【文章內(nèi)容簡介】 位，可采用字節(jié)、字、雙字的存取方式，按字節(jié)、字只能存取累加器的低 8 位或低 16 位，雙字可以存取累加器全部的 32 位。 PID 控制器簡介基于偏差的比例(Proportlonal)、積分(Integral) 和微分 (Derivative)的控制器簡稱為 PID 控制器，它是工業(yè)過程控制中最常見的一種過程控制器。由于 PID 控制器算法簡單、魯棒性強(qiáng)，因而被廣泛應(yīng)用于化工、冶金、機(jī)械、熱工和輕工等工業(yè)過程控制系統(tǒng)中。盡管工業(yè)自動(dòng)化飛速發(fā)展，但是 PID 控制技術(shù)仍然是工業(yè)過程控制的基礎(chǔ)。根據(jù)日本有關(guān)調(diào)查資料顯示，在現(xiàn)今使用的各種控制技術(shù)中，PID 控制技術(shù)占%，優(yōu)化 PID 控制技術(shù)占 %，現(xiàn)代控制技術(shù)占 %，手動(dòng)控制占 66%，人工智能(Al) 控制技術(shù)占 %。如果把 PID 控制技術(shù)和優(yōu)化 PID 控制技術(shù)加起來，則占到了 90%以上，而文獻(xiàn)指出，工業(yè)過程控制中，95%以上的回路具有 PID 結(jié)構(gòu)。因此，可以毫不夸張地說，隨著工業(yè)現(xiàn)代化和其他各種先進(jìn)控制技術(shù)的發(fā)展，PID 控制技術(shù)仍然不過時(shí)，并且它還占著主導(dǎo)地位。同時(shí)，由于工業(yè)過程對象的精確模型難以建立，系統(tǒng)參數(shù)又經(jīng)常發(fā)生變化，因而在用 PID 控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，又往往難以得到最佳的控制效果。 PID 控制器的結(jié)構(gòu)及原理PID 控制器是一種基于偏差“過去、現(xiàn)在和未來”信息估計(jì)的有效而簡單的控制算法。常規(guī) PID 控制系統(tǒng)原理圖如圖 24 示。圖 24 PID 控制系統(tǒng)原理圖整個(gè)系統(tǒng)主要由 PID 控制器和被控對象組成。作為一種線性控制器，PID 控制器根據(jù)給定值 SV 和實(shí)際輸出值 PV 構(gòu)成控制偏差： 即 e(t)=r(t)y(t) (2. 1)然后對偏差按比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進(jìn)行控制。由圖 25 得到 PID 控制器的理想算法為 (2. 2)?????????0ip )()(1)(KU(t) dteTtet或者寫成常見傳遞函數(shù)的形式為： (2. 3))(1()isEsTsdp?其中，Ti、Td 分別為 PID 控制器的比例增益、積分時(shí)間常數(shù)和微分時(shí)間常數(shù)。式()和式()是我們在各種文獻(xiàn)中最經(jīng)?？吹降?PID 控制器的兩種表達(dá)形式。各種控制作用(即比例作用、積分作用和微分作用)的實(shí)現(xiàn)在表達(dá)式中表述的很清楚，相應(yīng)的控制器參數(shù)包括比例增益凡、積分時(shí)間常數(shù) Ti 和微分時(shí)間常數(shù)路。這三個(gè)參數(shù)的取值優(yōu)劣將影響到 PID 控制系統(tǒng)的控制效果好壞。 數(shù)字式 PID 控制在供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，選用了具有 PID 調(diào)節(jié)模塊的變頻器來實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制保證供水系統(tǒng)中的壓力恒定，較好地滿足系統(tǒng)的恒壓要求。在連續(xù)控制系統(tǒng)中，常采用 proportional(比例) 、Integral(積分)、Derivative(微分)控制方式，稱之為 PID控制。PID 控制是連續(xù)控制系統(tǒng)中技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的控制方式。具有以下優(yōu)點(diǎn):理論成熟，算法簡單，控制效果好，易于為人們熟悉和掌握。 PID 控制器是一種線性控制器，它是對給定值 r(t)和實(shí)際輸出值 y(t)之間的偏差 e(t):e(t)=y(t)一 r(t) ())(1()sETKsUdp??經(jīng)比例(P)、積分(I)和微分 (D)運(yùn)算后通過線性組合構(gòu)成控制量 u(t)，對被控對象進(jìn)行控制，故稱 PID 控制器。系統(tǒng)由模擬 PID 控制器和被控對象組成，其控制系統(tǒng)原理框圖如圖 25 所示，圖中 u(t)為 PID 調(diào)節(jié)器輸出的調(diào)節(jié)量。圖 25 PID 控制原理圖PID 控制器規(guī)律為： （）?????????dteTtetKtyDp )()(1)()(式中： 為比例系數(shù)； 為積分時(shí)間常數(shù)； 為微分時(shí)間常數(shù)。pK1T相應(yīng)地傳遞函數(shù)形式： （）)1()(GsTKsEUDp??PID 控制器各環(huán)節(jié)的作用及調(diào)節(jié)規(guī)律如下:l)比例環(huán)節(jié):成比例地反映控制系統(tǒng)偏差信號的作用，偏差 e(t)一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。比例環(huán)節(jié)反映了系統(tǒng)對當(dāng)前變化的一種反映。比例環(huán)節(jié)不能徹底消除系統(tǒng)偏差，系統(tǒng)偏差隨比例系數(shù)凡的增大而減少，比例系數(shù)過大將導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。2)積分環(huán)節(jié) :表明控制器的輸出與偏差持續(xù)的時(shí)間有關(guān)，即與偏差對時(shí)間的積分成線性關(guān)系。只要偏差存在，控制就要發(fā)生改變，實(shí)現(xiàn)對被控對象的調(diào)節(jié)，直到系統(tǒng)偏差為零。積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)越大，積分作用越弱，易引起系統(tǒng)超調(diào)量加大，反之則越強(qiáng)，易引起系統(tǒng)振蕩。3)微分環(huán)節(jié) :對偏差信號的變化趨勢(變化速率)做出反應(yīng)，并能在偏差信號變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。微分環(huán)節(jié)主要用來控制被調(diào)量的振蕩，減小超調(diào)量，加快系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。但過大的偏差信號對于干擾信號的抑制能力卻將減弱。PID 的三種作用是相互獨(dú)立，互不影響。改變一個(gè)調(diào)節(jié)參數(shù)，只影響一種調(diào)節(jié)作用，不會(huì)影響其他的調(diào)節(jié)作用。然而，對于大多數(shù)系統(tǒng)來說，單獨(dú)使用一種控制規(guī)律都難以獲得良好的控制性能。如果能將它們的作用作適當(dāng)?shù)呐浜希梢允拐{(diào)節(jié)器快速，平穩(wěn)、準(zhǔn)確的運(yùn)行，從而獲得滿意的控制效果。自從計(jì)算機(jī)進(jìn)入控制領(lǐng)域以來，用數(shù)字計(jì)算機(jī)代替模擬調(diào)節(jié)器來實(shí)現(xiàn) PID 控制算法具有更大的靈活性和可靠性。數(shù)字 PID 控制算法是通過對式（）離散化來實(shí)現(xiàn)的。用一系列的采樣時(shí)刻點(diǎn) nT 代表連續(xù)時(shí)間，用矩形法數(shù)值積分近似代替連續(xù)系統(tǒng)的積分，以一階后向差分近似代替連續(xù)系統(tǒng)的微分，得到 PID 位置控制算法表達(dá)式: （）?????????????? )1())()()(0neTjeneKuDnjIp式中:T 為采樣周期。n 為采樣序號。e(n)為第 n 時(shí)刻的偏差信號。e(nl)為第 n1 時(shí)刻的偏差信號。PID 位置控制算法采用全量輸出，一方面需要計(jì)算本次與上次的偏差信號 e(n)和 e(nl)，而且還要把歷次的偏差信號 e(j)相加，計(jì)算繁鎖，占用內(nèi)存大。另一方面計(jì)算機(jī)輸出的控制量 u(n)對應(yīng)的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置偏差，如果位置傳感器出現(xiàn)故障，u(n) 可能出現(xiàn)大幅度變化，引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)的大幅度變化，這是不允許的。為此實(shí)際控制中多采用增量式 PID 控制算法，其表達(dá)式為（）:??1()(1)())()pUnunKenKen?????? （）??()21)(2)DKenen????式中： 為調(diào)節(jié)器輸出的控制增量：()Un?1。DIPPTKK?增量式算法中不需要累加，調(diào)節(jié)器輸出的控制增量 Au(n)僅與最近幾次采樣有關(guān)，所以誤動(dòng)作時(shí)影響較小，必要時(shí)可以通過邏輯判斷去掉過大的增量，而且較容易通過加權(quán)處理獲得比較好的控制效果。 數(shù)字式 PID 控制的實(shí)現(xiàn)PID 控制器是控制系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的一種控制器，在工業(yè)過程控制中得到了普遍的應(yīng)用。過去的 PID 控制器通過硬件模擬實(shí)現(xiàn)，但隨著微型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，特別是現(xiàn)代嵌入式微處理器的大量應(yīng)用，原先 PID 控制器中由硬件實(shí)現(xiàn)的功能都可以用軟件來代替實(shí)現(xiàn)，從而形成了數(shù)值 PID 算法，實(shí)現(xiàn)了由模擬 PDI 控制器到數(shù)字 PID 控制器的轉(zhuǎn)變。數(shù)字 PID 控制器在實(shí)際應(yīng)用中可分為兩種:位置式 PID控制器和增量式 PID 控制器。應(yīng)用中，位置式 PID 控制器和增量式 PID 控制器的算法實(shí)現(xiàn)分別如圖 26 和圖 27 所示。圖 26 位置式 PID 算法實(shí)現(xiàn) 圖 27 增量式 PID 算法實(shí)現(xiàn)第 3 章 水塔水位控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)在傳統(tǒng)的水塔、水箱供水的基礎(chǔ)上，加入了 PLC 及液壓變送器等器件。利用PLC 和組態(tài)軟件來實(shí)現(xiàn)水塔水位的控制，提供了一種實(shí)用的水塔水位控制方案。隨著社會(huì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，對城市供水提出了更高的要求，有 一 個(gè)水 箱 需 要 維 持 一 定 的 水 位 ， 該 水 塔 里 的 水 以 變 化 的 速 度 流 出 。 這 就 需 要 有 一 個(gè)輸 入 控 制 液 體 閥 以 不 同 的 速 度 給 水 塔 供 水 ， 以 維 持 水 位 的 變 化 ， 這 樣 才 能 使 水塔 不 斷 水 。 系統(tǒng)的工作原理在 系 統(tǒng) 中 ， 只 使 用 比 例 和 積 分 控 制 ， 其 回 路 增 益 和 時(shí) 間 常 數(shù) 可 以 通 過 工 程計(jì) 算 初 步 確 定 ， 但 還 需 要 進(jìn) 一 步 調(diào) 整 達(dá) 到 最 優(yōu) 控 制 效 果 。 系 統(tǒng) 啟 動(dòng) 時(shí) ， 關(guān) 閉 出水 口 ， 用 于 動(dòng) 控 制 輸 入 控 制 液 體 閥 ， 使 水 位 達(dá) 到 滿 水 位 的 75%， 然 后 打 開 出 水口 ， 同 時(shí) 輸 入 控 制 液 體 閥 從 手 動(dòng) 方 式 切 換 到 自 動(dòng) 方 式 。 這 種 切 換 由 一 個(gè) 輸 入 的數(shù) 字 量 控 制 。 設(shè)計(jì)分析 如圖 31， “水塔水位自動(dòng)控制系統(tǒng) ”的控制對象為水泵，容器為水塔或儲(chǔ)液罐。水位高度正常情況下控制在 C、D 之間，如圖 31。當(dāng)水位在低于 C 點(diǎn)時(shí)，水泵開始進(jìn)水，如圖 31。當(dāng)水位高于 D 點(diǎn)時(shí)，水泵停止進(jìn)水，如圖 31。當(dāng)水位低于C 點(diǎn)并到達(dá) B 點(diǎn)時(shí)就報(bào)警，采取手動(dòng)啟動(dòng)水泵，如圖 31。當(dāng)水位超過 D 點(diǎn)并到達(dá) E 點(diǎn)時(shí)上限報(bào)警，采取強(qiáng)制停止水泵，水位從溢流口流出，如圖 31。圖 31 設(shè)計(jì)分析示意圖 可行性試驗(yàn)圖 32 為水塔水位控制器的外觀正視圖，由電源指示燈、報(bào)警確認(rèn)燈、水位指示燈以及報(bào)警確認(rèn)開關(guān)組成。接通電源時(shí)，電源指示燈亮，當(dāng)水塔中水深處于不同位置時(shí)，水位指示燈 B、C、D、E 情況不同。圖 32 水塔水位控制器外觀圖①當(dāng)水位處于 B 點(diǎn)之下，指示燈 B、C、D、E 全亮， 報(bào)警電路開始報(bào)警，即下限報(bào)警。 ②當(dāng)水位處于 B、C 之間，指示燈 B 滅，C、D、E 亮，水泵開始進(jìn)水。　 ③當(dāng)水位處于 C、D 之間，指示燈 B、C 滅，C、D 亮，保持狀態(tài)，即保持進(jìn)水?！? ④當(dāng)水位處于 D、E 之間，指示燈 B、C、D 滅，E 亮，停進(jìn)狀態(tài)，即水泵不工作?！? ⑤當(dāng)水位處于 E 點(diǎn)之上，指示燈 B、C、D、 E 全滅，水泵不工作，報(bào)警電路開始溢出報(bào)警，即上限報(bào)警。⑥報(bào)警電路可以手動(dòng)關(guān)閉，只要按下報(bào)警確認(rèn)開關(guān)，就可以解除 報(bào)警的蜂鳴聲。此時(shí)，報(bào)警確認(rèn)燈亮起。處理完故障時(shí)，必須關(guān)閉報(bào)警確認(rèn)燈，報(bào)警確認(rèn)電路復(fù)位，恢復(fù)其監(jiān)測故障的功能。 可行性分析 此方案采用純硬件電路設(shè)計(jì)，避免了軟件程序設(shè)計(jì)中的不穩(wěn)定因素，提高了實(shí)際運(yùn)用中的可靠性。同時(shí)，對于不同類型的液體，此系統(tǒng)均有良好的兼容性。當(dāng)水塔中液體改變時(shí)，只需要將電位器中的阻值和該液體的阻值調(diào)節(jié)到一個(gè)數(shù)量級上就可以很方便的實(shí)現(xiàn)此液體的水位控制操作。試驗(yàn)證明，此水塔水位控制器不僅實(shí)現(xiàn)了對水塔水位的精確控制，而且，此系統(tǒng)更具有工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際性。 水位閉環(huán)控制系統(tǒng)圖 33 供水系統(tǒng)控制原理圖MM2—水泵 Y0Y3—液位開關(guān) F1—手閥 F2—電磁閥 為了精確的實(shí)現(xiàn)對水位的控制，必須建立閉環(huán)控制系統(tǒng)。根據(jù)水塔中的進(jìn)、出水的水位可以自動(dòng)控制水泵，使水位處于動(dòng)態(tài)的平衡狀態(tài)。供水系統(tǒng)的基本原理如圖 33 所示，水位閉環(huán)調(diào)節(jié)原理是：通過在水塔中的三個(gè)液壓變送器，將水位值變換為 4～20 mA 電流信號進(jìn)入 PLC，把該信號和 PLC 中的設(shè)定值的程序進(jìn)行比較，并執(zhí)行較后程序，通過水泵的開關(guān)對水塔中的水位進(jìn)行自動(dòng)控制。當(dāng) PLC 出現(xiàn)故障時(shí)，還有一套手動(dòng)控制來進(jìn)行對水塔水位控制。手動(dòng)控制采用交流接觸器。 上水箱液位低于 Y3 時(shí)，MM2 同時(shí)工作，F(xiàn)2 打開。液位上升至 Y2 時(shí)，M2 停止， F2 關(guān)閉，M1 繼續(xù)工作。液位上升至 Y1 時(shí)，M1 也停止。打開 F1 手閥使上水箱放水，液位下降。當(dāng)液位又低于 Y1 時(shí) M1 起動(dòng)工作，如 F1 開度較大下水量大于上水量，使液位繼續(xù)下降至 Y2 時(shí)，M2 啟動(dòng)工作同時(shí) F2 打開，使上水量大幅上升，保持液位。Y0 為下水箱缺水報(bào)警開關(guān)下水箱液位低于 Y0 時(shí)意味著水泵進(jìn)水口缺水，此時(shí)應(yīng)自動(dòng)切斷電源并報(bào)警。圖 34 水位閉環(huán)控制圖 PLC 的選擇由于該系統(tǒng)為中型 PLC 自動(dòng)控制系統(tǒng)，要求 PLC 能夠提供可編程邏輯分析和 PID 功能，故選用中達(dá)公司生產(chǎn)的臺達(dá) DVP14ES00R 可編程邏輯控制器。臺達(dá) DVP14ES00R 具有標(biāo)準(zhǔn)的輸入、輸出及通信單元，可用于較為惡劣的環(huán)境中。主要配件有中央處理器 CPU，電源單元 PSE，I/O 單元。包括數(shù)字輸入板 IDPG、數(shù)字輸出板 ODPG、附屬單元。 供水的控制方法圖 35 給水泵控制原理圖系統(tǒng)的硬件接線圖如圖 35 所示。從整個(gè)流程中可以看到兩套控制方式：①由一臺可編程序控制器來控制兩臺水泵的自動(dòng)運(yùn)行。②由交流接觸器來控制兩臺水泵的手動(dòng)運(yùn)行。當(dāng)換項(xiàng)開關(guān) KKl 打到手動(dòng)時(shí)，按下起動(dòng)按鈕 SBl，1泵起動(dòng)運(yùn)行向水塔注水，由于設(shè)置了順序開啟和逆序關(guān)閉，在 1泵沒有開起的情況下，2泵不能起動(dòng)運(yùn)行，而在兩個(gè)水泵同時(shí)運(yùn)行時(shí)，2泵在沒有停止的情況下，1泵不能夠停止?，F(xiàn)在 1泵運(yùn)行的時(shí)候，按下起動(dòng)按鈕 SB2，2泵起動(dòng)運(yùn)行向水塔注水。此時(shí)，控制臺上的水位燈，由水塔中的液位