基于plc的双溶水箱液位串级控制的设计(编辑修改稿)

基于plc的双溶水箱液位串级控制的设计(编辑修改稿)内容摘要：

重要。 （ 4）调节器参数的整定，一个系统有了好的方案，但是如果参数整定错误那也是功亏一篑 6 2 水箱液位串级控制系统总体设计 水箱系统的组成 水箱系统由两个串联水箱、一个大水箱、一个水泵、两个压力变送器、管道及若干阀组成。 两个压力变送器通过分别检测两个水箱压力来确定水位高度。 控制系统面板左侧：电源： 220V AC 单相电源、空气开关、对象系统流程图。 右侧： S7200 CPU22 EM235 扩展模块、 I/O接口。 图 21为双溶水箱控制实验台 西门子 PLC 控制系统 S7200系列 PLC适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。 S7200 系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。 因此 S7200 系列具有极高的性能 /价格比。 S7200 系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。 S7200 系列 PLC 可提供 4 个不同的基本型号的 8 种 CPU供您使用。 集成的 24V 负载电源 CPU 221～ 226 各有 2 种类型 CPU，具有不同的电源电压和控制电压。 图 211为 PLC 的原理图。 7 图 211PLC的原理图 CPU模块 CPU 是 PLC 的核心组成部分，与通用微机的 CPU 一样，它在 PLC 系统中的作用类似于人体的神经中枢，故称为“电脑”。 其功能是： （ 1） PLC 中系统程序赋予的功能，接收并存储从编程器输入的用户程序和数据。 （ 2）用扫描方式接受现场输入装置的状态，并存入映像寄存器。 （ 3）诊断电源、 PLC内部电路工作状态和编程过程中的语法错误。 在 PLC 进入运行状态后，从存储器中逐条读去用户程序，按指令规定的任务，产生相应的控制信号，去起闭有关控制电路。 I/O模块 I/O 模块是 CPU 与现成 I/O装置或 其他外部设备之间的连接部件。 PLC提供了各种操作电平与驱动能力的 I/O 模块和各种用途 I/O 元件供用户选用。 如输入 /输出电平转换、电气隔离、串 /并行转换、数据传送、误码校验、 A/D 或 D/A 变换以及其他功能模块等。 I/O 模块将外部输入信号变换成 CPU 能接受的信号，或将 CPU的输出信号变换成需要的控制信号去驱动控制对象，以确保整个系统正常的工作。 其中输入信号要通过光电隔离，通过滤波进入 CPU 控制板， CPU 发出输出信号外存接口 其他接口 中央处理器 CPU ROM RAM 编辑器 CPROM EPROM RAM 其他设备 计算机 A/D D/A 输入接口 光电耦合 输出接口 继电器或晶管 8 至输出端。 输出方式有三种：继电器方式、晶体管方式和晶闸管方式。 I/O 接线图 图 212 I/O接线示意图 信号间的转换关系 压力变送器检测水箱压力在 0～ 5000pa 范围内，经过压力变送器转换成 1～ 5V模拟量电压信号，经过模拟信号接口输送给 EM235 扩展模块； 1～ 5V 模拟量信号经过 EM235 转换成 6400～ 32020 数量信号，再将其输送到 PLC 中；经过程序控制，对应 0～ 50cm 水箱水位。 本设计应用到水箱压力在 0～ 2020pa 之间，经过压力变送器转换成电压信号为 1～ ，经过 EM235 转换成数字量信号 6400～ 16640，其对应的水箱 水位在 0～20cm 之间。 水箱压力值 0～ 5000pa 经压力变送器转换成电压值 1～ 5V,其转换关系可用函数表达式表示 : {Y(x)1}/(x0)=(51)/(50000) (213) 化简为 : Y(x)=+1 (214) EM235 模块将 1～ 5V 压力信号转换为 6400～ 32020 数字信号 ,其转换关系为 : {Y(x)6400}/(x1)=(320206400)/(51) (215) 化简为 : Y(x)=1600x4800 (216) 6400～ 32020 数字信号进行标准化处理为 (除以 32020)得到结果为 ～ 准化处理结果 ～ 1与 0～ 50cm 水箱水位的对应关系表达式为 : {Y(x)0}/()=(500)/() (217) 水泵驱动模块 水泵 左水箱 LT2 传感器 2 AI1+ AI1 AI2+ AI2 AO+ AO LT1 传感器 1 右水箱 EM235 + + 9 化简为 : Y(x)= (218) 本设计中数据之间的转换关系 : 水箱压力值 0～ 2020pa 经压力变送器转换成电压值 1～ ,其转换关系可用函数表达式表示 : Y(x)=+1 (219) EM235模块将 1～ 6400～ 16640数字信号 ,其转换关系为 : Y(x)=6400x (2110) 6400～ 16640数字信号进行标准化处理为 (除以 32020)得到结果为 ～ .标准化处理结果 ～ 与 0～ 20cm 水箱水位的对应关系表达式为 : Y(x)= (2111) 双容水箱系统结构 双容水箱系统结构 双容水箱是两个串联在一起的水箱，整个系统有左水箱、右水箱、储水箱爱及管和阀门组成。 本系统由双容水箱作为控制对象， 水箱的液位 h1 和 h2 作为被控量。 水箱里液位的变化，由压力传感器转换成 4～ 20mA 的标准电信号，在 I/O接口的 A/D 转换成二进制编码的数学信号后，送入计算机端口。 经计算机算出的控制控制量通过 D/A 转换成 1～ 5V 的控制电信号，通过改变调节阀的开度向水箱。 水从左水箱进入，左水箱闸板开度 8 毫米，进入右水箱，右水箱闸板开度 56 毫米。 要保证右水箱闸板开度大约下水箱闸板开度，这样控制效果好些。 水流入量Qi 由调节阀 u控制，流出量 Qo则由用户通过闸板来改变。 被调量为下水位 H。 双溶水箱系统结构如图 221 所示 图 221双溶水箱系统结构 10 双容水箱系统结构图 双溶水箱液位控制系统的逻辑结构如图 222所示 （ a）结构图 （ b）方框图 图 222双闭环液位控制系统 图 222 为双闭环串级控制系统的结构图和方框图。 本系统是由左、右两个水箱串联组成，右上水箱的液位为系统的主控制量，左上水箱的液位为副控制量。 本系统的控制目的，不仅要使右 上水箱的液位等于给定值，而且当扰动出现在左上水箱时，由于它们的时间常数均小于右上水箱，故在右上水箱的液位未发生明显变化前，扰动所产生的影响已通过内回路的控制及时地被消除。 为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制，系统的主调节器应为 PI 或 PID 控制。 由于副控回路的输出要求能快速、准确地复现主调节器输出信号的变化规律，对副参数的动态性能和余差无特殊要求，因而副调节器采用 P或 PI 调节器。 11 双容水箱对象特性 在工业生产过程中，被控过程往往是由多个容积和阻力构成，这种过程称为多容过程。 现在 ，以具有自衡能力的双容过程为例，来讨论其建立数学模型的方法。 图 223（ a）所示为两只水箱串联工作的双容过程。 其被控量是第二只水箱的液位 2h ，输入量为 1Q 与上述分析方法相同，根据物料平衡关系可以列出下列方程 dthdC 1121  （ 224） 212 RhQ  （ 225） 00 0 Q 0 0 0 图 223双容过程及其响应曲线 12 dthdC 2232  （ 226） 323 RhQ  （ 227） 为了消去双容过程的中间变量 1h 、 2Q 、 3Q ，将上述方程组进行拉氏变换，并画出方框图如 229所示。 双容过程的数学模型为 : )1)(1()()()(210120  sTsT KsQ sHsW （ 228） 式中： 1R —— 第一只水箱的时间常数， 211 RCT  ； 2T —— 第二只水箱的时间常数， 322 RCT  ； 0K —— 过程的放大系数， 30 RK  ； 21,CC —— 分别是两只水箱的容量系数。 图 2210 所示为流量 1Q 有一阶跃变化时，被控量 2h 的响应曲线。 与单容过程比较，多容过程受到扰动后，被控参数 2h 的变化速度并不是一开始就最大，而是要经过一段时延之后才达到最大值。 即多容过程对于扰动的响应在时间上存在时延， 被称为容量时延。 产生容量时延的原因主要是两个容积之间存在阻力 ，所 以使 2h 的响应时间向后推移。 容量时延可用作图法求得，即通过 2h 响应曲线的拐点 D 作切线，与时间 1/C1s 1/R2 1/C2s 1/R3 — — — 图 229 双容过程方框图 13 轴相交与 A，与 2 h 相交与 C， C 点在时间轴上的投影 B， OA即为容量时延时间 Ct ，AB 即为过程的时间常数 T。 对与无自衡能力的双容过程，可见图 2210，图中，被控量为 2h ，输入量 为 1Q。 1Q 产生阶跃变化时，液位 2h 并不立即以最大的速度变化，由于中间具有容积和阻力。 2h 对扰动的响应有他、一定的时延和惯性。 同上所述，所示过程的数学模型为 )1( 11)( )()( 0120  TssTsQ sHsW （ 2211） 式中： 0T —— 过程积分时间常数， 20 CT  ； T—— 第一只水箱的时间常数。 同理，无自衡多容过程的数学模型为 图 2210无自衡能力的双容过程 t t t 14 nTssTsW )1( 11)( 00  （ 2212） 当然无自衡多容过程具有纯时延时，则其数学模型为 stn eTssTsW 0)1( 11)(00 （ 2213） 15 3 串级控制 串级控制系统概述 图 31 是串级控制系统的方框图。 该系统 有主、副两个控制回路，主、副调节器相串联工作，其中主调节器有自己独立的给定值 R，它的输出 m1 作为副调节器给定值，副调节器的输出 m2控制执行器，以改变主参数 C1。 图 31串级控制系统方框图 R主参数的给定值； C1被控的主参数； C2副参数 f1(t)作用在主对象上的扰动 f2(t)作用在副对象上的扰动 串级控制系统的优点 串级控制系统从总体上看，仍然是一个定值控制系统，因此，主变量在干扰作用下的过渡过程和单回路定值控制系统的过渡过程具有相同的品质指标。 但是串级控制系统 和单回路系统相比，在结构上从对象中引入一个中间变量（副变量）构成一个回路，因此具有一系列的特点。 串级控制系统的主要优点由： 发生在副回路的干扰，在影响主回路之前即可由副控制器加以校正； 副回路的存在，使副。