基于PLC的液位控制系统的设计论文.doc

浙江工业大学毕业设计（论文）1第一章绪论1.1PLC的定义及现状随着电子技术的发展，可编程控制器(ProgrammableLogicController.以下简称PLC)由原来简单的逻辑量控制，逐步具备了计算机控制系统的功能，同时，还具有抗干扰性强、可靠性强、体积小、编程方便、修改容易、网络功能强大等显著优点，它可以与计算机一起组成功能完备的控制系统。PLC在工业控制领域得到了广泛的应用，在PLC组成的控制系统中，一般由上、下位微机组成主从式控制系统。PLC作为下位机，完成数据采集、状态判别、输入输出控制等，上位机（微型计算机、工业控制机），完成采集数据信息的存储、分析处理、复杂运算、状态显示以及打印输出，以实现对系统的实时监控。微型计算机与PLC组成的主从式实时监控系统，能够充分发挥各自的优点和功能，实现优势互补。PLC的定义如下：“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境下应用而设计的。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原理设计”1。S7-300的CPU具有丰富的指令功能，编程十分方便。采用PLC作为温度控制系统的核心，克服了以往仪表控制的单回路调节器的缺点，可以由用户自己定义控温曲线，同时利用PLC控制逻辑量的优点，与输入、输出信号通过简单的编程实现连锁，可以对各种故障情况及时做出反应，使控制系统更加安全可靠。1.2过程工业控制算法的应用现状(1)PID控制算法大量的事实证明，传统的PID控制算法对于绝大部分工业过程的被控对象(高达90%)可取得较好的控制结果。采用改进的PID算法或者将PID算法与其他算法进行有机的结合往往可以进一步提高控制质量。(2)预测控制预测控制是直接从工业过程控制中产生的一类基于模型的新型控制算法.它高度结合了工业实际的要求，综合控制质量比较高，因而很快引起工业控制界以及学术界的广泛兴趣与重视。预测控制有三要素，即预测模型、滚动优化和反馈校正。它的机理表明它是一种开放式的控制策略,体现了人们在处理带有不确定性问题时的一种通用的思想方法。(3)自适应控制浙江工业大学毕业设计（论文）2在过程工业中，不少的过程是时变的，如采用参数与结构固定不变的控制器，则控制系统的性能会不断恶化，这时就需要采用自适应控制系统来适应时变的过程。它是辨识与控制的结合。目前，比较成熟的自适应控制分三类:A、自整定调节器及其它简单自适应控制器；B、模型参考自适应控制；C、自校正调节与控制。自适应控制己在工程实际中得到了不少的应用，但它至今仍然有许多待进一步解决的问题(特别在参数估计方面)，这些问题不解决，自适应控制的广泛应用仍将遇到许多困难。（4）智能控制随着科学技术的发展，对工业过程不仅要求控制的精确性，更加注重控制的鲁棒性、实时性、容错性以及对控制参数的自适应和自学习能力。另外，被控工业过程日趋复杂，过程严重的非线性和不确定性，使许多系统无法用数学模型精确描述。没有精确的数学模型作前提，传统控制系统的性能将大打折扣。对于复杂的工业过程往往可以取得很好的控制效果。常见的智能控制方法有以下几种:模糊控制、分级递阶智能控制、专家控制、人工神经元网络控制、拟人智能控制等。这些智能控制方法各有千秋，但又存在各自的不足。研究表明将它们相互交叉结合或与传统的控制方法结合将会产生更佳的效果16。智能控制在家电行业及工业过程中取得了许多成功的应用。在国内外，模糊控制与人工神经元网络也在石化、钢铁、冶金、食品等行业取得了成功的应用。1.3预测控制的历史和发展现状以状态空间法为基础的现代控制理论从60年代初期发展以来，已取得了很大进展，对自动控制技术的发展起到了积极的推动作用。但随着科学技术和生产的迅速发展，对大型、复杂和不确定性系统实行自动控制的要求不断提高，使得现代控制理论的局限性日益明显。一般来说，实际工业过程常具有非线性、时变性和不确定性，且绝大多数工业过程是多变量的，难以建立它们精确的数学模型。即使一些对象能够建立数学模型，它们的结构也往往十分复杂，难于设计并实现有效控制。近年发展起来的自适应、自校正控制技术，虽然能在一定程度上解决不确定性问题，但其本质仍然要求在线辨识对象模型，所以算法复杂，计算量大，且它对过程的未建模动态和扰动的适应能力差，系统的鲁棒性问题尚有待进一步解决，因此应用范围也受到限制。基于上述情况，在工业过程控制领域，应用现代控制理论设计的过程控制器的控制效果，往往还不如按经典理论设计的PID调节器好。因此，到目前为止，在工业过程中，占统治地位的仍然是经典的PID调节器。为了克服理论与应用间的上述不协调现象，从70年代以来，人们除了加强对生产过程的建模、系统辨识、自适应控制、鲁棒控制等的研究外，开始打破传统控制思想的束缚，试图面向工业过程的特点，寻找各种对模型要求低、在线计算方便、控制综合效果好的算法。随着数字计算机向小型、高速、大容量、低成本方向的发展，也为这类新算法的实现提供了物质基础。预测控制就是这种情况下发展起来的一类新型计算机控制算法。预测控制不是某一种统一理论的产物，而是在工业实践过程中独立发展起来的。它是由美国和法国几家公司在70年代先后提出的。而且一经问世，就在石油、电力和航空等工业中得到十分成功的应用。随后又相继出现了各种其他相近的算法，到目前为止已有几十种之多，可统称为预测控制算法。最早应用于工业过程的预测控制算法，有Richalet、Mehra等提出的、建立在非参数模型脉冲响应基础上的模浙江工业大学毕业设计（论文）3型预测启发控制(MPHC)，或称为模型算法控制(MAC)，以及Culter等提出的、建立在非参数模型阶跃响应基础上的动态矩阵控制(DMC)等。由于这类算法用来描述过程动态行为的信息，是直接从生产现场检测到的过程响应(即脉冲响应或阶跃响应)，且不需要事先知道过程模型的结构和参数的有关先验知识，也不必通过复杂的系统辨识来建立过程的数学模型，即可根据某一优化指标设计控制系统，确定一个控制量的时间序列，使未来一段时间内被调量与经过柔化后的期望轨迹之间误差为最小。由于预测控制算法采用的是不断在线优化，且在优化过程中不断通过实测系统输出与预测模型输出误差和某些不确定性干扰等的影响，使系统的鲁棒性得到增强，适用于控制复杂工业生产过程。1.4现场总线现场总线(Profibus)就是通讯总线一直延伸的现场仪表，使得许多现场仪表，如变送器、调节阀、基地式控制器、记录仪、显示器、PLC及手持终端和控制室自动化设备间可以在同一总线上进行双向多信息数字通信。形象一点，可以把现场总线看成是用全数字化、多向、多变量的通信方式来替代目前使用的4-20mA单变量单向模拟传输方式9。现场总线的功能特点及趋势如下：a.设备的互操功能现场总线的互操性是指允许现场总线中集成不同厂家的产品。并允许用不同厂家的设备来更换故障设备。现场总线设备的互操性由功能块和设备描述两个基本部分来保证。功能块提供了通用的结构,适用于定义的输入、输出、控制算法、事件、报警和块控制图。各厂家的相同等级的设备的功能块是通用的,这样就保证了系统的完整性。功能块还允许功能的转移,尤其是将控制策略转移到现场设备上去。例如:通过现场总线的数据通信,将PID控制策略转移到现场智能执行器中去,DCS可以去完成别的功能。b.设备的管理功能随着生产的发展,人们对生产过程和生产过程设备的管理水平不断提高,对质量管理,法规执行情况的监督要求也不断提高。这要求过程控制系统不仅能传送生产过程的控制信息,还要能传送大量的非控制信息。现行的生产过程控制系统中所传送的信息,大部分为与生产过程控制有关的控制信息。今后的生产过程中,总的信息量是会有较大的增加，其中控制信息量所占的比重要小于非控制信息量所占的比重。现场各种智能化设备的广泛使用和非控制信息量的加大为在线管理生产过程的现场设备提供了可能。使过程控制变化为过程管理,即:过程管理=过程控制+设备管理。1.5论文内容的研究工作本文的主要内容包括：PID参数的整定及各个参数的控制性能的比较；DMC算法的熟悉及应用PLC语句编程来控制热交换器热水出水口的温度；S7-300可编程控制器的硬件组态的掌握；应用PID控制算法和DMC算法所得到的实验曲线分析以及在过程控制中遇到的问题分析。浙江工业大学毕业设计（论文）4第二章温度控制系统温度控制系统是用于控制理论算法研究的良好的实验手段。本章将主要介绍温度控制实验系统和控制方案的设计。2.1过程控制实验对象系统在毕业设计中用到的有惠尔仪器的AE2000A型过程控制实验对象系统、AE2000A型过程控制实验仪表控制台和西门子PLC（S7-300系列）控制系统。温度控制系统的原理图如图2-3所示。阀111为手动阀温度传感器：Pt100热电阻，经过温度变送器送出420mA的电流单向泵1：家用型单向泵涡轮流量计：输出信号：420mA，测量范围：00.6m3/h压力表：测量范围：00.25MPaQS智能型电动调节阀：输出电流420mA单相可控硅移相调压：通过420mA电流控制信号控制单相220V交流电源在0220V之间根据控制电流的大小实现连续变化2.2西门子PLC控制系统大、中型PLC（例如西门子的S7-300和S7-400系列）一般采用模块式结构，用搭积木的方法来组成系统，模块式PLC由机架和模块组成，S7-300是模块化的中小型PLC，适用于中等性能的控制要求。品种繁多的CPU模块和功能模块能满足各种领域的自动控制任务，用户可以根据系统的具体情况选择合适的模块，维修时更换模块也很方便。当系统规模扩大和更为复杂的时候，可以增加模块，对PLC进行扩展。简单实用的分布式结构和强大的通信联网能力，使其应用十分灵活。S7-300的CPU模块集成了过程控制功能，用于执行用户程序。每个CPU都有一个编程用的RS-485接口，现在使用的实验系统装置带有了集成的现场总线PROFI