1、目 录1 引言11.1 本课题所述涉及的问题在国内（外）的研究现状11.2 对课题任务书提出的任务要求及实现预期目标的可行性分析11.3 本课题需要重点研究的、关键的问题及解决的思路11.4 纯滞后的产生21.5 史密斯补偿控制基本原理22 课题设计中具体实验器材的选型22.1 PLC及其模块的选型22.2 液位传感器选型32.3 调节阀的选型32.4 智能仪表的选型43 单容水箱供水回路设计43.1 单回路系统的结构组成43.2 液位单回路控制系统的硬件设计54 编程、监控软件简介及相关应用54.1 PLC简介54.2 力控软件概述64.3 控制程序设计思路及其OB1，OB35,OB100模
2、块的作用64.3.1 控制程序设计思路64.3.2 OB1，OB35,OB100模块的作用74.4 力控监控系统设计125设计中的设备介绍、设计结果及问题解决方法135.1 过程控制实验装置的介绍135.2 设计过程中出现的问题及解决方法145.2.1 问题1 压力传感器输出滤波145.2.2 问题2 SM334（PLC中模拟量模块）去干扰155.2.3 问题3 补偿不稳定及解决方法15结束语16参考文献17附录18致谢28I1 引言1.1 本课题所述涉及的问题在国内（外）的研究现状从50年代以来出现的方法有Smith预估补偿控制、最优控制、自适应控制、动态矩阵预报控制、预测控制、滑模变结构控
3、制、鲁棒控制、有模糊Smith控制、模糊自适应控制、模糊PID控制、神经网络控制、专家控制等1。其控制方法也已经由传统控制转向智能控制，或者是二者的结合。PID控制是迄今为止应用最广泛的一种控制方法。目前针对纯滞后系统所采用的Smith控制、模糊控制、Fuzzy+Smith控制，以及预测函数控制等多种先进控制技术。分析表明，这些控制策略都能实现对时滞系统的有效控制为了提高此类液位控制系统的控制品质。而且，对于具有时间滞后特征的工业过程的控制问题，多年来一直是控制理论界和控制工程界广泛关注的热点之一。 1.2 对课题任务书提出的任务要求及实现预期目标的可行性分析任务要求：(1) 理解各硬件功能模
4、块工作原理及作用。(2) 掌握SIEMENS S7-300 PLC的原理及以单容水箱控制程序设计。(3) 制作1.215米纯滞后盘管，为单容水箱供水。测试纯滞后盘管的滞后时间，用史密斯预估补偿算法对液位PID控制实现纯滞后补偿。(4)设计控制程序和力控监控程序。实现预期目标的可行性分析：以WinCC作为OPC Server,以MATLAB/Simulink作为OPC Client,设置它们之间的OPC 通讯。通过OPC技术实现控制参数传递，先在Simulink平台下对系统进行控制，而后再在PLC中实现最终的控制。由于在本课题的设计过程中要涉及大量的运算，而在S7-300 PLC中有加减乘除、标
5、度变换、定时中断等指令和功能模块，这就为控制算法的设计和实现奠定了基础。力控监控程序设计将完成控制过程曲线监控和参数显示，这些将为滞后时间测试、控制算法设计提供原始数据。1.3 本课题需要重点研究的、关键的问题及解决的思路重点研究的、关键的问题： (1)本课题需要重点研究的是设计制作1.215米纯滞后盘管，为单容水箱供水。测试纯滞后盘管的滞后时间。(2)用史密斯预估补偿算法对液位PID控制实现纯滞后补偿，并设计控制程序和力控监控程序。(3)PC侧与S7-300侧程序设计及控制参数的调试。解决的思路：PC侧用监控软件力控接收PLC侧信号，实现程序控制的目的。思路如下：(1)设计制作1.215米纯
6、滞后盘管，为单容水箱供水。(2)S7-300 PLC的组态和编程，程序使用模块化结构，周期性工作放在定时中断中执行。(3) 根据监控结果来验证补偿效果，调整补偿参数直至达到控制要求。1.4 纯滞后的产生所谓纯滞后是在一种时间上的延迟，这种延迟是从引起动态要素变化的时刻到输出开始变化的时刻的这一段时间。存在时间延迟的对象就称为具有纯滞后的对象，简称为纯滞后对象或滞后对象，实际被控对象大多数都有纯滞后特性2。在流程工业生产过程中，时滞现象普遍存在，亦表明其输出的趋势不仅依赖当前的状态，而且还依赖于过去的历史。其产生的原因在于被控对象的物理性质，以及实际系统变量的测量、传递和处理等方面的因素均可导致
7、输出响应相对于输入的时间滞后现象。比如在流体控制过程中，流体须通过管道的传输才能达到工艺设备，从而引起设备的操作发生改变，显然流体在管道传输的这段时间就是纯滞后时间。1.5 史密斯补偿控制基本原理史密斯(0JMSmith)在1957年提出了一种预估补偿控制方案。它针对纯时滞系统中闭环特征方程含有纯滞后项，在PID反馈控制基础上，引入了一个预估补偿环节，从而使闭环特征方程不含纯时滞项，提高了控制质量。纯滞后补偿控制的基本思路：在控制系统中某处采取措施（如增加环节，或增加控制支路等），使改变后系统的控制通道以及系统传递函数的分母不含有纯滞后环节，从而改善控制系统的控制性能及稳定性3。2 课题设计中
8、具体实验器材的选型2.1 PLC及其模块的选型考虑到西门子S7-300对模拟量处理能力非常强大，运算速度快。所以而最终选择了西门子S7-300。S7 系列PLC都采用了模块化硬件结构，S7-300主要由电源模块（PS）、中央处理单元（CPU）、信号模块（SM）、通信处理器（CP）、功能模块（FM）、接口模块（IM）组成。而在工程实际中对其的应用，最重要的是模块的选择。根据本次设计任务要求，我们用S7300作制器来控制模拟量下水箱液位，所以主要涉及到模拟量模块的选型4。模拟量模块选型时主要考虑的问题是通道数和模块分辨率。本次设计所选用的是S7300的模拟量输入模块SM334一组中四个输入，分辨率
9、8位，屏蔽：最长200m。一组中两个输出，与负载电压隔离。接线：如图1所示。用于电流测量和电压输出的4线制传感器图1 SM334线制接线图2.2 液位传感器选型 要将水箱液位信号反馈给调节器，就需要用到信号测量装置，也就是传感器。所以就会涉及到液位传感器的选型问题。在工程实际中液位传感器的选型最总要的也是考虑其精度是否满足控制要求。本次设计所用的实验台水箱高度为400mm。液位设定在250350mm可调，稳态误差2%。本次设计选用了HDBE投入式压力传感器来测量液位。其量程是m水柱，精度为1/1000。完全可以满足控制要求5。2.3 调节阀的选型调节阀是控制系统的执行机构，它接受控制器的命令执
10、行控制任务。调节阀选择得合适与否，将直接关系都是否很好地起到控制作用。最后根据控制要求和实验室自身资源，我们选择的是由上海万迅仪表有限公司生产的QSTP-16K型新型智能电动调节阀6。即可满足控制要求。型号：QSTP-16K 公称通径：DN20mm公称压力：1.6MPa 信号：4-20Madc行程：16mm2.4 智能仪表的选型本次仪表选用AI808型号智能仪表，由于本次课程中用到的只是其水泵压力控制，数显功能，在此不做详细介绍。3 单容水箱供水回路设计3.1 单回路系统的结构组成单回路反馈控制系统是应用最为广泛的一种控制系统，生产过程中70%-80%的控制系统都是单回路反馈控制系统。单回路反
11、馈控制系统由四个基本环节组成，即被控对象,测量变送装置，控制器和控制阀。为了使单回路控制系统分析更具一般性，常常用下面的方块图来表示单回路反馈控制系统，且用字母表示图中的变量，如图2所示：+ 控制器控制阀对象液位传感器 图2 单回路反馈控制系统方框图由单回路控制系统方块图可以看出，该系统中存在着一条从系统的输出端引向输入端的反馈通道，也就是说该系统中的控制器是根据被控变量的测量值与给定值的偏差来进行控制的。简单控制系统是实现生产过程自动化的基本单元、其结构简单、投资少、易于调整和投运，能满足一般工业生产过程的控制要求、因此在工业生产小应用十分广泛，尤其适用于被控过程的纯滞后和惯性小、负荷和扰动
12、变化比较平缓，或者控制质量要求不太高的场合7。单回路控制系统结构简单，所需自动控制装置少，投资比较低，操作维护比较方便，而且一般情况下都能满足控制质量的要求。因此，这种控制系统在生产过程控制中得到了广泛的应用。根据其被控变量的类型不同，单回路控制系统可分为温度控制系统，压力控制系统，流量控制系统，液位控制系统，成分控制系统等。本章主要设计液位控制系统。3.2 液位单回路控制系统的硬件设计此设计是以西门子S7300PLC作控制器，液位传感器为检测装置，电动调节阀为执行器，下水箱为控制对象，而构成的液位单回路系统。液位单回路管道仪表流程图如图3所示：图3 液位单回路管道仪表流程图4 编程、监控软件
13、简介及相关应用4.1 PLC简介PLC = Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器，一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。是工业控制的核心部分。PLC S7-300的CPU模块（简称为CPU）集成了过程控制功能，用于执行用户程序。每个CPU都有一个编程用的RS-485 接口，有的还带有集成的现场PROFIBUS-DP 接口或PtP（点对点）串行通讯接口，S7-300不需要附加
14、任何硬件、软件和编程，就可以建立一个MPI(多点接口)网络，如果有PROFIBUS-DP接口，可以建立一个DP 网络。它由以下的几部分组成：电源模块（PS），中央处理单元（CPU），信号模块（SM），功能模块（FM），接口模块（IM）8。PLC组态如图4所示：图4 PLC组态图4.2 力控软件概述 力控6.0监控组态软件在秉承力控5.0成熟技术的基础上，对历史数据库、人机界面、I/O驱动调度等主要核心部分进行了大幅提升与改进，重新设计了其中的核心构件，在数据处理性能、容错能力、界面容器、报表等方面产生了巨大飞跃。力控软件内嵌分布式实时数据库，数据库具备良好的开放性和互连功能9。4.3 控制程序
15、设计思路及其OB1，OB35,OB100模块的作用4.3.1 控制程序设计思路l 根据S7-300PLC模块化编程的特点，设计了OB1、OB35、OB100三个组织块。l 将FB41 PID调节模块放在OB1模块中，并进行参数设定及调节。l 设置500ms定时中断，在定时中断服务程序OB35中进行滞后补偿算法的计算，而后利用得出的结果进行系统滞后补偿。l 由于滞后补偿是在不断进行中的，采集的数据就要不断的存储再采集，设计了一个队列数据结构。l 队列的操作也放在OB35中进行，具体的队列操作封装在FB1模块中。l 利用OB100模块清除上一次运行时存储的数据。l 利用力控软件完成系统实时监控10
16、。本次设计中，启动按钮设置为I0.0，停止按钮设置为I0.1，上电后M0.0自锁，形成一个长动控制。4.3.2 OB1，OB35,OB100模块的作用主程序设计在OB1模块中进行。在主程序设计中11，具体设定如图5所示： 液位传感器采集数据输入主程序OB1调用FC105模块进行标度变换调用FC106模块把PID调节量转变成数字量利用补偿算法的运算结果对系统滞后进行补偿调节结果进行D/A转换控制阀门开度结束开始图5 OB1模块程序流程图在OB1模块的主程序中分别对各个控制部分进行的设定：（1）用MOVE模块对液位高度的设定如图6所示：图6 液位高度设定（2）FC105是处理模拟量（15V、420
17、MA等常见信号）输入的功能块，有输入整定的功能。由于SM334模拟量模块的取值范围是027648，利用FC105模块进行标度变换如图7所示：图7 FC105标度变化模块在处理结果输出时调用FC106把PID调节数据转化为D/A模块所能接受的数据，再进行D/A转换。如图8所示：图8 FC106中PID调节数据D/A转换OB35模块：OB35模块中主要进行的是滞后信号的产生及数据存储队列的建立和补偿算法的计算处理。本次设计是设置500ms定时中断，在定时中断服务程序OB35中进行滞后补偿算法的计算，而后利用得出的结果进行系统滞后补偿。由于滞后补偿是在不断进行中的，采集的数据就要不断的存储再采集12
18、。设计一个队列数据结构具体程序流程如图9所示：开始计算系统偏差计算补偿器的输出参数p(t)、q(t）建立队列存储滞后数据为主程序中PID设定作数据参考史密斯补偿器的建立中断返回图9 OB35程序流程图其中，调用FB1模块建立数据存储队列如下图10所示：图10 数据存储队列图OB100模块：在这个程序中，需要用到DB1、DB2、DB3这三个模块存储采集数据，由于这三个模块每一次采集的数据都会记录一次，这样就会出现数据的叠加导致输入参数产生错误。当CPU 的状态由停止态转入运行态时，操作系统都调用OB100，OB100上电自动运行，所以OB100模块的作用就是将DB1 、DB2、 DB3中的数据清
19、零。这样下一次使用时，就能继续存储采集参数，而不会发生数据叠加的错误。OB100程序流程如图11所示： 开始DB1 模块数据清零DB3模块数据清零DB2模块数据清零结束图11 OB100 程序流程图纯滞后补偿的编程实现：由Smith计算机实现的原理可知，其编程实现的关键部分是纯滞后补偿数据运算。对于S7300来说，可以有两种方法进行实现。梯形图实现在step7编程软件中，编程语言选择梯形图时13，对于纯滞后信号的产生，可以有传送指令MOVE来完成。部分截图如图12所示：图12 MOVE指令实现存储单元示意图此种方法简单易行，比较容易掌握，多用于较简短的编程，但如果所形成的纯滞后信号队列较长，虽
20、然也能进行程序编写，但编程的可实现性要限于信号队列的长短，此种方法显然不能很好满足编程的要求。下面引入另外一种编程实现：语句表实现。在step7编程软件里还提供了另一种编程语言：语句表编程。利用寄存器间接寻址方式，把滞后数据存储到相应的存储单元，并能方便访问这些数据，自由的存储、读取数据。队列存储及纯滞后信号产生的程序：FUNCTION fc10 : VOIDTITLE =采集前三十秒钟数据/思路：前一个数据给下一个数据，最后数据舍去,采取间接寻址。VERSION : 0.5VAR_INPUT MeasuredValue : REAL ;/测量数据 AreaBottom: INT ;/数据起始
21、地址 AreaLength : INT ;/数据长度 DataStore : BLOCK_DB ;/数据存贮END_VARVAR_TEMP Number : INT ;/循环计数器 BufferAR1 : DWORD ;/用于AR1的当前内容的缓冲区 MiddleValue : REAL ;/数值中间变量END_VARBEGINNETWORKTITLE = TAR1 #BufferAR1; /把地址寄存器-缓冲区 OPN #DataStore; /打开数据块 L P#0.0; L #AreaBottom; SLD 3; /转化为指针 +D ; LAR1 ; /把指针装载到地址寄存器1/*/数据
22、循环,从最后的数据开始/* L #AreaLength; /装载数据长度Next: T #Number; TAR1 ; L P#4.0; -D ; / 地址递减 LAR1 ; L DBD AR1,P#0.0; /上一个数据 T DBD AR1,P#4.0; /下一个数据 L #Number; LOOP Next; /* L #MeasuredValue; /测量数据-第一个数据 T DBD AR1,P#0.0; LAR1 #BufferAR1; /把缓冲区内容-地址寄存器 BEU ; /结束END_FUNCTION从程序本身可以看出：和梯形图相比较来说，其本身较为复杂些，但较为灵活，更能满足信
23、号队列较长的要求14。在本次设计中，所需的队列较简短所以利用的是梯形图进行的队列的建立。队列操作封装在FB1模块中。4.4 力控监控系统设计由于此课题中涉及到的监控只是出于对曲线及响应时间上的监控，所以操作起来还是比较简单的。本次毕业设计用的是力控6.0监控组态软件，它具有实时多任务、接口开放、使用灵活、运行可靠的特点。首先，利用组态软件的图库，使用相应的图形对象模拟实际的控制系统和控制设备。创建实时数据库时，用数据库中的变量反映控制对象的各种属性，变量描述控制对象的各种属性。然后建立变量和图形画面中的图形对象的连接关系，画面上的图形对象通过动画的形式模拟实际控制系统的运行。具体的组态软件中实
24、现的管道仪表流程图如下方图13所示：图13 组态软件中实现的管道仪表流程图IO设备组态如图14所示：图14 IO设备组态图数据库组态如图15所示：图15 数据库组态5设计中的设备介绍、设计结果及问题解决方法5.1 过程控制实验装置的介绍实际对象即“孝”字号上加有盘管滞后的系统响应关于“孝”字号设备的简要介绍：南阳理工学院4521变频技术实验室“孝”字号实验台由夹套锅炉、管道、阀门、水箱、I/O模块、工控机、力控软件等部件组成。系统中可以测量和控制的量有流量、水压、温度、液位等；具有几个可控的参数：进出水阀门的开度、变频器频率、加热丝功率，可以通过改变它们的控制信号 （4-20mA）对其进行控制
25、。水泵的出水口到单容水箱的进水口之间有一段很长（18m左右）的盘管，水流流经该管道造成大约25秒钟的时延，用来模拟滞后环节15。控制效果：控制西门子S7300控制阀的开度大小，以此来调节水箱进水速度。利用力控监控软件进行实时监控，得到系统的曲线响应。如图16所示：图16 系统实时监控响应稳态曲线图响应效果分析：由图之所反映的信息可得，在实际对象的控制中，并未取得一个好的响应曲线。单从理论上讲，Smith预估控制能克服大滞后的影响。但是由于Smith预估器需要知道被控对象精确的数学模型，而实际中很难获得对象的精确数学模型，故在应用中总存在模型的不匹配。5.2 设计过程中出现的问题及解决方法5.2
26、.1 问题1 压力传感器输出滤波现象：运行程序时，检测现象曲线波动较大。思路： 怀疑接线有短路或接触不良，自PLC控制面板开始检查线路并无此现象，转至仪表面板后接线端子，也没有发现问题。 程序中上下限设定有问题，复查后并不超限。 压力传感器出现问题。解决方法：在压力传感器中加入电容104(104=10*104=100000PF=0.1UF)，以产生滤波效果，使得传送曲线趋于平稳。5.2.2 问题2 SM334（PLC中模拟量模块）去干扰现象：A/D转换输入出现数据跳动。思路： 控制程序中PID参数设定有问题，改变参数变化PID参数配套，分别置0，未解决。 在控制程序中加入一个MOVE数据存储器
27、，未解决。 外设接线，复查线路，没有发现断路情况，未解决。解决方法：SM334输入输出都要接地，去除干扰。5.2.3 问题3 补偿不稳定及解决方法现象：响应结果出现震荡（不在允许范围内）。思路：利用simulink仿真，利用OPC读写操作反推PID系统参数值。解决方法：在系统运行之后，观测到的响应曲线正如前章结果所示，出现震荡多次调试仍未解决。遂采用simulink仿真，利用OPC读写操作反推PID系统参数值。OPC读写仿真如图17所示：图17 加入OPC读写系统仿真图把在此得到的数据用于设定PLC程序中的PID各参数，响应结果曲线并未发生很大好转。但本身的实验操作时正确的。可限于实验硬件器材
28、的精度及我们本身的经验，最终响应结果仍有待改进。结束语时滞系统控制方法的研究，从50年代以来出现的方法有Smith预估补偿控制、最优控制、自适应控制、动态矩阵预报控制、预测控制、滑模变结构控制、鲁棒控制、有模糊Smith控制、模糊自适应控制、模糊PID控制、神经网络控制、专家控制等。其控制方法也已经由传统控制转向智能控制，或者是二者的结合。目前针对纯滞后系统所采用的Smith控制、模糊控制、Fuzzy+Smith控制，以及预测函数控制等多种先进控制技术。这些控制策略都能实现对时滞系统的有效控制为了提高此类液位控制系统的控制品质。而且，对于具有时间滞后特征的工业过程的控制问题，多年来一直是控制理
29、论界和控制工程界广泛关注的热点。对于纯滞后系统的现场控制问题，理论与实际的空间转换过程中，就会存在很多问题。系统设备的精度、控制数据的设定及配套都是不得不考虑的因素。当然，对于滞后系统的补偿方法很多，如何根据不同的情况选择相应的控制方法也非常重要，这就需要不断的尝试、不断的修正、不断的努力。参考文献1 孙洪程 翁唯勤.过程控制工程设计.化学工业出版社.2005.01.012 王树青.工业过程控制工程M.北京：化学工业出版社，2003.013 孙洪程 李大字 翁唯勤.过程控制工程.高等教育出版社.2006.02.014 西门子公司.S7-300模块数据设备手册.西门子公司，2007.11.245
30、 任致程.传感器 变速器 智能数显控制器应用手册.北京：中国电力出版社，2007.06 6 芮延年.传感器与检测技术M.苏州：苏州大学出版社，2005.037 杨智.工业自整定PID调节器关键设计技术综述.北京：电子工业出版社.2004.02 8 张万忠.可编程控制器应用技术 M.北京: 化学工业出版社，2001.029 龚运运 方立友.工业组态软件实用技术.清华大学出版社.2005.09.0110 郑凤翼,张继研. 图解西门子S7-300/400系列PLC入门.电子工业出版社.2008.0811 刘华波. 西门子S7-300/400PLC编程与应用.机械工业出版.2010.0712 崔坚.
31、西门子S7可编程序控制器STEP7 编程指南.机械工业出版社.2010.0113 陆运华,胡翠华.PLC控制系统梯形图及指令表M.北京：中国电力出版社，2007.0614 Paul Katz.Digital Control Using Microprocessors.1982 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)附录1、纯滞后控制回路接线图2、控制系统供电设计图3、单回路系统方框图4、现场实物回路图5、控制程序图27
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