畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于PLC水箱液位控制系統(tǒng)

1、基于plc的液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的課題是基于plc的液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)中，筆者主要負(fù)責(zé)的是數(shù)學(xué)模型的建立和控制算法的設(shè)計(jì)，因此在論文中設(shè)計(jì)用到的pid算法提到得較多，plc方面的知識(shí)較少。本文的主要內(nèi)容包括：plc的產(chǎn)生和定義、過(guò)程控制的發(fā)展、水箱的特性確定與實(shí)驗(yàn)曲線分析， fx2系列可編程控制器的硬件掌握，pid參數(shù)的整定及各個(gè)參數(shù)的控制性能的比較，應(yīng)用pid控制算法所得到的實(shí)驗(yàn)曲線分析，整個(gè)系統(tǒng)各個(gè)部分的介紹和講解plc的過(guò)程控制指令pid指令來(lái)控制水箱水位。關(guān)鍵詞：fx2系列plc，控制對(duì)象特性，pid控制算法，擴(kuò)充臨界比例法，pid指令，實(shí)驗(yàn)。目 錄中文摘要i1 緒

2、論11.1 plc的產(chǎn)生、定義及現(xiàn)狀11.1.1plc的產(chǎn)生、定義11.1.2plc的發(fā)展現(xiàn)狀11.2過(guò)程控制的發(fā)展21.3本文研究的目的、主要內(nèi)容31.3.1本文研究的目的、意義31.3.2本文研究的主要內(nèi)容32 fx2系列plc和控制對(duì)象介紹52.1 三菱plc控制系統(tǒng)52.1.1 cpu模塊52.1.2 i/o模塊62.1.3電源模塊62.2 過(guò)程建模62.2.1 一階單容上水箱對(duì)象特性62.2.2 二階雙容下水箱對(duì)象特性113 pid調(diào)節(jié)及串級(jí)控制系統(tǒng)153.1 pid調(diào)節(jié)的各個(gè)環(huán)節(jié)及其調(diào)節(jié)過(guò)程153.1.1比例控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程163.1.2比例積分調(diào)節(jié)163.1.3比例積分微分調(diào)節(jié)1

3、73.2 串級(jí)控制183.2.1串級(jí)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)183.2.2串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)193.2.3串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)193.3 擴(kuò)充臨界比例度法213.4 三菱fx2系列plc中pid指令的使用223.5在plc中的pid控制的編程233.5.1回路的輸入輸出變量的轉(zhuǎn)換和標(biāo)準(zhǔn)化233.6變量的范圍254 控制方案設(shè)計(jì)274.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)274.1.1上水箱液位的自動(dòng)調(diào)節(jié)274.1.2上水箱下水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)294.2 硬件設(shè)計(jì)294.2.1檢測(cè)單元294.2.3控制單元304.3軟件設(shè)計(jì)315 運(yùn)行325.1 上水箱液位比例調(diào)節(jié)325.2 上水箱液位比例積分調(diào)節(jié)325.3 上水箱液位比例積分

4、微分調(diào)節(jié)32參考文獻(xiàn)36論文原創(chuàng)性聲明緒論1.1 plc的產(chǎn)生、定義及現(xiàn)狀1.1.1plc的產(chǎn)生、定義一、可編程控制器的產(chǎn)生1.1.2plc的發(fā)展現(xiàn)狀24重慶科技學(xué)院高等教育自學(xué)考試本科畢業(yè)論文 3 pid調(diào)節(jié)及串級(jí)控制系統(tǒng)2 fx2系列plc和控制對(duì)象介紹2.1 三菱plc控制系統(tǒng)外存接口其他接口中央處理器cpuromram編輯器cpromepromram其他設(shè)備計(jì)算機(jī)a/d d/a輸入接口光電耦合輸出接口繼電器或晶體管圖2.1 plc的原理圖2.1.1 cpu模塊 cpu是plc的核心組成部分，與通用微機(jī)的cpu一樣，它在plc系統(tǒng)中的作用類(lèi)似于人體的神經(jīng)中樞，故稱(chēng)為“電腦”。其功能是：1

5、、plc中系統(tǒng)程序賦予的功能，接收并存儲(chǔ)從編程器輸入的用戶(hù)程序和數(shù)據(jù)。2、用掃描方式接受現(xiàn)場(chǎng)輸入裝置的狀態(tài)，并存入映像寄存器。3、診斷電源、plc內(nèi)部電路工作狀態(tài)和編程過(guò)程中的語(yǔ)法錯(cuò)誤。在plc進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)后，從存儲(chǔ)器中逐條讀去用戶(hù)程序，按指令規(guī)定的任務(wù)，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，去起閉有關(guān)控制電路。2.1.2 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(dòng)能力的i/o模塊和各種用途i/o元件供用戶(hù)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(yàn)、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(hào)變換成cpu

6、能接受的信號(hào)，或?qū)pu的輸出信號(hào)變換成需要的控制信號(hào)去驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象，以確保整個(gè)系統(tǒng)正常的工作。其中輸入信號(hào)要通過(guò)光電隔離，通過(guò)濾波進(jìn)入cpu控制板，cpu發(fā)出輸出信號(hào)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。2.1.3電源模塊根據(jù)plc的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，它對(duì)電源并無(wú)特殊需求，它可使用一般工業(yè)電源。2.2 過(guò)程建模過(guò)程控制系統(tǒng)的品質(zhì)，是由組成系統(tǒng)的過(guò)程和過(guò)程檢測(cè)控制儀表各環(huán)節(jié)的特性和系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)所決定。在構(gòu)成控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)中，過(guò)程的數(shù)學(xué)模型是極其重要的基礎(chǔ)資料。所以，建立過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，對(duì)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化有著十分重要的意義?？梢赃@樣說(shuō)，一個(gè)過(guò)程控制系統(tǒng)的優(yōu)劣，主要取決于對(duì)生

7、產(chǎn)工藝過(guò)程的了解和建立過(guò)程的數(shù)學(xué)模型。2.2.1 一階單容上水箱對(duì)象特性所謂單容過(guò)程，是指只有一個(gè)貯蓄容量的過(guò)程。單容過(guò)程還可分為有自衡能力和無(wú)自衡能力兩類(lèi)。一、自衡過(guò)程的建摸所謂自衡過(guò)程，是指過(guò)程在擾動(dòng)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(guò)程。液位過(guò)程，圖2.2所示為一個(gè)單容液位被控過(guò)程，其流入量，改變閥1的開(kāi)度可以改變的大小。其流出量為，它取決于用戶(hù)的需要改變閥2開(kāi)度可以改變。液位h的變化反映了與不等而引起貯罐中蓄水或泄水的過(guò)程.若作為被控過(guò)程的輸入變量,h為其輸出變量,則該被控過(guò)程的數(shù)學(xué)模型就是h與之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式。1h12（a）xhtt00圖

8、2.2液位被控過(guò)程及其階躍響應(yīng)根據(jù)動(dòng)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）式中： 、分別表示為偏離某一平衡狀態(tài)、的增量；a貯蓄截面積。在靜態(tài)時(shí)，；當(dāng)發(fā)生變化時(shí)，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。但為了簡(jiǎn)化起見(jiàn)，經(jīng)線形變化，則可近似認(rèn)為與h成正比關(guān)系，而與閥2的阻力成反比，即 （2-3）式中：閥2的阻力，稱(chēng)為液阻。為了求單容過(guò)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(hào)流圖法，也可用畫(huà)方框圖的方法。這里，介紹后一種方法。將式（2-2）、式（2-3

9、）拉氏變換后,畫(huà)出圖2.3方框圖。圖2.3方框圖 單容液位過(guò)程的傳遞函數(shù)為 （2-4）式中：過(guò)程的時(shí)間常數(shù)，；過(guò)程的放大系數(shù)，； c過(guò)程的容量系數(shù)，或稱(chēng)過(guò)程容量。被控過(guò)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(chēng)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(shí)被控過(guò)程貯存兩變化的大小。圖2.1（b）所示為單容液位被控過(guò)程的階躍響應(yīng)曲線。從上述分析可知，液阻不但影響過(guò)程的時(shí)間常數(shù)，而且還影響過(guò)程的放大系數(shù)，而容量系數(shù)c僅影響過(guò)程的時(shí)間常數(shù)。在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，過(guò)程的純時(shí)延問(wèn)題是經(jīng)常碰到的。如皮帶運(yùn)輸機(jī)的物料傳輸過(guò)程，管道輸送、管道反應(yīng)和管道的混合過(guò)程等。下面以圖2.4為例討論純時(shí)延

10、過(guò)程的建模。圖2.4純時(shí)延單容過(guò)程及其響應(yīng)曲線圖2.4所示，流量通過(guò)長(zhǎng)度為l的管道流入貯罐。當(dāng)進(jìn)水閥開(kāi)度產(chǎn)生擾動(dòng)后，需要流經(jīng)管道長(zhǎng)度為l的傳輸時(shí)間后才流入貯罐，才使液位h發(fā)生變化。具有純時(shí)延單容過(guò)程的階躍響應(yīng)曲線如圖2.4曲線2所示，它與無(wú)時(shí)延單容過(guò)程的階躍響應(yīng)曲線在形狀上完全相同，僅差一純時(shí)延。具有純時(shí)延單容過(guò)程的微分方程和傳遞函數(shù)為 （2-5）式中：過(guò)程的時(shí)間常數(shù)，； 過(guò)程的放大系數(shù)，； 過(guò)程的純時(shí)延時(shí)間。二、無(wú)自衡過(guò)程的建模所謂無(wú)自衡過(guò)程，是指過(guò)程在擾動(dòng)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(guò)程。下面以圖2.4所示為例，介紹其建模方法。

11、圖2.5 單容過(guò)程及其響應(yīng)曲線如果將圖2.2所示貯罐的出口閥2換成定量泵，則為圖2.5所示。這樣，其流出量與液位h無(wú)關(guān)。當(dāng)流入量發(fā)生階躍變化時(shí)，液位h即發(fā)生變化。由于流出量是不變的，所以貯罐液位或等速上升直至液體溢出，或者等速下降直至液位被抽干，其階躍響應(yīng)曲線如圖2.5所示。圖2-7所示過(guò)程的微分方程為 （2-6） 式中：c貯罐的容量系數(shù)。 過(guò)程的傳遞函數(shù)為 （2-7）式中：過(guò)程的積分時(shí)間常數(shù)，。 當(dāng)過(guò)程具有純時(shí)延時(shí)，則其傳遞函數(shù)為 （2-8）2.2.2 二階雙容下水箱對(duì)象特性在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，被控過(guò)程往往是由多個(gè)容積和阻力構(gòu)成，這種過(guò)程稱(chēng)為多容過(guò)程?，F(xiàn)在，以具有自衡能力的雙容過(guò)程為例，來(lái)討論

12、其建立數(shù)學(xué)模型的方法。0q000圖2.6 雙容過(guò)程及其響應(yīng)曲線圖2.6（a）所示為兩只水箱串聯(lián)工作的雙容過(guò)程。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)系可以列出下列方程 （2-9）為了消去雙容過(guò)程的中間變量、，將上述方程組進(jìn)行拉氏變換，并畫(huà)出方框圖如2.7所示。雙容過(guò)程的數(shù)學(xué)模型為 （2-10）1/c1s1/r21/c2s1/r3圖2.7 雙容過(guò)程方框圖式中：第一只水箱的時(shí)間常數(shù)，；第二只水箱的時(shí)間常數(shù)，；過(guò)程的放大系數(shù)，；分別是兩只水箱的容量系數(shù)。圖2.7所示為流量有一階躍變化時(shí)，被控量的響應(yīng)曲線。與單容過(guò)程比較，多容過(guò)程受到擾動(dòng)后，被控參數(shù)的變化速度并不是一開(kāi)

13、始就最大，而是要經(jīng)過(guò)一段時(shí)延之后才達(dá)到最大值。即多容過(guò)程對(duì)于擾動(dòng)的響應(yīng)在時(shí)間上存在時(shí)延，被稱(chēng)為容量時(shí)延。產(chǎn)生容量時(shí)延的原因主要是兩個(gè)容積之間存在阻力，所以使的響應(yīng)時(shí)間向后推移。容量時(shí)延可用作圖法求得，即通過(guò)響應(yīng)曲線的拐點(diǎn)d作切線，與時(shí)間2.8 無(wú)自衡能力的雙容過(guò)程ttt軸相交與a，與相交與c，c點(diǎn)在時(shí)間軸上的投影b，oa即為容量時(shí)延時(shí)間，ab即為過(guò)程的時(shí)間常數(shù)t。對(duì)與無(wú)自衡能力的雙容過(guò)程，可見(jiàn)圖2.8，圖中，被控量為，輸入量為。產(chǎn)生階躍變化時(shí)，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(duì)擾動(dòng)的響應(yīng)有他、一定的時(shí)延和慣性。同上所述，所示過(guò)程的數(shù)學(xué)模型為 （2-10）式中：過(guò)程積分時(shí)間

14、常數(shù)， ；t第一只水箱的時(shí)間常數(shù)。同理，無(wú)自衡多容過(guò)程的數(shù)學(xué)模型為 （2-11）當(dāng)然無(wú)自衡多容過(guò)程具有純時(shí)延時(shí)，則其數(shù)學(xué)模型為 3 pid調(diào)節(jié)及串級(jí)控制系統(tǒng)3.1 pid調(diào)節(jié)的各個(gè)環(huán)節(jié)及其調(diào)節(jié)過(guò)程pid控制的原理和特點(diǎn)工程實(shí)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(jiǎn)稱(chēng)pid控制，又稱(chēng)pid調(diào)節(jié)。pid控制器問(wèn)世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(dāng)被控對(duì)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(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用pid控制技術(shù)最為方便

15、。即當(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(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用pid控制技術(shù)。pid控制，實(shí)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(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。（1）比例（p）控制比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（steady-state error）。（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(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱(chēng)這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱(chēng)有差系統(tǒng)（system with steady-

16、state error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)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(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。（3）微分（d）控制在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。 自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)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。解決的辦法是使抑制誤差

17、的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說(shuō)，在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，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(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例+微分（pd）控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。3.1.1比例控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程在人工調(diào)節(jié)的實(shí)踐中，如果能使閥門(mén)的開(kāi)度與被調(diào)參數(shù)偏差成比例的話(huà)，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，達(dá)到平衡狀態(tài)。這種閥門(mén)開(kāi)度與被調(diào)參數(shù)的偏差成比例的調(diào)

18、節(jié)規(guī)律，稱(chēng)為比例調(diào)節(jié)。比例調(diào)節(jié)規(guī)律及其特點(diǎn)比例調(diào)節(jié)作用，一般用字母p來(lái)表示。如果用一個(gè)數(shù)學(xué)式來(lái)表示比例調(diào)節(jié)作用，可寫(xiě)成： （3-1）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(shí)際上是一個(gè)放大倍數(shù)可調(diào)的放大器。比例調(diào)節(jié)作用雖然及時(shí)、作用強(qiáng)，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(shí)稱(chēng)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(shí)間常數(shù)又不太小的對(duì)象。3.1.2比例積分調(diào)節(jié)對(duì)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(mǎn)足要求了，克服余差的辦法是引入積分調(diào)節(jié)。因?yàn)閱渭兊姆e分作用

19、使過(guò)程緩慢，并帶來(lái)一定程度的振蕩，所以積分調(diào)節(jié)很少單獨(dú)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(jiǎn)稱(chēng)pi調(diào)節(jié)器，其作用特性可用下式表示： （3-2）這里，表示pi調(diào)節(jié)作用的參數(shù)有兩個(gè)：比例度p和積分時(shí)間。而且比例度不僅影響比例部分，也影響積分部分，使總的輸出既具有調(diào)節(jié)及時(shí)、克服偏差有力的特點(diǎn)，又具有克服余差的性能。由于它是在比例調(diào)節(jié)（粗調(diào)）的基礎(chǔ)上，有加上一個(gè)積分調(diào)節(jié)（細(xì)調(diào)），所以又稱(chēng)再調(diào)調(diào)節(jié)或重定調(diào)節(jié)。但是，積分時(shí)間太小，積分作用就太強(qiáng)，過(guò)程振蕩劇烈，穩(wěn)定程度低；積分時(shí)間太大，積分作用不明顯，余差消除就很慢。如果把積分時(shí)間放到最大，pi調(diào)節(jié)器就喪失了積分作用，成了一個(gè)純比例調(diào)節(jié)器

20、。3.1.3比例積分微分調(diào)節(jié)微分調(diào)節(jié)的作用主要是用來(lái)克服被調(diào)參數(shù)的容量滯后。在生產(chǎn)實(shí)際中，有經(jīng)驗(yàn)的工人總是既根據(jù)偏差的大小來(lái)改變閥門(mén)的開(kāi)度大?。ū壤饔茫?，同時(shí)又根據(jù)偏差變化速度的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)。比如當(dāng)看到偏差變化很大時(shí)，就估計(jì)到即將出現(xiàn)很大的偏差而過(guò)量地打開(kāi)（關(guān)閉）調(diào)節(jié)閥，以克服這個(gè)預(yù)計(jì)的偏差，這種根據(jù)偏差變化速度提前采取的行動(dòng)，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(duì)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(dá)式表示為： （3-3）式中： 調(diào)節(jié)器的輸出變化值；微分時(shí)間；偏差信號(hào)變化的速度。從上式可知，偏差變化的速度越大，

21、微分時(shí)間越長(zhǎng)，則調(diào)節(jié)器的輸出變化就越大。對(duì)于一個(gè)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(diǎn)。由于實(shí)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(shí)才出現(xiàn)，所以實(shí)際微分器也不能單獨(dú)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(chēng)pid調(diào)節(jié)，它可由下式表示： （3-4）pid調(diào)節(jié)中，有三個(gè)調(diào)節(jié)參數(shù)，就是比例度p、積分時(shí)間、微分時(shí)間。適當(dāng)選取這三個(gè)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(dòng)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，

22、所以一般不單獨(dú)使用。3.2 串級(jí)控制隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，對(duì)于某些比較復(fù)雜的過(guò)程或者生產(chǎn)工藝、經(jīng)濟(jì)效益、安全運(yùn)行、環(huán)境保護(hù)等要求更高的場(chǎng)合，單回路控制系統(tǒng)往往不能滿(mǎn)足其需求。為了提高控制品質(zhì)，在單回路控制方案的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)出了串級(jí)控制系統(tǒng)。3.2.1串級(jí)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)串級(jí)控制系統(tǒng)采用兩套檢測(cè)變送器和兩個(gè)調(diào)節(jié)器，前一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出作為后一個(gè)調(diào)節(jié)器的設(shè)定，后一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出送往調(diào)節(jié)閥。結(jié)構(gòu)圖如圖3.1所示。圖 3.1 串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖前一個(gè)調(diào)節(jié)器稱(chēng)為主調(diào)節(jié)器，它所檢測(cè)和控制的變量稱(chēng)主變量（主被控參數(shù)），即工藝控制指標(biāo)；后一個(gè)調(diào)節(jié)器稱(chēng)為副調(diào)節(jié)器，它所檢測(cè)和控制的變量稱(chēng)副變量（副被控參數(shù)），是

23、為了穩(wěn)定主變量而引入的輔助變量。整個(gè)系統(tǒng)包括兩個(gè)控制回路，主回路和副回路。副回路由副變量檢測(cè)變送、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥和副過(guò)程構(gòu)成；主回路由主變量檢測(cè)變送、主調(diào)節(jié)器、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥、副過(guò)程和主過(guò)程構(gòu)成。一次擾動(dòng)：作用在主被控過(guò)程上的，而不包括在副回路范圍內(nèi)的擾動(dòng)。二次擾動(dòng)：作用在副被控過(guò)程上的，即包括在副回路范圍內(nèi)的擾動(dòng)。3.2.2串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)在串級(jí)控制系統(tǒng)中，由于引入了一個(gè)副回路，不僅能及早克服進(jìn)入副回路的擾動(dòng)，而且又能改善過(guò)程特性。副調(diào)節(jié)器具有“粗調(diào)”的作用，主調(diào)節(jié)器具有“細(xì)調(diào)”的作用，從而使其控制品質(zhì)得到進(jìn)一步提高。其特點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：一、改善了過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性，提高了系統(tǒng)控制質(zhì)量。二、

24、能迅速克服進(jìn)入副回路的二次擾動(dòng)。三、提高了系統(tǒng)的工作頻率。四、對(duì)負(fù)荷變化的適應(yīng)性較強(qiáng)。3.2.3串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（1） 主回路的設(shè)計(jì) 串級(jí)控制系統(tǒng)的主回路是定值控制，其設(shè)計(jì)單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)類(lèi)似，設(shè)計(jì)過(guò)程可以按照簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則進(jìn)行。這里主要解決串級(jí)控制系統(tǒng)中兩個(gè)回路的協(xié)調(diào)工作問(wèn)題。主要包括如何選取副被控參數(shù)、確定主、副回路的原則等問(wèn)題。 （2） 副回路的設(shè)計(jì) 由于副回路是隨動(dòng)系統(tǒng)， 對(duì)包含在其中的二次擾動(dòng)具有很強(qiáng)的抑制能力和自適應(yīng)能力，二次擾動(dòng)通過(guò)主、副回路的調(diào)節(jié)對(duì)主被控量的影響很小，因此在選擇副回路時(shí)應(yīng)盡可能把被控過(guò)程中變化劇烈、頻繁、幅度大的主要擾動(dòng)包括在副回路中，此外要盡可能包

25、含較多的擾動(dòng)。 歸納如下。 (1) 在設(shè)計(jì)中要將主要擾動(dòng)包括在副回路中。 (2) 將更多的擾動(dòng)包括在副回路中。 (3) 副被控過(guò)程的滯后不能太大，以保持副回路的快速相應(yīng)特性。 (4) 要將被控對(duì)象具有明顯非線性或時(shí)變特性的一部分歸于副對(duì)象中。 (5) 在需要以流量實(shí)現(xiàn)精確跟蹤時(shí)，可選流量為副被控量。 在這里要注意(2)和(3)存在明顯的矛盾，將更多的擾動(dòng)包括在副回路中有可能導(dǎo)致副回路的滯后過(guò)大，這就會(huì)影響到副回路的快速控制作用的發(fā)揮，因此，在實(shí)際系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中要兼顧(2)和(3)的綜合。 例如，圖1所示的以物料出口溫度為主被控參數(shù)、爐膛溫度為副被控參數(shù)，燃料流量為控制參數(shù)的串級(jí)控制系統(tǒng)，假定燃料

26、流量和氣熱值變化是主要擾動(dòng)，系統(tǒng)把該擾動(dòng)設(shè)計(jì)在副回路內(nèi)是合理的。 （3） 主、副回路的匹配 1) 主、副回路中包含的擾動(dòng)數(shù)量、時(shí)間常數(shù)的匹配 設(shè)計(jì)中考慮使二次回路中應(yīng)盡可能包含較多的擾動(dòng)，同時(shí)也要注意主、副回路擾動(dòng)數(shù)量的匹配問(wèn)題。副回路中如果包括的擾動(dòng)越多，其通道就越長(zhǎng)，時(shí)間常數(shù)就越大，副回路控制作用就不明顯了，其快速控制的效果就會(huì)降低。如果所有的擾動(dòng)都包括在副回路中，主調(diào)節(jié)器也就失去了控制作用。原則上，在設(shè)計(jì)中要保證主、副回路擾動(dòng)數(shù)量、時(shí)間常數(shù)之比值在310之間。比值過(guò)高，即副回路的時(shí)間常數(shù)較主回路的時(shí)間常數(shù)小得太多，副回路反應(yīng)靈敏，控制作用快，但副回路中包含的擾動(dòng)數(shù)量過(guò)少，對(duì)于改善系統(tǒng)的控

27、制性能不利；比值過(guò)低，副回路的時(shí)間常數(shù)接近主回路的時(shí)間常數(shù)，甚至大于主回路的時(shí)間常數(shù)，副回路雖然對(duì)改善被控過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性有益，但是副回路的控制作用缺乏快速性，不能及時(shí)有效地克服擾動(dòng)對(duì)被控量的影響。嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)主、副回路“共振”現(xiàn)象，系統(tǒng)不能正常工作。 2) 主、副調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律的匹配、選擇 在串級(jí)控制系統(tǒng)中，主、副調(diào)節(jié)器的作用是不同的。主調(diào)節(jié)器是定值控制，副調(diào)節(jié)器是隨動(dòng)控制。系統(tǒng)對(duì)二個(gè)回路的要求有所不同。主回路一般要求無(wú)差，主調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律應(yīng)選取pi或pid控制規(guī)律；副回路要求起控制的快速性，可以有余差，一般情況選取p控制規(guī)律而不引入 i 或 d 控制。如果引入 i 控制，會(huì)延長(zhǎng)控制過(guò)程，

28、減弱副回路的快速控制作用；也沒(méi)有必要引入 d控制，因?yàn)楦被芈凡捎?p控制已經(jīng)起到了快速控制作用，引入d控制會(huì)使調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作過(guò)大，不利于整個(gè)系統(tǒng)的控制。 3) 主、副調(diào)節(jié)器正反作用方式的確定 一個(gè)過(guò)程控制系統(tǒng)正常工作必須保證采用的反饋是負(fù)反饋，及其主通道各環(huán)節(jié)放大系數(shù)極性乘積必須為正值。串級(jí)控制系統(tǒng)有兩個(gè)回路，主、副調(diào)節(jié)器作用方式的確定原則是要保證兩個(gè)回路均為負(fù)反饋。確定過(guò)程是首先判定為保證內(nèi)環(huán)是負(fù)反饋副調(diào)節(jié)器應(yīng)選用那種作用方式，然后再確定主調(diào)節(jié)器的作用方式。各環(huán)節(jié)放大系數(shù)極性的正負(fù)是這樣規(guī)定的：對(duì)于調(diào)節(jié)器 ，當(dāng)測(cè)量值增加，調(diào)節(jié)器的輸出也增加，則為負(fù)值（即正作用調(diào)節(jié)器）；反之，為正（即反作用調(diào)節(jié)

29、器）。調(diào)節(jié)閥為氣開(kāi)。則為正，氣關(guān)為負(fù)。過(guò)程放大系數(shù)極性是：當(dāng)過(guò)程的輸入增大時(shí)，即調(diào)節(jié)閥開(kāi)大，其輸出也增大，則為正，反之，為負(fù)。在圖3.1的串級(jí)控制系統(tǒng)框圖中可以看到，由于副回路可以簡(jiǎn)化成一個(gè)正作用方式環(huán)節(jié)，主對(duì)象作用方式為正，主測(cè)量變送環(huán)節(jié)為正。根據(jù)單回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中介紹的閉合系統(tǒng)必須為負(fù)反饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則，即閉環(huán)各環(huán)節(jié)比例度乘積必須為正，故主調(diào)節(jié)器均選用反作用調(diào)節(jié)器，副調(diào)節(jié)器均選用反作用調(diào)節(jié)器。3.3 擴(kuò)充臨界比例度法實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)法調(diào)整pid參數(shù)的方法中較常用的是擴(kuò)充臨界比例度法,其最大的優(yōu)點(diǎn)是，參數(shù)的整定不依賴(lài)受控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，直接在現(xiàn)場(chǎng)整定、簡(jiǎn)單易行。擴(kuò)充比例度法適用于有自平衡特性的受

30、控對(duì)象，是對(duì)連續(xù)-時(shí)間pid控制器參數(shù)整定的臨界比例度法的擴(kuò)充。整定步驟：擴(kuò)充比例度法整定數(shù)字pid控制器參數(shù)的步驟是：（1）預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期。一般說(shuō)應(yīng)小于受控對(duì)象純延遲時(shí)間的十分之一。表3.1臨界振蕩整定計(jì)算公式調(diào)節(jié)參數(shù)控制規(guī)律p2pi2.2/1.2pid1.60.50.25（2）用選定的使系統(tǒng)工作。這時(shí)去掉積分作用和微分作用，將控制選擇為純比例控制器，構(gòu)成閉環(huán)運(yùn)行。逐漸減小比例度，即減小，直至系統(tǒng)對(duì)輸入的階躍信號(hào)的響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩（穩(wěn)定邊緣），將這時(shí)的比例放大系數(shù)記為,臨界振蕩周期記為。（3）根據(jù)表3.1 臨界振蕩整定計(jì)算公式代入、的值，計(jì)算出調(diào)節(jié)器各個(gè)參數(shù)、的值。（4）根據(jù)上述

31、計(jì)算結(jié)果設(shè)置調(diào)節(jié)器的參數(shù)值。觀察系統(tǒng)的響應(yīng)過(guò)程，若記錄曲線不符合要求時(shí)，再適當(dāng)調(diào)整整定參數(shù)值。pid指令用的算術(shù)表達(dá)式為： 輸出值上式中表示誤差。該指令可以用中斷、子程序、步進(jìn)梯形指令和條件跳步指令，指令的應(yīng)用如圖3.2所示。當(dāng)x0=on時(shí)執(zhí)行pid指令，把pid控制回路的設(shè)定值存放在d100-d124這25個(gè)數(shù)據(jù)寄存器中，對(duì)s2的當(dāng)前值（d1）和（s1）的設(shè)定值（d0）進(jìn)行比較，通過(guò)pid回路處理數(shù)值之間的偏差后計(jì)算出一個(gè)調(diào)節(jié)值，此調(diào)節(jié)值存入目標(biāo)操作數(shù)d150中。 3.5.1回路的輸入輸出變量的轉(zhuǎn)換和標(biāo)準(zhǔn)化pid控制器調(diào)節(jié)輸出，保證偏差(e)為零，使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。偏差(e)是設(shè)定值(sp

32、)和過(guò)程變量(pv)的差。pid控制的原理基于下面的算式；輸出m(t)是比例項(xiàng)、積分項(xiàng)和微分項(xiàng)的函數(shù)。輸出=比例項(xiàng)+積分項(xiàng)+微分項(xiàng)其中： 是作為時(shí)間函數(shù)的回路輸出是回路增益是回路誤差(設(shè)定值和過(guò)程變量之間的差)是回路輸出的初始值為了能讓數(shù)字計(jì)算機(jī)處理這個(gè)控制算式，連續(xù)算式必須離散化為周期采樣偏差算式，才能用來(lái)計(jì)算輸出值。數(shù)字計(jì)算機(jī)處理的算式如下：輸出= 比例項(xiàng) + 積分項(xiàng)+ 微分項(xiàng)是在采樣時(shí)刻n，pid回路輸出的計(jì)算值；是回路增益；是采樣時(shí)刻n的回路誤差值； 是回路誤差的前一個(gè)數(shù)值(在采樣時(shí)刻n-1)；是采樣時(shí)刻x的回路誤差值；是積分項(xiàng)的比例常數(shù)；是回路輸出的初始值；是微分項(xiàng)的比例常數(shù)；從這個(gè)

33、公式可以看出，積分項(xiàng)是從第1個(gè)采樣周期到當(dāng)前采樣周期所有誤差項(xiàng)的函數(shù)。微分項(xiàng)是當(dāng)前采樣和前一次采樣的函數(shù)，比例項(xiàng)僅是當(dāng)前采樣的函數(shù)。在數(shù)字計(jì)算機(jī)中，不保存所有的誤差項(xiàng)，實(shí)際上也不必要。由于計(jì)算機(jī)從第一次采樣開(kāi)始，每有一個(gè)偏差采樣值必須計(jì)算一次輸出值，只需要保存偏差前值和積分項(xiàng)前值。作為數(shù)字計(jì)算機(jī)解決的重復(fù)性的結(jié)果，可以得到在任何采樣時(shí)刻必須計(jì)算的方程的一個(gè)簡(jiǎn)化算式。簡(jiǎn)化算式是：輸出=比例項(xiàng)+積分項(xiàng)+微分項(xiàng)。其中： 是在采樣時(shí)間n時(shí)，回路輸出的計(jì)算值；是回路增益；是采樣時(shí)刻n的回路誤差值；是回路誤差的前一個(gè)數(shù)值(在采樣時(shí)刻n-1)；是積分項(xiàng)的比例常數(shù)；是積分項(xiàng)的前一個(gè)數(shù)值(在采樣時(shí)刻n-1)；是

34、微分項(xiàng)的比例常數(shù)；3.6變量的范圍過(guò)程變量和設(shè)定值是pid運(yùn)算的輸入值。因此回路表中的這些變量只能被pid指令讀而不能被改寫(xiě)。輸出變量是由pid運(yùn)算產(chǎn)生的，所以在每一次pid運(yùn)算完成之后，需更新回路表中的輸出值， 輸出值被限定在0.0-1.0之間。當(dāng)輸出由手動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)閜id(自動(dòng))控制時(shí)，回路表中的輸出值可以用來(lái)初始化輸出值。如果使用積分控制，積分項(xiàng)前值要根據(jù)pid運(yùn)算結(jié)果更新。這個(gè)更新了的值用作下一次pid運(yùn)算的輸入，當(dāng)計(jì)算輸出值超過(guò)范圍(大于1.0或小于0.0)，那么積分項(xiàng)前值必須根據(jù)下列公式進(jìn)行調(diào)整：當(dāng)計(jì)算輸出或當(dāng)計(jì)算輸出其中：是調(diào)整過(guò)的偏差的數(shù)值；是在采樣時(shí)間n時(shí)回路輸出的比例項(xiàng)的數(shù)值；

35、是在采樣時(shí)間n時(shí)回路輸出的微分項(xiàng)的數(shù)值；是在采樣時(shí)間n時(shí)回路輸出的數(shù)值；這樣調(diào)整積分前值，一旦輸出回到范圍后，可以提高系統(tǒng)的響應(yīng)性能。而且積分項(xiàng)前值也要限制在0.0-0.1之間，然后在每次pid運(yùn)算結(jié)束之后。把積分項(xiàng)前值寫(xiě)入回路表，以備在下次pid運(yùn)算中使用。用戶(hù)可以在執(zhí)行pid指令以前修改回路表中積分項(xiàng)前值。在實(shí)際運(yùn)用中，這樣做的目的是找到由于積分項(xiàng)前值引起的問(wèn)題。手工調(diào)整積分項(xiàng)前值時(shí)，必須小心謹(jǐn)慎，還應(yīng)保證寫(xiě)入的值在0.0-1.0之間重慶科技學(xué)院高等教育自學(xué)考試本科畢業(yè)論文 4 控制方案設(shè)計(jì)4 控制方案設(shè)計(jì)4.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4.1.1上水箱液位的自動(dòng)調(diào)節(jié)在這個(gè)部分中控制的是上水箱的液位。系

36、統(tǒng)原理圖如圖4.1所示。單相泵正常運(yùn)行，打開(kāi)閥1和閥2，打開(kāi)上水箱的出水閥，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥以一定的開(kāi)度來(lái)控制進(jìn)入水箱的水流量，調(diào)節(jié)手段是通過(guò)將壓力變送器檢測(cè)到的電信號(hào)送入plc中，經(jīng)過(guò)a/d變換成數(shù)字信號(hào)，送入數(shù)字pid調(diào)節(jié)器中，經(jīng)pid算法后將控制量經(jīng)過(guò)d/a轉(zhuǎn)換成與電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度相對(duì)應(yīng)的電信號(hào)送入電動(dòng)調(diào)節(jié)閥中控制通道中的水流量。 出水口閥3閥2電動(dòng)調(diào)節(jié)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(jìn)水口溢水口溢水口儲(chǔ)水箱單向泵出水口進(jìn)水口4.1 系統(tǒng)原理圖當(dāng)上水箱的液位小于設(shè)定值時(shí)，壓力變送器檢測(cè)到的信號(hào)小于設(shè)定值，設(shè)定值與反饋值的差就是pid調(diào)節(jié)器的輸入偏差信號(hào)。經(jīng)過(guò)運(yùn)算后即輸出

37、控制信號(hào)給電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，使其開(kāi)度增大，以使通道里的水流量變大，增加水箱里的儲(chǔ)水量，液位升高。當(dāng)液位升高到設(shè)定高度時(shí)，設(shè)定值與控制變量平衡，pid調(diào)節(jié)器的輸入偏差信號(hào)為零，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥就維持在那個(gè)開(kāi)度，流量也不變，同時(shí)水箱的液位也維持不變。系統(tǒng)的控制框圖如圖4.2所示。其中sp為給定信號(hào)，由用戶(hù)通過(guò)計(jì)算機(jī)設(shè)定，pv為控制變量，它們的差是pid調(diào)節(jié)器的輸入偏差信號(hào)，經(jīng)過(guò)plc的pid程序運(yùn)算后輸出，調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)plc的d/a轉(zhuǎn)換成4-20ma的模擬電信號(hào)后輸出到電動(dòng)調(diào)節(jié)閥中調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，以控制水的流量，使水箱的液位保持設(shè)定值。水箱的液位經(jīng)過(guò)壓力變送器檢測(cè)轉(zhuǎn)換成相關(guān)的電信號(hào)輸入到plc的輸入

38、接口，再經(jīng)過(guò)a/d轉(zhuǎn)換成控制量pv，給定值sp與控制量pv經(jīng)過(guò)plc的cpu的減法運(yùn)算成了偏差信號(hào)e ,又輸入到pid調(diào)節(jié)器中，又開(kāi)始了新的調(diào)節(jié)。所以系統(tǒng)能實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)水箱的液位。4.1.2上水箱下水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)上水箱下水箱液位控制系統(tǒng)由于控制過(guò)程特性呈現(xiàn)大滯后，外界環(huán)境的擾動(dòng)較大，要保持上水箱下水箱液位最后都保持設(shè)定值，用簡(jiǎn)單的單閉環(huán)反饋控制不能實(shí)現(xiàn)很好的控制效果，所以采用串級(jí)閉環(huán)反饋系統(tǒng)。上水箱下水箱液位控制系統(tǒng)圖如圖4.2所示，該系統(tǒng)中，上水箱液位作為副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)對(duì)象，下水箱液位作為主調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)對(duì)象。這里的擾動(dòng)主要是水箱的出水閥的擾動(dòng)，有時(shí)是認(rèn)為的因素，有時(shí)是機(jī)械的因素，擾動(dòng)總是不可

39、避免的。主回路和副回路結(jié)合有效地抑制環(huán)境的擾動(dòng)。主對(duì)象副對(duì)象執(zhí)行器pid1pid2a/dd/a主變送器副變送器a/dsp+pve圖4.2 上下水箱控制方框圖在這里，執(zhí)行機(jī)構(gòu)仍然是電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，依舊由plc經(jīng)過(guò)pid算法后控制它的開(kāi)度以控制水管里的水流量，控制兩個(gè)水箱的水位。它有兩個(gè)pid回路，分別是pid1和pid2。pid1為外環(huán)，控制下水箱的液位，它的輸出值作為pid2的設(shè)定值，pid2控制上水箱的液位。4.2 硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)包括檢測(cè)單元、執(zhí)行單元和控制單元的設(shè)計(jì)，他們互相聯(lián)系，組成一個(gè)完整的系統(tǒng)。4.2.1檢測(cè)單元在過(guò)程控制系統(tǒng)中，檢測(cè)環(huán)節(jié)是比較重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。液位是指密封容器或開(kāi)

40、口容器中液位的高低，通過(guò)液位測(cè)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，使之達(dá)到物料的平衡，從而保證生產(chǎn)過(guò)程順利進(jìn)行。設(shè)計(jì)中涉及到液位的檢測(cè)和變送，以便系統(tǒng)根據(jù)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)來(lái)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(dòng)化儀表有限公司生產(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。4.2.2執(zhí)行單元執(zhí)行單元是構(gòu)成自動(dòng)控制系統(tǒng)不可缺少的重要組成

41、環(huán)節(jié)，它接受來(lái)自調(diào)節(jié)單元的輸出信號(hào)，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(guò)程的物料或能量實(shí)現(xiàn)過(guò)程參數(shù)的自動(dòng)控制。執(zhí)行器的工作原理，由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（調(diào)節(jié)閥）兩部分組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)首先將來(lái)自調(diào)節(jié)器的信號(hào)轉(zhuǎn)變成推力或位移，對(duì)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（調(diào)節(jié)閥）根據(jù)執(zhí)行機(jī)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，以達(dá)到最終調(diào)節(jié)被控介質(zhì)的目的。來(lái)自調(diào)節(jié)器的信號(hào)經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換信號(hào)制式后，與來(lái)自執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置反饋信號(hào)比較，其信號(hào)差值輸入到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以確定執(zhí)行機(jī)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(dòng)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。當(dāng)位置反饋信

42、號(hào)與輸入信號(hào)相等時(shí)，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，調(diào)節(jié)閥處于某一開(kāi)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(jī)構(gòu)為電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，輸出為角行程，控制軸轉(zhuǎn)動(dòng)。電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的組成框圖。來(lái)自plc的模擬量輸出dc4-20ma信號(hào)ii與位置反饋信號(hào)if進(jìn)行比較，其差值經(jīng)放大后，控制伺服電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，再經(jīng)減速器后，改變調(diào)節(jié)器的開(kāi)度，同時(shí)輸出軸的位移，經(jīng)位置發(fā)生器轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)if。當(dāng)ii=if時(shí)，電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)節(jié)閥處于某一開(kāi)度，即q=kii，式中q為輸出軸的轉(zhuǎn)角，k為比例常數(shù)。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥還提供手動(dòng)操作，它的上部有個(gè)手柄，和軸連在一起，在系統(tǒng)掉電時(shí)可進(jìn)行手動(dòng)控制，保證系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用。4.2.3控制單元控制單元是整個(gè)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(jì)的重要部分。系統(tǒng)應(yīng)用的是三菱fx2系列的plc，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用靈活且易于維護(hù)。它采用模塊化設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)主要包括cpu模塊、模擬量輸入模塊、