基于MCGS和PLC的模煳控制算法在液位控制中作用[计算机类]

1、软硬件 摘要 液位控制是工业中常见的过程控制，它对生产的影响不容忽视。单容液 位控制系统具有非线性、滞后、耦合等特征能够很好地模拟工业过程特征。 对于液位控制系统，常规的 P I D 控制由于采用固定的参数，难以保证控制 适应系统的参数变化和工作条件变化，得不到理想效果。模糊控制具有对参 数变化不敏感和鲁棒性强等特点，但控制精度不太理 想如果将模糊控制和传 统的 P I D 控制两者结合， 用模糊控制理论来整定 PID 控制器的比例、积分、 微分系数，就能更好地适应控制系统的参数变化和工作条件的变化。 关键词：关键词：PID控控制；可编程控制器制；可编程控制器(PLC)；模模糊糊PID；单单容

2、容水水箱箱 软硬件 目 录 中文摘要 .I 目 录.2 第 1 章 绪 论.5 1.1 题的提出及意义 .5 1.2 目前发展现状 .5 1.3 本次毕业设计主要研究的内容 .6 第 2 章 实验系统数学模型建立.7 2.1 实验液位控制对象概述 .7 2.1.1 TGK-2 型实验对象组成结构.7 2.2 液位控制对象数学模型建立 .11 第 3 章 控制器设计及参数整定方法.15 3.1 PID 控制.15 3.1.1 PID 概述.15 3.1.2 PID 模块介绍.17 3.1.3 PID 控制原理 .17 3.1.4 利用稳定边界法整定单容水箱.17 3.2 模糊 PID 控制 .1

3、9 3.2.1 模糊控制技术简介.19 3.2.2 模糊控制器设计步骤.20 3.2.3 模糊 PID 控制器的设计.21 第 4 章 控制系统设计.27 4.1 系统设计要求 .27 4.2 PLC 的选择.27 4.2.1 S 系列 PLC 发展概述.28 4.2.2 S7-200 系列 PLC 系统的组成 .28 4.3 组态软件的选择 .30 4.3.1 组态软件产生的背景.30 4.3.2 组态软件的选用.31 4.3.3 组态软件的特点.31 4.4 设计思想 .31 4.5 PLC 控制系统的应用设计.32 软硬件 4.5.1 PLC 控制的系统的总体设计.33 4.5.2 PL

4、C 外围功能模块选择.38 4.5.3 电气控制原理图.40 第 5 章 S7-200PLC 编程软件的使用 .42 5.1 编程软件系统概述 .42 5.1.1 系统要求.42 5.1.2 软件安装.42 5.2 STEP7-200MICRO/WIN32 软件功能 .43 5.2.1 编程软件功能简介.43 5.2.2 窗口组件及功能.44 5.2.3 系统组态.46 5.3 编程及运行 .46 5.3.1 程序文件操作.47 5.3.2 梯形图设计.48 STEP7-Micro/WING32 编程软件有很强的编辑功能，熟练掌握编辑和修改控制程序 操作可以大提高编程的效率。梯形图如图 5-4

5、：调节阀采集程序.48 5.3.2 调节阀转换程序 .49 5.3.3 模糊 PID 程序 .50 第 6 章 上位机监控界面设计.53 6.1 概述 .53 6.2 MCGS 特点.53 6.3 监控界面设计步骤 .54 6.3.1 制作文字框图.55 6.3.2 制作水箱.55 6.3.3 定义数据对象.57 6.3.4 动画连接.58 6.3.5 水位升降效果.59 6.3.6 水泵、阀门的启停.60 6.3.7 水流效果.61 6.3.8 脚本程序.64 6.4 系统调试 .64 6.4.1 硬件连接.64 6.4.2 参数设置.65 6.4.3 建立在线联系.66 6.4.4 建立修

6、改 PLC 通讯参数.66 6.5 存在问题及解决方法 .67 软硬件 6.5.1 设计中存在的问题.67 6.5.2 解决存在的问题67 第七章 实验数据及结果.69 参考文献.70 PLC 定义和概念 .71 软硬件 第 1 章 绪 论 1.1 题的提出及意义 随着科学技术的发展，特别是大规模集成电路的问世和微处理机技的应 用，出现了可编程序控制(PLC)，它不仅可以取代传统的继电接触器控制系 统，还可以进行复杂的过程控制和构成分布式自动化系统，使电气控制技术 进入了一个崭新的阶段。为了实现基于 MCGS和 PLC模糊控制 PID算法在液 位控制中的应用，本次设计的内容是基于两者的 PLC

7、 控制水位控制系统。而 水位控制系统在我们的现实生活中应用也是十分广泛的，例如：水利部门的 水位测量、高层建筑的水位控制等。 1.2 目前发展现状 社会在发展，人类在进步，随着科学技术的发展和人们对生活饮用水品 质的不断提高，恒压供水系统以逐渐取代原有的水塔供水系统，广泛应用于 多层住宅小区生活消防供水系统。然而，由于新系统多会继续使用原有系统 的部分旧设备，所以，此技术用在对原有系统的改造过程中，既可以体现恒 压供水的优势，又可以尽量保留原有的设备，有效的节省了大量的资金，并 且可以保证系统的可靠的运行。与此同时,水位测量一直是水文、水利部门的 重点，由于没有进行有效监测，江堤决口，水冲毁的

8、恶性事故时有发生，给 国家和人民生命财产带来重大损失，为及时发现事故苗头，防患于未来。而 在社会经济飞速发展的今天，水在人们正常生活和生产中起着越来越重要的 作用，一旦断了水，轻则给人民生活带来极大的不便，重则可能造成严重的 生产事故及损失。因此给水工程往往成为高层建筑或工矿企业中最重要的基 础设施之一。任何时候都能提供足够的水量、平稳的水压、合格的水质是对 给水系统提出的基本要求。就目前而言，多数工业、生活供水系统都采用水 塔、层顶水箱等作为基本储水设备，由一级或二级水泵从地下市政水管补给。 因此，如何建立一个可靠安全、又易于维护的给水系统是值得我们研究的课 题。 软硬件 1.3 本次毕业设

9、计主要研究的内容 主要用到了PLC和计算机系统构成工业控制系统采用自动调节水泵电机 的速度，改变了以往先启后停的方式，系统能够自动和手动完成各个泵的启 动、停止和无冲击切换，以及故障报警，使平稳过渡。 在水位控制系统设计中，对液位传感器控制也进行了必要的讲解。包括 传感器原理，传感器的分类以及参数的设定。其硬件由PLC、电机、继电器 等组成。详细的论述了PLC的原理、传感器的原理、硬件设计、软件设计； 操作、参数设定、控制系统图的设计。 设计中利用PLC控制，采用模糊控制控制器，形成为闭环的控制系统，从 而实现液位的恒定，而泵的启动和停止可以自动和手动来实现的。与此同时， 泵的启动和停止可以自

10、动和手动来实现的。而使本系统运行可靠，抗干扰性 强，且具有经济性。在本系统中，用水泵通过一个调节阀给一水箱供水,水箱 中用一液位变送器测量水位。对液位变送器的输出进行采样，要求采样周期 为一个扫描周期，多次采样扣求得平均值，折算为水箱水位，应用PID指令控 制调节阀，保证水箱水位保持在设定值。然后利用模糊控制器更改 PID 的三 个参数，提高系统的静态和动态性能。 软硬件 第 2 章 实验系统数学模型建立 过程控制系统的品质是由组成系统的各个环节的结构及其特性所决定的。 过程的数学模型是设计过程控制系统，确定控制方案、分析质量指标、整定 调节器参数等等的重要依据。所以建立实验系统数学模型是过程

11、控制系统设 计分析和应用的重要资料。 2.1 实验液位控制对象概述 本次设计采用 RTGK-1 型过程系统实验台。即电压 15V，电流 420mA。实验系统供电要求：三相 380V 交流电。 2.1.1 TGK-2 型实验对象组成结构 过程控制实验对象系统包含有：不锈钢储水箱、强制对流换热器系统、 串接圆筒有机玻璃上水箱(250370mm)、中水箱(250370mm)、下水箱 (250270mm)、三相 4.5KW 电加热锅炉(由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭 式外循环不锈钢冷却锅炉夹套组成)，纯滞后盘管实验装置。系统动力支路分 为两路组成：一路由单相丹麦格兰富循环水泵、电动调节阀、涡轮流量计、

12、自锁紧不锈钢水管及手动切换阀组成；另一路由小流量水泵、变频调速器、 小流量电磁流量计、自锁紧不锈钢水管及手动切换阀组成。如下图 2.1的系统 结构图所示。图中的检测变送和执行元件有：液位传感器、温度传感器、涡 轮流量计、电磁流量计、压力表、电动调节阀、电磁阀等。 2.1.2 TGK-2 实验对象的检测及执行装置包括： 检测装置：扩散硅压力液位传感器。分别用来检测上水箱、下水箱液位 和小流量水泵的管道压力；电磁流量计、涡轮流量计分别用来检测小流量泵 动力支路流量和单相格兰富水泵动力支路流量；Pt100 热电阻温度传感器分 软硬件 别用来检测锅炉内胆、锅炉夹套和对流换热器冷水出口、热水出口、纯滞后

13、 盘管出口水温。 执行装置：三相可控硅移相调压装置用来调节三相电加热管的工作压电 动调节阀调节管道出水量；变频器调节小流量泵。系统结构图 2-1如下 图 2-1 系统结构图 软硬件 1.液位传感器 工作原理：当被测介质(液体)的压力作用于传感器时，压力传感器将压 力信号转换成电信号，经归一化差分放大和输出 V/A电压、电流转换器，转 换成与被测介质(液体)的液位压力成线性对应关系的 420mA 标准电流输出 信号。 接线如图 2-2所示： 图 2-2 液位传感器 接线说明：传感器为二线制接法，它的端子位于中继箱内，电缆线从中 继箱的引线口接入，直流电源 24V+接中继箱内正端(+)，中继箱内负

14、端()接 负载电阻的一端，负载电阻的另一端接 24V-。传感器输出 420mA 电流信号， 通过负载电阻 250/50 转换成电压信号。当负载电阻接 250 时信号电压为 15V，当负载电阻切换成 50 时信号电压为 0.21V。 零点和量程调整：零点和量程调整电位器位于中继箱内的另一侧。校正 时打开中继箱盖，即可进行调整，左边的(Z)为调零电位器，右边的(R)为调 增益电位器。 2.压力表 安装位置：单相泵之后，电动调节阀之前。 测量范围：00.25Mpa 软硬件 图 2-3 压力表 3.电动调节阀 QSVP20-15N智能电动单座调节阀 主要技术参数： 执行机构型式：智能型直行程执行机构

15、输入信号：010mA/420mADC/05VDC/15VDC 输入阻抗：250/500 输出信号：420mADC 输出最大负载：500 电源：220V10%/50Hz 信号断电时的阀位：可任意设置为保持/全开/全关/0100%间的任意值 4.压力变送器 PB800系列压力变送器用于测量液体或气体的压力，并把压力信号转换 成电信号的现场远传压力仪表。 PB800系列压力变送器广泛应用于石油、化工、冶 金、环保、轻工、医 药、制冷、恒压供水等行业。 特点:高精度：0.25级、0.5 级电源、输出二线制(24VDC、420mA)都 采用 316C 不锈钢隔离膜片、抗腐蚀性强、小体积、高质量、低价格，

16、而且 测量范围广，本地量程、零点可调技术参数: 基本误差：0.25、 0.5 线形度：优于 0.2%F.S 温度漂移： 0.025F.S 长期稳定性： 时，h()=KR ，因而有 K=h()/RO=输出稳态值/阶跃输入当 0 t=T 时，则有 h(T)=KR (1-e)=0.632KR =0.632h() 0 1 0 软硬件 式(2.7)表示一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数，如图 2.2 所 示。当由实验求得图 2.2 所示的阶跃响应曲线后，该曲线上升到稳态值的 63%所 对应的时间，就是水箱的时间常数 T。该时间常数 T 也可以通过坐标原点对 响应曲线作切线，切线与稳态值交点所对

17、应的时间就是时间常数 T，由响应 曲线求得 K 和 T 后，就能求得一阶水箱的传递函数。 图 2.4 单容水箱的单调指数上升曲线 二、控制系统模型的建立 根据拟合曲线采用上述计算法求得上水箱传递函数为 h1( t ) h1( ) 0.63h1() 0 T 软硬件 第 3 章 控制器设计及参数整定方法 3.1 PID 控制 3.1.1 PID 概述 作为经典的控制理论，PID控制规律仍然是当今工控行业的主导控制方 式，无论复杂、简单的控制任务，PID控制都能取得满意的控制效果，前提 是 PID参数必须选择合适。可以说，通过适当的 PID参数，PID控制可以得 到各种输出响应特性，也就是说，通过适

18、当给定 PID参数，大多数的控制 任务都可以由 PID完成。 用比例(P)调节器的系统是一个有差系统，比例度的大小仅会影响到余 差的大小，而且也与系统的动态性能密切相关。比例积分(PI)调节器，由于 积分的作用，不仅能实现系统无余差，而且只要参数，调节合理，也能 Ti 使系统具有良好的动态性能。比例积分(PID)调节器是在 PI 调节器的基础上 再引入微分D的作用，从而使系统既无余差存在，又能改善系统的动态性能 (快速性、稳定性)。在单位阶跃作用下，P、PI、PID 调节系统的阶跃响应分 别如图 3-1 的曲线 1、2、3 所示。 图 3-1 P,PI,PID 调节的阶跃响应曲线 在采用计算机

19、控制时，控制是由计算机的数字运算来实现的。在过程控 制发展史中，控制器(控制规律)的发展起了决定性作用。可见控制器的选型 与控制规律的确定是系统设计中最重要的环节，控制器的选型主要根据被控 过程的特性、工艺对控制品质的要求、系统的总体设计来综合考虑。 软硬件 0 0 T 1.选择控制器的控制规律 (1)根据比值来选择调节器的控制规律 (2)根据过程特性来选择控制规律:若过程的数学模型比较复杂或无法准 确建模时,可根据何种控制规律适用于何种过程特性与工艺要求来选择,常用 的各种控制规律的控制特点扼要归纳如下： 1)比例控制规律(P) 采用 P 控制规律能较快地克服扰动的影响，使系统稳定下来，但有

20、余差。 它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、控制要求不高、被控参数允许 在一定范围内有余差的场合。如储槽液位控制、压缩机储气罐的压力控制等。 2)比例微分控制规律(PD) 微分具有超前作用，对于具有容量滞后的控制通道，引入微分控制规(微 分时间设置得当)对于改善系统的动态性能指标，有显著的效果。因此，对于 控制通道的时间常数或容量滞后较大的场合，为了提高系统的稳定性，减小 动态偏差等到可选用比例微分控制规律，如温度或成分控制。但对于纯滞后 较大，测量信号有噪声或周期性扰动的系统，则不宜采用微分控制。 3)比例积分控制规律(PI) 在工程上比例积分控制规律是应用最广泛的一种控制规律。积分能消

21、除 余差，它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、被控参数不允许有余差 的场合。如某些流量、液位要求无余差的控制系统。 4)比例积分微分控制规律(PID) PID 控制规律是一种较理想的控制规律，它在比例的基础上引入积分， 可以消除余差，再加入微分作用，又能提高系统的稳定性。它适用于控制通 道时间常数或容量滞后较大、控制要求较高的场合。如温度控制、成分控制。 软硬件 3.1.2 PID 模块介绍 WT405-5为可编程 PID控制模块，模块内部有 40余种命令语言，每个命 令语言执行一定的运算功能，根据实际要求，将多条命令语言组合在一起即 构成模块的控制程序。 通过编程，模块可实现单回路 PI

22、D、串级三冲量 PID、导入微分 PID及自 动/手动无扰切换等复杂的控制功能。模块具有掉电保护功能，复位或重新上 电时能自动恢复掉电前的工作状态，接续原来的工作状态进行控制。 模块本身具有 PID控制所必须的模拟量输入、模拟量输出、开关量输入、 开关量输出通道，能不依赖网络而独立进行 PID控制，该控制方案安全、可 靠。PID参数、PID定值及控制程序的修改可通过网络实现。4 路模拟量输入 通道可以单独设置分度类型，采集各种类型的模拟量信号。 3.1.3 PID 控制原理 经典PID控制理论中，基本数学模型有两种(连续型、增量型)，PID模型 的增量控制数学模型可以简单地用下式表示： (3-

23、1) dt kdE K T kE kEkEKkPkPd i )( * )( ) 1()(*) 1()( - PID命令输出 ( )P k -PID命令前坎输出 (1)P k -比例项，K为 PID命令的比例倍数 *( )(1)KE kE k -积分项，为积分时间(秒) iT 3.1.4 利用稳定边界法整定单容水箱 一、整定步骤： （1）将调节器的积分时间 TI 置于最大（TI=） ，微分时间置零（TD=0） ， 比例度 适当，平衡操作一段时间，把系统投入自动运行。 T kE)( 软硬件 （2）将比例度 逐渐减小，得到等幅振荡过程，记下临界比例度 k 和临界振荡周期 Tk 值。 （3）根据 k

24、和 Tk 值，采用经验公式，计算出调节器各个参数，即 、TI、TD 的值。 按“先 P 后 I 最后 D”的操作程序将调节器整定参数调到计算值上。若 还不够满意，可再作进一步调整。 二、整定注意事项： （1）有的过程控制系统，临界比例度很小，使系统接近两式控制，调节 阀不是全关就是全开，对工业生产不利。 （2）有的过程控制系统，当调节器比例度 调到最小刻度值时，系统 仍不产生等幅振荡，对此，就把最小刻度的比例度作为临界比例度 k 进行 调节器参数整定。 图 3-2 三、整定结果 1 依据征订步骤得出： 临界比例度: k=1/K =1/500= 0.002 TK t Y（t） 软硬件 临界震荡周

25、期（震荡的两个波峰之间的时间）:Ts=33s 2、采用 PID 调节规律，根据下表公式计算调节器各个参数 表 3-3 =1.6k= 1.6*0.002= 0.0032 K =1/= 1/0.0032= 312.5 Ti =Tk /1.2= 33/1.2= 27.5s Td=0.25Ti=6.875 3.2 模糊 PID 控制 3.2.1 模糊控制技术简介 模糊控制是建立在人工经验的基础上的，对于一个熟练的操作人员，他 并非了解被控对象精确的数学模型，而是凭借其丰富的实践经验，采取适当 的对策来巧妙的地控制一个复杂的过程。若能把这些熟练操作人员的实践经 验加以总结和描述，并用语言表达出来，它就是

26、一种定性的，不精确的控制 规则。如果用模糊数学将其定量化就转化为模糊控制算法，从而形成了模糊 控制理论。它最近的短短十年来发展如此迅速，这主要归结于模糊控制的一 些明显的特点： (1)无需知道被控对象的数学模型:模糊控制是一人对被控系统的控制经 验为依据而设计的控制器，故无需知道被控系统的数学模型。 (2)是一种反映人类智慧思维的智能控制:模糊控制采用人类思维中的模 糊量，如“高” “中” “低” “大” “小”等，控制量由推理导出。这些模糊量 是人类通常智能活动的的体现。 (3)易被人接受:模糊控制的核心是是困难控制规则，这些规则是以人类 控制规律 调节器参数 TITD P2K PI2.2K

27、TK/1.2 PID1.6KTK/1.20.25TI 软硬件 语言表示的，如“衣服较脏，投入洗涤剂较多，洗涤时间较长” ，很明显这些 规则易被人所接受和理解。 (4)构造容易用:单片机等来构造模糊控制系统，其结构与一般数字控制 系统无异，模糊控制算法用软件实现。 (5)鲁棒性好:模糊控制系统无论被控对象是线性的还是非线性的，都能 执行有效的控制，具有良好的鲁棒性和适应性。 3.2.2 模糊控制器设计步骤 （1）确定模糊控制器的结构 根据控制对象的特点、要求及专家经验，合理选择控制器的输入量、输 出量，从而确定其结构。输入维数越多，控制会更精细，但控制规则的选取 越困难，控制算法也越复杂，实现起

28、来较困难。图 1 为常用的二维模糊控制 系统的原理框 图，以偏差和偏差变化率作为输入量，输出量为系统控制值。 图 3-4 模糊控制系统原理图 （2）确定模糊语言变量的语言值及其论域 图 3-5 中分别表示输入、输出量的模糊语言变量。综合控制精度、控制 规则、控制算法的复杂程度及控制的稳定性等因素，取各语言变量的语言值 为正大、正中、正小、零、负小、负中、负大，语言变量、的论域范围及 量化等级为-3、-2、-1、0、1、2、3，语言变量的论域范围及量化等级为 软硬件 -3、-2、-1、0、1、2、3。 （3）确定隶属度函数 隶属度函数是论域元素对某语言值从属程度的描述，可结合工程实际， 通过统计

29、分析和专家经验来确定，一般可取三角形或高斯形隶属度函数。由 隶属度函数可方便地获得各模糊语言变量的赋值表。 (4)输入量的模糊化 首先，将输入量 e、ec 的某一精确量分别乘以量化因子 ke、kec，将其 量化为论域元素内的值，再由模糊语言变量的赋值表，确定输入量的模糊化 结果(为一模糊子集)，实现输入量的模糊化。 (5)建立模糊控制规则 模糊控制规则的建立依赖于操作者经验和专家知识。 以偏差和偏差变化 率为输入量的二维模糊控制器， 常采用 Mamdani 控制规则， 用条件语句表 示为： “若 is Ai and is Bj， 则 is Cij” 。 (6)模糊推理 控制规则中每一条件语句对

30、应有模糊关系。全部的模糊控制规则确定的 整个系统的模糊关系。 当给定输入后，依据模糊推理合成规则，求取相应的模糊控制量。 (7)输出量的逆模糊化 由模糊推理获得的控制量是模糊语言变量论域上的模糊子集，通过逆模 糊化运算(如加权平均法)得到控制量的量化值 U，乘以比例因子 ku，获得控 制量的精确值，由 D/A 转换输出施加给被控对象。 3.2.3 模糊 PID 控制器的设计 一、模糊 PlD 控制器控制原理 模糊 PlD 控制器的控制原理图如图 2 所示： 软硬件 图 3-5 模糊 PID 控制原理图 其中给定值 Y 为给定液位输出 Y 为实际液位。本控制器是以液位偏差 r e 和偏差变化e

31、作为输入以K 、K 、K 作为输出。采用模糊推理 p id 方法对 PlD 参数 K 、K 、K 进行在线整定以满足不同的误差 P 和误差变 p id 化量e 对控制器参数的不同要求使被控对象具有良好的动态和静态性能。 二、 PID 控制器参数整定原则 对模糊 PlD 控制器的参数 K 、K 、K 整定原则是：当|e|较大时，应取 p id 较大的 K 和较小的 K 。以使系统响应加快为避免出现较大的超调。对积 p d 分作用加以限制，取 K =0，当|e|中等时，为使系统具有较小的超调，K 应 i p 取得小些。此时 K 的取值对系统的影响较大，要大小适中，以保证系统的响 d 应速度，K 的

32、取值要适当|e| PI 较小时，为使系统具有较好的稳定性能，应 i 增加 K，并减小 K 的取值。K 的取值要恰当以避免在平衡点附近出现振荡。 id PID 控制器的参数、由式(1)计算： p k i k d k =+ p k pr k p k =+ (1) i k ir k i k =+ d k dr k d k 式中、和为预整定值。 pr k ir k dr k 三、 隶属度函数和模糊规则表的确定 将偏差 e 和偏差变化率模糊化为 E 和 EC，E 和 EC 的模糊论域均为- e 6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6。、的模糊 p k i k d k 软硬件 论域取

33、为 -6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6。E 和 EC 的 模糊子集均为NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB，、的模糊子 : : : : - p k i k d k 集均为NB，NM，NS，ZO，PS，PMPB。其中 NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB 分别表示负大、负中、负小、零、正小、正中、正大。具体的隶属度函数如 图 3 和图 4 所示： 图 3-6 偏差 E、偏差变化率 EC 隶属度函数图 图 3-7 、隶属度函数图 p k i k d k 模糊控制规则表见表 l、表 2、表 3 所列。 软硬件 EC Kp NBNMNSZOPSPMPB NBPBPB

34、PBPBPBPBPB NMPBPBPMPSPSZONS NSNMNSPMPMPMNSNS ZONSZOZOZOZOZONS PSNSZOPBPSPSNSNM PMPMPMPMPSPSPSPS E PBPBPBPBPBPBPBPB 表 3-8 的模糊控制规则表 p k 软硬件 EC Ki NBNMNSZOPSPMPB NBNBNBNMNMNSNSZO NMNBNBNMNSNSZOZO NSNSZOPSZOPSPSPS ZOZOZOZOZOPSZOZO PSNMNSPSPSZOZONS PMNSZOZOPSPSZOZO E PBNMNMNBNBNBNBNB 表 3-9的模糊控制规则表 i k 软硬

35、件 EC Kd NBNMNSZOPSPMPB NBNBNBNBNMNMNMZO NMPSNSNBNMNMNSZO NSZOPSPBPBPSNSZO ZOZOZOPSPSPSZOZO PSZOZOPBPMZOZOZO PMPSPSPSPSPSZOZO E PBNMNBZOZOZONBNB 表 3-10 的模糊控制规则表 d k 根据模糊控制规则表 l、2、3 和式(1)，可以对 PID 参数、进 p k i k d k 行动态整定。 四、控制算法流程图 软硬件 图 3-11 模糊 PID 控制流程图 开始 读取液位值 H1 e1=SP-H1 ec1=e1-e0 e1=|e1| ec1=|ec1|

36、 E=Ke*e EC=Kec*ec1 根据 E 和 EC 查表得 Kp、Ki、Kd Kp=Kpr+Kp Ki=Kir+Ki Kd=Kdr+Kd Up=Kp*(e2-e1) Ui=Ki*e2 Ud=Kd*(e2-2*e1+e0) U1=Up+Ui+Ud+U0 e0=e1 e1=e2 U0=U1 返回 软硬件 五、仿真结果与分析 这里采用模糊 PID 控制对单容水箱液位进行控制。使用常规 PID 控制和模糊 PID 控制仿真曲线分别如图 5 和图 6 所示： 图 3-12 PID 控制效果图 图 3-13 模糊 PID 控制效果图 图 5 和图 6 中起始液位均为 0mm，起始时间为 0 秒，液位

37、设定值为 50mm。由 图可知，常规的 PID 控制超调较大。且调整时间较长，在系统接近稳态时振 荡较大，长期使用会对执行设备造成一定的损害。模糊 PID 控制算法的控制 曲线具有上升速度快，调节时间短的特点，且进入稳态后，模糊 PID 控制的 输出非常平稳, 抗干扰能力较强，鲁棒性好。由仿真结果可知模糊 PID 控 制算法比常规 PID 控制算法具有更优越的控制性能。 软硬件 第 4 章 控制系统设计 4.1 系统设计要求 1.以 S7-200系列的 PLC为核心，设计一个液位控制系统。 2.为能够实时监控系统，利用组态软件完成上位机监控界面。 3.为保证液位恒值不变，同时增加控制精度和稳定

38、性，在 PID的基础上 加入模糊控制算法。. 4.2 PLC 的选择 随着工业产生的迅速发展，市场竞争激烈，产品更新换代的周期日趋 缩短。由于传统的继电器控制系统存在着设计制造周期和维修等缺点，因 此越来越不能适应工业现代化发展的需要，迫切需要新型先进的自动控制 装置。20世纪 70年代中期，随着大陆规模集成电路和微型计算机技术的发 展，美国、日本、德国等国家把微处理器引入 PLC，使 PLC在继电器控制 和计算机 控制的基础上，逐渐发展为以微处理器为核心，把自动化、计算 机、通信技术融为一体的新型自动控制装置。而且在编程方面采用了简单 的语言，打破了以往必须具有计算机专业知识的人员使用计算机

39、编程的限 制，使广大工程技术人员和具有电工知识的人员乐于接受和应用，所以得 到了迅速而广泛的推广。 虽然 PLC的种类和规格很多，不同厂家生产的 PLC，大中小型 PLC的 结构功能不尽相同，但德国西门子(Siemens)公司生产的 S7-200系列可编程 序控制器，它与日本三菱公司的 F1 系列可编程序控制器和日本欧姆龙公司 生产的 C系列的可编程序控制器相比，不仅具有结构小巧，运行速度高， 价格低廉及多功能多用途的优点，而且在工业企业，实验室中都得到了广 泛的应用。基于这些特点，在本设计中我们将主要采用SIMATICS7-200系列 可编程序控制器。 软硬件 状态显示 通信口 顶部端子盖

40、电源及输出端子 前盖 方式开关、 电位器、扩展I/O连接 底部端子盖 输入端子、传感器电源 存储器卡 4.2.1 S 系列 PLC 发展概述 德国的西门子(SIEMENS)公司是欧洲最大的电子和电气设备制造商，在 欧洲处于领先地位。其第一代可编程序控制器是 1975 年投放市场的 SIMATIC S3 系列的控制系统。在 1979 年，微处理器技术被应用到可编程序 控制器中，产生了 SIMATIC S5系列，取代了 S3系列，之后在 20世纪末又推 出了 S7系列产品。最新的 SIMATIC产品为 SIMATIC S7、M7和C7等几大系列 。 4.2.2 S7-200 系列 PLC 系统的组

41、成 从 CPU 模块的功能来看，SIMATIC S7-200系列小型可编程序控制器发展 至今，大致经历了两代。 第一代产品其 CPU模块为 CPU 21X，主机都可进行扩展，它具有四种不 同结构配置的 CPU 单元：CPU 212，CPU 214，CPU 215和CPU 216，对第一代 PLC 产品不再作具体介绍。 第二代产品其 CPU 模块为 CPU 22X，是在 21 世纪初投放市场的，速 度快，具有较强的通信能力。它具有四种不同结构配置的CPU单元：CPU 221，CPU 222，CPU 224和CPU 226，除 CPU 221之外，其他都可加扩展模块。 S7-200系列是西门子公司

42、前几年刚投入市场的小型 PLC,可以单机运行, 也可以输入/输出扩展,还可以连接功能扩展模块。 1.系统基本构成 ： SIMATIC S7-200系统由硬件和工业软件两大部分构成。 主机结构 ： 各 CPU介绍及 I/O 系统 (1)主机外形 SIMATIC S7-200系统CPU 22X系列PLC主机(CPU 模块)的外形如 4-1 图所 示： 软硬件 图 4-1 主机外型 (2)基本结构特点 输出信号类型、电源输出 、基本 I/O 、存储安全、 高速反应、模拟 电位器、 实时时钟、 2.存储系统 (1)存储系统 (2)存储器及使用 (3)存储安全 (4)存储器及使用 上装和下装用户程序 定

43、义存储器保持范围 用程序永久保存数据 存储器卡的使用 (5)存储安全 1)主机CPU模块内部配备的EEPROM，上装程序时，可自动装入并永久 保存用户程序、数据和CPU的组态数据。 2)用户可以用程序将存储在RAM中的数据备份到EEPROM存储器。 3)主机CPU提供一个超级电容器，可使RAM中的程序和数据在断电后 保持几天之久。 4)CPU提供一个可选的电池卡，可在断电后超级电容器中的电量完全耗 尽时，继续为内部RAM存储器供电，以延长数据所存的时间。 软硬件 5)可选的存储器卡可使用户像使用计算机磁盘一样来方便地备份和装 载程序和数据。 4.3 组态软件的选择 4.3.1 组态软件产生的背

44、景 “组态”的概念是伴随着集散型控制系统(Distributed Control System 简称 DCS)的出现才开始被广大的生产过程自动化技术人员所熟知的。 在工业控制技术的不断发展和应用过程中，PC(包括工控机)相比以前的专 用系统具有的优势日趋明显。这些优势主要体现在：PC 技术保持了较快的 发展速度，各种相关技术已经成熟；由PC构建的工业控制系统具有相对较 低的拥有成本；PC 的软件资源和硬件资丰富，软件之间的互操作性强；基 于PC的控制系统易于学习和使用，可以容易地得到技术方面的支持。在PC 技术向工业控制领域的渗透中，组态软件占据着非常特殊而且重要的地位。 组态软件是指一些数据

45、采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系 统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供 快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。在组态软 件出现之前，工控领域的用户通过手工或委托第三方编写 HMI应用，开发时 间长，效率低，可靠性差；或者购买专用的工控系统，通常是封闭的系统， 选择余地小，往往不能满足需求，很难与外界进行数据交互，升级和增加 功能都受到严重的限制。组态软件的出现，把用户从这些困境中解脱出来， 可以利用组态软件的功能，构建一套最适合自己的应用系统。随着它的快 速发展，实时数据库、实时控制、SCADA、通讯及联网、开放数据接口、对 I/O 设

46、备的广泛支持已经成为它的主要内容，随着技术的发展，监控组态软 件将会不断被赋予新的内容。 4.3.2 组态软件的选用 随着经济发展水平的提升，信息化迅猛发展的今天。许多单位意识到 了组态软件的重要性。因此，在1995年以后，组态软件在国内的应用逐渐得 到了普及。大多数组态软件提供了脚本语言的支持。具体的实现方式可分 软硬件 为三种：一是内置的类 C/Basic语言；二是采用微软的 VBA 的编程语言；三 是有少数组态软件采用面向对象的脚本语言。国内三家亚控、力控、MCGS 各有优缺点，但应首推亚控和力控，因为采用 VC+开发，MCGS毕竟是VB 开发的，也有一定的缺陷；但 MCGS软件简单、易

47、学易懂。 4.3.3 组态软件的特点 MCGS 5.5通用版组态软件是一套基于 Windows 95 和 Windows NT 平台 (或更高版本)、用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，它提 供了从数据采集到数据处理、报警处理、流程控制、动画显示、报表输出 等解决实际工程问题的完整方案。MCGS 5.5通用版组态软件的功能和特性 如下所述：概念简单，易于理解和使用；提供了一套完整的解决方案； 真 正的 32 位应用系统；“以实时数据库为核心，面向窗口” 。 4.4 设计思想 用泵作为输入源，把液位从低液位池抽到高液位池，通过 MCGS和PLC 加以调节，使其水箱液位达到控制要求。在

48、液位控制过程的启动、结束或 大幅度增减设定值时，短时间内系统输出有很大偏差，会造成 PID 运算的 积分积累致使控制量超过执行机构可能的最大动作范围对应的极限控制 量最终引起系统较大超调甚至引起振荡同时也增大了调节时问。因 此在系统起停阶段或大幅值进给时，采用模糊控制 PID 控制算法只加比 例，微分运算，取消积分校正。而当实际液位与给定液位的误差小于一定 值时，则恢复积分校正作用，以消除液位系统的稳态误差利用PLC的简 单、直观的梯形图编程功能，可以方便的确定模糊控制 PID控制进程。实 现液位系统的模糊控制 PID控制，改善系统的控制性能，减少超调量，缩 短调整时间。 水位控制的特点：所谓

49、水位控制,就是将水面(或液面)的位置限制在一定 范围内的控制。其应用范围较广，例如，部分供水系统的供水方式是：先用 水泵将水”泵”入一个位置较高的储水器中(水池、水箱等)，然后向低水位的用 户供水。这时，须对储水器中的水位进行控制。在排水系统中，也常常有类 软硬件 似的控制；在锅炉及许多其他的工业设备中，也常常需要对水位或其他液位 进行控制。 PLC实验原理图 4-2 如下： 图 4-2 PLC实验 原理图 4.5 PLC 控制系统的应用设计 PLC已广泛地应用在工业控制的各个领域，由于 PLC的应用场合多种 多样，以 PLC为主控制的控制系统越来越多。应当说，在熟悉 PLC的基本 工作原理和

50、指令系统之后，就可以结合实际进行 PLC控制系统的应用设计， 使 PLC 能够实现对生产机械或生产过程的控制。由于 PLC的工作方式和通 用微机不完全一样，因此，用 PLC设计自动控制系统与微机控制的开发过 程也不完全相同，需要根据 PLC的特点进行系统设计。PLC控制系统与继 电器控制系统也有本质区别，硬件和软件可分开进行设计是 PLC 的一大特 点。 软硬件 4.5.1 PLC 控制的系统的总体设计 PLC控制系统总体设计是进行 PLC应用设计时至关重要的第一步。首 先应当根据被控对象的要求，确定 PLC控制系统的类型。 PLC控制系统的类型： 以 PLC 为主控制器的控制系统有以下 4

51、种控制类型 1.单机控制系统 单机控制系统是由 1台 PLC控制 1台设备或 1条简易生产线，如图 4-3 所示。单机系统构成简单，所需要的 I/O点数较少，存储器容量小，可任意 选择 PLC的型号。注意：无认目前是否有通信联网的要求，都应当选择有 通信功能的 PLC，以适应将来系统功能扩充的需要。 集中控制系统 2.集中控制系统是由 1台 PLC控制多台设备或几条简易生产线，如图 4-4 所示。这种控制系统的特点是多个被控对象的位置比较接近，且相互之 间的动作有一定的联系。由于多个被控对象通过同 1台 PLC控制，因此各 个被控对象之间的数据、状态的变化有需要另设专门的通信线路。 图 4-3

52、 单机控制系统 软硬件 图 4-4 集中控制系统 集中控制系统的最大缺点是如果某个被控对象的控制程序需要改变或 PLC出现故障时，整个系统都要停止工作，对于大型的集中控制系统，可 以采用冗余系统来克服这个缺点，此时要求 PLC的 I/O 点数和存储器容量 有较大的余量。 远程 I/O 控制系统 这种控制系统是集中控制系统的特殊情况，也是由 1台 PLC控制多个被 控制多个被控对象，但是去有部分 I/O系统远离 PLC主机，如 4-5 图所示 图 4-5 远程 I/O 控制系统 3.远程 I/O 控制系统适用于具有部分被控对象远离集中控制室的场合。 PLC 主机与远程 I/O 通过同轴电缆传递信

53、息，不同型号的 PLC 所能驱动的 PLC控制对象 M 控制对象 A控制对象 B控制对象 C 软硬件 同轴电缆的长度不同，所 能驱动的 I/O 通道的数量也不同，选择 PLC 型号 时，要重点考察驱动同轴电缆的长度和远程 I/O 通道的数量。 4.分布式控制系统 这种系统有多个被控对象，每个被控对象由 1台具有通信功能的PLC控 制，由上位机通过数据总线与多台 PLC进行通信，各个PLC之间也有数据 交换，如图 4-6 所示。 图 4-6 分布式控制系统 分布式控制系统的特点是多个被控对象分布的区域较大，相互之间的 距离较远，每台PLC可以通过数据总线与上位机通信，也可以通过通信线与 其他的P

54、LC交换信息。分布式控制系统的最大好处是某个被控对象或PLC出 现故障时，不会影响其他的PLC正常运行。 PLC控制系统的总体设计原则是：根据控制任务，在最大限度地满足 生产机械或生产工艺对电气控制要求的前提下，运行稳定，安全可靠，经 济实用，操作简单，维护方便。 下面就几个主要步骤，做进一步的解释和说明： 1.明确设计任务和技术条件 在进行系统设计之前，设计人员首先应该对被控对象进行深入的调查 和分析，并熟悉工艺流程及设备性能。根据生产中提出来的问题，确定系 上位机 PLC3 控制对象 A PLC1 控制对象 B PLC2 控制对象 C 软硬件 统所要完成的任务。与此同时，拟定出设计任务书，

55、明确各项设计要求、 约束条件及控制方式。设计任务书是整个系统设计的依据。 2.选择PLC机型 内外PLC生产厂家生产的PLC品种已达数百个，其性能各有特点，价格 也不尽相同。在设计PLC控制系统时，要选择最适宜的PLC机型，一般应考 虑下列因素： (1)系统的控制目标：设计PLC控制系统时，首要的控制目标就是：确 保控制系统安全可靠地稳定运行，提高生产效率，保证产品质量等。如果 要求以极高的可靠性为控制目标，则需要构成PLC冗余控制系统，这时要从 能够完成冗余控制的PLC型号中进行选择； (2)PLC的硬件配置：根据系统的控制目标和控制类型，从众多的PLC生 产厂中初步选择几个具有一定知名度的

56、公怀，如 SIEMENS，OMRON，A-B等， 另一方面，也要征求和听取生产厂家的意见。再根据被控对象的工艺要求 及 I/O 系统考虑具体配置问题。 PLC硬件配置时的主要考虑以下几方面： (1)CPU能力：PU的能力是PLC的指标，在选择机型时，首先要考虑如 何配置CPU，主要从处理器的个数及位数、存储器的容量及可扩展性以及编 程元件的能力等方面考虑； (2)I/O 系统：LC控制系统的输入/输出点数的多少，是PLC系统设计时 必须知道的参数，由于各个PLC生产厂家在产品手册上给出的最大 I/O 点数 所表示的确切含义有一些相异，有的表示输入/输出的点数之和，有的则分 别表示最大输入点数和

57、最大输出点数。因此要根据实际的控制系统所需要 的 I/O 点数，在充分考虑余量的基础上配置输入/输出点； (3)指令系统：LC 的种类很多，因此它的指令系统是不完全相同的。可 根据实际应用场合对指令系统提出的要求，选择相应的 PLC。PLC 的控制 功能是通过执行指令来实现的，指令的数量越多，PLC的功能就越强，这一 点是毫无疑问的。另一方面应用软件的程序结构以及PLC生产三家为方便用 户利用通用计算机(IBM-PC 及其兼容机)编程及模拟调试而开发的专用软件 的能力也是要考虑的问题； 软硬件 (4)响应速度：数字量控制为主的 PLC 控制系统，PLC的响应速度都可 以满足要求，不必特殊考虑。

58、而对含有模拟量的PLC控制系统，特别是含有 较多闭环控制的系统，必须考虑PLC的响应速度。 其他还要考虑工程投资及性能价格比，备品配件的统一性，以及相关 的技术培训、设计指导、系统维修等技术支持。 3.系统硬件设计 PLC控制系统的硬件设计是指对PLC外部设备的设计。在硬件设计中， 要进行输入设备的选择(如操作按钮、开关及计量保护装置的输入信号等)， 执行元件的选择(如接触器的线圈、电磁阀的线圈、指示灯等)，以及控制台、 柜的设计和选择，操作面板的设计。 通过对输入、输出设备的分析、分类和整理，进行相应的 I/O 地址分 配，在 I/O 设备表中，应包含 I/O 地址/设备代号、设备名称及控制

59、功能， 应尽量将相同类型的信号，相同电压等级的信号地址安排在一起，以便于 施工和布线，并依此绘制出 I/O 接线图。对于较大的控制系统，为便于软 件设计，可根据工艺流程，将所需要的定时器、计数器及内部辅助继电器、 变量寄存器也进行相应的地址分配。 4.系统软件设计 控制系统软件的设计就是用梯形图编写控制程序，可采用经验设计法 或逻辑设计法。对于控制规模较大的系统，可根据工艺流程图，将整个流 程分解为若干步，确定每步的转换条件，配合分支、循环、跳转及某些特 殊功能，以便很容易地转换为梯形图设计。也可根据原系统的控制线路图， 将某些桥式电路按照梯形图的编程规则进行改造后，直接转换为梯表图。 这种方

60、法设计周期短 ，修改、调试程序简单方便。软件设计可以与现场施 工同步进行，以缩短设计周期。 5.系统的局部模拟运行 调试控制程序时，上述步骤后，便有了一个PLC控制系统的雏形，接 着便进行模拟调试。在确保硬件工作正常的前提下，再进行软件调试。 6.控制系统联机调试 软硬件 是最后的关键一步。应对系统性能进行评价再做改进。反复修改、调 试，直到满足要求。为了判断系统各部件工作的情况，可以编制一些短小 而针对性强的临时调试程序(待调试结束后再删除)。系统联调中，要注意灵 活性，加快调试过程。 7.编制系统的技术文件 在设计任务完成后，要编制系统的技术文件。技术文件一般应包括总 体说明、硬件文件、软