小型热工PLC控制实验装置研制及实验指导书编制

论文总字数：33599字

摘 要

液位控制是工业系统中非常重要的研究课题，水箱系统是研究液位控制问题的典型代表。首先，本文介绍了利用水箱、给水泵、电加热器、三菱变频器、PLC控制器等器材组成了一套热工水箱实验系统。实验平台的主要设计过程包括设计电气接线图并连接组装实验平台；通过GX Developer设计PID参数设置程序、控制程序；利用PLC的QJ61BT11N模块实现与变频器FR-A7NC模块的CC-Link通讯，并编写通讯程序。

其次，根据所搭建的水箱实验系统，完成配套的热工实验设计,编写面向大学本科学生的实验指导书。所设计实验主要包括一阶单容水箱对象阶跃测试，单容水箱液位PID控制观察，广义频率特性法整定PI参数，最小二乘法辨识单容水箱液位模型参数，二阶双容水箱对象阶跃响应测试。对部分实验进行了实际操作并绘制了控制曲线图，在系统辨识的实验中利用MATLAB完成了单容水箱对象的参数仿真辨识，实验结果验证了在外接干扰较小的情况下，最小二乘法参数辨识得到的估计参数与理想参数十分接近。

最后，研究探讨了能够应用于非线性对象辨识的先进辨识理论以及他们的基本原理，包括神经网络辨识理论、模糊系统辨识理论以及遗传算法理论等。

关键词：液位控制;水箱系统;PLC;变频器;CC-Link通讯;热工实验。

THE DEVELOPMENT OF AN MINI EXPERIMENT SYSTEM UNDER THE CONTROL OF PLC AND THE EDIT OF EXPERIMENT GUIDEBOOK

03011212 Lin Jiangfan

Supervised by Pan Lei

Abstract: Liquid level control is a very important research topic on industrial system, and the water tank system is typical in liquid level control research.First, this thesis describes how to establish a set of water tank system with water tank, water pump, electric heater, transducer and PLC of Mitsubishi. The design process mainly include designing electrical assembly drawing and establishing the experiment platform, using GX Developer designing program about the parameter setting of PID and control, achieving CC-LINK network communication between QJ61BT11N and FR-A7NC in the transducer.

Secondly, according to the experiment platform, a series of thermal experiments was designed with the experiment guidebook which is geared to the needs of undergraduate student. The experiments include the step test of single-capacity tank, observational experiment of the single-capacity tank with PID control, tuning PI parameter with the generalized frequency response curve method, identification of a single water tank model by the least square method, and the step test of double-holding water tank. Part of the experiments was reality tested and the graph was drawn. In the identification experiment, when using MATLAB finishing the simulation experiment about the single water tank system, it proved that the estimated parameter was very close to the ideal parameter when the outside interference was low.

Finally, three identification algorithm was discussed about the identification of nonlinear systems, including neural network identification, Fuzzy Identification Algorithm and Genetic Algorithm.

KEY WORDS: liquid level control; water tank system; PLC; transducer; CC-Link; thermal experiments.

目录

第1章 绪论1

1.1选题背景1

1.2基于可编程序控制器的热工控制实验系统1

1.3系统辨识理论介绍4

第2章 小型热工PLC控制实验台的建立5

2.1 平台总体概况6

2.2 硬件系统9

2.3 软件系统12

第3章 基于CC-Link现场总线的变频控制系统16

3.1 开放式互联现场总线16

3.2 变频器原理16

3.3三菱QJ61BT11N模块与三菱FR-F500变频器的CC-Link连接17

第4章 实验指导书23

4.1 变频器的参数设置23

4.2 一阶单容水箱对象阶跃测试26

4.3利用MX Sheet进行上位机实验数据记录31

4.4单容水箱液位PID控制观察实验34

4.5广义频率特性法整定PI参数38

4.6最小二乘法辨识单容水箱液位模型参数41

4.7二阶双容水箱对象阶跃响应测试46

第5章 非线性对象辨识拓展研究48

5.1神经网络辨识理论48

5.2 模糊系统辨识理论49

5.3 遗传算法理论 49

5.4利用MATLAB辨识工具箱完成单容水箱对象的哈默斯坦模型初步辨识49

第6章 结束语53

参考文献54

致谢55

第1章 绪论

1.1 选题背景

编程控制器(PLC)是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和网络通讯技术等现代科技而发展起来的一种新型工业自动控制装置，广泛应用于逻辑控制、运动控制、闭环过程控制、数据处理、联网通信等诸多领域，是当代工业自动化的三大支柱之一，能源与环境学院的热能工程、核工程、建筑设备环境等学科均涉及大量的PLC自动化技术。

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