基于plc的水塔水位pid控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 運(yùn)算的中間運(yùn)算結(jié)果或設(shè)置參數(shù)，在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，變量存儲(chǔ)器會(huì)被經(jīng)常使用。變量存儲(chǔ)器可以是位尋址，也可按字節(jié)、字、雙字為單 位尋址，其位存取的編號(hào)范圍根據(jù) CPU的型號(hào)有所不同， CPU221/222 為 ～ 共 2KB存儲(chǔ)容量， CPU224/226 為 ～ 共 5KB 存儲(chǔ)容量 （ 3） 內(nèi)部標(biāo)志位存儲(chǔ)器（中間繼電器） M 內(nèi)部標(biāo)志位存儲(chǔ)器，用來保存控制繼電器的中間操作狀態(tài)，其作用相當(dāng)于繼電器控制中的中間繼電器，內(nèi)部標(biāo)志位存儲(chǔ)器在 PLC中沒有輸入 /輸出端與之對(duì)應(yīng)，其線圈的通斷狀態(tài)只能在程序內(nèi)部用指令驅(qū)動(dòng)，其觸點(diǎn)不能直接驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載，只能在程序內(nèi)部驅(qū)動(dòng)輸出繼電器的線圈，再用輸出繼電器的觸點(diǎn)去驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。 （ 4） 特殊標(biāo)志位存儲(chǔ)器 SM PLC中還有若干特殊標(biāo)志位存儲(chǔ)器 , 特殊標(biāo)志位存儲(chǔ)器位提供大量的狀態(tài)和控制功能，用來在 CPU和用戶程序之間交換信息，特殊標(biāo)志位存儲(chǔ)器能以位、字節(jié)、字或雙字來存取。 （ 5） 定時(shí)器 T PLC 所提供的定時(shí)器作用相當(dāng)于繼電器控制系統(tǒng)中的時(shí)間繼電器。每個(gè)定時(shí)器可提供無數(shù)對(duì)常開和常閉觸點(diǎn)供編程使用。其設(shè)定時(shí)間由程序設(shè)置。 （ 6） 計(jì)數(shù)器 C 計(jì)數(shù)器用于累計(jì)計(jì)數(shù)輸入端接收到的由斷開到接通的脈沖個(gè)數(shù)。計(jì)數(shù)器可提供無數(shù)對(duì)常開和常閉觸點(diǎn)供編程使用，其設(shè)定值由程序賦予。 （ 7） 累加器 AC 9 累加器是用來暫存數(shù)據(jù)的寄存器，它可以用來存放運(yùn)算數(shù)據(jù)、中間數(shù)據(jù)和結(jié)果。 CPU 提供了 4 個(gè) 32 位的累加器，其地址編號(hào)為 AC0～ AC3。累加器的可用長度為 32 位，可采用字節(jié)、字、雙字的存取方式，按字節(jié)、字只能存取累加器的低 8 位或低 16 位，雙字可以存取累加器全部的 32 位。 PID 控制器 簡介 基于偏差的比例 (Proportlonal)、積分 (Integral)和微分 (Derivative)的控制器簡稱為 PDI 控制器，它是工業(yè)過程控制中最常見的一種過程控制器。由于 PID 控制器算法簡單、魯棒性強(qiáng)，因 而被廣泛應(yīng)用于化工、冶金、機(jī)械、熱工和輕工等工業(yè)過程控制系統(tǒng)中。 盡管工業(yè)自動(dòng)化飛速發(fā)展，但是 PID 控制技術(shù)仍然是工業(yè)過程控制的基礎(chǔ)。根據(jù)日本有關(guān)調(diào)查資料顯示，在現(xiàn)今使用的各種控制技術(shù)中， PID 控制技術(shù)占%，優(yōu)化 PID 控制技術(shù)占 %，現(xiàn)代控制技術(shù)占 %，手動(dòng)控制占 .66%，人工智能 (Al)控制技術(shù)占 %。 如 果把 PID 控制技術(shù)和優(yōu)化 PID 控制技術(shù)加起來，則占到了 90%以上，而文獻(xiàn) 指出，工業(yè)過程控制中， 95%以上的回路具有 PID 結(jié)構(gòu)。因此，可以毫不夸張地說，隨著工業(yè)現(xiàn)代化和其他各種先進(jìn)控制技 術(shù)的發(fā)展，PID 控制技術(shù)仍然不過時(shí)，并且它還占著主導(dǎo)地位。同時(shí)，由于工業(yè)過程對(duì)象的精確模型難以建立，系統(tǒng)參數(shù)又經(jīng)常發(fā)生變化，因而在用 PID 控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，又往往難以得到最佳的控制效果。 PID 控制器的結(jié)構(gòu)及原理 PID 控制器是一種基于偏差 “過去、現(xiàn)在和未來 ”信息估計(jì)的有效而簡單的控制算法。常規(guī) PID 控制系統(tǒng)原理圖如圖 25 示。 圖 25 PID 控制系統(tǒng) 原理 圖 10 整個(gè)系統(tǒng)主要由 PID 控制器和被控對(duì)象組成。作為一種線性控制器， PID 控制器 根據(jù)給定值 SV和實(shí)際輸出值 PV構(gòu)成控制偏差， 即 e(t)=r(t)y(t) (2. 1) 然后對(duì)偏差按比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。由圖 25 得到 PID 控制器的理想算法為 ?????? ??? ?01p )()(1)(KU (t ) dt tdeTdtteTte d (2. 2) 或者寫成常見傳遞函數(shù)的形式為 ： )()11()( 1 sEsTsTKsU dp ??? (2. 3) 其中，、 Ti、 Td 分別為 PID 控制器的比例增益、積分時(shí)間常數(shù)和微分時(shí)間常數(shù)。式()和式 ()是我們?cè)?各種文獻(xiàn)中最經(jīng)常看到的 PID 控制器的兩種表達(dá)形式。各種控制作用 (即比例作用、積分作用和微分作用 )的實(shí)現(xiàn)在表達(dá)式中表述的很清楚，相應(yīng)的控制器參數(shù)包括比例增益凡、積分時(shí)間常數(shù) Ti 和微分時(shí)間常數(shù)路。這三個(gè)參數(shù)的取值優(yōu)劣將影響到 PID 控制系統(tǒng)的控制效果好壞 。 數(shù)字式 PID 控制 在供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，選用了具有 PID 調(diào)節(jié)模塊的變頻器來實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制保 證供水系統(tǒng)中的壓力恒定，較好地滿足系統(tǒng)的恒壓要求。在連續(xù)控制系統(tǒng)中，常 采用 proportional(比 例 )、 Integral(積分 )、 Derivative(微分 )控制方式，稱之為 pID 控制。 PID 控制是連續(xù)控制系統(tǒng)中技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的控制方式。具有以下優(yōu)點(diǎn) :理論成熟，算法簡單，控制效果好，易于為人們熟悉和掌握。 PID 控制器是一種線性控制器，它是對(duì)給定值 :r(t)和實(shí)際輸出值只 t)之間的偏差 e(t): e(t)=y(t)一 r(t) )()11()(1 sEsTsTKsU dp ??? () 經(jīng)比例 (P)、積分 (I)和微分 (D)運(yùn)算后通過線性組合構(gòu)成控制量 u(t)， 對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，故稱 PID 控制器。系統(tǒng)由模擬 PID 控制器和被控對(duì) 象組成， 其控制系統(tǒng)原理框圖如圖 26 所示，圖中 u(O 為 PID 調(diào)節(jié)器輸出的調(diào)節(jié)量。 11 圖 26 PID 控制原理圖 PID 控制器規(guī)律為： ?????? ??? ? dt tdeTdtteTteKty Dp )()(1)()(1 （ ） 式 中： pK 為比例系數(shù)； 1T 為積分時(shí)間常數(shù)； DT 為微分時(shí)間常數(shù)。 相應(yīng)地傳遞函數(shù)形式： )11()( )()(G 1 sTsTKsE sUs Dp ???? （ ） PID 控制器各環(huán)節(jié)的作用及調(diào)節(jié)規(guī)律如下 : l)比例環(huán)節(jié) :成比例地反映控制系統(tǒng)偏差信號(hào)的作用，偏差 e(t)一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。比例環(huán)節(jié)反映了系統(tǒng)對(duì)當(dāng)前變化的一種反映。比例環(huán)節(jié)不能徹底消除系統(tǒng)偏差，系統(tǒng)偏差隨比例系數(shù)凡的增大而減少，比例系數(shù)過大將導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。 2)積分環(huán)節(jié) :表明控制器的輸出與偏差持續(xù)的時(shí)間有關(guān)，即與偏差對(duì)時(shí)間的積分成線性關(guān)系。只要偏差存在，控制就要發(fā)生改變，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的調(diào)節(jié)，直到系統(tǒng)偏差為零。積分環(huán)節(jié)主要用于消 除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)不，不越大，積分作用越弱，易引起系統(tǒng)超調(diào)量加大，反之則越強(qiáng)，易引起系統(tǒng)振蕩。 3)微分環(huán)節(jié) :對(duì)偏差信號(hào)的變化趨勢(shì) (變化速率 )做出反應(yīng)，并能在偏差信號(hào)變得太大之前，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，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。微分環(huán)節(jié)主要用來控制被調(diào)量的振蕩，減小超調(diào)量，加快系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。但過大的幾對(duì)于干擾信號(hào)的抑制能力卻將減弱。PID 的三種作用是相互獨(dú)立，互不影響。改變一個(gè)調(diào)節(jié)參數(shù)，只影響一種調(diào)節(jié)作用，不會(huì)影響其他的調(diào) 節(jié)作用。然而，對(duì)于大多數(shù)系統(tǒng)來說，單獨(dú)使用一種控制規(guī)律都難以獲得良好的控制性能。如果能將它們的作用作適當(dāng)?shù)呐浜希梢允拐{(diào)節(jié)器快速，平穩(wěn)、準(zhǔn)確的運(yùn)行，從而獲得滿意的控制效果。自從計(jì)算機(jī)進(jìn)入控制領(lǐng)域12 以來，用數(shù)字計(jì)算機(jī)代替模擬調(diào)節(jié)器來實(shí)現(xiàn) PID 控制算法具有更大的靈活性和可靠性。數(shù)字 PID 控制算法是通過對(duì)式 （ ） 離散化來實(shí)現(xiàn)的。用一系列的采樣時(shí)刻點(diǎn) nT 代表連續(xù)時(shí)間，用矩形法數(shù)值積分近似代替連續(xù)系統(tǒng)的積分，以一階后向差分近似代替連續(xù)系統(tǒng)的微分，得到 PID 位置控制算法表達(dá)式 : ? ??????? ????? ??)1()()()()(0neneTTjeTTneKnu DnjIp （ ） 式中 :T 為采樣周期 。n 為采樣序號(hào) 。e(n)為第 n 時(shí)刻的偏差信號(hào) 。e(n 一 l)為 第 n 一 1 時(shí)刻的偏差信號(hào)。 PID 位置控制算法采用全量輸出，一方面需要計(jì)算本次與上次的偏差信號(hào) e(n)和 e(n 一 l)，而且還要把歷次的偏差信號(hào) e(j)相加，計(jì)算繁鎖，占用內(nèi)存大 。另一方面計(jì)算機(jī)輸出的控制量 u(n)對(duì)應(yīng)的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置偏差，如果位置傳感器出現(xiàn)故障， u(n)可能出現(xiàn)大幅度變化，引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)的大幅度變化，這是不允許的。為此實(shí)際控制中多采用增量式 PID 控制算法，其表達(dá)式為 （ ） : ? ? 1( ) ( ) ( 1 ) ( ) ( 1 ) ( )pU n u n u n K e n e n K e n? ? ? ? ? ? ? ? ? ?( ) 2 ( 1 ) ( 2)DK e n e n e n? ? ? ? ? （ ） 式中： ()Un? 為調(diào)節(jié)器輸出的控制增量：1 。DI P D P TTK K K KTT?? 增量式算法中不需要累加，調(diào)節(jié)器輸出的控制增量 Au(n)僅與最近幾次采樣有關(guān)，所以誤動(dòng)作時(shí)影響較小，必要時(shí)可以通過邏輯判斷去掉過大的增量，而且較容易通過加權(quán)處理獲得比較好的控制效果。 數(shù)字式 PID 控制的 實(shí)現(xiàn) PID 控制器是控制系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的一種控制器，在工業(yè)過程控制中得到了普遍的應(yīng)用。過去的 PID 控制器通過硬件模擬實(shí)現(xiàn)，但隨著微型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，特別是現(xiàn)代嵌入式微處理器的大量應(yīng)用，原先 PID 控制器中由硬件實(shí)現(xiàn)的功能都可以用軟件來代替實(shí)現(xiàn)，從而形成了數(shù)值 PID 算法，實(shí)現(xiàn)了由模擬 PDI 控制器到數(shù)字 PID 控制器的轉(zhuǎn)變。數(shù)字 PID 控制器在實(shí)際應(yīng)用中可分為兩種 :位置式 PID 控制器和增量式 PID 控制器。 應(yīng)用中，位置式 PID 控制器和增量式 PID 控制器的算法實(shí)現(xiàn)分別如圖 27 和13 圖 2 圖 28 所示 。 圖 27 位置式 PID 算法實(shí)現(xiàn) 圖 28 增量式 PID 算法實(shí)現(xiàn) 14 第 3 章 水塔 水位 控制系統(tǒng) 方案設(shè)計(jì) 在傳統(tǒng)的水塔 、 水箱供水的基礎(chǔ)上，加入了 PLC 及液壓變送器等器件．利用PLC 和組態(tài)軟件來實(shí)現(xiàn)水塔水位的控制．提供了一種實(shí)用的水塔水位控制方案。 控制系統(tǒng)組成 系統(tǒng)的工作原理 在系統(tǒng)中，只使用比例和積分控制，其回路增益和時(shí)間常數(shù)可以通過工程計(jì)算初步確定，但還需要進(jìn)一步調(diào)整達(dá)到最優(yōu)控制效果。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，關(guān)閉出水口，用于動(dòng)控制輸入控制液體閥，使水位達(dá)到滿水位的 75%，然后打開出水口，同時(shí)輸入控制液體閥從手動(dòng)方式切換到自動(dòng)方式。這種切換由一個(gè)輸入的數(shù)字量控制。 設(shè)計(jì)分析 圖 31 設(shè)計(jì)分析示意圖 15 “水塔水位自動(dòng) 控制 系統(tǒng) ”的 控制 對(duì)象為水泵，容器為水塔或儲(chǔ)液罐。水位高度正常情況下 控制 在 C、 D 之間，如圖 1（ a）。當(dāng)水位在低于 C 點(diǎn)時(shí)，水泵開始進(jìn)水，如圖 1（ b）。當(dāng)水位高于 D 點(diǎn)時(shí)，水泵停止進(jìn)水，如圖 1（ c）。當(dāng)水位低于 C 點(diǎn)并到達(dá) B 點(diǎn)時(shí)就 報(bào)警 ，采取手動(dòng)啟動(dòng)水泵，如圖 1（ d）。當(dāng)水位超過 D 點(diǎn)并到達(dá) E點(diǎn)時(shí)上限 報(bào)警 ，采取強(qiáng)制停止水泵，水位從溢流口流出，如圖 1（ e）。 可行性試驗(yàn) 圖 32 為水塔水位 控制 器的外觀正視圖，由電源指示燈、 報(bào)警 確認(rèn)燈、水位指示燈以及 報(bào)警 確認(rèn)開關(guān)組成。接通電源時(shí)，電源指示燈亮，當(dāng)水塔中水深處于不同位置時(shí)，水位指示燈 B、 C、 D、 E 情況不同。 圖 32 水塔水位 控制 器外觀圖 ① 當(dāng)水位處于 B 點(diǎn)之下，指示燈 B、 C、 D、 E 全亮， 報(bào)警 電路開始 報(bào)警 ，即下限 報(bào)警 。 ② 當(dāng)水位處于 B、 C 之間，指示燈 B 滅， C、 D、 E 亮，水泵開始進(jìn)水。 ③ 當(dāng)水位處于 C、 D 之間，指示燈 B、 C 滅， C、 D 亮，保持狀態(tài) ，即保持進(jìn)水。 ④ 當(dāng)水位處于 D、 E 之間，指示燈 B、 C、 D 滅， E 亮，停進(jìn)狀態(tài)，即水泵不工作。 ⑤ 當(dāng)水位處于 E 點(diǎn)之上，指示燈 B、 C、 D、 E 全滅，水泵不工作， 報(bào)警 電路開始溢出 報(bào)警 ，即上限 報(bào)警 。 16 ⑥ 報(bào)警 電路可以手動(dòng)關(guān)閉，只要按下 報(bào)警 確認(rèn)開關(guān)，就可以解除 報(bào)警 的蜂鳴聲。此時(shí)， 報(bào)警 確認(rèn)燈亮起。處理完故障時(shí)，必須關(guān)閉 報(bào)警 確認(rèn)燈， 報(bào)警 確認(rèn)電路復(fù)位，恢復(fù)其監(jiān)測故障的功能。 可行性分析 此方案采用純硬件電路設(shè)計(jì)，避免了軟件程序設(shè)計(jì)中的不穩(wěn)定因素，提高了實(shí)際運(yùn)用中的可靠性。同時(shí)，對(duì)于不同類型的液體，此系統(tǒng)均有良好的兼容性。當(dāng)水塔中液體改變時(shí)，只需要將電位器中的阻值和該液體的阻值調(diào)節(jié)到一個(gè)數(shù)量級(jí)上就可以很方便的實(shí)現(xiàn)此液體的水位 控制 操作。試驗(yàn)證明，此水塔水位 控制 器不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)水塔水位的精確 控制 ，而且，此系統(tǒng)更具有工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際性。 水位閉環(huán) 控制 系統(tǒng) 圖 33 供水系統(tǒng)控制原理圖 M M2—水泵 Y0Y3—液位開關(guān) F1—手閥 F2—電磁閥 為了精確的實(shí)現(xiàn)