【正文】 （ 2211） 式中： 0T —— 過程積分時間常數(shù)， 20 CT ? ； T—— 第一只水箱的時間常數(shù)。串級控制方案主要使用場合如下： 。雖然計算機控制是非連續(xù)的，但由于計算機的運算速度越來越快，因此用數(shù)字 PID 完全可以代替模擬調(diào)節(jié)器，并且能得到比較滿意的效果 PID控制 調(diào)節(jié)規(guī)律 典型的 PID 控制結(jié)構(gòu)如圖 41所示： 圖 41 PID控制結(jié)構(gòu)圖 在模擬 PID 控制器中，比例環(huán)節(jié)的作用是對偏差瞬間作出反應。但是增大積分常數(shù) Ti 會減慢靜態(tài)誤差的消除過程，消除偏差所需的時間也較長，但可以減少超調(diào)量，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。偏差變化的越快，微分控制器的輸出就越大，并能在偏差值變大之前進行修正。 在 PLC 中的 PID 控制的編程 回路的輸入輸出變量的轉(zhuǎn)換和標準化 PID 控制器調(diào)節(jié)輸出，保證偏差 (e)為零，使系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)。作為數(shù)字計算機解決的重復性的結(jié)果，可以得到在任何采樣時刻必須X0 PID D0 D1 D100 D150 [S1] S2 S3 D 圖 42 PID指令的應用 20 計算的方程的一個簡化算式。 回路輸出值一般是控制變量，比如，在汽車速度控制中，可以是油閥開度的設置。當輸出由手動轉(zhuǎn)變?yōu)?PID(自動 )控制時，回路表中的輸出值可以用來初始化輸出值。手工調(diào)整積分項前值時，必須小心謹慎，還應保證寫入的值在 之間 。 左 水箱 右 水箱液位控制系統(tǒng)圖如圖 52 所示，該系統(tǒng)中， 左 水箱液位作為副 23 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)對象， 右 水箱液位作為主調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)對象。液位是指密封容器或開口容器中 液位的高低，通過液位測量可知道容器中的原料、半成品或成品的數(shù)量，以便調(diào)節(jié)流入流出容器的物料，使之達到物料的平衡，從而保證生產(chǎn)過程順利進行。當位置反饋信號與輸入信號相等時，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，調(diào)節(jié)閥處于某一開度。 系統(tǒng)應用的是 西門子 S7200 系列的 PLC，其結(jié)構(gòu)簡單，使用靈活且易于維護。當輸入信號為階躍號時，對應的 PID 階躍響應實驗曲線圖如圖 54 圖 54 比例調(diào)節(jié)器 e? u? （ a） （ b） 圖 53比例調(diào)節(jié)器的實驗特性圖 0 0 0 + = t t t t e? Pu? Iu? PIu? 0 0 0 0 6 程序的編寫 主程序 此程序中首先是設定值 VD104 除以 50 傳送到 VD204 寄存器上，比例系數(shù)、采樣時間、積分時間、微分時間通過實數(shù)傳送指令傳送到寄存器上，這部分是主 控制器。在工具箱中提供了 8 種圖元稱為系統(tǒng)圖符對象。平時老師對我們的嚴格要求也起到了很大的作用，讓我們獨立自主的學習和研究，為我們在以后的工作中所將遇到的情況得到了充分的了解和認識，甚至可以說是為我們在將來的生活工作中端正了一種對待事情要認真、仔細、客觀的態(tài)度。正是因外有了你們的幫助，才讓 我不僅學到了本次課題所涉及的新知識，更讓我感覺到了知識以外的東西，那就是團結(jié)的力量。 這次設計我是在我們系的過程控制實驗室完成的，在這樣一個現(xiàn)代化的實驗室中，我學到了很多東西，在這里更加注重理論與實踐的結(jié)合，特此感謝學校為我們提供這次畢業(yè)設 計平臺。本文以通過雙溶水箱液位的 PID 控制為研究對象，在機理分析的基礎上，建立了雙溶水箱的數(shù)學模型；結(jié)合雙溶水箱的特點，研究了雙溶水箱在組態(tài)軟件及 PLC 的控制下的運行特點。鼠標雙擊“ Mcgs 組態(tài)環(huán)境”圖標，進入 MCGS 組態(tài)環(huán)境。當比例調(diào)節(jié)器的 pK 小于 1時，其比例調(diào)節(jié)器的實驗特 25 性圖為圖 53（ a）所示；當比例調(diào)節(jié)器的 pK 大于 1 時，其比例調(diào)節(jié)器的實驗特性圖為圖 53（ b）所示。當 Ii=If 時，電動機停止轉(zhuǎn)動，調(diào)節(jié)閥處于某一開度，即 Q=KIi，式中 Q 為輸出軸的轉(zhuǎn)角， K為比例常數(shù)。 主對象 副對象 執(zhí)行器 PID1 PID2 A/D D/A 主變送器 副變送器 A/D SP + —— —— PV e 圖 52 左右水箱控制方框圖 24 執(zhí)行單元 執(zhí)行單元是構(gòu)成自動控制系統(tǒng)不可缺少的重要組成環(huán)節(jié)，它接受來自調(diào)節(jié)單元的輸出信號，并轉(zhuǎn)換成直角位移或轉(zhuǎn)角位移，以改變調(diào)節(jié)閥的流通面積，從而控制流入或流出被控過程的物料或能量實現(xiàn)過程參數(shù)的自動控制。它有兩個 PID 回路，分別是PID1 和 PID2。 LT1LT3LT2驅(qū)動電路 水泵儲水箱儲水箱左水箱右水箱LC3 圖 51系統(tǒng)原理圖 當 左 水箱的液位小于設定值時，壓力變送器檢測到的信號小于設定值，設定值與反饋值的差就是 PID 調(diào)節(jié)器的輸入偏差信號。而且積分項前值也要限制在 之間，然后在每次 PID 運算結(jié)束之后。第一步是使用下面給出的公式，將回路輸出轉(zhuǎn)換成一個標定的實數(shù)值： RScal = ( nM 偏移量 ) * 跨度 其中： RScal 是回路輸出經(jīng)過標定的實數(shù)值 ； nM 是回路輸出標準化的實數(shù)值 ； 偏移量對于單極性值為 ，對于雙極性值為 ； 跨度值 域大小，可能的最大值減去可能的最小值 ； 對于單極性為 32,000 (典型值 )； 對于雙極性為 64,000 (典型值 )。 偏移量對于單極性為 。數(shù)字計算機處理的算式如下： 輸出 = 比例項 +微分項 ： )(11 ????????? ? nnDnxInPn eeKM in it ia leKeKM 其中： nM 是在采樣時刻 n， PID 回路輸出的計算值 ； PK 是回路增益 ； ne 是采樣時刻 n的回路誤差值 ； 1?ne 是回路誤差的前一個數(shù)值 (在采樣時刻 n1)； xe是采樣時刻 x 的回路誤差值 ； IK 是積分項的比例常數(shù) ； Minitial 是回路輸出的初始值 ； DK 是微分項的比例常數(shù) ； 從這個公式可以看出，積分項是從第 1 個采樣周期到當前采樣周期所有誤差項的函數(shù)。 Td 越大時，則它抑制偏差 e（ t）變化的作用越強； Td越小時，則它反抗偏差 e（ t）變化的作用達到最優(yōu)。在偏差出現(xiàn)的瞬間，或在偏差變化的瞬間，不但要對偏差量做出立即響應，而且要根據(jù)偏差的變化趨勢預先給出適當?shù)募m正。 積分部分的數(shù)學表達如公式（ 2）可見： 積分部分表達式（ 2） 從積分部分的數(shù)學表達式可以知道，只要存在偏差，則它的控制作用就不斷的增加；只有在偏差 e（ t）＝ 0 時，它的積分才能是一個常數(shù)，控制作用才是一個不 會增加的常數(shù)。 17 4 控制規(guī)律 控制規(guī)律選擇 本設計采用的是工業(yè)控制中最常用的 PID 控制規(guī)律，內(nèi)環(huán)與外環(huán)的控制算法采用 PID 算法， PID 算法實現(xiàn)簡單，控制效果好，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，外環(huán) PID的輸出作為內(nèi)環(huán)的輸入，內(nèi)環(huán)跟隨外環(huán)的輸出。但是串級控制系統(tǒng) 和單回路系統(tǒng)相比，在結(jié)構(gòu)上從對象中引入一個中間變量（副變量）構(gòu)成一個回路，因此具有一系列的特點。容量時延可用作圖法求得，即通過 2h 響應曲線的拐點 D 作切線，與時間 1/C1s 1/R2 1/C2s 1/R3 — — — 圖 229 雙容過程方框圖 13 軸相交與 A，與 2 h 相交與 C， C 點在時間軸上的投影 B， OA即為容量時延時間 Ct ，AB 即為過程的時間常數(shù) T。 現(xiàn)在 ，以具有自衡能力的雙容過程為例，來討論其建立數(shù)學模型的方法。水流入量Qi 由調(diào)節(jié)閥 u控制，流出量 Qo則由用戶通過閘板來改變。 I/O 接線圖 圖 212 I/O接線示意圖 信號間的轉(zhuǎn)換關(guān)系 壓力變送器檢測水箱壓力在 0～ 5000pa 范圍內(nèi)，經(jīng)過壓力變送器轉(zhuǎn)換成 1～ 5V模擬量電壓信號，經(jīng)過模擬信號接口輸送給 EM235 擴展模塊； 1～ 5V 模擬量信號經(jīng)過 EM235 轉(zhuǎn)換成 6400～ 32020 數(shù)量信號，再將其輸送到 PLC 中；經(jīng)過程序控制，對應 0～ 50cm 水箱水位。 （ 3）診斷電源、 PLC內(nèi)部電路工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯誤。因此 S7200 系列具有極高的性能 /價格比。 （ 2）在液位控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)閥是否與所控制的液體發(fā)生化學反應等，直接的影響到控制結(jié)果。監(jiān)控組態(tài)軟件在新型的工業(yè)自動控制系統(tǒng)起到越來越重要 的作用。 PLC保持了靈活、可靠和高性價比的優(yōu)勢。 PLC 進一步融合 OCS技術(shù)，發(fā)展到 PAC（ Programmable Automation Controller）。 PLC 的網(wǎng)絡能力從無到有，今天已經(jīng)非常強 大。智能化是過程控制的發(fā)展必然趨勢，對工業(yè)的發(fā)展有十分重要而現(xiàn)實的意義。雙溶水箱 液位的控制作為過程控制的一種，由于其自身存在滯后，對象隨負荷變化而表現(xiàn)非線性特性及控制系統(tǒng)比較復雜的特點，傳統(tǒng)的控制不能達到滿意的控制效果。對西門子 S7200 系列 可編程控制器的硬件 進行掌握。進行了 PID 參數(shù)的整定及各個參數(shù)的控制性能的比較 。以 PLC、組態(tài)軟件為單元，可以組成從簡單到復雜的各種工業(yè)控制系統(tǒng)。 4 PLC 的發(fā)展概況及趨勢 PLC 的發(fā)展是提高生產(chǎn)力的要求推動的。通過網(wǎng)絡，可以實現(xiàn)分散控制，降低安裝成本，提高集成度。 PAC 可以方便的和企業(yè)網(wǎng)集成，實現(xiàn)信息化工廠。同時在標準化和開放性方面有了長足的進步得到很多用戶的喜愛和使用。通?？梢园呀M態(tài)軟件系統(tǒng)劃分為控制層、監(jiān)控層、管理層三個層次結(jié)構(gòu)。 （ 3）控制方案的選取，一個好的方案會讓系統(tǒng)更加完美，所以方案的選取也非 常重要。 S7200 系列在集散自動化系統(tǒng)中充分發(fā)揮其強大功能。 在 PLC 進入運行狀態(tài)后，從存儲器中逐條讀去用戶程序，按指令規(guī)定的任務，產(chǎn)生相應的控制信號，去起閉有關(guān)控制電路。 本設計應用到水箱壓力在 0～ 2020pa 之間，經(jīng)過壓力變送器轉(zhuǎn)換成電壓信號為 1～ ，經(jīng)過 EM235 轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號 6400～ 16640，其對應的水箱 水位在 0～20cm 之間。被調(diào)量為下水位 H。 圖 223（ a）所示為兩只水箱串聯(lián)工作的雙容過程。對與無自衡能力的雙容過程，可見圖 2210，圖中，被控量為 2h ，輸入量 為 1Q 。串級控制系統(tǒng)的主要優(yōu)點由： 發(fā)生在副回路的干擾，在影響主回路之前即可由副控制器加以校正； 副回路的存在，使副對象的相位滯后對控制系統(tǒng)的影響減小，從而改善了主回路的響應速度； 串級系統(tǒng)對副對象及調(diào)節(jié)閥特性的變化具有較好的魯棒性； 16 副回路可以按照主回路的需要對于質(zhì)量流實施精確的控制。在工程實際中，應用最為廣泛的調(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)?？梢?，積分部分可以消除系統(tǒng)的偏差。為了實現(xiàn)這一作用，可在 PI 控制的基礎上加入微分環(huán)節(jié)，形成 PID 控制器。 所以 PID 調(diào)節(jié)器的數(shù)學描述如公式 (4)可見： PID數(shù)學描述式 (4) 西門子 S7200 系列 PLC 中 PID 指令的使用 比例積分微分指令即 PID 指令其指令格式如下： 19 PID 指令用的算術(shù)表達式為： 輸出值 )( 1 ????? dtTdtdTKK IDDP ??? 上式中 ? 表示誤差。微分項是當前采樣和前一次采樣的函數(shù)，比例項僅是當前采樣的函數(shù)。 對于雙極性為 。 變量的范圍 過程變量和設定值是 PID 運算的輸入值。把積分項前值寫入回路表，以備在下次 PID 運算中使用。經(jīng)過運算后即輸出控制信號給電動調(diào)節(jié)閥，使其開度增大，以使通道里的水流量變大，增加水箱里的儲水量，液位升高。 PID1 為外環(huán)，控制下水箱的液位，它的輸出值作為 PID2 的設定值，PID2 控制上水箱的液位。 執(zhí)行器的工作原理，由執(zhí)行機構(gòu)和調(diào)節(jié)機構(gòu)（調(diào)節(jié)閥）兩部分組成。電動調(diào)節(jié)閥還提供手動操作，它的上部有個手柄，和軸連在一起，在系統(tǒng)掉電時