基于s7-300_plc的simulink在線帶進(jìn)水純滯后單容水箱液位控制畢業(yè)論文

1、<p>　　本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）</p><p>　　學(xué)院（系）： 電子與電氣工程系 </p><p>　　專 業(yè)： 自動(dòng)化 </p><p>　　學(xué) 生： </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　完

2、成日期 2011 年 5 月</p><p>　　基于S7-300 PLC的Simulink在線帶進(jìn)水純滯后單容水箱液位控制——控制程序設(shè)計(jì)</p><p>　　Tank Level Control Design Based on Simulink on-line Water of S7-300 PLC with Pure Delay—Control Program D

3、esign</p><p>　　總 計(jì)：畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）28頁(yè)</p><p>　　表 格： 0 個(gè)</p><p>　　插 圖： 17 幅</p><p>　　基于S7-300 PLC的Simulink在線帶進(jìn)水純滯后單容水箱液位控制——控制程序設(shè)計(jì)</p

4、><p><b>　　自動(dòng)化專業(yè) </b></p><p>　?。壅?要］根據(jù)S7-300PLC模塊化編程的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了OB1、OB35、OB100三個(gè)組織塊來(lái)實(shí)現(xiàn)控制功效。將FB41 PID調(diào)節(jié)模塊放在OB1模塊中，并進(jìn)行參數(shù)設(shè)定及調(diào)節(jié)。設(shè)置500ms定時(shí)中斷，在定時(shí)中斷服務(wù)程序OB35中進(jìn)行滯后補(bǔ)償算法的計(jì)算，而后利用得出的結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)滯后補(bǔ)償。由于滯后補(bǔ)償是在不斷

5、進(jìn)行中的，采集的數(shù)據(jù)就要不斷的存儲(chǔ)再采集，設(shè)計(jì)了一個(gè)隊(duì)列數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。隊(duì)列的操作也放在OB35中進(jìn)行，具體的隊(duì)列操作封裝在FB1模塊中。利用OB100模塊清除上一次運(yùn)行時(shí)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。利用力控軟件完成系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控。本設(shè)計(jì)完成了設(shè)計(jì)要求但還有待改進(jìn)。</p><p>　?。坳P(guān)鍵詞］純滯后；程序設(shè)計(jì)；補(bǔ)償；控制</p><p>　　Tank Level Control Design Based on

6、 Simulink on-line Water of S7-300 PLC with Pure Delay—Control Program Design</p><p>　　Abstract: According to S7-300PLC modular programming features, three organization blocks OB1, OB35, OB100 are designed to

7、 achieve control efficacy. The parameters of FB41 PID regulator module placed in OB1 module are set and adjusted. Then, 500ms timer interrupt is set and the compensation for delay algorithm calculated in the timer interr

8、upt service routine OB35, then the results of calculation are used to compensate the delay system. Because of delay compensation is constantly on going, collec</p><p>　　Key words: Delay; programming; compens

9、ation; control </p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 引言1</b></p><p>　　1.1 本課題所述涉及的問(wèn)題在國(guó)內(nèi)（外）的研究現(xiàn)狀1</p><p>　　1.2 對(duì)課題任務(wù)書(shū)提出的任務(wù)要求及實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)的可行性分析1</p

10、><p>　　1.3 本課題需要重點(diǎn)研究的、關(guān)鍵的問(wèn)題及解決的思路1</p><p>　　1.4 純滯后的產(chǎn)生2</p><p>　　1.5 史密斯補(bǔ)償控制基本原理2</p><p>　　2 課題設(shè)計(jì)中具體實(shí)驗(yàn)器材的選型2</p><p>　　2.1 PLC及其模塊的選型2</p><p>

11、;　　2.2 液位傳感器選型3</p><p>　　2.3 調(diào)節(jié)閥的選型3</p><p>　　2.4 智能儀表的選型4</p><p>　　3 單容水箱供水回路設(shè)計(jì)4</p><p>　　3.1 單回路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成4</p><p>　　3.2 液位單回路控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)5</p>&l

12、t;p>　　4 編程、監(jiān)控軟件簡(jiǎn)介及相關(guān)應(yīng)用5</p><p>　　4.1 PLC簡(jiǎn)介5</p><p>　　4.2 力控軟件概述6</p><p>　　4.3 控制程序設(shè)計(jì)思路及其OB1，OB35,OB100模塊的作用6</p><p>　　4.3.1 控制程序設(shè)計(jì)思路6</p><p>　　4.3.

13、2 OB1，OB35,OB100模塊的作用7</p><p>　　4.4 力控監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)12</p><p>　　5設(shè)計(jì)中的設(shè)備介紹、設(shè)計(jì)結(jié)果及問(wèn)題解決方法13</p><p>　　5.1 過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置的介紹13</p><p>　　5.2 設(shè)計(jì)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題及解決方法14</p><p>　　5.2

14、.1 問(wèn)題1 壓力傳感器輸出濾波14</p><p>　　5.2.2 問(wèn)題2 SM334（PLC中模擬量模塊）去干擾15</p><p>　　5.2.3 問(wèn)題3 補(bǔ)償不穩(wěn)定及解決方法15</p><p><b>　　結(jié)束語(yǔ)16</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)17</b><

15、;/p><p><b>　　附錄18</b></p><p><b>　　致謝28</b></p><p><b>　　1 引言</b></p><p>　　1.1 本課題所述涉及的問(wèn)題在國(guó)內(nèi)（外）的研究現(xiàn)狀</p><p>　　從50年代以來(lái)出現(xiàn)的方法

16、有Smith預(yù)估補(bǔ)償控制、最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、動(dòng)態(tài)矩陣預(yù)報(bào)控制、預(yù)測(cè)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、魯棒控制、有模糊Smith控制、模糊自適應(yīng)控制、模糊PID控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家控制等[1]。其控制方法也已經(jīng)由傳統(tǒng)控制轉(zhuǎn)向智能控制，或者是二者的結(jié)合。PID控制是迄今為止應(yīng)用最廣泛的一種控制方法。目前針對(duì)純滯后系統(tǒng)所采用的Smith控制、模糊控制、Fuzzy+Smith控制，以及預(yù)測(cè)函數(shù)控制等多種先進(jìn)控制技術(shù)。分析表明，這些控制策略都能實(shí)現(xiàn)對(duì)

17、時(shí)滯系統(tǒng)的有效控制為了提高此類液位控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)。而且，對(duì)于具有時(shí)間滯后特征的工業(yè)過(guò)程的控制問(wèn)題，多年來(lái)一直是控制理論界和控制工程界廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)之一。 </p><p>　　1.2 對(duì)課題任務(wù)書(shū)提出的任務(wù)要求及實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)的可行性分析</p><p><b>　　任務(wù)要求：</b></p><p>　　(1) 理解各硬件功能模塊工

18、作原理及作用。</p><p>　　(2) 掌握SIEMENS S7-300 PLC的原理及以單容水箱控制程序設(shè)計(jì)。</p><p>　　(3) 制作1.215米純滯后盤(pán)管，為單容水箱供水。測(cè)試純滯后盤(pán)管的滯后時(shí)間，用史密斯預(yù)估補(bǔ)償算法對(duì)液位PID控制實(shí)現(xiàn)純滯后補(bǔ)償。</p><p>　　(4)設(shè)計(jì)控制程序和力控監(jiān)控程序。</p><p>　

19、　實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)的可行性分析：</p><p>　　以WinCC作為OPC Server,以MATLAB/Simulink作為OPC Client,設(shè)置它們之間的OPC 通訊。通過(guò)OPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)控制參數(shù)傳遞，先在Simulink平臺(tái)下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，而后再在PLC中實(shí)現(xiàn)最終的控制。由于在本課題的設(shè)計(jì)過(guò)程中要涉及大量的運(yùn)算，而在S7-300 PLC中有加減乘除、標(biāo)度變換、定時(shí)中斷等指令和功能模塊，這就為控制算法的設(shè)計(jì)

20、和實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。</p><p>　　力控監(jiān)控程序設(shè)計(jì)將完成控制過(guò)程曲線監(jiān)控和參數(shù)顯示，這些將為滯后時(shí)間測(cè)試、控制算法設(shè)計(jì)提供原始數(shù)據(jù)。</p><p>　　1.3 本課題需要重點(diǎn)研究的、關(guān)鍵的問(wèn)題及解決的思路</p><p>　　重點(diǎn)研究的、關(guān)鍵的問(wèn)題：</p><p>　　(1)本課題需要重點(diǎn)研究的是設(shè)計(jì)制作1.215米純滯后盤(pán)管，為單

21、容水箱供水。測(cè)試純滯后盤(pán)管的滯后時(shí)間。</p><p>　　(2)用史密斯預(yù)估補(bǔ)償算法對(duì)液位PID控制實(shí)現(xiàn)純滯后補(bǔ)償，并設(shè)計(jì)控制程序和力控監(jiān)控程序。</p><p>　　(3)PC側(cè)與S7-300側(cè)程序設(shè)計(jì)及控制參數(shù)的調(diào)試。</p><p><b>　　解決的思路：</b></p><p>　　PC側(cè)用監(jiān)控軟件力控接收P

22、LC側(cè)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)程序控制的目的。</p><p><b>　　思路如下：</b></p><p>　　(1)設(shè)計(jì)制作1.215米純滯后盤(pán)管，為單容水箱供水。</p><p>　　(2)S7-300 PLC的組態(tài)和編程，程序使用模塊化結(jié)構(gòu)，周期性工作放在定時(shí)中斷中執(zhí)行。</p><p>　　(3) 根據(jù)監(jiān)控結(jié)果來(lái)驗(yàn)證補(bǔ)償效

23、果，調(diào)整補(bǔ)償參數(shù)直至達(dá)到控制要求。</p><p>　　1.4 純滯后的產(chǎn)生</p><p>　　所謂純滯后是在一種時(shí)間上的延遲，這種延遲是從引起動(dòng)態(tài)要素變化的時(shí)刻到輸出開(kāi)始變化的時(shí)刻的這一段時(shí)間。存在時(shí)間延遲的對(duì)象就稱為具有純滯后的對(duì)象，簡(jiǎn)稱為純滯后對(duì)象或滯后對(duì)象，實(shí)際被控對(duì)象大多數(shù)都有純滯后特性[2]。</p><p>　　在流程工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，時(shí)滯現(xiàn)象普遍存在

24、，亦表明其輸出的趨勢(shì)不僅依賴當(dāng)前的狀態(tài)，而且還依賴于過(guò)去的歷史。其產(chǎn)生的原因在于被控對(duì)象的物理性質(zhì)，以及實(shí)際系統(tǒng)變量的測(cè)量、傳遞和處理等方面的因素均可導(dǎo)致輸出響應(yīng)相對(duì)于輸入的時(shí)間滯后現(xiàn)象。</p><p>　　比如在流體控制過(guò)程中，流體須通過(guò)管道的傳輸才能達(dá)到工藝設(shè)備，從而引起設(shè)備的操作發(fā)生改變，顯然流體在管道傳輸?shù)倪@段時(shí)間就是純滯后時(shí)間。</p><p>　　1.5 史密斯補(bǔ)償控制基本原

25、理</p><p>　　史密斯(0．J．M．Smith)在1957年提出了一種預(yù)估補(bǔ)償控制方案。它針對(duì)純時(shí)滯系統(tǒng)中閉環(huán)特征方程含有純滯后項(xiàng)，在PID反饋控制基礎(chǔ)上，引入了一個(gè)預(yù)估補(bǔ)償環(huán)節(jié)，從而使閉環(huán)特征方程不含純時(shí)滯項(xiàng)，提高了控制質(zhì)量。</p><p>　　純滯后補(bǔ)償控制的基本思路：在控制系統(tǒng)中某處采取措施（如增加環(huán)節(jié)，或增加控制支路等），使改變后系統(tǒng)的控制通道以及系統(tǒng)傳遞函數(shù)的分母不含有

26、純滯后環(huán)節(jié)，從而改善控制系統(tǒng)的控制性能及穩(wěn)定性[3]。</p><p>　　2 課題設(shè)計(jì)中具體實(shí)驗(yàn)器材的選型</p><p>　　2.1 PLC及其模塊的選型</p><p>　　考慮到西門(mén)子S7-300對(duì)模擬量處理能力非常強(qiáng)大，運(yùn)算速度快。所以而最終選擇了西門(mén)子S7-300。</p><p>　　S7 系列PLC都采用了模塊化硬件結(jié)構(gòu)，S

27、7-300主要由電源模塊（PS）、中央處理單元（CPU）、信號(hào)模塊（SM）、通信處理器（CP）、功能模塊（FM）、接口模塊（IM）組成。而在工程實(shí)際中對(duì)其的應(yīng)用，最重要的是模塊的選擇。根據(jù)本次設(shè)計(jì)任務(wù)要求，我們用S7—300作制器來(lái)控制模擬量下水箱液位，所以主要涉及到模擬量模塊的選型[4]。</p><p>　　模擬量模塊選型時(shí)主要考慮的問(wèn)題是通道數(shù)和模塊分辨率。</p><p>　　本次

28、設(shè)計(jì)所選用的是S7—300的模擬量輸入模塊SM334一組中四個(gè)輸入，分辨率8位，屏蔽：最長(zhǎng)200m。一組中兩個(gè)輸出，與負(fù)載電壓隔離。</p><p>　　接線：如圖1所示。用于電流測(cè)量和電壓輸出的4線制傳感器</p><p>　　圖1 SM334線制接線圖</p><p>　　2.2 液位傳感器選型 </p><p>　　要將水箱液位信號(hào)

29、反饋給調(diào)節(jié)器，就需要用到信號(hào)測(cè)量裝置，也就是傳感器。所以就會(huì)涉及到液位傳感器的選型問(wèn)題。在工程實(shí)際中液位傳感器的選型最總要的也是考慮其精度是否滿足控制要求。本次設(shè)計(jì)所用的實(shí)驗(yàn)臺(tái)水箱高度為400mm。液位設(shè)定在250—350mm可調(diào)，穩(wěn)態(tài)誤差2%。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)選用了HDB—E投入式壓力傳感器來(lái)測(cè)量液位。其量程是１m水柱，精度為1/1000。完全可以滿足控制要求[5]。</p><

30、;p>　　2.3 調(diào)節(jié)閥的選型</p><p>　　調(diào)節(jié)閥是控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它接受控制器的命令執(zhí)行控制任務(wù)。調(diào)節(jié)閥選擇得合適與否，將直接關(guān)系都是否很好地起到控制作用。</p><p>　　最后根據(jù)控制要求和實(shí)驗(yàn)室自身資源，我們選擇的是由上海萬(wàn)迅儀表有限公司生產(chǎn)的QSTP-16K型新型智能電動(dòng)調(diào)節(jié)閥[6]。即可滿足控制要求。</p><p>　　型號(hào)：QST

31、P-16K 公稱通徑：DN20mm</p><p>　　公稱壓力：1.6MPa 信號(hào)：4-20Madc</p><p><b>　　行程：16mm</b></p><p>　　2.4 智能儀表的選型</p><p>　　本次儀表選用AI808型號(hào)智能儀表，由于本次

32、課程中用到的只是其水泵壓力控制，數(shù)顯功能，在此不做詳細(xì)介紹。</p><p>　　3 單容水箱供水回路設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1 單回路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成</p><p>　　單回路反饋控制系統(tǒng)是應(yīng)用最為廣泛的一種控制系統(tǒng)，生產(chǎn)過(guò)程中70%-80%的控制系統(tǒng)都是單回路反饋控制系統(tǒng)。單回路反饋控制系統(tǒng)由四個(gè)基本環(huán)節(jié)組成，即被控對(duì)象,測(cè)量變送裝置，控制器和控制閥。為了

33、使單回路控制系統(tǒng)分析更具一般性，常常用下面的方塊圖來(lái)表示單回路反饋控制系統(tǒng)，且用字母表示圖中的變量，如圖2所示：</p><p>　　圖2 單回路反饋控制系統(tǒng)方框圖</p><p>　　由單回路控制系統(tǒng)方塊圖可以看出，該系統(tǒng)中存在著一條從系統(tǒng)的輸出端引向輸入端的反饋通道，也就是說(shuō)該系統(tǒng)中的控制器是根據(jù)被控變量的測(cè)量值與給定值的偏差來(lái)進(jìn)行控制的。簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化的基本單元、

34、其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、投資少、易于調(diào)整和投運(yùn)，能滿足一般工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的控制要求、因此在工業(yè)生產(chǎn)小應(yīng)用十分廣泛，尤其適用于被控過(guò)程的純滯后和慣性小、負(fù)荷和擾動(dòng)變化比較平緩，或者控制質(zhì)量要求不太高的場(chǎng)合[7]。</p><p>　　單回路控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所需自動(dòng)控制裝置少，投資比較低，操作維護(hù)比較方便，而且一般情況下都能滿足控制質(zhì)量的要求。因此，這種控制系統(tǒng)在生產(chǎn)過(guò)程控制中得到了廣泛的應(yīng)用。</p><p

35、>　　根據(jù)其被控變量的類型不同，單回路控制系統(tǒng)可分為溫度控制系統(tǒng)，壓力控制系統(tǒng)，流量控制系統(tǒng)，液位控制系統(tǒng)，成分控制系統(tǒng)等。本章主要設(shè)計(jì)液位控制系統(tǒng)。</p><p>　　3.2 液位單回路控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　此設(shè)計(jì)是以西門(mén)子S7—300PLC作控制器，液位傳感器為檢測(cè)裝置，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥為執(zhí)行器，下水箱為控制對(duì)象，而構(gòu)成的液位單回路系統(tǒng)。液位單回路管道儀表流程圖如圖

36、3所示：</p><p>　　圖3 液位單回路管道儀表流程圖</p><p>　　4 編程、監(jiān)控軟件簡(jiǎn)介及相關(guān)應(yīng)用</p><p><b>　　4.1 PLC簡(jiǎn)介</b></p><p>　　PLC = Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器，一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)

37、環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。它采用一類可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算，順序控制，定時(shí)，計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過(guò)數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。是工業(yè)控制的核心部分。PLC S7-300的CPU模塊（簡(jiǎn)稱為CPU）集成了過(guò)程控制功能，用于執(zhí)行用戶程序。每個(gè)CPU都有一個(gè)編程用的RS-485 接口，有的還帶有集成的現(xiàn)場(chǎng)PROFIBUS-DP 接口或PtP（點(diǎn)對(duì)點(diǎn)）串行通訊接口，S7-300不需要附加

38、任何硬件、軟件和編程，就可以建立一個(gè)MPI(多點(diǎn)接口)網(wǎng)絡(luò)，如果有PROFIBUS-DP接口，可以建立一個(gè)DP 網(wǎng)絡(luò)。它由以下的幾部分組成：電源模塊（PS），中央處理單元（CPU），信號(hào)模塊（SM），功能模塊（FM），接口模塊（IM）[8]。</p><p>　　PLC組態(tài)如圖4所示：</p><p>　　圖4 PLC組態(tài)圖</p><p>　　4.2 力控軟件概

39、述 </p><p>　　力控6.0監(jiān)控組態(tài)軟件在秉承力控5.0成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)、人機(jī)界面、I/O驅(qū)動(dòng)調(diào)度等主要核心部分進(jìn)行了大幅提升與改進(jìn)，重新設(shè)計(jì)了其中的核心構(gòu)件，在數(shù)據(jù)處理性能、容錯(cuò)能力、界面容器、報(bào)表等方面產(chǎn)生了巨大飛躍。力控軟件內(nèi)嵌分布式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)具備良好的開(kāi)放性和互連功能[9]。</p><p>　　4.3 控制程序設(shè)計(jì)思路及其OB1，OB35,OB10

40、0模塊的作用</p><p>　　4.3.1 控制程序設(shè)計(jì)思路</p><p>　　根據(jù)S7-300PLC模塊化編程的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了OB1、OB35、OB100三個(gè)組織塊。</p><p>　　將FB41 PID調(diào)節(jié)模塊放在OB1模塊中，并進(jìn)行參數(shù)設(shè)定及調(diào)節(jié)。</p><p>　　設(shè)置500ms定時(shí)中斷，在定時(shí)中斷服務(wù)程序OB35中進(jìn)行滯后補(bǔ)償

41、算法的計(jì)算，而后利用得出的結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)滯后補(bǔ)償。</p><p>　　由于滯后補(bǔ)償是在不斷進(jìn)行中的，采集的數(shù)據(jù)就要不斷的存儲(chǔ)再采集，設(shè)計(jì)了一個(gè)隊(duì)列數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。</p><p>　　隊(duì)列的操作也放在OB35中進(jìn)行，具體的隊(duì)列操作封裝在FB1模塊中。</p><p>　　利用OB100模塊清除上一次運(yùn)行時(shí)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。</p><p>　　利用力控軟

42、件完成系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控[10]。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)中，啟動(dòng)按鈕設(shè)置為I0.0，停止按鈕設(shè)置為I0.1，上電后M0.0自鎖，形成一個(gè)長(zhǎng)動(dòng)控制。</p><p>　　4.3.2 OB1，OB35,OB100模塊的作用</p><p>　　主程序設(shè)計(jì)在OB1模塊中進(jìn)行。</p><p>　　在主程序設(shè)計(jì)中[11]，具體設(shè)定如圖5所示： &

43、lt;/p><p>　　圖5 OB1模塊程序流程圖</p><p>　　在OB1模塊的主程序中分別對(duì)各個(gè)控制部分進(jìn)行的設(shè)定：</p><p>　?。?）用MOVE模塊對(duì)液位高度的設(shè)定如圖6所示：</p><p>　　圖6 液位高度設(shè)定</p><p>　　（2）FC105是處理模擬量（1~5V、4~20MA等常見(jiàn)信號(hào)）

44、輸入的功能塊，有輸入整定的功能。由于SM334模擬量模塊的取值范圍是0—27648，利用FC105模塊進(jìn)行標(biāo)度變換如圖7所示：</p><p>　　圖7 FC105標(biāo)度變化模塊</p><p>　　在處理結(jié)果輸出時(shí)調(diào)用FC106把PID調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為D/A模塊所能接受的數(shù)據(jù)，再進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換。如圖8所示：</p><p>　　圖8 FC106中PID調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)D/

45、A轉(zhuǎn)換</p><p><b>　　OB35模塊：</b></p><p>　　OB35模塊中主要進(jìn)行的是滯后信號(hào)的產(chǎn)生及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)隊(duì)列的建立和補(bǔ)償算法的計(jì)算處理。本次設(shè)計(jì)是設(shè)置500ms定時(shí)中斷，在定時(shí)中斷服務(wù)程序OB35中進(jìn)行滯后補(bǔ)償算法的計(jì)算，而后利用得出的結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)滯后補(bǔ)償。由于滯后補(bǔ)償是在不斷進(jìn)行中的，采集的數(shù)據(jù)就要不斷的存儲(chǔ)再采集[12]。設(shè)計(jì)一個(gè)隊(duì)列數(shù)據(jù)

46、結(jié)構(gòu)具體程序流程如圖9所示：</p><p>　　圖9 OB35程序流程圖</p><p>　　其中，調(diào)用FB1模塊建立數(shù)據(jù)存儲(chǔ)隊(duì)列如下圖10所示：</p><p>　　圖10 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)隊(duì)列圖</p><p><b>　　OB100模塊：</b></p><p>　　在這個(gè)程序中，需要用到DB

47、1、DB2、DB3這三個(gè)模塊存儲(chǔ)采集數(shù)據(jù)，由于這三個(gè)模塊每一次采集的數(shù)據(jù)都會(huì)記錄一次，這樣就會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)的疊加導(dǎo)致輸入?yún)?shù)產(chǎn)生錯(cuò)誤。</p><p>　　當(dāng)CPU 的狀態(tài)由停止態(tài)轉(zhuǎn)入運(yùn)行態(tài)時(shí)，操作系統(tǒng)都調(diào)用OB100，OB100上電自動(dòng)運(yùn)行，所以O(shè)B100模塊的作用就是將DB1 、DB2、 DB3中的數(shù)據(jù)清零。這樣下一次使用時(shí)，就能繼續(xù)存儲(chǔ)采集參數(shù)，而不會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)疊加的錯(cuò)誤。</p><p>

48、;　　OB100程序流程如圖11所示：</p><p>　　圖11 OB100 程序流程圖</p><p>　　純滯后補(bǔ)償?shù)木幊虒?shí)現(xiàn)：</p><p>　　由Smith計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的原理可知，其編程實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵部分是純滯后補(bǔ)償數(shù)據(jù)運(yùn)算。對(duì)于S7300來(lái)說(shuō)，可以有兩種方法進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。</p><p><b>　　梯形圖實(shí)現(xiàn)</b&g

49、t;</p><p>　　在step7編程軟件中，編程語(yǔ)言選擇梯形圖時(shí)[13]，對(duì)于純滯后信號(hào)的產(chǎn)生，可以有傳送指令MOVE來(lái)完成。部分截圖如圖12所示：</p><p>　　圖12 MOVE指令實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)單元示意圖</p><p>　　此種方法簡(jiǎn)單易行，比較容易掌握，多用于較簡(jiǎn)短的編程，但如果所形成的純滯后信號(hào)隊(duì)列較長(zhǎng)，雖然也能進(jìn)行程序編寫(xiě)，但編程的可實(shí)現(xiàn)性要限于

50、信號(hào)隊(duì)列的長(zhǎng)短，此種方法顯然不能很好滿足編程的要求。下面引入另外一種編程實(shí)現(xiàn)：</p><p><b>　　語(yǔ)句表實(shí)現(xiàn)。</b></p><p>　　在step7編程軟件里還提供了另一種編程語(yǔ)言：語(yǔ)句表編程。</p><p>　　利用寄存器間接尋址方式，把滯后數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到相應(yīng)的存儲(chǔ)單元，并能方便訪問(wèn)這些數(shù)據(jù)，自由的存儲(chǔ)、讀取數(shù)據(jù)。隊(duì)列存儲(chǔ)及純滯后

51、信號(hào)產(chǎn)生的程序：</p><p>　　FUNCTION fc10 : VOID</p><p>　　TITLE =采集前三十秒鐘數(shù)據(jù)</p><p>　　//思路：前一個(gè)數(shù)據(jù)給下一個(gè)數(shù)據(jù)，最后數(shù)據(jù)舍去,采取間接尋址。</p><p>　　VERSION : 0.5</p><p><b>　　VAR_INPU

52、T</b></p><p>　　MeasuredValue : REAL ;//測(cè)量數(shù)據(jù)</p><p>　　AreaBottom: INT ;//數(shù)據(jù)起始地址</p><p>　　AreaLength : INT ;//數(shù)據(jù)長(zhǎng)度</p><p>　　DataStore : BLOCK_DB ;//數(shù)據(jù)存貯</p&g

53、t;<p><b>　　END_VAR</b></p><p><b>　　VAR_TEMP</b></p><p>　　Number : INT ;//循環(huán)計(jì)數(shù)器</p><p>　　BufferAR1 : DWORD ;//用于AR1的當(dāng)前內(nèi)容的緩沖區(qū)</p><p>　　Mi

54、ddleValue : REAL ;//數(shù)值中間變量</p><p><b>　　END_VAR</b></p><p><b>　　BEGIN</b></p><p><b>　　NETWORK</b></p><p><b>　　TITLE =</b>

55、;</p><p>　　TAR1 #BufferAR1; //把地址寄存器->緩沖區(qū)</p><p>　　OPN #DataStore; //打開(kāi)數(shù)據(jù)塊</p><p>　　L P#0.0; </p><p>　　L #AreaBottom; </p><p>　　SLD 3; //轉(zhuǎn)化

56、為指針 </p><p><b>　　+D ; </b></p><p>　　LAR1 ; //把指針裝載到地址寄存器1</p><p>　　//****************************************************************</p><p>　　//數(shù)據(jù)循環(huán),從

57、最后的數(shù)據(jù)開(kāi)始</p><p>　　//****************************************************************</p><p>　　L #AreaLength; //裝載數(shù)據(jù)長(zhǎng)度</p><p>　　Next: T #Number; </p><p><b>

58、　　TAR1 ; </b></p><p>　　L P#4.0; </p><p>　　-D ; // 地址遞減</p><p><b>　　LAR1 ; </b></p><p>　　L DBD [AR1,P#0.0]; //上一個(gè)數(shù)據(jù)</p><p>　　

59、T DBD [AR1,P#4.0]; //下一個(gè)數(shù)據(jù)</p><p>　　L #Number; </p><p>　　LOOP Next; </p><p>　　//***************************************************************</p><p>　　L

60、#MeasuredValue; //測(cè)量數(shù)據(jù)->第一個(gè)數(shù)據(jù)</p><p>　　T DBD [AR1,P#0.0]; </p><p>　　LAR1 #BufferAR1; //把緩沖區(qū)內(nèi)容->地址寄存器</p><p>　　BEU ; //結(jié)束</p><p>　　END_FUNCTION</p>&

61、lt;p>　　從程序本身可以看出：和梯形圖相比較來(lái)說(shuō)，其本身較為復(fù)雜些，但較為靈活，更能滿足信號(hào)隊(duì)列較長(zhǎng)的要求[14]。</p><p>　　在本次設(shè)計(jì)中，所需的隊(duì)列較簡(jiǎn)短所以利用的是梯形圖進(jìn)行的隊(duì)列的建立。隊(duì)列操作封裝在FB1模塊中。</p><p>　　4.4 力控監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　由于此課題中涉及到的監(jiān)控只是出于對(duì)曲線及響應(yīng)時(shí)間上的監(jiān)控，

62、所以操作起來(lái)還是比較簡(jiǎn)單的。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)用的是力控6.0監(jiān)控組態(tài)軟件，它具有實(shí)時(shí)多任務(wù)、接口開(kāi)放、使用靈活、運(yùn)行可靠的特點(diǎn)。</p><p>　　首先，利用組態(tài)軟件的圖庫(kù)，使用相應(yīng)的圖形對(duì)象模擬實(shí)際的控制系統(tǒng)和控制設(shè)備。創(chuàng)建實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)，用數(shù)據(jù)庫(kù)中的變量反映控制對(duì)象的各種屬性，變量描述控制對(duì)象的各種屬性。然后建立變量和圖形畫(huà)面中的圖形對(duì)象的連接關(guān)系，畫(huà)面上的圖形對(duì)象通過(guò)動(dòng)畫(huà)的形式模擬實(shí)際控制系統(tǒng)的運(yùn)行。</

63、p><p>　　具體的組態(tài)軟件中實(shí)現(xiàn)的管道儀表流程圖如下方圖13所示：</p><p>　　圖13 組態(tài)軟件中實(shí)現(xiàn)的管道儀表流程圖</p><p>　　IO設(shè)備組態(tài)如圖14所示：</p><p>　　圖14 IO設(shè)備組態(tài)圖</p><p>　　數(shù)據(jù)庫(kù)組態(tài)如圖15所示：</p><p>　　圖15

64、 數(shù)據(jù)庫(kù)組態(tài)</p><p>　　5設(shè)計(jì)中的設(shè)備介紹、設(shè)計(jì)結(jié)果及問(wèn)題解決方法</p><p>　　5.1 過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置的介紹</p><p>　　實(shí)際對(duì)象即“孝”字號(hào)上加有盤(pán)管滯后的系統(tǒng)響應(yīng)</p><p>　　關(guān)于“孝”字號(hào)設(shè)備的簡(jiǎn)要介紹：南陽(yáng)理工學(xué)院4521變頻技術(shù)實(shí)驗(yàn)室“孝”字號(hào)實(shí)驗(yàn)臺(tái)由夾套鍋爐、管道、閥門(mén)、水箱、I/O模塊、工控

65、機(jī)、力控軟件等部件組成。系統(tǒng)中可以測(cè)量和控制的量有流量、水壓、溫度、液位等；具有幾個(gè)可控的參數(shù)：進(jìn)出水閥門(mén)的開(kāi)度、變頻器頻率、加熱絲功率，可以通過(guò)改變它們的控制信號(hào) （4-20mA）對(duì)其進(jìn)行控制。水泵的出水口到單容水箱的進(jìn)水口之間有一段很長(zhǎng)（18m左右）的盤(pán)管，水流流經(jīng)該管道造成大約25秒鐘的時(shí)延，用來(lái)模擬滯后環(huán)節(jié)[15]。</p><p><b>　　控制效果：</b></p>

66、<p>　　控制西門(mén)子S7—300控制閥的開(kāi)度大小，以此來(lái)調(diào)節(jié)水箱進(jìn)水速度。利用力控監(jiān)控軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，得到系統(tǒng)的曲線響應(yīng)。如圖16所示：</p><p>　　圖16 系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控響應(yīng)穩(wěn)態(tài)曲線圖</p><p><b>　　響應(yīng)效果分析：</b></p><p>　　由圖之所反映的信息可得，在實(shí)際對(duì)象的控制中，并未取得一個(gè)好的

67、響應(yīng)曲線。單從理論上講，Smith預(yù)估控制能克服大滯后的影響。但是由于Smith預(yù)估器需要知道被控對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型，而實(shí)際中很難獲得對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，故在應(yīng)用中總存在模型的不匹配。</p><p>　　5.2 設(shè)計(jì)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題及解決方法</p><p>　　5.2.1 問(wèn)題1 壓力傳感器輸出濾波</p><p>　　現(xiàn)象：運(yùn)行程序時(shí)，檢測(cè)現(xiàn)象曲線波動(dòng)較大。&

68、lt;/p><p>　　思路：① 懷疑接線有短路或接觸不良，自PLC控制面板開(kāi)始檢查線路并無(wú)此現(xiàn)象，轉(zhuǎn)至儀表面板后接線端子，也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。② 程序中上下限設(shè)定有問(wèn)題，復(fù)查后并不超限。③ 壓力傳感器出現(xiàn)問(wèn)題。</p><p>　　解決方法：在壓力傳感器中加入電容104(104=10*10^4=100000PF=0.1UF)，以產(chǎn)生濾波效果，使得傳送曲線趨于平穩(wěn)。</p><

69、p>　　5.2.2 問(wèn)題2 SM334（PLC中模擬量模塊）去干擾</p><p>　　現(xiàn)象：A/D轉(zhuǎn)換輸入出現(xiàn)數(shù)據(jù)跳動(dòng)。</p><p>　　思路：① 控制程序中PID參數(shù)設(shè)定有問(wèn)題，改變參數(shù)變化PID參數(shù)配套，分別置0，未解決。② 在控制程序中加入一個(gè)MOVE數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，未解決。③ 外設(shè)接線，復(fù)查線路，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)斷路情況，未解決。</p><p>　　解決方

70、法：SM334輸入輸出都要接地，去除干擾。</p><p>　　5.2.3 問(wèn)題3 補(bǔ)償不穩(wěn)定及解決方法</p><p>　　現(xiàn)象：響應(yīng)結(jié)果出現(xiàn)震蕩（不在允許范圍內(nèi)）。</p><p>　　思路：利用simulink仿真，利用OPC讀寫(xiě)操作反推PID系統(tǒng)參數(shù)值。</p><p>　　解決方法：在系統(tǒng)運(yùn)行之后，觀測(cè)到的響應(yīng)曲線正如前章結(jié)果所示，

71、出現(xiàn)震蕩多次調(diào)試仍未解決。遂采用simulink仿真，利用OPC讀寫(xiě)操作反推PID系統(tǒng)參數(shù)值。OPC讀寫(xiě)仿真如圖17所示：</p><p>　　圖17 加入OPC讀寫(xiě)系統(tǒng)仿真圖</p><p>　　把在此得到的數(shù)據(jù)用于設(shè)定PLC程序中的PID各參數(shù)，響應(yīng)結(jié)果曲線并未發(fā)生很大好轉(zhuǎn)。但本身的實(shí)驗(yàn)操作時(shí)正確的?？上抻趯?shí)驗(yàn)硬件器材的精度及我們本身的經(jīng)驗(yàn)，最終響應(yīng)結(jié)果仍有待改進(jìn)。</p>

72、;<p><b>　　結(jié)束語(yǔ)</b></p><p>　　時(shí)滯系統(tǒng)控制方法的研究，從50年代以來(lái)出現(xiàn)的方法有Smith預(yù)估補(bǔ)償控制、最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、動(dòng)態(tài)矩陣預(yù)報(bào)控制、預(yù)測(cè)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、魯棒控制、有模糊Smith控制、模糊自適應(yīng)控制、模糊PID控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家控制等。其控制方法也已經(jīng)由傳統(tǒng)控制轉(zhuǎn)向智能控制，或者是二者的結(jié)合。</p><p

73、>　　目前針對(duì)純滯后系統(tǒng)所采用的Smith控制、模糊控制、Fuzzy+Smith控制，以及預(yù)測(cè)函數(shù)控制等多種先進(jìn)控制技術(shù)。這些控制策略都能實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)滯系統(tǒng)的有效控制為了提高此類液位控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)。而且，對(duì)于具有時(shí)間滯后特征的工業(yè)過(guò)程的控制問(wèn)題，多年來(lái)一直是控制理論界和控制工程界廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)。</p><p>　　對(duì)于純滯后系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)控制問(wèn)題，理論與實(shí)際的空間轉(zhuǎn)換過(guò)程中，就會(huì)存在很多問(wèn)題。系統(tǒng)設(shè)備的精度、

74、控制數(shù)據(jù)的設(shè)定及配套都是不得不考慮的因素。當(dāng)然，對(duì)于滯后系統(tǒng)的補(bǔ)償方法很多，如何根據(jù)不同的情況選擇相應(yīng)的控制方法也非常重要，這就需要不斷的嘗試、不斷的修正、不斷的努力。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 孫洪程 翁唯勤.過(guò)程控制工程設(shè)計(jì).化學(xué)工業(yè)出版社.2005.01.01</p><p>　　[2] 王

75、樹(shù)青.工業(yè)過(guò)程控制工程[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.01</p><p>　　[3] 孫洪程 李大字 翁唯勤.過(guò)程控制工程.高等教育出版社.2006.02.01</p><p>　　[4] 西門(mén)子公司.S7-300模塊數(shù)據(jù)設(shè)備手冊(cè).西門(mén)子公司，2007.11.24</p><p>　　[5] 任致程.傳感器 變速器 智能數(shù)顯控制器應(yīng)用手冊(cè).北京：中國(guó)電力出

76、版社，2007.06 </p><p>　　[6] 芮延年.傳感器與檢測(cè)技術(shù)[M].蘇州：蘇州大學(xué)出版社，2005.03</p><p>　　[7] 楊智.工業(yè)自整定PID調(diào)節(jié)器關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)綜述.北京：電子工業(yè)出版社.2004.02 </p><p>　　[8] 張萬(wàn)忠.可編程控制器應(yīng)用技術(shù) [M].北京: 化學(xué)工業(yè)出版社，2001.02</p>&l

77、t;p>　　[9] 龔運(yùn)運(yùn) 方立友.工業(yè)組態(tài)軟件實(shí)用技術(shù).清華大學(xué)出版社.2005.09.01</p><p>　　[10] 鄭鳳翼,張繼研. 圖解西門(mén)子S7-300/400系列PLC入門(mén).電子工業(yè)出版社.2008.08</p><p>　　[11] 劉華波. 西門(mén)子S7-300/400PLC編程與應(yīng)用.機(jī)械工業(yè)出版.2010.07</p><p>　　[12

78、] 崔堅(jiān). 西門(mén)子S7可編程序控制器——STEP7 編程指南.機(jī)械工業(yè)出版社.2010.01</p><p>　　[13] 陸運(yùn)華,胡翠華.PLC控制系統(tǒng)梯形圖及指令表[M].北京：中國(guó)電力出版社，2007.06</p><p>　　[14] Paul Katz.Digital Control Using Microprocessors.1982 </p><p>

79、　　[15] Tzuu-Hseng S.Li Ming-Yuan Shieh.Design of a GA-based fuzzy PID controller for non-minimum phase systems.[J].Fuzzy Sets and Systems,2000,11(1)</p><p><b>　　附錄</b></p><p>　　1、純滯后