【文章內容簡介】 機，高檔機。當然，上述分類的標準不是固定的，而是隨著 PLC 整體性能的提高不斷變化。 PLC 的基本結構PLC 專為工業(yè)現(xiàn)場應用而設計，采用了典型的計算機結構，主要由中央處理器（CPU）、存儲器（RAM、ROM）、輸入輸出單元（I/O 接口）、電源及編程器等幾大部分組成。PLC 的基本結構圖如圖 22 所示。輸入單元中央處理單元CPU 輸出單元電源存儲單元 編程器或其他編程設備 圖 22 PLC 的基本結構圖中央處理器（CPU）是 PLC 的核心，一般由運算器、控制器、寄存器組成，這些電路都集成在一個芯片內。CPU 通過數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線與存儲單元、輸入輸出接口電路相連接。它的功能是接收并存貯用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場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，診斷電源和 PLC 內部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯誤等。PLC 中采用的 CPU 一般有三大類：通用微處理器；單片機芯片；位處理器。存儲器主要用于存放系統(tǒng)程序和應用軟件。PLC 所用的存儲器基本上由 ROM（只讀存儲器）、EPROM（可擦除的只讀存儲器）及 RAM（隨機存儲器）組成。根據(jù)存儲內容的不同，PLC 的存儲空間一般分為以下 3 個區(qū)域：系統(tǒng)程序存儲區(qū)、用戶程序存儲區(qū)、系統(tǒng) RAM 存儲區(qū)。輸入/輸出單元從廣義上分包含兩部分：與被控設備相連接的接口電路；輸入輸出的映像寄存器。PLC 是通過各種 I/O 接口模塊與外界聯(lián)系的，按 I/O 點數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量，I/O 模塊可多可少，但其最大數(shù)受 CPU 所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或機架槽數(shù)限制。I/O 模塊集成了 PLC 的 I/O 電路，其輸入暫存器反映輸入信號狀態(tài)，輸出點反映輸出鎖存器狀態(tài)。 PLC 的編程 常用的 PLC 程序設計方法有梯形圖(LAD)、功能塊圖(FBD)和語句表(STL)。梯形圖的使用直觀方便,可以建立與電器接線圖等價的梯形邏輯圖,而且在全世界范圍內通用,因此,成為多數(shù) PLC 程序設計和維護人員的首選方法,在實際設計中有著廣泛的應用。 S7300 型 PLC 的特性S7300PLC 是西門子公司的中型 PLC，最多可以擴展 32 個模塊。S7300PLC 是模塊式中小型 PLC，電源、CPU 和其他模塊都是獨立的，可以通過 U 形總線把電源（PS） 、CPU 和其他模塊緊密地固定在西門子 S7300 標準的導軌（Rail）上。 S7300PLC 的結構示意圖如圖 23 和 24。 圖 23 S3300PLC 實物圖 圖 24 S7300PLC 主要結構示意圖 第三章 PID 控制器設計控制器的設計是基于模型控制設計過程中最重要的一步。首先要根據(jù)受控對象的數(shù)學模型和它的各特性以及設計要求，確定控制器的結構以及和受控對象的連接方式。然后根據(jù)所要求的性能指標確定控制器的參數(shù)值。 PID 控制器PID 控制技術是在反饋思想被實際應用以后在工業(yè)應中發(fā)展起來的。PID 控制器早在一百年前就已經(jīng)出現(xiàn)，經(jīng)過長時間發(fā)展，已經(jīng)有許許多多改進形式的PID 控制器出現(xiàn)，但到目前為止沒有一個 PID 控制器能夠適用于所有控制場合。PID 控制器具有結構簡單，魯棒性強等特點，因此，今天它己經(jīng)成為應用最廣泛的控制技術，在石化，化工，造紙等工業(yè)領域，甚至有 97%的常規(guī)控制器都是 PID 控制器。 PID 控制器的基本結構最典型反饋控制系統(tǒng)的方塊圖如圖 31 所示，此系統(tǒng)為單位反饋，其中偏差值 e 為給定值與測量值的差值，u 為控制量，d 為系統(tǒng)中擾動量。圖 31 系統(tǒng)結構框圖PID 控制器基本可以由以下的傳遞函數(shù)表示： （31）1())cdiGsKTs??其中 為比例增益， 為積分時間， 為微分時間。cKiTdPID 控制器的另一種表示方式也比較常見，稱為并行結構（Parallel form），如下所示：PID 被控對象給定值 被控參數(shù)+d+e uPVSVsKsGdip??)( （32）其時域輸出方程為： dtetettuip )()()()(?（33）式（31）與式（32）實際上可以互相轉換，兩者參數(shù)間的關系如下所式：， ， （34）pcK?ciiTdcK?此時，模型的積分時間和微分時間也相應改變，分別為： ，1iKd PID 控制器各參數(shù)的作用PID 控制器包括積分、比例、微分三個部分，分別代表過去，現(xiàn)在，還有未來的控制作用，相應的控制參數(shù),以式（31）為例，比例增益 、積分時間cK、微分時間 的取值影響到系統(tǒng)控制效果的好壞。三個部分對系統(tǒng)性能的影iTd響如下所示：(1) 比例作用引入比例作用是為了即時地反映控制系統(tǒng)的偏差信號，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)了偏差，比例調節(jié)作用立即生效，使系統(tǒng)偏差快速向減小的趨勢變化。增大比例增益，可以提高系統(tǒng)的開環(huán)增益，減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，從而提高控制精度加快調節(jié)速度。但是過大的比例增益會使調節(jié)過程出現(xiàn)較大的超調量，從而降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在某些嚴重的情況下，甚至可能造成閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。(2) 積分作用引入積分作用是為了使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的無差度，以保證實現(xiàn)對設定值的無靜差跟蹤，改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。從原理上看，只要控制系統(tǒng)存在動態(tài)誤差，積分調節(jié)就產(chǎn)生作用，直至無差，積分作用就停止，此時積分調節(jié)的輸出為常數(shù)。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù) 的大小， 越小，iTi積分作用越強，反之則積分作用弱。但積分作用的引入同時使信號產(chǎn)生相位滯后，使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動態(tài)響應變慢。因此，實際中一般不單獨使用積分器，積分作用常與另外兩種調節(jié)規(guī)律結合，組成 PI 或 PID 控制器。 (3) 微分作用引入微分作用是為了改善控制系統(tǒng)的響應速度，同時使相位超前，提高系統(tǒng)的相位裕度增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。微分作用能反映系統(tǒng)偏差的變化律，預見偏差變化的趨勢，因此能產(chǎn)生超前的控制作用。直觀而言，微分作用能在偏差還沒有形成之前，就已經(jīng)消除偏差。因此，微分作用改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。微分作用的強弱取決于微分時間 的大小， 越大，微分作用越強，反之則越弱。dTd此外，微分作用反映的是變化率，當偏差沒有變化時，微分作用的輸出為零。在微分作用合適的情況下，系統(tǒng)的超調量和調節(jié)時間可以被有效的減小。但是微分作用對噪聲干擾有放大作用，而這是我們在設計控制系統(tǒng)時不希望看到的。所以我們不能過強地增加微分調節(jié)，否則會對控制系統(tǒng)抗干擾能力產(chǎn)生 不利的影響。因此，微分器也不能單獨使用 [4]。 過程控制中常見 PID 參數(shù)整定方法從對象的開環(huán)響應曲線來看大多數(shù)工業(yè)過程都能用一階慣性加純滯后(First Order Plus Delay Time)模型來近似描述，簡記為 FOPDT 模型，其傳遞函數(shù)如下所示： (35)seTKsG????1)(、 、 分別為對象模型的開環(huán)增益、純滯后時間常數(shù)和慣性時間常數(shù)。K?T（1）飛升曲線法（階躍響應法）將系統(tǒng)開環(huán)后（不加入控制環(huán)節(jié)） ，給其輸入一定幅值的階躍信號，可得如下圖所示的飛升曲線（即階躍響應曲線） 。在曲線上最大斜率點 P 處作切線，F(xiàn)OPDT 模型的參數(shù)如圖 32 所示。K?TP圖 32 飛升曲線再根據(jù)飛升曲線法的經(jīng)驗公式可得控制器各參數(shù)。飛升曲線法非常方便簡潔，只要知道過程對象的函數(shù)模型，即可根據(jù)公式算得 PID 控制器的三個參數(shù)。但是飛升曲線法存在一定的弊端。首先，它難以確定最大斜率處，并且能夠利用的系統(tǒng)信息不足；其次，飛升曲線法只限定與FOPDT 模型，對象廣泛的其他經(jīng)典過程對象，飛升曲線法則束手無策。（2）臨界振蕩法（臨界比例度法）1942 年，Ziegler 和 Nichols 提出的另一種參數(shù)整定方法叫臨界比例度法。這種方法不像飛升曲線法那樣依賴于對象的數(shù)學模型，而是通過實驗由經(jīng)驗公式得到 PID 控制器的最優(yōu)整定參數(shù)。方法如下：在閉環(huán)的情況下，將 PID 控制器的積分和微分作用先去掉，僅留下比例作用，然后給系統(tǒng)輸入一個信號，如果系統(tǒng)響應是衰減的，則需要增大控制器的比例增益 ，重做實驗；反之則需要減小 。實驗的最終目的，是要使閉環(huán)cKcK系統(tǒng)做臨界等幅振蕩，此時的比例增益 就被稱為臨界增益，記為 而此時uK系統(tǒng)的振蕩周期被稱為臨界振蕩周期，記為 。然后再根據(jù)經(jīng)驗公式得出相應uT的 PID 參數(shù) [4]。臨界比例度法雖然非常簡單易用，在工程上也曾經(jīng)得到廣泛的應用，但是仍然存在許多的缺陷。首先，對于參數(shù) 和 的獲取需要花費大量的調試時間；uKT其次，現(xiàn)場實驗中存在的不確定影響會給試驗數(shù)據(jù)帶來一定甚至關鍵的噪聲，從影響最終的控制品質；最后，對于那些不允許做臨界振蕩實驗的系統(tǒng)，臨界比例度法根本無法應用，否則就會導致整個系統(tǒng)崩潰。 PID 參數(shù)整定公式PID 參數(shù)自整定包括提取過程動態(tài)特性和 PID 控制器的設計兩部分。為了將復雜的設計過程應用于實際的 PID 自整定控制器，可以把 PID 控制器的設計結果表示為一些由過程的簡單模型參數(shù)或動態(tài)特性參數(shù)表示的整定公式。整定公式本身包含了 PID 控制器的設計過程，可以直接應用于 PID 自整定控制器中。其中最為常見的是 ZieglerNichols 整定公式，最早的 ZN 公式是在 1942 年由Ziegler 和 Nichols 首先提出的，他們所使用的方法及其改進方法至今仍在廣泛應用，上文所提到的飛升曲線法也是基于 ZN 公式的確定 PID 參數(shù)方法。對于線性時不變系統(tǒng)，如果輸入信號是正弦信號，則穩(wěn)定后輸出信號為同頻率的正弦信號，只有幅度和相位發(fā)生變化。系統(tǒng)傳遞函數(shù)可以表述為頻率的函數(shù): （36）????jGjAe???其中 為輸入到輸出的幅值增益， 是輸入信號與輸出信號之間的相移。??A?圖33 Nyquist曲線系統(tǒng)的Nyquist曲線如圖33所示。曲線上相位為 的點的被稱為極限180?o點該點的頻率稱為臨界振蕩頻率 。如果在閉環(huán)系統(tǒng)中將控制器設為純比例控u?制，當比例增益達到足夠高時，系統(tǒng)將不穩(wěn)定。調節(jié)比例增益使系統(tǒng)達到臨界狀態(tài)時，這時控制信號與過程輸出都是正弦信號，相位相差 。簡單起見180?o假設設定值SV=0。則u=K*PV。由于系統(tǒng)等幅振蕩，可知 ，其中()uKGj??臨界增益 被稱為臨界比例系數(shù)， 為過程傳遞函數(shù)。由此方程可知uK()uGj?。這樣，Nyquist曲線上的極限點被確定，系統(tǒng)的頻域傳遞函數(shù)1()Gj???就可以通過一次調節(jié)試驗辨識?；谝陨显砼c方法，Ziegler 和 Nichols 提出了除利用階躍響應法外的另一種 PID 參數(shù)整定方法——頻率響應法。頻率響應法也就是上文提到的臨界比例度法。臨界比例度法的整定公式如下表 31 所示。 表 31 臨界比例度法的整定公式控制器 pKiTdP PI .PID 除了 ZN 整定公式外，后人還研究出多種 PID 參數(shù)整定公式，例如 RZN 整定公式、Kappatao 整定公式、CohenCoon 整定公式、AMIGO 整定公式等 [4]，本文不做深入介紹。 數(shù)學模型被控對象數(shù)學模型的建立通常采用下列二種方法。一種是分析法，即根據(jù)過程的機理，物料或能量平衡關系求得它的數(shù)學模型；另一種是用實驗的方法確定。 圖34 單容自衡水箱特性測試系統(tǒng) （a）結構圖 （b）方框圖 圖34所示為單容自衡水箱特性測試結構圖及方框圖。閥門F1F12和F18全開，設下水箱流入量為Q1，改變電動調節(jié)閥V1的開度可以改變Q1的大小，下水箱的流出量為Q2，改變出水閥F111的開度可以改變Q2。液位h 的變化反映了Q1與Q2不等而引起水箱中蓄水或泄水的過程。若將Q1作為被控過程的輸入變量，h 為其輸出變量，則該被控過程的數(shù)學模型就是h 與Q1之間的數(shù)學表達式。根據(jù)動態(tài)物料平衡關系有 (37)將式(37)表示為增量形式 (38)dthAQ???21式中：ΔQ 1， ΔQ2， Δh分別為偏離某一平衡狀態(tài)的增量；。在平衡時，Q 1=Q2， ；0?dth當Q1發(fā)生變化時，液位h 隨之變化，水箱出口處的靜壓也隨之變化，Q 2也發(fā)生變化。由流體力學可知，流體在紊流情況下，液位h 與流量之間為非線性關系。但為了簡化起見，經(jīng)線性化處理后，可近似認為Q 2與h 成正比關系，而與閥F1td2111的阻力R成反比，即 （39）RhQ??2式中：，稱為液阻。將式(38)、式(39)經(jīng)拉氏變換并消去