【文章內(nèi)容簡介】 壓或電流信號）之間的關系曲線,稱做頻率給定線?？梢允褂媒o定線進行頻率信號的控制。 （3）通信接口方式 可以通過通信接口，如RS48PROFIBUS等，來進行遠程的頻率給定。 本次課程設計中將使用外接給定方式的外接模擬量信號實現(xiàn)變頻調(diào)速 控制系統(tǒng)PID原理及整定 PID控制原理 在變頻恒壓供水系統(tǒng)的設計中，選用了具有PID調(diào)節(jié)功能的PLC實現(xiàn)閉環(huán)控制，保證供水系統(tǒng)中的壓力恒定。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，即PID控制。PID控制作為連續(xù)控制系統(tǒng)中技術最成熟、應用最廣泛的控制方式，其具有理論成熟，算法簡單，控制效果優(yōu)，易被人們熟悉和掌握等優(yōu)點。PID控制器作為一種線性控制器，它是對設定值r(t)和實際輸出值y(t)之間的偏差e(t)： （）經(jīng)比例(P) 、積分(I) 和微分(D) 運算后經(jīng)線性組合構成控制量u(t)，對被控對象進行控制，所以稱之為PID控制器。系統(tǒng)由被控對象和模擬PID控制器構成，圖中u(t)是PID調(diào)節(jié)器輸出調(diào)節(jié)量[9]。 PID控制原理圖PID控制規(guī)律： （）式中：Kc為比例系數(shù)；Ti為積分時間常數(shù)；Td為微分時間常數(shù)。相應的傳遞函數(shù)形式： （）PID控制器P 、I 、D環(huán)節(jié)的作用以及調(diào)節(jié)規(guī)律：(1) 比例環(huán)節(jié)：成比例的反映控制系統(tǒng)偏差信號，一旦產(chǎn)生偏差e(t)，控制器隨之產(chǎn)生控制作用，實現(xiàn)減小偏差，但不能夠消除系統(tǒng)偏差隨著比例系數(shù)Kc的增大，系統(tǒng)偏差減小，但比例系數(shù)過大會導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。(2) 積分環(huán)節(jié)：只要偏差存在，控制就會發(fā)生改變，直到系統(tǒng)偏差變?yōu)榱恪７e分環(huán)節(jié)主要作用在于消除靜差。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)Ti，Ti越大，積分作用則越弱，引起系統(tǒng)超調(diào)量增大，反之越強，引起系統(tǒng)振蕩。(3) 微分環(huán)節(jié)：對偏差信號變化的趨勢做出反應，在偏差信號變得過大之前，引入一個有效的早期修正信號到系統(tǒng)中，加快了系統(tǒng)的動作速度，減少了調(diào)節(jié)時間。微分環(huán)節(jié)主要作用是控制被調(diào)量的振蕩，減小超調(diào)量，加快系統(tǒng)響應時間，改善系統(tǒng)的動態(tài)特性。 參數(shù)整定方法（1） 經(jīng)驗整定法 可根據(jù)表所示的被控過程特點確定控制器參數(shù)的范圍。經(jīng)驗整定法可先設置一個比例度，確定出系統(tǒng)振蕩周期Tp，然后根據(jù)被控過程的特點，當采用PI控制時，設置Ti=（~1）Tp；對溫度、成分等被控過程，可采用PID控制，設置Td=（~）Ti。最后，比例度從大到小進行搜索，直到控制過程滿足工藝控制要求[10][11]。 表 被控過程特點和控制器參數(shù)項目流量、液體壓力氣體壓力液位溫度、蒸汽壓力成分時滯容量數(shù)周期噪聲無多容量1~10s有無單容量0無無單容量1~10s有變動3~6Min~h無恒定1~100Min~h往往存在比例度積分作用微分作用100%~500%50%~200%重要不用0~5%不必要不必要5%~100%少用不用10%~100%用重要100%~1000%重要可用 （2） 擴充臨界比例法 這是一種基于系統(tǒng)臨界振蕩參數(shù)的閉環(huán)控制法，實際上也是模擬控制器中采用的穩(wěn)定邊界法的推廣，用來整定數(shù)字PID算式中的Ts、Kc、Ti和Td。具體如下 1）選擇合適的采樣周期，控制器做純比例Kc作用，使系統(tǒng)閉環(huán)工作。 2）逐漸增大比例增益Kc，直到控制系統(tǒng)達到穩(wěn)定邊界達到等幅振蕩，此時的比例增益為臨界比例增益Kcr，振蕩周期稱為臨界振蕩周期Tcr。 3）選擇控制度?？刂贫仁且阅M控制器為基礎，定量衡量計算機數(shù)字控制系統(tǒng)與模擬控制器對同一對象的控制效果。 4）根據(jù)選擇的控制度，、Kc、Ti和Td的值。 5) 按求得的參數(shù)值，在計算機控制系統(tǒng)中設定運行，并觀察控制效果。如果控制系統(tǒng)穩(wěn)定性差（表現(xiàn)為振蕩現(xiàn)象），可適當加大控制度，直到獲得滿意的控制效果。 擴充臨界比例帶法PID參數(shù)整定控制度調(diào)節(jié)規(guī)律Ts/TcrKc/KcrTi/TcrTd/TcrPIPIDPIPIDPIPIDPIPID模擬控制器PIPID（3）擴充響應曲線法擴充響應曲線法是模擬控制器響應曲線補充，是一種開環(huán)整定方法。 第四章 控制系統(tǒng)硬件電路設計根據(jù)基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)的原理，：報警控制輸出 故障狀態(tài)輸入 A/D模塊 PLC 通訊模塊變頻器人機界面 水泵機組 壓力變送器 系統(tǒng)的電氣控制總框圖由以上系統(tǒng)電氣控制總框圖可以看出,該系統(tǒng)的主要硬件設備應包括以下幾部分：(1) PLC及其擴展模塊 (2) 變頻器 (3) 水泵機組 (4) 壓力傳感器。 PLC及其擴展模塊選型 PLC特點及性能指標 （1）PLC的定義可編程控制器，簡稱PLC(Programmable logic Controller)，是指以計算機技術為基礎的新型工業(yè)控制裝置。1987年國際電工委員會(International Electrical Committee)上頒布的PLC標準草案中對PLC做出如下定義:“PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數(shù)字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。 （2）PLC的特點：。、重量輕、功耗低。與其他控制方式相比，性價比較高。，擴展能力強。，功能更改靈活。 （3）PLC的性能指標 。它是衡量PLC能力強弱的指標，決定了PLC處理能力、控制能力的強弱。限定了計算機發(fā)揮運算功能、完成復雜控制的能力。 可編程序控制器（PLC）的選型 機型的選擇：PLC機型的選擇應是在滿足控制要求的前提下，保證可靠、維護使用方便以及最佳的性能價格比。 (1) 結構合理對于工藝比較固定，環(huán)境條件較好，維修量較小的場合，由于整體式每一I/O點的平均價格比模塊式的便宜，所以人們一般傾向于在小型控制系統(tǒng)中采用整體式PLC。 (2) 功能強弱適當對于開關量控制的工程項目，由于現(xiàn)代PLC具有足夠高的速度處理大量的I/O數(shù)據(jù)和解算梯形圖邏輯，因此對于大多數(shù)應用場合來說，PLC的響應時間并不是主要的問題，所以對速度要求不高，一般選用低檔的PLC，如西門子公司的S7200系列機。(3) PLC容量的選擇PLC容量主要是指是PLC的I/O點數(shù)，I/O點數(shù)也應留有適當裕量，以備在某些特殊情況下使用。由于目前I/O點數(shù)較多的PLC價格也較高，若備用的I/O點是數(shù)量太多，將使成本增加。根據(jù)被控對象的輸入信號和輸出信號的總點數(shù)，并考慮到今后的調(diào)整和擴充，通常I/O點數(shù)按實際需要的考慮留10%～15%點數(shù)備用量。 S7200 PLC的各種CPU特性比較CPU型號外形尺寸/mm數(shù)字量輸入數(shù)字量輸出擴展模塊數(shù)量CPU221908062 6 4 0CPU222908062 8 6 2CPU224 14 10 7CPU226/CPU226XM1908062 24 16 7 根據(jù)系統(tǒng)要求和功能（具體I/O分配見下文），考慮到I/O分配留有一定裕量，設計選用西門子S7200系列的CPU226型。其有以下特點： (1) 具有24個輸入點，10個輸出點，共40個數(shù)字量I/O點。 (2) SIMENS S7200可編程序控制器是模塊化中小型PLC系統(tǒng)，能滿足中等性能要求的應用。 (3) 與擴展模塊組成的 I/O端子排可以很容易的整體拆卸。 (4) 具有13KB的程序和數(shù)據(jù)存儲空間、6個獨立的30kHZ的高速計數(shù)器、兩路獨立的20kHZ的高速脈沖輸出、PID控制器、1個RS485通信/編程口、點對點接口PPI通信協(xié)議、多點接口MPI通信協(xié)議和自由通信口，絕對滿足設計需求。 ( 5) 當控制任務增加時，具有7個擴展模塊，可以自由擴展。 (6) 大范圍的集成功能使得它的功能非常強勁。 (7) PLC編程采用STEP7Micro/win，它是SIMATIC PLC的視窗軟件支持工具，提供完整的編程環(huán)境，可進行離線編程和在線連接和調(diào)試[12]。為了擴展I/O點和執(zhí)行特殊的功能，S7200系列PLC可以連接擴展模塊（CPU221除外）。擴展模塊主要有四類：數(shù)字量輸入/輸出（DI/DO）模塊、模擬量輸入/輸出（AI/AO）模塊、通信模塊和特殊功能模塊。本次設計中需要擴展一個采集處理壓力信號的模擬信號，應擴展一個模擬量輸入/輸出（AI/AO）模塊。故主要對此類擴展模塊進行簡要介紹。 (1) EM231：4路12位模擬量輸入（AI）模塊 1) 差分輸入，輸入范圍：電壓：0~10V、0~5V；電流：0~20mA。 2) 轉(zhuǎn)換時間小于250us。 3) 最大輸入電壓30VDC，最大輸入電流32mA。 (2) EM232：2路12位模擬量輸出（AO）模塊 1) 輸出范圍：電壓10V；電流：0~20mA。 2) 數(shù)據(jù)字格式：電壓：32000~+32000；電流0~+32000。 3) 分辨率：電壓12位，電流11位。 (3) EM235：模擬量混合輸入/輸出(AI/AO)模塊， 1) 4路模擬量輸入，一路模擬量輸出。 2) 差分輸入，電壓0~10V、0~5V、0~1V、0~500mV、0~100mV、0~50mV、10V、5V、1V、500mV、250mV、100mV、50mV和250mV；電流：0~20mA。 3) 轉(zhuǎn)換時間小于250us。 4) 穩(wěn)定時間：電壓100us，電流2ms。由于實際中需要模擬量輸入點1個，模擬量輸出點1個，所以需要擴展，擴展模塊選擇的是EM235，該模塊具有4個模擬輸入(AIW)通道，1個模擬輸出(AQW)信號通道。輸入輸出信號接入端口時能夠自動完成A/D的轉(zhuǎn)換，標準輸入信號能夠轉(zhuǎn)換成一個字長(16bit)的數(shù)字信號；輸出信號接出端口時能夠自動完成D/A的轉(zhuǎn)換，一個字長(16bit)的數(shù)字信號能夠轉(zhuǎn)換成標準輸出信號。針對不同的標準輸入信號，EM235模塊可以通過DIP開關進行設置。 變頻器的選型變頻器是控制執(zhí)行機構的硬件，通過改變頻率實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，從而改變出水流量。變頻器須根據(jù)水泵電機的電流和功率進行選擇。要求系統(tǒng)實現(xiàn)監(jiān)控，所以變頻器還應具有通訊功能。根據(jù)不同控制功能，變頻器可分為三種類型：普通功能型U/f控制變頻器、具有轉(zhuǎn)矩控制功能的高功能型U/f控制變頻器以及矢量控制高功能型變頻器。供水系統(tǒng)屬于泵類負載，低速運行時的轉(zhuǎn)矩小，可選用價格相對便宜的U/f控制變頻器[11]。由于本設計中PLC選擇的西門子S7200型號，為了方便PLC和變頻器之間的通信，我們選擇西門子的MicroMaster440變頻器。它是用于三相交流電動機調(diào)速的系列產(chǎn)品，由微處理器控制，絕緣柵雙極型晶體管作為其功率輸出器件，具有較高的運行可靠性和很強的功能。其采用模塊化結構，組態(tài)靈活，有完善的電動機和變頻器保護功能，內(nèi)置RS485/232C接口和用于簡單過程控制的PI閉環(huán)控制器，可根據(jù)用戶特殊需要對I/O端子進行自定義。~90KW，適用于功率大、要求高的場合。另外選擇西門子的變頻器可以通過RS485通信協(xié)議和接口直接與西門子PLC相連，更便于設備之間的通信。 在恒壓供水電路中，變頻器與S7200PLC配合使用，要求控制系統(tǒng)能夠平滑地調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速。（1） PLC部分設計 PLC控制系統(tǒng)使用CPU226（此部分暫不做分析）和模擬量擴展模塊EM235 AIW0 EM235模擬量輸入通道1，接一精密電位器； AQW0 EM235模擬量輸出通道1，接MM440的端口3和4。整個系統(tǒng)接線原理圖如圖所示 精密電位器A+ AM0 V0 380V三相電源MM4403 94 18U V W 24V 接地 M 3~ MA 圖 使用基本操作面板對變頻器進行參數(shù)設置。首先按下P鍵對變頻器進行復位，使變頻器的參數(shù)值回到出廠時的狀態(tài)。 使用變頻器之前必須設置電動機的參數(shù)，以使電動機與變頻器相配，