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1、河南科技大学毕业设计（论文）I基于 PLC 的液压实验台电液比例位置控制系统设计 - PLC 程序设计摘要随着液压技术的发展， 电液比例控制技术已越来越多地应用于各领域中。本文分析了电液比例位置控制系统的控制原理及其特点，以位置控制作为研究对象，设计了 PLC 控制的电液比例位置闭环控制系统，对 PID 控制算法做出了一些阐述及 PID 参数对系统静态和动态的影响做出分析，给出了基于PLC 的电液比例位置控制系统的实验方案及实验台组成。硬件方面：简单的介绍了实验台所需的电液比例方向阀、液压缸、位移传感器的工作原理及其性能参数，西门子 S7-300 PLC 及其扩展模块 SM334，以及上位机
2、WINCC 的功能及使用。软件以及调试方面：首先理清系统的总体设计后，对 PID 控制原理进行简要的阐述，熟知 SM334 模拟量输入输出模块，应用 step7 软件进行硬件组架和 PLC 编程,完成 PLC 与计算机的连接通讯， 将程序和硬件下载到 PLC 中，在线进行调试，设置 PID 参数，以达到最终位置的控制目的。通过不断的调试与实验，及理论上对实验台的系统性能控制，实验结果和预期的目的要求基本相符合，验证了理论研究的可行性和控制的有效性。关 键 词：电液比例，PLC，位置控制，PID河南科技大学毕业设计（论文）IITHE DESIGN OF EXPERIMENT TABLE ELET
3、RO-HYDRAULIC PROPORTIONAL POSITION CONTROL SYSTEM BASED ON PLCABSTRACTWiththedevelopmentofhydraulictechnology,theelectro-hydraulicproportional position control technology has been increasingly used in variousfields. This paper analyzes the electro-hydraulic proportional control of theposition contro
4、l system and its features, position control for the study, it hasdesigned the PLC controlled electro-hydraulic proportional position loop controlsystem, it also makes some elaborate about the PID control algorithm and thePID parameters affection to static and dynamic. This paper also gives theexperi
5、mental program and test-bed of the proportion of the location of thePLC-based electro-hydraulic control system.Hardware: This paper makes a brief introduction of working principle andperformance parameters of the experimental units required for electro-hydraulicproportionaldirectionalvalve,hydraulic
6、cylinderpositionsensor workingprinciple and performance parameters, and then it expatiates the Siemens S7-300PLC and its expansion module SM334, also the function and use of the hostcomputer WINCC.Software and debugging:After sorting out the overall design of the system,it makes a brief exposition o
7、f the PID control principle, descries group rack andPLC applications to control programming, and completes the connection to PLCand computer communications, and then downloads the programs and hardwareto the PLC, opens the online debugging, sets the PID parameters to achieve thefinal position of the
8、 control purposes.Throughcontinuouscommissioningandexperimentalandtheoreticalperformance of the experimental station control, experimental results and the河南科技大学毕业设计（论文）IIIintended purpose come to a basic consistent; it verifies the theoretical study ofthe feasibility and the effectiveness of control
9、s.KEY WORDS：electro-hydraulic proportional, PLC, position control, PID河南科技大学毕业设计（论文）目录前言.1第 1 章 系统总体设计方案41.1 系统工作原理.41.2 比例液压控制系统设计 5第 2 章 系统硬件设计 62.1 硬件的选型62.1.1 电液比例方向阀.62.1.2 液压缸 82.1.3 溢流阀. 82.1.4 放大器. 92.1.5 位移传感器. 92.1.6 西门子 PLC.102.2 PLC 的 I/O 分配. 112.3 硬件连接图的绘制 12第 3 章 系统软件设计 133.1 系统开发133.1
10、.1 创建项目及站点133.1.2 配置硬件. 143.2 程序总流程153.3 模拟量的输入输出. 163.4 模拟量输入输出量程转换173.4.1 FC105/FC106 的调用.173.4.2 FC105/FC106 功能描述.183.5 电液比例位置系统 PID 控制策略研究. 203.5.1 PID 控制原理213.5.2 PID 模拟量闭环控制器的控制结构. 223.5.3 PID 数字量闭环控制结构.22河南科技大学毕业设计（论文）3.5.4 PLC 中 PID 控制器的实现23第 4 章 系统的调试与测试254.1 STEP7 的在线调试. 254.1.1 设置 PG/PC 口
11、254.1.2 下载与监视.264.2 PID 参数设置 274.3 PID 参数调节. 274.4 上位机控制界面28结论.30参考文献.31致谢.32附录.33河南科技大学毕业设计（论文）1前言电液比例技术是流体传动与控制技术中的一个新的分支。一般人们把使用比例控制元件（含比例控制阀、比例控制泵、及比例放大器）的液压系统称为电液比例控制系统。比例控制是实现元件和系统的被控制量与控制量之间线性关系的技术，依靠这一技术保证输出量的大小按照确定的比例随着输入量的变化而变化。电液比例控制技术是一门起步较晚，但发展极为迅速、应用已相当广泛的机电一体化综合技术，它涉及到流体力学、自动控制原理、微电子技
12、术、自动化技术和计算机技术等相关科学。比例液压控制技术的发展大致分为三个阶段。从 1967 年瑞士 Beringer 公司生产 KL 比例复合阀起， 到 70 年代初日本油研公司申请了压力和流量比例阀两项专利为止，是比例液压控制技术的诞生时期。这一阶段的比例阀仅仅是将比例型的电-机械转化器用于工业液压阀，以代替开关电磁铁获调节手柄。1975 年至 1980 年间可以认为是比例液压控制技术的发展进入了第二阶段。采用各种内反馈原理的比例元件大量问世耐高压比例电磁铁和比例放大器在技术上日趋成熟。80 年代比例技术的发展进入了第三阶段。比例元件的设计原理进一步完善，采用了压力、流量、位移内反馈和动压反
13、馈及电矫正手段，使阀的稳态精度、动态响应和稳定性都有了进一步的提高。现在比例阀已有些是把传感器、测量放大器、控制放大器和阀复合在一起的机电一体化元件，使得结构更加紧凑，性能进一步提高。电液比例控制技术可分为开环控制系统和闭环控制系统，但电液比例位置控制系统必须是闭环控制系统，能够根据指令准确快速定位，它是将传感器的反馈信号与给定信号比较，经控制器处理所得数据控制比例方向阀，进而实现位置控制。电液比例位置控制系统是一种非线性、时变性系统。其参数具有非线性特性，且随工况变化而变化，速度增益和液压固有频率都会发生变化；特别是阻尼比其变化范围可达20一30倍。从稳定性考虑，由于比例方向阀的变流量死区特
14、性，使得位置控制系统在通常情况下，只能采用死区欠补偿方式从而导致系统产生一定的稳态位置误差。在位置控制中存在一个影响系统调节特性河南科技大学毕业设计（论文）2的因素，即例方向阀存在较大的流量死区。实际工作时，阀芯仍要作较大的位移调节(越过死区)，这就使比例方向阀的流量响应(频宽)比阀芯位移响应(频宽)慢得多。特别是当工况发生较大变化使电液比例控制系统的参数相应发生较大变化时，会使系统的控制性能明显下降，甚至不自满足工程要求。这些特点使得运用在伺服位置系统中常用的线性化模型基础上的经典控制方法控制电液比例位置系统，不能获得满意的效果。根据上述电液比例控制系统的特点，国内外学者对此研究有许多报道。
15、其研究基本上从两方面入手，一是从电液比例位置控制系统结构的设计上，二是从控制策略上进行了一系列的研究工作，并对该技术应用前景进行讨论。电液比例位置控制系统在工业上有着十分广泛的应用。但是由于受系统油温和负载压力(或负载力)等工况的影响，系统的控制特性和参数往往发生改变，特别是在工况变化较大时，更难以保持预期的良好特性。因此提出各种控制方法以改善控制性能。提出的三种控制算法，即时域最佳校正PID控制、频域最佳校正PID控制和多目标最佳校正PID控制分别控制位景系统、回转速度控制系统和气体发生器。实验结果表明该三种算法大大地改进了系统的性能，并且具有良好的实时性。本文拟在有FESTO TP701电
16、液比例实验元器件的基础上，将可编程控制器(PLC)技术与比例液压控制技术相结合对实验系统进行研究开发。在原有的电液比例控制系统的基础上，以液压缸为最终控制对象，电控制单元改为西门子S7-300PLC控制，实现液压系统的位置控制。用PLC作为电控制单元，不仅可以充分利用PLC的开关功能， 也能实现电液比例控制系统的闭环控制，还可以编写PID控制算法软件程序，实现电液比例位置的闭环控制，在很大程度上改善系统性能，简化实验繁琐程度；本文以电液比例位置闭环控制作为重点研究对象。本论文的主要内容有:1分析比例液压系统各元件的特性及参数；2. 制定了液压比例位置控制系统软硬件总体设计方案；3. 阐述 PLC 的使用，并选择使用西门子 S7-300 进行实验，WINCC 实现人机界面，使用 STEP7 编程实现控制；4搭建液压比例位置控制系统试验平台。河南科技大学毕业设计（论文）3该控制系统的研究，可作为机械类本科学生机电液控制相关课程的实验教学平台，提高学生的综合设计和实践能力，实现电液比例位置闭环控制实验，也可推广应用于此相类似
