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基于S7-200 PLC的系统辨识_0

发布于:2019-06-06 14:12编辑:dede58.com 作者:dede58.com点击:

1 引言

  控制系统广泛存在于化工、石油、造纸、制糖、制药等工业部门,从控制的角度来说,其过程的纯滞后时间与主导时间常数之比往往超过0.5,是大纯滞后过程。在设计控制系统时,需要对过程进行系统辨识,建立对象的数学模型。本文以中药提取罐作为控制对象、以s7-200 plc作为控制器和辨识器硬件,对中药提取温度控制对象进行系统辨识,建立其数学模型。

2 阶跃响应法

  在经典的控制系统分析与设计中,通常采用传递函数来描述系统的动态特性。系统辨识就是要建立系统的传递函数。经典的传递函数辨识方法可以分为时域法和频域法两种。传递函数辨识的时域方法又包括阶跃响应法、脉冲响应法和矩形脉冲响应法等,其中以跃响应法最为常用。阶跃响应法利用阶跃响应曲线对系统传递函数进行辨识,阶跃响应曲线即输入量作阶跃变化时,系统输出的变化曲线。利用阶跃响应曲线来确定传递函数的方法很多,常用的有近似法、半对数法、切线法、两点法和面积法等。两点法中最古老也是最有名的方法是kpfmller方法,一阶惯性环节加纯滞后环节传递函数的模型参数k、t、可以直接从阶跃响应曲线上求得。

3 s7-200 plc

  s7-200 plc是西门子公司开发的小型化的plc,它的用户程序中可以包括位逻辑、计数器、定时器、复杂数学运算以及与其它智能模块通讯等的指令,对于8个以下闭环的小型控制系统,它也能提供极具价格竞争力的解决方案。step 7icro/win软件中包含了一个pid整定控制面板,它能够以图形的方式来监视pid回路,用于启动自整定序列,取消自整定序列,还可以将推荐整定值或者设计的整定值应用到实际控制中去。本文利用step 7icro/win软件中的pid整定控制面板来输出阶跃信号,采集对象的阶跃响应信号并绘制阶跃响应曲线。

4 中药提取罐温度控制数学模型的建立

  4.1温度控制对象的传递函数

  温度控制系统的实质是控制温度对象的热能吸收和或释放(本系统是通过蒸汽加热溶媒从药材中提取中药,可忽略化学反应及其可能的放热或吸热效应),由热能工程学以及传热学可知,温度对热能传递而言是一个大滞后量。忽略工业生产中的一些次要因素,设计控制系统时,可采用一阶惯性环节加纯滞后环节作为控制模型,其传递函数如下式:

  img]yjtgongshi-1.jpg/》(1)

  4.2阶跃响应法中的两点法

  据式(1)以及传递函数的定义有:

  接着,在y(t)上选取两个坐标值(t1,y(t1))和(t2,y(t2)),只要求0, y(t1),y(t2)这三个数值之间有明显的差异即可。化为无因次曲线后得:

    根据阶跃响应曲线,综合式(4)及式(7)就可以求出一阶惯性环节加纯滞后环节传递函数式(1)中的模型参数k、t、。

  4.3阶跃响应曲线的获取

  采用step 7icro/win软件编制包含pid控制器的 s7-200 plc应用程序。连接step 7icro/win电脑与实体s7-200 plc,启动plc运行,进入pid整定控制面板。pid整定控制面板图形显示区中用不同的颜色显示了过程变量、设定值和输出值相对于时间的函数。过程变量和设定值共同使用左侧的纵轴,输出值使用右侧的纵轴。pid整定控制面板中的设定值要设定为阶跃信号,过程变量即为阶跃响应信号,输出值为plc输出到执行器的命令信号。通过设置pid整定控制面板的相关参数,保证设定值及输出值均为阶跃信号以获取真实可靠的阶跃响应曲线。中药提取罐温度控制的阶跃响应曲线如图1所示。

  图中红线是过程量即阶跃响应曲线,绿线是设定值即step 7icro/win软件给plc的指令,蓝线是输出值即plc输出给辨识对象的阶跃信号。

  4.4模型参数的计算

  模型参数计算图如图2所示。

  图2 模型参数计算图

  型参数计算图中,有效的辨识时间范围是120s~870s之间,阶跃信号plc内存储的值为:

  u=17408.00-6400.00=11008.00

  图2 模型参数计算图系统稳态温度值对应plc内存储的值:

  y()= 17408.00 -14368.00=3040.00

  于是:

  k=0.276163

  根据两点法选取点y(t1)=0.284以及点y(t2)=0.632,换算为plc内存储的值分别是:15231.16和16289.28;从图上读出相应的横坐标时间值大约是:434和298;据此计算:

  t1=870-464=406s

  t2=870-328=542s

  最终得到:

  t=204s,=338s

  于是对象的传递函数为:

  

5 结束语

  系统辨识采用的是阶跃响应法中的两点法。从本质上说,两点法是一种图形的方法,在绘图读数时会带来误差,影响模型的精度;项目采用s7-200plc绘图,图形精度可以保证。但仍存在读图误差。

  的pid控制器基于识别出来的对象模型进行设计,通过现场的调试,达到了由环境温度(调试投运时是21℃)上升到目标温度85℃历时17分钟,仅仅有0.8℃超调,温度误差1℃的技术指标。

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