【正文】 、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、 PID 指令。 20 世紀(jì) 60 年代，計(jì)算機(jī)技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，但由于價(jià)格高、輸入輸出電路不匹配、編程難度大以及難以適應(yīng)惡劣工業(yè)環(huán)境等原因，未能在工業(yè)控制領(lǐng)域獲得推 廣。 3) 可靠性高于繼電器控制裝置。 7) 輸入可為市電 8) 輸出可為市電，容量要求在 2A 以上，可直接驅(qū)動(dòng)接觸器等。美國(guó)數(shù)字設(shè)備公司 (DEC)中標(biāo)，并于 1969 年研制出第一臺(tái)可編程控制器 PDP14，在美國(guó)通用汽車公司的生產(chǎn)線上試用成功，并取得了滿意的效果，可編程控制器自此誕生。 過(guò)程工業(yè)控制算法的應(yīng)用現(xiàn)狀 過(guò)程控制在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，在理論的研究與生產(chǎn)的實(shí)踐中發(fā)展出很多的控制算法，主要有下列幾種： (1) PID控制算法 大量的事實(shí)證明，傳統(tǒng)的 PID控制算法對(duì)于絕大部分工業(yè)過(guò)程的被控對(duì)象 (高達(dá)90%)可取得較好的控制結(jié)果，可以進(jìn)一步提高控制質(zhì)量。 (3) 自適應(yīng)控制 在過(guò)程工業(yè)中，不少的過(guò)程是時(shí)變的，如采用參數(shù)與結(jié)構(gòu)固定不變的控制器，則控制系統(tǒng)的性能會(huì)不斷惡化，這時(shí)就需要采用自適應(yīng)控制系統(tǒng)來(lái)適應(yīng)時(shí)變的過(guò)程。智能控制對(duì)于復(fù)雜的工業(yè)過(guò)程往往可以取得很好的控制效果。第一個(gè)階段為發(fā)明階段 (1900～1940)PID 控制的思想逐漸明確，氣動(dòng)反饋放大器被發(fā)明，儀表工業(yè)的重心放在實(shí)際 PID 控制 器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上。一方面，各種新的控制思想不斷被應(yīng)用于 PID 控制器的設(shè)計(jì)之中，或者是用新的控制思想設(shè)計(jì)出具有 PID 結(jié)構(gòu)的新控制器， PID 控制技術(shù)被注入了新的活力。 2) 適應(yīng)性強(qiáng)，可以廣泛應(yīng)用于化工、熱工、冶金、煉油以及造紙、建材等 3) 魯棒性強(qiáng)，即其控制品質(zhì)對(duì)被控對(duì)象特性的變化不大敏感 [5]。品種繁多的 CPU 模塊和功能模塊能滿足各種領(lǐng)域的自動(dòng)控制任務(wù)，用戶可以根據(jù)系統(tǒng)的具體情況選擇合適的模塊，維修時(shí)更換模塊也很方便。每個(gè) CPU 都有一個(gè)編程用的 RS485 接口，可以和計(jì)算機(jī)連接， PLC 作為下位機(jī)，利用計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)進(jìn)行編程。 ? 快速，極其快速的指令處理大大地縮短了循環(huán)周期。 CPU 模塊 系統(tǒng)選用的 CPU 模塊為 CPU 313。 1) RUNP：可編程運(yùn)行方式。 CPU 不掃描用戶程序，可以用變成裝置讀出并監(jiān)控 PLC的 CPU 中的程序，但不能改變裝置存儲(chǔ)器中的程序。在此位置可以拔出鑰匙。 SM 331 模擬量輸入 [簡(jiǎn)稱模入 (AI)] 模塊目前有三種規(guī)格型號(hào)，即 128 ?AI 位模塊、 168 ?AI 位模塊和 122 ?AI 位模塊。被測(cè)模擬量的精度是所設(shè)定的 積分時(shí)間的正函數(shù)。 SM 331 的每?jī)蓚€(gè)輸入通道構(gòu)成一個(gè)輸入通道組，可以按通道組任意選擇測(cè)量 5 方法和測(cè)量范圍。 SM 332 模擬量輸出 [簡(jiǎn)稱模出 (AO)]模塊目前有 3 種規(guī)格型號(hào)： 124 ?AO 位模塊、 122 ?AO 位模塊和 164 ?AO 位模塊。 4 線回路的精度高，因此采用 4 線回路，它與負(fù)載的接線如圖 23 所示。 PS 307 10A 模塊的輸入接單相交流系統(tǒng)，輸入電壓 120/230V， 50/60HZ，在輸入和輸出之間有可靠的隔離。同時(shí)，記錄對(duì)象的輸出數(shù)據(jù)或階躍響應(yīng)曲線，然后根據(jù)已給定對(duì)象模型的結(jié)構(gòu)形式，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，決定模型中各參數(shù)。 圖 26 一階系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線 如圖 25 所示，設(shè)水箱進(jìn)水口的進(jìn)水量為 Q1，出水口出水量 Q2，水箱液面高度為 h。 當(dāng) t=T 時(shí)， 有 ）（）（）（ ??????? ? hKReKRTh 632063201 010 (24) 即 )1()( 0 TteKRth ??? (25) 當(dāng) t→∞時(shí)， h(∞ )=KR0，因而有 K=h(∞ )/R0=輸出穩(wěn)態(tài)值 /階躍輸入。上水箱的水位趨于平衡，平衡后輸出值、水箱水位高度和測(cè)量顯示值如表 21 所示。 表 23 新的平衡狀態(tài)的數(shù)據(jù) PLC 輸出值 水箱水位高度 h1 組態(tài)顯示值 0~100 cm cm 51 再將輸出儀表調(diào)回到系統(tǒng)第一次平衡前的位置，紀(jì)錄階躍響應(yīng)過(guò)程參數(shù)的曲線如圖 28 所示，階躍響應(yīng)過(guò)程參數(shù)如表 24。當(dāng)輸入量有一個(gè)階躍增加 ΔQ1時(shí)。在圖中 S 型曲線的拐角 P 上作切線，它在時(shí)間軸上截出一段時(shí)間 OA，這段時(shí)間可以近似地衡量由于多了 一個(gè)容量而使飛升過(guò)程向后推遲的程度，因此稱容量滯后，通常以τ c 代表之。系統(tǒng)的被調(diào)量 — 水箱的水位趨于平衡后，紀(jì)錄 PLC 的輸出值、水箱液位 h2和 PLC 的測(cè)量顯示值如表 25 所示。 圖 212 達(dá)到新的平衡的曲線 由曲線 211 上得出 h2(t)穩(wěn)態(tài)值的漸近線 h2(∞ )為 ， )()( 212 ??? hth tt時(shí)曲線上的點(diǎn)和對(duì)應(yīng)的時(shí)間 t1 為 3`17``， )()( 222 ??? hth tt 時(shí)曲線上的點(diǎn)和對(duì)應(yīng)的時(shí)間 t2 為 7`35``。 13 3 PID 控制算法介紹 PID 控制算法 典型的 PID 模擬控 制系統(tǒng)如圖 31 所示。需要較好的動(dòng)態(tài)品質(zhì)和較高的穩(wěn)態(tài) 精度時(shí)，可以選用 PI 控制方式；控制對(duì) 圖 31 模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng) 象的慣性滯后較大時(shí)，應(yīng)選擇 PID 控制方式。比例作用則最終達(dá)不到設(shè)定值，而有余差。 )， e(n1)和 e(n)分別為第 (n1)和第 n控制周期所得的偏差。由式 (34)可知，數(shù)字 PID控制器的輸出控制量 M(n)也和閥門(mén)位置對(duì)應(yīng)，所以式 (34)即是位置型算式。因此第 n時(shí)刻的實(shí)際控制量為 )()1()( nMnMnM ???? (37) 其中 M(n－ 1)為第 (n－ 1)時(shí)刻的控制量。 PID 調(diào)節(jié)的各個(gè)環(huán)節(jié)及其調(diào)節(jié)過(guò)程 水箱液位控制系統(tǒng)目前主要采用 PID(比例積分微分 )控制方式，這種方式，對(duì)不同的控制對(duì)象要用不同的 PID參數(shù)。 在比例調(diào)節(jié)中調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào) M(n)與偏差信號(hào) e成比例，比例系數(shù)為 KC，稱為比例增益。根據(jù) P調(diào)節(jié)器的的輸入輸出測(cè)試數(shù)據(jù)，很容易確定它的比例帶的大小。 ? 很大意味著調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作幅度很小，因此被調(diào)量的變化比較平穩(wěn)，甚至沒(méi)有超調(diào)，但殘差很大，調(diào)節(jié)時(shí)間也很長(zhǎng)；減小 ? 就加大了調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作幅度，引起被調(diào)量來(lái)回波動(dòng)，但系統(tǒng)仍可能是穩(wěn)定的，殘差相應(yīng)減小。但積分作用如果太強(qiáng) ,會(huì)引起較大超調(diào)或振蕩 ,且在實(shí)際當(dāng)中會(huì)經(jīng)常碰到積分飽和現(xiàn)象。然而與此同時(shí)，調(diào)節(jié)器的輸出卻可以停在任何值上。為保持控制系統(tǒng)原來(lái)的衰減率， PI調(diào)節(jié)器的比例帶必須適當(dāng)加大。 由于被調(diào)量的變化速度 (包括大小和方向 )可以反映當(dāng)時(shí)或稍前一些時(shí)間流入、流出量間的不平衡情況，因此，如果調(diào)節(jié)器能夠根據(jù)被調(diào)量的變化速度來(lái)移動(dòng)調(diào)節(jié)閥，而不要等被調(diào)量已經(jīng)出現(xiàn)較大的偏差后才開(kāi)始動(dòng)作，那么調(diào)節(jié)的效果將會(huì)更好，等于賦予調(diào)節(jié)器以某種預(yù)見(jiàn)性，這種調(diào)節(jié)動(dòng)作稱為微分調(diào)節(jié) [1]。串級(jí)控制系統(tǒng)、前饋補(bǔ)償控制、大時(shí)延預(yù)估控制等一類較為復(fù)雜的控制系統(tǒng) 就是適應(yīng)上述要求而產(chǎn)生的。 串級(jí)控制特點(diǎn)及應(yīng)用范圍是： 特點(diǎn)： (1)能夠迅速克服進(jìn)入副回路的干擾，抗干擾能力強(qiáng)，控制質(zhì)量強(qiáng)； (2)改善過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的工作頻率； (3)對(duì)負(fù)荷和操作條件 的變化適應(yīng)性強(qiáng)； 應(yīng)用范圍： (1)應(yīng)用于容量滯后較大的過(guò)程； (2)應(yīng)用于純時(shí)延較大的過(guò)程； (3)應(yīng)用于干擾變化激烈的而且幅度大的過(guò)程； (4)應(yīng)用于參數(shù)互相關(guān)聯(lián)的過(guò)程； (5)應(yīng)用于非線性過(guò)程； 采用串級(jí)可以大大提高調(diào)節(jié)品質(zhì)。 18 圖 34 上水箱下水箱液位控制系統(tǒng)框圖 串級(jí)系統(tǒng)和簡(jiǎn) 單系統(tǒng)有一個(gè)顯著的區(qū)別，即其在結(jié)構(gòu)上形成了兩個(gè)閉環(huán)。而且這些參數(shù)選定，多都是憑經(jīng)驗(yàn)，在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試中具體確定。這種方法實(shí)質(zhì)上是模擬調(diào)節(jié)器中采用的穩(wěn)定邊界法的推廣，用來(lái)整定離散 PID 算式中的 T、 KC、 TI和TD參數(shù)。 （ 2） 令系統(tǒng)為純比例控制，逐漸加大比例增益 KC(縮小比例帶 ? )，使系統(tǒng)出現(xiàn)等幅振蕩，此時(shí)的比例增益為臨界比例增益 crK (對(duì)應(yīng)臨界比例帶 cr? ),值為1900，振蕩周期稱為臨界振蕩周期 crT ，值為 30s。 DDC 系統(tǒng)的控制品質(zhì)要低于模擬系統(tǒng)的控制品質(zhì)，即控制度總是大于 1，且控制度越大，相應(yīng)的 DDC 系統(tǒng)控制品質(zhì)越差。 5) 按所求的系統(tǒng)參數(shù)運(yùn)行，觀察系統(tǒng)的運(yùn)行情況，得到一個(gè)滿意的曲線。 （ 3） 用自 編的程序?qū)崿F(xiàn) PID 閉環(huán)控制 有的可編程控制器沒(méi)有 PID 過(guò)程控制模塊有的雖然有 PID 控制用的功能指 20 令，但是希望采用某種改進(jìn)的 PID 控制算法。過(guò)程變量是經(jīng)過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換和計(jì)算后得到的被控量的實(shí)測(cè)值，如水箱液位的測(cè)量值。 L PIW0 //將待轉(zhuǎn)換的模擬量存入累加器 LDW= 0 //如果模擬數(shù)值為正 JMP 0 //直接轉(zhuǎn)換成實(shí)數(shù) NOT //反之 ORD 16FFFF0000 //將 AC0 內(nèi)的數(shù)值進(jìn)行符號(hào)擴(kuò)展，擴(kuò)展為 32 位負(fù)數(shù) LBL 0 DTR //將 32 位整數(shù)轉(zhuǎn)換成實(shí)數(shù) 轉(zhuǎn)換的下一步是實(shí)數(shù)進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成 ~ 之間的標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)數(shù)。將回路輸出送給 D/A 轉(zhuǎn)換器之前，必須轉(zhuǎn)換成 16 位二進(jìn)制整數(shù)。對(duì)于增益為 的積分控制或微分控制，如果積分或微分時(shí)間為正，為正作用回路，反之為反作用回路。它被限制在 ~ 之間。 通過(guò)調(diào)整積分和 MX，使輸出 nM 回到 ~ 之間，可以提高系統(tǒng)的響應(yīng)性能?；芈繁韮?nèi)的過(guò)程變量的差值用于PID 計(jì)算的微分部分，用戶不應(yīng)修改它。 PID 指令對(duì)回路表內(nèi)的值進(jìn)行下列操作，保證檢測(cè)到能流從 0 到 1 的正跳變時(shí)，從手動(dòng)方式無(wú)擾動(dòng)地切換到自動(dòng)方式： 1) 令給定值 ( nSP )=過(guò)程變量 )( nPV 。進(jìn)入 RUN 方式后 PID 指令首次有效時(shí)，沒(méi)有檢測(cè)到使能為的正跳變，就不會(huì)執(zhí)行無(wú)擾動(dòng)的切換操作。 表 32 PID 指令的回路表 偏移地址 變量 格式 類型 描述 0 過(guò)程變量PVn 雙字實(shí)數(shù) 輸入 應(yīng)在 ~ 之間 4 給定值 SPn 雙字實(shí)數(shù) 輸入 應(yīng)在 ~ 之間 8 輸出值 Mn 雙字實(shí)數(shù) 輸入 /輸出 應(yīng)在 ~ 之間 12 增益 Kc 雙字實(shí)數(shù) 輸入 比例常數(shù)，可正可負(fù) 16 采樣時(shí)間 Ts 雙字實(shí)數(shù) 輸 入 單位為 s，必須為正數(shù) 20 積分時(shí)間 TI 雙字實(shí)數(shù) 輸入 單位為 min，必須為正數(shù) 24 微分時(shí)間 TD 雙字實(shí)數(shù) 輸入 單位為 min，必須為正數(shù) 28 上一次的積 分值 MX 雙字實(shí)數(shù) 輸入 /輸出 應(yīng)在 ~ 之間 32 上一次過(guò)程變量 PVn1 雙字實(shí)數(shù) 輸入 /輸出 最近一次運(yùn)算的過(guò)程變量值 23 4 控制方案設(shè)計(jì) 畢業(yè)設(shè)計(jì)的課題的液位控制系統(tǒng)原理圖如圖 21 和 25 所示。單相泵正常運(yùn)行，打開(kāi)閥 1 和閥 2，打開(kāi)上水箱的出水閥，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥以一定的開(kāi)度來(lái)控制進(jìn)入水箱的水流量，調(diào)節(jié)手段是通過(guò)將壓力變送器檢測(cè)到的電信號(hào)送入 PLC中，經(jīng)過(guò) A/D 變換成數(shù)字信號(hào)，送入數(shù)字 PID 調(diào)節(jié)器中，經(jīng) PID 算法后將控制量經(jīng)過(guò) D/A轉(zhuǎn)換成與電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度相對(duì)應(yīng)的電信號(hào)送入電動(dòng)調(diào)節(jié)閥中控制通道中的水流量。 系統(tǒng)的控制框圖如圖 41 所示。 圖 41 上水箱液位自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制框圖 上水箱下水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng) 上水箱下水箱液位控制系統(tǒng)由于控制過(guò)程特性呈現(xiàn)大滯后，外界環(huán)境的擾動(dòng) 24 較大，要保持上水箱下水箱液位最后都保持設(shè)定值，用簡(jiǎn)單的單閉環(huán)反饋控制不能實(shí)現(xiàn)很好的控制效果，所以采用串級(jí)閉環(huán)反饋系統(tǒng)。 整個(gè)系統(tǒng)的配置如圖 42 所示。 液位變送器分為浮力式、靜壓力式、電容式、應(yīng)變式、超聲波式、激光式、放射性式等。 零點(diǎn)和量程調(diào)整： 零點(diǎn)和量程調(diào)整電位器位于中繼箱內(nèi)的另一側(cè)。根據(jù)式 (41)，利用壓力變送器將 PB轉(zhuǎn)換成 DC4~20mA 統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)送入 PLC 中，便得知被測(cè)的液位。由圖 45 可見(jiàn)來(lái)自調(diào)節(jié)器的信號(hào)經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換信號(hào)制式后，與來(lái)自執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置反 饋信號(hào)比較，其信號(hào)差值輸入到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以確 26 定執(zhí)行機(jī)構(gòu)作用的方向和大小，其輸出的力或位移控制調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作，改變調(diào)節(jié)閥的流通面積，從而改變被控介質(zhì)的流量。 圖 46 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥組成框圖 主要技術(shù)參數(shù)： 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 型式：智能型直行程執(zhí)行機(jī)構(gòu) 輸入信號(hào)： 0~10mA/4~20mADC/0~5VDC/1~5VDC 輸入阻抗： 250Ω /500Ω 輸出信號(hào)： 4~20mADC 輸出最大負(fù)載： 500Ω 信號(hào)斷電時(shí)的閥位：可任意設(shè)置為保持 /全開(kāi) /全關(guān) /0~100%間的任意值 電源： 220V177。 控制單元 控制單元是整個(gè)系統(tǒng)的心臟。 軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的編程分塊進(jìn)行，分主程序、子程序和中斷程