基于PLC的汽車(chē)主副油路流量控制的研究

1.引言

隨著工業(yè)信息化時(shí)代的不斷發(fā)展，PLC控制在信息自動(dòng)化領(lǐng)域中起到很大的作用，PLC對(duì)流量的控制技術(shù)運(yùn)用越來(lái)越廣泛，生產(chǎn)中始終占有相當(dāng)?shù)谋壤atlaB在圖像處理，數(shù)據(jù)建模，信號(hào)分析仿真中也有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，由于資金條件有限和本著研究開(kāi)發(fā)的態(tài)度大多采用仿真來(lái)進(jìn)行模仿。而對(duì)于噴霧角的角度測(cè)量，大多采用攝像對(duì)比的方式，而不經(jīng)過(guò)matlaB圖像處理，本文直接把得到噴嘴噴霧圖像經(jīng)行攝影，經(jīng)過(guò)圖像采集卡，通過(guò)matlaB進(jìn)行處理，與不經(jīng)過(guò)圖像處理的噴霧圖像進(jìn)行對(duì)比，獲得的效果更好，精度更高，更能滿(mǎn)足經(jīng)濟(jì)效益的要求，本文主要介紹PLC選擇，控制電路的設(shè)計(jì)，matlaB系統(tǒng)仿真實(shí)現(xiàn)分析，先通過(guò)電機(jī)鏈接變頻器，在主油路上安裝流量計(jì)，流量變送器傳輸?shù)絇LC,給定一個(gè)流量，此流量設(shè)定是可以任意變化的，在主油路噴嘴處設(shè)置壓力表，觀察噴油過(guò)程壓力變化，達(dá)到參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

2.PLC的選型及流量控制

2.1 PLC選型

系統(tǒng)的選型：PLC控制器一臺(tái)，變頻器兩臺(tái)，觸摸屏顯示器，泵兩臺(tái)。

根據(jù)系統(tǒng)的選型和控制的要求，PLC主要負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的溫度，壓力，流量調(diào)節(jié)。

所需要的資源如下所示：

數(shù)字量輸入點(diǎn)(DI)：PLC啟動(dòng)和停止，油泵1、2啟動(dòng)和停止，變頻器1、2啟停，共計(jì)：10點(diǎn);數(shù)字量輸出點(diǎn)(DO)：流量閥動(dòng)作線圈，量杯處閥動(dòng)作線圈，冷卻轉(zhuǎn)向閥，共計(jì)：6點(diǎn);模擬量輸入點(diǎn)(AI)：壓力信號(hào)：主副油路各1點(diǎn)，主副油路單件各1點(diǎn)，流量信號(hào)：

主副油路各1點(diǎn)，單件各1點(diǎn);溫度信號(hào)：

溫控器處1點(diǎn);共計(jì)：9點(diǎn);模擬量輸出點(diǎn)(AO)：變頻器1、2共計(jì)：2點(diǎn);綜合上述：

PLC需要控制的系統(tǒng)數(shù)字量輸入輸出點(diǎn)DI/DO為10/6.模擬量輸入輸出點(diǎn)AI/AO為9/2.

根據(jù)控制系統(tǒng)實(shí)際所需端子數(shù)目，考慮PLC端子數(shù)目要有一定的預(yù)留量，因此選用的S7-200型PLC的主模塊為CPU224,由于還需要擴(kuò)展模擬模塊，選用三個(gè)外擴(kuò)模塊模擬模塊EM235.

2.2 流量控制

本實(shí)驗(yàn)主要通過(guò)主副油路兩個(gè)部分進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)使用的為航空煤油，實(shí)驗(yàn)條件為25°C左右，噴嘴為20個(gè)，主油路單獨(dú)試驗(yàn)，單個(gè)噴嘴流量控制，20個(gè)噴嘴同時(shí)開(kāi)啟流量控制，然后對(duì)噴嘴噴出的油進(jìn)行角度控制，噴灑角度控制在兩度范圍內(nèi)。同理副油路也是如此控制進(jìn)行單獨(dú)試驗(yàn)，本實(shí)驗(yàn)由于主副油路同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，可能會(huì)存在流量的不穩(wěn)定情況，而PLC的PID控制恰恰可以彌補(bǔ)這一點(diǎn)。

采用PID,具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)增量算法控制誤動(dòng)作影響小。(2)增量算法控制易于實(shí)現(xiàn)手動(dòng)/自動(dòng)無(wú)擾動(dòng)切換。(3)不產(chǎn)生積分失控，易獲得較好的調(diào)節(jié)品質(zhì)。

流量控制系統(tǒng)通過(guò)安裝在管道的流量變送器實(shí)施測(cè)量油的流量，并將其轉(zhuǎn)化為4-20mA的電信號(hào)，然后通過(guò)PLC的A/D轉(zhuǎn)化模塊讀取測(cè)量值并與設(shè)定值進(jìn)行對(duì)比，偏差值進(jìn)行PID運(yùn)算，在將運(yùn)算后的數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬量作為變頻器的輸入信號(hào)，控制變頻器的輸出頻率，從而控制油泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

3.PID流量控制

3.1 PID控制的原理

PID控制器是用輸出y(t)和給定r(t)之間的誤差的時(shí)間函數(shù)e(t)=r(t)-y(t)的比例， 積分， 微分的線性表示， 構(gòu)成控制量u(t)，稱(chēng)為比例(Proportional)積分(Integrating)微分(Differentiation)控制，簡(jiǎn)稱(chēng)PID控制。在實(shí)際的應(yīng)用中，可據(jù)受控對(duì)象特性和控制要求，靈活地采用不同的線性控制組合，構(gòu)成比例(P)控制器：

式中p K --比例放大系數(shù);TI--積分時(shí)間; D T --微分時(shí)間。

3.2 PID控制的作用

比例環(huán)節(jié)能迅速反應(yīng)誤差，從而減小穩(wěn)態(tài)誤差但不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。比例放大環(huán)節(jié)系數(shù)的加大，會(huì)引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。

積分環(huán)節(jié)的作用是，只要有足夠的時(shí)間，積分控制將能完全消除誤差，使系統(tǒng)誤差為零，從而消除穩(wěn)態(tài)誤差。積分作用太強(qiáng)會(huì)使系統(tǒng)超調(diào)加大，使系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩。

微分控制可減小超調(diào)量，克服振蕩，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時(shí)使系統(tǒng)的反應(yīng)速度加快，減小調(diào)整時(shí)間，從而改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。

應(yīng)用PID控制，必須適當(dāng)?shù)卣{(diào)整比例放大系數(shù)KP,積分時(shí)間TI和微分時(shí)間TD,這樣使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

3.3 PID控制的流程

PID流量控制有一下流程：

(1)主程序調(diào)用模塊，如圖2.

(2)主程序調(diào)用子程序1:

4.Matlab圖像處理

4.1 噴霧角度測(cè)量方案確定

到目前為止，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有可以測(cè)噴霧角度的傳感器，所以我們選擇通過(guò)攝像頭來(lái)觀察角度，光照形式，通過(guò)圖像采集卡，經(jīng)過(guò)matlaB圖像處理，觀察并得到噴霧角度。

噴嘴噴霧圖像通過(guò)二值化得到下面的圖像：

4.2 圖像邊緣檢測(cè)及邊界提取

通過(guò)得到的二值圖像對(duì)其進(jìn)行邊緣檢測(cè)，看哪種效果更好，從中選出效果最好的，進(jìn)行邊界提取，然后對(duì)左右邊界直線做回歸分析。以下是matlab處理的六種算子進(jìn)行邊緣檢測(cè)得到的圖像。

經(jīng)過(guò)比較可以看出高斯濾波后Canny算子邊緣檢測(cè)效果要好些。經(jīng)過(guò)提取數(shù)據(jù)獲得兩條直線。

4.3 噴嘴噴霧角的計(jì)算

由于噪聲和模糊的存在，對(duì)于測(cè)量噴霧角，就是把所得兩條邊界線，取靠近噴嘴處的點(diǎn)30到60不等，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得到兩條擬合曲線斜率，程序如下：

其中alfa即為所求的噴霧角角度，符合設(shè)計(jì)要求。

5.結(jié)論

本文設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)PLC的PID控制，使得流量穩(wěn)定的輸出，并達(dá)到給定指標(biāo)，通過(guò)攝像頭拍攝照片使得增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)效果，提高了實(shí)驗(yàn)精度，與傳統(tǒng)的人為眼睛觀察測(cè)量誤差更小，更符合實(shí)驗(yàn)要求，matlaB的強(qiáng)大圖像處理功能以及運(yùn)算得出噴霧角度，MATLAB編程簡(jiǎn)單易懂，通過(guò)分析數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)，達(dá)到了系統(tǒng)所滿(mǎn)足要求。