【正文】 析的方法制備結(jié)晶果糖，意在解決果糖結(jié)晶工藝中存在的產(chǎn)率低、產(chǎn)品質(zhì)量差等問題，得到一條較優(yōu)的果糖冷卻結(jié)晶工藝。本論文的研究內(nèi)容包括：，說明了果糖的研究的內(nèi)容、目的以及研究意義。，深入研究自動(dòng)控制系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)對控制系統(tǒng)的影響，熟悉實(shí)驗(yàn)控制過程。天津工程師范學(xué)院 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 3——溶析結(jié)晶工藝。 與監(jiān)控組態(tài)軟件 WinCC 的連接設(shè)計(jì)天津工程師范學(xué)院 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 42 果糖結(jié)晶自動(dòng)控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)結(jié)晶自動(dòng)控制系統(tǒng)控制框圖如下圖 21 所示：其中 A/D 轉(zhuǎn)換、PID 調(diào)節(jié)、D/A 轉(zhuǎn)換等運(yùn)算都是在 PLC 內(nèi)部執(zhí)行，同時(shí)為上位機(jī)提供可用的數(shù)據(jù)，用以顯示。上位機(jī)也可對相應(yīng)的地址進(jìn)行賦值，來設(shè)定相關(guān)參數(shù)。圖 21 結(jié)晶自動(dòng)控制系統(tǒng)圖本系統(tǒng)的輸入信號(hào)為循環(huán)水的溫度，且溫度按照經(jīng)驗(yàn)曲線（圖 22 所示）控制系統(tǒng)的溫度，以此來控制結(jié)晶罐的溫度。圖 22 溫度經(jīng)驗(yàn)曲線天津工程師范學(xué)院 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 PID 算法S7200 CPU 提供 PID 回路指令（比例、積分、微分回路） ，執(zhí)行 PID 計(jì)算。PID 回路操作取決于存儲(chǔ)在 36 個(gè)字節(jié)回路表中的 9 個(gè)參數(shù)。 PID 算法在穩(wěn)定狀態(tài)操作中，PID 控制器管理輸出數(shù)值，以便將偏差 e 驅(qū)動(dòng)為零。偏差測量由設(shè)定值（所需的操作點(diǎn)）和進(jìn)程變量（實(shí)際操作點(diǎn)）之間的差別決定（即） 。PID 控制原則基于以下公式(21)，其中將輸出 M(t)表示為比例項(xiàng)、pvse??積分項(xiàng)和微分項(xiàng)的函數(shù)： (21)dtedtet Dintalc **)(0I ????????其中： 作為時(shí)間函數(shù)的回路輸出；)(t比例增益；c 回路偏差（設(shè)定值和進(jìn)程變量之間的差別） ；e為積分項(xiàng)增益；IK為微分項(xiàng)增益；D回路輸出的初始值。intal? PID 算法為了在數(shù)字計(jì)算機(jī)中運(yùn)行該控制函數(shù)，必須將連續(xù)函數(shù)量化為偏差值的定期樣本，并隨后計(jì)算輸出。數(shù)字計(jì)算機(jī)運(yùn)算以下列相應(yīng)的公式（22）為基礎(chǔ)： (22))(**11 ????????ndintalni ee式中： 為第 n 個(gè)采樣時(shí)刻計(jì)算出來的回路輸出值；?為第 n 個(gè)采樣時(shí)刻的采樣偏差；e為第 n1 個(gè)采樣時(shí)刻的采樣偏差；1?為回路增益；c?為積分項(xiàng)系數(shù)；i為微分項(xiàng)系數(shù)；d為回路輸出的初始值。intal?天津工程師范學(xué)院 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 6在 PLC 中，實(shí)際使用公式（22）的改進(jìn)公式（23） )(*/)(*/)(* 1nsdis PVXPVSPVS ????????????（23）式中： 為采樣時(shí)間，單位為秒；s? 為積分時(shí)間，單位為分鐘；i 為微分時(shí)間，單位為分鐘；d 為第 n 個(gè)采樣時(shí)刻的進(jìn)程變量；PV 為第 n1 個(gè)采樣時(shí)刻的進(jìn)程變量；1? 為第 n 個(gè)采樣時(shí)刻的設(shè)定值。S PID回路表在 PID 指令框中輸入的表格（TBL）起始地址為首地址，回路表分配八十個(gè)字節(jié)。S7200 的 PID 指令引用一個(gè)包含回路參數(shù)的回路表，此表起初的長度為 36 個(gè)字節(jié)。在增加了 PID 自動(dòng)調(diào)諧后，回路表現(xiàn)已擴(kuò)展到 80 個(gè)字節(jié)，PID 回路表如表21 所 2 示。表 21 PID 回路表偏移量域 格式 類型 說明0 nV?雙字實(shí)數(shù)輸入 進(jìn)程變量，必須在 至 范圍內(nèi)。4 SP雙字實(shí)數(shù)輸入 設(shè)定值，必須在 至 范圍內(nèi)。8 nM雙字實(shí)數(shù)輸入/輸出計(jì)算輸出，在 至 范圍內(nèi)。12 c?雙字實(shí)數(shù)輸入 增益（比例系數(shù)）可為正數(shù)或負(fù)數(shù)。16 sT雙字實(shí)數(shù)輸入 采樣時(shí)間，單位為秒，必須為正數(shù)。20 i雙字實(shí)數(shù)輸入 積分時(shí)間，單位為分鐘，必須為正數(shù)。24 d雙字實(shí)數(shù)輸入 微分時(shí)間，單位為分鐘，必須為正數(shù)。28 X雙字實(shí)數(shù)輸入/輸出積分和數(shù)值，在 和 之間。32 1?nPV雙字實(shí)數(shù)輸入/輸出進(jìn)程上次數(shù)值。 PID主程序各模塊介紹 程序流程圖，如下圖 23 所示。根據(jù)流程圖所示，整個(gè) PID 程序分為主程序（main） 、參數(shù)初始化子程序（SBR_1） 、實(shí)驗(yàn)子程序（ SBR_2） 、輸入模擬量的數(shù)值轉(zhuǎn)換子程序（SCALE） 、輸出天津工程師范學(xué)院 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 7模擬量的數(shù)值轉(zhuǎn)換子程序（UNSCALE）和定時(shí)中斷子程序（INT_0）等六大部分。下面我來作逐一的介紹。圖 23 PID 程序流程圖（1）主程序（main）主程序完成兩項(xiàng)任務(wù)：一個(gè)是調(diào)用參數(shù)初始化子程序（SBR_1） ，在 PLC 運(yùn)行的第一個(gè)掃描周期，完成 PID 參數(shù)初始化；另一個(gè)是不斷調(diào)用實(shí)驗(yàn)子程序（SBR_2） ，來執(zhí)行不同的實(shí)驗(yàn)算法。（2）參數(shù)初始化子程序（SBR_1）參數(shù)初始化子程序是初始化 PID 參數(shù)，同時(shí)使能定時(shí)中斷 0，設(shè)置定時(shí)中斷時(shí)間為 100ms，將定時(shí)中斷事件與 INT_0 子程序關(guān)聯(lián)。（3）實(shí)驗(yàn)子程序（SBR_2）該部分是根據(jù)實(shí)驗(yàn)選擇變量的值決定執(zhí)行的算法，讀取測量值，刷新輸出緩沖區(qū)，等待定時(shí)中斷的發(fā)生。（4）輸入模擬量的數(shù)值轉(zhuǎn)換子程序（SCALE）用 EM235 測量的模擬值，在 PLC 中的范圍為 0～32022，而 PLC 中的 PID 回路表 PV 值的范圍為 0～1 的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值，所以要利用 PID 指令，必須將工程實(shí)際值標(biāo)準(zhǔn)化。轉(zhuǎn)換公式為： （24）OfsetSRpanrwnorm??/兩回路 P I D 參數(shù)初始化 ， 使能定時(shí)中斷時(shí)間 ， 并初始化判斷選擇那個(gè)實(shí)驗(yàn)執(zhí)行對應(yīng)程序 ， 讀取測量值 ， 刷新輸出緩沖區(qū) ， 等待定時(shí)中斷定時(shí)中斷發(fā)生了嗎 ？否是執(zhí)行中斷子程序完成數(shù)值轉(zhuǎn)換 ， 刷新上一次計(jì)算輸出執(zhí)行本次運(yùn)算判斷手動(dòng) / 自動(dòng)方式手動(dòng)不執(zhí)行 P I D 指令 ，輸出通過鍵盤輸入執(zhí)行 P I D 指令 ， 運(yùn)算結(jié)果更新輸出緩沖區(qū)自動(dòng)返回主程序天津工程師范學(xué)院 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 8式中： 為工程實(shí)際值的標(biāo)準(zhǔn)化值；normR 為工程實(shí)際值的實(shí)數(shù)值；aw 為最大允許值減去最小允許值，在本文中 EM235 測量 4～20mA 的電流，pnS通過 500 歐電阻轉(zhuǎn)化為 2～10V 單極性電壓，所以 =320226400=25600；panSOffset 為偏移量。（5）輸出模擬量的數(shù)值轉(zhuǎn)換子程序（UNSCALE）在對模擬量進(jìn)行 PID 運(yùn)算后，對輸出的控制作用是在[0～1]范圍的標(biāo)準(zhǔn)化值，為能夠驅(qū)動(dòng)實(shí)際的驅(qū)動(dòng)裝置，必須將其轉(zhuǎn)換成工程實(shí)際值。轉(zhuǎn)換公式為： （25）pannscal SOfsetMR*)(??式中： 為按工程量標(biāo)定的過程變量的實(shí)數(shù)格式；scal 為過程變量的標(biāo)準(zhǔn)化值；n 為最大允許值減去最小允許值，本文中 =320226400=25600；paS panS Offset 為偏移量，取 。（6）定時(shí)中斷子程序（INT_0）完成輸入/輸出模擬量的數(shù)值轉(zhuǎn)換，更新輸入/輸出，根據(jù)手自動(dòng)控制位，決定執(zhí)行方式，發(fā)起新一次的 PID 計(jì)算，并保持手動(dòng)/自動(dòng)無擾切換。以上具體程序代碼請見附錄。 的 PID 程序見附錄 1 PID工程整定方法在外界干擾或設(shè)定的作用下，自控系統(tǒng)出現(xiàn)一種既不衰減也不發(fā)散的等幅振蕩的過程，叫做臨界狀態(tài)。臨界比例度法亦稱等幅振蕩比例度法，其特點(diǎn)是不需要求得控制對象的特性，直接在閉合的控制系統(tǒng)中進(jìn)行整定。當(dāng)系統(tǒng)投運(yùn)以后，在純比例調(diào)節(jié)作用下，從大到小逐漸改變調(diào)節(jié)器的比例度，得到臨界振蕩過程即等幅振蕩。把臨界振蕩時(shí)的比例度 和從圖上讀出的臨界過程的周期 ，代入表 32 所推薦的k?k?經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算出調(diào)節(jié)器各個(gè)參數(shù)整定值，最后經(jīng)過實(shí)際調(diào)整稍做修改就可得到較好的參數(shù)。步驟：1）在系統(tǒng)閉環(huán)的情況下，將調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間置最大，微分時(shí)間置零，比例度天津工程師范學(xué)院 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 9一般為 100%。2）在干擾作用下，逐步將調(diào)節(jié)器比例度減小，每次改變比例度，都要通過改變設(shè)定值來施加 10%的階躍干擾，細(xì)心觀察被控變量的變化情況。如果過渡過程是衰減的，則應(yīng)把比例度減小，如果過渡過程是發(fā)散的，則應(yīng)把比例度放大，直到出現(xiàn)4～5 次等幅振蕩為止。表 22 臨界比例度法整定調(diào)節(jié)器參數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式 調(diào)節(jié)器參數(shù)調(diào)節(jié)規(guī)律 /%k?Ti/min Td/minP 2 kPI ? k?PID k3）讀出 和 ，根據(jù)表 22 的經(jīng)驗(yàn)公式求出調(diào)節(jié)器的 、 、 。k???i?d4）求出各參數(shù)的具體數(shù)值后，先把比例度放在比計(jì)算值稍大一些（約 20%）的數(shù)值上，再依次加上積分時(shí)間和微分時(shí)間，最后在把比例度放回原值即可。給系統(tǒng)一個(gè) 10%的階躍信號(hào)，細(xì)心觀察過渡過程，最后再根據(jù)此過程曲線加以修正，直到過渡過程達(dá)到滿意為止。比例度法的局限性：生產(chǎn)過程有時(shí)不允許出現(xiàn)等幅振蕩，或者無法產(chǎn)生正常操作范圍內(nèi)的等幅振蕩，不能利用此法整定。衰減曲線法是在總結(jié)臨界比例度法和其它一些方法的基礎(chǔ)上，經(jīng)過反復(fù)實(shí)踐提出來的，其特點(diǎn)是：直接閉合系統(tǒng)在純比例作用下，以 4：1 或 10：1 的衰減曲線作為整定目的，而直接求得調(diào)節(jié)器比例度。具體步驟： 1）在系統(tǒng)閉環(huán)情況下，將積分時(shí)間置最大，微分時(shí)間置零，比例度一般取 100%。2）逐漸減小比例度，并且每改變一次比例度，通過改變設(shè)定值給系統(tǒng)施加一個(gè)階躍干擾，如果衰減比大于 4：1，比例度減?。环粗?，則增大比例度。3）當(dāng)采用 4：1 衰減比時(shí)，讀取振蕩周期時(shí)間 和比例度 ，按表 33 計(jì)算參數(shù)。s?s?4）當(dāng)采用 10：1 衰減比時(shí)，讀取上升時(shí)間 和比例度 ，按表 34 計(jì)算參數(shù)。39。39。5）將比例度放在比計(jì)算值大 20%的數(shù)值上，加上積分時(shí)間、微分時(shí)間，再加一次階躍干擾，根據(jù)曲線，調(diào)整參數(shù)。天津工程師范學(xué)院 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 10注意事項(xiàng)：對于快速反應(yīng)的系統(tǒng)，想得到理想的 4：1 曲線很困難，工程上常以被控變量波動(dòng)兩次而穩(wěn)定，近似認(rèn)為是 4：1 衰減過程。表 23 4：1 衰減曲線法參數(shù)計(jì)算 調(diào)節(jié)器參數(shù)調(diào)節(jié)規(guī)律 /%k?Ti/min Td/minP sPI s?PID s? s表 24 10：1 衰減曲線法參數(shù)計(jì)算 調(diào)節(jié)器參數(shù)調(diào)節(jié)規(guī)律 /%k?Ti/min Td/minP 39。sPI 39。s2 39。s?PID 39。s? 39。 39。s響應(yīng)曲線法是從對象特性入手，作對象的階躍響應(yīng)曲線，求出時(shí)間常數(shù)、滯后時(shí)間，靜態(tài)放大倍數(shù)，然后在根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式求出調(diào)節(jié)器的最佳參數(shù)組合比。其 PID參數(shù)整定步驟：1）在手動(dòng)狀態(tài)下，改變控制器輸出（通常采用階躍變化） ，記錄被控變量響應(yīng)曲線；2）在響應(yīng)曲線的拐點(diǎn)處作切線，通過切線與初始值和新穩(wěn)態(tài)值的交點(diǎn)，可以測得廣義對象的時(shí)間常數(shù) 和純滯后時(shí)間 ；p??3）根據(jù)控制器類型與對象模型，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)表（35）選擇 PID 參數(shù)并投入閉環(huán)運(yùn)行，在運(yùn)行過程中，可對增益作調(diào)整。天津工程師范學(xué)院 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 11表 25 響應(yīng)曲線法參數(shù)整定表控制規(guī)律 c?（秒）i?（秒）d???p?/? ?D? p2 ? 1PID參數(shù)設(shè)置的監(jiān)控界面臥式結(jié)晶罐 1PID 參數(shù)設(shè)置的監(jiān)控界面如圖 24 所示：圖 24 臥式結(jié)晶罐 1PID 參數(shù)設(shè)置的監(jiān)控界面 果糖結(jié)晶自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)它的電阻—溫度關(guān)系的線性度非常好，在200～650℃溫度范圍內(nèi)線性度已經(jīng)非常接近直線。鉑電阻阻值與溫度的關(guān)系可以近似用下式表示：在 0～650℃范圍內(nèi)：Rt =R0 (1+At+Bt2)在190～0℃范圍內(nèi)：Rt =R0 (1+At+Bt2+C(t100)t3)式中 A、B、C 為常數(shù)，A=103；B=107；C=1012；Rt 為溫度為 t 時(shí)的電阻值； R0 為溫度為 0℃時(shí)的電阻值，以 Pt100 為例，這種型號(hào)的鉑熱電阻，R0 就等于 100Ω，即環(huán)境溫度等于 0 度的時(shí)候，Pt100 的阻值就是 100Ω。當(dāng)溫度變化的時(shí)候，Pt100 的電阻也隨之變化，通過以上電阻溫度表天津工程師范學(xué)院 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 12達(dá)式便可以計(jì)算出相對應(yīng)的溫度。 Pt100 測溫原理Pt100 是電阻式溫度傳感器，測溫的本質(zhì)其實(shí)是測量傳感器的電阻，通常是將電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流等模擬信號(hào)，再將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再由處理器換算出相應(yīng)溫度。采用 Pt100 測量溫度一般有兩種方案： Pt100 熱電阻，通過檢測 Pt100 上電壓的變化來換算出溫度；，電橋的四個(gè)電阻中三個(gè)是恒定的，另一個(gè)用 Pt100 熱電阻，當(dāng) Pt100 電阻值變化時(shí)，測試端產(chǎn)生一個(gè)電勢差，由此電勢差換算出溫度。兩種方