【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨 著 時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例 +積分 (PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。 （ D）控制：在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。 自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。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 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 5 頁 的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零 時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入 “比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，這樣，具有比例 +微分的控制 器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例 +微分 (PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動(dòng)態(tài)特性。 ：根據(jù)采樣定理，采樣周期 (T≤ π/ω)max。從系統(tǒng)控制品質(zhì)的要求來看，希望采樣周期取小一些，這樣接近于連續(xù)控制，不僅控制效果好，而且可采用模擬 PID 控制參數(shù)的整定方法。采樣周期的選擇還應(yīng)考慮被控對(duì)象的時(shí)間常數(shù) TP 。 根據(jù)以上的分析，可見 PID 算法簡(jiǎn)單，參數(shù)調(diào)整方便，并且有一定的控制精度，所以在本項(xiàng)目中我們采用 PID 算法。 數(shù)字式 PID 控制算法 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，由于連續(xù)的模擬量不能被識(shí)別，只能通過模數(shù)轉(zhuǎn)換變成數(shù)字量。以一定的采樣周期對(duì)輸入量進(jìn)行定時(shí)采樣，得到每個(gè)采樣時(shí)刻的瞬時(shí)值。當(dāng)采樣周期比較短時(shí)，用求和代替積分、用后項(xiàng)差分代替微分，使模擬 PID 離散化變?yōu)椴罘址匠?。?shù)字式 PID 控制算法有兩種 : PID 位置型控制算法 為了便于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，可將積分項(xiàng)與微分項(xiàng)做如下處理見式 ()和 ()： ∫ e(t)to dt≈ T0∑ e(i)ki=0 () de(t)dt ≈ e(k)?e(k?1)T0 () 式中， T 為采樣周期， k 為采樣序號(hào)。從而可得位置型控制算法如式 ()： U(K)= Kp{e(k)+ T0TI∑ e(i)ki=0 + TDT0[e(k)? e(k? 1)]} () 式中 u(k)是第 K 次采樣時(shí)刻計(jì)算機(jī)的輸出；其中 KI = K0T0TI， 稱為積分系數(shù)； KD = KcTDT0， 稱為微分系數(shù)。 PID 增量型控制算法 所謂增量式 PID 是指數(shù)字控制器的輸出是控制器的增量△ u（ K）。當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的是控制量的增量 (例如驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī) )時(shí)，應(yīng)采用增量式 PID 控制。根據(jù)遞推原理，可 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 6 頁 得增量式 PID 控制算法見式 ()。 ?u(k)= u(k)?u(k ?1) = KP{[e(k)?e(k ?1)]+ T0TIe(k)+ TDT0[e(k)? 2e(k? 1)+e(k ?2)]} () 其中 :KP為比例增益， K 為積分時(shí)間常數(shù)， K0為微分時(shí)間常數(shù)。 PID 控制器的選擇 控制系統(tǒng)的屬性由技術(shù)過程和機(jī)器條件決定。因此，為了獲得良好的控制效果，必須選擇最適用的系統(tǒng)控制器。 、開關(guān)控制器： （ 1） 連續(xù)控制器，輸出一個(gè)線性（模擬）數(shù)值。 （ 2） 開關(guān)控制器，輸出一個(gè)二進(jìn)制（數(shù)字）數(shù)值。 ： 使用設(shè)定固定數(shù)值進(jìn)行的過程控制，只是偶爾修改一下參考變量，過程偏差的控制。 ： 控制器串行連接控制。第一個(gè)控制器（主控制器）決定了串行控制器（從控制器）的設(shè)定點(diǎn)，或者根據(jù)過程變量的實(shí)際錯(cuò)誤影響器設(shè)定點(diǎn)。一個(gè)級(jí)聯(lián)控制器的控制性能可以使用其它的過程變量加以改進(jìn)。為此，可以為主控制變量添加一個(gè)輔助過程變量 PV2（主控制器 SP2 的輸出）。主控制器可以將過程變量 PV1 施加給設(shè)定點(diǎn) SP1，并且可以調(diào)整 SP2，以便盡可能快地到達(dá)目標(biāo)，而沒有過調(diào)節(jié)。級(jí)聯(lián)控制器 如圖 所示 。 圖 級(jí)聯(lián)控制器 控制器 1 過程 1 過程 2 控制器 2 SP1 SP22 輔助回路 伺服控制器 主控制器 干擾變量 LMN PV2 PV1 主回路 控制 過程 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 7 頁 ： 混合控制器是指根據(jù)每個(gè)被控組件所需要的設(shè)定點(diǎn)總數(shù)量，來計(jì)算總 SP 數(shù)量的一種控制結(jié)構(gòu)。在此，混合系數(shù) FAC 的和必須為“ 1”?；旌峡刂破魅鐖D 所示。 圖 混合控制器 圖 比例控制器 ： 可以用于“兩個(gè)過程變量之間的比率”比“兩個(gè)過程變量的絕對(duì)數(shù)值”重要的場(chǎng)合。比例控制器如圖 所示。 ： 主要有二級(jí)和三級(jí)控制器。一個(gè)二級(jí)控制器只能采集兩個(gè)輸出狀態(tài)（例如，開和關(guān)）。典型的控制為：一個(gè)加熱的系統(tǒng)，通過繼電器輸出的脈沖寬度調(diào)制。一個(gè)三級(jí)控制器只能采集到三個(gè)具體的輸出狀態(tài)。我們需要區(qū)分：“脈沖寬度調(diào)制”（例如，加熱 冷卻，加熱 關(guān)機(jī) 冷卻）和“使用集成執(zhí)行機(jī)構(gòu)的步進(jìn)控制” （ 例如，左 停止 右）之間的區(qū)別。 控制器 系數(shù) 過程 SP LMN PV1 PV2 比率 LMN1 SP1 SP1 FAC1 控制器 1 過程 1 FAC4 過程 4 控制器 4 PV1 SP4 PV4 LMN4 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 8 頁 連續(xù)調(diào)節(jié)功能 SFB41 /FB41“CONT_C” SFB41/FB41“ CONT_C”（連續(xù)控制器）用于在 SIMATIC S7 可編程控制器上，控制帶有連續(xù)輸入和輸出變量的工藝過程 。在參數(shù)分配期間，用戶可以激活或取消激活PID 控制器的子功能，以使控制器適合實(shí)際的工藝過程。通過參數(shù)賦值工具，可以很容易地做到這一點(diǎn)。調(diào)用： Start SIMATIC STEP 7 PID?？刂茀?shù)賦值。 可以使用控制器作為單獨(dú)的 PID 定點(diǎn)控制器或在多循環(huán)控制中作為級(jí)聯(lián)控制器、混合控制器和比例控制器使用?？刂破鞯墓δ芑趲в幸粋€(gè)模擬信號(hào)的采樣控制器的PID 控制算法，如果必要的話，可以通過脈沖發(fā)送器（ EPULSEGN）進(jìn)行擴(kuò)展，以產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制的輸出信號(hào)，來控制比例執(zhí)行機(jī)構(gòu)的兩個(gè)或三個(gè)步進(jìn)控制器 。除了設(shè)定點(diǎn)操作和過程數(shù)值操作的功能以外， SFB41/FB41 (CONT_C)可以使用連續(xù)的變量輸出和手動(dòng)影響控制數(shù)值選項(xiàng)，來實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的 PID 控制器。下面是關(guān)于 SFB41/FB 41(CONT_C)詳細(xì)的子功能說明： 1. 設(shè)定值分支 設(shè)定值以浮點(diǎn)數(shù)格式輸入到 SP_INT 輸入端。過程變量分支可以在外圍設(shè)備 (I/O)中輸入過程變量，也可以以浮點(diǎn)數(shù)格式輸入。 (1)CRP_IN 函數(shù)根據(jù)公式 ()，將 PV_PER 外設(shè)值轉(zhuǎn)換成浮點(diǎn)數(shù)格式 100 到 + 100%： CRP_IN 的輸出 = PV_PER * 100/27648 () (2)PV_NORM 函數(shù)根據(jù)公式 ()規(guī)格化 CRP_IN 的輸出： PV_NORM 的輸出 = (CRP_IN 的輸出 ) * PV_FAC+ PV_OFF () 其中， PV_FAC 的缺省值是 1， PV_OFF 的缺省值是 0。 2. 誤差信號(hào) 設(shè)定值和過程變量之間的差值就是誤差信號(hào)。要抑制由于可調(diào)節(jié)變量量化所引起的小幅持續(xù)振蕩 (例如，在使用 PULSEGEN 進(jìn)行脈寬調(diào)制時(shí) )，可對(duì)誤差信號(hào)使用死區(qū)(DEADBAND)。如果 DEADB_W =0，則死區(qū)功能關(guān)閉。 3. PID 算法 這里所使用的 PID 算法是定位 PID 算法。比例、積分 (INT)和微分 (DIF)動(dòng)作是并行連接在一起的，可以單獨(dú)激活或取消激活。這樣便能夠組態(tài)成 P、 PI、 PD 和 PID 控制器。還可以組態(tài)成純 I 控制器和純 D 控制器。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 9 頁 4. 手動(dòng)值 可以在手動(dòng)模式和自動(dòng)模式之間切換。在手動(dòng)模式下，可調(diào)節(jié)變量被修正到手動(dòng)選擇的數(shù)值。積分器 (INT)內(nèi)部被設(shè)置成 LMN _LMN_P _DISV，而微分單元 (DIF)被設(shè)置成，這些都是自動(dòng)在內(nèi)部進(jìn)行匹配的。這樣，切換到自動(dòng)模式就不會(huì)導(dǎo)致調(diào)節(jié)值的突然變化。 5. 調(diào)節(jié)值 使用 LMNLIMIT 函數(shù)，可以將調(diào)節(jié)值限制到所選擇的數(shù)值上。當(dāng)輸入變量超過了限制值時(shí)，通過信號(hào)位來指示。 LMN_NORM 函數(shù)根據(jù) ()公式規(guī)格化 LMNLIMIT 的輸出 ；調(diào)節(jié)值也可以使用外設(shè)值格式。 CRP_OUT 函數(shù)根據(jù)公式 ()將浮點(diǎn)數(shù) LMN 轉(zhuǎn)換成外設(shè)值： LMN = (LMNLIMIT 的輸出 ) * LMN_FAC + LMN_OFF () 其中， LMN_FAC 的缺省值是 1，而 LMN_OFF 的缺省值是 0。 LMN_PER = LMN *100/27648 () 6. 前饋控制 可以在 DISV 輸入端前饋一個(gè)干擾變量。 7. 模式 完全重啟動(dòng) /重啟動(dòng) FB“ CONT_C”有一個(gè)完全重啟動(dòng)例行程序，當(dāng)置位輸入?yún)?shù) COM_RST = TRUE 時(shí)執(zhí)行。在啟動(dòng)期間，積分器內(nèi)部被設(shè)置成初始值 I_ITVAL。當(dāng)在周期性中斷優(yōu)先級(jí)中調(diào)用積分器時(shí)，它便從這個(gè)數(shù)值開始，繼續(xù)工作。所有其它輸出都被設(shè)置成各自的缺省值。 8. 出錯(cuò)信息 此功能塊內(nèi)部并不檢查錯(cuò)誤。因此沒有使用出錯(cuò)輸出參數(shù) RET_VAL。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 10 頁 第三章 可編程控制器 可編程邏輯控制器是一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱 PLC（ Programmable Logic Contrlooer） 。 它使用了可編程程序的記憶以及存儲(chǔ)令，用來執(zhí)行諸如邏輯、順序、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和演算等功能，并通過數(shù)字或模擬的輸入和輸出，以控制各種機(jī)械或生產(chǎn)過程。 PLC 可編程控制器基礎(chǔ) PLC 的產(chǎn)生和應(yīng)用 20 世紀(jì) 60 年代，計(jì)算機(jī)技術(shù)開始應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，由于價(jià)格高、輸入電路不匹配、編程難度大以及難于適應(yīng)惡劣工業(yè)環(huán)境等原因，未能在工業(yè)控制領(lǐng)域 中 獲得推廣。 1968年，美國(guó)通用汽車公司（ GM）為了適應(yīng)生產(chǎn)工藝不斷更新的需要，要求尋找一種比繼電器更可靠、功能更齊全、響應(yīng)速度更快的新型工業(yè)控制器，并從用戶角度提出了新一代控制器應(yīng)具備的十大條件，立即引發(fā)了開發(fā)熱潮。 1969 年美國(guó)數(shù)字設(shè)備公司（ DEC）根據(jù)美國(guó)通用汽車公司的這種要求，研制成功了世界上第一臺(tái)可編程控制器，并在通用汽車公司的 自動(dòng)裝配線上試用，取得很好的效果。從此這項(xiàng)技術(shù)迅速發(fā)展起來。 隨著 PLC 的功能不斷完善，性價(jià)比的不斷提高， PLC 的應(yīng)用面也越來越廣。目前，PLC 在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、汽車、輕紡、交通運(yùn)輸、環(huán)保及文化娛樂等各個(gè)行業(yè)。 PLC 的應(yīng)用范圍通?？煞譃殚_關(guān)邏輯控制、運(yùn)動(dòng)控制、過程控制、機(jī)械加工中的數(shù)字控制、機(jī)器人控制、通信和聯(lián)網(wǎng)等。 PLC 可編程控制器的組成和工作原理 PLC 從組成形式上一般分為整體式和模塊兩種，但在邏輯結(jié)構(gòu)上基本相同，無論是整體式還是模塊式，從硬 件結(jié)構(gòu)看， PLC 都是由 CPU、存儲(chǔ)器、 I/O 接口單元及擴(kuò)展接口擴(kuò)展部件、外設(shè)接口及外設(shè)和電源等部分組成，各部分之間通過系統(tǒng)總線連接。PLC 的基本結(jié)構(gòu)如圖 所示： （中央處理器） CPU 是 PLC 的核心，起神經(jīng)中樞的作用 ， 主要由運(yùn)算器、控制器、寄存器及實(shí)現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)總線構(gòu)成 。它的功能是接收并存貯用戶程序和數(shù)據(jù)， 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 11 頁 用掃描的方式采集由現(xiàn)場(chǎng)輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中，同時(shí)，診斷電源和 PLC 內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯(cuò)誤等，是 PLC 不可缺少的組成單元。主要功能包括以下幾個(gè)方面： 圖 的基本結(jié)構(gòu)圖 （ 1） 接收從編程器或者計(jì)算機(jī)輸入的程序和數(shù)據(jù)，并送入用戶程序存儲(chǔ)器 存儲(chǔ)。 （ 2） 監(jiān)視電源、