基于plc的过程控制系统的设计与实现测控技术毕业论文

基于plc的过程控制系统的设计与实现测控技术毕业论文内容摘要：

会增大。 这样，即便误差很小，积分项也会随 着 时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。 因此，比例 +积分 (PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 （ D）控制：在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。 其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后 (delay)组件，具有抑制误差 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 5 页 的作用，其变化总是落后于误差的变化。 解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零 时，抑制误差的作用就应该是零。 这就是说，在控制器中仅引入 “比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例 +微分的控制 器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。 所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例 +微分 (PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。 ：根据采样定理，采样周期 (T≤ π/ω)max。 从系统控制品质的要求来看，希望采样周期取小一些，这样接近于连续控制，不仅控制效果好，而且可采用模拟 PID 控制参数的整定方法。 采样周期的选择还应考虑被控对象的时间常数 TP。 根据以上的分析，可见 PID 算法简单，参数调整方便，并且有一定的控制精度，所以在本项目中我们采用 PID 算法。 数字式 PID 控制算法 在计算机控制系统中，由于连续的模拟量不能被识别，只能通过模数转换变成数字量。 以一定的采样周期对输入量进行定时采样，得到每个采样时刻的瞬时值。 当采样周期比较短时，用求和代替积分、用后项差分代替微分，使模拟 PID 离散化变为差分方程。 数字式 PID 控制算法有两种 : PID 位置型控制算法 为了便于计算机实现，可将积分项与微分项做如下处理见式 ()和 ()： ∫ e(t)to dt≈ T0∑ e(i)ki=0 () de(t)dt ≈ e(k)−e(k−1)T0 () 式中， T 为采样周期， k 为采样序号。 从而可得位置型控制算法如式 ()： U(K)= Kp{e(k)+ T0TI∑ e(i)ki=0 + TDT0[e(k)− e(k− 1)]} () 式中 u(k)是第 K 次采样时刻计算机的输出；其中 KI = K0T0TI， 称为积分系数； KD = KcTDT0， 称为微分系数。 PID 增量型控制算法 所谓增量式 PID 是指数字控制器的输出是控制器的增量△ u（ K）。 当执行机构需要的是控制量的增量 (例如驱动步进电机 )时，应采用增量式 PID 控制。 根据递推原理，可 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 6 页 得增量式 PID 控制算法见式 ()。 ∆u(k)= u(k)−u(k −1) = KP{[e(k)−e(k −1)]+ T0TIe(k)+ TDT0[e(k)− 2e(k− 1)+e(k −2)]} () 其中 :KP为比例增益， K 为积分时间常数， K0为微分时间常数。 PID 控制器的选择 控制系统的属性由技术过程和机器条件决定。 因此，为了获得良好的控制效果，必须选择最适用的系统控制器。 、开关控制器： （ 1） 连续控制器，输出一个线性（模拟）数值。 （ 2） 开关控制器，输出一个二进制（数字）数值。 ： 使用设定固定数值进行的过程控制，只是偶尔修改一下参考变量，过程偏差的控制。 ： 控制器串行连接控制。 第一个控制器（主控制器）决定了串行控制器（从控制器）的设定点，或者根据过程变量的实际错误影响器设定点。 一个级联控制器的控制性能可以使用其它的过程变量加以改进。 为此，可以为主控制变量添加一个辅助过程变量 PV2（主控制器 SP2 的输出）。 主控制器可以将过程变量 PV1 施加给设定点 SP1，并且可以调整 SP2，以便尽可能快地到达目标，而没有过调节。 级联控制器 如图 所示。 图 级联控制器 控制器 1 过程 1 过程 2 控制器 2 SP1 SP22 辅助回路 伺服控制器 主控制器 干扰变量 LMN PV2 PV1 主回路 控制 过程 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 7 页 ： 混合控制器是指根据每个被控组件所需要的设定点总数量，来计算总 SP 数量的一种控制结构。 在此，混合系数 FAC 的和必须为“ 1”。 混合控制器如图 所示。 图 混合控制器 图 比例控制器 ： 可以用于“两个过程变量之间的比率”比“两个过程变量的绝对数值”重要的场合。 比例控制器如图 所示。 ： 主要有二级和三级控制器。 一个二级控制器只能采集两个输出状态（例如，开和关）。 典型的控制为：一个加热的系统，通过继电器输出的脉冲宽度调制。 一个三级控制器只能采集到三个具体的输出状态。 我们需要区分：“脉冲宽度调制”（例如，加热 冷却，加热 关机 冷却）和“使用集成执行机构的步进控制” （ 例如，左 停止 右）之间的区别。 控制器 系数 过程 SP LMN PV1 PV2 比率 LMN1 SP1 SP1 FAC1 控制器 1 过程 1 FAC4 过程 4 控制器 4 PV1 SP4 PV4 LMN4 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 8 页 连续调节功能 SFB41 /FB41“CONT_C” SFB41/FB41“ CONT_C”（连续控制器）用于在 SIMATIC S7 可编程控制器上，控制带有连续输入和输出变量的工艺过程。 在参数分配期间，用户可以激活或取消激活PID 控制器的子功能，以使控制器适合实际的工艺过程。 通过参数赋值工具，可以很容易地做到这一点。 调用： Start SIMATIC STEP 7 PID。 控制参数赋值。 可以使用控制器作为单独的 PID 定点控制器或在多循环控制中作为级联控制器、混合控制器和比例控制器使用。 控制器的功能基于带有一个模拟信号的采样控制器的PID 控制算法，如果必要的话，可以通过脉冲发送器（ EPULSEGN）进行扩展，以产生脉冲宽度调制的输出信号，来控制比例执行机构的两个或三个步进控制器。 除了设定点操作和过程数值操作的功能以外， SFB41/FB41 (CONT_C)可以使用连续的变量输出和手动影响控制数值选项，来实现一个完整的 PID 控制器。 下面是关于 SFB41/FB 41(CONT_C)详细的子功能说明： 1. 设定值分支 设定值以浮点数格式输入到 SP_INT 输入端。 过程变量分支可以在外围设备 (I/O)中输入过程变量，也可以以浮点数格式输入。 (1)CRP_IN 函数根据公式 ()，将 PV_PER 外设值转换成浮点数格式 100 到 + 100%： CRP_IN 的输出 = PV_PER * 100/27648 () (2)PV_NORM 函数根据公式 ()规格化 CRP_IN 的输出： PV_NORM 的输出 = (CRP_IN 的输出 ) * PV_FAC+ PV_OFF () 其中， PV_FAC 的缺省值是 1， PV_OFF 的缺省值是 0。 2. 误差信号 设定值和过程变量之间的差值就是误差信号。 要抑制由于可调节变量量化所引起的小幅持续振荡 (例如，在使用 PULSEGEN 进行脉宽调制时 )，可对误差信号使用死区(DEADBAND)。 如果 DEADB_W =0，则死区功能关闭。 3. PID 算法 这里所使用的 PID 算法是定位 PID 算法。 比例、积分 (INT)和微分 (DIF)动作是并行连接在一起的，可以单独激活或取消激活。 这样便能够组态成 P、 PI、 PD 和 PID 控制器。 还可以组态成纯 I 控制器和纯 D 控制器。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 9 页 4. 手动值 可以在手动模式和自动模式之间切换。 在手动模式下，可调节变量被修正到手动选择的数值。 积分器 (INT)内部被设置成 LMN _LMN_P _DISV，而微分单元 (DIF)被设置成，这些都是自动在内部进行匹配的。 这样，切换到自动模式就不会导致调节值的突然变化。 5. 调节值 使用 LMNLIMIT 函数，可以将调节值限制到所选择的数值上。 当输入变量超过了限制值时，通过信号位来指示。 LMN_NORM 函数根据 ()公式规格化 LMNLIMIT 的输出 ；调节值也可以使用外设值格式。 CRP_OUT 函数根据公式 ()将浮点数 LMN 转换成外设值： LMN = (LMNLIMIT 的输出 ) * LMN_FAC + LMN_OFF () 其中， LMN_FAC 的缺省值是 1，而 LMN_OFF 的缺省值是 0。 LMN_PER = LMN *100/27648 () 6. 前馈控制 可以在 DISV 输入端前馈一个干扰变量。 7. 模式 完全重启动 /重启动 FB“ CONT_C”有一个完全重启动例行程序，当置位输入参数 COM_RST = TRUE 时执行。 在启动期间，积分器内部被设置成初始值 I_ITVAL。 当在周期性中断优先级中调用积分器时，它便从这个数值开始，继续工作。 所有其它输出都被设置成各自的缺省值。 8. 出错信息 此功能块内部并不检查错误。 因此没有使用出错输出参数 RET_VAL。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 10 页 第三章 可编程控制器 可编程逻辑控制器是一种工业控制计算机，简称 PLC（ Programmable Logic Contrlooer）。 它使用了可编程程序的记忆以及存储令，用来执行诸如逻辑、顺序、计时、计数和演算等功能，并通过数字或模拟的输入和输出，以控制各种机械或生产过程。 PLC 可编程控制器基础 PLC 的产生和应用 20 世纪 60 年代，计算机技术开始应用于工业领域，由于价格高、输入电路不匹配、编程难度大以及难于适应恶劣工业环境等原因，未能在工业控制领域 中 获得推广。 1968年，美国通用汽车公司（ GM）为了适应生产工艺不断更新的需要，要求寻找一种比继电器更可靠、功能更齐全、响应速度更快的新型工业控制器，并从用户角度提出了新一代控制器应具备的十大条件，立即引发了开发热潮。 1969 年美国数字设备公司（ DEC）根据美国通用汽车公司的这种要求，研制成功了世界上第一台可编程控制器，并在通用汽车公司的 自动装配线上试用，取得很好的效果。 从此这项技术迅速发展起来。 随着 PLC 的功能不断完善，性价比的不断提高， PLC 的应用面也越来越广。 目前，PLC 在国内外已经广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。 PLC 的应用范围通常可分为开关逻辑控制、运动控制、过程控制、机械加工中的数字控制、机器人控制、通信和联网等。 PLC 可编程控制器的组成和工作原理 PLC 从组成形式上一般分为整体式和模块两种，但在逻辑结构上基本相同，无论是整体式还是模块式，从硬 件结构看， PLC 都是由 CPU、存储器、 I/O 接口单元及扩展接口扩展部件、外设接口及外设和电源等部分组成，各部分之间通过系统总线连接。 PLC 的基本结构如图 所示： （中央处理器） CPU 是 PLC 的核心，起神经中枢的作用 ， 主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成。 它的功能是接收并存贮用户程序和数据， 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 11 页 用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和 PLC 内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等，是 PLC 不可缺少的组成单元。 主要功能包括以下几个方面： 图 的基本结构图 （ 1） 接收从编程器或者计算机输入的程序和数据，并送入用户程序存储器 存储。 （ 2） 监视电源、。