基于PLC的雙容水箱液位控制

摘要本次畢業(yè)設(shè)計的課題是基于PLC的液位控制系統(tǒng)的設(shè)計。目前PLC已廣泛地使用微處理器作為中央處理器，輸入輸出模塊和外圍電路也都采用了中、大規(guī)模甚至超大規(guī)模的集成電路，PLC已不再是僅有邏輯(Logic)判斷功能，還同時具有數(shù)據(jù)處理、PID調(diào)節(jié)和數(shù)據(jù)通信功能。它采用了可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算，順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并通過數(shù)字式和模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)外圍設(shè)備，易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴充其功能的設(shè)計?？删幊炭刂破饕殉蔀楣S自動化的強有力工具，得到了廣泛的普及推廣應(yīng)用。

本文采用的是三菱公司的FX系列開發(fā)環(huán)境，可對水箱的各個局部的運行程序進行設(shè)計。同時采用三菱公司FX2系列PLC對水箱也為控制系統(tǒng)進行了仿真，驗證了該控制系統(tǒng)的可行性。實現(xiàn)了上水箱液位到達設(shè)定值以后能過流入到下水箱,I/O口的配置、硬件連接。本設(shè)計的重點和難點：水箱各局部程序的設(shè)計，對應(yīng)程序的調(diào)試與修正。關(guān)鍵詞：FX2系列PLC；PID控制算法；雙容水箱；PID指令

ABSTRACTThesubjectofgraduationdesignisbasedonPLC,liquidlevelcontrolsystemdesign.thePlchasbeenwidelyusedasacentralprocessingunitmicroprocessor,importexportmoduleandtheexternalcircuitsareused,large-scaleintegratedcircuitsevenwhenthePlcisnolongertheonlylogical(IC)judgementfunctionsalsohavedataprocessing,PIDconditioninganddatacommunicationsfunctions.InternationalItusedprogrammablememory,usedtoimplementlogicintheirinternalstorageoperations,sequencecontrol,timing,countingandarithmeticoperations,suchasoperatinginstructions,andthroughdigitalandanaloginputandoutput,thecontrolofvarioustypesofmachineryorproductionprocesses.Programmablecontrollerandrelatedperipherals,andindustrialcontrolsystemseasilylinkedtoformawhole,toexpanditsfunctionaldesign.Programmablecontrollerfortheuser,isanon-contactequipment,theprocedurescanbechangedtochangeproductionprocesses.Theprogrammablecontrollerhasbecomeapowerfultoolforfactoryautomation,widelypopularreplication.Thepapersimplyintroducesmainstructureandcharacteristicsofgarageandalsogivesashortintroductiontoitscontrolsystem.Thefiniteelementreliabilitycheckingofsteelstructureofgarageisutilizedaccordingtotheoperationprincipleofwater-tansgarage,themechanicswasusedtocomprehensivelyanalyzethewater-tansandtranslationstereogaragKeywords：FX2seriesPLC；PIDcontrolalgorithm；Double-dimensiontanks；PIDinstruction目錄TOC\o"1-2"\h\z\u第1章緒論11.1PLC的開展11.2PLC的工作原理2第2章水箱對象特性及PID算法的應(yīng)用62.1雙容水箱對象特性62.2PID算法在雙容水箱中的應(yīng)用10第3章控制方案設(shè)計143.1PLC控制系統(tǒng)與其他控制系統(tǒng)的比較143.2水箱控制系統(tǒng)方案設(shè)計16第4章PLC在水箱控制系統(tǒng)中的應(yīng)用18三菱PLC控制系統(tǒng)184.2硬件設(shè)計194.3PLC控制程序設(shè)計21結(jié)論25參考文獻26致謝27第1章緒論1.1PLC的開展一、可編程控制器的產(chǎn)生20世紀60年代，在世界技術(shù)改造的沖擊下，要求尋找一種比繼電器更可靠、功能更齊全、響應(yīng)速度更快的新型工業(yè)控制器。1968年，美國最大的汽車制造商——通用汽車公司從用戶角度提出了新一代控制器應(yīng)具備的十大條件后，立即引起了開發(fā)熱潮。二、PLC的開展現(xiàn)狀20世紀70年代中末期，可編程控制器進入實用化開展階段，計算機技術(shù)已全面引入可編程控制器中，使其功能發(fā)生了飛躍。更高的運算速度、超小型體積、更可靠的工業(yè)抗干擾設(shè)計、模擬量運算、PID功能及極高的性價比奠定了它在現(xiàn)代工業(yè)中的地位。20世紀80年代初，可編程控制器在先進工業(yè)國家中已獲得廣泛應(yīng)用。這個時期可編程控制器開展的特點是大規(guī)模、高速度、高性能、產(chǎn)品系列化。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。這標志著可編程控制器已步入成熟階段[1]。上世紀80年代至90年代中期，是PLC開展最快的時期，年增長率一直保持為30~40%。在這時期，PLC在處理模擬量能力、數(shù)字運算能力、人機接口能力和網(wǎng)絡(luò)能力得到大幅度提高，PLC逐漸進入過程控制領(lǐng)域，在某些應(yīng)用上取代了在過程控制領(lǐng)域處于統(tǒng)治地位的DCS系統(tǒng)。20世紀末期，可編程控制器的開展特點是更加適應(yīng)于現(xiàn)代工業(yè)的需要。從控制規(guī)模上來說，這個時期開展了大型機和超小型機；從控制能力上來說，誕生了各種各樣的特殊功能單元，用于壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、位移等各式各樣的控制場合；從產(chǎn)品的配套能力來說，生產(chǎn)了各種人機界面單元、通信單元，使應(yīng)用可編程控制器的工業(yè)控制設(shè)備的配套更加容易。目前，可編程控制器在機械制造、石油化工、冶金鋼鐵、汽車、輕工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用都得到了長足的開展。我國可編程控制器的引進、應(yīng)用、研制、生產(chǎn)是伴隨著改革開放開始的。最初是在引進設(shè)備中大量使用了可編程控制器。接下來在各種企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備及產(chǎn)品中不斷擴大了PLC的應(yīng)用。目前，我國自己已可以生產(chǎn)中小型可編程控制器。上海東屋電氣生產(chǎn)的CF系列、杭州機床電器廠生產(chǎn)的DKK及D系列、大連組合機床研究所生產(chǎn)的S系列、蘇州電子計算機廠生產(chǎn)的YZ系列等多種產(chǎn)品已具備了一定的規(guī)模并在工業(yè)產(chǎn)品中獲得了應(yīng)用。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?？梢灶A(yù)期，隨著我國現(xiàn)代化進程的深入，PLC在我國將有更廣闊的應(yīng)用天地。進入90年代以來，自動化技術(shù)開展很快，并取得了驚人的成就，已成為國家高科技的重要分支。過程控制是自動化技術(shù)的重要組成局部。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)濟指標、提高經(jīng)濟效益和勞動生產(chǎn)率、節(jié)約能源、改善勞動條件、保護環(huán)境衛(wèi)生等方面起著越來越大的作用。在本世紀40年代前后，工業(yè)生產(chǎn)大多處于手工操作的狀態(tài)，人們主要是憑經(jīng)驗用人工去控制生產(chǎn)過程。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。因此，當時的勞動效率是很低的。40年代以后，生產(chǎn)自動化開展很快。尤其是近年來，過程控制技術(shù)開展更為迅速?？v觀過程控制的開展歷史，大致經(jīng)歷了下述幾個階段：50年代前后，過程控制開始得到開展。一些工廠企業(yè)實現(xiàn)了儀表化和局部自動化。這是過程控制開展的第一階段。這階段主要的特點：檢測和控制儀表普遍采用基地式儀表和局部組合儀表；過程控制結(jié)構(gòu)大多數(shù)是單輸入單輸出系統(tǒng)；被控制參數(shù)主要是溫度、壓力、流量、液位四種參數(shù)；控制目的是保持這些參數(shù)的穩(wěn)定，消除或減少對生產(chǎn)過程的主要擾動。在60年代，隨著工業(yè)生產(chǎn)的不斷開展，對過程控制提出了新的要求；隨著電子技術(shù)的迅速開展也為自動化技術(shù)工具的完善提供了條件，開始了過程控制的第二階段。在儀表方面，開始大量采用單元組合儀表。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。70年代以來，隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的迅猛開展，儀表與硬件的開發(fā)，微型機算計的開發(fā)應(yīng)用，使生產(chǎn)過程自動化的開展到達了一個新的水平。對全工廠或整個工藝流程的集中控制、應(yīng)用計算機系統(tǒng)進行多參數(shù)綜合控制，或者用多臺計算機對生產(chǎn)過程進行控制和經(jīng)營管理，是這一階段的主要特征。過程控制開展到現(xiàn)代過程控制的新階段，這是過程控制開展的第三階段。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)平安防爆，適應(yīng)了各種復(fù)雜控制系統(tǒng)的要求。1.2PLC的工作原理PLC具有微機的許多特點，但它的工作方式卻與微機有很大不同。微機一般采用等待命令的工作方式。PLC那么采用循環(huán)掃描工作方式。在PLC中，用戶程序按先后順序存放，CPU從第一條指令開始執(zhí)行程序，直至遇到結(jié)束符后又返回第一條。如此周而不斷循環(huán)。每一個循環(huán)成為一個掃描周期。一個掃描周期大致可分為I/O刷新和執(zhí)行指令兩個階段。所謂I/O刷新即對PLC的輸入進行一次讀取，將輸入端各變量的狀態(tài)重新讀入PLC中存入內(nèi)部存放器，同時將新的運算結(jié)果送到輸出端。這實際是將存入輸入、輸出狀態(tài)的存放器內(nèi)容進行了一次更新，故成為“I〔輸入〕/O〔輸出〕刷新〞。由此可見，假設(shè)輸入變量在I/O刷新期間狀態(tài)發(fā)生變化，那么本次掃描期間輸出端也會相應(yīng)的發(fā)生變化，或者說輸出對輸入產(chǎn)生了響應(yīng)。反之，假設(shè)在本次I/O刷新之后，輸入變量才發(fā)生變化，那么本次掃描輸出不變，即不響應(yīng)，而要到下一次掃描期間輸出才會產(chǎn)生響應(yīng)。由于PLC采用循環(huán)掃描的工作方式，所以它的輸出對輸入的響應(yīng)速度要收掃描周期的影響。掃描周期的長短主要受PLC的運算速度，程序長度和每條指令占用時間長短影響。一、PLC的應(yīng)用通常有以下五種類型：(1)順序控制這是PLC應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域，用以取代傳統(tǒng)的繼電器順序控制。PLC可應(yīng)用于單機控制、多機群控、生產(chǎn)自動線控制等。如注塑機、印刷機械、訂書機械、切紙機械、組合機床、磨床、裝配生產(chǎn)線、電鍍流水線及電梯控制等。(2)運動控制PLC制造商目前已提出了拖動步進電動機或伺服電動機的單軸或多軸位置控制模板。在多數(shù)情況下，PLC把掃描目標位置的數(shù)據(jù)送給模板，其輸出移動一軸或數(shù)軸到目標位置。每個軸移動時，位置控制模板保持適當?shù)乃俣群图铀俣?，確保運動平滑。相對來說，位置控制模塊比計算機數(shù)值控制裝置體積更小，價格更低，速度更快，操作方便。(3)閉環(huán)過程控制PLC能控制大量的物理參數(shù)，如溫度、壓力、速度和流量等。PID模塊的提供式PLC具有閉環(huán)控制功能，即一個具有PID控制能力的PLC可用于過程控制。當過程控制中某一個變量出現(xiàn)偏差時，PID控制算法會計算出正確的輸出，把變量保持在設(shè)定值上。(4)數(shù)據(jù)處理在機械加工中，出現(xiàn)把支持順序控制的PLC和計算機數(shù)值控制〔CNC〕設(shè)備緊密結(jié)合的趨向。著名的日本FANUC公司推出的System10、11、12系列，已將CNC控制功能作為PLC的一局部。為了實現(xiàn)PLC和CNC設(shè)備之間內(nèi)部數(shù)據(jù)自由傳遞，該公司采用了窗口軟件。通過窗口軟件，用戶可以單獨編程，由PLC送至CNC設(shè)備使用，美國GE公司的CNC設(shè)備新機種也同樣使用了具有數(shù)據(jù)處理的PLC。預(yù)計今后幾年CNC系統(tǒng)將變成以PLC為主體的控制和管理系統(tǒng)。(5)通信和聯(lián)網(wǎng)為了適應(yīng)國外近幾年來興起的工廠自動化(FA)系統(tǒng)、柔性制造系統(tǒng)〔FMS〕及集散控制系統(tǒng)〔DCS〕等開展的需要，必須開展PLC之間，PLC和上級計算機之間的通信功能。作為實時控制系統(tǒng)，不僅PLC數(shù)據(jù)通信速率要求高，而且要考慮出現(xiàn)停電事故時的對策。二、PLC的特點：(1)可靠性高、抗干擾能力強PLC是為工業(yè)控制而設(shè)計的，除了對期間的嚴格篩選外，在硬件合軟件兩個方面還采用可屏蔽、濾波、隔離、故障診斷和自動恢復(fù)等措施，使可編程控制器具有很強的靠干擾的能力，其平均無故障時間到達3000h以上。(2)編程直觀、簡單考慮到大多數(shù)電氣技術(shù)人員熟悉電氣控制電路的特點，PLC沒有采用微機控制中常用的匯編語言，而是采用了一種面向控制過程的梯形圖語言。梯形圖語言與繼電器原理圖象類似，形象直觀、易學(xué)易懂，電氣工程師和具有一定知識的電氣技術(shù)人員都可在短時間內(nèi)學(xué)會，計算機技術(shù)合傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)間的隔膜在PLC上完全不存在。因此，許多國家生產(chǎn)的PLC都把梯形圖語言作為第一用戶語言。此外，還可采用指令表進行編程控制。(3)適應(yīng)性好PLC時通過程序?qū)崿F(xiàn)控制的。當控制要求發(fā)生改變時，只要修改程序即可。由于PLC產(chǎn)品已標準化、系列化、模塊化。因此能靈活方便的進行系統(tǒng)配置，組成規(guī)模不同、功能不同的控制系統(tǒng)。其適應(yīng)能力非常強，既可控制一臺機器，一條生產(chǎn)線，也可控制一個復(fù)雜的群控系統(tǒng)，既可以現(xiàn)場控制，又可以遠距離控制。(4)功能完善接口功能強PLC具有數(shù)字量和模擬量的輸入輸出、邏輯和算數(shù)運算、定時、計數(shù)、順序控制、通信、人機對話、自檢、記錄和顯示等功能，使設(shè)備控制水平大大提高；其接口功率驅(qū)動范圍較大，不像普通的計算機輸出信號需放大才能驅(qū)動負載，極大的方便了用戶。其常用的數(shù)字量輸入輸出接口，就電源而言有110V、220V交流和5V、48V直流等多種。三、PLC的編程語言PLC提供了較完整的編程語言，以適應(yīng)PLC在工業(yè)環(huán)境中的應(yīng)用。利用編程語言，按照不同的控制程序，這相當于設(shè)計和改變繼電器的硬件接線線路，這就是所謂的“可編程序〞。程序由編程器送到PLC內(nèi)部的存儲器中，它也能方便地讀出、檢查與修改。PLC提供的編程語言通常有三種:梯形圖、功能圖、及布爾邏輯編程。梯形圖是應(yīng)用最廣的，梯形圖編程有時稱為繼電器梯形圖邏輯圖編程。它使用的最廣是因為它和以往的繼電器控制線路很接近。梯形圖是在原繼電器控制系統(tǒng)中常用的接觸器、繼電器梯形圖根底上演變而來的，它與電氣操作原理相照應(yīng)。它的最大優(yōu)點是形象、直觀和實用，為廣闊電氣技術(shù)人員所熟知。PLC的梯形圖與電氣控制系統(tǒng)梯形圖的根本思想是一致的，只是在使用符號和表達方式上有一定區(qū)別。PLC的梯形圖使用的內(nèi)部繼電器、定時器/計數(shù)器，都是由軟件實現(xiàn)的，其主要特點為使用方便、修改靈活。功能圖編程是一種較新的編程方法。它的作用是使用功能圖來表達一個順序控制過程。布爾邏輯編程包括“與〞〔AND〕、或〔OR〕、非〔NOT〕以及定時器、計數(shù)器、觸發(fā)器等。就是大家所熟知的指令表程序。每一種編程方法都有它的優(yōu)點與缺點，根據(jù)每一種特殊的控制要求，根據(jù)編程者的熟練程度正確合理應(yīng)用編程方法。第2章水箱對象特性及PID算法的應(yīng)用2.1雙容水箱對象特性一階單容上水箱對象特性所謂單容過程，是指只有一個貯蓄容量的過程。單容過程還可分為有自衡能力和無自衡能力兩類。一、自衡過程的建摸所謂自衡過程，是指過程在擾動作用下，其平衡狀態(tài)被破壞后，不需要操作人員或儀表等干預(yù)，依靠起自身重新恢復(fù)平衡的過程。圖2-1所示為一個單容液位被控過程，其流入量，改變閥1的開度可以改變的大小。其流出量為，它取決于用戶的需要改變閥2開度可以改變。液位h的變化反映了與作為被控過程的輸入變量,h為其輸出變量,那么該被控過程的數(shù)學(xué)模型就是h與之間的數(shù)學(xué)表達式。根據(jù)動態(tài)物料平衡關(guān)系有(2-1)將公式〔2-1〕表示成增量式為(2-2)在靜態(tài)時，；當發(fā)生變化時，液位h隨之變化，貯蓄出口處的靜壓隨之變化，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與流量之間為非線形關(guān)系[2]。但為了簡化起見，經(jīng)線形變化，那么可近似認為與h成正比關(guān)系，而與閥2的阻力成反比。為了求單容過程的數(shù)學(xué)模型，需消去中間變量。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。這里，介紹后一種方法。11h12〔a〕XXhtt00圖2-1液位被控過程及其階躍響應(yīng)單容液位過程的傳遞函數(shù)為(2-3)式中：——過程的時間常數(shù)，；——過程的放大系數(shù)，；——過程的容量系數(shù)，或稱過程容量。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)。其物理意義:是：引起單位被控量變化時被控過程貯存兩變化的大小。圖2-1〔b〕所示為單容液位被控過程的階躍響應(yīng)曲線。從上述分析可知，液阻不但影響過程的時間常數(shù)，而且還影響過程的放大系數(shù)，而容量系數(shù)C僅影響過程的時間常數(shù)。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。如皮帶運輸機的物料傳輸過程，管道輸送、管道反響和管道的混合過程等。下面討論純時延過程的建模。圖2-2純時延單容過程及其響應(yīng)曲線圖2-2所示，流量通過長度為l的管道流入貯罐。當進水閥開度產(chǎn)生擾動后，需要流經(jīng)管道長度為l的傳輸時間后才流入貯罐，才使液位h發(fā)生變化。具有純時延單容過程的階躍響應(yīng)曲線如圖2-2曲線2所示，它與無時延單容過程的階躍響應(yīng)曲線在形狀上完全相同，僅差一純時延。具有純時延單容過程的微分方程和傳遞函數(shù)為(2-4)式中：——過程的時間常數(shù)，；——過程的放大系數(shù)，；——過程的純時延時間。二、無自衡過程的建模所謂無自衡過程，是指過程在擾動的作用下，其平衡狀態(tài)被破壞后，不需要操作人員或儀表等干預(yù)，依靠其自身能力不能重新恢復(fù)平衡的過程。二階雙容下水箱對象特性在工業(yè)生產(chǎn)過程中，被控過程往往是由多個容積和阻力構(gòu)成，這種過程稱為多容過程?，F(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。其被控量是第二只水箱的液位，輸入量為與上述分析方法相同，根據(jù)物料平衡關(guān)系可以列出以下方程(2-5)(2-6)(2-7)(2-8)為了消去雙容過程的中間變量、、，將上述方程組進行拉氏變換。(2-9)式中：——第一只水箱的時間常數(shù)，；——第二只水箱的時間常數(shù)，；——過程的放大系數(shù)，；——分別是兩只水箱的容量系數(shù)。流量有一階躍變化時，被控量的響應(yīng)曲線。與單容過程比較，多容過程受到擾動后，被控參數(shù)的變化速度并不是一開始就最大，而是要經(jīng)過一段時延之后才到達最大值。即多容過程對于擾動的響應(yīng)在時間上存在時延，被稱為容量時延。產(chǎn)生容量時延的原因主要是兩個容積之間存在阻力，所以使的響應(yīng)時間向后推移。容量時延可用作圖法求得，即通過響應(yīng)曲線的拐點D作切線，與時間軸相交與A，與相交與C，C點在時間軸上的投影B，OA即為容量時延時間，AB即為過程的時間常數(shù)T。對與無自衡能力的雙容過程，被控量為，輸入量為。產(chǎn)生階躍變化時，液位并不立即以最大的速度變化，由于中間具有容積和阻力。對擾動的響應(yīng)有他、一定的時延和慣性。(2-10)式中：T0——過程積分時間常數(shù)，T0=C2；T——第一只水箱的時間常數(shù)。同理，無自衡多容過程的數(shù)學(xué)模型為(2-11)當然無自衡多容過程具有純時延時，那么其數(shù)學(xué)模型為(2-12)PID算法在雙容水箱中的應(yīng)用PID控制的原理和特點工程實際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。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。當被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時，控制理論的其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當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，實際中也有PI和PD控制。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行控制的?！?〕比例〔P〕控制比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差〔Steady-stateerror〕。〔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。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，那么稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)〔SystemwithSteady-stateError〕。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項〞。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。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)誤差進一步減小，直到等于零。因此，比例+積分〔PI〕控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差?！?〕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。自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。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。解決的方法是使抑制誤差的作用的變化“超前〞，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。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，甚至為負值，從而防止了被控量的嚴重超調(diào)。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分〔PD〕控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。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，到達平衡狀態(tài)。這種閥門開度與被調(diào)參數(shù)的偏差成比例的調(diào)節(jié)規(guī)律，稱為比例調(diào)節(jié)。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。如果用一個數(shù)學(xué)式來表示比例調(diào)節(jié)作用，可寫成：〔2-13〕式中——調(diào)節(jié)器的輸出變化值；——調(diào)節(jié)器的輸入，即偏差；——比例調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)。放大倍數(shù)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)作用雖然及時、作用強，但是有余差存在，被調(diào)參數(shù)不能完全回復(fù)到給定值，調(diào)節(jié)精度不高，所以有時稱比例調(diào)節(jié)為“粗調(diào)〞。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。比例積分調(diào)節(jié)對于工藝條件要求較高余差不允許存在的情況下，比例作用調(diào)節(jié)器不能滿足要求了，克服余差的方法是引入積分調(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：〔2-14〕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。而且比例度不僅影響比例局部，也影響積分局部，使總的輸出既具有調(diào)節(jié)及時、克服偏差有力的特點，又具有克服余差的性能。由于它是在比例調(diào)節(jié)〔粗調(diào)〕的根底上，有加上一個積分調(diào)節(jié)〔細調(diào)〕，所以又稱再調(diào)調(diào)節(jié)或重定調(diào)節(jié)。但是，積分時間太小，積分作用就太強，過程振蕩劇烈，穩(wěn)定程度低；積分時間太大，積分作用不明顯，余差消除就很慢。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。比例積分微分調(diào)節(jié)微分調(diào)節(jié)的作用主要是用來克服被調(diào)參數(shù)的容量滯后。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小〔比例作用〕，同時又根據(jù)偏差變化速度的大小進行調(diào)節(jié)。比方當看到偏差變化很大時，就估計到即將出現(xiàn)很大的偏差而過量地翻開〔關(guān)閉〕調(diào)節(jié)閥，以克服這個預(yù)計的偏差，這種根據(jù)偏差變化速度提前采取的行動，意味著有“超前〞作用，因而能比較有效地改善容量滯后比較大的調(diào)節(jié)對象的調(diào)節(jié)質(zhì)量。什么是微分調(diào)節(jié)？微分調(diào)節(jié)是指調(diào)節(jié)器的輸出變化與偏差變化速度成正比，可用數(shù)學(xué)表達式表示為：〔2-15〕從上式可知，偏差變化的速度越大，微分時間越長，那么調(diào)節(jié)器的輸出變化就越大。對于一個固定不變的偏差，不管其有多大，微分做用的輸出總是零，這是微分作用的特點。由于實際微分器的比例度不能改變，固定為100%，微分作用也只在參數(shù)變化時才出現(xiàn)，所以實際微分器也不能單獨使用。一般都是和其它調(diào)節(jié)作用相配合，構(gòu)成比例微分或比例積分微分調(diào)節(jié)器。比例積分微分調(diào)節(jié)又稱PID調(diào)節(jié)，它可由下式表示：〔2-16〕PID調(diào)節(jié)中，有三個調(diào)節(jié)參數(shù)，就是比例度P、積分時間、微分時間。適中選取這三個參數(shù)值，就可以獲得良好的調(diào)節(jié)質(zhì)量。由分析可知，PID三作用調(diào)節(jié)質(zhì)量最好，PI調(diào)節(jié)第二，PD調(diào)節(jié)有余差。純比例調(diào)節(jié)雖然動偏差比PI調(diào)節(jié)小，但余差大，而純積分調(diào)節(jié)質(zhì)量最差，所以一般不單獨使用。第3章控制方案設(shè)計3.1PLC控制系統(tǒng)與其他控制系統(tǒng)的比較3.1.1PLC控制系統(tǒng)與計算機控制系統(tǒng)比較計算機控制系統(tǒng)在工業(yè)控制領(lǐng)域中，其主機一般采用能夠在惡劣工業(yè)環(huán)境下可靠運行的工控機。工控機有通用微機應(yīng)用開展而來，在硬件結(jié)構(gòu)方面總線標準化程度高、品種兼容性強、軟件資源豐富、能提供實時操作系統(tǒng)的支持、故對要求快速，實時性強、模型復(fù)雜的工業(yè)對象的控制占有優(yōu)勢。但是，它的使用和維護要求工作人員應(yīng)具有一定的專業(yè)知識、技術(shù)水平較高、且工控機在整機水平上尚不能適應(yīng)惡劣工作環(huán)境?？删幊炭刂破鲗Υ诉M行了改良，交通用為專用、有利于降低本錢、縮小體積、提高可靠性等特性。更適應(yīng)過程控制的要求PLC控制系統(tǒng)與計算機系統(tǒng)比較見表3-1。表3-1PLC控制系統(tǒng)與通用計算機系統(tǒng)的比較比較工程通用計算機系統(tǒng)PLC控制系統(tǒng)工作目的科學(xué)計算工業(yè)自動控制工作環(huán)境對工作環(huán)境要求高對工作環(huán)境要求低可在惡劣的工業(yè)現(xiàn)場工作工作方式中斷處理方式循環(huán)掃描方式系統(tǒng)軟件需配備功能較強的系統(tǒng)軟件一般只需簡單的監(jiān)控程序采用的特殊措施掉電保護等一系列措施采用多種抗干擾措施自診斷斷電保護可在線維修編程語言匯編語言高級語言梯形圖助記符語言SFC標準化語言對操作人員的要求需專門培訓(xùn)并具有一定的計算機根底一般的技術(shù)人員稍加培訓(xùn)即可操作使用對內(nèi)存的要求容量大容量小價格價格高價格低其他假設(shè)用于控制一般需自行設(shè)計機種多模塊種類多易于集成系統(tǒng)從表3-1可見，在控制功能方面PLC與通用計算機相比，工作更穩(wěn)定可靠、而且編程簡單、使用方便、應(yīng)用設(shè)計和調(diào)試周期可大大縮短、加之又能在惡劣工業(yè)環(huán)境下和強電一起工作，容易實現(xiàn)機電一體化。3.1.2PLC控制系統(tǒng)與繼電器控制系統(tǒng)的比較繼電器組成的順序控制系統(tǒng)是最早的一種實現(xiàn)水箱控制的方法。但是，進入90年代，隨著科學(xué)技術(shù)的開展和計算機技術(shù)的廣泛應(yīng)用，人們對水箱的平安性要求越來越高，繼電器控制的弱點就越來越明顯?？删幊炭刂破髯钤缡歉鶕?jù)邏輯控制的需要而開展起來的，是專門為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)學(xué)運算操作的電子裝置，鑒于其種種優(yōu)點。目前，水箱的繼電器控制方式已逐漸被PLC控制所代替。因此，PLC控制技術(shù)已成為現(xiàn)代水箱控制系統(tǒng)的一個熱點。水箱繼電器控制系統(tǒng)存在很多的問題，系統(tǒng)觸點繁多、接線線路復(fù)雜、且觸點容易燒壞磨損、造成接觸不良、因而故障率較高。普通控制電器及硬件接線方式難以實現(xiàn)較復(fù)雜的控制功能，使系統(tǒng)的控制功能不易增加、技術(shù)水平難以提高、電磁機構(gòu)及觸點動作速度比較慢、機械和電磁慣性大、系統(tǒng)控制精度難以提高、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)龐大、能耗較高，機械動作噪音大。由于線路復(fù)雜，易出現(xiàn)故障。因而保養(yǎng)維修工作量大、費用高，而且檢查故障困難，費時費工。水箱繼電器控制系統(tǒng)故障率高，大大降低了水箱的穩(wěn)定性和平安性。且水箱一旦發(fā)生泄漏或者爆炸，不但會造成水箱機械部件損壞，還會出現(xiàn)人身事故。PLC是一種用于工業(yè)自動化控制的專用計算機，實質(zhì)上屬于計算機控制方式。PLC與普通微機一樣，以通過或?qū)Ｓ肅PU作為字處理器，實現(xiàn)通道的運算和數(shù)據(jù)存儲。另外還有位處理器，進行點運算與控制PLC控制一般具有可靠性高、易操作、維修、編程簡單、靈活性強等特點。PLC控制水箱的優(yōu)點：(1)在水箱控制中采用PLC，用軟件實現(xiàn)對水箱運行的自動控制，可靠性大大大提高。(2)去掉了選層器及大局部繼電器，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，外部線路簡化。(3)可實現(xiàn)各種復(fù)雜的控制系統(tǒng)，方便地增加或改變控制功能。(4)可進行故障自動檢測與報警顯示，提高運行平安性，并便于檢修。(5)更改控制方案時不需改動硬件接線。為便于比較PLC控制系統(tǒng)于繼電器控制系統(tǒng)優(yōu)缺點現(xiàn)列表如下詳見表3-2從表3-2可以看出PLC控制系統(tǒng)具有繼電器控制系統(tǒng)無法比較的優(yōu)點。因此，傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)將逐漸被PLC控制系統(tǒng)所取代是大勢所趨。表3-2PLC控制系統(tǒng)與繼電器控制系統(tǒng)比較工程繼電器控制系統(tǒng)PLC控制系統(tǒng)控制功能實現(xiàn)有許多繼電器采用接線的方式來完成控制功能各種控制功能通過編程來實現(xiàn)對控制要求變更適應(yīng)性適應(yīng)性差需要重新設(shè)計改變繼電器和接線適應(yīng)性強只需要針對程序進行修改控制進度低靠機械動作實現(xiàn)極快靠微處理器進行處理特殊功能一般沒有有安裝施工連線多施工繁安裝容易施工方便可靠性差觸點多故障多高因元器件采取了篩選和抗老化等可靠性措施壽命短長可擴展性困難容易維護工作量大故障不易查找有自診能力維護工作量小3.2水箱控制系統(tǒng)方案設(shè)計電梯控制系統(tǒng)原理如圖3-1所示。主要是由閥門、單向泵、水箱、液位傳感器、壓力表及PLC電路等組成。出水口閥3閥2閥壓力表閥1出水口閥6下水箱液位傳感器上水箱液位傳感器閥4進水口出水口閥3閥2閥壓力表閥1出水口閥6下水箱液位傳感器上水箱液位傳感器閥4進水口溢水口溢水口儲水箱單向泵出水口進水口圖3-1系統(tǒng)原理圖第4章PLC在水箱控制系統(tǒng)中的應(yīng)用PLC控制系統(tǒng)FX2系列PLC是三菱電機公司1991年繼F、F1、F2系列之后推出的產(chǎn)品，是目前運行速度最快的小型PLC之一。下面我們以小型FX2系列PLC為例介紹PLC的硬件組成。圖4-1為PLC的原理圖。外存接口外存接口其他接口ROMRAM編輯器CPROMEPROM計算機其他設(shè)備A/DD/A輸入接口光電耦合輸出接口繼電器或晶體管圖4-1PLC的原理圖CPU模塊CPU是PLC的核心組成局部，與通用微機的CPU一樣，它在PLC系統(tǒng)中的作用類似于人體的神經(jīng)中樞，故稱為“電腦〞。其功能是：1、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)。2、用掃描方式接受現(xiàn)場輸入裝置的狀態(tài)，并存入映像存放器。3、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。在PLC進入運行狀態(tài)后，從存儲器中逐條讀去用戶程序，按指令規(guī)定的任務(wù)，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，去起閉有關(guān)控制電路。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。PLC提供了各種操作電平與驅(qū)動能力的I/O模塊和各種用途I/O元件供用戶選用。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模塊將外部輸入信號變換成CPU能接受的信號，或?qū)PU的輸出信號變換成需要的控制信號去驅(qū)動控制對象，以確保整個系統(tǒng)正常的工作。其中輸入信號要通過光電隔離，通過濾波進入CPU控制板，CPU發(fā)出輸出信號至輸出端。輸出方式有三種：繼電器方式、晶體管方式和晶閘管方式。4.2硬件設(shè)計系統(tǒng)硬件的設(shè)計包括檢測單元、執(zhí)行單元和控制單元、I/O端口及參數(shù)設(shè)置單元的設(shè)計，他們互相聯(lián)系，組成一個完整的系統(tǒng)。4檢測單元在過程控制系統(tǒng)中，檢測環(huán)節(jié)是比較重要的一個環(huán)節(jié)。液位是指密封容器或開口容器中液位的上下，通過液位測量可知道容器中的原料、半成品或成品的數(shù)量，以便調(diào)節(jié)流入流出容器的物料，使之到達物料的平衡，從而保證生產(chǎn)過程順利進行。設(shè)計中涉及到液位的檢測和變送，以便系統(tǒng)根據(jù)檢測到的數(shù)據(jù)來調(diào)節(jié)通道中的水流量，控制水箱的液位。液位變送器分為浮力式、靜壓力式、電容式、應(yīng)變式、超聲波式、激光式、放射性式等。系統(tǒng)中用到的液位變送器是浙江浙大中控自動化儀表生產(chǎn)的中控儀表SP0018G壓力變送器，屬于靜壓力式液位變送器，量程為0-10KPa，精度為，由24V直流電源供電，可以從PLC的電源中獲得，輸出為4-20mA直流。4執(zhí)行單元執(zhí)行單元是構(gòu)成自動控制系統(tǒng)不可缺少的重要組成環(huán)節(jié)，它接受來自調(diào)節(jié)單元的輸出信號，并轉(zhuǎn)換成直角位移或轉(zhuǎn)角位移，以改變調(diào)節(jié)閥的流通面積，從而控制流入或流出被控過程的物料或能量實現(xiàn)過程參數(shù)的自動控制。執(zhí)行器的工作原理，由執(zhí)行機構(gòu)和調(diào)節(jié)機構(gòu)(調(diào)節(jié)閥)兩局部組成。執(zhí)行機構(gòu)首先將來自調(diào)節(jié)器的信號轉(zhuǎn)變成推力或位移，對調(diào)節(jié)機構(gòu)(調(diào)節(jié)閥)根據(jù)執(zhí)行機構(gòu)的推力或位移，改變調(diào)節(jié)閥的閥芯或閥座間的流通面積，以到達最終調(diào)節(jié)被控介質(zhì)的目的。來自調(diào)節(jié)器的信號經(jīng)信號轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換信號制式后，與來自執(zhí)行機構(gòu)的位置反響信號比較，其信號差值輸入到執(zhí)行機構(gòu)，以確定執(zhí)行機構(gòu)作用的方向和大小，其輸出的力或位移控制調(diào)節(jié)閥的動作，改變調(diào)節(jié)閥的流通面積，從而改變被控介質(zhì)的流量[2]。當位置反響信號與輸入信號相等時，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，調(diào)節(jié)閥處于某一開度。系統(tǒng)中用到的調(diào)節(jié)閥是QS智能型調(diào)節(jié)閥，所用到的執(zhí)行機構(gòu)為電動執(zhí)行機構(gòu)，輸出為角行程，控制軸轉(zhuǎn)動。電動執(zhí)行機構(gòu)的組成框圖。來自PLC的模擬量輸出DC4-20mA信號Ii與位置反響信號If進行比較，其差值經(jīng)放大后，控制伺服電動機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，再經(jīng)減速器后，改變調(diào)節(jié)器的開度，同時輸出軸的位移，經(jīng)位置發(fā)生器轉(zhuǎn)換成電流信號If。當Ii=If時，電動機停止轉(zhuǎn)動，調(diào)節(jié)閥處于某一開度，即Q=KIi，式中Q為輸出軸的轉(zhuǎn)角，K為比例常數(shù)。電動調(diào)節(jié)閥還提供手動操作，它的上部有個手柄，和軸連在一起，在系統(tǒng)掉電時可進行手動控制，保證系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用?？刂茊卧刂茊卧钦麄€系統(tǒng)的心臟。在系統(tǒng)中，PLC是控制的中心元件，它的選擇是控制單元設(shè)計的重要局部。系統(tǒng)應(yīng)用的是三菱FX2系列的PLC，其結(jié)構(gòu)簡單，使用靈活且易于維護。它采用模塊化設(shè)計，本系統(tǒng)主要包括CPU模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊和電源模塊。I/O端口及參數(shù)單元所謂輸入輸出點定義是指整體輸入輸出點的分布和每個輸入輸出點的名稱定義，它們會給程序的編制、系統(tǒng)的調(diào)試和文本的打印等帶來很多方便。因為本系統(tǒng)是對水量控制的應(yīng)用系統(tǒng)，選用一般的可編程序控制器，其具有的自診斷功能和采用的循環(huán)掃描工作方式完全能滿足要求。加上一些用于人機交流及平安檢測的數(shù)字量輸入，如數(shù)字鍵盤輸入、各種操作按鈕等。再考慮到系統(tǒng)的可擴展性，選用三菱公司的FX2N系列的可編程序控制器完全滿足容量的要求。我們在分配輸入輸出點時按照控制功能分段，相同功能的輸入板和輸出板組成一組。一般情況下輸入點與輸入信號，輸出點與輸出控制一對應(yīng)。分配好后，選用三菱公司FX2N系列可編程序控制器的存儲容量完全能滿足雙容水箱液位控制系統(tǒng)的要求。鍵盤輸入數(shù)字經(jīng)過PID運算后，其輸出閥門開大或者關(guān)小，從而控制上下位水箱的液位在其精度范圍呢調(diào)節(jié)。各儀表的參數(shù)設(shè)置如表4-1所示表4-1雙容水箱液位控制儀表參數(shù)儀表主調(diào)節(jié)器副調(diào)節(jié)器上線報警8080下線報警00正偏差報警8383負偏差報警00比例度10015積分時間5035微分時間85輸入規(guī)格3332運行狀態(tài)11輸入上限80804.3PLC控制程序設(shè)計上水箱液位調(diào)節(jié)在液位比例調(diào)節(jié)系統(tǒng)中被調(diào)參數(shù)是上水箱的液位。在輸入的偏差信號為階躍信號。當比例調(diào)節(jié)器的小于1時，其比例調(diào)節(jié)器的實驗特性圖要比當比例調(diào)節(jié)器的大于1時的比例調(diào)節(jié)器的實驗特性圖的階躍曲線低一些。其雙容水箱剖面圖如圖4-2所示。圖4-2雙容水箱剖面圖當水箱開始工作的時候，系統(tǒng)會把接收到的信號轉(zhuǎn)換成電信號，進入PLC系統(tǒng)，系統(tǒng)會根據(jù)所得到的電信號進行開中斷和關(guān)中斷的各種運算，以便控制水箱的進水、出水和閥門的關(guān)大和關(guān)小，上水箱進水的程序圖如圖4-3所示。4-3上水箱進水程序圖當上水箱水位到達系統(tǒng)設(shè)定值以后，如果水箱在繼續(xù)注水，那么水箱內(nèi)水壓會