基于PLC的液位控制系统的设计（论文+外文翻译+开题报告+文献综述）
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PLC技术概况 一、PLC的来源1、在制造工业（以改变几何形状和机械性能为特征）和过程工业（以物理变化和化学变化将原料转化成产品为特征）中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，使得电气控制功能实现的程序化，这就是第一代可编程序控制器，英文名字叫Programmable Controller（PC）。2、随着电子技术和计算机技术的发生，PC的功能越来越强大，其概念和内涵也不断扩展。3、上世纪80年代，个人计算机发展起来，也简称为PC，为了方便，也为了反映或可编程控制器的功能特点，美国A-B公司将可编程序控制器定名为可编程序逻辑控制器Programmable Logic Controller（PLC），并将“PLC”作为其产品的注册商标。现在，仍常常将PLC简称PC。4、上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为3040%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统.5、近年，工业计算机技术（IPC）和现场总线技术（FCS）发展迅速，挤占了一部分PLC市场，PLC增长速度出现渐缓的趋势，但其在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。6、目前，世界上有200多厂家生产300多品种PLC产品，主要应用在汽车（23%）、粮食加工（16.4%）、化学/制药（14.6%）、金属/矿山（11.5%）、纸浆/造纸（11.3%）等行业。 二、典型的PLC产品1、国外施耐德公司， Quantum、Premium、Momentum等；罗克韦尔（A-B公司），SLC、MicroLogix、Control Logix等；西门子公司， SIMATIC S7-400/300/200系列；日本欧姆龙、三菱、富士、松下等。2、国内PLC生产厂约30家，但没有形成颇具规模的生产能力和名牌产品，还有一部分是以仿制、来件组装或“贴牌”方式生产. 三、PLC在我国的应用虽然我国在PLC生产方面非常弱，但在PLC应用方面，我国是很活跃的，近年来每年约新投入10万台套PLC产品，年销售额30亿人民币，应用的行业也很广。在我国，一般按I/O点数将PLC分为以下级别（但不绝对，国外分类有些区别）： 微型：32 I/O 小型： 256 I/O 中型：1024 I/O 大型：4096 I/O 巨型：8192 I/O在我国应用的PLC系统中，I/O 64点以下PLC销售额占整个PLC的47%，64点256点的占31%，合计占整个PLC销售额的78%。在我国应用的PLC，几乎涵盖了世界所有的品牌，呈现八国联军的态势，但从行业上分，有各自的势力范围。大中型集控系统采用欧美PLC居多，小型控制系统、机床、设备单体自动化及OEM产品采用日本的PLC居多。欧美PLC在网络和软件方面具有优势，而日本PLC在灵活性和价位方面占优势。我国的PLC供应渠道，主要有制造商、分销商（代理商）、系统集成商、OEM用户、最终用户。其中，大部分PLC是通过分销商和系统集成商达到最终用户的。 四、PLC发展的重点1、人机界面更加友好PLC制造商纷纷通过收购或联合软件企业、或发展软件产业，大大提高了其软件水平，多数PLC品牌拥有与之相应的开发平台和组态软件，软件和硬件的结合，提高了系统的性能，同时，为用户的开发和维护降低了成本，使更易形成人机友好的控制系统，目前，PLC网络IPCCRT的模式被广泛应用。2、网络通讯能力大大加强PLC厂家在原来CPU模板上提供物理层RS232/422/485接口的基础上，逐渐增加了各种通讯接口，而且提供完整的通讯网络。由于近来数据通讯技术发展很快，用户对开放性要求很强烈，现场总线技术及以太网技术也同步发展。如罗克韦尔AB公司主推的三层网络结构体系，即EtherNet、ControlNet、DeviceNet，西门子公司在Profibus-DP及Profibus-FMS网络等。3、开放性和互操作性大大发展PLC在发展过程中，各PLC制造商为了垄断和扩大各自市场，处于群雄割据的局面，各自发展自己的标准，兼容性很差，这给用户使用带来不便，并增加了维护成本。开放是发展的趋势，这已被各厂商所认识，形成了长时期妥协与竞争的过程，并且这一过程还在继续。开放的进程，可以从以下方面反映：1）IEC形成了现场总线标准，这一标准包含8种标准，虽然有人说，多种标准就是没有标准，但必竟是一个经过困难的争论与妥协的成果。标准推出后，各厂商纷纷将自己的产品适应这些标准，或者开发与之相应的新产品。2）IEC制订了基于Windows的编程语言标准IEC61131-3，它规定了指令表（IL）、梯形图（LD）、顺序功能图（SFC）、功能块图（FBD）、结构化文本（ST）五种编程语言。这是以数字技术为基础的可编程序逻辑控制装置在高层次上走向开放性的标准化文件。虽然PLC开发上各工具仍不兼容，但基于这些标准的开发系统，使用户在应用过程中，可以较方便地适不同品牌的产品。3）OPC基金会推出了OPC（OLE for Process Control）标准，这进一步增强了软硬件的互操作性，通过OPC一致性测试的产品，可以实现方便的和无缝隙数据交换。目前，多数PLC软件产品和相当一部分仪表、执行机构及其它设备具有了OPC功能。OPC与现场总线技术的结合，是未来控制系统向FCS技术发展的趋势。4、PLC的功能进一步增强，应用范围越来越广泛。PLC的网络能力、模拟量处理能力、运算速度、内存、复杂运算能力均大大增强，不再局限于逻辑控制的应用，而越来越应用于过程控制方面，有人统计，除石化过程等个别领域，PLC均有成功能应用，PLC在相当多的应用取代了昂贵的DCS，从而使原来PLC（顺序控制）DCS（过程控制）的模式变成PLCIPC模式。5、工业以太网的发展对PLC有重要影响。以太网应用非常广泛，与工业网络相比，其成本非常低，为此，人们致力于将以太网引进控制领域。目前的挑战在于1）硬件上如合适应工业恶劣环境；2）通讯机制如何提高其可靠。以太网能否顺利进入工控领域，还存在争论。但以太网在工控系统的应用却日益增多，适应这一过程，各PLC厂商纷纷推出适应以太网的产品或中间产品。 6、 软PLC 技术的发展，进入90 年代后期, 人们逐渐认识到, 传统PLC(也称硬PLC) 自身存在着这样那样的缺点:由于传统PLC 的生产厂商之间的产品互相不兼容,缺少明确一致的标准,造成难以构建开放的硬件体系结构;各厂商产品的编程方法差别很大,技术专有性较强,工作人员必须经过较长时间的专业培训才能掌握某一种产品的编程方法; 传统PLC 的生产被几家厂商所垄断,造成PLC 的性价比增长很缓慢。这些问题都成了制约传统PLC发展的因素,工控领域的研究人员也一直在寻求解决这些问题的途径。近年来,随着计算机技术的迅猛发展以及PLC 方面的国际标准的制定,一项打破传统PLC 局限性的新兴技术发展起来了,这项技术就是软PLC 技术。于是PLC 进入了其发展的第4 阶段。其特征是:在保留PLC 功能的前提下,采用面向现场总线网络的体系结构;采用开放的通信接口,如以太网、高速串口等;采用各种相关的国际工业标准和一系列的事实上的标准;全部用软件来实现传统PLC 的功能,这就是国际上出现的高新技术软PLC 技术。毕业设计 (论文)开题报告信息与电子工程系 工业电气自动化技术专业03 级（1）班课题名称：基于PLC的液位控制系统的设计学生姓名： 徐胜祥 学号: 20030210128指导教师： 陈国定 报告日期： 2006年03月19日 1、 文献综述“过程控制”是一门与工业生产过程联系十分密切的科目。随着科学技术的飞速发展，过程控制也在日新月异的发展。它不仅在传统工业改造中，起到了提高质量，节约原材料和能源，减少环境污染等十分重要的作用，而且正在成为新建的规模大，结构复杂的工业生产过程中不可缺少的组成部分(1)在工业生产过程中,液位变量是一个常见而广泛的过程参数之一。液位控制装置具有非线性、滞后、耦合等特点,难以对其进行精确控制.在众多的控制算法中,模糊控制是行之有效的控制方法之一。但在模糊控制系统的设计过程中,存在大量繁琐的工作,如控制器结构的确定,隶属函数的选取、各种规则的获取,参数的调整等.本文利用PID模糊控制。信号处理是过程控制中的重要组成部分。步入21世纪之后,社会进入数字化的时代,而数字信号处理器(digitalsignalprocessor)正是这场数字化革命的核心。数字信号处理是利用专用或通用数字信号处理芯片,通过数字计算的方法对信号进行处理与模拟信号处理相比数字信号处理具有精确,灵活,抗干扰能力强,可靠性好和易于大规模集成等特点。目前，集成电路的设计由于电流模式电路技术的发展和应用而获得了新的生长点，模拟VLSI的最新进展使得开发和实现电流模式信号处理成为可能.电流模式技术和方法对于诸如放大器、变换器、A/D和D/A、采样数据和连续时间滤波器、自校正系统，编程系统、ANN(人工神经网络)和神经计算机等许多问题提供了最有吸引力的途径，并将对微电子学与信息科学、计算机科学与AI,控制与机器人等领域的发展产生重要的影响。信号的获取需要传感器，适用于测液位的传感器有很多种，主要有热敏电阻传感器、电容式液位传感器、电感式液位传感器等。它们各有特点，可根据液面特性选择。模拟量输入通道因检测系统本身的特点、实际应用的要求等因素的不同，可以有不同的形式。比如，对于高速系统，特别是需要同时得到系数众多数据的系统，可采用并行转换结构。但通道越多，成本越高，而且会使系统体积大，也给系统较准带来困难，通常采用的结构是多路通道共享采样/保持和模数转换电路。信号处理器的功能是对来现场的多路模拟信号滤波、隔离、电平转换、非线性补偿、电流电压转换等。多路开关将多路信号按一定顺序要求切换到放大器的输入端。放大器是将传感器输出的弱信号放大到A/D转换器所需电平。采样保持器的作用，一是保证A/D转换过程中被转换的模拟量保持不变，以提高转换精度；二是可将多个相关的检测点在同一时刻的状态量保持下来，以供分时转换和处理，确保每个检测量在时间上的一致性。若模拟输入电压信号变化缓慢，A/D转换精度能够满足要求，则S/H可省不用。A/D将模拟信号转换成数字信号，以使计算机能够接收。A/D转换器的种类很多，按工作原理可分为比较式和积分式两大类。比较式A/D转换器的工作原理实质上是将被转换的模拟量与转换器产生的基准电压进行比较，从而将模拟量转换成数字量。积分式A/D转换通过对被测量进行积分，将被测量转化成中间量（时间或频率），然后再将中间量转换成数字量。积分式A/D转换测量的平均值，它的抗干扰能力强，准确度高，但速度较慢。逐次逼近式属于闭环比较式，速度快，准确度高，应用广泛。积分式A/D转换通过对被测量进行积分，将被测量转化成中间量（时间或频率），然后再将中间量转换成数字量。积分式A/D转换测量的平均值，它的抗干扰能力强，准确度高，但速度较慢。积分式A/D转换器可分电压-时间（V-T）转换式和电压-频率（V-F）转换式，每一种根据转换的特点又分为若干类。模拟量输出通道有以下两种基本结构（1）多通道独立D/A转换形式。由于目前D/A转换器芯片内部一般带来数据锁存器，所以这种连接方式的不需要采样保持器。一旦数据送入D/A转换器只要没有新的数据输入，它就保持原来的输出值。这种结构的组成包括I/O接口、D/A转换器、隔离级、输出级、执行器。多通道独立D/A转换器结构的优点是转换速度快，工作可靠、精度高且各个通道互相独立而互不影响。缺点是使用较多D/A转换器，投资较高。工业控制中多采用此种形式。（2）多通道共享D/A转换形式。这种形式由于D/A转换器是共用的，所以每一个模拟量输出通道都需要一个采样保持器S/H, 采样保持器的作用是将D/A转换器输出的离散模拟量转换成执行器件能接受的连接信号，即把上一时输出的采样值保持到下一次输出。这种结构的优点是节省D/A转换器。由于公用一个D/A，在CPU控制下分时工作，D/A转换器依次把数字量转换成模拟电压或电流，通过多路开关给各路输出采样保持器，而保持器不能长久保持信号不变，因此这种结构精度较差，只适用转换数字要求不高、通路较多的情况。D/A转换器中包含由电阻（或电容）和开关组成的网络。模拟参考电压在网络的输入端。被转换的数字信号控制网络中开关的闭合，改变网络的参数，从而使网络输出与数字量相对应的模拟电流或电压。这样就实现了数-模转换。DAC的种类很多，绝大多数DAC都为电流输出，有的兼有电流和电压输出；输出模拟量和输入数字量之间的函数关系既有线性的，也有非线性的；数字信号输入方式有并行的，也有串行的；多数D/A转换器既可对普通二进制数码进行单极性转换，又可以通过改变外部接线，对补码、反码、偏移二进制码或符号-数值码进行双级性转换。实际产品的结构不一定包括图中所有部分，但虚线中的部分则应是必备的。2、 研究内容基于PLC的液位控制系统在实际的生产应用中非常广泛。本项目要使用浙大中控设计生产的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）控制系统等。本项目要求学生以PLC为核心，整定液位系统的PID控制参数，并应用PLC语句编程来控制液位的高度。S7-300PLC系列是紧凑型可编程序控制器，设计要求给出PLC液位控制系统的梯形图和程序，这就要求学生在规定的时间内完成PID参数的计算和PLC系统的设计，最后要求给出一套设计图和设计说明书。3、 初步方案这里采用的是水箱液位的PID调节，有两级水箱。控制一个水箱的是单回路反馈PID控制。单回路系统是指在一个调节对象上用一个PID调节器来保持参数的恒定，而调节器只接受一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。两个水箱的液位通过串级反馈回路来控制。系统具体装置如下图所示。系统运行前要把需要控制液位的水箱水路上的手动阀门全部打开，打开水箱的出水阀至适当位置。系统通过PLC控制液位的高度，实现方法是，通过液位传感器把检测到的信号变成相应的电信号传到PLC的模拟量输入通道中，由PLC经过PID算法计算得出输出信号，经过信号处理输出到执行器电动调节阀中控制阀门的开度，使液位达到指定的高度，这个过程需要一定的时间。输出的信号和电动调节阀的开度成正比。控制要选择控制参数，合适的控制参数可以带来满意的控制效果，反之，控制器参数选择不合适，则会使控制质量变坏，达不到预期效果。所以PID参数的选择是很重要的，要很好地去整定。系统可以设定比例、积分、微分的参数，观察控制的效果，使用比例控制、比例积分控制和比例积分微分控制进行实验，将它们得到的结果进行比较，就可以知道三个控制环节分别的作用。系统的控制框图如图2所示图2：液位控制系统控制框图其中SV为给定信号，由用户通过计算机设定，PV为控制变量，它们的差是PID调节器的输入偏差信号，经过PLC的PID运算后输出，调节器的输出信号经过PLC的D/A转换成420mA的模拟电信号后输出到电动调节阀中调节调节阀的开度，以控制水的流量，使水箱的液位保持设定值。水箱的液位经过压力变送器检测转换成相关的电信号输入到PLC的输入接口，再经过A/D转换成控制量PV，给定值SV与控制量PV经过PLC的CPU的减法运算成了偏差信号e ,又输入到PID调节器中，又开始了新的调节。所以系统能实时地调节水箱的液位。4、工作安排周 完成文献检索、文献综述和英文翻译周完成开题报告，熟悉实验装置等周 完成PID控制器设计与计算、学习S7-300，并完成编程等周 完成实验调试周毕业实习周完成毕业论文周毕业答辩毕业设计论文文献综述学院： 系别： 班级： 学生： 指导老师： 日期： 摘要： 本文讨论信号处理的最新发展情况，包括数字信号处理和电流模式模拟信号处理的发展，信号处理所涉及到的个部分：传感器，模拟量输入通道AI，输出量输出通道DO。其中AI分为信号处理器，多路开关，采样保持器（S/H）,信号放大器和A/D转换器和I/O接口电路。DO分为I/O接口电路，D/A转换器隔离级，输出级和执行级。关键词：信号处理的发展；传感器；模拟量输入通道；模拟量输出通道1、 引言“过程控制”是一门与工业生产过程联系十分密切的科目。随着科学技术的飞速发展，过程控制也在日新月异的发展。它不仅在传统工业改造中，起到了提高质量，节约原材料和能源，减少环境污染等十分重要的作用，而且正在成为新建的规模大，结构复杂的工业生产过程中不可缺少的组成部分(1)在工业生产过程中,液位变量是一个常见而广泛的过程参数之一。液位控制装置具有非线性、滞后、耦合等特点,难以对其进行精确控制.在众多的控制算法中,模糊控制是行之有效的控制方法之一。但在模糊控制系统的设计过程中,存在大量繁琐的工作,如控制器结构的确定,隶属函数的选取、各种规则的获取,参数的调整等.本文利用PID模糊控制。信号处理是过程控制中的重要组成部分。本文讨论信号处理的最新发展情况，包括数字信号处理和电流模式模拟信号处理的发展，信号处理所涉及到的个部分：传感器，模拟量输入通道AI，模拟量输出通道DO。其中AI分为信号处理器，多路开关，采样保持器（S/H）,信号放大器和A/D转换器和I/O接口电路。DO分为I/O接口电路，D/A转换器隔离级，输出级和执行级。2、 信号处理的发展2.1 DSP数字信号处理器的发展步入21世纪之后,社会进入数字化的时代,而数字信号处理器(digitalsignalprocessor)正是这场数字化革命的核心从20世纪60年代数字信号处理理论的崛起,到20世纪8年代世界上第一个单片可编程DSP芯片产生以来,数字信号处理器的发展迅猛异常DSP的应用范围也越来越广,从运算速度来看,MAC时间已经从20世纪80年代初的400n降低到40ns,DSP内部关键的乘法器部件从1980年的占模区的40%左右下降到5%以下,片内RAM增加了一个数量级以上,从制造工艺上来看,80年代采用4L的NMOS工艺,而现在普遍采用微米CMOS工艺DSP芯片的引脚数量从1980年的最多64个增加到现在的200个以上,引脚数量的增加意味着结构灵活性的增加,此外随着DSP芯片的发展DSP系统的成本,体积,重量和功耗都有很大程度上的下降。数字信号处理是利用专用或通用数字信号处理芯片,通过数字计算的方法对信号进行处理与模拟信号处理相比数字信号处理具有精确,灵活,抗干扰能力强,可靠性好和易于大规模集成等特点DSP系统以数字信号处理为基础,与模拟信号处理系统相比,其优点:a.接口简单,方便由于数字信号的电气特性简单,不同的DSP系统相互连接时,在硬件接口上容易实现b.精度高,稳定性好数字信号处理仅受量化误差和有限字长的影响,处理过程不引入其他噪声,因此有较高的信噪比另外模拟系统的性能受元器件参数性能影响较大,而数字系统基本不变,因此数字系统更便于测试,调试,及批量生产c.编程方便,容易实现复杂的算法在DSP系统中,DS芯片提供了一个高速计算平台,系统功能依赖于软件编程实现当其与现代信号处理理论和计算数学相结合时,可以实现复杂的信号处理功能d.集成方便现代DSP芯片都是将DSP芯核及其外围电路综合集成在单一芯片上这种结构便于设计便携式高集成度的数字产品现代DSP芯片作为可编程超大规模集成(VLSI)器件,通过可下载的软件或固件来实现数字信号处理功能DSP芯片除具有普通微处理器的高速运算和控制功能外,还针对高数据传输速率,数值运算密集的实时数字信号处理,在处理器结构,指令系统,和指令流程设计上做了较大改动其结构特点有:a.DSP芯片普遍采用改进的哈佛结构,即数据总线和程序总线相互分离,这使得处理指令和数据可以同时进行,提高了处理效率b.DSP芯片大多采用流水线技术,即每条指令的执行划分为取指,译码,取数等若干步骤,由片内多个功能单元分别完成这相当于多条指令并行执行,从而大大提高了运行速度c.片内有多条总线可以同时进行取指和取操作数动作并且有辅助寄存器自动增减地址协助寻址d.配有独立的乘法器!加法器和特殊指令,适用于需要大量乘累加器操作的矩阵运算,滤波,FFT,Viterbi译码和相关的专用信号处理运算e.大多数DSP芯片一般都带有DMA控制器,外部存储器,外部存储器扩展接口,串行通信,配合片内多总线结构可以实现大吞吐量数据传送f.DSP芯片一般配有中断处理器,定时器,片内存储器和锁相环(PLL)等片内集成外设,可以方便的实现一个嵌入式自封闭控制的处理系统g.省电管理和低功耗适于便携式数字终端设备发展趋势:DSP内核结构进一步完善;DSP和微处理器的融合;MPU是低成本的,主要执行智能定向控制任务的通用微处理器,但其数字信号处理能力很差,DSP功能正好与其相互补充;DSP和高档CPU的融合;DSP和SOC(System-on-chip)的融合;DSP和FPGA的融合;实时操作系统RTOS与DSP结合(2)2.2 电流模式模拟信号处理的发展 多年来，电子工程师似乎总是认为世界是由电压所支配，安培只是从属于伏特，微电子技术和VLSI的飞速发展，使得象运算放大器这样的压控IC基本积木块及其电路得到广泛地研究 和使用 ，从而加 大了人们电压主宰世界的认识，以至认为象跨导放大器这样的流控器件用处不大。然而，双级型晶体管和MOS场效应管本质上都是控制电流输出器件.现有的IC基本积木块和压控技术可很方便地实现电压控制信号处理如VCVS和CCVS电路，但并不容易构成电流放大器及其有关电路实现如VCCS和CCCS.人们常常要求模拟信号处理具有良好的电流信号处理能力，许多宽带电路的功能把电流而不是电压作为有谅参数，以这种方式实现的电路常常比用传统的电压模式处理具有更多的优点.新近的研究表明，由标准的电压运算放大器综合的电流模式电路比用同样的器件以电压模式综合实现的电路性能好得多，跨导运放极有希望发展成为模拟VLSI中的模拟门阵列最基本的积木块，T-C技术使得全集成连续时间信号处理器的单片集成化成为可能，用电流模式方法设计的ANN集成电路克服了电压模式ANN集成电路的缺陷，可实现编程闭值的突触阵列，从而为神经计算机的VLSI实现提供了新的途径。 目前，集成电路的设计由于电流模式电路技术的发展和应用而获得了新的生长点，模拟VLSI的最新进展使得开发和实现电流模式信号处理成为可能.电流模式技术和方法对于诸如放大器、变换器、A/D和D/A、采样数据和连续时间滤波器、自校正系统，编程系统、ANN(人工神经网络)和神经计算机等许多问题提供了最有吸引力的途径，并将对微电子学与信息科学、计算机科学与AI,控制与机器人等领域的发展产生重要的影响.在988年IEEE电路与系统国际会议上英国B.WiIson教授等人介绍了电流模式信号处理的一些新近进展s，引起了人们的广泛兴趣，1988年和1990年IEEE电路与系统国际会议上开辟了“电流模式信号处理”专门小组报告和大会前的专题学术付论会，并把其作为VLSI和模拟信号处理的重点前沿方向，一场“电流模式信号处理的热潮正在国际上迅速兴起。人们预计电流模式模拟信号处理与IC设计技术的发展将会改变目前电压模式模拟信号处理统治VLSI的局面，形成与其共同发展、互为补充、互相兼容的新格局.发人深醒的是、二十年前就有人在此领域作过努力与尝试o-h由于电压模式IC技术的迅速发展而淹没了这些工作，也正是由于电压模式信号处理技术和VLSI发展到今天，给电流模式信号处理的实现提供了技术上的可能性，同时随着现有模拟VLSI技术的迅速发展和广泛应用，使得人们得以认识电压模式信号处理和VLSI技术的局限性，从而开始考虑电流模式信号处理的能力，促进了电流模式信号处理的诞生和发展.本文旨在对这一刚刚诞生的科学生长点电优模式信号处理的发展现状作一评述，讨论电流模式信号处理与集成电路设计的基本方法，展望其发展前景并指出有关前沿研究课题，以期促进我国在这一新领城的研究和发展.（3）3、 液位传感器适用于测液位的传感器有很多种，现在简要介绍几种：3.1 热敏电阻传感器热敏电阻是一种利用半导体制成的敏感元件，其特点是电阻率随温度而易变化。热敏电阻因其电阻温度系数大，灵活度高；热惯性小，反应速度快；体积小，结构简单；使用方便，寿命长，易实现远距离测量等特点得到广泛地应用。作液面位置传感器用的热敏电阻通以电流将引起自身发热，当处于两种不同介质中，电阻的散热条件不同，流过的电流也不同。通过电流表的指示可以反映液面的水平位置，如图3-1所示。（4）3.2 电容式液位传感器电容式液位传感器是利用被测介质液面变化为电容变化的一种介质变化型电容式传感器。图3-2a是用于被测介质是非导电物质时的电容式传感器。当被测液面变化时，两电极间的介质常数将发生变化，从而导致电容的变化。图3-2 电容式液位传感器1-内电极 2-外电极 3-绝缘层图3-2b适用于测量导电液体的液位。液面变化时相当于外电级的面积在改变，这是一种变面积型电容传感器（5）3.3 电感式液位传感器电感式传感器是利用被测量的变化引起线圈自感或互感系数的变化，从而导致线圈电感的改变这一物理现象来实现测量的。因此根据转换原理，电感式传感器可以分为自感式和互感式两大类。图3-4是采用了电感式传感器的沉筒式液位计。由于液位的变化，沉筒所受浮力也将产生变化，这一变化转变的位移，从而改变了差动变压器的输出电压，这个输出值反映了液位的变化值。（6）4、 过程通道过程通道是在微机和生产过程之间设置的信息传递和转换的连接通道，它包括数字量输入通道，模拟量输入通道，数字量输出通道，模拟量输出通道。生产过程的各种参数通过数字量输入通道或模拟量输入通道送入微机，微机经过计算机和处理后所得结果通过数字量输出通道或模拟量输出通道送到生产过程，从而实现生产过程的控制。液位控制的过程通道是由模拟量输入通道和模拟量输出通道组成。4.1 模拟量输入通道1. AI 通道的一般结构模拟量输入通道因检测系统本身的特点、实际应用的要求等因素的不同，可以有不同的形式。比如，对于高速系统，特别是需要同时得到系数众多数据的系统，可系统，可采用图4-1所示结构。其特点是速度快，工作可靠。即使某一通路有故障，也会影响其他通路正常工作。但通道越多，成本越高，而且会使系统体积大，也给系统较准带来困难。如对几百路信号巡检采集数据，采用这种结构很难实现。因此，通常采用的结构是多路通道共享采样/保持和模数转换电路。图4-2所示为多路模拟输入通道的一般结构。由图可见，多路AI由信号处理、多路开关、放大器、采样保持器和模数转换组成。信号处理器的功能是对来现场的多路模拟信号滤波、隔离、电平转换、非线性补偿、电流电压转换等。多路开关将多路信号按一定顺序要求切换到放大器的输入端。放大器是将传感器输出的弱信号放大到A/D转换器所需电平。采样保持器的作用，一是保证A/D转换过程中被转换的模拟量保持不变，以提高转换精度；二是可将多个相关的检测点在同一时刻的状态量保持下来，以供分时转换和处理，确保每个检测量在时间上的一致性。若模拟输入电压信号变化缓慢，A/D转换精度能够满足要求，则S/H可省不用。A/D将模拟信号转换成数字信号，以使计算机能够接收。2. AI 通道中的信号变换1） 信号的采样信号的采样过程如图4-3所示。执行采样动作的是采样器S,S每隔一个时间间隔T闭合一个时间r。T称为采样周期，r称为宽度。时间和幅值上均连续的模拟信号Y(t)通过采样器后，被变换为时间上离散的采样信号Y*(t)。模拟信号到采样信号的变换过程称为采样过程或离散过程。采样信号Y*(t)是否能如实的反映模拟信号Y(t)的所有变化与特征呢？香农采样定理指出：如果模拟信号（包括噪声干扰在内）频谱的最高频率为,只要按照采样频率进行采样，那么采样信号Y*(t)就能唯一地复现Y(t)。采样定理给出了Y*(t)唯一地复现Y(t)所需的最底采样频率。实现应用中，常取。2） 量化采样信号在时间轴上是离散的，但在函数轴上仍然是连续的，因为连续信号Y(t) 幅值上的变化，也反映在采样信号Y*(t)上。所以，采样信号仍然不能进入微机。微机只能接受在时间上的离散，幅值上变化也不是连续的数字信号。将采样信号转换为数字的过程称为量化过程，执行量化动作的装置是A/D转换器。字长为n的A/D转换器把范围内变化的采样信号，变换为数字，其最低有效位所对应的模拟量q称为量化单位。 量化过程实际上是一个用q去度量采样值幅值高低的小数归整过程，存在的量化误差。例如， q=20mV，量化误差为，1.0090.99V范围内的采样值，其量化结果是相同的，都是数字50。在A/D转换器的字长n足够长，量化误差足够小，可以认为数字信号近似于采样信号，在这种条件下，数字信号系统可沿用采样系统的理论和方法进行分析、设计。（7）3. A/D转换器A/D转换器的种类很多，按工作原理可分为比较式和积分式两大类。比较式A/D转换器的工作原理实质上是将被转换的模拟量与转换器产生的基准电压进行比较，从而将模拟量转换成数字量。由于是准电压的产生及比较方法不同，比较式A/D转换器中又分为若干种。其中斜坡比较式属于开环比较式，结构简单，转换的是被测量的瞬间值，但抗干扰能力差，准确度低。逐次逼近式属于闭环比较式，速度快，准确度高，应用广泛。积分式A/D转换通过对被测量进行积分，将被测量转化成中间量（时间或频率），然后再将中间量转换成数字量。积分式A/D转换测量的平均值，它的抗干扰能力强，准确度高，但速度较慢。积分式A/D转换器可分电压-时间（V-T）转换式和电压-频率（V-F）转换式，每一种根据转换的特点又分为若干类。（8）4.2 模拟量输出通道1. AO通道的一般结构模拟量输出通道有以下两种基本结构形式。1） 多通道独立D/A转换形式这种形式的结构如图4-4所示。由于目前D/A转换器芯片内部一般带来数据锁存器，所以这种连接方式的不需要采样保持器。一旦数据送入D/A转换器只要没有新的数据输入，它就保持原来的输出值。这种结构的组成包括：I/O接口：接受来自CPU的数据、地址及控制信号，并向CPU送应答信号，具体器件如8155。D/A转换器：其作用是数字量转换成相应的模拟量，下面会讲到。隔离级：将计算机与被控对象隔离开来，以防止来自现场的干扰。图4-中所示为模拟侧隔离，另外可将隔离移到D/A转换器之前，构成数字式隔离。输出级：由运算放大器，V/I转换器等组成，以提供不同形式的输出信号。执行器：其作用是接受微机通过AO发来的控制信号，并转换成执行机构的动作，使生产过程按照预先规定的要求正常进行。她包括电动、气动和液压执行器械。多通道独立D/A转换器结构的优点是转换速度快，工作可靠、精度高且各个通道互相独立而互不影响。缺点是使用较多D/A转换器，投资较高。工业控制中多采用此种形式。2） 多通道共享D/A转换形式这种形式由于D/A转换器是共用的，所以每一个模拟量输出通道都需要一个采样保持器S/H, 如图4-5所示.图中的采样保持器的作用是将D/A转换器输出的离散模拟量转换成执行器件能接受的连接信号，即把上一时输出的采样值保持到下一次输出。这种结构的优点是节省D/A转换器。由于公用一个D/A，在CPU控制下分时工作，D/A转换器依次把数字量转换成模拟电压或电流，通过多路开关给各路输出采样保持器，而保持器不能长久保持信号不变，因此这种结构精度较差，只适用转换数字要求不高、通路较多的情况 （9）2. D/A转换器的结构框图D/A转换器的工作原理可用图4-6所示的结构框图来说明。D/A转换器中包含由电阻（或电容）和开关组成的网络。模拟参考电压在网络的输入端。被转换的数字信号控制网络中开关的闭合，改变网络的参数，从而使网络输出与数字量相对应的模拟电流或电压。这样就实现了数-模转换。DAC的种类很多，绝大多数DAC都为电流输出，有的兼有电流和电压输出；输出模拟量和输入数字量之间的函数关系既有线性的，也有非线性的；数字信号输入方式有并行的，也有串行的；多数D/A转换器既可对普通二进制数码进行单极性转换，又可以通过改变外部接线，对补码、反码、偏移二进制码或符号-数值码进行双级性转换。实际产品的结构不一定包括图中所有部分，但虚线中的部分则应是必备的。5、 参考文献1. 金以慧 过程控制 清华大学出版社 （第3页）2. 程翔等DSP数字信号处理器发展及应用简介 山东电子 第1期3. 焦李成 电流模式模拟信号处理的进展与展望 电子学报 第7期4. 马西秦 自动检测技术 机械工业出版社 第2版 （3233页）5. 马西秦 自动检测技术 机械工业出版社 第2版 （5152页）6. 马西秦 自动检测技术 机械工业出版社 第2版 （6162页）7. 杨宁 微机控制技术 高等教育出版社 （1113页）8. 陶时澎 电气测量 哈尔滨工业大学出版社 （8687页）9. 杨宁 微机控制技术 高等教育出版社 （4142页）10. 陶时澎 电气测量 哈尔滨工业大学出版社 （8283页）毕业设计论文信息与电子工程系 课题名称： 基于PLC的液位控制系统的设计学生姓名： 学号: 指导教师： 报告日期： 第一章 绪 论1.1 PLC的定义及现状可编程控制器出现前，继电器控制在工业控制领域占据主导地位。但是继电器控制系统具有明显的缺点：设备体积大、可靠性低、故障查找困难以及维修不方便。由于接线复杂，当生产工艺和流程改变时必须改变接线，因此，其通用性和灵活性较差。20世纪60年代，计算机技术开始应用于工业控制领域，但由于价格高、输入输出电路不匹配、编程难度大以及难以适应恶劣工业环境等原因，未能在工业控制领域获得推广。20世纪60年代末，美国汽车制造工业竞争激烈，为适应生产工艺不断更新的需要，1968年美国通用汽车公司（GM）提出了研制新型逻辑顺序控制装置的十项招标指标。主要内容是：1) 编程方便，可现场修改程序。2) 维修方便，采用插件式结构。3) 可靠性高于继电器控制装置。4) 体积小于继电器控制盘。5) 数据可直接送入管理计算机。6) 成本可与继电器控制盘竞争。7) 输入可为市电8) 输出可为市电，容量要求在2A以上，可直接驱动接触器等。9) 扩展时原系统改变最小。10) 用户存储器大于4KB。 这些实际上提出了将继电器控制的简单移动、使用方便、价格低的优点与计算机的功能完善、灵活性、通用性好的优点结合起来，将继电接触器控制的硬连线逻辑转变为计算机的软件逻辑编程的设想。美国数字设备公司（DEC）中标，并于1969年研制出第一台可编程控制器PDP-14，在美国通用汽车公司的生产线上试用成功，并取得了满意的效果，可编程控制器自此诞生。随着电子技术的发展，可编程控制器(Programmable Logic Controller.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。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 信号处理的现状和发展(1) DSP数字信号处理器的发展步入21世纪之后,社会进入数字化的时代,而数字信号处理器(digitalsignalprocessor)正是这场数字化革命的核心从20世纪60年代数字信号处理理论的崛起，到20世纪80年代世界上第一个单片可编程DSP芯片产生以来,数字信号处理器的发展迅猛异常DSP的应用范围也越来越广。现代DSP芯片作为可编程超大规模集成(VLSI)器件,通过可下载的软件或固件来实现数字信号处理功能DSP芯片除具有普通微处理器的高速运算和控制功能外,还针对高数据传输速率,数值运算密集的实时数字信号处理,在处理器结构,指令系统,和指令流程设计上做了较大改动其结构特点有:a.DSP芯片普遍采用改进的哈佛结构,即数据总线和程序总线相互分离,这使得处理指令和数据可以同时进行,提高了处理效率b.DSP芯片大多采用流水线技术,即每条指令的执行划分为取指,译码,取数等若干步骤,由片内多个功能单元分别完成这相当于多条指令并行执行,从而大大提高了运行速度c.片内有多条总线可以同时进行取指和取操作数动作并且有辅助寄存器自动增减地址协助寻址d.配有独立的乘法器!加法器和特殊指令,适用于需要大量乘累加器操作的矩阵运算,滤波,FFT,Viterbi译码和相关的专用信号处理运算e.大多数DSP芯片一般都带有DMA控制器,外部存储器,外部存储器扩展接口,串行通信,配合片内多总线结构可以实现大吞吐量数据传送f.DSP芯片一般配有中断处理器,定时器,片内存储器和锁相环(PLL)等片内集成外设,可以方便的实现一个嵌入式自封闭控制的处理系统g.省电管理和低功耗适于便携式数字终端设备发展趋势:DSP内核结构进一步完善;DSP和微处理器的融合;MPU是低成本的,主要执行智能定向控制任务的通用微处理器,但其数字信号处理能力很差,DSP功能正好与其相互补充;DSP和高档CPU的融合;DSP和SOC(System-on-chip)的融合;DSP和FPGA的融合;实时操作系统RTOS与DSP结合(2)（2）电流模式模拟信号处理的发展多年来，电子工程师似乎总是认为世界是由电压所支配，安培只是从属于伏特，新近的研究表明，由标准的电压运算放大器综合的电流模式电路比用同样的器件以电压模式综合实现的电路性能好得多，跨导运放极有希望发展成为模拟VLSI中的模拟门阵列最基本的积木块，T-C技术使得全集成连续时间信号处理器的单片集成化成为可能，用电流模式方法设计的ANN集成电路克服了电压模式ANN集成电路的缺陷，可实现编程闭值的突触阵列，从而为神经计算机的VLSI实现提供了新的途径。目前，集成电路的设计由于电流模式电路技术的发展和应用而获得了新的生长点，模拟VLSI的最新进展使得开发和实现电流模式信号处理成为可能.电流模式技术和方法对于诸如放大器、变换器、A/D和D/A、采样数据和连续时间滤波器、自校正系统，编程系统、ANN(人工神经网络)和神经计算机等许多问题提供了最有吸引力的途径，并将对微电子学与信息科学、计算机科学与AI,控制与机器人等领域的发展产生重要的影响.在988年IEEE电路与系统国际会议上英国B.WiIson教授等人介绍了电流模式信号处理的一些新近进展s，引起了人们的广泛兴趣，1988年和1990年IEEE电路与系统国际会议上开辟了“电流模式信号处理”专门小组报告和大会前的专题学术付论会，并把其作为VLSI和模拟信号处理的重点前沿方向，一场“电流模式信号处理的热潮正在国际上迅速兴起。人们预计电流模式模拟信号处理与IC设计技术的发展将会改变目前电压模式模拟信号处理统治VLSI的局面，形成与其共同发展、互为补充、互相兼容的新格局.发人深醒的是、二十年前就有人在此领域作过努力与尝试o-h由于电压模式IC技术的迅速发展而淹没了这些工作，也正是由于电压模式信号处理技术和VLSI发展到今天，给电流模式信号处理的实现提供了技术上的可能性，同时随着现有模拟VLSI技术的迅速发展和广泛应用，使得人们得以认识电压模式信号处理和VLSI技术的局限性，从而开始考虑电流模式信号处理的能力，促进了电流模式信号处理的诞生和发展.本文旨在对这一刚刚诞生的科学生长点电优模式信号处理的发展现状作一评述，讨论电流模式信号处理与集成电路设计的基本方法，展望其发展前景并指出有关前沿研究课题，以期促进我国在这一新领城的研究和发展. （3）1.3 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。1.4 论文内容的研究工作本文的主要内容包括：水箱的特性确定与实验曲线分析；应用PLC语句编程来控制水箱水位；S7-300可编程控制器的硬件掌握；PID参数的整定及各个参数的控制性能的比较和应用PID控制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。 第二章 液位控制技术基础和控制对象本次设计是基于S7-300系列中小型PLC设计的，运用PID算法实现水箱液位的控制。本章将主要介绍液位控制系统的设计的技术基础和控制对象的特性。2.1 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，可以和计算机连接，现在使用的实验系统装置带有了集成的现场总线PROFIBUS-DP接口，S7-300不需要附加任何硬件、软件和编程，就可以建立一个MPI（多点接口）网络，这套实验 装置由PROFIBUS-DP接口，可以建立一个DP网络。PLC作为下位机，利用计算机作为上位机进行编程。功能强大的CPU的RAM存储容量为512KB，有8192个存储器位，512个定时器和512个计数器，数字量通道最大为65536点，模拟量通道最大为4096个，由于使用Flash EPROM，CPU断电后无需后备电池可以长时间保持动态数据，使S7-300成为完全无维护的控制设备。S7-300系列PLC的主要特点是：（1） 功能强l 极强的计算性能，完善的指令集，MPI接口和通过SIMECLAMS联网的网络功能，使S3-300功能更强。l 强劲的内部集成功能，全面的故障诊断功能、口令保护，便利的连接系统和无槽位限制的模块化结构。（2） 快速l 极其快速的指令处理大大地缩短了循环周期。（3） 通用，着眼未来l 满足各种要求的高性能模块和三种CPU适用于任一场合。l 模块可扩展至最多三个扩展机架，相当高的安装密度。用于与SIMATIC其他产品相连的接口，集成了MMI（人机界面）设备，用户友好的Windows STEP7编程，使得S7-300成为对未来的安全投资。2.2 控制策略的介绍毕业设计控制的是上下水箱的液位。只控制上水箱液位，采用单闭环PID调节，控制上水箱下水箱的液位，采用双闭环的串级PID控制。采用PID控制要涉及到PID控制算法PID控制调节器参数的整定，下面就介绍PID控制算法、PID参数的整定。 2.2.1 PID控制算法典型的PID模拟控制系统如图3-1所示。图中是给定值，为反馈量，为系统输出量，PID控制器的输入输出关系式为： （3-1）即输出=比例项+积分项+微分项+输出初始值，式中，是控制器的输出，误差信号,是回路输出的初始值，是PID回路的增益，和分别是积分时间和微分时间常数。 式（3-1）中等号右边前3项分别是比例、积分、微分部分，它们分别与误差、误差的积分和微分成正比。如果取其中的一项或两项，可以组成P、PD或PI控制器。图3-1 模拟量闭环控制系统PLC能控制大量的物理参数，例如:温度、流量、压力和速度。PID模块提供了使PLC具有闭环控制的功能，即一个具有PID控制能力的PLC可用于过程控制。当过程控制中某个变量出现偏差时，PID控制算法会计算出正确的输出，把变量保持在设定值上。需要较好的动态品质和较高的稳态精度时，可以选用PI控制方式；控制对象的惯性滞后较大时，应选择PID控制方式。图2-9所示分别为当设定值由0突变到x时，在比例（P）作用、比例积分（PI）作用和比例积分微分（PID）作用下，被调量y变化的过渡过程。可以看出比例积分微分作用效果为最佳，能迅速地使y达到设定值x。比例积分作用则需要稍长的时间。比例作用则最终达不到设定值，而有余差。图2-9 控制特性为了方便计算机实现PID控制算式，必须把微分方程式（2-7）改写成差分，作如下的近似，即 （2-8） （2-9）其中T为控制周期，n为控制周期序号（n=0，1，2，），e（n-1）和e（n）分别为第（n-1）和第n控制周期所得的偏差。将式（2-8）和式（29）代入式（27）中可得差分方程 （210）其中M(n)为第n时刻的控制量。如果控制周期T与被控对象时间常数Td比较是相对小的，那么这种近似是合理的，并与连续控制十分接近。式（25）即是理想微分PID数字控制器。2.2.2 PID参数整定调节器参数的整定是过程控制系统设计的核心内容，它的任务是：根据被控过程对象的特性确定PID调节器的比例度，积分时间TI以及 微分时间 TD的大小。 调节器参数整定的方法很多，概括起来可以分为两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，采用控制理论种根轨迹法、频率特性法等，经过理论计算确定调节器参数的数值，这种方法计算复杂，而且过依赖数学模型，所得到的计算数据未必可直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定法，它主要依赖工程经验，直接在过程控制系统的实验中进行，方法简单，易于掌握，在工程实际中被广泛采用。 调节器参数的工程整定方法，主要有临界比例度法、反应曲线法和衰减曲线法。 对于温度控制系统来说，反应时间比较长，采用临界比例度法是不适合的。在过程控制实验过程中采用的是反应曲线法来对控制调节器进行参数的整定。2.2.3 PID参数性能 PID控制器参数，比例系数(增益)KP，积分时间常数TI，微分时间常数TD分别能对系统性能产生不同的影响2。l 比例系数对系统性能的影响：对动态性能的影响：比例系数加大，系统动作迅速，KP偏大，则振荡次数加多，调节时间加长，太大的时候，系统会趋于不 稳定，KP太小，由会使系统的动作缓慢。 对稳态性能的影响： 加大比例系数，在系统稳定的情况下，可以减小稳态误差，提高控制精度；但是只是较小稳态误差，不能完全消除稳态误差l 积分时间常数TI对系统性能的影响对动态性能的影响：TI太小时，系统将不稳定，偏小时，则系统振荡次数较多。TI太大，对系统性能的影响减少。当TI合适的时候，过渡过程的特性则比较理想对稳态性能的影响： 积分控制能消除系统的稳态误差，控制系统的控制精度，。但是若TI太大时，积分太弱，以至不能减小稳态误差。l 微分时间常数TD对系统性能的影响：微分控制可以改善动态特性，如超调量减小，调节时间缩短，允许加大比例控制，使稳态误差减小，提高控制精度。当TD偏大时，超调量较大，调节时间较长当TD偏小时，超调量也较大，调节时间也较长 只有TD合适时，可以得到比较满意的过渡过程2.3 信号处理 信号处理所涉及到的个部分：传感器，模拟量输入通道AI，输出量输出通道DO。其中AI分为信号处理器，多路开关，采样保持器（S/H）,信号放大器和A/D转换器和I/O接口电路。DO分为I/O接口电路，D/A转换器隔离级，输出级和执行级。 2.3.1 液位传感器适用于测液位的传感器有很多种，现在简要介绍几种：（1） 热敏电阻传感器热敏电阻是一种利用半导体制成的敏感元件，其特点是电阻率随温度而易变化。热敏电阻因其电阻温度系数大，灵活度高；热惯性小，反应速度快；体积小，结构简单；使用方便，寿命长，易实现远距离测量等特点得到广泛地应用。作液面位置传感器用的热敏电阻通以电流将引起自身发热，当处于两种不同介质中，电阻的散热条件不同，流过的电流也不同。通过电流表的指示可以反映液面的水平位置，如图3-1所示。（4）（2） 电容式液位传感器电容式液位传感器是利用被测介质液面变化为电容变化的一种介质变化型电容式传感器。图3-2a是用于被测介质是非导电物质时的电容式传感器。当被测液面变化时，两电极间的介质常数将发生变化，从而导致电容的变化。图3-2 电容式液位传感器1-内电极 2-外电极 3-绝缘层图3-2b适用于测量导电液体的液位。液面变化时相当于外电级的面积在改变，这是一种变面积型电容传感器（5）（3） 电感式液位传感器电感式传感器是利用被测量的变化引起线圈自感或互感系数的变化，从而导致线圈电感的改变这一物理现象来实现测量的。因此根据转换原理，电感式传感器可以分为自感式和互感式两大类。图3-4是采用了电感式传感器的沉筒式液位计。由于液位的变化，沉筒所受浮力也将产生变化，这一变化转变的位移，从而改变了差动变压器的输出电压，这个输出值反映了液位的变化值。（6）2.4 过程通道过程通道是在微机和生产过程之间设置的信息传递和转换的连接通道，它包括数字量输入通道，模拟量输入通道，数字量输出通道，模拟量输出通道。生产过程的各种参数通过数字量输入通道或模拟量输入通道送入微机，微机经过计算机和处理后所得结果通过数字量输出通道或模拟量输出通道送到生产过程，从而实现生产过程的控制。液位控制的过程通道是由模拟量输入通道和模拟量输出通道组成。2.4.1模拟量输入通道1. AI 通道的一般结构模拟量输入通道因检测系统本身的特点、实际应用的要求等因素的不同，可以有不同的形式。比如，对于高速系统，特别是需要同时得到系数众多数据的系统，可系统，可采用图4-1所示结构。其特点是速度快，工作可靠。即使某一通路有故障，也会影响其他通路正常工作。但通道越多，成本越高，而且会使系统体积大，也给系统较准带来困难。如对几百路信号巡检采集数据，采用这种结构很难实现。因此，通常采用的结构是多路通道共享采样/保持和模数转换电路。图4-2所示为多路模拟输入通道的一般结构。由图可见，多路AI由信号处理、多路开关、放大器、采样保持器和模数转换组成。信号处理器的功能是对来现场的多路模拟信号滤波、隔离、电平转换、非线性补偿、电流电压转换等。多路开关将多路信号按一定顺序要求切换到放大器的输入端。放大器是将传感器输出的弱信号放大到A/D转换器所需电平。采样保持器的作用，一是保证A/D转换过程中被转换的模拟量保持不变，以提高转换精度；二是可将多个相关的检测点在同一时刻的状态量保持下来，以供分时转换和处理，确保每个检测量在时间上的一致性。若模拟输入电压信号变化缓慢，A/D转换精度能够满足要求，则S/H可省不用。A/D将模拟信号转换成数字信号，以使计算机能够接收。2. AI 通道中的信号变换1） 信号的采样信号的采样过程如图4-3所示。执行采样动作的是采样器S,S每隔一个时间间隔T闭合一个时间r。T称为采样周期，r称为宽度。时间和幅值上均连续的模拟信号Y(t)通过采样器后，被变换为时间上离散的采样信号Y*(t)。模拟信号到采样信号的变换过程称为采样过程或离散过程。采样信号Y*(t)是否能如实的反映模拟信号Y(t)的所有变化与特征呢？香农采样定理指出：如果模拟信号（包括噪声干扰在内）频谱的最高频率为,只要按照采样频率进行采样，那么采样信号Y*(t)就能唯一地复现Y(t)。采样定理给出了Y*(t)唯一地复现Y(t)所需的最底采样频率。实现应用中，常取。2） 量化采样信号在时间轴上是离散的，但在函数轴上仍然是连续的，因为连续信号Y(t) 幅值上的变化，也反映在采样信号Y*(t)上。所以，采样信号仍然不能进入微机。微机只能接受在时间上的离散，幅值上变化也不是连续的数字信号。将采样信号转换为数字的过程称为量化过程，执行量化动作的装置是A/D转换器。字长为n的A/D转换器把范围内变化的采样信号，变换为数字，其最低有效位所对应的模拟量q称为量化单位。 量化过程实际上是一个用q去度量采样值幅值高低的小数归整过程，存在的量化误差。例如， q=20mV，量化误差为，1.0090.99V范围内的采样值，其量化结果是相同的，都是数字50。在A/D转换器的字长n足够长，量化误差足够小，可以认为数字信号近似于采样信号，在这种条件下，数字信号系统可沿用采样系统的理论和方法进行分析、设计。（7）3. A/D转换器A/D转换器的种类很多，按工作原理可分为比较式和积分式两大类。比较式A/D转换器的工作原理实质上是将被转换的模拟量与转换器产生的基准电压进行比较，从而将模拟量转换成数字量。由于是准电压的产生及比较方法不同，比较式A/D转换器中又分为若干种。其中斜坡比较式属于开环比较式，结构简单，转换的是被测量的瞬间值，但抗干扰能力差，准确度低。逐次逼近式属于闭环比较式，速度快，准确度高，应用广泛。积分式A/D转换通过对被测量进行积分，将被测量转化成中间量（时间或频率），然后再将中间量转换成数字量。积分式A/D转换测量的平均值，它的抗干扰能力强，准确度高，但速度较慢。积分式A/D转换器可分电压-时间（V-T）转换式和电压-频率（V-F）转换式，每一种根据转换的特点又分为若干类。（8）2.4.2模拟量输出通道1. AO通道的一般结构模拟量输出通道有以下两种基本结构形式。1） 多通道独立D/A转换形式这种形式的结构如图4-4所示。由于目前D/A转换器芯片内部一般带来数据锁存器，所以这种连接方式的不需要采样保持器。一旦数据送入D/A转换器只要没有新的数据输入，它就保持原来的输出值。这种结构的组成包括：I/O接口：接受来自CPU的数据、地址及控制信号，并向CPU送应答信号，具体器件如8155。D/A转换器：其作用是数字量转换成相应的模拟量，下面会讲到。隔离级：将计算机与被控对象隔离开来，以防止来自现场的干扰。图4-中所示为模拟侧隔离，另外可将隔离移到D/A转换器之前，构成数字式隔离。输出级：由运算放大器，V/I转换器等组成，以提供不同形式的输出信号。执行器：其作用是接受微机通过AO发来的控制信号，并转换成执行机构的动作，使生产过程按照预先规定的要求正常进行。她包括电动、气动和液压执行器械。多通道独立D/A转换器结构的优点是转换速度快，工作可靠、精度高且各个通道互相独立而互不影响。缺点是使用较多D/A转换器，投资较高。工业控制中多采用此种形式。2） 多通道共享D/A转换形式这种形式由于D/A转换器是共用的，所以每一个模拟量输出通道都需要一个采样保持器S/H, 如图4-5所示.图中的采样保持器的作用是将D/A转换器输出的离散模拟量转换成执行器件能接受的连接信号，即把上一时输出的采样值保持到下一次输出。这种结构的优点是节省D/A转换器。由于公用一个D/A，在CPU控制下分时工作，D/A转换器依次把数字量转换成模拟电压或电流，通过多路开关给各路输出采样保持器，而保持器不能长久保持信号不变，因此这种结构精度较差，只适用转换数字要求不高、通路较多的情况 （9）2. D/A转换器的结构框图D/A转换器的工作原理可用图4-6所示的结构框图来说明。D/A转换器中包含由电阻（或电容）和开关组成的网络。模拟参考电压在网络的输入端。被转换的数字信号控制网络中开关的闭合，改变网络的参数，从而使网络输出与数字量相对应的模拟电流或电压。这样就实现了数-模转换。DAC的种类很多，绝大多数DAC都为电流输出，有的兼有电流和电压输出；输出模拟量和输入数字量之间的函数关系既有线性的，也有非线性的；数字信号输入方式有并行的，也有串行的；多数D/A转换器既可对普通二进制数码进行单极性转换，又可以通过改变外部接线，对补码、反码、偏移二进制码或符号-数值码进行双级性转换。实际产品的结构不一定包括图中所有部分，但虚线中的部分则应是必备的。2.5 过程控制实验对象系统在毕业设计中用到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。液位控制系统的原理图如图2-1所示。l 阀17为手动阀l 压力变送器送出420mA的电流l 单向泵1：家用型单向泵l 压力表：测量范围：00.25MPal QS智能型电动调节阀：输出电流420mA2.6 控制对象特性2.6.1 一阶单容上水箱特性单容水箱系统结构图如图2-1所示，电动调节阀由S7-300PLC手动输出，通图2-1 上水箱液位控制系统原理图过阶跃响应测试确定系统的对象模型的各参数。阶跃响应响应测试法是系统在开环运行条件下，待系统稳定后，通过调节器或其他操作器，手动改变对象的输入信号（阶跃信号）。同时，记录对象的输出数据或阶跃响应曲线，然后根据已给定对象没模型的结构形式，对实验数据进行处理，决定模型中各参数。由阶跃响应确定一阶过程参数有两种方法，一种是直角坐标图解法，一种是半对数坐标图解法。毕业设计运用直角坐标图解法确定系统一阶系统的参数。系统的阶跃响应曲线如图2-2所示，t=0时曲线斜率最大，之后斜率减小，逐渐上升到稳态值h()，该曲线可用一阶无时延环节来近似。图2-2 一阶系统阶跃响应曲线如图2-1所示，设水箱进水口的进水量为Q1，出水口出水量Q2，水箱液面高度为h。出水阀4固定于某一开度值。根据物料动态平衡的关系，求得： （2-1） 在零初始条件下，对上式求拉氏变换，得： （2-2）式中，T为水箱的时间常数（阀4的开度大小会影响到水箱的时间常数），T=R2*C，K=R2为过程放大倍数，R2为阀4的液阻，C为水箱的容量系数。令输入量Q1（s）=R0/s，R0为常量，则输出液位的高度为 （2-3）根据上式，需要确定的参数是过程放大系数K和水箱的时间常数T。当t=T时，有 （2-4）即 （2-5）当t时，h（）=KR0，因而有K=h（）/R0=输出稳态值/阶跃输入。过t=0作曲线切线，该切线与h（）线交于A点，则OA在时间轴上的投影即为时间常数T，见图2-2 在一阶单容上水箱对象特性测试实验中，先设定输出值的大小，这个值根据出水阀门的开度大小来设定，初次设定的值为，开启单向泵电源开关，启动动力支路，将被控参数液位高度控制在（15cm）。上水箱的水位趋于平衡，平衡后输出值、水箱水位高度和测量显示值如表2-1所示。表2-1 第一次稳定后的纪录值PLC输出值水箱水位高度h1组态显示值0100cmcm迅速增加PLC手动输出值，增加5%的输出量，此引起的阶跃响应的过程参数如表2-2所示。，由此得到的变化曲线如图2-3所示。表2-2 增加PLC手动输出后的过程参数t（秒）水箱水位h1（cm）组态读数（cm）图2-3增加输出值后的变化曲线进入新的平衡状态，这时的数据如表2-3所示。表2-3 新的平衡状态的数据PLC输出值水箱水位高度h1组态显示值0100CmCm再将输出仪表调回到系统第一次平衡前的位置，纪录阶跃响应过程参数的曲线如图2-4所示。图2-4 达到新的平衡的曲线由上述的实验可以根据前面所说的方法求出一阶环节的参数T和K。T=0.632h（）2.6.2 二阶双容下水箱对象特性二阶双容水箱的系统结构图如图2-5。这是由两个一阶非周期惯性环节串联图2-5 上水箱下水箱系统图起来的，被调量是第二水槽的水位h2。当输入量有一个阶跃增加Q1时。被调量变化的反应曲线如图2-6所示的 h2曲线。它不再是简单的指数曲线，而是呈图2-6被调量变化的反映曲线S型的一条曲线。由于多了一个容器，就使调节对象的飞升特性在时间上更加落后一步。在图中S型曲线的拐角P上作切线，它在时间轴上截出一段时间OA，这段时间可以近似地衡量由于多了一个容量而使飞升过程向后推迟的程度，因此称容量滞后，通常以c代表之。设上水箱进水口的流量为双容水箱的输入量，下水箱的高度h2为输出量，根据物料动态平衡关系，并考虑到液体传输过程中的时延，其传递函数为 （2-6）式中K=R3，T1=R2C1，T2=R3C2，R2、R3分别为阀5和阀6的液阻，C1和C2分别为上水箱和下水箱的容量系数。由式中的K、T1和T2须从由实验求得的阶跃响应曲线上求出。开启单向泵电源开关，启动动力支路，将PLC的输出值迅速上升到小于等于60，将被控参数液位高度控制在15cm处。系统的被调量水箱的水位趋于平衡后，纪录PLC的输出值、水箱液位h2和PLC的测量显示值如表2-4所示。表2-4 二阶双容下水箱对象特性实验第一次稳定后的纪录值PLC输出值水箱水位高度h1组态显示值0100CmCm迅速增加PLC手动输出值，增加10%的输出量，这时的阶跃响应过程参数如表2-5所示，它的过程变化曲线如图2-7所示。表2-5 输出增加后的阶跃响应参数t（秒）水箱水位h1（cm）组态读数（cm）图2-7 输出值增加后的二阶系统的过程变化曲线进入新的平衡状态，这时的数据如表2-6所示。表2-6 新的平衡状态的数据PLC输出值水箱水位高度h1组态显示值0100CmCm再将输出仪表调回到系统第一次平衡前的位置，纪录阶跃响应过程参数的曲线如图2-8所示。图2-8 达到新的平衡的曲线由曲线2-7上得出h2（t）的稳态值的渐近线h2（）为，时曲线上的点A和对应的时间t1为，时曲线上的点B和对应的时间t2为。利用近似公式计算式26中的参数K、T1和T2，具体如下：最后求出K=，T1=，T2=。对于式2-6所示的二阶过程，0.32t1/t20.46。当t1/t2=0.32时，为一阶环节；当t1/t2=0.46时，过程的传递函数(此时)。3.3.1 串级控制系统 在大多数情况下，单回路控制系统能够满足工艺生产的基本要求。但是在有些情况下，例如有些被控过程的动态特性决定了它很难控制，又例如有些工艺过程对控制质量的要求很高，此时单回路控制系统就满足不了要求，需要开发和运用新的控制系统，以进一步提高控制质量。对于过程控制系统装置，温
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