可乐原液稀释控制系统-本科毕业论文

桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸摘要可乐原液稀释控制系统的工艺是用一定的热水去稀释可乐原液，使混合液达到一定的温度，以满足后续发酵工艺的要求。本课题主要针对可乐原液稀释控制系统，提出了基于PID调节的PLC控制系统，并用触摸屏显示混合液的实测温度，流量和电动控制阀门开度。本系统是一个带负反馈的闭环系统，PID控制的输入是被测温度和设定温度的偏差，温度传感器将测得的温度经过A/D模块送给PLC处理，PID控制的输出经过D/A模块后送给电动控制阀作为其输入信号，来改变阀的开度，通过改变阀的开度来改变热水的流量，从而改变混合液的温度，直到达到设定温度。然后利用触摸屏来显示混合液的实测温度，流量以及电动控制阀的开度。本课题的重点是实现对可乐混合液的温度控制，其采用的是PID调节控制温度。先确定一个和系统相近的控制系统，并且在MATLAB的SMULINK环境仿真，用临界振荡法求得该系统的PID各调节参数，再根据系统响应不断调节PID的控制参数，直到得到一组合适的调节时间和超调量。将这组PID的控制参数应用到不同的控制系统下，去检验这组控制参数的通用性。通用性良好则采用这组参数作为本系统的PID控制参数。关键词：PLC；A/D；D/A；PID调节；温度控制；触摸屏；AbstractSomehotwateristousedtodilutethecolaliquidinthetechnologyofcokeliquiddilutioncontrolsystem,sothatthemixturereachesacertaintemperatureinordertomeettherequirementsofthefollow-upfermentationtechnology.

Theissueisfocusedoncokeliquiddilutioncontrolsystem,andthePLCcontrolsystemwhichisbasedonPIDregulationisproposed,usingtouchscreendisplayedthemeasuredtemperature,flowofthemixture,andelectriccontrolvalveopening.Thissystemisaclosed-loopsystemwithnegativefeedback,PIDcontrolinputisthedeviationofthemeasuredtemperatureandsettemperature,thetemperaturesensorsendsthemeasuredtemperaturethroughtheA/DmodulestogivePLprocessingC,PIDcontroloutputthroughtheD/Amoduletogiveelectriccontrolvalveasitsinputsignal,tochangethevalveopening,bychangingthevalveopeningtochangethewaterflow,thuschangingthetemperatureofthemixture,untilreachingthesettemperature.Thenusingthetouchscreentodisplaythemeasuredtemperature,flowofthemixture,andelectriccontrolvalveopening.

Thefocusofthisissueistorealizethetemperaturecontrolofthecolamixture,andusingthePIDregulationtocontroltemperature.Firsttoidentifyasimilarcontrolsystem,andsimulateinMATLAB'sSMULINKenvironment,obtainedthePIDadjustmentparametersbyCriticaloscillation,andthencontinuouslyadjustthethecontrolparametersofPID,untilgetasuitablesettlingtimeandovershoot.ThenthisgroupofPIDcontrolparametersappliedtodifferentcontrolsystems,toexaminethissetofcontrolparameters‘sversatility.Iftheuniversalisgood,thenusethissetofparametersasthePIDcontrolparametersofthesystem.Keywords:：PLC；A/D；D/A；temperaturecontrol；PIDregulation；touchscreen；桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸图4-4输入电流与输出数字的关系则它们之间的对应关系可用如下数学表达式描述：(4-2)综合式公式（4-1）和公式（4-2），可得温度值T与数字量输出y之间的关系：（4-3）则（4-4）因此，在实际程序应用中只需将PLC中对应的相关数据除以10便可以得到实际测量温度。4.3.2测量流量与PLC内部可识别数据之间的转换关系根据上面对流量变送器的选择可知，本系统选择的流量传感器的测量范围为30~300m3/h，而流量变送器的输出为+4~+20mA的模拟输出。它们的数字对应关系可用下面的线性关系图来描述。m3/hm3/h30030mA420图4-5输入流量与输出电流的关系则与他们之间的对应关系可用如下数学表达式描述：（4-5）由于同样流量的输入也是采用方式1，输入电流与输出数据之间的关系如上式②所示。则综合公式（4-2）和公式（4-5），可得流量Q与数字输出y之间的关系：（4-6）即（4-7）4.3.3电动控制阀的开度与PLC内部可识别数据之间的转换关系根据上面对电动控制阀的选择可知，由于电动控制阀的输入控制信号为4~20mA的模拟电流信号而PLC经PID运算后输出的数据为数字信号，这样要通过4D/A模块将数字信号转换为模拟信号。对于4D/A模块模式1下数字输入y与模拟电流输出I的关系可以如下描述：442001000mA数字输入电流输出图4-6数字输入与输出电流的关系则它们之间的对应关系可用如下数学表达式描述：（4-38）而对于控制阀，其输入电流I与输出开度D之间的关系可以用如下线性图描述：00420100mA阀度输出电流输入%图4-7电流输入与阀度输出的关系则（4-9）则综合公式（4-38）和公式（4-39）可得：（4-10）4.4PID控制参数的确定4.41PID控制算法描述在工程实际中，应用最广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。它以其结构简单、稳定性好、工作可靠，调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其他技术难以实现时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和控制对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合采用PID控制技术。PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r(t)与实际输出值y(t)构成控制偏差，即e(t)=r(t)-y(t)（4-11）PID的控制规律为：（4-12）（4-12）（4-13）（4-13）或者写成传递函数的形式为：（4-14）G(s)==Kp（1++*S）（4-14）式中Kp为比例系数，为积分时间常数，为微分时间常数。①比例环节：成比例地反映控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。②积分环节：主要用于消除静差，提高系统的误差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数，越大，积分作用越弱，反之则越强。③微分环节：反映偏差信号的变化趋势，并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。4.4.2PID控制参数的确定由于本系统被控对象的结构和参数不能完全掌握，从而得不到精确的数学模型。严格的说，工业生产过程中的对象特性都具有非线性、时变和分布参数的特征。因此无论是通过某些假设推导出的对象数学模型，还是由辨识所得的估计模型，其使用范围都是有限的。为了研究方便，通常将受控对象当作集中参数来处理。它们大多可以近视用一阶惯性加纯滞后环节来描述，其传递函数为：（4-15）（4-15）式中，K为调节系统总放大倍数；为系统纯滞后时间；T为惯性时间常数。因此，在不能确定被控对象的传递函数情况下，为了确定PID控制的参数，只能先找一个和系统相近的传递函数，然后根据该相近的传递函数求得相应的PID参数后，再通过不断的调整PID控制参数直到达到系统的要求。再通过不同的传递函数去验证这组PID控制参数的通用性，如果在不同的传递函数下，系统的各方面性能仍能达到要求，则说明这组PID控制参数具有很强的通用性，则可以作为PLC控制系统中的PID控制参数。其具体实施不够如下：①找一个相近的与被控对象相近的传递函数；通过大量的查找相关信息，发现上述传递函数的确具有很强的通用性。在大学课本《自动控制原理》这本课本中也有详细的描述几个典型系统的传递函数，其中电枢控制直流伺服电动机、调节阀控制单容水槽的水位的控制系统，电加热炉的传递函数均如公式（4-15）。而且通过大范围的查找大多数温度控制系统的传递函数为也是公式（4-15）。因此根据上面的描述，确定一个和系统的被控对象接近的传递函数。这个传递函数为（4-16）（4-16）K=4，T=3min,=0.6min②通过上述相近的传递函数求得其PID控制的参数；为了快速、方便的获得系统的PID控制的参数，我选择通过在MATLAB软件下的SIMULINK环境中对系统的PID控制进行仿真，并确定PID控制参数。为了确定PID控制参数，选择通过临界振荡法设计得到PID控制的参数。其步骤如下：⑴首先在MATLAB软件中进入SIMULINK环境，在元件库里选择所需要是元件，用鼠标将器件连接起来，得到一个完整方框图如下图所示：图4-8系统的SIMULINK仿真图⑵将积分系数Ki和Kd设为0，Kp置较小的值。逐渐改变比例控制系数Kp使系统的阶跃响应为临界振荡状态。此时的比例系数为Kr、振荡周期为Tr。再根据下表所示的经验公式确定各种控制类型的控制参数：表4-2临界振荡法的经验公式控制类型KpKiKdP调节器0.5KrPI调节器0.455Kr0.535Kr/TrPID调节器0.6Kr1.2Kr/Tr0.075KrTr具体在SIMULINK下可以如下实现：先取较大的Kr，使系统出现不稳定的增幅振荡；然后采取折半取中的办法寻找临界增益。当Kr=2.5时系统放散；而当Kr=2是系统收敛；因此，只要当Kr处于2~2.5之间时，系统会出现临界振荡。当Kr=2.36时系统出现临界振荡，如图4-9所示此时Kr=2.36，从图4-9可以读出曲线两峰值之间的距离约为T=2.1s。下一步即可算出按临界振荡法求出的整定的PID参数了。（4-17）由于Kr=2.36、Tr（4-17）Kp=0.6Kr（4-18）Ki=1.2×Kr/T（4-18）（4-19）Kd=0.075×Kr×T（4-19）（4-20）可以得到（4-20）Kp=0.6Kr=0.6×2.36=1.416（4-21）Ki=1.2×Kr/Tr=1.2×2.36/2.1=1.348（4-21）（4-22）Kd=0.075×Kr×Tr=0.075×2.36×2.1=0.3717（4-22）图4-9临界振荡的阶跃响应曲线系统的阶跃响应曲线如下图4-10：图4-10初步确定的PID参数下的系统的响应图⑶分析系统的响应情况，并且慢正参数，知道得到最合适的PID控制参数。由于该系统的响应曲线调节时间为8s就，具有快速性,可超调量大于60%，通过对系统参数的调节，可以得到表格如下表4-3所示的系统的动态和稳态性能。表4-3统的动态和稳态性能PID参数系统性能KpKiKdess1.81.7140.473系统不稳定1.4161.3480.37206.5s70%1.21.1430.31507s58%10.9530.26308s48%0.60.5710.178010s39%5010s16%0.30.2860.158015s30%0.10.0270.093025s10%0.060.0570.093025s5%0.030.0290.008030s无从上表可以得到系统PID调节的参数及其相对应的系统性能，基本上可以体现系统的动态性能。超调量反应了系统的阻尼程度，而调节时间是反映系统的响应速度和阻尼程度的综合指标，稳态误差是描述系统动态性能的一种性能指标。从系统综合性能的角度考虑，调节时间不能太长，超调量也不能太大。但是这两个指标往往是相互制约的。调节时间太小，则会导致超调量可能过大；超调量太小，则会导致调节时间可能过长。因此应该选择一组比较折中的调节时间和超调量。当Kp=0.5，Ki=0.25，Kd=0.15时，系统调节时间=10s，超调量=16%。这样调节时间不会太长，超调量不会太大。因此选择这参数作为PID控制参数。在MATLAB中SIMULINK环境下仿真的结果如下图4-11所示：图4-11合适的控制参数下系统的响应图从图4-11中可以看出，系统的超调量都有所降低，满足本次设计的要求。③判断在相近被控对象的传递函数下求得PID控制参数的通用性。改变被控对象的传递函数，看看在上述PID控制参数下系统的响应。ⅰ在被控对象的传递函数为（4-23）时系统的阶跃响应曲线如下（4-23）4-12系统的阶跃响应曲线由图4-12可知系统的调节时间为9s,超调量为21%，这样响应的效果是比较理想的，则这组PID控制参数适合传递函数为公式（4-23）的被控对象。ⅱ在被控对象的传递函数为（4-24）（4-24）时系统的阶跃响应曲线如下4-13系统的阶跃响应曲线由图4-13可知系统的调节时间为8s,超调量为15%，这样响应的效果是比较理想的，则这组PID控制参数适合传递函数为公式（4-24）的被控对象。综上所述，上面确定的PID控制参数的通用性很多强，可以作为本系统的PID控制参数。4.5系统干扰的处理系统在实际运行中肯定会受到各种干扰，例如周围的环境温度对混合液的影响。综合考虑到上述的PID参数的适用性很强，而本系统的PID控制又是自动控制的，系统会自动处理各种系统，基本系统的响应都是符合要求的。4.6PLC控制系统中的各PID参数的确定PID控制指令为PIDPIDD5D154D100D150Y001图4-14PID控制指令其中D5中放的是温度设定值，D154中放的是当前温度测量值，D100~D124是PID参数表，其中D100~D106这七个存储空间是必须要设定的，D150中放的是运算结果。在PLC的PID控制指令中，需要设定的参数有采样周期Ts,输入滤波常数，比例增益Kp，积分时间TI，微分增益Kd，微分时间TD。由于PID控制的传递函数为G(s)==Kp（1++*S）（4-25）=Kp+Ki*+Kd*S（4-25）（4-26）则==0.5/0.25=2s（4-26）（4-27）==0.15/0.5=0.3s（4-27）①确定采样周期。根据香农采样定理以及经验值，设定采样周期为500ms。②确定D101的赋值。由于本系统中测量值小于设定值时动作，是逆动作，则D101的bit0位为1。而且由于PID的输出是经过D/A模块转换后作为电动控制阀的输入信号来控制其开度大小，而电动控制阀的开度的范围为0~100%，根据上述4-33中电动控制阀的开度与PLC内部可识别数据之间的转换关系可知对应的数字量为0~1000，为了避免PID输出时输出过大，超过0~1000的范围使得阀的开度大于100%，因此应该设定输出上下限值，即D101的bit5位为1。则D101的赋值为H21。③确定输入滤波常数。根据查找大量的资料，将其设定为一个经验值为70%。④确定比例增益Kp。由上面的计算可得Kp=0.5。而在PID控制指令中Kp的单位为%，则Kp=50%。⑤确定积分时间。由上面的计算可得=2s。而在PID控制指令中TI的单位为100ms，则=20*100ms。⑥确定微分增益Kd。由上面的计算可得Kd=0.15。而在PID控制指令中Kd的单位为%，则Kd=15%。⑦确定微分时间。由上面的计算可得=0.3s。而在PID控制指令中TD的单位为10ms，则=30*10ms。⑧由于D101中bit5位为1有输出上下限设定，则D122中设定输出上限值为1000，D123中设定输出下限值为0。4.7系统软件程序本系统程序分为自动程序和手动程序两部分。由于程序中需要输出控制启停的只有原液电磁阀和热水电磁阀，手动控制和自动控制都比较简短，因此没有运用跳转指令来明显区分手动程序和自动程序。具体程序见附录二的梯形图和附录三的指令表。5系统调试运行及问题分析整个系统设计完成后，要进行运行调试，排除软件和硬件的故障，同时验证系统的可靠性及稳定性，使系统符合设计要求。本系统的调试主要分两个步骤:PLC程序验证和触摸屏显示验证。5.1触摸屏模块的设计本系统采用触摸屏来实现系统的输入输出。故需要对触摸屏的画面进行设计。GTDesignerVer.2是由三菱电机公司所开发设计的，用于图形终端显示屏幕制作的Windows系统平台软件，支持所有的三菱图形终端。该软件功能完善，图像、对象工具丰富，窗口界面直观形象，操作简单易用，可以方便的改变所接PLC的类型，实时读取、写入显示屏幕，还可以设置保护密码。设计画面时，根据系统特点，由于控制分手动和自动部分，故准备设计三个画面。即主控画面，手动画面，和自动画面。5.1.1主控画面主控画面的作用是用于切换手动与自动程序。如下所图5-11示。其中自动和手动两个触摸键用的是画面切换开关，这两个开关在OFF状态时是绿色，当按下按钮后是红色。并迅速切换到相应的画面。画面还设置有报警灯，属于指示灯显示，代表软元件Y002。报警功能主要是在启动1分钟后混合液温度仍达不到设定值则报警，报警灯灭时是绿色，亮时是红色。图5-1触摸屏的主控画面5.1.2自动画面如下图5-2所示，在自动画面中，自动和停止两个触摸键，属于位开关，动作是点动，分别代表软元件X000和X006；返回按键属于画面切换开关，用于切换到主控画面中。它们OFF状态时的颜色是绿色，ON时是红色。根据程序可以看出，自动按键接通后，直接跳过手动程序执行自动程序部分。报警指示灯如5.1.1已经提到，在此不再赘述。可乐混合液实测温度，流量，电动控制阀的开度显示表可以让工作人员更了解可乐原液稀释控制系统的运行状态。温度显示的代表软元件D154.它会随着混合液实测温度的变化而变化。流量显示的代表软元件D160，它会随着混合液实测流量的变化而变化。阀开度显示的代表软元件D152，它会随着电动控制阀的开度变化而变化。图5-2触摸屏的自动画面5.1.3手动画面如下图5-3所示为手动操作画面。报警，返回，温度，流量，阀开度显示的详细功能如前所述。手动键为位开关，动作是点动，代表的软元件是X001，OFF状态时是绿色，ON时是红色。右两排触摸键为手动按键，每个按键控制一个动作。X002,X003分别控制原液阀和热水阀的开启，X004,X005分别控制原液阀和热水阀的关闭。它们都属于位开关，动作形式是点动。OFF状态时为绿色，ON状态时为红色。图5-3触摸屏的手动画面5.2梯形图的仿真本程序运用的编程软件是GXDeveloper8c,此软件需要与GXSimulator6.0一并安装仿真。在仿真的过程中出现的一些问题及其解决方法。①仿真时在程序里，主要是实现对PID指令的赋值指令以及各数据量的转换输出。因此在程序中主要用到的是数据传送指令MOV和数据运算指令。由于程序中涉及到实数运算，如果采用MOV指令传给某一指定的存储器，结果在检查程序时出现乱码。后来经过仔细检查及其查阅资料后发现问题在于MOV指令是将源操作数转换成二进制再送到目标操作数中，其只能处理整数，不能处理小数。同样要处理小数，数据运算指令的前面要加DE，这样源操作数和目标操作数都是要占两个存储空间的，但是MOV指令的前面是加不了DE，也就不能处理小数了。在PID控制指令中，参数表的前七个连续的存储空间是需要赋值的，而有的赋值可能是小数，但是由于七个存储空间是连续的，如果通过数据运算指令间接给存储空间赋值，这样就会需要两个存储空间，但是PID指令去对于一个需赋值的变量只提供一个存储空间，这样就会导致存储空间的重叠使用，从而导致乱码。因此为了系统的正常运行，可以尽量使PID指令的各个赋值变量尽量的为整数。②由于PID指令属于外部设备指令，在没有接入PLC、只用软件仿真的情况下是该指令是不被支持的。因此要观察PID指令效果就应该接入到PLC进行仿真。5.3系统仿真系统仿真的方法是：将FX2N-64MR、A/D模块、D/A模块与PC机连接起来，（A/D模块的输入部分用两个电位器代替）。打开程序，将程序稍入PLC中，按键F3打开监视状态。再打开GTsimulator2（触摸屏仿真软件），在此软件中打开之前设计的触摸屏画面设计（可乐原液稀释控制系统）。点击各个触摸键，看其是否能实现相应的功能，并在PLC中实现相应动作。由于之前只是用此软件在PC机上仿真，只需要同时打开GXsimulator6.0和GTsimulator2便可实现，此时的连接方式是GXsimulator。当把程序稍入PLC中时，必须将选项中的连接方式改为CPU，否则触摸屏中的按键都是无效的，无法控制PLC的相应动作。经过改变此设置，便能顺利仿真程序。6结论本课题主要针对可乐原液稀释控制系统进行了研究。系统是以基于PLC的PID调节为控制核心，并用触摸屏显示混合液的实测温度和流量以及电动控制阀的开度。本系统是一个带负反馈闭环控制系统，其中涉及到的元器件很少，只有两个电磁阀，一个电动控制阀，还有一个温度变送器和一个流量变送器。其主要核心还是PID控制。系统主要是将实际温度与设定温度之间的温度差作为PID控制的输入信号，然后通过PID的输出去控制电动控制阀的开度，从而改变热水的流量达到控制混合液温度的效果。因此本课题最大的难题就是确定PID控制参数，由于不能通过具体的数学关系去求得控制对象的传递函数，也没有具体的实物去获得相关传递函数，因此只能通过大量的查找相关的资料，找到一个相近的系统，在MATLAB软件的SIMULINK环境中通过临界振荡法去求得PID控制的各参数，然后不断修整参数，直到确定一组比较理想的PID控制参数。然后在用不同的传递函数去检验这组控制参数的通用性。由于本人最开始在这个确定PID参数的过程中，不是很明白一些具体的实践过程，因此迷茫了很久，请教了很多人，浪费了大量的时间和人力。但是最终还是在老师和同学的细心直到下，找到了正确的方向，基本按要求完成了本次课题。谢辞经过几个月的查资料、整理材料、写作论文，今天终于可以顺利的完成论文的最后的谢辞了，想了很久，要写下这一段谢词，表示可以进行毕业答辩了，时光匆匆飞逝，四年多的努力与付出，随着论文的完成，终于让我在大学的生活得以划下完美的句点。论文得以完成，要感谢的人实在太多了，首先要感李海标老师，因为本毕业设计是在李海标老师的悉心指导下完成的。李海标老师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。李海标老师指引我的毕业设计的着手方向和架构，并对本论文初稿进行逐字批阅，指正出其中误谬之处，使我有了思考的方向，他的循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪，他的严谨细致、一丝不苟的作风，将一直是我工作、学习中的榜样。李海标老师要指导很多同学的毕业设计，加上本来就有的教学任务，工作量之大可想而知，但在一次次的答疑中，详细得到老师的指导给了我深刻的印象，使我在论文之外明白了做学问所应有的态度。论文的顺利完成，也离不开其它各位老师、同学和朋友的关心和帮助。在整个的毕业设计中，各位老师、同学和朋友积极的帮助我查资料和提供有利于毕业设计动手方向的建议和意见，在他们的帮助下，设计得以不断的完善，最终帮助我完整的写完了整个论文。另外，要感谢在大学期间所有传授我知识的老师，