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1、畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告信息與電子工程系工業(yè)電氣自動化技術(shù)專業(yè)03級（1）班課題名稱：基于PLC的液位控制系統(tǒng)的設(shè)計學生姓名：指導教師：報告日期：1、文獻綜述“過程控制”是一門與工業(yè)生產(chǎn)過程聯(lián)系十分密切的科目。隨著科學技術(shù)的飛速發(fā)展，過程控制也在日新月異的發(fā)展。它不僅在傳統(tǒng)工業(yè)改造中，起到了提高質(zhì)量，節(jié)約原材料和能源，減少環(huán)境污染等十分重要的作用，而且正在成為新建的規(guī)模大，結(jié)構(gòu)復雜的工業(yè)生產(chǎn)過程中不可缺少的組成部分(1)在工業(yè)生產(chǎn)過程中,液位變量是一個常見而廣泛的過程參數(shù)之一。液位控制裝置具有非線性、滯后、耦合等特點,難以對其進行精確控制.在眾多的控制算法中,模糊控制是行之有效的控制方法之一。
2、但在模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計過程中,存在大量繁瑣的工作,如控制器結(jié)構(gòu)的確定,隸屬函數(shù)的選取、各種規(guī)則的獲取,參數(shù)的調(diào)整等.本文利用PID模糊控制。信號處理是過程控制中的重要組成部分。步入21世紀之后,社會進入數(shù)字化的時代,而數(shù)字信號處理器(digitalsignalprocessor)正是這場數(shù)字化革命的核心。數(shù)字信號處理是利用專用或通用數(shù)字信號處理芯片,通過數(shù)字計算的方法對信號進行處理與模擬信號處理相比數(shù)字信號處理具有精確,靈活,抗干擾能力強,可靠性好和易于大規(guī)模集成等特點。目前，集成電路的設(shè)計由于電流模式電路技術(shù)的發(fā)展和應用而獲得了新的生長點，模擬VLSI的最新進展使得開發(fā)和實現(xiàn)電流模式信號處理
3、成為可能.電流模式技術(shù)和方法對于諸如放大器、變換器、A/D和D/A、采樣數(shù)據(jù)和連續(xù)時間濾波器、自校正系統(tǒng)，編程系統(tǒng)、ANN(人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))和神經(jīng)計算機等許多問題提供了最有吸引力的途徑，并將對微電子學與信息科學、計算機科學與AI,控制與機器人等領(lǐng)域的發(fā)展產(chǎn)生重要的影響。信號的獲取需要傳感器，適用于測液位的傳感器有很多種，主要有熱敏電阻傳感器、電容式液位傳感器、電感式液位傳感器等。它們各有特點，可根據(jù)液面特性選擇。模擬量輸入通道因檢測系統(tǒng)本身的特點、實際應用的要求等因素的不同，可以有不同的形式。比如，對于高速系統(tǒng)，特別是需要同時得到系數(shù)眾多數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，可采用并行轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。但通道越多，成本越高，而且
4、會使系統(tǒng)體積大，也給系統(tǒng)較準帶來困難，通常采用的結(jié)構(gòu)是多路通道共享采樣/保持和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。信號處理器的功能是對來現(xiàn)場的多路模擬信號濾波、隔離、電平轉(zhuǎn)換、非線性補償、電流電壓轉(zhuǎn)換等。多路開關(guān)將多路信號按一定順序要求切換到放大器的輸入端。放大器是將傳感器輸出的弱信號放大到A/D轉(zhuǎn)換器所需電平。采樣保持器的作用，一是保證A/D轉(zhuǎn)換過程中被轉(zhuǎn)換的模擬量保持不變，以提高轉(zhuǎn)換精度；二是可將多個相關(guān)的檢測點在同一時刻的狀態(tài)量保持下來，以供分時轉(zhuǎn)換和處理，確保每個檢測量在時間上的一致性。若模擬輸入電壓信號變化緩慢，A/D轉(zhuǎn)換精度能夠滿足要求，則S/H可省不用。A/D將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，以使計算機能夠接
5、收。A/D轉(zhuǎn)換器的種類很多，按工作原理可分為比較式和積分式兩大類。比較式A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理實質(zhì)上是將被轉(zhuǎn)換的模擬量與轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的基準電壓進行比較，從而將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。積分式A/D轉(zhuǎn)換通過對被測量進行積分，將被測量轉(zhuǎn)化成中間量（時間或頻率），然后再將中間量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。積分式A/D轉(zhuǎn)換測量的平均值，它的抗干擾能力強，準確度高，但速度較慢。逐次逼近式屬于閉環(huán)比較式，速度快，準確度高，應用廣泛。積分式A/D轉(zhuǎn)換通過對被測量進行積分，將被測量轉(zhuǎn)化成中間量（時間或頻率），然后再將中間量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。積分式A/D轉(zhuǎn)換測量的平均值，它的抗干擾能力強，準確度高，但速度較慢。積分式A/D轉(zhuǎn)換器可分電壓
6、-時間（V-T）轉(zhuǎn)換式和電壓-頻率（V-F）轉(zhuǎn)換式，每一種根據(jù)轉(zhuǎn)換的特點又分為若干類。模擬量輸出通道有以下兩種基本結(jié)構(gòu)（1）多通道獨立D/A轉(zhuǎn)換形式。由于目前D/A轉(zhuǎn)換器芯片內(nèi)部一般帶來數(shù)據(jù)鎖存器，所以這種連接方式的不需要采樣保持器。一旦數(shù)據(jù)送入D/A轉(zhuǎn)換器只要沒有新的數(shù)據(jù)輸入，它就保持原來的輸出值。這種結(jié)構(gòu)的組成包括I/O接口、D/A轉(zhuǎn)換器、隔離級、輸出級、執(zhí)行器。多通道獨立D/A轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是轉(zhuǎn)換速度快，工作可靠、精度高且各個通道互相獨立而互不影響。缺點是使用較多D/A轉(zhuǎn)換器，投資較高。工業(yè)控制中多采用此種形式。（2）多通道共享D/A轉(zhuǎn)換形式。這種形式由于D/A轉(zhuǎn)換器是共用的，所以每一
7、個模擬量輸出通道都需要一個采樣保持器S/H,采樣保持器的作用是將D/A轉(zhuǎn)換器輸出的離散模擬量轉(zhuǎn)換成執(zhí)行器件能接受的連接信號，即把上一時輸出的采樣值保持到下一次輸出。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是節(jié)省D/A轉(zhuǎn)換器。由于公用一個D/A，在CPU控制下分時工作，D/A轉(zhuǎn)換器依次把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬電壓或電流，通過多路開關(guān)給各路輸出采樣保持器，而保持器不能長久保持信號不變，因此這種結(jié)構(gòu)精度較差，只適用轉(zhuǎn)換數(shù)字要求不高、通路較多的情況。D/A轉(zhuǎn)換器中包含由電阻（或電容）和開關(guān)組成的網(wǎng)絡(luò)。模擬參考電壓在網(wǎng)絡(luò)的輸入端。被轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號控制網(wǎng)絡(luò)中開關(guān)的閉合，改變網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)，從而使網(wǎng)絡(luò)輸出與數(shù)字量相對應的模擬電流或電壓。這樣就
8、實現(xiàn)了數(shù)-模轉(zhuǎn)換。DAC的種類很多，絕大多數(shù)DAC都為電流輸出，有的兼有電流和電壓輸出；輸出模擬量和輸入數(shù)字量之間的函數(shù)關(guān)系既有線性的，也有非線性的；數(shù)字信號輸入方式有并行的，也有串行的；多數(shù)D/A轉(zhuǎn)換器既可對普通二進制數(shù)碼進行單極性轉(zhuǎn)換，又可以通過改變外部接線，對補碼、反碼、偏移二進制碼或符號-數(shù)值碼進行雙級性轉(zhuǎn)換。實際產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)不一定包括圖中所有部分，但虛線中的部分則應是必備的。2、研究內(nèi)容基于PLC的液位控制系統(tǒng)在實際的生產(chǎn)應用中非常廣泛。本項目要使用浙大中控設(shè)計生產(chǎn)的AE2000A型過程控制實驗對象系統(tǒng)、AE2000A型過程控制實驗儀表控制臺和西門子PLC（S7-300系列）控制系統(tǒng)等
9、。本項目要求學生以PLC為核心，整定液位系統(tǒng)的PID控制參數(shù)，并應用PLC語句編程來控制液位的高度。S7-300PLC系列是緊湊型可編程序控制器，設(shè)計要求給出PLC液位控制系統(tǒng)的梯形圖和程序，這就要求學生在規(guī)定的時間內(nèi)完成PID參數(shù)的計算和PLC系統(tǒng)的設(shè)計，最后要求給出一套設(shè)計圖和設(shè)計說明書。3、初步方案這里采用的是水箱液位的PID調(diào)節(jié)，有兩級水箱?？刂埔粋€水箱的是單回路反饋PID控制。單回路系統(tǒng)是指在一個調(diào)節(jié)對象上用一個PID調(diào)節(jié)器來保持參數(shù)的恒定，而調(diào)節(jié)器只接受一個測量信號，其輸出也只控制一個執(zhí)行機構(gòu)。兩個水箱的液位通過串級反饋回路來控制。系統(tǒng)具體裝置如下圖所示。系統(tǒng)運行前要把需要控制液位
10、的水箱水路上的手動閥門全部打開，打開水箱的出水閥至適當位置。系統(tǒng)通過PLC控制液位的高度，實現(xiàn)方法是，通過液位傳感器把檢測到的信號變成相應的電信號傳到PLC的模擬量輸入通道中，由PLC經(jīng)過PID算法計算得出輸出信號，經(jīng)過信號處理輸出到執(zhí)行器電動調(diào)節(jié)閥中控制閥門的開度，使液位達到指定的高度，這個過程需要一定的時間。輸出的信號和電動調(diào)節(jié)閥的開度成正比?？刂埔x擇控制參數(shù)，合適的控制參數(shù)可以帶來滿意的控制效果，反之，控制器參數(shù)選擇不合適，則會使控制質(zhì)量變壞，達不到預期效果。所以PID參數(shù)的選擇是很重要的，要很好地去整定。系統(tǒng)可以設(shè)定比例、積分、微分的參數(shù)，觀察控制的效果，使用比例控制、比例積分控制和比例積分微分控制進行實驗，將它們得到的結(jié)果進行比較，就可以知道三個控制環(huán)節(jié)分別的作用。系統(tǒng)的控制框圖如圖2所示圖2：液位控制系統(tǒng)控制框圖其中SV為給定信號，由用戶通過計算機設(shè)定，PV為控制變量，它們的差是PID調(diào)節(jié)器的輸入偏差信號，經(jīng)過PLC的PID運算后輸出，調(diào)節(jié)器的輸出信
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