基于可编程控制的单容控制系统设计

第1章文献综述 (1)基于可编程控制的单容系统 (2)1.1液位控制思想类型 (2)1.1.1单回路控制 (2)1.1.2前馈控制 (2)1.1.3自适应控制 (2)1.1.4模糊控制 (3)1.2液位控制系统类型 (3)1.2.1 PLC控制系统 (3)1.2.2 DCS控制系统 (4)1.2.3单片机控制系统 (4)1.2.4 FCS控制系统 (4)基于可编程控制的单容系统 (8)2.1 设计目标 (8)2.2 设计方案 (8)2.2.1工艺简介 (8)2.2.1方案选择 (9)2.3 具体实现 (9)2.3.1控制方案 (9)2.3.2硬件选择 (10)（一）压力液位传感器 (10)（二）流量变送器 (10)（三）电动调节阀 (11)（四）PLC (11)2.3.3软件设计 (12)（一）前馈控制器设计 (12)（二）PID控制算法 (15)2.3.3.3 系统原理图 (16)2.5 预期目标 (17)2.6 进度安排 (17)一引言 (18)二连续铸造设备 (20)2.1 过程概要 (20)2.2模型系统零部件 (20)2.3 堵塞/畅通现象 (21)三控制系统的设计 (22)参考文献 (25)第1章文献综述基于可编程控制的单容系统1.1液位控制思想类型1.1.1单回路控制单回路控制系统调节器采用PID控制，利用给定信号与反馈信号作为偏差，偏差信号为PID调节器的输入信号，调节器输出信号控制调节阀开度，以此来调节液位高度。

比例控制作用可使系统快速达到稳定，但是不能消除系统余差，比例系数增大，余差会减小，但随着比例系数的增大，系统的稳定性会逐渐下降。

积分控制作用能消除系统余差，使系统成为无差系统，但降低了系统的稳定性，并增加了调节时间。

微分作用无法消除余差，但是提高了系统的稳定性。

因此PID 调节器是一种很理想的控制规律，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，对于大部分控制问题PID调节器都能解决，但是当系统中的负荷或干扰变化比较剧烈或比较频繁，或调节质量要求更高时，仅采用单回路反馈的PID调节方案就不太合适了[1]。

1.1.2前馈控制前馈控制可以获得显著的控制效果。

前馈控制是按照扰动作用的大小进行控制, 所以控制是及时的。

如果补偿作用完善可以使被控变量不产生偏差。

前馈控制是减少被控制动态偏差的最有效的方法之一。

根据不变性原理，前馈控制有可能得到完善的控制效果。

在动态时，则依靠前馈控制能有效的减少被调参数的动态偏差，从而提高控制质量。

1.1.3自适应控制自适应控制和常规的反馈控制和最优控制一样，也是一种基于数学模型的控制方法，所不同的只是自适应控制所依据的关于模型和扰动的先验知识比较少，需要在系统的运行过程中去不断提取有关模型的信息，使模型逐步完善。

具体地说，可以依据对象的输入输出数据，不断地辨识模型参数，这个过程称为系统的在线辩识。

随着生产过程的不断进行，通过在线辩识，模型会变得越来越准确，越来越接近于实际。

既然模型在不断的改进，显然，基于这种模型综合出来的控制作用也将随之不断的改进。

在这个意义下，控制系统具有一定的适应能力。

比如说，当系统在设计阶段，由于对象特性的初始信息比较缺乏，系统在刚开始投入运行时可能性能不理想，但是只要经过一段时间的运行，通过在线辩识和控制以后，控制系统逐渐适应，最终将自身调整到一个满意的工作状态。

再比如某些控制对象，其特性可能在运行过程中要发生较大的变化，但通过在线辩识和改变控制器参数，系统也能逐渐适应[2]。

1.1.4模糊控制模糊控制是以模糊集合理论、模糊语言及模糊逻辑为基础的控制，它是模糊数学在控制系统中的应用，是一种非线性智能控制。

模糊控制(Fuzzy Control)是以模糊集合理论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制。

模糊控制同常规的控制方案相比，主要特点有：(1)模糊控制只要求掌握现场操作人员或有关专家的经验、知识或操作数据，不需要建立过程的数学模型，所以适用于不易获得精确数学模型的被控过程，或结构参数不很清楚等场合。

(2)模糊控制是一种语言变量控制器，其控制规则只用语言变量的形式定性的表达，不用传递函数与状态方程，只要对人们的经验加以总结，进而从中提炼出规则，直接给出语言变量，再应用推理方法进行观察与控制。

(3)系统的鲁棒性强，尤其适用于时变、非线性、时延系统的控制。

(4) 从不同的观点出发，可以设计不同的目标函数，其语言控制规则分别是独立的，但是整个系统的设计可得到总体的协调控制。

它是处理推理系统和控制系统中不精确和不确定性问题的一种有效方法，同时也构成了智能控制的重要组成部分。

1.2液位控制系统类型1.2.1 PLC控制系统PLC控制特点：第一，可靠性高、抗干扰能力强，平均故障时间为几十万小时。

而且PLC采用了许多硬件和软件抗干扰措施。

第二，编程简单、使用方便目前大多数PLC采用继电器控制形式的梯形图编程方式，很容易被操作人员接受。

一些PLC还根据具体问题设计了如步进梯形指令等，进一步简化了编程。

第三，设计安装容易，维护工作量少。

第四，适用于恶劣的工业环境，采用封装的方式，适合于各种震动、腐蚀、有毒气体等的应用场合。

第五，与外部设备连接方便，采用统一接线方式的可拆装的活动端子排，提供不同的端子功能适合于多种电气规格。

第六，功能完善、通用性强、体积小、能耗低、性能价格比高[3]。

1.2.2 DCS控制系统可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。

目前的计算机集散控制系统DCS (Distributed Control System) 中已有大量的可编程控制器应用。

PLC+DCS（分布式计算机控制系统）结合，采用集散控制多台PLC分担了系统功能，并将危险性分散，人机界面友好、操作方便，并通过输入设备对工艺过程进行控制和调节，确保生产过程的安全可靠、高质高效。

1.2.3单片机控制系统单片机可以构成各种各样的应用系统，从微型、小型到中型、大型都可，PLC 是单片机应用系统的一个特例。

单片机应用系统则是八仙过海，各显神通，功能干差万别，质量参差不齐，学习、使用和维护都很困难。

对于量大的配套项目，采用单片机系统具有成本低、效益高的优点，但这要有相当的研发力量和行业经验才能使系统稳定、可靠地运行。

最好的方法是单片机系统嵌入PLC的功能，这样可大大简化单片机系统的研制时间，性能得到保障，效益也就有保证。

1.2.4 FCS控制系统随着核能科学的发展，核动力装置系统越来越复杂，需要自动控制的子系统也越来越多，传统的模拟信号传输，已经很难满足自动化发展的要求，数字化仪控系统在核动力装置上的运用将成为主流，现场总线控制能很好地满足数字化仪控的要求。

通过对蒸汽发生器给水系统数学模型的分析和蒸汽发生器水位控制的要求，建立了基于PROFIBUS现场总线的蒸汽发生器水位控制系统。

通过变频器改变电动给水泵转速的方式来控制水位，能够提高能源的利用率；用PLC来进行控制，控制效果比较好，能满足蒸汽发生器水位控制的要求；运用现场总线技术，可以节省系统的布线，对系统的扩充也非常的方便；运用上位机画面显示，能够使操作员在控制室既可以了解现场设备或现场仪表的工作状况，也能对设备进行参数调整，还可以预测或寻找故障，使设备始终处于操作员的远程监视和可控状态之中。

论文的研究对实现现场无人操作有重要的意义，在实际中有广泛的应用价值，可以在动力装置子系统上运用，能使系统控制的经济性和可靠性得到很好的保证[4]。

PLC是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置。

今天的PLC在处理模拟量、数字运算、人机接口和网络的各方面能力都已大幅提高，成为工业控制领域的主要控制设备，在各行各业发挥着越来越大的作用。

PLC通过模拟量I/O模块实现模拟量与数字量之间的A/D,D/A 转换,并对模拟量进行闭环PID控制，可用PID子程序来实现，也可使用专用的PID模块。

PLC的模拟量控制功能已经广泛应用于塑料挤压成型机、加热炉、热处理炉、锅炉等设备，还广泛地应用于轻工、机械、冶金、电力等行业[6]。

为了解决人工控制的控制准度低、控制速度慢、灵敏度低等一系列问题。

从而我们现在就引入了工业生产的自动化控制。

在自动化控制的工业生产过程中，一个很重要的控制参数就是液位。

一个系统的液位是否稳定，直接影响到了工业生产的安全与否、生产效率的高低、能源是否能够得到合理的利用等一系列重要的问题。

随着现在工业控制的要求越来越高，一般的自动化控制已经也不能够满足工业生产控制的需求，所以我们就又引入了可编程逻辑控制（又称PLC）。

引入PLC使控制方式更加的集中、有效、更加的及时。

针对液位控制系统中较为基础的单容水箱作为控制对象，单容液位控制系统具有非线性，滞后，耦合等特征，而且主要干扰可以通过流量变送器测得，能够很好的模拟工业过程特征。

而对于控制系统的选择为前馈—反馈系统。

一般的控制系统都属于反馈控制, 这种控制作用总是落后于扰动作用。

对于时滞较大、扰动幅度大而频繁的过程控制往往不能满足生产要求。

引入前馈控制可以获得显著的控制效果。

前馈控制是按照扰动作用的大小进行控制, 所以控制是及时的。

这种控制方式的优点是：既有前馈控制对主要扰动进行补偿，又有闭环负反馈消除其他的小的扰动[5]。

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