基于PLC的液位控制系统的设计小论文

毕 业 设 计 论 文课题名称： 基于 PLC 的液位控制系统的设计第一章 绪 论1.1 PLC 的产生、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 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。 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 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 满足各种要求的高性能模块和三种 CPU 适用于任一场合。 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，tsptpv为系统输出量，PID 控制器的输入输出关系式为：tc（3-intalDtICMdteTeKtM/101）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)(t号, intalM是回路输出的初始值， 是 PID 回路的增益， 和 分别tpvste CKITD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-njtTed00)(8）（2-Tndte)1()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 intalDnjIC MenTeeKnM)1()()()(0（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T d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)K P，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。 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，K P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，K P 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 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。T I 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。 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 ,maxF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max2FfY(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 。ax)105(f2）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maxFin为数字 ，其最低有效位所对应的模拟量 q 称为量化单位。012n)12/(minaxYq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 ，q2/1 mV101.0090.99V 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。 阀 17 为手动阀 压力变送器送出 420mA 的电流 单向泵 1：家用型单向泵 压力表：测量范围：00.25MPa 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：（2-122 QRdtCR1） 在零初始条件下，对上式求拉氏变换，得：（2-1)(21 sTKsCRsQHG2）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=R 2 为过程放大倍数，R 2 为阀 4 的液阻，C 为水箱的容量系数。令输入量 Q1（s）=R 0/s，R0 为常量，则输出液位的高度为（2-1)()0TsKTH3）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-）（）（）（ hReKRTh63206320104）即 （2-)1()(0TteKRth5）当 t时，h（）=KR 0，因而有 K=h（）/R 0=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0100 cm cm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0100 Cm Cm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（） 00)()(RhhK2.6.2 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-seSTKSGQH)1)()( 21126）式中 K=R3，T 1=R2C1，T 2=R3C2，R 2、R 3 分别为阀 5 和阀 6 的液阻，C 1 和 C2 分别为上水箱和下水箱的容量系数。由式中的 K、T 1 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 PL