【正文】 )，引起編譯失敗。 當(dāng)上水箱的液位小于設(shè)定值時(shí)，壓力變送器檢測(cè)到的信號(hào)小于設(shè)定值，設(shè)定值與反饋值的差就是 PID 調(diào)節(jié)器的輸入偏差信號(hào)。 在這里，執(zhí)行機(jī)構(gòu)仍然是電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，依舊由 PLC 經(jīng)過 PID 算法后控制它的開度以控制水管里的水流量，控制兩個(gè)水箱的水位。系統(tǒng)中用到的液位變送器是浙江浙大中控自動(dòng)化儀表有限公司生產(chǎn)的中控儀表 SP0018G 壓力變送器，屬于靜壓力式液位變送器，量程為 0~10KPa，精度為 %? ，由 24V直流電源供電，可以從 PLC 的電源中獲得，輸出為 4~20mA直流，接線如圖 43 所示。 執(zhí)行單元 執(zhí)行單元是構(gòu)成自動(dòng)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(hào)，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(shí)現(xiàn)過程參數(shù)的自動(dòng)控制。校正時(shí)打開中繼箱蓋，即可進(jìn)行調(diào)整，左邊的 (Z)為調(diào)零電位器，右邊的 (R)為調(diào)增益電位器。 圖 42 系統(tǒng)配置圖 1上水箱壓力變送器 2下水箱壓力變送器 3模入單元 4模出單元 5回路控制板 6CPU 單元 7電動(dòng)調(diào)節(jié)閥 硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)包括檢測(cè)單元、執(zhí)行單元和控制單元的設(shè)計(jì)，他們互相連接，組成一個(gè)完整的系統(tǒng)。 其中 SP 為給定信號(hào)，由用戶通過計(jì)算機(jī)設(shè)定，PV為控制變量，它們的差是 PID 調(diào)節(jié)器的輸入偏差信號(hào)，經(jīng)過 PLC 的 PID 程序運(yùn)算后輸出，調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)經(jīng)過 PLC 的 D/A 轉(zhuǎn)換成 4~20mA 的模擬電信號(hào)后輸出到電動(dòng)調(diào)節(jié)閥中調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥的開度，以控制水的流量，使水箱的液位保持設(shè)定值。因?yàn)橛袃蓚€(gè)水箱，所以把它分成兩個(gè)部分來分別設(shè)計(jì)。 2) 令上一次的過程變量 )( 1?nPV =過程變量的當(dāng)前值 )( nPV 。 MX 也應(yīng)限制在 ~ 之間，每次 PID 運(yùn)算結(jié)束時(shí)，將 MX 寫入回路表，供下一次 PID 運(yùn)算使用。選擇作用或反作用的原則是保證系統(tǒng)是負(fù)反饋而不是正反饋?？捎孟旅娴墓綄?duì)給定值及過程變量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化： setP a nR a wN o rm Of fSRR ?? )/( (31) 式中， RNorm是標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)數(shù)化實(shí)數(shù)值； RRaw 是標(biāo)準(zhǔn)化前的原始值或?qū)崝?shù)值；偏移量 Offset 對(duì)單極性變量為 ，對(duì)雙極性變量取 ；取值范圍 Span 等于變量的最大值減去最小值，單極性變量的典型值為 32 000，雙極性變量的典型值為 64 000。在上述情況下，都需要用戶自己編制 PID 控制程序。從提高系統(tǒng)控制品質(zhì)出發(fā)，控制度可選小些，但就系統(tǒng)的穩(wěn)定性看，控制度宜選大些。下面就對(duì)擴(kuò)充臨界比例法進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。一個(gè)閉環(huán)在里面，被稱為副環(huán)或者副回路，在控制中起著粗調(diào)的作用；一個(gè)環(huán)在外面，被稱為主環(huán)或主回路，用來完成細(xì)調(diào)任務(wù)，以最終保證被調(diào)量滿足工藝要求。 串級(jí)控制系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)框圖如圖 33 所示。所以 PI調(diào)節(jié)是在稍微犧牲控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)以換取較好的穩(wěn)態(tài)性能。在 I調(diào)節(jié)中，調(diào)節(jié)器的輸出與偏差信號(hào)的積分成正比。 比例調(diào)節(jié)的殘差隨比例帶的加大而加大，從這方面考慮，人們希望盡量減小比例帶。 比例控制與其調(diào)節(jié)過程 比例作用實(shí)際上是一種線性放大 (縮小 ) 功能。 數(shù)字 PID控制器的輸出控制量 M(n)送給 D/A轉(zhuǎn)換器，它首先將 M(n)保存起來，再把 M(n)轉(zhuǎn)換成模擬量 (4～ 20mADC)，然后作用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)，直到下一個(gè)控制時(shí)刻到來為止，因此 D/A轉(zhuǎn)換器具有零階保持器的功能。 15 圖 32 P、 PI、 PID 調(diào)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線 為了方便計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn) PID控制算式，必須把微分方程式 (31)改寫成差分，作如下的近似，即 ?? ?? njt jTeedt 00 )( (32) T nenedtde )1()( ??? (33) 其中 T為控制周期， n為控制周期序號(hào) (n=0， 1， 2，圖中 ??tsp 是給定值， ??tpv 為反饋量，??tc 為系統(tǒng)輸 出量， PID 控制器的輸入輸出關(guān)系式為： ? ? in itia lDtICMdtdeTe dtTeKtM ????????? ??? ? /1 0 (31) 即輸出 =比例項(xiàng) +積分項(xiàng) +微分項(xiàng) +輸出初始值，式中， )(tM 是控制器的輸出，誤差信號(hào) ? ? ? ? ? ?tpvtspte ?? , initialM 是回路輸出的初始值， CK 是 PID 回路的增益 ，IT 和 DT 分別是積分時(shí)間和微分時(shí)間常數(shù)。 表 25 二階雙容下水 箱對(duì)象特性實(shí)驗(yàn)第一次穩(wěn)定后的紀(jì)錄值 PLC 輸出值 水箱水位高度 h1 組態(tài)顯示值 0~100 cm cm 54 迅速增加 PLC 手動(dòng)輸出值，增加 10%的輸出量，這時(shí)的階躍響應(yīng)過程參數(shù)如表 26 所示，它的過程變化曲線如圖 211 所示。被調(diào)量變化的反應(yīng)曲線如圖 210 所示的 Δh2曲線。 表 21 第一次穩(wěn)定后的紀(jì)錄值 PLC 輸出值 水箱水位高度 h1 組態(tài)顯示值 0~100 cm cm 46 迅速增加 PLC 手動(dòng)輸出值，增加 5%的輸出量，此引起的階躍響應(yīng)的過程參數(shù)如表 22 所示。出水閥 4 固定于某一開度值。輸出電壓允許范圍 20( %5? )V，最大上升時(shí)間 ，最大殘留紋波 150mV， PS 307 可安裝 在導(dǎo)軌上，除了給 S7300 供電，也可給 I/O 模塊提供負(fù)載電源。系統(tǒng)選用 124 ?AO 的模出模塊，其端子接線圖如圖 22 所示。 SM 331 可選用 4 檔積分時(shí)間： 、 、 20 和 100ms，相對(duì)應(yīng)的以位表示的精度： 1 1 14。 4) MERS：該位置瞬間接通，用以清除 CPU 存儲(chǔ)器。 CPU掃描用戶程序，既可以用編程裝置從 CPU 4 中讀出，也可以由編程裝置裝入 CPU中，用編程裝置可以監(jiān)控程序的運(yùn)行。 （ 2） 通用，著眼未來 ? 滿足各種要求的高性能模塊和三種 CPU適用于任一場(chǎng)合。當(dāng)系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)大和更為復(fù)雜的時(shí)候，可以增加模塊，對(duì) PLC 進(jìn)行擴(kuò)展。另一方面，某新控制技術(shù)的發(fā)展要求更精確的 PID 控制，從而刺激了 PID 控制器設(shè)計(jì)與參數(shù)整定技術(shù)的發(fā)展。常見的智能控制方法有以下幾種：模糊控制、分級(jí)遞階智能控制、專家控制、人工 神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制、擬人智能控制等。 2 (2) 預(yù)測(cè)控制 預(yù)測(cè)控制是直接從工業(yè)過程控制中產(chǎn)生的一類基于模型的新型控制算法。 9) 擴(kuò)展時(shí)原系統(tǒng)改變最小。 20 世紀(jì) 60 年代末，美國汽車制造工業(yè)競(jìng)爭(zhēng)激烈，為適應(yīng)生產(chǎn)工藝不斷更新的需要， 1968 年美國通用汽車公司 (GM)提出了研制新型邏輯順序控制裝置的十項(xiàng)招標(biāo)指標(biāo)。 可編程邏輯控制器實(shí)質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計(jì)算機(jī)相同，基本構(gòu)成 為： 電源 、 中央處理單元 (CPU)、 存儲(chǔ)器 、 輸入輸出接口電路 、 功能模塊 、 通信模塊 。基于 S7300 PLC的編程軟件 ,采用模塊化的程序設(shè)計(jì)方法，大量采用代碼重用，減少軟件的開發(fā)和維護(hù) 。 （ 3）采樣時(shí)間 Ts=；積分時(shí)間 Ti=30S；微分時(shí)間 Td=0S。但是繼電器控制系統(tǒng)具有明顯的缺點(diǎn)：設(shè)備體積大、可靠性低、故障查找困難以及維修不方便。 5) 數(shù)據(jù)可直接送入管理計(jì)算機(jī)。它采用可編程序的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。目前，比較成熟的自適應(yīng)控制分三類： A、自整定調(diào)節(jié)器及其它簡(jiǎn)單自適應(yīng)控制器； B、模型參考自適應(yīng)控制； C、自校正調(diào)節(jié)與控制。在革新階段，PID 控制器已經(jīng)發(fā)展成一種 最魯棒的、 可靠的、易于應(yīng)用的控制器。 3 2 S7300 中小型 PLC 和控制對(duì)象介紹 西門子 PLC 控制系統(tǒng) 西門子的中小型 PLC S7300 系列采用模塊式結(jié)構(gòu)，用搭積木的方法來組成系統(tǒng)。 S7300 系列 PLC 的主要特點(diǎn)是： （ 1） 功能強(qiáng) ? 極強(qiáng)的計(jì)算性能，完善的指令集， MPI 接口和通過 SIMECLAMS 聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)功能， 使 S3300 功能更強(qiáng)。 CPU 313 是具有更大存儲(chǔ)器、低成本的解決方案。 3) STOP：停止方式。 圖 21 SM 331 端子接線圖 SM 331 模入模塊主要由 A/D 轉(zhuǎn)換部件、模擬切換開關(guān)、補(bǔ)償電路、恒流源、光電隔離元件、邏輯電路組成。不用的通道要在組態(tài)軟件中屏蔽掉，以免受干擾。系統(tǒng)選用10A 的電源模塊。畢業(yè)設(shè)計(jì)運(yùn)用直角坐標(biāo)圖解法確定系統(tǒng)一階系統(tǒng)的參數(shù)。 在一階單容上水箱對(duì)象特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，先設(shè)定輸出值的大小，這個(gè)值根據(jù)出水閥門的開度大小來設(shè)定，初次設(shè)定的值為 46。 )(6 3 ??? hT 86)0()()( 00 ?????? R hhRhK 二階雙容下水箱對(duì)象特性 二階雙容水箱的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 29。由式中的 K、 T1和 T2須從由實(shí)驗(yàn)求得的階躍響應(yīng)曲線上求出。對(duì)于式 (26)所示的二階過程，t1/t2?？梢钥闯霰壤e分微分作用效果為最佳，能迅速地使 T(s)達(dá)到設(shè)定值 1。如果控制周期 T與被控對(duì)象時(shí)間常數(shù) TD比較是相對(duì)小的，那么這種近似是合理的，并與連續(xù)控制十分接近。采用平移法保存這些數(shù)據(jù)。 ? 具有重要的物理意義。 ? 的臨界值可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定。 PI調(diào)節(jié)就是綜合 P、 I兩種調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)，利用 P調(diào)節(jié)快速抵消 干擾，同時(shí)利用 I調(diào)節(jié)消除余差。但是在有些情況下，例如有些被控過程的動(dòng)特性決定了它很難控制，又例如有些工藝過程對(duì)控制質(zhì)量的要求很高，此時(shí)單回路控制系統(tǒng)就滿足不了要求，需要開發(fā)和運(yùn)用新的控制系統(tǒng)，以進(jìn)一步提高控制 質(zhì)量。控制方框圖如圖 34所示。反復(fù)調(diào)試直到滿意為止?？刂贫染褪且阅M調(diào)節(jié)器為基礎(chǔ)，定量衡量系統(tǒng)與模擬調(diào)節(jié)器對(duì)同一對(duì)象的控制效果。但這種模塊的價(jià)格昂貴，一般在大型系統(tǒng)中使用。 ? 回路輸入的轉(zhuǎn)換與標(biāo)準(zhǔn)化 轉(zhuǎn)換的第一步是將給定值或 A/D轉(zhuǎn)換后的整數(shù)值由 16 位整數(shù)轉(zhuǎn)換成浮點(diǎn)數(shù)。這一部用下式將回路輸出轉(zhuǎn)換成實(shí)數(shù)： Spano ffsetMR nS ca l ??? )( 式中， RScal 是回路輸出對(duì)應(yīng)的實(shí)數(shù)值， Mn 是回路輸出標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)數(shù)值， Offset與 Span 與上述的定義相同。 如果使用積分控制，上一次的積分值 MX(積分和 )要根據(jù) PID 運(yùn)算的結(jié)果來更新，更新后的數(shù)值作為下一次運(yùn)算的輸入。 PID 指令中的 TBL 是回路表的起始地址， LOOP 是回路編號(hào) (見圖 35)， PID 指令有一個(gè)能流記憶位，用該位檢測(cè)到 EN 端的能流從0 到 1 正跳變時(shí)，指令將執(zhí)行一系列的操作，使 PID 從手動(dòng)方式切換到自動(dòng)方式。 PID 指令對(duì)回路表中的某些輸入值不進(jìn)行范圍檢查，應(yīng)保證過程變量不超限。經(jīng)過運(yùn)算后即輸出控制信號(hào)給電動(dòng)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(chǔ)水量，液位升高。它有兩個(gè) PID 回路，分別是PID1和 PID2。 圖 43 壓力變送器的接線圖 26 接線說明：傳感器為二線制接法，它的端子位于中繼箱內(nèi)，電纜線從中繼箱的引線口接入，直流電源 24V+接中繼箱內(nèi)正端 (+)，中繼箱內(nèi)負(fù)端 (— )接負(fù)載電阻的一端，負(fù)載電阻的另一端接 24V。 執(zhí)行器的工作原理見圖 45，由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) (調(diào)節(jié)閥 )兩部 分組成。 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)。 整個(gè)系統(tǒng)的配置如圖 42 所示。 系統(tǒng)的控制框圖如 圖 41 所示。 表 32 PID 指令的回路表 偏移地址 變量 格式 類型 描述 0 過程變量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 上一次過程變量 PVn1 雙字實(shí)數(shù) 輸入 /輸出 最近一次運(yùn)算的過程變量值 24 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。 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)方式無擾動(dòng)地切換到自動(dòng)方式： 1) 令給定值 ( nSP )=過程變量 )( nPV 。 通過調(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。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