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基于S7-200 PLC的系統(tǒng)辨識(shí)

1 引言

　　控制系統(tǒng)廣泛存在于化工、石油、造紙、制糖、制藥等工業(yè)部門，從控制的角度來(lái)說(shuō)，其過(guò)程的純滯后時(shí)間與主導(dǎo)時(shí)間常數(shù)之比往往超過(guò)0.5，是大純滯后過(guò)程。在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，需要對(duì)過(guò)程進(jìn)行系統(tǒng)辨識(shí)，建立對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。本文以中藥提取罐作為控制對(duì)象、以s7-200 plc作為控制器和辨識(shí)器硬件，對(duì)中藥提取溫度控制對(duì)象進(jìn)行系統(tǒng)辨識(shí)，建立其數(shù)學(xué)模型。

2 階躍響應(yīng)法

　　在經(jīng)典的控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)中，通常采用傳遞函數(shù)來(lái)描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。系統(tǒng)辨識(shí)就是要建立系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。經(jīng)典的傳遞函數(shù)辨識(shí)方法可以分為時(shí)域法和頻域法兩種。傳遞函數(shù)辨識(shí)的時(shí)域方法又包括階躍響應(yīng)法、脈沖響應(yīng)法和矩形脈沖響應(yīng)法等，其中以躍響應(yīng)法最為常用。階躍響應(yīng)法利用階躍響應(yīng)曲線對(duì)系統(tǒng)傳遞函數(shù)進(jìn)行辨識(shí)，階躍響應(yīng)曲線即輸入量作階躍變化時(shí)，系統(tǒng)輸出的變化曲線。利用階躍響應(yīng)曲線來(lái)確定傳遞函數(shù)的方法很多，常用的有近似法、半對(duì)數(shù)法、切線法、兩點(diǎn)法和面積法等。兩點(diǎn)法中最古老也是最有名的方法是küpfmüller方法，一階慣性環(huán)節(jié)加純滯后環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)的模型參數(shù)k、t、τ可以直接從階躍響應(yīng)曲線上求得。

3 s7-200 plc

　　s7-200 plc是西門子公司開發(fā)的小型化的plc，它的用戶程序中可以包括位邏輯、計(jì)數(shù)器、定時(shí)器、復(fù)雜數(shù)學(xué)運(yùn)算以及與其它智能模塊通訊等的指令，對(duì)于8個(gè)以下閉環(huán)的小型控制系統(tǒng)，它也能提供價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力的解決方案。step 7icro/win軟件中包含了一個(gè)pid整定控制面板，它能夠以圖形的方式來(lái)監(jiān)視pid回路，用于啟動(dòng)自整定序列，取消自整定序列，還可以將推薦整定值或者設(shè)計(jì)的整定值應(yīng)用到實(shí)際控制中去。本文利用step 7icro/win軟件中的pid整定控制面板來(lái)輸出階躍信號(hào)，采集對(duì)象的階躍響應(yīng)信號(hào)并繪制階躍響應(yīng)曲線。

4 中藥提取罐溫度控制數(shù)學(xué)模型的建立

　　4.1溫度控制對(duì)象的傳遞函數(shù)

　　溫度控制系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)是控制溫度對(duì)象的熱能吸收和或釋放（本系統(tǒng)是通過(guò)蒸汽加熱溶媒從藥材中提取中藥，可忽略化學(xué)反應(yīng)及其可能的放熱或吸熱效應(yīng)），由熱能工程學(xué)以及傳熱學(xué)可知，溫度對(duì)熱能傳遞而言是一個(gè)大滯后量。忽略工業(yè)生產(chǎn)中的一些次要因素，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，可采用一階慣性環(huán)節(jié)加純滯后環(huán)節(jié)作為控制模型

PC和PLC自由口通信在數(shù)碼顯示中的應(yīng)用

　　自由通信模式下plc的控制程序可以使用接收中斷、發(fā)送中斷、發(fā)送指令（xmt）和接收指令（rcv）來(lái)控制通信操作。s7-200的cpu處于run模式時(shí)，能夠進(jìn)行自由端口通訊。在這一模式下，用戶可以通過(guò)plc程序來(lái)選擇協(xié)議，可以使用接收中斷、發(fā)送中斷、發(fā)送指令（xmt）和接收指令（rcv）來(lái)進(jìn)行通信操作。在run模式下，對(duì)于port0（port1），當(dāng)smb30協(xié)議選擇域（mm）置1（smbi30協(xié)議選擇域（mm）置1）時(shí)，便選擇了自由端口模式。在stop狀態(tài)下，自由端口模式被禁止，cpu能夠與可編程設(shè)備（如編程器）之間通信。

　　plc程序分為主程序和中斷程序。主程序完成初始化通訊口、開中斷、判斷、發(fā)送數(shù)據(jù)等功能，中斷程序完成接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的功能。接收指令（rcv）啟動(dòng)或終止接收信息功能，必須為接收操作開始和結(jié)束條件。發(fā)送指令（xmt）在自由口模式下依靠通信口發(fā)送數(shù)據(jù)。

　　初始化通信程序：

　　ld sm0.0

　　movb 16#05， smb30 // // 初始化自由口：sm30=“ppdbbbmm" =16#05=0000

　　0101

　　movb 16#b0， smb87 // // 初始化rcv信息控制字符：sm87=16#b0 =1011 0000

　　movb 16#0a， smb89 // // 設(shè)定信息結(jié)束字符為“16#0d"（smb89 =“16#0d"）

　　movw +5， smw90 // // 設(shè)置空閑線超時(shí)時(shí)間為5ms （smw90=5）

　　movb 100， smb94 // // 設(shè)置最大字符數(shù)為100（smb94=100）

　　atch int_0， 23 // // 連接中斷0到接收結(jié)束事件

　　atch int_2， 9 // // 連接中斷2到發(fā)送結(jié)束事件

　　eni // // 允許用戶中斷

　　rcv vb100， 0 // // 執(zhí)行接收指令，接收緩沖區(qū)指向vb100

　　4.3 vb通信程序設(shè)計(jì)

　　上位機(jī)通信軟件是在vb環(huán)境下開發(fā)的，vb語(yǔ)言是基于bbbbbbs操作系統(tǒng)的面向?qū)W習(xí)對(duì)象的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。因vb具有強(qiáng)大的圖形顯示功能，可以很容易地開發(fā)出界面良好、滿足用戶需求的bbbbbbs標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)格的圖形界面。vb帶有專門管理串行通信的mscomm串行端口控件，程序員在利用該控件時(shí)，只需設(shè)置、監(jiān)視其屬性和事件，即可完成對(duì)串行口的初始化和數(shù)據(jù)的傳輸工作，實(shí)現(xiàn)plc與pc串行通信。要完成通信必須設(shè)置mscomm的如下相關(guān)屬性值：

　　（1）commport：設(shè)置或傳回通信連接端口代號(hào)。

　?。?）settings：設(shè)置初始化參數(shù)，以字符串的形式設(shè)置或傳回連接速度、奇偶校驗(yàn)、數(shù)據(jù)位和停止位等參數(shù)。

　?。?）portopen：設(shè)置或傳回通信連接端口的狀態(tài)。

　?。?）bbbbb：從輸入寄存器傳回并移除字符。

　?。?）output：將一個(gè)字符串寫入輸出寄存器。

　?。?）bbbbblen：由串行端口讀入的字符串長(zhǎng)度。

　　（7）inbuffercoun t：傳回在接收寄存器中的字符數(shù)。

　　用vb編制的部分通信程序如下：

　　程序過(guò)程名：mscomm1_on comm。它的作用：完成上位計(jì)算機(jī)（vb監(jiān)控程序）與下位機(jī)（plc）之間的串行通信。