【正文】 塊的 PID控制程序是可編程控制器生產廠家設計的，并存放在模塊中，用戶在使用時只需設置一些參數(shù)，使用起來非常方便，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，然后對系統(tǒng)加一定擾動，如改變設定值，再觀察調節(jié)量的變化過程，若得不到滿意的性能，則重選一組數(shù)據(jù)。 串級控制 在大多數(shù)情況下，單回路控制系統(tǒng)能夠滿足工藝生產的基本要求。 ? 有一個臨界值，此時系統(tǒng)處于穩(wěn)定邊界的情況，進一步減小 ? 系統(tǒng)就不穩(wěn)定了。 計算 ΔM(n)和 M(n)要用到第 (n－ 1)， (n－ 2)時刻的歷史數(shù)據(jù) e(n－ 1)， e(n－ 2)和M(n－ 1)，這三個歷史數(shù)據(jù)也已在前時刻存于內存儲器中。圖 32 所示分別為當設定值由 0 突變到 1 時，在比例 (P)作用、比例積分 (PI)作用和比例積分 微分 (PID)作用下，被調量 T(s)變化的過渡過程。 設上水箱進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)物料動態(tài)平衡關系，并考慮到液體傳輸過程中的時延，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 t=0 作曲線切線，該切線與 h(∞ )線交于一點，則這段切線在時間軸上的投影即為時間常數(shù) T，見圖 26。 6 圖 23 通過 4 線回路將負載與隔離的模出模塊連接 電源模塊 PS 307 電源模塊是西門子公司為 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。它內置 20KB RAM，最大可擴展 256KB FLASHEPROM 存儲卡，有 12KB 隨機存儲器，位操作、字操作、定時加、浮點加時間分別為 、 2s、 3s、 60s，最大模擬量 I/O 通道數(shù)為 32 個，最大配置 1個機架 8 塊模塊，使用的是軟件時鐘，有定時器 64 個，位存儲器 2048bit，可用模塊：組織塊 (OB)13 個，功能塊 (FB)128 個，功能調用 (FC)128 個，數(shù)據(jù)塊 (DB)127個，系統(tǒng)數(shù)據(jù)塊 (SDB)6 個，系統(tǒng)功能塊 (SFC)34 個，系統(tǒng)功能塊 (SFB)沒有。 論文的研究內容 本文的主要內容包括：水箱的特性確定與實驗曲線分析， S7300 可編程控制器的硬件掌握， PID 參數(shù)的整定及各個參數(shù)的控制性能的比較，應用 PID 控制算法所得到的實驗曲線分析，整個系統(tǒng)各個部分的介紹和應用 PLC 語句編程來控制水箱水位。它是辨識與控制的結合。 4) 體積小于繼電器控制盤。 （ 2） 在本系統(tǒng)中，只用比例積分控制，確定增益和時間常數(shù)為：增益 Kc=。 針對雙容水箱普遍存在容積延 遲問題和傳統(tǒng) PID 單回路控制難于達到控制要求的特點，提出了基于串級技術和 PLC 控制器的雙容液位控制系統(tǒng) 。 10) 用戶存儲器大于 4KB。這些智能控制方法各有千秋，但又存在各自的不足 ， 它們相互交叉結合或與傳統(tǒng)的控制方法結合將會產生更佳的效果。簡單實用的分布式結構和強大的通信聯(lián)網能力，使其應用十分靈活。在此位置鑰匙不能拔出。SM 331 的 8 個模擬量輸入通道共用一個積分式 A/D 轉換部件。 圖 24 PS 307 電源模塊 (10A)基本電路圖 7 控制對象特性 一階單容上水箱特性 單容水箱系統(tǒng)結構圖如圖 25 所示，電動調節(jié)閥由 S7300PLC 手動輸出，通 圖 25 上水箱液位控制系統(tǒng)原理圖 過階躍響應測試確定系統(tǒng)的對象模型的各參數(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)的過程變化曲線 進入新的平衡狀態(tài)，這時的數(shù)據(jù)如表 27 所示。比例調節(jié)的顯著特點是有差調節(jié)，如果采用比例調節(jié)，則在負荷的擾動下調節(jié)過程結束后，被調量不可能與設定值準確相等，它們之間一定有殘差。 I調節(jié)的特點是無差調節(jié)，與 P調節(jié)的有差調節(jié)成鮮明對比。 圖 33 一般串級控制系統(tǒng)框圖 串級控制系統(tǒng)與簡單控制系統(tǒng)的顯著區(qū)別是，串級控制系統(tǒng)在結構上形成兩個閉環(huán)，一個閉環(huán)在里面，稱為副環(huán) (或副回 路 )，它的輸出送往調節(jié)閥直接控制生產過程。 擴充臨界比例法的具體方法如下： （ 1） 選擇一個足夠短的采樣周期 minT 。 回路的輸入輸出變量的轉換 和標準化 PID 回路有兩個輸入量，即給定值 (SP)和過程變量 (PV)。 變量的范圍 過程變量與給定值是 PID 運算的輸入值，在回路表中它們只能被 PID 指令讀取而不能改寫。 3) 令積分和 )(MX =輸出值 ( nM )。水箱的液位經過壓力變送器檢測轉換成相關的電信號輸入到 PLC 的輸入接口，再經過 A/D 轉換成控制量 PV，給定值 SP 與控制量 PV 經過 PLC 的 CPU的減法運算成了偏差信號 e ,又輸入到 PID 調節(jié)器中，又開始了新的調節(jié)。 圖 44 壓力變送器工作原理圖 壓力變送器的工作原理見圖 44。 液位變送器分為浮力式、靜壓力式、電容式、應變式、超聲波式、激光式、放射性式等。單相泵正常運行，打開閥 1 和閥 2，打開上水箱的出水閥，電動調節(jié)閥以一定的開度來控制進入水箱的水流量，調節(jié)手段是通過將壓力變送器檢測到的電信號送入 PLC中，經過 A/D 變換成數(shù)字信號 ，送入數(shù)字 PID 調節(jié)器中，經 PID 算法后將控制量經過 D/A轉換成與電動調節(jié)閥開度相對應的電信號送入電動調節(jié)閥中控制通道中的水流量。回路表內的過程變量的差值用于PID 計算的微分部分，用戶不應修改它。將回路輸出送給 D/A 轉換器之前，必須轉換成 16 位二進制整數(shù)。 5) 按所求的系統(tǒng)參數(shù)運行，觀察 系統(tǒng)的運行情況，得到一個滿意的曲線。而且這些參數(shù)選定，多都是憑經驗，在現(xiàn)場調試中具體確定。 由于被調量的變 化速度 (包括大小和方向 )可以反映當時或稍前一些時間流入、流出量間的不平衡情況，因此，如果調節(jié)器能夠根據(jù)被調量的變化速度來移動調節(jié)閥，而不要等被調量已經出現(xiàn)較大的偏差后才開始動作，那么調節(jié)的效果將會更好，等于賦予調節(jié)器以某種預見性，這種調節(jié)動作稱為微分調節(jié)。 ? 很大意味著調節(jié)閥的動作幅度很小，因此被調量的變化比較平穩(wěn)，甚至沒有超調，但殘差很大，調節(jié)時間也很長；減小 ? 就加大了調節(jié)閥的動作幅度，引起被調量來回波動，但系統(tǒng)仍可能是穩(wěn)定的，殘差相應減小。因此第 n時刻的實際控制量為 )()1()( nMnMnM ???? (37) 其中 M(n－ 1)為第 (n－ 1)時刻的控制量。需要較好的動態(tài)品質和較高的穩(wěn)態(tài)精度時，可以選用 PI 控制方式；控制對 31 模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng) 象的慣性滯后較大時，應選擇 PID 控制方式。在圖中 S 型曲線的拐角 P 上作切線，它在時間軸上截出一段時間 OA，這段時間可以近似地衡量由于多了一個容量而使飛升過程向后推遲的程度，因此稱容量滯后，通常以τ c代表之。 當 t=T 時， 有 ）（）（）（ ??????? ? hKReKRTh 632063201 010 (24) 即 )1()( 0 TteKRth ??? (25) 當 t→∞時， 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，它與負載的接線如圖 23 所示。 SM 331 模擬量輸入 [簡稱模入 (AI)] 模塊目前有三種規(guī)格型號，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) 適應性強，可 以廣泛應用于化工、熱工、冶金、煉油以及造紙、建材等 3) 魯棒性強，即其控制品質對被控對象特性的變化不大敏感。 (3) 自適應控制 在過程工業(yè)中，不少的過程是時變的， 如采用參數(shù)與結構固定不變的控制器，則控制系統(tǒng)的性能會不斷惡化，這時就需要采用自適應控制系統(tǒng)來適應時變的過程。 3) 可靠性高于繼電器控制裝置。 技術參數(shù)：（ 1） 利用定時中斷功能實現(xiàn) PID 控制的定時采樣及輸出控制。 系統(tǒng)根據(jù)雙容水箱的數(shù)學模型，采用微分先行的串級控制技術、 PLC 控制器、MCCS 軟件組態(tài)實現(xiàn)了雙容水箱液位的高精度控制和實時顯示 本文的主要內容包括：水箱的特性確定與實驗曲線分析， S7300 可編程控制器的硬件掌握， PID 參數(shù)的整定及各個參數(shù)的控制性能的比較，應用 PID 控制算法所得到的實驗曲線分析，整個系統(tǒng)各個部分的介紹和應用 PLC 語句編程來控制水箱水位。 這些實際上提出了將繼電器控制的簡單移動、使用方便、價格低的優(yōu)點與計算機的功能完善、靈活性、通用性好的優(yōu)點結合起來，將繼電接觸器控制的硬連線邏輯轉變?yōu)橛嬎銠C的軟件邏輯編程的設想。 PID 控制的歷史和發(fā)展現(xiàn)狀 PID 控制技術的發(fā)展可以分為兩個階段。 S7300 的 CPU模塊集成了過程控制功能，用于執(zhí)行用戶程序。 2) RUN：運行方式。 某一通道開始轉換模擬量輸入值起到再次開始轉換的時間是模入模塊的循環(huán)時間。階躍響應測試法是系統(tǒng)在開環(huán)運行條件下，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，通過調節(jié)器或其他操作器，手動改變對象的輸入信號 (階躍信號 )。 表 22 增加 PLC 手動輸出后的過程參數(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 進入新的平衡狀態(tài)，這時的數(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 再將輸出儀表調回到系統(tǒng)第一次平衡前的位置，紀錄階躍響應過程參數(shù)的曲線如圖 212 所示。采樣偏差一旦產生 ,控制器立即產生正比于偏差大小的控制作用 ,使被調量朝誤差減小方向變化 ,其作用大小通過比 例增益度量 ,比例增益大時響應速度快 ,穩(wěn)態(tài)誤差小 ,但會產生較大的超調或產生不穩(wěn)定 ,而 CK 過小會使響應速度緩慢 ,調節(jié)時間加長 ,調節(jié)精度降低。只有當偏差 e為零時， I調節(jié)器的輸出才會保持不變。串級控制只多了一個測量變送器，增加的儀表并不多，而控制效果卻得到了顯著的改善 。一般來說， minT 應小于對象延遲時間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值為 1，在啟動 CPU 或從 STOP 方式轉換到 RUN方式時它被置位。所以系統(tǒng)能實時地 調節(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，從而保證生產過程順利進行。系統(tǒng)原理圖如圖 25 所示。手工調整 MX 時必須嚴格小心，而且寫入回路表的 MX 必須是 ~ 之間的實數(shù)。 /R 64 //累加器中的實數(shù)標準化 +R //加上偏移值，使其在 ~ T MD100 //將標準化后的值存入回路表內 ? 回路輸出即 PID 控制器的輸出，它是 ~ 之間的實數(shù)。 4) 根據(jù)選定的控制度，查表 31，計算 T =3s， CK =893， IT =， DT =。 擴充臨界比例法 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。以上的比例調節(jié)和積分調節(jié)都是根據(jù)當時的偏差方向和大小進行調節(jié)的，不管被控對象中流入流出量之間有多大的不平衡，而這個不平衡正決定著此后被調量將如何變化的趨勢。穩(wěn)定性是任何閉環(huán)控制的首要要求，比例帶的設置必需保證系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定裕度 。 2. 增量型算式 第 (n1)時刻控制量 M(n－ 1)，即 ? ? i ni t i alDnjICMneneTTjeTTneKnM ??????? ??????? ??? )2()1