基于PLC的液位控制系统的设计【无CAD图】
收藏
资源目录
压缩包内文档预览：(预览前20页/共27页)
编号：644433
类型：共享资源
大小：607.70KB
格式：RAR
上传时间：2016-05-05
上传人：信达机械Q****3512...
IP属地：江苏
15
积分
- 关 键 词：
-
基于
plc
控制系统
设计
液位控制
基于PLC的液位控制系统
- 资源描述：
-
基于PLC的液位控制系统的设计【无CAD图】,基于,plc,控制系统,设计,液位控制,基于PLC的液位控制系统
- 内容简介：
-
术概况 一、 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 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 2、随着电子技术和计算机技术的发生， 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 了方便，也为了反映或可编程控制器的功能特点，美国 司将可编程序控制器定名为可编程序逻辑控制器 并将 “为其产品的注册商标。现在，仍常常将 称 4、上世纪 80 年代至 90 年代中期，是 展最快的时期，年增长率一 直保持为 3040%。在这时期， 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， 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 统 . 5、近年，工业计算机技术（ 现场总线技术（ 展迅速，挤占了一部分 场， 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 品，主要应用在汽车（ 23%）、粮食加工（ 、化 学 /制药（ 、金属 /矿山（ 、纸浆 /造纸（ 等行业。 二、典型的 品 1、国外 施耐德公司， ； 罗克韦尔（ 司）， ； 西门子公司， 700/200 系列； 日本欧姆龙、三菱、富士、松下等。 2、国内 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、 我国的应用 虽然我国在 产方面非常弱，但在 用方面，我国是很活跃的，近年来每年约新投入 10 万台套 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 为以下级别（但不绝对，国外分类有些区别）： 微型： 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 统中， I/O 64 点以下 售额占整个 47%，64 点 256 点的占 31%，合计占整个 售额的 78%。 在我国应用的 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 多，小型控制系统、机床、设备单体自动化及 品采用日本的 多。欧美 日本 灵活性和价位方面占优势。 我国的 应渠道，主要有制造商、分销商（代理商）、系统集成商、 终用户。其中，大部分 通过分销商和系统集成商达到最终用户的。 四、 展的重点 1、人机界面更加友好 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 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， 络 模式被广泛应用。 2、网络通讯能力大大加强 家在原来 板上提供物理层 22/485 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 A B 公司主推的三层网络结构体系，即 门子公司在 络等。 3、开放性和互操作性大大发展 发展过程中，各 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） 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） 订了基于 编程语言标准 规定了指令表（ 梯形图（ 顺序功能图（ 功能块图（ 结构化文本（ 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 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） 金会推出了 准，这进一步增强了软硬件的互操作性，通过 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 件产品和相当一部分仪表、执行机构及其它设备具有了 能。 现场总线技术的结合，是未来控制系统向 术发展的趋势。 4、 功能进一步增强，应用范围越来越广泛。 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， 相当多的应用取代了昂贵的 而使原来 序控制） 程控制）的模式变成 式。 5、工业以太网的发展对 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 商纷纷推出适应以太网的产品或中间产品。 6、 软 术 的发展， 进入 90 年代后期 , 人们逐渐认识到 , 传统 称硬 自身存在着这样那样的缺点 :由于传统 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 生产被几家厂商所垄断 ,造成 性价比增长很缓慢。这些问题都成了制约传统 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 面的国际标准的制定 ,一项打破传统 限性的新兴技术发展起来了 ,这项技术就是软 术。于是 入了其发展的第 4 阶段。其特征是 :在保留 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 功能 ,这就是国际上出现的高新技术 软 术。 1 第一章 绪 论 定义及现状 随着电子技术的发展 ， 可编程控制器 (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 。 般由上、下位微机组成主从式控制系统。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 够充分发挥各自的优点和功能，实现优势互补。 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。 编程十分方便 。 采用 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 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 。 过程工业控制算法的应用现状 (1) 大量的事实证明，传统的 高达 90%)可取得较好的控制结果。采用改进的 (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 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 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。 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 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 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 提出的、建立在非参数模型脉冲响应基础上的模 3 型预测启发控制 (或称为模型算法控制 (以及 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 (。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。 现场总线 现场总线 (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、 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 49。 现场总线的功能特点及趋势如下： 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 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。 论文内容的研究工作 本文的主要内容包括： 数的整定及各个参数的控制性能的比较； 编程控制器的硬件组态的掌握；应用 制算法和 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。 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。 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 过程控制实验对象系统、 过程控制实验仪表控制台和西门子 列）控制系统。温度控制系统的原理图如图 2 阀 111 为手动阀 温度传感器： 过温度变送器送出 420电流 单向泵 1：家用型单向泵 涡轮流量计：输出信号： 420量范围 ： 0h 压力表：测量范围： 0 能型电动调节阀：输出电流 420 单相可控硅 移相调压：通过 420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 西门子 制系统 大、中型 如西门子的 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 机架和模块组成， 模块化的中小型 用于中等性能的控制要求。品种繁多的 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 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。 块集成了过程控制功能，用于执行用户程序。每个 在使用的实验系统装置带有了集成的现场总线 口， 需要附加任何硬件、软件和编程，就可以建立一个 点接口）网络，这套实验 装置由 口，可以建立一个 络。 功能强大的 储容量为 512 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 为完全无维护的控制设备。 5 硬件组态 硬件组态的任务就是在 生成一个与实际的硬件系统完全相同的系统。 图 2示的就是 硬件组态 : 图 2硬件组态 操作步骤： 1. 首先 15成了多点接口通信协议 ,多点接口 (简称 ,在计算机上插上一块 2. 现场总线 三部分组成 : 布式外围设备 )、 过程自动化）、 场总线报文规范）。 3. 挂的是 分布式 I/ 4. ： *16 *12 . 面挂了两个温度传感器和一个液位传感器 上面操作步骤中的每个模块的型号和地址的按照实际控制系统确定。 6 程介绍 图 2作情况 硬件组态好了以后就可以进行下面的编程工作，可以在 程软件环境下进行程序的编程。 作情况如框图 2示。 构成用户程序的块包括： 组织块 功能块 功能 数据块 系统功能块 系统功能 编程软件 能强大，使用方便， 350多条指令。 功能块图和梯形图编程语言符合 1131 标准，语句表编程语言与标准 保证与 兼容， 3 种编程语言可以互相转 换。用转换程序可以将西门子的 有 编程语言供用户选择。 计数器的计数范围为 1时器的定时范围为 10以使用 面是控制电动调节阀的一段程序说明： L 01 /要输出电动调节阀的开度 15% T 80 /放进位存储器，地址是双字 80 循环监视时间的开始刷新 (从输入模块读信号状态 ,并保存到过程输入映象表 (执行 的程序，事件（日期时间的中断、硬件中断等），调用其他 过程映象输出表（ 到输出模块） 扫描周期 启动 7 /调用系统功能 它转换为输出量 = = 02 /上限值 100% = 00 /下限值 0% = = /如果出错就会在位存储器 ， 不出错就为 0 = /输出值 L 6 T /把转换后的值送到电动调节阀的地址 当然还有其他的一些常用的功能块，在调用的时候就要带上它的数据块，这样才能让它正常运行。控制程序清单详见附录 A。 绍 软件组态，和 连的 样，起到一种监控的作用，让人看了之后，对于 制系统运行的情况有直观的感觉，如在 的变量表中观看各 个地址的数值情况，那就要先记住每个地址对应的变量，虽然可以在选择数据类型的时候选择比较熟悉清楚的表达，但是时间长了或地址分配的多了，或者地址分配比较接近的时候，就容易产生混淆。 不会产生这样的问题。 先在 编程中把每个变量所表示的意义和地址对应起来，然后在 把变量和地址对应起来，在做监控界面的时候就只要连接一下就可以了，如要把以前运行的曲线找出来，那就要在变量记录里面把变量长期归档，这样只要运行图形界面就可以调出以前任何时刻的曲线，这样便于图形的保存和分 析。当然在这些变量建立的 时候要注意其类型。 控制方案设计 毕业设计的课题的 温度控制系统原理图如图 2示，它由锅炉内胆和夹套温度控制系统和热交换器温度控制系统两部分组成。所以把它分成两个部分来分别设计。 8 锅炉内胆和夹套的温度控制系统 在这个部分中控制的是锅炉的夹套温度。可以有两个控制方案： 第一方案：单相泵 1 正常运行，打开阀 2和阀 6，其他的手动阀全部关掉。电动调节阀以一定的开度来控制进入夹套的冷水流量，起到冷却的作用，调节手段是调节三相可控硅调压来控制加热管的功率，加热内胆水温，通过热传导来控制夹套的 温度。 图 2度控制系统原理图 图 2 内胆 (副控 )夹套 (主控 )温度 串级控制系统 9 锅炉夹套温度控制系统的框图如图 2用串级控制的方案来实现。 实验以串级控制系统来控制锅炉夹套的温度，以锅炉内胆为副对象，锅炉内胆直接接触三相 间常数小、时延小，控制通道短，从而可加快提高响应速度，缩短过渡过程时间，符合副回路选择的超前、快速、反应灵敏等要求。锅炉夹套为主对象，设计好锅炉夹套和内胆温度串级控制系统。将主调节器的输出送到副 调节器的给定，而副调节器的输出控制执行器。由上分析副调节器选纯比例控制，正作用，自动。主调节器选用比例控制或比例积分控制，反作用，自动。 第二方案：控制夹套温度只是控制的手段有所改变，把三相可控硅调压功率恒定，通过 制来调节电动调节阀的开度来控制夹套的温度，夹套的温度高于设定值时就把电动调节阀开大点，相反就开小点。形成一个单回路的控制系统。 热交换器温度控制系统 热交换器控制系统由于控制过程特性呈现大滞后，要保持最后从热交换器热水出水口的温度控制在稳定的温度，用简单的反馈控制不能实现很 好的控制效果，所以采用预测控制中的动态矩阵控制（ 法。 为了说明预测控制是解决这类问题简单而且有效的控制方法，所以设计了用 制热交换器热水出水口的温度，并对两种控制算法所得到的曲线进行比较。 硬件的说明如下：见图 2开单相泵 1和流量泵 2，电动调节阀开度恒定，手动阀 2、7、 8、 9和 10全开，其他的手动阀门全部关掉。冷却的水从水池抽出经过单相泵 1阀 2电动调节阀阀 8出水，流出来的水就不流回水池，以免造成对实验的影响。进入热交换器的热水从内胆出来经过阀 10流量泵 2阀 7阀 9内 胆，形成一个循环的情况，控制测量的温度 就是阀 9上面的那个传感器的温度。 预测控制和 了算法不一样，其他手动阀的开或关都是一样的，电动调节阀恒定，调节对象都是加热管，从而来达到控制热交换器热水出水口的温度。 当然也可以有这样的控制方法：把加热管恒定，以恒定的功率来加热进入热交换器的热水，控制电动调节阀的开度，运用 是这样的思路和控制加热管的功率的思路是两个相反的过程：控制加热管时，采集进来的温度低于设定值时就增加加热管的功率的输出 ，从而来达到使得采集进来的温度跟上设定值；控制电动调节阀时，当采集进来的温度低于设定值时，就要减少电动调节阀的开度，从而使得内胆的水温度升高，这样才能跟上设定值。控制加热管和控制电动调节阀来达到温度控制的目的分别是正作用和反作用的区别。 10 第三章 控制策略的介绍 毕业设计控制的是夹套的温度和热交换器热水出水口的温度。采用了不同的控制方法和控制手段来实现控制效果。第一部分是锅炉夹套的温度控制，采用串级 套为主控，内胆为副控；第二部分为热交换器热水出水口的温度控制系统。采用 法 和单回路 而进行比较。 采用 制就一定要涉及到 制调节器参数的整定，下面就介绍 制算法、 数的整定及选取、串级控制和 法 。 制算法 典型的 拟控制系统如图 3示。图中 给定值， 反馈量， 系统输出量， in /10（ 3 即输出 =比例项 +积分项 +微分项 +输出初始值，式中， )(控制器的输出，误差信号 , 回路输出的初始值， 路的增益， 别是积分时间和微分时间常数。 式（ 3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、 制器。 图 3模拟量闭环控制系统 如 :温度、流量、压力和速度。 一个具有 过程控制中某个变量出现偏差时， 变量保持在设定值上。 温度控制系统是具有大惯性、纯滞后、多变量、时变参数的复杂过程对象，目前，主要采用 例积分微分 )控 制方式，这种方式，对不同的控制对象要用不同的 例作用实际上是一种线性放大 (缩小 ) 功能。采样偏差一旦产生 , 控制器立即产生正比于偏差大小的控制作用 , 使被调量朝误 11 差减小方向变化。其作用大小通过比例增益度量 , 比例增益 大时响应速度快 , 稳态误差小 , 但会产生较大的超调或产生不稳定 , 而 调节时间加长 , 调节精度降低。积分作用则是一种记忆 , 对误差进行累积 , 有利于消除静差。但积分作用如果太强 , 会引起较大超调或振荡 , 且在实际当 中会经常碰到积分饱和现象。微分作用主要是用来产生提前的控制作用 , 改善动态特性 , 减小调整时间 , 使系统易于稳定。 稳和准确的要求。 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节器的比例度 ，积分时间 微分时间 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。 反应曲线法 这是一种开环整定方法， 即利用系统广义过程的阶跃响应特性曲线对调节器参数进行整定。具体的做法是：对图 3使系统处于开环状态。在调节阀 )(录下测量变送环节 )(7。根据这个阶跃响应试验曲线将广义被控过程的传递函数近似表示如下： 12 图 3求广义过程阶跃响应曲线示意图 对于无自衡能力的广义过程，传递函数可写为： )(0 （ 3 对于有自衡能力的广义过程，传递函数可写为： ss 0000 111)(（ 3 假设是单位 阶跃响应，式 3 a）有自衡能力的过程 b）无自衡能力过程 图 3广义过程的单位阶跃响应曲线 根据阶跃响应曲线求得广义过程传递函数，因为毕业设计所涉及到的实验过程都是有自衡能力的过程，所以可以按表 1中的近似经验公式计算调节器的参数。反应曲线法是通过系统开环试验，得到被控过程的典型数学表示后，再对调节器参数进行整定，这种方法理论性相对较强，适用性也较广，并为调节器参数的最优整定提供了 可能。所受的试验条件的限制也较少，通用性强。 13 表 1 =程自衡能力时的整定计算公式 调节 规律 T 101 T 2 数性能 制器参数，比例系数 (增益 )分时间常数 分时间常数 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， 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， 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 能的影响 对动态性能的影响： 14 小时，系统将不稳定，偏小时，则系统振荡次数较多。 大，对系统性能的影响减少。当 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 大时，积分太弱，以至不能减小稳态误差。 微分时间常数 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 调量较大，调节时间较长 当 调量也较大，调 节时间也较长 只有 以得到比较满意的过渡过程 串级控制系统及应用范围 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，温度控制比起液位控制会遇到许多的问题，滞后时间比较长，对于环境的变化多少会受一定的影响。温度的上升和 下降都是非线性的变化，如想要好的控制效果就要引入新的控制系统，运用单回路控制系统来控制是不能达到控制精度和要求。串级控制系统、前馈补偿控制、大时延预估控制等一类较为复杂的控制系统就是适应上述要求而产生的。 串级控制系统的一般结构框图如图 3示。 图 3一般串级控制系统框图 串级控制系统与简单控制系统的显著区别是，串级控制系统在结构上形成两个闭环，一个闭环在里 15 面，称为副环 (或副回路 )，它的输出送往调节阀直接控制生产过程。串级控制只多 了一个测量变送器和一个调节阀，增加的仪表并不多，而控制效果却得到了显著的改善。 级控制特点及应用范围 特点： (1)能够迅速克服进入副回路的干扰，抗干扰能力强，控制质量强； （ 2）改善过程的动态特性，提高了系统的工作频率； （ 3）对负荷和操作条件的变化适应性强； 应用范围： （ 1）应用于容量滞后较大的过程； （ 2）应用于纯时延较大的过程； （ 3）应用于干扰变化激烈的而且幅度大的过程； （ 4）应用于参数互相关联的过程； （ 5）应用于非线性过程； 法 从 1974 年 起，动态矩阵控制（ 作为一种有约束的多变量优化控制算法应用在壳牌石油公司的生产装置上 。 1979 年，卡特勒等在美国化工年会上首次介绍了这一算法。 10多年来，它已在石油、化工等部门的过程控制中获得了成功的应用 2。在本节中，我们将在对原始算法加以推广的基础上，介绍其算法原理。 法是一种基于对象阶跃响应的预测控制算法，它适用于渐近稳定的线性对象。对于弱非线性对象，可在工作点处首先线性化；对于不稳定对象，可首先用常规 制使其稳定，然后再使用法。 预测模型 在 ，首先需要测定对象单位阶跃响应的采样值 .,2,1),( 。其中， T 为采样周期。对于渐近稳定的对象，阶跃响应在某一时刻 后将趋于平稳，以致 )( 与而可认为，( 样，对象的动态信息就可以近似用有限集合 ,21 加以描述。这个集合的参数构成了 6 的模型参数，向量 , 21 称为模型向量， 然阶跃响应是一种非参数模型，但由于线性系统具有比例和叠加性质，故利用这组模型参数 已足以预测对象在未来的输出 值 。 在 k 时 刻 ， 假 定 控 制 作 用 保 持 不 变 时 对 未 来 N 个 时 刻 的 输 出 有 初 始 预 测 值， 1)|( 0 ，（例如在稳态起动时便可取 )()|( 0 ），则当 k 时刻控制有一增量 )(时，即可算出在其作用下未来时刻的输出值： )()|()|( 01 i ， ， 1 （ 3 同样，在 制增量 )1(,),( 作用下未来各时刻的输出值为 ),1()|()|( ),m i n (1 10 ， 1 （ 3 其中， y 的下标表示控制量变化的次数， 表示在 k 时刻对 时刻的预测。显然，在任一 时刻 k ，只要知道了对象输出的初始预测值 )|(0 ，就可根据未来的控制增量由预测模型（ 3算未来的对象输出。在这里，式（ 3是预测模型（ 3 1M 情况下的特例。 4 滚动优化 一种以优化确定控制策略的算法。在每一时刻 k ，要确定从该时刻起的 M 个控 制增量)1(,),( ，使被控对象在其作用下未来 P 个时刻的输出预测值 )|( 尽可能接近给定的期望值 ,1)( ， 。这里， 分别称为控制时域与优化时域。为了使问题有意义，通常规定 。如图 3 在控制过程中，往往不希望控制增量 u 变化过于激烈，这一因素可在优化性能指标中加入软约束予以考虑。因此， k 时刻的优化性能指标可取为 Mj i 21 )1()|()()(m i n （ 3 其中ii 权系数，它们分别表示对跟踪误差及控制量变化的抑制。 在不考虑约束的情况下，上述问题就是以 1()()( 为优化变量，在动态模型（ 3使性能指标（ 3小的优化问题。为了求解这一优化问题，首先可利用预测模型（ 3出性能指标中 y 与 u 的关系，这一关系可用向量形式写为 )()()( 0 （ 3 17 图 3态矩阵控制的优化策略 其中 |1 |1000 111 0这里， A 是由阶跃响应系数P 阵，称为动态矩阵。式中向量 y 的前一个下标表示所预测的未来输出个数，后一个下标则为控制量变化的次数。 同样，性能指标（ 3可写成向量形式 22 )()()()(m （ 3 其 中 ()1()( )( 1 )( 1 由权系数构成的对角阵 分别称为误差权矩阵和控制权矩阵。 以式（ 3入式（ 3可得 220 )()()()()(m i n 在 k 时刻， )( )(0 )(极小的 )(可通过极值必要条件0)(/)( 求得 18 )()()()( 01 （ 3 它给出了 )1()( 的最优值。但 只是取其中的即时控制增量 )(构成实际控制 )()1()( 作用于对象。到下一时刻，它又提出类似的优化问题求出 )1( 这就是所谓“滚动优化”的策略。 根据式（ 3可以求出 )()()()( 0 （ 3 其中， P 维向量 A)cd 11 （ 3 称为控制向量。 010 示取首元素的运算。一旦优化策略确定（即 P ， M ， Q ，R 已定），则 由式（ 3次离线算出。这样，若不考虑约束，优化问题的在线求解就简化为直接计算控制律（ 3它只 涉及到向量之差及点积运算，因而是十分简易的。 反馈校正 当 k 时刻把控制 )(际加于对象时，相当于在对象输入端加上了一个幅值为 )(的阶跃，利用预测模型（ 3可算出在其作用下未来时刻的输出预测值 )()()( 01 N （ 3 它实际上就是式（ 3向量形式，其中 N 维向量 )(1 (0 于)( 1 元素是未加入 )1(,),1( 时的输出预测值，故经移位后，它们可作为 1而，由于实际存在模型失配、环境干扰等未知因素，由式（ 3出的预测值可能偏离实际值，因此，若不 及时利用实时信息进行反馈校正，进一步的优化就会建立在虚假的基础上。为此，在 ，到下一采样时刻首先要检测对象的实际输出 )1( 并把它与式（ 3出的模型预测输 出 )|1(1 相比较，构成输出误差 )|1()1()1( 1 （ 3 这一误差信息反映了模型中未包括的不确定因素对输出的影响，可用来预测未来 的输出误差，以补充基于模型的预测。由于对误差的产生缺乏因果性的描述，故误差预测只能采用时间序列方法，例如，可采用对 )1( 权的方式修正对未来输出的预测： )1()()1( 1 c （ 3 其中 1|1|11o rc o rc o r 为校正后的输出预测向量，由权系数组成的 1 称为 校正向量。 在 1k 时刻，由于时间基点的变动，预测的未来时间点也将移到 12 ， ，因此， 19 )1( 元素还需通过移位才能成为 1k 时刻的初始预测值： )1|1()1|1( 0 c 11 ， （ 3 而 )1|1(0 由 )1|1( co r 近似。这一初始预测值的设置可用向量形式表示为 )1()1( 0 c （ 3 其中 1001010S 为位移阵。 有了 )1(0 可像上面那样进行 1k 时刻的优化计算，求出 )1( 整个控制就是以这种结合反馈校正的滚动优化方式反复在线进行的，其算法结构可见图 3 由图 3制、校正三部分构成的。图中粗箭头表示向量流，细箭头表示纯量流。在每一采样时刻，未来 (0 d 点乘（见式（ 3，得到该时刻的控制增量 )(。这一控制增量一方面通过数字积分（累加）运算求出控制量 )(作用于对象，另一方面与模型向量 a 相乘并按式（ 3算出在其作用后的预测输出 )(1 下一采样时刻，首先检测对象的实际输出 )1( 并与预测控制值 )|1( 相比较后按式（ 3成输出误差 )1( 这一误差与校正向量 h 相乘作为误差预测，再与模型预测一起按式（ 3到校正后的预测输出 )1( 按式（ 3位后作为新的初始预测值 )1(0 3， 1z 表示时间基点的记号后推一步，这样等于把新的时刻重新定义为 h 时刻，整个过程将反复在线进行 。 图 3 动态矩阵控制 20 动态矩阵控制的参数整定 根据以上的分析，可以看出在动态矩阵控制中需要用到的有三组动态系数：模型动态系数制动态系数是在进行控制设计时，它们并不是原始出发点，而是下列设计参数的产物：采样周期 T 、最优化时域长度 P 、控制时域长度 M 、误差权矩阵 Q 、控制权矩阵 R 和误差校正向量 H 。 为了便于参数整定，下面讨论一下参数选择的原则以及它们对控制系统性能的定性影响。 采样周期 T 与模型长度 N 样周期 T 的选择首先应满足香农采样定理。但实际上由于被控对象不同，采样周期也有所不同，对于“快过程”的机电系统而言，采样频率应高些，对于“慢过程”的过程控制系统，采样频率可低一些， 据系统设计的一般原则， T 通常可选为对象时间常数的 1/10左右。但与此同时应考虑系统抗干扰能力的要求，即为快速抑制干扰对系统的影响， T 不应选得太大。 对 的数值相协调，从预测控制的要求出发，应使模型系数尽可能覆盖对象的整个动态过程，但考虑控制的实时性及计算机的计算速度， N 又不宜取得太大，所以，一般取模型长度 5020N 。这样在满足覆盖对象动态范围的前提下，即可确定采样周期 优化时域长度 P 和误差权系数 （ 1） 对于一般的过程对象来说，由于含有一定的时滞，因 此 ,优化时域 P 必须大于时滞，即P T/ ，其中 为时滞， 者，在时滞区内，不可能期望预测值跟踪期望值，因此，此时取0， 。 （ 2） 理论分析表明，优化时域长度 P 对于控制系统的快 速性和控制的稳定性有着重要的影响，当 P 取得足够大，控制时域 M 为一有限值时，系统总可以获得稳定的控制。一般来讲， P 小有利于系统的快速性，但鲁棒性较差； P 取大，则稳定性较好，但快速性变差。但由于建模误差的存在，
- 温馨提示:
1: 本站所有资源如无特殊说明，都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
2: 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等，如果需要附件，请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
3.本站RAR压缩包中若带图纸，网页内容里面会有图纸预览，若没有图纸预览就没有图纸。
4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
5. 人人文库网仅提供信息存储空间，仅对用户上传内容的表现方式做保护处理，对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑，并不能对任何下载内容负责。
6. 下载文件中如有侵权或不适当内容，请与我们联系，我们立即纠正。
7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
人人文库网所有资源均是用户自行上传分享，仅供网友学习交流，未经上传用户书面授权，请勿作他用。
川公网安备: 51019002004831号