【正文】 塊的 PID控制程序是可編程控制器生產(chǎn)廠家設(shè)計(jì)的，并存放在模塊中，用戶在使用時(shí)只需設(shè)置一些參數(shù)，使用起來(lái)非常方便，一塊模塊可以控制記錄甚至幾十路閉環(huán)回路。一般是，先取一組數(shù)據(jù)，將系統(tǒng)投運(yùn)，然后對(duì)系統(tǒng)加一定擾動(dòng)，如改變?cè)O(shè)定值，再觀察調(diào)節(jié)量的變化過(guò)程，若得不到滿意的性能，則重選一組數(shù)據(jù)。 串級(jí)控制 在大多數(shù)情況下，單回路控制系統(tǒng)能夠滿足工藝生產(chǎn)的基本要求。 ? 有一個(gè)臨界值，此時(shí)系統(tǒng)處于穩(wěn)定邊界的情況，進(jìn)一步減小 ? 系統(tǒng)就不穩(wěn)定了。 計(jì)算 ΔM(n)和 M(n)要用到第 (n－ 1)， (n－ 2)時(shí)刻的歷史數(shù)據(jù) e(n－ 1)， e(n－ 2)和M(n－ 1)，這三個(gè)歷史數(shù)據(jù)也已在前時(shí)刻存于內(nèi)存儲(chǔ)器中。圖 32 所示分別為當(dāng)設(shè)定值由 0 突變到 1 時(shí)，在比例 (P)作用、比例積分 (PI)作用和比例積分 微分 (PID)作用下，被調(diào)量 T(s)變化的過(guò)渡過(guò)程。 設(shè)上水箱進(jìn)水口的流量為雙容水箱的輸入量，下水箱的高度 h2為輸出量，根據(jù)物料動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系，并考慮到液體傳輸過(guò)程中的時(shí)延，其傳遞函數(shù)為 seSTST KSGSQ SH ????????? )1)(1()()( )(2112 (26) 式中 K=R3， T1=R2C1， T2=R3C2， R R3分別為閥 5 和閥 6 的液阻， C1和 C2分別為上水箱和下水箱的容量系數(shù)。 過(guò) t=0 作曲線切線，該切線與 h(∞ )線交于一點(diǎn)，則這段切線在時(shí)間軸上的投影即為時(shí)間常數(shù) T，見(jiàn)圖 26。 6 圖 23 通過(guò) 4 線回路將負(fù)載與隔離的模出模塊連接 電源模塊 PS 307 電源模塊是西門(mén)子公司為 S7300 專配的 DC24V電源， PS 307 系列模塊除輸出額定電流不同外 (有 10A)，其工作原理和參數(shù)都一樣。系統(tǒng)選用了 128 ?AI 位模入模塊，其端子接線圖如圖 21 所示。它內(nèi)置 20KB RAM，最大可擴(kuò)展 256KB FLASHEPROM 存儲(chǔ)卡，有 12KB 隨機(jī)存儲(chǔ)器，位操作、字操作、定時(shí)加、浮點(diǎn)加時(shí)間分別為 、 2s、 3s、 60s，最大模擬量 I/O 通道數(shù)為 32 個(gè)，最大配置 1個(gè)機(jī)架 8 塊模塊，使用的是軟件時(shí)鐘，有定時(shí)器 64 個(gè)，位存儲(chǔ)器 2048bit，可用模塊：組織塊 (OB)13 個(gè)，功能塊 (FB)128 個(gè)，功能調(diào)用 (FC)128 個(gè)，數(shù)據(jù)塊 (DB)127個(gè)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)塊 (SDB)6 個(gè)，系統(tǒng)功能塊 (SFC)34 個(gè)，系統(tǒng)功能塊 (SFB)沒(méi)有。 論文的研究?jī)?nèi)容 本文的主要內(nèi)容包括：水箱的特性確定與實(shí)驗(yàn)曲線分析， S7300 可編程控制器的硬件掌握， PID 參數(shù)的整定及各個(gè)參數(shù)的控制性能的比較，應(yīng)用 PID 控制算法所得到的實(shí)驗(yàn)曲線分析，整個(gè)系統(tǒng)各個(gè)部分的介紹和應(yīng)用 PLC 語(yǔ)句編程來(lái)控制水箱水位。它是辨識(shí)與控制的結(jié)合。 4) 體積小于繼電器控制盤(pán)。 （ 2） 在本系統(tǒng)中，只用比例積分控制，確定增益和時(shí)間常數(shù)為：增益 Kc=。 針對(duì)雙容水箱普遍存在容積延 遲問(wèn)題和傳統(tǒng) PID 單回路控制難于達(dá)到控制要求的特點(diǎn)，提出了基于串級(jí)技術(shù)和 PLC 控制器的雙容液位控制系統(tǒng) 。 10) 用戶存儲(chǔ)器大于 4KB。這些智能控制方法各有千秋，但又存在各自的不足 ， 它們相互交叉結(jié)合或與傳統(tǒng)的控制方法結(jié)合將會(huì)產(chǎn)生更佳的效果。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。在此位置鑰匙不能拔出。SM 331 的 8 個(gè)模擬量輸入通道共用一個(gè)積分式 A/D 轉(zhuǎn)換部件。 圖 24 PS 307 電源模塊 (10A)基本電路圖 7 控制對(duì)象特性 一階單容上水箱特性 單容水箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 25 所示，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥由 S7300PLC 手動(dòng)輸出，通 圖 25 上水箱液位控制系統(tǒng)原理圖 過(guò)階躍響應(yīng)測(cè)試確定系統(tǒng)的對(duì)象模型的各參數(shù)。由此得到的 變化曲線如圖 27 所示。 表 25 輸出增加后的階躍響應(yīng)參數(shù) t(秒 ) 0 40 80 120 160 200 240 280 320 360 水箱水位h1(cm) 組態(tài)讀 數(shù)(cm) 12 圖 211 輸出值增加后的二階系統(tǒng)的過(guò)程變化曲線 進(jìn)入新的平衡狀態(tài)，這時(shí)的數(shù)據(jù)如表 27 所示。比例調(diào)節(jié)的顯著特點(diǎn)是有差調(diào)節(jié)，如果采用比例調(diào)節(jié)，則在負(fù)荷的擾動(dòng)下調(diào)節(jié)過(guò)程結(jié)束后，被調(diào)量不可能與設(shè)定值準(zhǔn)確相等，它們之間一定有殘差。 I調(diào)節(jié)的特點(diǎn)是無(wú)差調(diào)節(jié)，與 P調(diào)節(jié)的有差調(diào)節(jié)成鮮明對(duì)比。 圖 33 一般串級(jí)控制系統(tǒng)框圖 串級(jí)控制系統(tǒng)與簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的顯著區(qū)別是，串級(jí)控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上形成兩個(gè)閉環(huán)，一個(gè)閉環(huán)在里面，稱為副環(huán) (或副回 路 )，它的輸出送往調(diào)節(jié)閥直接控制生產(chǎn)過(guò)程。 擴(kuò)充臨界比例法的具體方法如下： （ 1） 選擇一個(gè)足夠短的采樣周期 minT 。 回路的輸入輸出變量的轉(zhuǎn)換 和標(biāo)準(zhǔn)化 PID 回路有兩個(gè)輸入量，即給定值 (SP)和過(guò)程變量 (PV)。 變量的范圍 過(guò)程變量與給定值是 PID 運(yùn)算的輸入值，在回路表中它們只能被 PID 指令讀取而不能改寫(xiě)。 3) 令積分和 )(MX =輸出值 ( nM )。水箱的液位經(jīng)過(guò)壓力變送器檢測(cè)轉(zhuǎn)換成相關(guān)的電信號(hào)輸入到 PLC 的輸入接口，再經(jīng)過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換成控制量 PV，給定值 SP 與控制量 PV 經(jīng)過(guò) PLC 的 CPU的減法運(yùn)算成了偏差信號(hào) e ,又輸入到 PID 調(diào)節(jié)器中，又開(kāi)始了新的調(diào)節(jié)。 圖 44 壓力變送器工作原理圖 壓力變送器的工作原理見(jiàn)圖 44。 液位變送器分為浮力式、靜壓力式、電容式、應(yīng)變式、超聲波式、激光式、放射性式等。單相泵正常運(yùn)行，打開(kāi)閥 1 和閥 2，打開(kāi)上水箱的出水閥，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥以一定的開(kāi)度來(lái)控制進(jìn)入水箱的水流量，調(diào)節(jié)手段是通過(guò)將壓力變送器檢測(cè)到的電信號(hào)送入 PLC中，經(jīng)過(guò) A/D 變換成數(shù)字信號(hào) ，送入數(shù)字 PID 調(diào)節(jié)器中，經(jīng) PID 算法后將控制量經(jīng)過(guò) D/A轉(zhuǎn)換成與電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度相對(duì)應(yīng)的電信號(hào)送入電動(dòng)調(diào)節(jié)閥中控制通道中的水流量。回路表內(nèi)的過(guò)程變量的差值用于PID 計(jì)算的微分部分，用戶不應(yīng)修改它。將回路輸出送給 D/A 轉(zhuǎn)換器之前，必須轉(zhuǎn)換成 16 位二進(jìn)制整數(shù)。 5) 按所求的系統(tǒng)參數(shù)運(yùn)行，觀察 系統(tǒng)的運(yùn)行情況，得到一個(gè)滿意的曲線。而且這些參數(shù)選定，多都是憑經(jīng)驗(yàn)，在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試中具體確定。 由于被調(diào)量的變 化速度 (包括大小和方向 )可以反映當(dāng)時(shí)或稍前一些時(shí)間流入、流出量間的不平衡情況，因此，如果調(diào)節(jié)器能夠根據(jù)被調(diào)量的變化速度來(lái)移動(dòng)調(diào)節(jié)閥，而不要等被調(diào)量已經(jīng)出現(xiàn)較大的偏差后才開(kāi)始動(dòng)作，那么調(diào)節(jié)的效果將會(huì)更好，等于賦予調(diào)節(jié)器以某種預(yù)見(jiàn)性，這種調(diào)節(jié)動(dòng)作稱為微分調(diào)節(jié)。 ? 很大意味著調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作幅度很小，因此被調(diào)量的變化比較平穩(wěn)，甚至沒(méi)有超調(diào)，但殘差很大，調(diào)節(jié)時(shí)間也很長(zhǎng)；減小 ? 就加大了調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作幅度，引起被調(diào)量來(lái)回波動(dòng)，但系統(tǒng)仍可能是穩(wěn)定的，殘差相應(yīng)減小。因此第 n時(shí)刻的實(shí)際控制量為 )()1()( nMnMnM ???? (37) 其中 M(n－ 1)為第 (n－ 1)時(shí)刻的控制量。需要較好的動(dòng)態(tài)品質(zhì)和較高的穩(wěn)態(tài)精度時(shí)，可以選用 PI 控制方式；控制對(duì) 31 模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng) 象的慣性滯后較大時(shí)，應(yīng)選擇 PID 控制方式。在圖中 S 型曲線的拐角 P 上作切線，它在時(shí)間軸上截出一段時(shí)間 OA，這段時(shí)間可以近似地衡量由于多了一個(gè)容量而使飛升過(guò)程向后推遲的程度，因此稱容量滯后，通常以τ c代表之。 當(dāng) t=T 時(shí)， 有 ）（）（）（ ??????? ? hKReKRTh 632063201 010 (24) 即 )1()( 0 TteKRth ??? (25) 當(dāng) t→∞時(shí)， h(∞ )=KR0，因而有 K=h(∞ )/R0=輸出穩(wěn)態(tài)值 /階躍輸入。 4 線回路的精度高，因此采用 4 線回路，它與負(fù)載的接線如圖 23 所示。 SM 331 模擬量輸入 [簡(jiǎn)稱模入 (AI)] 模塊目前有三種規(guī)格型號(hào)，即 128 ?AI 位模塊、 168 ?AI 位模塊和 122 ?AI 位模塊 。 CPU 模塊 系統(tǒng)選用的 CPU模塊為 CPU 313。 2) 適應(yīng)性強(qiáng)，可 以廣泛應(yīng)用于化工、熱工、冶金、煉油以及造紙、建材等 3) 魯棒性強(qiáng)，即其控制品質(zhì)對(duì)被控對(duì)象特性的變化不大敏感。 (3) 自適應(yīng)控制 在過(guò)程工業(yè)中，不少的過(guò)程是時(shí)變的， 如采用參數(shù)與結(jié)構(gòu)固定不變的控制器，則控制系統(tǒng)的性能會(huì)不斷惡化，這時(shí)就需要采用自適應(yīng)控制系統(tǒng)來(lái)適應(yīng)時(shí)變的過(guò)程。 3) 可靠性高于繼電器控制裝置。 技術(shù)參數(shù)：（ 1） 利用定時(shí)中斷功能實(shí)現(xiàn) PID 控制的定時(shí)采樣及輸出控制。 系統(tǒng)根據(jù)雙容水箱的數(shù)學(xué)模型，采用微分先行的串級(jí)控制技術(shù)、 PLC 控制器、MCCS 軟件組態(tài)實(shí)現(xiàn)了雙容水箱液位的高精度控制和實(shí)時(shí)顯示 本文的主要內(nèi)容包括：水箱的特性確定與實(shí)驗(yàn)曲線分析， S7300 可編程控制器的硬件掌握， PID 參數(shù)的整定及各個(gè)參數(shù)的控制性能的比較，應(yīng)用 PID 控制算法所得到的實(shí)驗(yàn)曲線分析，整個(gè)系統(tǒng)各個(gè)部分的介紹和應(yīng)用 PLC 語(yǔ)句編程來(lái)控制水箱水位。 這些實(shí)際上提出了將繼電器控制的簡(jiǎn)單移動(dòng)、使用方便、價(jià)格低的優(yōu)點(diǎn)與計(jì)算機(jī)的功能完善、靈活性、通用性好的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，將繼電接觸器控制的硬連線邏輯轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)的軟件邏輯編程的設(shè)想。 PID 控制的歷史和發(fā)展現(xiàn)狀 PID 控制技術(shù)的發(fā)展可以分為兩個(gè)階段。 S7300 的 CPU模塊集成了過(guò)程控制功能，用于執(zhí)行用戶程序。 2) RUN：運(yùn)行方式。 某一通道開(kāi)始轉(zhuǎn)換模擬量輸入值起到再次開(kāi)始轉(zhuǎn)換的時(shí)間是模入模塊的循環(huán)時(shí)間。階躍響應(yīng)測(cè)試法是系統(tǒng)在開(kāi)環(huán)運(yùn)行條件下，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，通過(guò)調(diào)節(jié)器或其他操作器，手動(dòng)改變對(duì)象的輸入信號(hào) (階躍信號(hào) )。 表 22 增加 PLC 手動(dòng)輸出后的過(guò)程參數(shù) t(秒 ) 0 40 80 120 160 200 240 280 320 360 水箱水位h1(cm) 組態(tài)讀數(shù)(cm) 9 圖 27 增加輸出值后的變化曲線 進(jìn)入新的平衡狀態(tài)，這時(shí)的數(shù)據(jù)如表 23 所示。 表 27 新的平衡狀態(tài)的數(shù)據(jù) PLC 輸出值 水箱水位高度 h1 組態(tài)顯示值 0~100 cm cm 64 再將輸出儀表調(diào)回到系統(tǒng)第一次平衡前的位置，紀(jì)錄階躍響應(yīng)過(guò)程參數(shù)的曲線如圖 212 所示。采樣偏差一旦產(chǎn)生 ,控制器立即產(chǎn)生正比于偏差大小的控制作用 ,使被調(diào)量朝誤差減小方向變化 ,其作用大小通過(guò)比 例增益度量 ,比例增益大時(shí)響應(yīng)速度快 ,穩(wěn)態(tài)誤差小 ,但會(huì)產(chǎn)生較大的超調(diào)或產(chǎn)生不穩(wěn)定 ,而 CK 過(guò)小會(huì)使響應(yīng)速度緩慢 ,調(diào)節(jié)時(shí)間加長(zhǎng) ,調(diào)節(jié)精度降低。只有當(dāng)偏差 e為零時(shí)， I調(diào)節(jié)器的輸出才會(huì)保持不變。串級(jí)控制只多了一個(gè)測(cè)量變送器，增加的儀表并不多，而控制效果卻得到了顯著的改善 。一般來(lái)說(shuō)， minT 應(yīng)小于對(duì)象延遲時(shí)間τ的 1/10。給定值通常是固定的值，如水箱液位的給定值。每次完成 PID 運(yùn)算后，都要更新回路表中的輸出值 Mn。 PID 的能流記憶位的默認(rèn)值為 1，在啟動(dòng) CPU 或從 STOP 方式轉(zhuǎn)換到 RUN方式時(shí)它被置位。所以系統(tǒng)能實(shí)時(shí)地 調(diào)節(jié)水箱的液位。大氣壓力為 PA，選定的零液位處壓力為 PB，零液位至液面高度為 H，其產(chǎn)生的壓差Δ P 為 gHPPP AB ????? (41) 式中，ρ為水的密度， g 為重力加速度。液位是指密封容器或開(kāi)口容器中液位的高低，通過(guò)液位測(cè)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(dá)到物料的平衡，從而保證生產(chǎn)過(guò)程順利進(jìn)行。系統(tǒng)原理圖如圖 25 所示。手工調(diào)整 MX 時(shí)必須嚴(yán)格小心，而且寫(xiě)入回路表的 MX 必須是 ~ 之間的實(shí)數(shù)。 /R 64 //累加器中的實(shí)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化 +R //加上偏移值，使其在 ~ T MD100 //將標(biāo)準(zhǔn)化后的值存入回路表內(nèi) ? 回路輸出即 PID 控制器的輸出，它是 ~ 之間的實(shí)數(shù)。 4) 根據(jù)選定的控制度，查表 31，計(jì)算 T =3s， CK =893， IT =， DT =。 擴(kuò)充臨界比例法 PID 控制參數(shù)的整定是先確定采樣周期 T，再比例系數(shù) Kc，然后為積分常數(shù)TI，再就是微分常數(shù) TD。以上的比例調(diào)節(jié)和積分調(diào)節(jié)都是根據(jù)當(dāng)時(shí)的偏差方向和大小進(jìn)行調(diào)節(jié)的，不管被控對(duì)象中流入流出量之間有多大的不平衡，而這個(gè)不平衡正決定著此后被調(diào)量將如何變化的趨勢(shì)。穩(wěn)定性是任何閉環(huán)控制的首要要求，比例帶的設(shè)置必需保證系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定裕度 。 2. 增量型算式 第 (n1)時(shí)刻控制量 M(n－ 1)，即 ? ? i ni t i alDnjICMneneTTjeTTneKnM ??????? ??????? ??? )2()1