1.引言

隨著工業(yè)信息化時代的不斷發(fā)展，PLC控制在信息自動化領(lǐng)域中起到很大的作用，PLC對流量的控制技術(shù)運用越來越廣泛，生產(chǎn)中始終占有相當?shù)谋壤?。matlaB在圖像處理，數(shù)據(jù)建模，信號分析仿真中也有著得天獨厚的優(yōu)勢，由于資金條件有限和本著研究開發(fā)的態(tài)度大多采用仿真來進行模仿。而對于噴霧角的角度測量，大多采用攝像對比的方式，而不經(jīng)過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)過圖像采集卡，通過matlaB進行處理，與不經(jīng)過圖像處理的噴霧圖像進行對比，獲得的效果更好，精度更高，更能滿足經(jīng)濟效益的要求，本文主要介紹PLC選擇，控制電路的設(shè)計，matlaB系統(tǒng)仿真實現(xiàn)分析，先通過電機鏈接變頻器，在主油路上安裝流量計，流量變送器傳輸?shù)絇LC,給定一個流量，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，觀察噴油過程壓力變化，達到參數(shù)標準。

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，變頻器兩臺，觸摸屏顯示器，泵兩臺。

根據(jù)系統(tǒng)的選型和控制的要求，PLC主要負責整個系統(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(DI)：PLC啟動和停止，油泵1、2啟動和停止，變頻器1、2啟停，共計：10點;數(shù)字量輸出點(DO)：流量閥動作線圈，量杯處閥動作線圈，冷卻轉(zhuǎn)向閥，共計：6點;模擬量輸入點(AI)：壓力信號：主副油路各1點，主副油路單件各1點，流量信號：

主副油路各1點，單件各1點;溫度信號：

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

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

根據(jù)控制系統(tǒng)實際所需端子數(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,由于還需要擴展模擬模塊，選用三個外擴模塊模擬模塊EM235.

2.2 流量控制

本實驗主要通過主副油路兩個部分進行實驗，試驗使用的為航空煤油，實驗條件為25°C左右，噴嘴為20個，主油路單獨試驗，單個噴嘴流量控制，20個噴嘴同時開啟流量控制，然后對噴嘴噴出的油進行角度控制，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行單獨試驗，本實驗由于主副油路同時進行試驗，可能會存在流量的不穩(wěn)定情況，而PLC的PID控制恰恰可以彌補這一點。

采用PID,具有以下優(yōu)點：(1)增量算法控制誤動作影響小。(2)增量算法控制易于實現(xiàn)手動/自動無擾動切換。(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)通過安裝在管道的流量變送器實施測量油的流量，并將其轉(zhuǎn)化為4-20mA的電信號，然后通過PLC的A/D轉(zhuǎn)化模塊讀取測量值并與設(shè)定值進行對比，偏差值進行PID運算，在將運算后的數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬量作為變頻器的輸入信號，控制變頻器的輸出頻率，從而控制油泵電機的轉(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)，稱為比例(Proportional)積分(Integrating)微分(Differentiation)控制，簡稱PID控制。在實際的應(yīng)用中，可據(jù)受控對象特性和控制要求，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--積分時間; D T --微分時間。

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。積分作用太強會使系統(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，同時使系統(tǒng)的反應(yīng)速度加快，減小調(diào)整時間，從而改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。

應(yīng)用PID控制，必須適當?shù)卣{(diào)整比例放大系數(shù)KP,積分時間TI和微分時間TD,這樣使系統(tǒng)達到穩(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 噴霧角度測量方案確定

到目前為止，國內(nèi)還沒有可以測噴霧角度的傳感器，所以我們選擇通過攝像頭來觀察角度，光照形式，通過圖像采集卡，經(jīng)過matlaB圖像處理，觀察并得到噴霧角度。

噴嘴噴霧圖像通過二值化得到下面的圖像：

4.2 圖像邊緣檢測及邊界提取

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

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

4.3 噴嘴噴霧角的計算

由于噪聲和模糊的存在，對于測量噴霧角，就是把所得兩條邊界線，取靠近噴嘴處的點30到60不等，然后進行數(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)計要求。

5.結(jié)論

本文設(shè)計主要體現(xiàn)PLC的PID控制，使得流量穩(wěn)定的輸出，并達到給定指標，通過攝像頭拍攝照片使得增強了實驗效果，提高了實驗精度，與傳統(tǒng)的人為眼睛觀察測量誤差更小，更符合實驗要求，matlaB的強大圖像處理功能以及運算得出噴霧角度，MATLAB編程簡單易懂，通過分析數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)，達到了系統(tǒng)所滿足要求。