基于PLC和MATLAB的主副油路流量控制及喷雾角测量设计研究
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【摘要】PLC控制主油路流量，通过PID控制使其稳定，主副油路喷嘴喷雾角通过摄像头来观察角度，经过图像采集卡，通过matlab进行处理，得到实验所需要的标准，证明方法的可行性。
【关键词】PLC；PID流量控制；MatlaB；仿真
1.引言
随着工业信息化时代的不断发展，PLC控制在信息自动化领域中起到很大的作用，PLC对流量的控制技术运用越来越广泛，生产中始终占有相当的比例。matlaB在图像处理，数据建模，信号分析仿真中也有着得天独厚的优势，由于资金条件有限和本着研究开发的态度大多采用仿真来进行模仿。而对于喷雾角的角度测量，大多采用摄像对比的方式，而不经过matlaB图像处理，本文直接把得到喷嘴喷雾图像经行摄影，经过图像采集卡，通过matlaB进行处理，与不经过图像处理的喷雾图像进行对比，获得的效果更好，精度更高，更能满足经济效益的要求，本文主要介绍PLC选择，控制电路的设计，matlaB系统仿真实现分析，先通过电机链接变频器，在主油路上安装流量计，流量变送器传输到PLC，给定一个流量，此流量设定是可以任意变化的，在主油路喷嘴处设置压力表，观察喷油过程压力变化，达到参数标准。
2.PLC的选型及流量控制
2.1 PLC选型
系统的选型：PLC控制器一台，变频器两台，触摸屏显示器，泵两台。
根据系统的选型和控制的要求，PLC主要负责整个系统的温度，压力，流量调节。所需要的资源如下所示：
数字量输入点（DI）：PLC启动和停止，油泵1、2启动和停止，变频器1、2启停，共计：10点；数字量输出点（DO）：流量阀动作线圈，量杯处阀动作线圈，冷却转向阀，共计：6点；
模拟量输入点（AI）：压力信号：主副油路各1点，主副油路单件各1点，流量信号：主副油路各1点，单件各1点；温度信号：温控器处1点；共计：9点；模拟量输出点（AO）：变频器1、2共计：2点；综合上述：PLC需要控制的系统数字量输入输出点DI/DO为10/6.模拟量输入输出点AI/AO为9/2。
根据控制系统实际所需端子数目，考虑PLC端子数目要有一定的预留量，因此选用的S7-200型PLC的主模块为CPU224，由于还需要扩展模拟模块，选用三个外扩模块模拟模块EM235。
2.2 流量控制
本实验主要通过主副油路两个部分进行实验，试验使用的为航空煤油，实验条件为25°C左右，喷嘴为20个，主油路单独试验，单个喷嘴流量控制，20个喷嘴同时开启流量控制，然后对喷嘴喷出的油进行角度控制，喷洒角度控制在两度范围内。同理副油路也是如此控制进行单独试验，本实验由于主副油路同时进行试验，可能会存在流量的不稳定情况，而PLC的PID控制恰恰可以弥补这一点。
采用PID，具有以下优点：（1）增量算法控制误动作影响小。（2）增量算法控制易于实现手动/自动无扰动切换。（3）不产生积分失控，易获得较好的调节品质。[1]
图1 油流量系统控制原理图
流量控制系统通过安装在管道的流量变送器实施测量油的流量，并将其转化为4-20mA的电信号，然后通过PLC的A/D转化模块读取测量值并与设定值进行对比，偏差值进行PID运算，在将运算后的数字量转化为模拟量作为变频器的输入信号，控制变频器的输出频率，从而控制油泵电机的转速。
3.PID流量控制
3.1 PID控制的原理
PID控制器是用输出y（t）和给定r（t）之间的误差的时间函数e（t）=r（t）-y（t）的比例，积分，微分的线性表示，构成控制量u（t），称为比例（Proportional）积分（Integrating）微分（Differentiation）控制，简称PID控制[2]。在实际的应用中，可据受控对象特性和控制要求，灵活地采用不同的线性控制组合，构成比例（P）控制器：
（1）
比例十积分（PI）控制器：
（2）
比例十积分十微分（PID）控制器：
（3）
式中——比例放大系数；TI——积分时间；——微分时间。
3.2 PID控制的作用
比例环节能迅速反应误差，从而减小稳态误差但不能消除稳态误差。比例放大环节系数的加大，会引起系统的不稳定。
积分环节的作用是，只要有足够的时间，积分控制将能完全消除误差，使系统误差为零，从而消除稳态误差。积分作用太强会使系统超调加大，使系统出现振荡。
微分控制可减小超调量，克服振荡，提高系统的稳定性，同时使系统的反应速度加快，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。
应用PID控制，必须适当地调整比例放大系数KP，积分时间TI和微分时间TD，这样使系统达到稳定状态。
3.3 PID控制的流程
PID流量控制有一下流程：
（1）主程序调用模块，如图2。
图2 主程序调用
（2）主程序调用子程序1：
图3 子程序1调用
（3）中断程序：
图4 中断程序调用
4.Matlab图像处理
到目前为止，国内还没有可以测喷雾角度的传感器，所以我们选择通过摄像头来观察角度，光照形式，通过图像采集卡，经过matlaB图像处理，观察并得到喷雾角度。
图5 光照喷嘴处得到的喷嘴喷雾图像
喷嘴喷雾图像通过二值化得到下面的图像：
图6 喷嘴喷雾图像经过二值化得到的图形
4.2 图像边缘检测及边界提取
通过得到的二值图像对其进行边缘检测，看哪种效果更好，从中选出效果最好的，进行边界提取[3]，然后对左右边界直线做回归分析[4]。以下是matlab处理的六种算子进行边缘检测得到的图像。
经过比较可以看出高斯滤波后Canny算子边缘检测效果要好些。经过提取数据获得两条直线。
4.3 喷嘴喷雾角的计算
由于噪声和模糊的存在，对于测量喷雾角，就是把所得两条边界线，取靠近喷嘴处的点30到60不等，然后进行数据拟合，得到两条拟合曲线斜率，程序如下：
polyfit（x1，y1，1）
ans=
0.9287-147.4465
polyfit（x，y，1）
ans=
-0.9821 165.6263
其中=0.9278，=-0.9821；
通过公式即可以得到喷雾角的喷雾角度。用matlaB程序编程如下：
a=0.9278；b=-0.9821；
theta=atan（abs（（a-b）/（1+a*b）））；
alfa=theta*（180/pi）
其中alfa即为所求的喷雾角角度，符合设计要求。
5.结论
本文设计主要体现PLC的PID控制，使得流量稳定的输出，并达到给定指标，通过摄像头拍摄照片使得增强了实验效果，提高了实验精度，与传统的人为眼睛观察测量误差更小，更符合实验要求，matlaB的强大图像处理功能以及运算得出喷雾角度，MATLAB编程简单易懂[5]，通过分析数据处理数据，达到了系统所满足要求。
参考文献
[1]徐国林.PLC应用技术[M].北京：机械工业出版社，2007.
[2]胡学林.可编程控制器原理及应用[M].北京：电子工业出版社，2007.
[3]邓巍，丁为民，柳平增等.基于MATLAB的雾化图像处理及雾化角的测定[J].西北农林科技大学学报（自然科学版），2006，34（7）.
[4]刘巍然，葛宝臻，张晓辉等.工业喷嘴喷雾角角度测量系统的研究[J].中国粉体技术，2001，7（4）.
[5]房建峰，葛述卿，姚永玉.基于MATLAB的燃油喷雾图像处理方法[J].拖拉机与农用运输车，2008，35（4）.
作者简介：
杨升（1987—），湖北广水人，中北大学硕士研究生在读，研究方向：智能传感与工业系统控制。
姚竹亭（1967—），山西太原人，博士后，中北大学教授，研究方向：多元信息融合与智能信息处理，机械系统故障诊断。