毕业设计（论文）-多变量温度控制系统设计.doc

目录致谢中文摘要英文摘要第一章 实验装置介绍1 实验装置的基本原理2 系统主要设备及作用3 电器柜接线图设计及调试第二章 控制系统的设计1 经典PID控制器原理2 经典PID控制器的设计3 模糊自整定PID控制的设计与仿真第三章 PLC软硬件的介绍1 硬件的总介绍2 模拟量输入模块1746-NI8介绍3 模拟量输出模块1746-NO4I介绍4 继电器（开关量）输出模块1746-OW16的介绍5 通讯接口卡1784-KTX6 网络适配器1770-SC7 RSLogix500软件说明8 RSLinx-32位通讯软件介绍第四章 系统下位机的软件设计1 编程中应注意的问题2 编程思想3 主程序流程图4 程序说明5 内存及I/O分配表6 程序清单致谢从1996年入学至今的四年多学习和工作中，我得到了许多老师和同学的帮助。在本科生学业即将结束之计，向所有关心过我的人们表示诚挚的谢意。在本人的毕业设计中自始至终得到了张宏建教授和胡赤鹰高级工程师在理论和实践上的细心指导和无微不至的关怀，使得毕业设计得以顺利完成，他们严谨的治学态度使本人终身受益，在此谨致以衷心的感谢和诚挚的敬意。最后，向所有关心实验室建设，在课题完成过程中提供帮助的老师和同学表示感谢。多变量温度控制系统设计摘要本论文详细介绍了毕业设计的全部任务和完成情况。从理论研究到实验装置设计，机理建模、仿真研究、软硬件的设计。本毕业设计包括三大部分：第一部分，系统的总体规划和系统组建;第二部分，系统控制算法的研究及仿真;第三部分，下位机PLC应用及编程第一部分，介绍了实验装置的基本原理，控制参数，完成了系统的的总体设计及系统组建。对原林晨同学的设计进行了部分的改进，使之适用于系统的具体要求。第二部分，对系统的建模、PID参数整定、PID算法等进行了研究，为PLC得编程提供了充分的理论依据。并针对本系统用Matlab编制了各方案的仿真程序给出了仿真结果，并对存在的问题进行了讨论。 第三部分， 对PLC的软硬件设计进行了详尽的探讨，并以本系统的设计为例，介绍了软硬的设计方法。第一章 实验装置的介绍1 实验装置的原理1.1.1 实验原理的介绍在聚合和发酵反应的过程中，温度是决定产品质量的关键所在。但我们知道, 聚合反应和发酵反应都是放热反应过程, 如不加以控制, 釜内温度会随着反应热的产生而逐渐上升. 所以,我们必须对反应温度作准确而稳定的控制. 无论是间歇生产还是连续生产, 控制好温度都是核心内容. 这就要求我们能对反应的机理与过程, 控制系统的构建及控制方案的选择有较深的认识, 同时也要求我们能对当前在工业过程自动控制中应用广泛的可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)有一定的了解, 并能通过编写梯形图程序来实现控制方案, 最终实施对工业过程(对象)的控制. 这就是本课题-间隙反应过程装置研究-的基本出发点.1.1.2 实验装置装置见图1.1及(说明)表1.1图1.1仪 表 位 号 用 途 备 注TT201测量釜内水温TT202测量系统进口水温TT203测量盘管冷却水出口水温TT204测量夹套冷却水出口水温TT205测量出釜水温PT201测量釜内压力PT202测量系统进口水压FT201测量盘管冷却水流量FT202测量夹套冷却水流量FT203测量入釜水流量LT201测量釜内水位LT202测量排放槽内水位FC201控制盘管冷却水流量FC202控制夹套冷却水流量FC203控制入釜水流量FC204控制盘管冷却水通/断FC205控制夹套冷却水通/断FC206控制入釜水通/断FC207控制釜水排空通/断FC208控制出釜水通/断C1电加热DK1 （1KW）C2电加热DK2 (2KW)C3电加热DK3 (2KW)C4搅拌电机XC5排空电机(变频电机)Y表1.1温度是发酵反应和聚合反应的核心部分，它的诸多参数是影响产品质量的重要因素。用实验装置模拟发酵反应和聚合反应是对之进行深入研究的一个重要手段。另外，从理论研究的角度来看，因温度控制是化工过程控制中四大控制变量中最为重要的，所以该装置也有具有典型意义，可以把它作为典型对象进行研究。本实验装置是用一个缩小了的釜来模拟反应釜。实验室中不可能用实际的化学反应来进行研究，而用循环水代替料液，实验装置如图。循环水经泵分别进进料管、盘管、夹套，这样就有了进料系统、冷却系统。系统的反应热是通过PLC来控制釜下部的加热器来模拟的，并用一搅拌电机来使加热均匀。水的排出有两种情况，模拟间歇反应时：通过釜下部电磁阀来控制的；模拟连续反应时，通过釜内压力把水压入排水管。是这样就可调节排水了另外。另外，水槽的排水是通过变频电机来控制的。可见：该系统是一套模拟连续,间歇聚合生产的实验装置.也可模拟发酵反应。实验装置主要包括反应釜，加热棒，釜内盘管冷却系统，夹套冷却系统，进料出料系统。实验中以出釜水温（或釜内水温）和釜内液位为被控变量，以两套冷却水流量及入釜水流量，出釜水流量为控制变量，同时也可将各流量变化作为干扰量加入，从而组成多种控制系统，并通过实验装置验证系统稳定性及控制系统各质量指标。1.1.3 反应釜控制参数的讨论通过机理建模，得对象的传递函数为：在实际控制过程中，时间常数J是我们最为关心的。从上述机理建模的结论式中，不难看出，当盘管冷却水流量u。变大、盘管传热面积A变大或l（pCp）的值变小时，时间常数都会减小。并且时间常数与稳态工作点有关。通过上面的机理建模，我们不难发觉，这一对象传递函数的求取是与对象的某一静态工作点相对应的，它并非是处处都适用的。事实上，由于工业实际过程的复杂性，传统的单一模型通常难以覆盖系统的所有动特性，这就为控制方案的选择带来了困难。针对这个问题，一种常用的方法是：对于动特性随工况而变化的工业过程，系统表现出的复杂特性在理论上可以通过多模式的方法加以描述，即在不同的工况或时间段，不同的模型有效，由于多模型之间具有互补型，它能更好地描述实际过程，适用于不确定的对象，反应在控制系统的设计上可采用不同的控制律（模态）实现整个过程的稳定控制，由此降低过程的不确定性和时变性对控制系统设计带来的影响。（过程在某一操作点及其附近工作时，一种控制规律能获得较好的控制品质称之为一个模态）。此外，许多先进的控制方法与策略，诸如模型预测控制、自适应控制等，也被用于解决更为复杂的控制问题。2 系统主要设备及作用1.2.1 系统主要设备及作用：1 加热棒 三根棒状电加热器（1kw+2kw+2kw）安装于釜底，主要作用：(1)系统开机后，大功率加热，模拟聚合反应前的物料升温加热，并模拟聚合升温反应温度曲线（实验中视具体要求设定）。(2)釜内温度稳定后可用单支小功率加热，模拟聚合（或发酵）反应放热，同时，可通过上位计算机设定加热棒功率，通过PLC控制加热棒开关周期来达到不同的放热效果，并可对系统模拟放热反应进行干扰设定。 2. 内盘管冷却系统 安装于釜内，可通过控制管内冷却水流量来达到控制釜温或出釜水温度，也可以改变其流量作为控制系统的干扰量加入，管路上安装的主要部件有： (1) 电磁阀，用于启，闭盘管冷却系统，安装于入口前,由PLC输出开关量信号控制。 (2) 涡街流量计，用于测量盘管冷却水流量，输出信号送PLC. (3) 电动调节阀,由PLC输出信号（420mA）控制流量. (4) 冷却水入出口温度，由热电阻Pt100测得，经温度变送器转换成420mA信号后送PLC. 3.夹套冷却系统. 装于釜外壁进行热交换，可通过控制冷却水流量来达到控制釜温或出釜水温度，也可以改变其流量作为干扰量加入，管路上安装的主要部件有： (1) 电磁阀，用于启，闭夹套冷却系统，安装于入口前,由PLC输出开关信号控制。 (2) 涡街流量计，用于测量盘管冷却水流量，输出信号送PLC. (3) 电动调节阀，由PLC输出信号（420mA）控制流量. (4) 冷却水出口温度，由热电阻Pt100测得，经温度变送器转换成420mA信号后送PLC. 4. 进料,出料系统. 进料直接通入水,出料由釜内压力压出。管路上安装的主要部件有： 1):电磁阀（两个），用于开关进，出料。间歇操作时，待物料充至指定液位后，两阀均关闭。2): 涡街流量计，用于测量进出料流量，输出信号送PLC。3):电动调节阀，由PLC输出信号（420mA）控制进出料流量.4): 温度测量变送器，测量出料温度，由热电阻Pt100测得，经温度变送器转换成420mA信号后送PLC. 5. 釜 反应釜为一密封器件，装有搅拌器，内盘管，加热棒，外壁有夹套，进料靠近釜底下部，出料由釜上部出，釜出口水温及釜内液体为被控变量.测量量有: 1 釜内部温度 2 釜压 3 内液位(由差压变送器测) 4 釜出口水温（温度Pt100测） 以上测量信号都送PLC ,其分配槽号地址见附图1.2.2 系统的特点该装置的设备图见附录一图（1），由附图我们可发现该装置有如下特点1. 反应釜的大小适中, 从而要求实验的时间(主要是初始阶段加热釜液的时间)不能太长, 整个实验过程应控制在较为合理的时间范围内.2. 该反应釜应具有进/出料系统和排空系统，且进料管有电磁阀可控制通断。这样为间歇/连续生产两种生产方式的控制提供硬件基础。3. 釜液的冷却既可通过盘管冷却, 又可由夹套冷却，且冷水的进出口的温度都有测量。 这也是从为各种控制方案的实施提供了基础.4. 反应釜有搅拌装置. 这有利于反应液与冷却系统之间的传热。5. 加热功率可变的加热系统（通过调节加热器的个数和加热器的通断时间）. 使加热系统既要能够全功率的加热釜液使之快速升温, 又要能在釜温达到设定值后降低功率, 以部分功率加热来模拟反应热。由于该装置通过下位机可编程控制器PLC来进行对整个系统的顺序控制，上位机用工控机的Intouch软件实现对系统的监控、生产的历史记律、危险的报警及各种控制方案的选择和设计（设计现代控制方案）。组成了十分先进的小型DCS系统。通过改变对象的特性曲线（利用特点5），可模拟发酵反应、聚合反应、连续反应、间歇反应以及时变反应和非时变反应。通过下位机PLC的编程可实现经典控制方案，如：单回路PID控制、串级PID控制、前馈PID控制以及选择性控制等，也可通过PLC编程实现各种现代控制（模糊控制PID控制、智能PID控制、自适应PID控制、预测PID控制、神经网络PID控制以及PID自整定技术等等）。可见该系统可十分方便的进行各种温控方案的设计和实物仿真测试。3电器柜接线图设计1.3.1 带控制点的工艺流程图由附录一图(1)可见：所选择的多个测控点能较为全面的为多种控制方案的实施提供基础, 即能通过从已有的测量点和控制点当中分别选取被控变量和控制变量来实现不同的控制方案(当然, 这其中包括了简单而具有工业实际应用价值的单回路PID控制方案)，并且各测控点与生产过程紧密结合在一起, 即从装置开始运行起至整个实验结束, 都能很好的实现上位机的监控，如对排空阀, 搅拌电机的控制.1.3.2 供电系统图（见附录一图（2）及系统回路图（见附录一图（3，4，5）严格来讲, 供电系统图应包括电源及电压等级; 供电回路分配情况; 必要时注出开关,熔断器的容量以及设备表. 在设计中, 采用了一些简化的表示，详细情况可参见总背面接线图。在系统连线回路图中, 主要包含了PLC与测量仪表的连线回路, PLC与调节阀的连线回路, 以及PLC与电磁阀,变频器和电加热器的连线回路. 在设计中, 参照各仪表,设备的有关说明进行接线. 主要需要注意的是:(1) PLC的开关量输出模块触点能否拖动电磁阀, 搅拌电机及电加热器. 如果不能, 则需要加电子开关。本装置选择用电子开关来进行开关量的输出，这样即可确保负载的正常工作又可隔离较大负载对PLC的干扰。(2) 对三支电加热器分三个回路单独加以控制的做法是为了满足电加热器能在不同要求下改变加热功率这一需要。(3) 对于变频器的控制，我们采用ABB标准接法。用一模拟量输出和一开关量输出来控制电机的起停、转速。(4) 对于不用的模拟量输入端子，可将其+，-短接。1.3.3 仪表背面接线图（见附录一图（6，7，8,9）仪表背面接线图应根据位置绘制仪表, 电器设备, 元件的连线端子, 并注明仪表的实际接线点编号. 此处仅为接线目的而有所简化. 表示方法采用相对呼应编号法. 因为一来这样能清晰的表达出物理意义, 如哪里是供电,哪里又是至输出设备等, 二来这符合工业标准, 便于今后的维护和检修.1.3.4 接线柜的验收调试1:检查系统接线图是否正确。：检查各空气开关额定电流是否正确，各电子开关额定电流是否正确。:检查柜内接线是否与接线图统一。:系统上强电,看是否有危险。：模拟量输入回路：用4-20mA信号源模拟变送器,检查变送器回路,通过PLC编程读取mA信号，看度取得数据是否正确。：模拟量输出回路：用250电阻模拟负载，通过PLC编程使输出mA电流，用电流表检查回路电流大小是否正确。：开关量输出回路：用灯泡模拟负载（电磁阀、电加热器等），通过PLC编程使PLC开关量输出为，看该回路灯泡是否点亮。第二章 控制系统的设计 1 经典PID控制原理2.1.1 PID控制简述PID控制是一种应用广泛、技术成熟的控制技术。其调节器结构简单，物理意义明确，控制精度高，使用方便，具有一定的鲁棒性，至今仍被广泛应用于工业控制中（。随着现代工业的发展和其它各种先进技术的发展，自动化技术将会得到更大的发展。但是，近期PID控制的主导地位仍是不可动摇的。特别是各种改进的PID控制，如非线性PID控制、自适应PID控制、2自由度PID控制等，将会有很大的发展和更多的应用。2.1.2 PID控制算式（1）PID控制结构：如图2.1所示： 图2.1 PID控制系统框图（2）PID控制的理想算式为： 即根据系统输入与输出的偏差调节控制器输出。控制器传递函数为 (3)实际中使用的PID控制算式一般为 其中，。式中为给定值加权，一般取,以求在不影响抗扰动性能的情况下减小超调。相当于的一阶滤波，使的微分增益不超过N。实际中根据不同的要求，可使用多种形式的PID控制。如偏差一阶滞后形、微分项一阶滞后形、测量值微分先行形等。2.1.3 PID控制器的参数整定 PID控制的性能取决于其控制器参数整定的情况。关于PID控制器参数的整定方法很多，如基于积分准则（ISE、IAE或ITAE等）的整定方法，但这类方法须知对象模型，而且费时，多用于研究比较。较实用的有经验法、临界比例度法、衰减振荡法、响应曲线法及一些克服某些缺点的修正方法。（1） 经验法：若将控制系统按液位、流量、温度和压力等参数来分类，属于同一类别地系统，其对象特性往往比较接近，故采用的控制器形式和整定的参数均可相互参考。a) 液位系统：对只需要实现平均液位控制的地方，宜采用纯比例，比例度要大；b) 流量系统：典型的快过程，且往往噪声影响较大，宜采用PI，且比例度要大，积分时间可小；c) 温度系统：对于间接加热的温度系统，由于具有测量变送滞后和热传递滞后，所以较为缓慢。比例度设置范围约为2060，一般积分时间常数较大，微分时间约为积分时间的四分之一；d) 压力系统：压力环路有的运行很快，有的很慢。若过程非常迅速，可参照流量系统；若包含较大的动态滞后，可参照温度系统。经验整定值可参照表2.1表 2.1 经验法整定参数系 统参 数温 度20603100.53流 量401000.11压 力30700.43液 位2080（2） 临界比例度法：临界比例度法又称方法。它便于使用， 而且在大多数控制回路中能得到良好的控制品质。尽管它早在1942年就已提出，但仍是常用方法之一。这种整定方法是在闭环的情况下进行的。首先将控制器的积分和微分作用全部除去，按比例增益由小到大的变化规律，对应于某一值作小幅度的设定值阶跃干扰，以期获得临界情况下的等幅振荡。此时可获得临界振荡周期和控制器临界比例增益。然后按表2.2的经验算式求取控制器的最佳参数值。表2.2 临界比例度法整定参数控制规律P0.5PI0.450.83PID0.60.50.12（3） 衰减振荡法：在一些不允许或不能得到等幅振荡的地方，可考虑采用修正方法衰减振荡法。它与临界比例度法的差异仅在于它是在纯比例下获取4:1的振荡曲线为整定参数的依据。在衰减振荡下的周期总是比大。积分与微分时间的设置与有关。对PID控制， = 0.4 = 0.1 设置好、后，的设置可以经过实验来决定，以获取4:1的振荡。2.1.4 PID控制的评价 PID控制器是一种按当前偏差确定控制量的线性调节器，其优点是简单且鲁棒性强。但它也存在着一些缺点。如对于工业对象中普遍存在的时变、非线性、不确定性，PID控制系统往往不能保证良好的调节品质。对于大惯性、大时滞对象，其调节效果也不能令人满意。在静态精度和动态稳定性能及响应快速性和平稳性两方面，PID也只能折衷处理。这些问题是由PID控制器本身无法克服的缺陷带来的。众所周知，作为PID若要超调小则难以保证快速性的指标；而若要动态过程快，则超调量必然过大。同样时刻固定的PID控制器参数也是一大原因。随着生产的发展和技术水平的提高，人们对控制系统的要求也越来越高。传统的人工整定方法，不但相当费时费力，而且参数整定质量完全取决于操作人员的实际经验和水平，而且无法根据对象特性变化和动态过程修改控制量。这就使得参数整定难以达到较优状态，无法满足要求。所以，随着生产的发展和控制品质要求的提高，传统的PID控制技术和控制器参数整定方法在很多场合已不能满足应用的需要，亟待从不同的角度进一步研究和改进，满足日益严格的工业过程的要求。PID控制的特点总结如下：优点：（1）简单直观，便于使用，在超过90%的工业回路中得到应用（2）控制律的最优性（3）具有一定的鲁棒性和自适应能力缺点：（1）参数整定随意性大，实际中80%以上PID控制参数不十分理想；（2）难于控制复杂系统，时变、不确定、非线性及大时滞等对象（3）难于控制MIMO系统2经典PID控制设计2.2.1 模拟连续聚合生产工艺控制流程方案设计A 单回路系统按控制变量分类主要有以下几种方案:1.被控变量:出釜水温 控制变量:夹套冷却水流量 实验中可引入的干扰有: (1)盘管冷却水流量的阶跃干扰,通过电磁阀的开关实现; (2)加热棒功率的阶跃干扰,通过PLC对加热棒功率的控制实现; (3)入釜水流量,出釜水流量变化的干扰，通过PLC对电动调节阀的控制实现;2.被控变量:出釜水温 控制变量:盘管冷却水流量 实验中可引入的干扰有:(1) 夹套冷却水流量的阶跃干扰,通过电磁阀的开关实现;(2) 加热棒功率的阶跃干扰，通过PLC对加热棒功率的控制实现;(3) 入釜水流量,出釜水流量变化的干扰,通过PLC对电动调节阀的控制实现; 3.被控变量:出釜水温 控制变量:入釜水流量 实验中可引入的干扰有:(1)盘管冷却水流量的阶跃干扰,通过电磁阀的开关实现;(2)夹套冷却水流量的阶跃干扰,通过电磁阀的开关实现;(3)加热棒功率的阶跃干扰,通过PLC对加热棒功率的控制实现;(4)出釜水流量变化的干扰,通过PLC对电动调节阀的控制实现;注:夹套和盘管冷却水不可同时关闭!B.串级控制系统由副被控变量及控制变量分类主要有以下几种方案:1.主被控变量:出釜水温 副被控变量:夹套冷却水出口温度 控制变量:夹套冷却水流量 实验中可引入的干扰有:(1)盘管冷却水流量的阶跃干扰,通过电磁阀的开关实现; (2)加热棒功率的阶跃干扰,通过PLC对加热棒功率的控制实现; (3)入釜水,出釜水流量变化的干扰,通过PLC对电动调节阀的控制实现; 2.主被控变量:出釜水温 副被控变量:盘管冷却水出口温度 控制变量:盘管冷却水流量 实验中可引入的干扰有: (1)夹套冷却水流量的阶跃干扰,通过电磁阀的开关实现;(2) 加热棒功率的阶跃干扰,通过PLC对加热棒功率的控制实现;(3) 入釜水,出釜水流量变化的干扰,通过PLC对电动调节阀的控制实现;3.主被控变量:出釜水温 副被控变量:夹套冷却水出口温度 控制变量:入釜水流量 实验中可引入的干扰有:(1)盘管冷却水流量的阶跃干扰,通过电磁阀的开关实现; (2)加热棒功率的阶跃干扰,通过PLC对加热棒功率的控制实现; (3)出釜水流量变化的干扰,通过PLC对电动调节阀的控制实现;4.主被控变量:出釜水温 副被控变量: 盘管冷却水出口温度 控制变量:入釜水流量 实验中可引入的干扰有: (1)夹套冷却水流量的阶跃干扰,通过电磁阀的开关实现; （2）加热棒功率的阶跃干扰,通过PLC对加热棒功率的控制实现; (3)出釜水流量变化的干扰,通过PLC对电动调节阀的控制实现;2.2.2 间歇进料釜内水温控制流程方案设计 间歇进料釜内水温控制中被控变量为釜内温度,其控制方案与连续进料时相似,不同之处在于进料量和出料量始终为零,故这两个流量都不能作为控制变量和干扰变量,因此前述 控制方案中以这两个量作为控制变量的方案都不能在间歇进料时使用,也不能作为干扰量加入 .A.单回路系统按控制变量分类主要有以下几种方案:1.被控变量:釜内水温 控制变量:夹套冷却水流量 实验中可引入的干扰有: (1)盘管冷却水流量的阶跃干扰,通过电磁阀的开关实现; (2)加热棒功率的阶跃干扰,通过PLC对加热棒功率的控制实现;2. 被控变量:釜内水温 控制变量:盘管冷却水流量 实验中可引入的干扰有: (1)夹套冷却水流量的阶跃干扰,通过电磁阀的开关实现; (2)加热棒功率的阶跃干扰,通过PLC对加热棒功率的控制实现;B.串级控制系统由副被控变量及控制变量分类主要有以下几种方案:1.主被控变量:釜内水温 副被控变量:夹套冷却水出口温度 控制变量:夹套冷却水流量 实验中可引入的干扰有: (1)盘管冷却水流量的阶跃干扰,通过电磁阀的开关实现; (2)加热棒功率的阶跃干扰,通过PLC对加热棒功率的控制实现;2.主被控变量:釜内水温 副被控变量:盘管冷却水出口温度 控制变量:盘管冷却水流量 实验中可引入的干扰有: (1)夹套冷却水流量的阶跃干扰,通过电磁阀的开关实现; (2)加热棒功率的阶跃干扰,通过PLC对加热棒功率的控制实现;3模糊PID控制器的设计2.3.1 模糊控制器的介绍 近年来，模糊逻辑控制广泛应用于工业自动化、机器人控制、家用电器控制等领域，并取得了巨大的成功。在实际应用中，许多被控对象过于复杂或者缺乏有效的识别手段而无法建立确切的数学模型，这类对象往往具有非线性、强耦合、大滞后、参数时变等特点，对这类对象应用模糊控制一般可取得较好的效果。 普通的模糊控制器其量化系数都是固定不变的，当控制器性能不满足要求时，就需要对量化系数进行整定。本文提出了一种模糊自整定的方法。 2.3.2 自整定模糊控制考虑一个SISO系统，根据生产过程的特点，本系统采用自整定模糊控制器。系统的结构框图如图2.2所示。期望性能模 糊 参 数 自 整 定e E K1 模糊 K3 对 SP + _ec EC 控制器 U u 象 y d/dt K2 _ 图2.2 自整定模糊控制框图图中E、EC、U分别是偏差e、偏差变化率ec和控制量u的Fuzzy语言变量。根据工艺要求把E 分为7个模糊集合，分别为负大（NL）、负中（NM）、负小（NS）、负零（N0）、正零（P0）、正小（PS）、正中（PM）、正大（PL）。同样，EC和U分成7档模糊集合，即“NL，NM，NS，0，PS，PM，PL”。写成Fuzzy子集为E =NL, NM, NS, 0, PS, PM, PLEC=NL, NM, NS, 0, PS, PM, PLU=NL, NM, NS, 0, PS, PM, PL相应地，它们的论域分成如下的档级E = -6,-5,-4,-3,-2,-1,-0,+0,1,2,3,4,5,6EC = -6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6U = -7,-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6,7模糊控制器的控制规则可表示为if Ei and ECj then Uij i= 1,2,m，j = 1,2,n 用一个模糊关系来描述，即R = V Ei ECj UijR的隶属度函数为mR (e, ec, u) =V mEi (e, ec, u)L mECj (e, ec, u) LmUij (e, ec, u)根据实际生产过程及操作人员的经验，总结出如表2.3所示的模糊控制规则表。表2.3 模糊控制规则表NLNMNS0PSPMPLNLPLPLPLPLPM00NMPLPLPLPLPM00NSPMPMPMPM0PSPS0PMPMPS0NSNMNMPSPSPS0NMNMNMNMPM00NMNLNLNLNLPL00NMNLNLNLNL由控制规则，按照模糊推理合成规则进行运算，求出各相应的控制决策U，再按取隶属度最大值的原则，得到各相应的控制量。即如表2.4所示的模糊控制表。 表2.4 模糊控制表 -6-5-4-3-2-10123456-67777777442000-57777776442000-47666666442000-37666666320-1-1-1-26544444100-1-1-13-2-1-05444110-1-1-1-4-4-4+05444110-1-1-1-4-4-41222200-1-3-3-4-4-4-4222110-3-3-4-4-4-4-4-430000-2-3-6-6-6-6-6-6-74000-2-4-4-6-6-6-6-6-6-75000-2-4-4-6-7-7-7-7-7-76000-2-4-4-7-7-7-7-7-7-7在实时控制时，根据E和EC查询该控制表得到相应的控制量，再乘以K3即可得到实际的控制增量。 控制器的输入量化系数K1、K2和输出量化系数K3的自整定也采用模糊逻辑，所需要测量的指标分别是系统阶跃响应的超调量OV、上升时间RT以及震荡幅度OSC。如图2.3所示。图2.3 需要测量的阶越响应指标 类似于模糊控制器，量化系数自整定的规则具有如下形式：if DOV is X1, DRT is X2, DOSC is X3, then DK1 is Y1, DK2 is Y2, DK3 is Y3。其中 , 是所期望的性能指标。一次整定后量化系数变为 K1 = (1+DK1) K1，K2 = (1+DK2) K2， K3 = (1+DK3) K3。如果性能指标仍未满足要求，则继续整定直至满足为止。在K1、K2、K3三个量化系数中，增大K1可以使系统响应速度加快，但超调量和振荡量增大。减小K1可以使系统超调量和振荡量减小，但上升时间和稳态误差增大。由此可见，K1的调整必须在一个区间范围内。增大K2可以在一定程度上减小超调量，但K2过大反而可能引起在设定值附近的振荡。并且K2的变化对系统而言是有限的。对系统整体性能影响最大的是K3，它对系统的影响类似K1，但程度更大。 量化系数的自整定遵循下列规则： a. 优先调整K3使系统稳定，并使上升时间符合期望值。 b. 在的基础上通过调整K1，K2来逼近期望值。 c. 必要时再调整K3。3.仿真研究当过程具有较大的滞后与扰动，常规的PID控制器投运后引起过程震荡，操作员一直根据经验采用手动控制，效果不理想。取被控对象的传递函数为令K1=8，K2=200，K3=0.002。仿真结果如图2.4。从仿真结果可见系统严重振荡。预先给出期望的性能指标是RT=270s, OV=5%, OSC=10%，经过整定最终K1=6.0750, K2=302.5, K3=5.8320。仿真结果如图2.5。K1、K2、K3在整定过程中的变化如图2.6。按整定后的量化系数，在系统中加入幅值为1%的白噪声，仿真结果如图2.7。 图2.4 量化系数整定前系统阶跃响应 图2.5 量化系数整定前系统阶跃响应 图2.6：K1、K2、K3在整定过程中的变化图2.7：按整定后的量化系数，在系统中加入幅值为1%的白噪声第三章 PLC软硬件的介绍1硬件的总介绍在该PLC控制系统中，系统硬件配置如表3.1： 序号硬件名称型号备注1框架SLC500 1746-A102PLC电源SLC500 1746-P2C最大0.75A3PLC的CPUSLC500 1746-L542B32Mem4模拟量输入模块1746-NI88路输入5模拟量输出模块1746-NO4I4路输出6继电器输出模块1746-OW1616点输出7通讯接口卡1784-KTX插在上位机16位IS或EISA扩展槽中8网络适配器1770-SC四套设备联485网用表3.1模块在框架中的位置为从左到右依次为电源、CPU、模拟量输入模块、模拟量输出模块、继电器（开关量）输出模块。2模拟量输入模块1746-NI8介绍3.2.1 模块工作特性1746-NI8型模拟量输入模块包括双型号（型号1和型号3）的单槽模块。型号1输入映射有8个字，输出映射为8个字；型号3为16字输入映射，14字输出映射。型号3必须在SLC5/02以上的处理器中使用。本PLC系统采用了型号1的单槽模块。1746-NI8共有8个输入通道，可以接受0从外部设备来的电压和电流信号。如果采用电流信号则把模块侧面的红色开关打到ON即开关上拨，反之向下拨。改模块通过平行底板接口来和SLC500处理器来实现通讯，并且不需要外部电源，由SLC500电源通过底板供电。只要在电源能够支持的范围内，可以在PLC系统中安装多个模块。其中5VDC底板供电SLC电路，24VDC底板供电模拟量输入模块电路。当接通电源后，模块将自动对其内部电路，内存，和基本功能进行检查。在检过程中模块状态LED保持熄灭。如果在电源接通诊断中没有发现错误的话，模块的状态LED灯就会亮。当电源接通诊断结束后，模块将会等待从SLC阶梯逻辑程序中来的有效通道组合数据（此时通道状态LED保持熄灭）。当组合数据（即输出映象表中对应于输入模块中的读数）被写入通道中后通道被激活，状态位被置位，通道状态LED开始亮，模块开始连续的把模拟量输入转化为在选择范围内的数字量输入。其中其组合字共有十六位：0-2位为输入类型，3-5位为数据格式，6和7位为开路，8-10为过滤器频率，11为通道激励，12-15没有使用，每个位具体的定义见表3.2：位定义选项 组合字中设置位15141312111098765432100-2输入 类型DIP开关设为开10V0001-5V0010-5V0100-10V011DIP开关设为关0-20mA1004-20mA10120mA1100-1mA1113-5数据格式工程单位000PID比例尺001成比例记数0101746-NI4格式011用户定义100用户定义101非法非法6-7开路零00上限01下限10非法118-10滤波器频率 无00075HZ00150HZ01020HZ01110HZ1005HZ1012HZ1101HZ11111通道激励通道激励0通道不激励112-15不用0000表3.2每次一个通道被模块读入的时候，模块就会检查数据值是否有错误（如开路，超过上限，低于下限）。当检测到这种情况时，通道状态字里面的一个位就会被置位然后通道状态LED将会闪烁。在程序结束后或根据阶梯程序的命令，SLC处理器从模块里读取转化了的模拟量数据，处理器和模块决定底板数据被没有错误的传输，并且在梯形程序中使用。下图是数据传送示意图：电压或电流通道输入通道数据字通道状态字阶梯程序所发的通道组合字1746-NI8模拟量输入模式SLC500处理器图3.13.2.2输入的标度转换通道数据字表示模拟量输入通道所输入的值，它包括几种不同的数据形式，如下面就如何把数据字转换为由实际单位输入值举一个例子，为了做此标度转换，你必须知道已定义好的输入类型的电压/电流范围。同时，把Slow记作可能的最小输入值，把Shigh记作可能的最大输入值。已知：一个传感器被用于测量温度值 4-20mA信号正比于100-500 通道数据字是Scaled-for-PID形式 测得通道数据字=5500求：测得的实际温度值方程：实际温度值=Slow+(Shigh-Slow)*(通道数据字/（最大通道数据字-最小通道数据字）其中：通道数据字=5500Scaled-for-PID的最大通道数据字=16383 最小通道数据字=0解：3模拟量输出模块1746-NO4I介绍3.3.1模块工作特性1746-NO4I共有 4个输出通道，为电流型输出。其输出电流的范围0-21mA，每个输出通道的位数为16位，但实际使用的位数是十四位。其中0号输出通道的有效位为1，3-15位，其它的三个输出通道的有效位为2-16位，当选用4-20mA的电流范围时，选用4-20mA的电流范围时，其输出字的十进制表示6242-312008，有效位数为12.6，每个LSB的分辨能力为2.56348uA。 其中1746-NO4I模块必须放在1746型输入/输出插槽中。该模块可由外部电源或框架底板供电，当采用底板供电时把模块侧面的黑色开关向下拨，反之则向上拨。1746-NO4I的一般性能为：名称性能SLC通讯格式16位二进制补码现场接线对背板的绝缘电压500直流更新时间所有通道共512ms推存电缆Belden#8761最大引线尺寸#14AWG接线端子排可拆卸安装位置1746框架校准厂方完成工作温度0-60储藏条件-40-60相对湿度5-95%（无冷凝）推存使用的电缆长度（最大500英尺（15米）表3.3输入通道个数输出通道个数取用背板电流对外配24VVdc电源要求NO4I无4电流型输出无各自隔离55mA，24Vdc195mA，24Vdc24+-10%（21.626.vVdc表3.4NO4I的电流输出特性：名称性能分辨率14位I/O映象字节中的LSB的位置0000 0000 01XX非线形性0.05%转换方法R-2R阶梯阶跃响应2.5ms(上升到95%)负载范围0-500负载最大电感100uH电流输出编码（021mA-1LSB）0-+32764正