基于S7-300 PLC的Simulink在线带进水纯滞后单容水箱液位控制——控制程序设计毕业论文.doc
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1、南 阳 理 工 学 院 本科生毕业设计(论文)学院(系): 电子与电气工程系 专 业: 自动化 学 生: 指导教师: 完成日期 2011 年 5 月南阳理工学院本科生毕业设计(论文)基于S7-300 PLC的Simulink在线带进水纯滞后单容水箱液位控制控制程序设计Tank Level Control Design Based on Simulink on-line Water of S7-300 PLC with Pure DelayControl Program Design总 计:毕业设计(论文)28页表 格: 0 个插 图: 17 幅南 阳 理 工 学 院 本 科 毕 业 设 计(论
2、文)基于S7-300 PLC的Simulink在线带进水纯滞后单容水箱液位控制控制程序设计Tank Level Control Design Based on Simulink on-line Water of S7-300 PLC with Pure DelayControl Program Design学 院(系): 电子与电气工程系 专 业: 自动化 学 生 姓 名: 学 号: 96106028 指 导 教 师(职称): 评 阅 教 师: 完 成 日 期: 南阳理工学院Nanyang Institute of Technology基于S7-300 PLC的Simulink在线带进水纯滞后
3、单容水箱液位控制控制程序设计自动化专业 摘 要根据S7-300PLC模块化编程的特点,设计了OB1、OB35、OB100三个组织块来实现控制功效。将FB41 PID调节模块放在OB1模块中,并进行参数设定及调节。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,设计了一个队列数据结构。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。利用OB100模块清除上一次运行时存储的数据。利用力控软件完成系统实时监控。本设计完成了设计要求但还有待改进。关键词纯滞后;
4、程序设计;补偿;控制Tank Level Control Design Based on Simulink on-line Water of S7-300 PLC with Pure DelayControl Program DesignAutomation Specialty ZHANG QingAbstract: According to S7-300PLC modular programming features, three organization blocks OB1, OB35, OB100 are designed to achieve control efficacy. Th
5、e 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 interrupt service routine OB35, then the results of calculation are used to compensate the delay system. Because of
6、 delay compensation is constantly on going, collection of data have to storage and re-collect. A queue data structure is necessary, the operation of the queue is also carried out on the OB35, and the specific queue operations is encapsulated in FB1 module. Remove last data by running the OB100 modul
7、e. The real-time monitoring completed by Power control software. The requirements of the design are completed but there is room for improvement. Key words: Delay; programming; compensation; control 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
8、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.
9、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28II1 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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、(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
15、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
16、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。
17、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
18、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
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