【正文】 這兩種規(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)象并系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間變短。 第 一 溫 變拐 點(diǎn) B X / TY / CEF加 熱滯 后系 統(tǒng)慣 性第 二 溫 變拐 點(diǎn) CDACB 圖 27 程序控溫拐點(diǎn)圖 另外，為了保證第二溫變拐點(diǎn)溫超調(diào)量，主要為消弱積分作用來弱化調(diào)節(jié)器的輸出，以抵消系統(tǒng)慣性作用，所以拐點(diǎn)控制的前提是在進(jìn)行溫控時(shí)，系統(tǒng)的積分作用較強(qiáng)，這又產(chǎn)生另外一個(gè)問題是積分作用不可以從初值進(jìn)行累加，因?yàn)殚L時(shí)間的累加會(huì)給系統(tǒng)帶來振蕩，這又會(huì)使積分項(xiàng)累加過強(qiáng)，所以要對(duì)積分進(jìn)項(xiàng)進(jìn)行限幅輸出。在該溫控系統(tǒng)中 0ev =℃ 。 L M N = L M N _ L L M U p p e r c o n t r o l z o n e L o w e r c o n t r o l z o n eL M N = L M N _ H L MT i m eT e m p e r a t u r eS P _ I N T + C O N _ Z O N ES P _ I N TS P _ I N T C O N _ Z O N E 圖 25 控制帶方框圖 基于語句表編程的溫度控制程序設(shè)計(jì) 20 則控制器第 n 此采樣時(shí)的的輸出為 ? ??????????????????????ε ev(n) ε ev(n)ε |ev(n) |Mnj)e(ne(n)TTKev(j)TsTKev(n )Kmv(n )sDPIPP010001 (13) 當(dāng)過程值進(jìn)入控制帶時(shí)，微分作用可造成可調(diào)節(jié)變量快速減小 。隨著當(dāng)前值逐漸接近設(shè)定值，偏差 ev(n)越來越小，但是偏差 ev(n)對(duì)時(shí)間的積分累加值卻在不斷增加，如圖 24 所示，積分飽和產(chǎn)生正是由于這個(gè)原因。 第一段定值控溫效果要好于比例積分作用 PI 的調(diào)節(jié)效果，但是程序控溫超調(diào)量卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了控制要求。 圖 21 比例積分作用 PI調(diào)節(jié)控制曲線圖 雖然積分有消除余差的作用，但從整體的控制效果和抗干擾程度來看，曲線的跟蹤效果并沒有比單獨(dú)的比例作用 P 或比例為分作用 PD 調(diào)節(jié)更好。 整體調(diào)節(jié)效果好于單獨(dú)的比例作用，并且縮短了調(diào)節(jié)時(shí)間。 圖 19 比例作用 P 調(diào)節(jié)控制曲線圖 （ 1）定值溫控 比例作用 P=12，系統(tǒng)超調(diào)小于 ℃ ，穩(wěn)態(tài)誤差小于 ℃ ，調(diào)節(jié)時(shí)間 11min 左右。 如圖 17 所示為開環(huán)控制原理圖，鍋爐內(nèi)水位高度為 165mm，加熱絲功率為 ，F(xiàn)B43 “PULSEGEN”脈沖輸出模塊周期時(shí)間為 5s，把 FB41 “CONT_C” 連續(xù)控制模塊切換到手動(dòng)模式，手動(dòng)設(shè)定一個(gè)值送給 FB43 “PULSEGEN” 脈沖輸出模塊來控制輸出脈沖，控制加熱絲的加熱與否。 圖 13 程序控溫功能塊 FB1 和功能 FC1 主程序 OB1的流程圖如圖 14。 圖 11 為 溫度 時(shí)間曲線設(shè)置格式， 由圖可以看出， X 軸即時(shí)間軸，根據(jù)設(shè)定曲線的段數(shù)將 X 軸劃分為不同時(shí)間長度的時(shí)間段。 圖 10 脈寬調(diào)制波形圖 脈沖寬度調(diào)制簡(jiǎn)稱為脈寬調(diào)制，設(shè)每個(gè) PER_TM 周期調(diào)用 10 次 FB43，如果輸入變量為最大值的 30%，則前 3 次調(diào)用 (10 次調(diào)用的 30%)時(shí)脈沖輸出 QPOS_P 為 1 狀態(tài)。它的積分分量可以清零、保持，這就方便實(shí)現(xiàn)抗積分飽和或積分分離。除了專用的閉環(huán)控制模塊， S7300/400 也可以用 PID 控制功能塊來實(shí)現(xiàn) PID 控制。等號(hào)右邊的 3 項(xiàng)分別是比例、積分、微分部分。 WinCC 與自動(dòng)化控制系統(tǒng)間的通訊依靠通訊驅(qū)動(dòng)程序來實(shí)現(xiàn)。 STEP 7 對(duì)于整個(gè)控制系統(tǒng)（包括 PLC、遠(yuǎn)程 I/O、HMI、驅(qū)動(dòng)裝置和通信網(wǎng)絡(luò)等）進(jìn)行組態(tài)、編程和監(jiān)控。 模擬量輸入模塊 SM331，訂貨號(hào)為： 6ES7 3317KF020AB0，是具有 8 個(gè)模擬量輸入通道， 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換精度 。輸出方式 OPt=4，表示 420mA 線性限流輸出，主輸出模塊上安裝線性電流輸出模塊 [3]。 表 1 J 型熱電偶的參數(shù)表 溫度范圍 安裝方式 接線盒 精度等級(jí) 插入深度 保護(hù)套直徑 防護(hù)套材料 0750℃ 無固定方式 防濺式 Ⅱ 250mm 16mm 不銹鋼 變送器 AI818 是常用又很普遍的智能儀表，可以處理溫度、壓力、流量、液位、濕度。程序控溫過程的中穿越幅度小，在溫變拐點(diǎn)處實(shí)現(xiàn)了既無超調(diào)又無欠溫的鈍角拐點(diǎn)的控制效果。國內(nèi)還沒有一套較好的針對(duì)積分溫度對(duì)象的控制規(guī)律和參數(shù)整定技 術(shù)。 controlzone。 提供全套畢業(yè)論文，各專業(yè)都有 南陽理工學(xué)院 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 學(xué) 院： 電子與電氣工程學(xué)院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化 學(xué) 生： 指導(dǎo)教師： 完成日期 2020 年 5 月 南陽理工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 基于語句表編程的溫度控制程序設(shè)計(jì) Design of Temperature Control Program Based on Instruction List Programming 總 計(jì) ： 31 頁 表 格 ： 4 個(gè) 插 圖 ： 27 幅 南陽理工學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 基于語句表編程的溫度控制程序設(shè)計(jì) Design of Temperature Control Program Based on Instruction List Programming 學(xué) 院： 電子與電氣工程學(xué)院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化 學(xué)生姓名 ： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師 （職稱）： 評(píng)閱教師 ： 完成日期 ： 南陽理工學(xué)院 Nanyang Institute of Technology 基于語句表編程的溫度控制程序設(shè)計(jì) I 基于語句表編程的溫度控制程序設(shè)計(jì) 電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè) 謝志強(qiáng) ［ 摘 要 ］ 本課題在 S7300 PLC中用語句表編程調(diào)用 FB41 PID模塊和 FB43 PWM模塊對(duì)模擬工業(yè)對(duì)象電加熱鍋爐的水溫進(jìn)行控制。 output deadzone。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(duì)象，而不適合積分對(duì)象。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。本課題中被用作變送器，它把接收熱電偶 020mV 的電勢(shì)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)送給SM33 模擬量輸入模塊。 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(yīng)自動(dòng)控制任務(wù)，各種單獨(dú)的模塊之間也可進(jìn)行廣泛組合以用于擴(kuò)展。 控制電路設(shè)計(jì) 控制回路設(shè)計(jì) 本課題實(shí)現(xiàn)的是對(duì)模擬工業(yè)對(duì)象電加熱鍋爐水溫的控制。 在本次設(shè)計(jì)中的參數(shù)設(shè)置： CPU接口類型為 MPI，地址為 2，傳輸率為 ；SM33 模塊測(cè)量類型為 4DMU，測(cè)量范圍為 420mA；硬件組態(tài)如圖 3 所示。本次設(shè)計(jì)所建立的變量組（部分變量截圖）如圖 4 所示。如果取其中的一項(xiàng)、兩項(xiàng)或三項(xiàng)，可以組成 P、 PI、 PD 或 PID 調(diào)節(jié)器。其中FB41“CONT_C”連續(xù)控制器的輸出為連續(xù)變量。微分分量可以直接輸出，也可以延遲衰減輸出 [8]。其余 7 次調(diào)用 (10 次調(diào)用的 70%)時(shí)脈沖輸出 QPOS_P 為 0 狀態(tài)。系統(tǒng)功能 SFC1(READ_CLK)可以讀出 CPU 的系統(tǒng)時(shí)間，所以在編寫程序時(shí)調(diào)用一次 SFC1(READ_CLK)讀取系統(tǒng)時(shí)間作為程序控溫程序運(yùn)行時(shí)的起始時(shí)刻 (格式 DT)，同時(shí)再調(diào)用一個(gè) SFC1(READ_CLK)讀取系統(tǒng)當(dāng)前的時(shí)刻 (格式 DT)，而功能 FC34 可以將兩個(gè)格式 DT 為時(shí)間值相減得到 TIME 格式的時(shí)基于語句表編程的溫度控制程序設(shè)計(jì) 10 間，可以把這個(gè)初值為零的連續(xù)的時(shí)間作為 X 軸的時(shí)間 T。 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(diǎn)控 制 M 2 . 3調(diào) 用 F B 1溫 變 點(diǎn) 賦時(shí) 刻 值運(yùn) 行 時(shí) 間 轉(zhuǎn) 變?yōu)?m s 單 位 T復(fù) 位 拐 點(diǎn)控 制 M 2 . 3置 位 拐 點(diǎn)控 制 M 2 . 4置 位 拐 點(diǎn)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(shè)計(jì) 12 中斷服務(wù)程序 OB35 的編寫 在通過脈寬調(diào)制來控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的通斷時(shí)，需要通過 中斷組織塊 OB35 周期性中斷過程來實(shí)現(xiàn) PID 算法模塊和 PWM 算法模塊的時(shí)序配合 [9]。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(shè)計(jì) 14 測(cè)量溫度與鍋爐吸收熱量的關(guān)系，觀察對(duì)應(yīng)于不同的脈沖占空比對(duì)應(yīng)溫度曲線的斜率。 （ 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℃ 。 但程序控溫超調(diào)量存在偶然性。第二溫變拐點(diǎn)的控制存在偶然性。 改進(jìn)的 PID 調(diào)節(jié)控制規(guī)律 改進(jìn)后的 PID 調(diào)節(jié)規(guī)律的控制效果如圖 23 所示。當(dāng)產(chǎn)生超調(diào)后偏差 ev(n)變?yōu)樨?fù)值，負(fù)偏差的累積量相對(duì)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。這意味著，只有在激活了微分作用時(shí)控制帶才有用。區(qū)別于 FB41“CONT_C”中 的死區(qū)寬度DEADB_W，當(dāng)偏差進(jìn)入死區(qū)后，調(diào)節(jié)器仍在進(jìn)行運(yùn)算，當(dāng)系統(tǒng)再次運(yùn)行到死區(qū)外時(shí)，使輸出能快速響應(yīng)偏差。 綜上所述圖 1 1 21 為傳統(tǒng) PID 控制下的運(yùn)行結(jié)果圖，圖 22 為改進(jìn)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(diǎn)控制的程序控溫 PID 調(diào)節(jié)規(guī)律，這兩種改進(jìn)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(shí)間變短，系統(tǒng)完全依靠溫控工藝曲線運(yùn)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(diǎn)處實(shí)現(xiàn)了即無超調(diào)又無欠溫的鈍角拐點(diǎn)的控制效果。 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(shí)踐中選取理想的控制算法，就必須通過工程實(shí)踐進(jìn)行反復(fù)地調(diào)整和修改，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)直接在控制系統(tǒng)中進(jìn)行篩選組合出適合實(shí)際的控制規(guī)律，使系統(tǒng)達(dá)到優(yōu)化的運(yùn)行狀態(tài)，雖然本項(xiàng)目的改進(jìn)的 PID 取得了很好的控制效果，但在實(shí)際運(yùn)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(duì)各型號(hào)的產(chǎn)品規(guī)格在上位機(jī)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(shè)計(jì)方面還有待與進(jìn)一步探索與實(shí)踐。 （ 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(diǎn)控制的程序控溫 PID 調(diào)節(jié)規(guī)律。另一方面由于定值控溫過程和程序控溫過程的系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，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(yīng)的比例參數(shù) PK 、積分參數(shù) IT 、微分參數(shù) DT 也應(yīng)隨之相應(yīng)變動(dòng)。 0ev 值太小，是調(diào)節(jié)過于頻繁，達(dá)不到穩(wěn)定被調(diào)節(jié)對(duì)象的目的；如果 0ev 取的太大，則系統(tǒng)將產(chǎn)生很大的滯后。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(huì)發(fā)生振蕩。 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(shè)計(jì) 19 現(xiàn)象和調(diào) 節(jié)時(shí)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(shè)定曲線良好擬合的現(xiàn)象，對(duì)傳統(tǒng)的 PID 控制進(jìn)行了改進(jìn)，并得到了如圖 22 的良好控制效果，其改進(jìn)如下： （ 1）應(yīng)用控制帶（ CONZNE）