【正文】 ???????? ??? kekeKjeKkekku DkjIP () 用式（ ）減去（ ），可得 ? ? ? ?( ) ( ) ( 1 ) ( ) ( ) 2 ( 1 ) ( 2 )P I Du k K e k e k K e k K e k e k e k? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ( ) ? ?( ) ( ) ( ) ( ) ( 1 )P I Du k K e k K e k K e k e k? ? ? ? ? ? ? ? ? () 式中 )1()()( ???? kekeke 式（ ）即增量式 PID 控制算法。此外，當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)生故障時(shí)，由于輸出通道或執(zhí)行裝置具有信號(hào)的鎖存作用，故仍能保持原值。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù) Ti,Ti越小，積分作用就越強(qiáng)。微分作用不能單獨(dú)使用，需要與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律相結(jié)合，組成 PD或 PID控制器。但是，不能最終消除余差的缺點(diǎn)限制了它的單獨(dú)使用。 積分時(shí)間的大小表征了積分控制作用的強(qiáng)弱。由于引入積分作用能消除余差，彌補(bǔ)了純比例控制的缺陷，獲得較好的控制質(zhì)量。 微分輸出只與偏差的變化速度有關(guān)，而與偏差的大小以及偏差是否存在與否無(wú)關(guān)。尤其是對(duì)容量滯后大的對(duì)象，可以減小動(dòng)偏差的幅度，節(jié)省控制時(shí)間，顯著改善控制質(zhì)量。 二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡(jiǎn)單 、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。簡(jiǎn)單實(shí)用的分布式結(jié)構(gòu)和強(qiáng)大的通信聯(lián)網(wǎng)能力，使其應(yīng)用十分靈活。無(wú)需電池備份，免維護(hù)。 根據(jù)客戶要求，還可以提供以下設(shè)備： 通訊處理器 (CP) ：用于連接網(wǎng)絡(luò)和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接。 （ 2） FB（功能塊）；需要背景數(shù)據(jù)塊的函數(shù)塊，數(shù)據(jù)在執(zhí)行完之后要需要保存的?？芍苯诱{(diào)用。 組態(tài)軟件 也為試驗(yàn)者提供了可視化監(jiān)控畫(huà)面，有利于試驗(yàn)者實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控。 工程瀏覽器：工程瀏覽器是一個(gè)工程開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)工具，用于創(chuàng)建監(jiān)控畫(huà)面、監(jiān)控的設(shè)備及相關(guān)變量、動(dòng)畫(huà)鏈接、命令語(yǔ)言以及設(shè)定運(yùn)行系統(tǒng)配置等的系統(tǒng)組態(tài)工具。如圖 36 所示。 c) 微分時(shí)間常數(shù)增加，會(huì)使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，但是，調(diào)整得當(dāng)，可 使過(guò)渡過(guò)程縮短，從而使系統(tǒng)既無(wú)余差存在，又能改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。他們對(duì)待工作認(rèn)真負(fù)責(zé)，對(duì)待同學(xué)熱情而有耐心。 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)液位控制系統(tǒng)的要求愈來(lái)愈高，因此，高精 度、智能化、人性化的液位控制系統(tǒng)是國(guó)內(nèi)外必然發(fā)展趨勢(shì)。 實(shí)驗(yàn)二 實(shí)驗(yàn)參數(shù)： P=10 I=10000 D=0 SP=20 實(shí)驗(yàn)曲線如圖 42所示： 容器液位調(diào)節(jié)閥遠(yuǎn)程控制系統(tǒng) 的設(shè)計(jì) 22 圖 42 實(shí)驗(yàn)分析： P值過(guò)大導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥開(kāi)度 (曲線 MV)變化過(guò)大， I值較為合理使曲線很快穩(wěn)定下來(lái)。 圖 33 圖 34 按照液位控制變量的方法可以響應(yīng)創(chuàng)建水流控制、水流變量、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥這容器液位調(diào)節(jié)閥遠(yuǎn)程控制系統(tǒng) 的設(shè)計(jì) 19 些變量。組態(tài)王圖形界面開(kāi)發(fā)功能使用方便，對(duì) I/O 設(shè)備廣泛支持。通?？梢园堰@樣的系統(tǒng)劃分為控制層、監(jiān)控層、管理層三個(gè)層次結(jié)構(gòu)。 （ 4） DB（數(shù)據(jù)塊）；是整個(gè)工程內(nèi)的全局?jǐn)?shù)據(jù)塊。運(yùn)行時(shí)無(wú)需風(fēng)扇。帶有與過(guò)程相關(guān)的功能，可以連接標(biāo)準(zhǔn) I/O設(shè)備。 S7300可大范圍擴(kuò)展各種功能模塊，可以非常好地滿足和適應(yīng)自動(dòng)控制任務(wù)。 PID參數(shù)的設(shè)定：是靠經(jīng)驗(yàn)及工藝的熟悉，參考測(cè)量值跟蹤與設(shè)定值曲線，從而調(diào)整 P\I\D的大小。只要三個(gè)作用的控制參數(shù)選擇得當(dāng)，便可充分發(fā)揮三種控制規(guī)律的優(yōu)點(diǎn)，得到較為理想的控制效果。同理，微分時(shí)間的選取，也是需要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)確定的。所謂 “ 時(shí)間滯后 ” 指的是：當(dāng)被控對(duì)象受到擾動(dòng)作用后，被控變量沒(méi)有立即發(fā)生變化，而是有一個(gè)時(shí)間上的延遲，比如容量滯后，此時(shí)比例積分控制顯得遲鈍、不及時(shí)。所以，實(shí)用中一般不單獨(dú)使用積分控制，而是和比例控制作用結(jié)合起來(lái)，構(gòu)成比例積分控制。積分控制器的輸出不僅與輸入偏差的大小有關(guān)，而且還與偏差存在的時(shí)間有關(guān)。 單純的比例控制適用于擾動(dòng)不大，滯后較小，負(fù)荷變化小，要求不高，允許有一定余差存在的場(chǎng)合。因此，可以改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。 控制器 P、 I、 D 項(xiàng)的選擇 比例調(diào)節(jié)作用 ：是按比例反應(yīng)系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用用以減少偏差。 采用增量式算法時(shí)，計(jì)算機(jī)輸出的控制增量 )(ku? 對(duì)應(yīng)的是本次執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置（例如閥門(mén)開(kāi)度）的增量。將式（ ）代入式（ ），可得離散的 PID 表達(dá)式為： ? ?0( ) ( ) ( ) ( ) ( 1 )k DP jITTu k K e k e j e k e k???? ? ? ? ?????? () 寫(xiě)成： ? ?0( ) ( ) ( ) ( ) ( 1 )kP I Dju k K e k K e j K e k e k?? ? ? ? ?? () 式中 k — 采樣序號(hào)， ?2,1,0?k ； )(ku — 第 k 次采樣時(shí)刻的計(jì)算機(jī)輸出值；()ek — 第 k 次采樣時(shí)刻輸入的偏差值； IK — 積分系數(shù)， IPI TTKK /? ； DK — 微分 系 數(shù) ， TTKK DPD /? 。 自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（ Steadystate error）。所以，為了保證安全條件、方便操作，就必須研究開(kāi)發(fā)先進(jìn)的液位控制方法和策略。不同的控制系統(tǒng)，其傳感器、 變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)是不一樣的。 PID控制，實(shí)際中也有 PI和 PD控制。從技術(shù)上看，計(jì)算機(jī)技術(shù)的新成果會(huì)更多地應(yīng)用于 可編程控制器的設(shè)計(jì)和制造上，會(huì)有運(yùn)算速度更快、存儲(chǔ)容量更大、智能更強(qiáng)的品種出現(xiàn)；從產(chǎn)品規(guī)模上看，會(huì)進(jìn)一步向超小型及超大型方向發(fā)展；從產(chǎn)品的配套性上看，產(chǎn)品的品種會(huì)更豐富、規(guī)格更齊全，完美的人機(jī)界面、完備的通信設(shè)備會(huì)更好地適應(yīng)各種工業(yè)控制場(chǎng)合的需求；從市場(chǎng)上看，各國(guó)各自生產(chǎn)多品種產(chǎn)品的情況會(huì)隨著國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的加劇而打破，會(huì)出現(xiàn)少數(shù)幾個(gè)品牌壟斷國(guó)際市場(chǎng)的局面，會(huì)出現(xiàn)國(guó)際通用的編程語(yǔ)言；從網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展情況來(lái)看，可編程控制器和其它工業(yè)控制計(jì)算機(jī)組網(wǎng)構(gòu)成大型的控制系統(tǒng)是可編程控制器技術(shù)的發(fā)展方向。世界上各主要PLC 廠家的產(chǎn)品幾乎 都有運(yùn)動(dòng)控制功能，廣泛用于各種機(jī)械、機(jī)床、機(jī)器人、電梯等場(chǎng)合。 （ 1）開(kāi)關(guān)量的邏輯控制 這是 PLC 最基本、最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，它取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實(shí)現(xiàn)邏輯控制、順序控制，既可用于單臺(tái)設(shè)備的控制，也可用于多機(jī)群控及自動(dòng)化流水線。 我國(guó)可編程控制器的引進(jìn)、應(yīng)用、研制、生產(chǎn)是伴隨著改革開(kāi)放開(kāi)始的。更高的運(yùn)算速度、超小型體積、更可靠的工業(yè)抗干擾設(shè)計(jì)、模擬量運(yùn)算、 PID 功能及極高的性價(jià)比奠定了它在現(xiàn)代工業(yè)中的地位。 可程式邏輯控制器及其有關(guān)的外部設(shè)施，都按易于工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。人們?cè)趹?yīng)用它時(shí)，可以不必進(jìn)行計(jì)算機(jī)方面的專門(mén)培訓(xùn)，就能對(duì)可編程控制器進(jìn)行操作及編程。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，過(guò)程控制技術(shù)正在為實(shí)現(xiàn)各種最優(yōu)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、提高經(jīng)濟(jì)效益和勞動(dòng)生產(chǎn)率、改善勞動(dòng)條件、保護(hù)生態(tài)環(huán)境等方面起著越來(lái)越大的作用。 第六周至第七周：熟悉 S7300 軟件和組態(tài)王軟件。 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)液位控制系統(tǒng)的要求越來(lái)越高，特別是高精度、智能化、人性化的液位控制系統(tǒng)是國(guó)內(nèi)外液位控制系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。 西安郵電大學(xué) 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文） 題 目： 容器液位調(diào)節(jié)閥遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 院 系： 自動(dòng)化學(xué)院 專 業(yè)： 自動(dòng)化 班 級(jí)： 自動(dòng) 0703 班 學(xué)生姓名： 王黨偉 導(dǎo)師姓名： 職稱： 起 止時(shí)間： 20xx 年 1 月 10 日 至 20xx 年 6 月 17 日 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）誠(chéng)信聲明書(shū) 本人聲明：本人所提交的畢業(yè)論文《 容器液位調(diào)節(jié)閥遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 》是本人在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下獨(dú)立研究、寫(xiě)作的成果，論文中所引用他人的文獻(xiàn)、數(shù)據(jù)、圖件、資料均已明確標(biāo)注；對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式注明并表示感謝。 2． 本課題需要重點(diǎn)研究的關(guān)鍵問(wèn)題、解 決的思路及實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)的可行性分析 重點(diǎn)研究的關(guān)鍵問(wèn)題： 液位控制精度、基于 S7300 軟件 的程序編寫(xiě)、熟悉組態(tài)王。 第八周至第九周：編寫(xiě)控制程序，畫(huà)組態(tài)畫(huà)面。 本課題主要以單容水箱為理論模型，主要以 PID算法，組態(tài)王為上位組態(tài)軟件，內(nèi)置西門(mén)子 S7300PLC的 A3000過(guò)程控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)水箱液位的自動(dòng)調(diào)節(jié)。用來(lái)完成各種各樣的復(fù)雜程度不同的工業(yè)控制任務(wù)。 b． PLC 國(guó)內(nèi)外狀況 世界上公認(rèn)的第一臺(tái) PLC 是 1969 年美國(guó)數(shù)字設(shè)備公司（ DEC）研制的。 20 世紀(jì) 80 年代初，可編程控制器在先進(jìn)工業(yè)國(guó)家中已獲得廣泛應(yīng)用。最初是在引進(jìn)設(shè)備中大量使用了可編程控制器。如注塑機(jī)、印刷機(jī)、訂書(shū)機(jī)械、組合機(jī)床、磨床、包裝生產(chǎn)線、電鍍流水線等。 （ 4）過(guò)程控制 過(guò)程控制是指對(duì)溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。目前的計(jì)算機(jī)集散控制系統(tǒng) DCS（ Distributed Control System）中已有大量的可編程控制器應(yīng)用。 PID 控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、 積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。比如壓力控制系統(tǒng)要采用壓力傳感器。 在本設(shè)計(jì)中以液位控制系統(tǒng)的水箱作為研究對(duì)象，水箱的液位為被控制量，選擇了出水閥門(mén)作為控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 （ 2）積分（ I）控制 在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后（ delay）組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。根據(jù) z 變 換 的 性 質(zhì) ： ? ? )()1( 1 zEzkez ??? 和容器液位調(diào)節(jié)閥遠(yuǎn)程控制系統(tǒng) 的設(shè)計(jì) 8 ? ?10 1 )()( ?? ????????? zzEjez kj 對(duì)式（ ）進(jìn)行 z 變換為： 11()( ) ( ) ( ) ( )1P I DEzU z K E z K K E z z E zz ?? ??? ? ? ???? （ ） 由式（ ）便可得到數(shù)字 PID 控制器的 z 傳遞函數(shù)為 ? ?11 11)( )()( ?? ?????? zKzKKzE zUzG DIP （ ） 由于計(jì)算機(jī)輸出的 )(ku 直接去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如閥門(mén)）， )(ku 的值和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置（如閥門(mén)開(kāi)度）是一一對(duì)應(yīng)的，所以通常稱式（ ）為位置式 PID 控制算法。對(duì)應(yīng)閥門(mén)實(shí)際位置的控制量，即控制量增量的積累?? ?? kj juku 0 )()( 需要采用一定的方法來(lái)解決，例如用有積累作用的元件來(lái)實(shí)現(xiàn)；而目前較多的是利用算式 )()1()( kukuku ???? 通過(guò)軟件來(lái)完成。比例作用大，可以加快調(diào)節(jié)，減少誤差，但是過(guò)大的比例，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn) 定。 在微分時(shí)間選擇合適情況下，可以減少超調(diào)，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。工業(yè)生產(chǎn)中比例控制規(guī)律使用較為普遍。只要偏差存在，輸出就會(huì)不斷累積（輸出值越來(lái)越大或越來(lái)越小），一直到偏差為零，累積才會(huì)停止。這樣取二者之長(zhǎng)，互相彌補(bǔ)，既有比例控制作用的迅速及時(shí)，又有積分控制作用消除余差的能力。為 此，人們?cè)O(shè)想：能否根據(jù)偏差的變化趨勢(shì)來(lái)做出