【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 性能和智能化方向發(fā)展 [2]。 7 PLC 的分類 對(duì)于 PLC 的分類通?？梢愿鶕?jù)他的結(jié)構(gòu)形式、容量或功能進(jìn)行。按照硬件的結(jié)構(gòu)形式，可將 PLC 分為整體式和模塊式兩類，還有一些 PLC 將整體式和模塊式的特點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，構(gòu)成所謂疊裝式 PLC。PLC 的容量主要指其輸入/輸出點(diǎn)數(shù)。按容量大小，可將 PLC 分為：小型 PLC：I/O 點(diǎn)數(shù)一般在 256 點(diǎn)以下；中型 PLC：I/O 點(diǎn)數(shù)一般在 2561024 點(diǎn)之間；大型 PLC：I/O 點(diǎn)數(shù)一般在 1024 點(diǎn)以上。按 PLC 功能上的強(qiáng)弱可分為低檔機(jī)，中檔機(jī)，高檔機(jī)。當(dāng)然，上述分類的標(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)PLC 專為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)，采用了典型的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，主要由中央處理器（CPU）、存儲(chǔ)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(jié)構(gòu)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(chǔ)單元 編程器或其他編程設(shè)備 圖 22 PLC 的基本結(jié)構(gòu)圖中央處理器（CPU）是 PLC 的核心，一般由運(yùn)算器、控制器、寄存器組成，這些電路都集成在一個(gè)芯片內(nèi)。CPU 通過(guò)數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線與存儲(chǔ)單元、電源信號(hào)輸入信號(hào)檢查裝置 8 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(chǎng)輸入裝置送來(lái)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(guò)程中的語(yǔ)法錯(cuò)誤等。PLC 中采用的 CPU 一般有三大類：通用微處理器；單片機(jī)芯片；位處理器。存儲(chǔ)器主要用于存放系統(tǒng)程序和應(yīng)用軟件。PLC 所用的存儲(chǔ)器基本上由 ROM（只讀存儲(chǔ)器）、EPROM（可擦除的只讀存儲(chǔ)器）及 RAM（隨機(jī)存儲(chǔ)器）組成。根據(jù)存儲(chǔ)內(nèi)容的不同，PLC 的存儲(chǔ)空間一般分為以下 3 個(gè)區(qū)域：系統(tǒng)程序存儲(chǔ)區(qū)、用戶程序存儲(chǔ)區(qū)、系統(tǒng) RAM 存儲(chǔ)區(qū)。輸入/輸出單元從廣義上分包含兩部分：與被控設(shè)備相連接的接口電路；輸入輸出的映像寄存器。PLC 是通過(guò)各種 I/O 接口模塊與外界聯(lián)系的，按 I/O 點(diǎn)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(jī)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(hào)狀態(tài)，輸出點(diǎn)反映輸出鎖存器狀態(tài)。 PLC 的編程 常用的 PLC 程序設(shè)計(jì)方法有梯形圖(LAD)、功能塊圖(FBD)和語(yǔ)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(jià)的梯形邏輯圖,而且在全世界范圍內(nèi)通用,因此,成為多數(shù) PLC 程序設(shè)計(jì)和維護(hù)人員的首選方法,在實(shí)際設(shè)計(jì)中有著廣泛的應(yīng)用。 S7300 型 PLC 的特性S7300PLC 是西門(mén)子公司的中型 PLC，最多可以擴(kuò)展 32 個(gè)模塊。S7300PLC 是模塊式中小型 PLC，電源、CPU 和其他模塊都是獨(dú)立的，可以通過(guò) U 形總線把電源（PS） 、CPU 和其他模塊緊密地固定在西門(mén)子 S7300 標(biāo)準(zhǔn)的導(dǎo)軌（Rail）上。 S7300PLC 的結(jié)構(gòu)示意圖如圖 23 和 24。 9 圖 23 S3300PLC 實(shí)物圖 圖 24 S7300PLC 主要結(jié)構(gòu)示意圖 10第三章 PID 控制器設(shè)計(jì)控制器的設(shè)計(jì)是基于模型控制設(shè)計(jì)過(guò)程中最重要的一步。首先要根據(jù)受控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型和它的各特性以及設(shè)計(jì)要求，確定控制器的結(jié)構(gòu)以及和受控對(duì)象的連接方式。然后根據(jù)所要求的性能指標(biāo)確定控制器的參數(shù)值。 PID 控制器PID 控制技術(shù)是在反饋思想被實(shí)際應(yīng)用以后在工業(yè)應(yīng)中發(fā)展起來(lái)的。PID 控制器早在一百年前就已經(jīng)出現(xiàn)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間發(fā)展，已經(jīng)有許許多多改進(jìn)形式的PID 控制器出現(xiàn)，但到目前為止沒(méi)有一個(gè) PID 控制器能夠適用于所有控制場(chǎng)合。PID 控制器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn)，因此，今天它己經(jīng)成為應(yīng)用最廣泛的控制技術(shù)，在石化，化工，造紙等工業(yè)領(lǐng)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(jié)構(gòu)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(cè)量值的差值，u 為控制量，d 為系統(tǒng)中擾動(dòng)量。圖 31 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(shí)間， 為微分時(shí)間。cKiTdPID 控制器的另一種表示方式也比較常見(jiàn)，稱為并行結(jié)構(gòu)（Parallel form），如下所示：PID 被控對(duì)象給定值 被控參數(shù)+d+e uPVSV11sKsGdip??)( （32）其時(shí)域輸出方程為： dtetettuip )()()()(?（33）式（31）與式（32）實(shí)際上可以互相轉(zhuǎn)換，兩者參數(shù)間的關(guān)系如下所式：， ， （34）pcK?ciiTdcK?此時(shí)，模型的積分時(shí)間和微分時(shí)間也相應(yīng)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(gè)部分，分別代表過(guò)去，現(xiàn)在，還有未來(lái)的控制作用，相應(yīng)的控制參數(shù),以式（31）為例，比例增益 、積分時(shí)間cK、微分時(shí)間 的取值影響到系統(tǒng)控制效果的好壞。三個(gè)部分對(duì)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(shí)地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)作用立即生效，使系統(tǒng)偏差快速向減小的趨勢(shì)變化。增大比例增益，可以提高系統(tǒng)的開(kāi)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(diào)節(jié)速度。但是過(guò)大的比例增益會(huì)使調(diào)節(jié)過(guò)程出現(xiàn)較大的超調(diào)量，從而降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在某些嚴(yán)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(wú)差度，以保證實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)定值的無(wú)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(dòng)態(tài)誤差，積分調(diào)節(jié)就產(chǎn)生作用，直至無(wú)差，積分作用就停止，此時(shí)積分12調(diào)節(jié)的輸出為常數(shù)。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù) 的大小， 越小，iTi積分作用越強(qiáng)，反之則積分作用弱。但積分作用的引入同時(shí)使信號(hào)產(chǎn)生相位滯后，使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢。因此，實(shí)際中一般不單獨(dú)使用積分器，積分作用常與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)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(yīng)速度，同時(shí)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(yù)見(jiàn)偏差變化的趨勢(shì)，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(méi)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(dòng)態(tài)性能。微分作用的強(qiáng)弱取決于微分時(shí)間 的大小， 越大，微分作用越強(qiáng)，反之則越弱。dTd此外，微分作用反映的是變化率，當(dāng)偏差沒(méi)有變化時(shí)，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(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間可以被有效的減小。但是微分作用對(duì)噪聲干擾有放大作用，而這是我們?cè)谠O(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)不希望看到的。所以我們不能過(guò)強(qiáng)地增加微分調(diào)節(jié)，否則會(huì)對(duì)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(dú)使用 [4]。 過(guò)程控制中常見(jiàn) PID 參數(shù)整定方法從對(duì)象的開(kāi)環(huán)響應(yīng)曲線來(lái)看大多數(shù)工業(yè)過(guò)程都能用一階慣性加純滯后(First Order Plus Delay Time)模型來(lái)近似描述，簡(jiǎn)記為 FOPDT 模型，其傳遞函數(shù)如下所示： (35)seTKsG????1)(、 、 分別為對(duì)象模型的開(kāi)環(huán)增益、純滯后時(shí)間常數(shù)和慣性時(shí)間常數(shù)。K?T（1）飛升曲線法（階躍響應(yīng)法）將系統(tǒng)開(kāi)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(hào)，可得如下圖所示的飛升曲線（即階躍響應(yīng)曲線） 。在曲線上最大斜率點(diǎn) P 處作切線，F(xiàn)OPDT 模型的參數(shù)如圖 32 所示。13K?TP圖 32 飛升曲線再根據(jù)飛升曲線法的經(jīng)驗(yàn)公式可得控制器各參數(shù)。飛升曲線法非常方便簡(jiǎn)潔，只要知道過(guò)程對(duì)象的函數(shù)模型，即可根據(jù)公式算得 PID 控制器的三個(gè)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(duì)象廣泛的其他經(jīng)典過(guò)程對(duì)象，飛升曲線法則束手無(wú)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(duì)象的數(shù)學(xué)模型，而是通過(guò)實(shí)驗(yàn)由經(jīng)驗(yàn)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(gè)信號(hào)，如果系統(tǒng)響應(yīng)是衰減的，則需要增大控制器的比例增益 ，重做實(shí)驗(yàn)；反之則需要減小 。實(shí)驗(yàn)的最終目的，是要使閉環(huán)cKcK系統(tǒng)做臨界等幅振蕩，此時(shí)的比例增益 就被稱為臨界增益，記為 而此時(shí)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(yàn)公式得出相應(yīng)uT的 PID 參數(shù) [4]。臨界比例度法雖然非常簡(jiǎn)單易用，在工程上也曾經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，但是仍然存在許多的缺陷。首先，對(duì)于參數(shù) 和 的獲取需要花費(fèi)大量的調(diào)試時(shí)間；uKT14其次，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中存在的不確定影響會(huì)給試驗(yàn)數(shù)據(jù)帶來(lái)一定甚至關(guān)鍵的噪聲，從影響最終的控制品質(zhì)；最后，對(duì)于那些不允許做臨界振蕩實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)，臨界比例度法根本無(wú)法應(yīng)用，否則就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)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(guò)程動(dòng)態(tài)特性和 PID 控制器的設(shè)計(jì)兩部分。為了將復(fù)雜的設(shè)計(jì)過(guò)程應(yīng)用于實(shí)際的 PID 自整定控制器，可以把 PID 控制器的設(shè)計(jì)結(jié)果表示為一些由過(guò)程的簡(jiǎn)單模型參數(shù)或動(dòng)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(shè)計(jì)過(guò)程，可以直接應(yīng)用于 PID 自整定控制器中。其中最為常見(jiàn)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(jìn)方法至今仍在廣泛應(yīng)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(duì)于線性時(shí)不變系統(tǒng)，如果輸入信號(hào)是正弦信號(hào)，則穩(wěn)定后輸出信號(hào)為同頻率的正弦信號(hào)，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(hào)與輸出信號(hào)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(diǎn)的被稱為極限180?o點(diǎn)該點(diǎn)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(shè)為純比例控u?制，當(dāng)比例增益達(dá)到足夠高時(shí)，系統(tǒng)將不穩(wěn)定。調(diào)節(jié)比例增益使系統(tǒng)達(dá)到臨界15狀態(tài)時(shí)，這時(shí)控制信號(hào)與過(guò)程輸出都是正弦信號(hào)，相位相差 。簡(jiǎn)單起見(jiàn)180?o假設(shè)設(shè)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(guò)程傳遞函數(shù)。由此方程可知uK()uGj?。這樣，Nyquist曲線上的極限點(diǎn)被確定，系統(tǒng)的頻域傳遞函數(shù)1()Gj???就可以通過(guò)一次調(diào)節(jié)試驗(yàn)辨識(shí)。基于以上原理與方法，Ziegler 和 Nichols 提出了除利用階躍響應(yīng)法外的另一種 PID 參數(shù)整定方法——頻率響應(yīng)法。頻率響應(yīng)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(xué)模型被控對(duì)象數(shù)學(xué)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(guò)程的機(jī)理，物料或能量平衡關(guān)系求得它的數(shù)學(xué)模型；另一種是用實(shí)驗(yàn)的方法16確定。 圖34 單容自衡水箱特性測(cè)試系統(tǒng) （a）結(jié)構(gòu)圖 （b ）方框 圖 圖34所示為單容自衡水箱特性測(cè)試結(jié)構(gòu)圖及方框圖。閥門(mén)F1F12和F18全開(kāi)，設(shè)下水箱流入量為Q1，改變電動(dòng)調(diào)節(jié)閥V1的開(kāi)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(kāi)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(guò)程。若將Q1作為被控過(guò)程的輸入變量，h 為其輸出變量，則該被控過(guò)程的數(shù)學(xué)模型就是h 與Q1之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式。根據(jù)動(dòng)態(tài)物料平衡關(guān)系有 (3