【正文】 實驗室一起討論問題的情景；我永遠不會忘記每周四周五早上殷老師我們講課的情景；我永遠不會忘記殷老師給我們指導(dǎo)實驗時候那種細心一絲不茍的情景；我永遠不會忘記我們一起在殷老師的倡導(dǎo)下?lián)]汗籃球場的情景；我永遠不會忘記殷老師評論大家的書法作品時候的情景……太多太多珍貴的回憶，珍貴的完成，都始終給予我耐心的指導(dǎo)和不懈的支持。(2)對設(shè)計好的算法進行封裝，分配數(shù)據(jù)塊，使其能在Step7中直接調(diào)用。 FB41（梯形圖）占用內(nèi)存空間如圖42所示： 圖42 FB41（梯形圖）占用內(nèi)存空間 FB41（梯形圖）占用內(nèi)存空間為7468B。于是得到雙容滯后（二階滯后）對象的傳遞函數(shù)為： G（S）= (5) PID參數(shù)確定及實驗結(jié)果本實驗通過使用動態(tài)特性參數(shù)法所謂動態(tài)特性參數(shù)法，就是根據(jù)系統(tǒng)開環(huán)廣義過程階躍響應(yīng)特性進行近似計算的方法，即根據(jù)圖38中對象特性的階躍響應(yīng)曲線測試法測得系統(tǒng)的動態(tài)特性參數(shù)（K、T、τ等），利用下表所示的經(jīng)驗公式，就可計算出對應(yīng)于衰減率為4：1時調(diào)節(jié)器的相關(guān)參數(shù)。自衡是指對象在擾動作用下，其平衡位置被破壞后，不需要操作人員或儀表等干預(yù)，依靠其自身重新恢復(fù)平衡的過程。FB41實驗結(jié)果如圖32所示 圖32 FB41實驗結(jié)果分析所得： n== = =34s =2min34s σ==7% e(∞)= 根據(jù)數(shù)據(jù)參數(shù)的對比，孝廉“FB41”的性能優(yōu)越于SB41。程序結(jié)合FB43占空比控制功能塊，把PID運算結(jié)果轉(zhuǎn)化為PWM信號，由PLC輸出PWM脈沖信號對交流接觸器進行鍋爐加熱控制。論證實驗結(jié)果滿足控制要求。 圖26 實驗用鍋爐如 圖27 水溫傳感器 數(shù)學(xué)模型的建立與PID參數(shù)的論證 圖28 開度100%的動態(tài)水一階開環(huán)對象本設(shè)計利用PID作為控制器，所以 G（s）*（1+) (1)是主通道的函數(shù)，作為最終的“開環(huán)傳遞”函數(shù)。通過PID運算，由SM332模塊把運算結(jié)果轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的4~20ma電信號，傳送到電動調(diào)節(jié)閥，從而通過控制閥門開度大小，調(diào)整管道的流量。通過PID運算，由SM332模塊把運算結(jié)果轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的4~20ma電信號，傳送到變頻器，從而讓變頻器控制水泵轉(zhuǎn)速，調(diào)整管道的壓力。此外，我們把水箱蓄水設(shè)置成為一個動態(tài)過程，即讓水箱邊蓄水時邊放水（當(dāng)然蓄水口出水量要始終大于放水口的蓄水量）。監(jiān)控顯示為鍋爐從25度加熱到30度的狀態(tài)。這時的比例度稱為4：1衰減比例度，用δS表示之。若需加微分作用，微分時間常數(shù)按TD=(～)TI計算。 調(diào)節(jié)時間 調(diào)節(jié)時間是從過渡過程開始到結(jié)束所需的時間。記作n。在FB41方框的上面，可以輸入已經(jīng)生成的FB41的數(shù)據(jù)塊DB41，當(dāng)然也可以輸入一個尚不存在的背景數(shù)據(jù)塊，例如DB2。這些接口和中間變在主程序中調(diào)用FB41模塊是時都能被用戶看到，如圖6所示。因此我把此算法命名為FB41（梯形圖）PID算法。因此，F(xiàn)B41中微分部分的差分近似式為： (5) 。如果執(zhí)行機構(gòu)已到極限位置，仍然不能消除偏差時，由于積分作用，盡管計算PID差分方程式所得的運算結(jié)果繼續(xù)增大或減少，但執(zhí)行機構(gòu)已無相應(yīng)的動作，這就稱為積分飽和。積分值Ianteil=Diff積分增量+Last_I上周期積分量。在FB41CONT_C中，死區(qū)寬度DEADB_W相當(dāng)于圖2中的死區(qū)設(shè)定值 圖2 死區(qū)說明圖 積分部分的近似部分 設(shè)執(zhí)行PID控制功能塊的時間間隔（即PID控制的采樣周期）為，第n次PID運算時的時間為，因為PID程序運行時為常數(shù)，可以將t=n，時PID控制器的輸入量ev（n）簡寫為ev（n），輸出量mv（n）簡寫為mv（n）。式中等號右邊的前3項分別是比例、積分、微分部分，他們分別與誤差ev（t）、誤差的積分和誤差的微分成正比。LMN_OFF為輸出量的偏移量，；LMN_FAC和LMN_OFF用來調(diào)節(jié)控制器輸出量的范圍。在手動模式，控制的輸出被手動輸入值MAN代替。P_SEL(比例作用ON)為1時激活比例作用，反之禁止比例作用，默認值為1。死區(qū)的寬度由參數(shù)DEADB_W來定義，如果命令DEADB_W為0，死區(qū)被關(guān)閉。 FB41輸入數(shù)據(jù)參數(shù)處理SP_INT:設(shè)定值以浮點數(shù)的格式輸入到SP_INT輸入端?？梢詫⒖刂破髯饔肞ID固定設(shè)定值控制器，或者在多回路控制中用作級聯(lián)、混合或比例控制器。FB41 PID算法程序不公開，給學(xué)習(xí)者帶來困難。模型預(yù)測控制算法能控制的具有特殊動 態(tài)特性的過程，它都能控制，如非最小相位系統(tǒng)、大滯后系統(tǒng)以及不穩(wěn)定系統(tǒng)。因此，在PID參數(shù)的整定及自整定技術(shù)方面還有待于進一步深入研究。但是PID控制器并非萬能的，它存在其固有的缺點：首先，PID對系統(tǒng)基本線性和動態(tài)特性不隨時間變化的系統(tǒng)能較好的控制，而很多工業(yè)過程是非線性或時變的。大多數(shù)反饋回路用該方法或其較小的變形來控制。 目 錄1 引言 1 PID 控制的發(fā)展?fàn)顩r 1 PID 算法的發(fā)展 2 課題的意義 2FB41 PID模塊分析 3 FB41的應(yīng)用 3 FB41參數(shù)數(shù)據(jù)類型及描述 3 CONT_C 的方框圖 6 輸入/輸出數(shù)據(jù)類型 6 FB41輸入數(shù)據(jù)參數(shù)處理 7 8 完全重啟動 83 FB41模塊算法分析 9 PID控制器在連續(xù)控制系統(tǒng)中的表達式 9 死區(qū)特性在FB41中的應(yīng)用 9 積分部分的近似部分 10 微分部分的近似部分 11 PID在FB41中的控制表達式 124 仿FB41 PID算法程序設(shè)計暨FB41（梯形圖）設(shè)計 13 硬件組態(tài) 13 PLC中位置式FB41（梯形圖） PID算法編寫 13 FB41（梯形圖） PID算法封裝與調(diào)用 175 FB41（梯形圖）與原FB41 PID模塊控制效果對比與分析 18 效果驗證方法與參數(shù)說明 1調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定方法 18 經(jīng)驗法 19 臨界比例度法 19（阻尼振蕩法） 20 動態(tài)特性參數(shù)法 20 單容鍋爐靜態(tài)水溫控制（一階積分對象） 21 單容水箱水位控制（一階慣性對象） 23 恒壓供水（一階小慣性對象） 27 流量控制（一階小慣性對象） 30 鍋爐流動水恒溫控制（一階大慣性對象） 32 實驗描述 32 數(shù)學(xué)模型的建立與PID參數(shù)的論證 34 雙極性水溫控制 36 雙容水箱水位控制（二階慣性對象） 38 實驗裝置描述 38 數(shù)學(xué)模型建立 39 PID參數(shù)確定及實驗結(jié)果 41 程序容量占用及其占用掃描時間對比 44 FB41（梯形圖）程序容量占用及其占用掃描時間 44 FB41程序容量占用及其占用掃描時間 45結(jié)束語 48參考文獻 48附錄 50致謝 67 1 引言 PID 控制的發(fā)展?fàn)顩rPID(Proportion Integration Differentiation)，PID控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一，迄今為止，大多數(shù)工業(yè)控制回路仍然應(yīng)用著結(jié)構(gòu)簡單、魯棒性強的PID控制或改進型PID控制策略。分別用自主設(shè)計的PID算法和原FB41 PID算法對模擬工業(yè)對象的鍋爐水溫(一階積分對象、一階慣性對象)、液位（一階慣性對象、二階慣性對象）、流量和壓力進行控制。對比監(jiān)控結(jié)果顯示，自主設(shè)計的PID控制算法與原FB41算法的控制結(jié)果接近，自適應(yīng)能力比較強，而且超調(diào)量較小。在工程實際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID調(diào)節(jié)器及其改進型是在工業(yè)過程控制中最常見的控制器(至今在全世界過程控制中用的84％仍是純PID調(diào)節(jié)器，若改進型包含在內(nèi)則超過90％)。其次，PID參數(shù)必須根據(jù)過程的動態(tài)特性整定。 PID 算法的發(fā)展自1992 年Hagglund 提出預(yù)測PI 控制器的思想以來，預(yù)測PID 算法得到了逐 步發(fā)展和完善，并成功應(yīng)用在一些復(fù)雜對象的控制上。 對于一階加純滯后對象和二階加純滯后對象，運用Pade 近似進行處理，該算法便 分別簡化為常規(guī)的PI 控制器和PID 控制器。本題目要求仿照西門子STEP 7 中FB41 標準PID算法的功能和形式，自主編寫能夠?qū)崿F(xiàn)同樣功能的PID算法?？刂破鞯墓δ芑诓蓸涌刂破鞯腜ID控制算法，采樣控制器帶有一個模擬信號，如果需要的話，還可以擴展控制器的功能，增加一個脈沖生成器的環(huán)節(jié)，以產(chǎn)生脈寬調(diào)制的輸出信號，用于帶有比例控制器的兩步或三步控制器{1}。PV_PER:可以再外圍設(shè)備（I/O)中輸入過程變量，也可以以浮點數(shù)格式輸入。在控制系統(tǒng)中，某些執(zhí)行器機構(gòu)如果頻繁動作，會導(dǎo)致小幅度的振蕩，造成嚴重的機械磨損。I_SEL(積分作用ON）為1時激活積分作用，反之禁止積分作用，默認值為1。在手動模式，控制器輸出中的積分分量自動設(shè)置為LMNLMN_PDISV（其中—為減號）。輸出量轉(zhuǎn)換為外部設(shè)備（I/0)格式控制器輸出值如果要送給模擬量輸出沒款中D/A轉(zhuǎn)換器，需要用“CRP_OUT方框圖轉(zhuǎn)換為外部設(shè)備（I/O)格式的變量LMN_PER 。如果取其中的一項或者兩項，可以組成P、PI或PD調(diào)節(jié)器。 式（1）中的積分對應(yīng)于圖中曲線ev（t）與坐標軸包圍的面積，一般用矩形積分來近似精確積分，每塊矩形的面積為ev（j）。 此外FB41積分算法中還運用到了抗積分飽和。當(dāng)出現(xiàn)積分飽和時，勢必使超調(diào)量增加，控制品質(zhì)變壞。此外，在微分系數(shù)中，（當(dāng)然，~，示情況而定），這是為了減少微分量的峰值，從而減少輸出值對執(zhí)行機構(gòu)的沖擊，保護了執(zhí)行機構(gòu){4}。把自動化技術(shù)加入文化因子達到教書育人與專業(yè)技術(shù)教育的雙重效果。最后按照上述分析及程序流程圖（見圖9）編程程序（模塊程序見附錄1）。輸入后按回車鍵，出現(xiàn)提示信息“實例數(shù)據(jù)塊DB2不存在，是否要生成它？”點擊“是”按鈕，可以在SIMATIC管理器中看到新生產(chǎn)的背景數(shù)據(jù)塊DB2。 超調(diào)量與最大動態(tài)偏差 在隨動控制系統(tǒng)中，超調(diào)量是一個反映超調(diào)情況和衡量穩(wěn)定程度的指標。過渡過程要絕對地達到新的穩(wěn)態(tài)，理論上需要無限長的時間。 表1 經(jīng)驗法整定參數(shù)表系 統(tǒng)參 數(shù)δ(%)TI(min)TD(min)溫 度20～603～10～3流 量40～100～1壓 力30～70～3液