毕业设计（论文）-基于PLC的串级控制系统设计.doc

提供全套，各专业毕业设计编号： 本科毕业设计（论文）题目：（中文）基于PLC的串级控制系统设计 （英文）The design based on the PLC of cascade control system 学 院 理工学院 专 业 电气工程与自动化 班 级 自动化2班 学 号 姓名 指导教师 职称 完成日期 宁波大学科学技术学院本科毕业设计（论文）诚 信 承 诺我谨在此承诺：本人所写的毕业论文基于PLC的串级控制系统设计均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉及其他作者的观点和材料，均作了注释，若有不实，后果由本人承担。 承诺人（签名）： 年 月日摘要【摘要】：可编程逻辑控制器在工业技术发达的国家获得广泛应用，同时世界上生产可编程控制器的国家日益增多，随着可编程逻辑控制器的广泛运用，可编程逻辑控制器的开关量的逻辑控制、数据处理、通信及联网等特点越来越受到关注。串级控制是基于单回路PID控制基础发展起来的一种控制方法。使用串级控制可以提高系统对一次干扰信号、二次干扰信号的抑制能力，加快调节能力，提高控制系统的动态性能，提高了控制系统的工作频率，提高了控制系统的响应速度，并且串级控制具有一定的自适应能力，可以减小副回路内非线性环节对控制系统影响。【关键词】可编程逻辑控制器；PID控制；串级控制。Abstract【ABSTRACT】Programmable logic controller is widely available in countries with developed industrial technology,At the same time ,the national who produces programmable controllers have become more and more.With the extensive use of programmable logic controllers,more attentions have been paid to the Programmable logic controller on its' Switch logic control, data processing, communications and networking capabilities. Cascade control is a control method based on the single-loop PID control.Cascade control can improve the anti - interference ability,and accelerate the ability to regulate,and improve the dynamic performance ,operating frequency and response speed of the control system .And cascade control can also reduce the impact of the Vice loop nonlinear components of the control system.【KEYWORDS】Programmable logic controller;PID control;Cascade Control.目录摘要IIAbstractIII目录IV1 绪论11.1 PLC的产生、定义及现状11.1.1 PLC的产生11.1.2 PLC的定义11.1.3 PLC的发展现状21.2 过程控制常用的控制算法31.2.1 单回路控制41.2.2 多回路控制41.2.3 纯滞后控制41.2.4 模型预测控制41.2.5 模糊控制41.3 串级控制的工业应用51.3.1 用于克服被控过程较大的容量滞后51.3.2 用于克服被控过程的纯滞后51.3.3 用于抑制变化剧烈幅度较大的扰动51.3.4 用于克服被控过程的非线性51.4 毕业设计的主要任务62 串级控制介绍72.1 串级控制的意义72.2 串级控制相对于其他控制方法的优势72.3 串级控制系统设计82.3.1 副回路的选择82.3.2 主、副控制器设计82.4 本章小结93 S7-200微型PLC222和控制对象介绍103.1 西门子PLC控制系统103.1.1 CPU模块103.1.2 模拟量输入输出模块113.1.3 电源模块113.1.4 编程软件123.1.5 EM 235模拟量输入和输出模块X133.2 被控对象特性143.2.1 一阶单容上水箱特性测试143.2.2 二阶双容下水箱对象特性测试173.3 本章小结214 PLC串级控制系统的设计234.1 串级控制系统设计概述234.2 控制系统的硬件设计234.2.1 检测单元244.2.2 执行单元254.2.3 控制单元264.3 控制系统软件设计264.3.1 输入采样274.3.2 控制信号输出274.3.3 PID控制器设计274.4 实时数据监测274.4.1 MCGS控制界面绘制284.4.2 PLC与MCGS的通讯294.5 本章小结325 PID控制与MATLAB仿真335.1 PID控制算法介绍335.2 PID调节的各个环节335.2.1 比例控制345.2.2 比例积分控制355.2.3 比例微分控制355.2.4 比例积分微分控制355.3 基于MATLAB的水箱控制仿真355.3.1 一阶单容水箱PID控制365.3.2 二阶双容水箱PID控制395.3.3 二阶双容水箱串级控制415.4 本章小结456 串级控制系统调试466.1 PID相关参数的整定466.2 水箱液位比例积分微分调试466.2.1 一阶单容水箱PID控制调试466.2.2 二阶双容水箱PID控制496.2.3 二阶双容水箱串级控制516.3 本章小结557 结论57参考文献60致谢61附录62621 绪论1.1 PLC的产生、定义及现状1.1.1 PLC的产生在PLC出现之前，继电气控制在工业控制过程中占主导地位，在该控制系统中，大量的开关按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，以及大量离散数据的采集。但由于继电器控制系统由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等硬件组成的，是利用继电器的常开、常闭触点的不同组合方式来实现控制逻辑的，这使得继电器控制系统具有结构复杂、占地积大、功率损耗大等缺点，而且控制系统一旦构成，便很难再改变系统的控制功能。此外，继电器的触点个数有限，这使得继电器控制系统的难以实现复杂的控制项目，降低了控制系统的灵敏度，为PLC的产生莫定了基础。年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司(GM)为适应生产工艺公开招标，要求研制比继电器更优异的新的控制器，并提出以下要求：设计周期短，更改容易，接线简单，成本低。把继电器控制和计算机技术结合起来。但编程要比计算机简单易学，操作方便。系统通用性强。年，世界上第一台PLC由美国数字设备公司研制出，并在通用汽车公司(GM)的汽车生产线上首次应用成功，PLC自此诞生。这一举动立即引起了开发热潮，PLC也逐步取代继电器控制器，成为工业控制的主导。1.1.2 PLC的定义美国电气制造商协会NEMA经过四年的调查工作，于年首先将其正式命名为PLC Programmable Logic Controller，并给PLC作了如下定义 “PLC是一个数字式的电子装置，它使用了可编程序的记忆体储存指令。用来执行诸如逻辑，顺序，计时，计数与演算等功能，并通过数字或类似的输入/输出模块，以控制各种机械或工作程序。一部数字电子计算机若是从事执行PLC的功能，亦被视为PLC ，但不包括鼓式或类似的机械式顺序控制器。” 国际电工委员会ICE在年月颁发了对PLC的标准草案第一稿，在年月颁发了对PLC的标准草案第二稿，年月也颁发了对PLC的标准草案第三稿。草案中对PLC定义如下：“可编程控制器PLC是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”1.1.3 PLC的发展现状年，第一台可编程逻辑控制器PDP-14由美国数字设备公司研制出 ，并在美国通用汽车公司的生产线上试用成功，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这是第一代可编程逻辑控制器，称Programmable，是世界上公认的第一台PLC。年，美国研制出世界第一台PDP-14。年，日本研制出第一台DCS-8。年，德国研制出第一台PLC。年，中国研制出第一台PLC。世纪年代初由于微处理器的出现，可编程逻辑控制器引入微处理器，使可编程逻辑控制器增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。从此之后可编程逻辑控制器成为了微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。个人计算机发展起来后，为了方便和反映可编程控制器的功能特点，可编程逻辑控制器定名为Programmable Logic Controller。世纪年代中末期，可编程逻辑控制器进入实用化发展阶段，此时，可编程控制器与计算机技术相互结合，让可编程控制器功能发生重大的变化，逻辑运算速度更快、体积更小、抗干扰能力更强、实现了模拟量运算和PID控制功能，这使得可编程控制器逐步占据了现代工业控制的主导地位。世纪年代初，可编程逻辑控制器在工业技术发达的国家获得广泛应用。同时世界上生产可编程控制器的国家日益增多，可编程逻辑控制器的产量也随之增加。世纪年代至年代中期，是可编程逻辑控制器发展最快的时期，每年可编程逻辑控制器的产量保持增长率。在这时期，可编程逻辑控制器在处理逻辑运算、模拟量计算、人机接口等方面能力上得到了提高和改进，可编程逻辑控制器逐渐在过程控制领域占据主导地位，取代了DCS系统在过程控制领域的统治地位。世纪末期，可编程逻辑控制器在满足现代工业的发展需要的特点上有了更进一步的的提高。在这个时期大型机和超小型机得到了发展、可编程逻辑控制器的也增加了特殊功能单元，并出现了与可编程逻辑控制器相兼容的各种人机界面单元、通信单元，使可编程逻辑控制器的工业控制过程中的应用更加广泛。作为离散控制的主要产品，PLC在我国的应用已有年的历史，PLC自从世纪年代后期进入中国以来，应用十分广泛。PLC进入中国时最初是成套设备引进应用，由于PLC价格昂贵，引进的PLC主要用于冶金、电力、自动化生产线等大型设备，在引进国外PLC产品的过程中，我国相关单位消化、吸收PLC的关键技术，试图对PLC进行国产化。到年代，在上海、北京、西安、广州、长春等多家科研单位、大专院校和工厂研制和生产PLC产品，具体的单位有：上海自力电子设备厂、中科院北京计算机所及自动化所、上海香岛机电公司、长春一汽、上海工业自动化仪表研究所、成都机床电器研究所、上海起重电器厂、大连组合机床研究所、北京机械工业自动化研究所等单位。但终因缺乏资金和后续研究力量、生产技术相对落后，都没有成功实现产业化，产品运作是否成功不是由简单的一两种因素决定的。近年来，随着PLC价格的不断降低和用户需求的不断增大，越来越多的中小型设备开始采用PLC进行控制。国产PLC在技术特点上与西门子和三菱类似或与其兼容。目前国产PLC厂商众多，主要集中于台湾、北京，浙江、江苏和深圳，台湾的品牌有：永宏、台达、盟立、士林、丰炜、智国、台安。但各个厂商规模也不一样，北京和利时和浙大中控都是在DCS系统具有优势之后，再渗透PLC市场，和利时已于年开始推广，现在在国内已经有一定知名度，浙大中控从最近开始推广PLC，杭州还有浙大中自生产PLC。但是PLC生产无论是从规模上还是产品系列上都无法与国际大厂商相抗衡，而且国产PLC生产厂商生产的PLC主要集中于中小型PLC，而且也有很多是贴牌生产或是仿造生产，真正自主研发生产的企业只是其中的一部分，国产厂商中台湾厂商比大陆厂商做得好，其中大陆厂商中PLC销售额达到两三千万都是比较好的。1.2 过程控制常用的控制算法过程控制在石油、化工、电力、冶金等相关领域都有广泛的应用。世纪年代，过程控制主要用是为了通过保持参数变量不变从而保证产品数量与质量稳定。年代，由于各种检测装置、组合仪表的产生，过程控制开始过渡到检测监视集中化、操作控制集中化。年代，自动化管理与过程控制最优化相结合，产生了计算机多级控制系统。年代，过程信息处理与过程控制系统相结合，功能变得更加强大。工业中的过程控制是指以温度、压力、流量、液位和成分等工艺参数作为被控变量的自动控制。过程控制的控制方法十分广泛，常用的包含有单回路控制，多回路控制，纯滞后控制，模型预测控制，模糊控制等。1.2.1 单回路控制单回路控制系统又称单回路反馈控制系统，在所有的反馈控制系统中单回路控制系统是最简单最基本的一种，因此它又被称为简单控制系统。单回路控制系统有个基本环节组成，分别为：被控对象、测量变送装置、控制器、控制阀，是一个简单的PID控制。1.2.2 多回路控制在工业控制过程中，由于被控对象的动态特性或工艺操作的的特殊要求，为了提高控制系统的精度，这时往往需要在单个PID控制的基础上，构成多回路控制系统，其中具有广泛应用的是串级控制和前馈反馈控制。1.2.3 纯滞后控制在工业控制过程中，由于物料传送的延时，能量的流失，使得被控对象具有纯滞后的特性，而这种滞后又会影响控制系统的控制性能。当被控对象的滞后时间和被控对象的时间常数T的比值大于时，采用常用的PID控制会让系统的超调量非常大，使细牙痛的稳态性能变差。故工业上常用施密斯预估计控制或大林算法进行控制。1.2.4 模型预测控制预测控制是一种先进的控制技术，和常用的PID控制不同，预测控制不是仅仅根据偏差来确定控制器的输出，而是根据当前值与过去值的偏差和由预测模型预测的未来的输出值，来优化确定当前的输出值的控制策略。1.2.5 模糊控制模糊控制又称模糊逻辑控制，是从属于智能控制的范畴的一种以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种非线性的计算机数字控制技术。所谓模糊控制,就是在控制方法上用计算机模拟操作者的控制动作，不是纯粹采用纯数学建模的方法，而是结合专家的知识和思维,进行学习、推理、联想决策的过程，在想代工业中应用广泛。1.3 串级控制的工业应用和一般的单回路反馈控制系统相比，串级控制系统拥有许多优点。串级控制系统能改善被控对象的动态特性、提高控制系统的控制性能、提高控制系统的控制精度，同时能迅速克服副回路的二次扰动，提高系统的工作频率，以及对负荷变化的适应性较强等。1.3.1 用于克服被控过程较大的容量滞后在过程控制系统中，存在一些被控对象的容量滞后较大，特别是一些被控量是温度等变化缓慢的参数时，如果系统的控制要求较高，采用单回路控制系统往往不能满足生产工艺的要求。利用串级控制系统的二次副回路可以改善动态过程，合理构造二次回路，减小容量滞后对过程的影响，提高系统工作频率，加快响应速度。在构造二次回路时，应该选择一个滞后较小环节作为的副回路，副回路保证快速动作。1.3.2 用于克服被控过程的纯滞后如果被控过程中存在纯滞后，就会严重影响控制系统的动态特性，使控制系统不能达到生产工艺的要求。使用串级控制系统，在距离调节阀较近、纯滞后较小的位置构成副回路。当扰动作用于副回路时，在它影响主参数之前，由副回路实现对主要扰动的控制，从而克服纯滞后的影响。把主要扰动信号包含在副回路中，提高副回路对系统的控制能力，可以减小纯滞后对主被控量的影响，改善控制系统的控制性能。1.3.3 用于抑制变化剧烈幅度较大的扰动 串级控制系统的副回路对于回路内的扰动具有很强的抑制能力。只要在设计时把变化剧烈幅度大的扰动包含在副回路中，就可以大大减小这种变化激烈而幅度大的扰动对主参数的影响。1.3.4 用于克服被控过程的非线性在过程控制过程中，一般的被控量都存在着一定的非线性。这使得负载变化时整个系统的特性发生变化，影响控制系统的动态性能。单回路系统往往不能满足生产工艺的要求，由于串级控制系统的副回路是随动控制系统，具有一定的自适应性，在一定程度上可以补偿非线性对系统动态特性的影响。1.4 毕业设计的主要任务在工业控制系统中，由于被控对象的动态特性或工艺操作条件等原因，对控制系统提出了一些特殊的要求，这是需要在PID控制的基础上，构成多回路控制系统，串级控制在工业中具有广泛的应用。串级控制是在单回路PID控制的基础上发展起来的一种控制结构。当系统中同时有几个因素影响一个被控变量时，如只控制其中一个因素，将难以满足系统的控制性能，串级控制在原控制回路中增加一个控制内回路，用以控制可能引起被控量变化的其他因素，可有效降低被控变量的时滞，提高系统的快速性。本设计要求能自学西门子PLC S7-200系列的可编程控制器的相关内容及控制方法，在STEP7与组态环境下，对一水箱系统的液位进行串级控制，要求在规定的时间内达到液位控制精度要求，需完成水箱对象的分析整定，控制器的设计，并对结果进行分析讨论。本课题的主要任务：了解串级控制的设计方法及PLC控制技术目前在工业控制中应用及相关的产品，通过查阅相关的文献资料熟悉西门子PLC的工业控制应用，及编程技术。以此为基础能对一水箱液位对象进行PLC控制，使液位控制效果达到预先给定的要求。使控制系统满足，控制系统在的控制度下的调节时间较小，稳态误差。本课题的目标：对容水箱液位对象进行PLC串级控制，使液位控制效果达到预先给定的要求，并与传统方法进行比较。2 串级控制介绍2.1 串级控制的意义串级控制是基于单回路PID控制基础发展起来的一种控制方法。当系统中存在多个干扰信号，只控制一个干扰信号不能满足控制要求。主回路是定值控制系统，对主控制器的输出而言，副回路是随动控制系统，对进入副回路的扰动而言主，副回路是定值控制系统。串级控制在该基础上，在原有的控制回路中，增加一个或几个采用PID控制的内回路，这种具有一个执行机构和多个控制器的，并且这些控制器一个接一个串联起来，钱一个控制器的输出作为后一个控制器的输入，执行机构最后的控制器控制的系统称为串级控制系统。2.2 串级控制相对于其他控制方法的优势串级控制系统增加了副回路，使性能得到改善，表现在以下几个方面：抗扰性能定性分析：当扰动进入副回路后，首先，副回路被控量检测到扰动信号的影响，并通过副回路的控制作用及时调节操纵变量，使副被控量恢复到副设定值，从而使二次扰动对主回路被控量的影响减少，即副回路对扰动进行粗调，主环回路再对扰动进行细调。因此，串级控制能迅速克服进入副回路扰动信号的影响。动态性能由于副回路的作用，串级控制系统的副回路动态特性得到了改善，从而提高了整个控制系统的动态性能。其主要影响可以从副回路的副被控对象的时间常数和相位两方面对主回路产生影响。由于副回路的作用，串级控制系统中含有两个时间常数，根据控制理论中的错开原理，如果一个控制系统中含有多个时间常数，只要这些时间常数彼此之间的差别越大，系统越稳定。因此只要使副回路的等效时间常数减小，就等于在控制系统中增加了一个超前的积分环节，使得控制系统的反应速度加快，控制更为及时，系统的控制质量越高。同时增加副回路可以减小闭环系统的相位滞后，按奈式稳定性理论，减小副对象的相位滞后，可以提高整个系统的稳定性。工作频率控制系统的工作频率反映系统响应速度的快慢。串级控制系统中，由于副回路改善了控制系统性能，使得主控制器的比例带宽可以更窄，从而提高了控制系统的工作频率，既提高系统的快速响应能力。自适应能力一般情况下，过程控制对象都有一定的非线性特性。单回路控制系统中，按一种状态设计的控制器参数在新的状态下可能会不起作用，导致控制定性能降低。串级控制系统中，主回路是一个恒值系统，副回路是一个随动系统主回路可以根据误差信号不断修改副回路的控制器的给定值，以适应负荷变化带来的影响。如果被控对象包含有非线性特性，把非线性环节置于副回路内，当副回路的增益足够大时，副回路的特性主要有反馈回路决定，与副回路被控对象无关。因此，串级控制系统具有一定的自适应能力，只要反馈装置是线性的，就可以见效被副回路包含的干扰信号的非线性的影响。2.3 串级控制系统设计串级控制系统是工业上常用的一种控制方法，但是，要充分发挥串级控制系统的优点，串级控制系统的设计就显得尤为重要。如果设计不当，不但不能发挥串级控制系统的优点，而且可能会是控制系统不稳定。2.3.1 副回路的选择副回路的设计实质上是副回路被控量的选择，在副被控对象选择时，要注意选择的副被控量要可测量，且方便测量。同时，副回路选择要从抗干扰能力和防止主、副回路产生共振两方面入手，主要要遵循以下几个原则：使系统的主要干扰包含在副环内；在可能的情况下，应使副环包含更多的一些干扰；当对象具有非线性环节时，在设计时应使非线性环节处于副环之中；当对象具有较大的纯滞后时，应使所设计的副回路尽量少包括或不包括纯滞后；副回路设计应考虑到主、副对象时间常数的匹配，防止“共振”发生。2.3.2 主、副控制器设计主、副控制器设计主要包括三个问题：主、副控制器的规律选择，主、副控制器的正反作用选择，抗积分饱和措施。主、副控制器的规律选择一般情况只有在主被控对象的控制要求较高时才会考虑串级控制，如果控制系统的控制要求不高，则只要采用单回路控制就可以满足控制要求。因此，串级控制的主回路通常采用PI控制，在某些容量滞后较大的控制系统，则可采用PID控制。副回路根据控制要求的不同选择不同的控制方式。若控制要求不高，则可采用P控制，若副回路对控制要求较高，不允许偏差量较大，则可采用PI控制。主、副控制器的正反作用选择一般情况下，如果副调节是反作用，则主调节的正反作用不需要改变。反之，如果副调节是正作用，则主调节的正反作用需要交换。抗积分饱和措施如果副回路采用P控制，则可用利用带外反馈的间歇单元解决。若副回路采用PI控制，则解决方法较复杂。2.4 本章小结经过分析，串级控制系统的性能可归纳为： 串级控制可以提高系统对二次干扰信号的抑制能力，同时由于副回路的作用，整个系统的调节能力也加快了，对一次干扰信号的抑制能力也有所提高。 串级控制提高控制系统的动态性能，因为副回路改善了副回路内被控对象特性，减小，了时间常数和相位滞后，使得整个系统的动态性能得到了改善。 串级控制提高了控制系统的工作频率，由于副回路的作用，主控制器的比列带宽变得更小，提高了控制系统的响应速度。串级控制具有一定的自适应能力，可以减小副回路内非线性环节对控制系统影响。串级控制系统设计时，副回路选择要从抗干扰能力和防止主、副回路产生共振两方面入手，而主、副控制器设计要解决：主、副控制器的规律选择，主、副控制器的正反作用选择，抗积分饱和措施三个问题。3 S7-200微型PLC222和控制对象介绍 3.1 西门子PLC控制系统在我国的工业控制过程中，德国西门子公司生产的可编程序控制器的应用十分广泛，在冶金、化工、印刷生产线等领域都有应用。西门子公司的PLC产品包括LOGO，S7-200(CN)，S7-1200, S7-300，S7-400，工业网络，HMI人机界面，工控软件等。 西门子S7系列PLC体积小、响应速度快、联网能力强，抗干扰能力高，功能齐全。S7系列PLC产品可分为微型PLC（如S7-200），小规模性能要求的PLC（如S7-300）和中、高性能要求的PLC（如S7-400）等。SIMATIC S7-200系列PLC适用于各种工业控制过程，适用于工业控制过程中的检测自动化，监测自动化，以及控制的自动化。S7-200系列的齐全的功能使其无论单独运行，或是构成网络都能实现复杂工业控制功能。因此，S7-200系列具有很高的性价格比。3.1.1 CPU模块西门子PLC222的CPU是由集成电路微处理器芯片构成，主要用于完成运算和控制任务，将用户输入的程序和数据接收，并储入相关寄存器。当系统进入实际运行状态后，对输入设备的状态进行扫描，并接收数据，然后从寄存器中读取程序，通过编译后产生用户规定控制信号。逐条道地执行数据的读取、传送、比较和转换等过程，完成程序要求的逻辑、算术运算任务，并根据运算结果控制输出设备。PLC中的中央处理单元多用到位字长的单片机。S7-200主机外形结构如下： 图31为S7-200 CPU的外形结构图。图31 S7-200 CPU 图32为带有扩展模块的S7-200 CPU的外形结构图。图32 带有扩展模块的S7-200 CPU3.1.2 模拟量输入输出模块S7-200 PLC CPU222具有输入、输出通道。输入输出单元由输入模块、输出模块和功能模块构成，是PLC与现场输入输出设备或其他外部设备之间的连接部件。PLC通过输入模块把工业设备状态信号或生产过程信息读入中央处理单元，通过用户程序的运算方法与操作，把结果通过输出模块输出给执行单元。而功能模块则是一些智能化了的输入和输出模块。比如，温度检测模块、位置检测模块、位置控制模块、PID控制模块等。中央处理单元与输入输出模块的连接是由输入接口和输出接口完成的。3.1.3 电源模块PLC配有开关电源，电源的交流输入端一般都有脉冲吸收电路，交流输入电压范围一般都比较宽，抗干扰能力比较强。为了保持PLC停电时可以维持，常用大容量电容作为PLC数据保持的后备电源。此外PLC还需要直流电源，一般PLC内部使用的为直流电，而PLC输入输出端、传感器使用的为直流电源。如下表3-1为不同CPU各个模块的供电要求。表3-1，PLC不同CPU的电源模块CPU类型电源电压输入电压输出电压输出电流CPU 221DC输出，DC输入24V DC24V DC24V DC0.75A,晶体管继电器输出，DC输入85-264V AC24V DC24V DC24-230V AC2A，继电器CPU 222CPU 224CPU 226DC输出24V DC24V DC24V DC0.75A,晶体管继电器输出85-264V AC24V DC24V DC24-230V AC2A，继电器3.1.4 编程软件STEP 7-Micro/WIN32 V3.2编程软件可以对所有的CPU221/222/224/226进行编程。STEP 7-Micro/DOS不能对CPU221/222/224/226编程。如果使用PG.PC的串口作为通讯口，则需要使用PC/PPI电缆。S7-200系列CPU可以利用PG/PC电缆及自由口的通讯功能把S7-200 CPU连接到很多和RS-232标准相兼容的设备。PG/PC电缆有两种不同的型号：（1）带有RS-232口的隔离型PG/PC电缆，用个DIP开关设置波特率和其它配置项。（2）带有RS-232口的非隔离型PG/PC电缆，用个DIP开关设置波特率。图33 PLC与电脑的连接图如图33，当数据从RS-232传送到RS-485口时，电缆处于发送状态。当数据从RS-485传送到RS-232口时，PG/PC电缆处于变为接收状态。当RS-232的发送线被检测到有字符输入时，PG/PC电缆立即从接收状态转变为发送状态。当RS-232发送线长时间没有被检测到有字符输入时，PG/PC电缆又转变为接收状态。电缆的切换时间由电缆上的DIP开关设定的波特率所决定。3.1.5 EM 235模拟量输入和输出模块XEM235模拟量扩展模块具有与基本单元相同的设计特点，固定方式与CPU相同。EM235有路模拟量输入和路模拟量输出。它的输入信号可以是不同量程度电压或电流。EM235有路模拟量输出，其输出可以是电压，也可以是电流。如下，表3-2为EM235模拟量扩展模块的技术指标表3-2，EM235技术指标型号EM 235 AI4/AQ1×12位总体特性外形尺寸71.2mm×80mm×62mm功耗3W输入特性本机输入4路模拟量输入电源电压标准DC24V/4mA输入类型电压（单极性）010V，05V，01V，0500mV，0100mV，050mV电压（双极性）±10V，±5V，±2.5V，±1V，±500mV，±250 mV，±100mV，±50mV，±25 mV，电流020mA分辨率12bit转换速度250s隔离有数据字格式双极性3200032000单极性032000输出特性本机输出1路模拟量输出电源电压标准DC24V/4mA输出类型±10V，020mA分辨率12bit转换速度100s（电压输出），2ms（电流输出）隔离有数据字格式电压3200032000电流0320003.2 被控对象特性被控对象特性是指在输入信号作用下，被控对象所表现出来的输出信号和输人信号之间的函数关系，常用传递函数表示，又分为静态特性和动态特性两种特性。前者是指输出与输入信号在稳态时的函数关系，与时间变化无关。后者是指变化输人信号引起输出信号随时间变化的特性，又分为响应特性(输人信号为阶跃信号)和频率特性(输人信号为正弦信号)。3.2.1 一阶单容上水箱特性测试单容水箱系统如图3-4所示。图3-4 单容水箱系统示意图该一阶单容上水箱特性测试采用阶跃响应测试法，即系统在开环条件下运行，待系统稳定后，通过调节电动阀，手动改变对象的输入信号（阶跃信号），同时记录上水箱的阶跃响应曲线，然后根据阶跃响应曲线拥图解法确定对象模型中各参数。单容水箱对象模型用一阶加时滞环节来近似描述时，常可用两点法直接求取对象参数。 如图3-4所示，令水箱的进水量为，出水量为，水箱的液面高度为，出水阀置于某一开度（注意：阀的开度大小会影响到水箱的时间常数）。根据物料动态平衡的关系，求得： （3-1）在零初始条件下，对上式（3-1）求拉氏变换，得： （3-2）式（3-2）中，为水箱的时间常数，为单容水箱的放大倍数，、分别为、阀的液阻，为水箱的容量系数。设输入流量的阶跃变化量为，其拉氏变换式为，为常量，则输出液位高度的拉氏变换式为： （3-3）当时，则有： （3-4）即 （3-5）当时，所以 （3-6）为输出稳态值，为阶跃输入一阶惯性环节的响应曲线是一条单调上升的指数函数，如图3-5所示，该曲线上升到稳态值的所对应时间，就是水箱的时间常数。图3-5 一阶对象阶跃响应曲线打开储水箱进水阀，主管路泵阀，关闭其他手阀，将储水箱灌入适量的水，打开左上水箱进水阀，将其出水阀打开至适当开度，将左上水箱的液位信号送至小型模拟量输入通道，将模拟量输出通道信号送电动调节阀。打开控制台及实验对象电源开关，启动，连接好通讯线（电缆），将程序下载到中，打开主管路泵、电动调节阀、检测设备电源开关。启动上位软件，进入实验。 以下分别为电动阀开度为：、时的阶跃响应曲线（红线为上水箱液位变化曲线）。图3-6 电动阀开度0.1特性曲线测试图3-7 电动阀开度0.15特性曲线测试图3-8 电动阀开度0.3特性曲线测试由三个不同开度的阶跃响应曲线所反映的时间常数、放大倍数，时滞时间取平均值得：，得到单容上水箱特性 （3-7）3.2.2 二阶双容下水箱对象特性测试 双容水箱系统如图3-9所示，这是由两个一阶非周期惯性环节串联起来，被控量是下水箱的水位。当输入量有一个阶跃增加时，被控量变化的反应曲线如图3-2所示的曲线。不再是简单的指数曲线，而是呈形的一条曲线。由于多了一个水箱,就使被控对象的飞升特性在时间上更加落后一步。在图中S形曲线的拐点上作切线，它在时间轴上截出一段时间。这段时间可以近似地衡量由于多了一个容量而使飞升过程向后推迟的程度，因此称容量滞后，通常以代表之。图3-9 双容水箱系统示意图设流量为二阶双容上水箱的输入量，二阶双容下水箱的液位高度为输出量，根据物料动态平衡原理，以及液体流动过程中的延时，二阶双容水箱的传递函数为： (3-8)式（3-8）中 ，1，、分别为阀和的液阻，和分别为上水箱和下水箱的容量系数。式中的、和由实验求得的阶跃响应曲线上求出。具体的做法是在图3-10所示的阶跃响应曲线上取：1、 稳态值的渐近线；2、 时曲线上的点和对应的时间；3、 时曲线上的点和对应的时间。图3-10 一阶对象阶跃响应曲线然后，利用下面的近似公式计算式1-1中的参数、和。 对于式（3-8）所示的二阶过程，。 （3-9） 当时 ，为一阶环节；当时，过程的传递函数，（此时