FrontiersinEducation,2002.FIE2002.32ndAnnual,Volume:1,6-9Nov.2002.[9]NouraHassan,TheilliolDidier,SauterDominique,Actuatorfault-tolerantcontroldesign:Demonstrationonathree-tank-system,InternationalJournalofSystemsscience,September2000,p1143-1155.[10]YenGaryG.,HoLiang-Wei,Onlinemultiple-model-basedfaultdiagnosisandaccommodation,IEEETransactionsonIndustrialElectronics,April2003,p296-312.[11]TsudaK.,MignoneD.,Ferari-TrecateG.,MorariM.,Recconfigurationstrategiesforhybridsystems,AmericanControlConference,2001.Proceedingsofthe2001,Volume:2,25-27June2001,Pages:868-873vol.2.[12]BohnC.:UnbehauenH.,sensitivitymodelsfornonlinearfilterswithapplicationtorecursiveparameterestimationfornonlinearstate-spacemodels,ControlTheoryandApplication,IEEProceedings,Volume:148,Issue:2,March2001,Pages:137-145.[13]XingWei,WuTie-Jun,Dynamiccooperationinintelligentlargescalesystemcontrol,IntelligentControlandAutomation,2000.Proceedingsofthe3rdWorldCongresson,Volume:4,28June-2July2000,Pages:2314-2318vol.4.[14]GilP.,HenriquesJ.,DouradoA.,Duarte-RamosH.,Constrainedneuralmodelpredictivecontrolwithguaranteedfreeoffset,IndustrialElectronicsSociety,2000.IECON2000.26thAnnualConfjerenceoftheIEEE,Volume:3,22-28Oct.2000,Pages:1991-1996vol.3.[15]UchidaM.,NakanoK.,Simulator-basedforesightcontrolofleveloftheetanksinseries,IndustrialElectronics,Control,andInstrumentation,1996.,proceedingsofthe1996IEEEIECON22ndInternationConferenceon,Volume:1,5-10Aug.1996,Pages:321-325vol.1.[16]楊英華，陸寧云，江云波，馬立玲，王福利，一種基于非線性主成分回歸的過(guò)程監(jiān)測(cè)及故障診斷方法，信息與控制[J]，2002，31（3A）：873-875.[17]陶永華，尹怡欣，葛蘆生。新型PID控制及其應(yīng)用[M]。北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998，25-38.[18]劉金琨。先進(jìn)PID控制及其MATLAB仿真[M]。北京：電子工業(yè)出版社，2003，152-178.附錄A（英文文獻(xiàn)）1.INTRODUCTIONModernwatermanagementischaracterisedbyconsideringwatersystemsintheirentiretytogetherwithallinfluencingfactorsandotherrelatedsystems.Problemsofmanagementareoftenposedasmulti-criterialproblemswiththestrongaccentonoptimisation.IntheNetherlandstheproblemofwaterlevelmanagementinlow-landareasisquiteacuteandwashistoricallydeterminedbythe“battle”againstseaandriverfloods.Regionalwatercontrolistheresponsibilityofapproximately65waterboards,andtheproblemofmakingoptimaldecisionsinreal-timecontrolistakingnowadaysahighpriority.Waterauthoritiesresponsibleformanagingwatersystemshavetocopewithvariousproblemsrangingfromfloodpreventiontorecreation,andtotakeintoaccounttheinterestsofdifferentgroupsofusers.Thismakesanoptimalcontrolofwaterresourcessystemsacomplexproblem.ThiskindofcontrolproblemisbeinginvestigatedextensivelyespeciallyforoptimaloperationofsingleormultiplereservoirsystemsFontaneetal(1997),PanigrahiandMujumdar(1997),RusselandCampbell(1996),SolomatineandAvilaTorres(1996).Optimalcontrolofaregionalwatersystem,consideringallurbanandruralwatersubsystemsiselaboratedinLobbrecht(1997).TheimplementedDecisionSupportSystem(DSS)AquariusisusedasanaidingtoolforoperationalmanagementofregionalwatersystemsbyseveralwaterboardsoftheNetherlands.Deterministicmodelsofwater-relatedprocessesincorporatedinAquariussystemwillbefurthercalledinshortAquariusmodel.Aquariusisusingtwomodesofcontrol–centralizedcontrolandlocalcontrol.Normally,centralizedcontrolisdynamic.Mostimportantcontrolactionispumping.WithintheAquariusmodelthesimulationandmathematicaloptimizationproblemaresolvedsimultaneouslyinordertoderivetheoptimalcontrolactions–withtheassociatedhighrunningtimeandrequirementstothecomputationalpowerdependingonthemodelcomplexity.ObjectiveofthisstudyistoinvestigatethepossibilityofusingAItechniques,namelyartificialneuralnetworks(ANN)andfuzzyadaptivesystems(FAS),toreplicatethebehaviourofadeterministicmodelcontrollingthepolderwaterlevels.Thementionedtechniquesprovidetheopportunitiestoextendtheclassicalcontrolsanddealwiththecomplexsystemsinanintegratedmanner(Harris,1994).TheideaistoreplacethecontrolactionsdeterminedinAquariusbycentralizedcontroloptionbybuildingadaptivemodelswithlocalinformationofasingleregulatingstructure.2WATERSYSTEMSANDTHEIRCONTROLOperationandmaintenanceofregionalwaterresourcessystemconcerntheoptimalresourcesallocationforvariousinterestgroupsinthesystematthesametime.Inordertohaveanaccurateoverallpictureofawatersystemstate,whichcanbeusedforoptimaloperationandmaintenance,itisnecessarytotaketheconflictingcriteriaintoaccount.Watersystemscanbeseparatedintointeractingsubsystemssuchasurbandrainage,urbanorruralgroundwater,urbanorruralsurfacewatersubsystems.Intheoptimizationproblemfordeterminingthecontrolstrategy,therequirementsofeachinterestgroupcanbeexpressedthrough“damage”functions,normallyexpressedasdimensionlessproductofacostcoefficientandanoptimizationvariable,representingtheweightedharmtooneormoreinterestgroups.Theconstraintsdefinethelimitsofphysicalwatervariables,whichcanbecontrolleddirectlyorindirectly–suchassurfacewaterlevel,groundwaterlevel,sewerfilling,waterqualityleveletc.Theoptimizationproblemcanbeformulatedasfollows(Lobbrecht,1997):Minimize:subjectto：Where--objectivefunction,--constraints,--vectorofstatevariables,--vectorofcontrolvariables,--lowerandupperlimitsofstatevariables,--lowerandupperlimitsofstatevariable.Twolevelsofcontrolcan