【正文】 ，基于語句表編程的溫度控制程序設計 17 曲線小幅度穿越抵消了系統(tǒng)慣性，在本次 PI 規(guī)律調(diào)節(jié)下第二溫變拐點處體現(xiàn)尤為明顯。 控制結(jié)果如圖 22 所示。同理于 PI 調(diào)節(jié)規(guī)律，但是由于微分作用的加入，抑制了被控量的變化，在第一溫變拐點有一小段滯后時間 60s 左右。系統(tǒng)超調(diào)量小于 ℃ ，穩(wěn)態(tài)誤差小于 ℃ ，調(diào)節(jié)時間為 9min 左右。 本章總結(jié) 為克服了傳統(tǒng) PID 控制器在定值控溫過程中因系統(tǒng)慣性和積分飽和而出現(xiàn)的超調(diào)基于語句表編程的溫度控制程序設計 19 現(xiàn)象和調(diào) 節(jié)時間較長現(xiàn)象，在程序控溫中因系統(tǒng)慣性而出現(xiàn)的不能與設定曲線良好擬合的現(xiàn)象，對傳統(tǒng)的 PID 控制進行了改進，并得到了如圖 22 的良好控制效果，其改進如下： （ 1）應用控制帶（ CONZNE） 在定值控溫 PID 運算中，由于開始階段當前值和設定值相差較大，偏差ev(n)=sp(n)pv(n) 為正值且數(shù)值較大。 ts p ( n )e v ( n ) 0 時 積 分 面 積e v ( n ) 0 時 積 分 面 積 圖 24 定值控溫積分量累積 為了解決引入積分作用所帶來的問題，引入控制帶，控制帶是一種遇限消弱積分項的 PID 控制，對消除系統(tǒng)超調(diào)和縮短調(diào)節(jié)時間非常有效 [12]。如果控制帶范圍太小，則可調(diào)節(jié)變量和過程變量可能會發(fā)生振蕩。如果最大或最小可調(diào)節(jié)變量輸出遠沒有達到新工作點所要求的可調(diào)節(jié)變量，則控制帶會導致在不過調(diào)或欠調(diào)的情況下，使調(diào)節(jié)盡快穩(wěn)定。 0ev 值太小，是調(diào)節(jié)過于頻繁，達不到穩(wěn)定被調(diào)節(jié)對象的目的；如果 0ev 取的太大，則系統(tǒng)將產(chǎn)生很大的滯后。 （ 3） 變參數(shù)的鈍角拐點 PID 控制 如圖 27 所示為程序控溫拐點圖。另一方面由于定值控溫過程和程序控溫過程的系統(tǒng)達到穩(wěn)定時，熱絲輸出的率完全不同，使系統(tǒng)慣性不同，為保證控制精確，所以在 PID 控制中相應的比例參數(shù) PK 、積分參數(shù) IT 、微分參數(shù) DT 也應隨之相應變動。采用語句表編程，大大提高了編程效率，和梯形圖編程相比，源程序短，程序執(zhí)行效率高。 （ 3）加入控制帶和輸出死區(qū)輔助算法的定值控溫 PID 調(diào)節(jié)規(guī)律，以及加入變參數(shù)的拐點控制的程序控溫 PID 調(diào)節(jié)規(guī)律。 JCN _001 L MD 4 T MD 68 JC _002 _001: L MD 72 T MD 68 _002: L MW 104 //計數(shù) 100 次， 5s。 現(xiàn)代控制理論中，在經(jīng)典 PID 控制理論的基礎(chǔ)上衍生的控制理論層出不窮，但若要在生產(chǎn)實踐中選取理想的控制算法，就必須通過工程實踐進行反復地調(diào)整和修改，根據(jù)工程經(jīng)驗直接在控制系統(tǒng)中進行篩選組合出適合實際的控制規(guī)律，使系統(tǒng)達到優(yōu)化的運行狀態(tài)，雖然本項目的改進的 PID 取得了很好的控制效果，但在實際運行在各溫度段的PID 參數(shù)在參數(shù)是在調(diào)試中獲取，并針對各型號的產(chǎn)品規(guī)格在上位機中以配方的形式給定，如此則使得前期的調(diào)試頗為繁瑣，因 而，在參量自整定的智能化設計方面還有待與進一步探索與實踐。 （ 2）在 WinCC 進行了變量組和 IO 域組態(tài)，設計了鍋爐溫度的監(jiān)控畫面。 綜上所述圖 1 1 21 為傳統(tǒng) PID 控制下的運行結(jié)果圖，圖 22 為改進后的PID 的控制結(jié)果圖，從各種調(diào)節(jié)規(guī)律的監(jiān)控曲線可知，得到 加入控制帶和輸出死區(qū)輔助算法的定值控溫 PID 調(diào)節(jié)規(guī)律和加入變參數(shù)的拐點控制的程序控溫 PID 調(diào)節(jié)規(guī)律，這兩種改進的 PID 控制規(guī)律，有效地克服了傳統(tǒng) PID 控制器在溫控過程中因溫控慣性和積分飽和而出現(xiàn)的滯后與超調(diào)現(xiàn)象并使系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間變短，系統(tǒng)完全依靠溫控工藝曲線運行，采用程序控溫 PID 調(diào)節(jié)規(guī)律的穿越幅度小于 ℃ ，在溫變點處實現(xiàn)了即無超調(diào)又無欠溫的鈍角拐點的控制效果。在第二溫變拐點 C 提前一基于語句表編程的溫度控制程序設計 21 定時間 (在 F 點的時間 )消弱調(diào)節(jié) 器的積分項輸出來抵消系統(tǒng)的慣性。區(qū)別于 FB41“CONT_C”中 的死區(qū)寬度DEADB_W，當偏差進入死區(qū)后，調(diào)節(jié)器仍在進行運算，當系統(tǒng)再次運行到死區(qū)外時，使輸出能快速響應偏差。當誤差的絕對值超過設定值 0ev 時，開始正常的 PID 控制。這意味著，只有在激活了微分作用時控制帶才有用。當 偏差值 |ev(n)|≤ ε 時，采用正常的 PID 控制來實現(xiàn)系統(tǒng)的精度控制， ε 是一個可調(diào)參數(shù)， ε 大小要大于控制系統(tǒng)最大慣量，其值可以根據(jù)實際現(xiàn)場控制對象特點，根據(jù)調(diào)試效果而確定，本控制系統(tǒng)中 ε=℃ 。當產(chǎn)生超調(diào)后偏差 ev(n)變?yōu)樨撝担撈畹睦鄯e量相對較小，與正 偏差累積量抵消后差值仍較大，致使積分分量在輸出值中所占分量較大。 （ 2） 程序控溫 比例作用 P=50，積分作用 I=120，微分作用 D=10，穿越幅度小于 ℃ 。 改進的 PID 調(diào)節(jié)控制規(guī)律 改進后的 PID 調(diào)節(jié)規(guī)律的控制效果如圖 23 所示。 （ 2） 程序控溫 比例作用 P=108，積分作用 I=380，微分作用 D=8，剛開始系統(tǒng)的穿越幅度為 ℃ ，接下來穿越幅度逐漸減小，但最后卻達到 ℃ 。第二溫變拐點的控制存在偶然性。 （ 2）程序控溫 比例作用 P=105，積分作用 I=350，開始時系統(tǒng)的穿越幅度為 ℃ ，緊接著 系統(tǒng)穿越幅度減小，但隨后最大穿越幅度卻達到 ℃ 。 但程序控溫超調(diào)量存在偶然性。 （ 1） 定值溫控 比例作用 P=12，微分作用 D=7，系統(tǒng)的超調(diào)小于 ℃ ，穩(wěn)態(tài)誤差 ℃ ，調(diào)節(jié)時間 10min 左右。 （ 2）程序溫控 比例作用 P=115，系統(tǒng)的最大穿越幅度 ℃ ，超調(diào)量小于 ℃ ，穩(wěn)態(tài)誤差小于℃ 。溫度對象的傳遞函數(shù)模型為 (s) ?? (12) 表 4 對不同繼電器開度下測得曲線參數(shù)表 繼電器輸出開度 升溫范圍 滯后時間 溫度曲線斜率 Ti 40% ~℃ 76s 60% ~ ℃ 66s 80% ~℃ 58s 100% ~℃ 54s 40%開度 60%開度 80%開度 100%開度 基于語句表編程的溫度控制程序設計 15 溫度 控制規(guī)律的測試 隨著工業(yè)的發(fā)展，在某些熱處理工業(yè)要求中，需要 溫度控制過程對升溫斜率有要求，即按照一定的恒溫、升溫、恒溫的曲線控制溫度，即程序控 溫過程。輸入量為鍋爐吸收的熱量，輸出量為鍋爐內(nèi)水的溫度，即基于語句表編程的溫度控制程序設計 14 測量溫度與鍋爐吸收熱量的關(guān)系，觀察對應于不同的脈沖占空比對應溫度曲線的斜率。如圖 16 為 暖啟動 OB100 的初始化程序流程圖，主要復位各個開關(guān)和輸出。 程 序控 溫程 序 結(jié) 束開 始執(zhí) 行 主 程 序O B 1T t m 1T t m 2調(diào) 用 F C 1 0 5置 位 拐 點控 制 M 2 . 3調(diào) 用 F B 1溫 變 點 賦時 刻 值運 行 時 間 轉(zhuǎn) 變?yōu)?m s 單 位 T復 位 拐 點控 制 M 2 . 3置 位 拐 點控 制 M 2 . 4置 位 拐 點控 制 M 2 . 4是是是是否否否否 圖 14 主程序 OB1 流程圖 基于語句表編程的溫度控制程序設計 12 中斷服務程序 OB35 的編寫 在通過脈寬調(diào)制來控制執(zhí)行機構(gòu)的通斷時，需要通過 中斷組織塊 OB35 周期性中斷過程來實現(xiàn) PID 算法模塊和 PWM 算法模塊的時序配合 [9]。 執(zhí) 行 F B 1計 算 當 前時 間 t m xt m x t m 1 ？是裝 載 系統(tǒng) 時 鐘調(diào) 用 F C 1 ， 對 A B 段進 行 線 性 計 算否程 序 結(jié) 束t m x t m 2 ？否T m x t m 3 ？否是是調(diào) 用 F C 1 ， 對 B C 段進 行 線 性 計 算調(diào) 用 F C 1 ， 對 C D 段進 行 線 性 計 算 執(zhí)行FC1裝在運行時間程序結(jié)束裝在設定點坐標112112 Ttt)t) ( tT(TTmmmm ???執(zhí)行計算：結(jié)束時間觸發(fā)X 圖 12 程序控溫算法流程 圖 如圖 13 所示為語句表下調(diào)用的程序控溫算法功能塊 FB1 和功能 FC1， FB1 輸入?yún)?shù)包括 START、 tm tm tm T T T T4，分別表示啟動該塊、各段的運行基于語句表編程的溫度控制程序設計 11 時間（以 ms 為時間單位）和溫度設定點（浮點格式）。系統(tǒng)功能 SFC1(READ_CLK)可以讀出 CPU 的系統(tǒng)時間，所以在編寫程序時調(diào)用一次 SFC1(READ_CLK)讀取系統(tǒng)時間作為程序控溫程序運行時的起始時刻 (格式 DT)，同時再調(diào)用一個 SFC1(READ_CLK)讀取系統(tǒng)當前的時刻 (格式 DT)，而功能 FC34 可以將兩個格式 DT 為時間值相減得到 TIME 格式的時基于語句表編程的溫度控制程序設計 10 間，可以把這個初值為零的連續(xù)的時間作為 X 軸的時間 T。本課題控制值的分辨率為 1%。其余 7 次調(diào)用 (10 次調(diào)用的 70%)時脈沖輸出 QPOS_P 為 0 狀態(tài)。 FB 43 通過調(diào)制脈沖寬度，將輸入變量 INV(即 PID 控制器的輸出量 LMN)轉(zhuǎn)換為具基于語句表編程的溫度控制程序設計 9 有恒定周期的脈沖列，該恒定周期用周期時間 PER_TM 來設置， PER_TM 應與“CONT_C”的采樣周期 CYCLE 相同。微分分量可以直接輸出，也可以延遲衰減輸出 [8]。 FB4 的算法設計完善，使用靈活。其中FB41“CONT_C”連續(xù)控制器的輸出為連續(xù)變量。為了書寫方便將 SS )( TnjTev 簡寫為 ev(j)，各塊矩形面積為 ??n evT1S )(j j。如果取其中的一項、兩項或三項，可以組成 P、 PI、 PD 或 PID 調(diào)節(jié)器。 圖 5 過程值歸檔組態(tài)圖 基于語句表編程的溫度控制程序設計 6 在 WinCC 中，通過構(gòu)建與實際生產(chǎn)過程相關(guān)聯(lián)的過程畫面，可以實時而形象地反映出當前的生產(chǎn)狀態(tài) ，從而可以更加直觀地對產(chǎn)品的生產(chǎn)流程進行監(jiān)控和管理，而這一過程中的畫面組態(tài)主要是通過圖形編輯器來實現(xiàn)的 [6]。本次設計所建立的變量組（部分變量截圖）如圖 4 所示。 WinCC 的變量系統(tǒng)是變量管理器。 在本次設計中的參數(shù)設置： CPU接口類型為 MPI，地址為 2，傳輸率為 ；SM33 模塊測量類型為 4DMU，測量范圍為 420mA；硬件組態(tài)如圖 3 所示。 （ 1）加熱回路電流 I 估算 由于鍋爐為功率為 ，為純阻性負載，所以功率因數(shù) cosφ 為 1，所以加熱回路電流 I為 PI 7562202000cos ??? (2) （ 2）導線的選用 表 3 銅導線載流量與截面積之間的關(guān)系表 導線截面積（ 2mm ） 1 4 6 10 16 25 載流是截面倍數(shù) 9 8 7 6 5 4 載流量（ A） 9 14 23 32 42 60 80 100 220V電功率（ W） 380V電功率（ W） 由表 3 銅導線載流量與截面積之間的關(guān)系可知道，加熱回路導線選用 BVV2*1 (載流量為 A )銅芯聚氯已烯絕緣聚氯已烯護套兩芯每芯截面積為 1 2mm ；則鍋爐水溫控制系統(tǒng)的制回路接線圖如圖 2 所示。 控制電路設計 控制回路設計 本課題實現(xiàn)的是對模擬工業(yè)對象電加熱鍋爐水溫的控制。信號模塊主要有數(shù)字量輸入模塊SM321 和數(shù)字量輸出模塊 SM322，模擬量輸入模塊 SM331 和模擬量輸出模塊 SM332。 S7300 PLC SIMATIC S7300 是模塊化小型 PLC 系統(tǒng)，大范圍的 各種功能模塊可以非常好地滿足和適應自動控制任務，各種單獨的模塊之間也可進行廣泛組合以用于擴展。小數(shù)點位置 dIP=1，線性輸入時，定義的小數(shù)點位置，表示溫度顯示分錢率為 ℃ 。本課題中被用作變送器，它把接收熱電偶 020mV 的電勢信號轉(zhuǎn)變?yōu)闃藴孰娏餍盘査徒oSM33 模擬量輸入模塊。 第 5 章介紹了溫度對象數(shù)學模型以及對 控制規(guī)律 進行測試和總結(jié)。本課題共分五章，內(nèi)容組織如下： 第 1 章主要介紹了課題研究的背景和意義。本課題介紹了控制系統(tǒng)的主要硬件以及控制電路的設計，介紹了 FB41 “CONT_C”連續(xù)控制模塊、 FB43 “PULSEGEN” 脈沖輸出模塊的工作原理，以及實現(xiàn)基于語句表編程的溫控程序的編寫。一般的參數(shù)整定技術(shù)如臨界比例度和繼電反饋法適合于慣性對象，而不適合積分對象。對于不同生產(chǎn)情況和工藝要求下的溫度控制，所采用的加熱方式，燃料，控制方案也有所不同。 output deadzone。采用語句表編程，大大提高了編程效率，和梯形圖編程相比，源程序短，程序執(zhí)行效率高。 提供全套畢業(yè)論文，各專業(yè)都有 南陽理工學院 本科生畢業(yè)設計（論文）