【文章內(nèi)容簡介】 。此次方案的設(shè)計也不例外。 參數(shù)的計算 在工業(yè)生產(chǎn)中，一般用閉環(huán)控制方法來控制溫度、壓力、流量、速度這一類連續(xù)變化的模擬量，無論是使用模擬調(diào)節(jié)器的模擬控制系統(tǒng)還是使用計算機(jī) (包括PLC) 的控制系統(tǒng) ,PID(Proportional Integral Differential，即比例 積分 微西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 分調(diào)節(jié) ) 都因其良好的控制效果，得到了廣泛的應(yīng)用。利用可編程序控制器 (PLC) 實現(xiàn)對模擬量的 PID 閉環(huán)控制 ,具有性能價格比高、用戶使用方便、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)等特點。用 PLC 對模擬量進(jìn)行數(shù)字 PID 控制時，可采用 3 種方法 :使用 PID 過程控制模塊、使用 PLC 內(nèi)部的 PID 功能指令、或者用戶自己編制 PID 控制程序。前兩種方法要么價格昂貴，在大型控制系統(tǒng)才使用；要么算法固定，不夠靈活。因此，如果有的 PLC 沒有 PID 功能指令，或者雖然可以使用 PID 指令，但是希望采用其他的 PID 控制算法， 此時只能采用第三種方法，即自編 PID 控制程序。在此研究的正是這種方法。采用 PID 控制時， Kp、 Ts、 Td 的設(shè)置直接影響最終的控制技術(shù)。分別或組合改變這三個參數(shù)，可以使受控對象的響應(yīng)時間、超調(diào)、穩(wěn)態(tài)誤差等指標(biāo)達(dá)到用戶要求，因此 Kp、 Ts、 Td這三個參數(shù)的確定是 PID 控制的一個重要環(huán)節(jié) PID 算法 在過程控制系統(tǒng)中 , PID 調(diào)節(jié)器的輸入輸出關(guān)系式為： mv(t)= Kp[ev( t) + TI1∫ ev( t) dt + TDdev(t)/dt]+M 式中 :誤差信號 ev( t) = sv( t) pv( t)， mv( t)是調(diào)節(jié)器的輸出信號 , KP 是調(diào)節(jié)器的比例系數(shù) , TI 和 TD 分別是積分時間常數(shù)和微分時間常數(shù) ,M 是偏移量。式 (31)中等號右邊的前 3 項分別是比例、積分、微分部分，它們分別與誤差、誤差的積分和微分成正比。如果取其中的一項或兩項，就可以組成 P、 PI 或 PD 調(diào)節(jié)器?；?PLC 的閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖 31 所示 ,虛線部分在 PLC 內(nèi)。圖中的 sv( n) , pv(n) , ev(n) ,mv (n)均為第 n次采樣時的數(shù)字量 , pv(t) ,mv(t) , c(t)為模擬量。假設(shè)采樣周期為 TS，系統(tǒng)開始運(yùn)行的時刻為 t=0,用矩形積分近似精確積分，用差分近似精確微分，將式 (31)離散化 ,第 n 次采樣時控制器的輸出為 mv(n)=Kpev(n)+KI ??nj jev0 )( +KD[ev(n)ev(n1)]+M (32) 式中的 KI = Kp TS /TI , KD = Kp TD /TS，分別是積分系數(shù)和微分系數(shù)。 西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 PID 參數(shù)的整定 （ 1）確定整定方法 假設(shè)采樣周期為 T，系統(tǒng)開始運(yùn)行的時刻為 t = 0，則第 k 次采樣時控制器的輸出為 : u(k) = kp[ e(k) +TI1 ??ki eiT0+T DT keke )1()( ??] + M (33) 這即是 PID 規(guī)律的離散化形式，應(yīng)指出的是，按式 (33) 計算 u ( k) 時，為 PID 位置控制算式，其輸出值與過去所有狀 態(tài)有關(guān)，計算時要占用大量的內(nèi)存和花費大量的時間。 △ u (k)=u(k) u ( k 1) = kp{ e ( k) e ( k 1) +TIT e ( k) +TTD [ e ( k) 2e ( k 1) + e ( k 2) ]} +M （ 34） 按式 (34) 計算在時刻 k 時的輸出量 u(k)，只需用到采樣時刻 k 的偏差值 e(k)，以及向前遞推一次及兩次的偏差值 e(k 1)、 e(k2) 和向前推一次的偏差 u(k 1), 此式即為增量形式的 PID 采樣調(diào)節(jié)的控制方程。這大大節(jié)約了內(nèi)存和計算時間。為此，可選控制式 : u(k) = u(k 1) + kp{e(k) e(k 1) + TIT e(k) + TTD [e(k) 2e(k 1) + e(k 2)]}+M （ 35） 參數(shù)整定的實質(zhì)是通過改變調(diào)節(jié)器的參數(shù)，使其特性和過程特性相匹配，以改善系統(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)指標(biāo)，取得最佳的控制效果。自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的整定是一個很重要的問題，它的任務(wù)是選擇合理的調(diào)節(jié)器參數(shù)，以便獲得最佳品質(zhì)指標(biāo)要求的調(diào)節(jié)過程。調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定有兩種方法，一是計算法，一是工程整定法。計算法是以調(diào)節(jié)對象的動態(tài)特性為依據(jù)的，而多數(shù)情況下由于缺乏足夠的調(diào)節(jié)對象的動態(tài)特性資料，使計算法無法進(jìn)行。工程整定法 有經(jīng)驗試湊法、衰減曲線法、臨界比例度法等。經(jīng)過大量整定實踐證明，工程整定法行之有效，故得到了廣泛應(yīng)用。工程整定法不需要事先知道過程的數(shù)學(xué)模型，方法簡單，計算簡便，易于掌握，雖然是一種近似方法，所得整定參數(shù)不一定為最佳，但卻相當(dāng)實用，故而西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 采用工程整定法。 在工程實踐中，串級控制系統(tǒng)常用的整定方法有兩步整定法、逐步逼近法、衰減曲線法、臨界比例度法、經(jīng)驗法、反應(yīng)曲線法等。下面就此作一些介紹。 ①兩步整定法。根據(jù)控制系統(tǒng)的過程的時間常數(shù)應(yīng)適當(dāng)匹配，要求其時間常數(shù)之比 T01/T02 在 3 到 10 范圍內(nèi)。這樣，回路的工作頻率和操作周期相差很大，其動態(tài)聯(lián)系很小，可忽略不計。 兩步整定法的整定步驟為： 1)在工況穩(wěn)定回路閉合，調(diào)節(jié)器都在純比例作用的條件下，調(diào)節(jié)器的比例度置于100%，用單回路控制系統(tǒng)的衰減（如 4： 1）曲線法整定 2)將調(diào)節(jié)器的比例度置于所求得的數(shù)值δ 2s 上，求取調(diào)節(jié)器的比例度δ 1s 和操作周期 T1s。 3)根據(jù)求得的δ 1s、 T1s、δ 2s、 T2s 數(shù)值 4）先比例后積分的整定程序，設(shè)置調(diào)節(jié)器的參 數(shù)，再觀察過渡過程曲線，必要時進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，直到系統(tǒng)質(zhì)量達(dá)到最佳為止。 ②逐步逼近法。對過程的時間常數(shù)相差不大的控制系統(tǒng)，由于主回路與副回路的動態(tài)聯(lián)系比較密切，則系統(tǒng)整定必須反復(fù)進(jìn)行、逐步逼近。 具體整定步驟如下： （ 1）讓調(diào)節(jié)器參數(shù)的積分系數(shù) I=0，微分系數(shù) D=0，控制系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行，由小到大改變比例系數(shù) P，讓擾動信號作階躍變化，觀察控制過程，直到獲得滿意的控制過程為止。 （ 2）取比例系數(shù) P 為當(dāng)前的值乘以 ，由小到大增加積分系數(shù) I，同樣讓擾動信號作階躍變化，直至得到滿意的控制過程。 （ 3）積分系數(shù) I 保持不變，改變比例系數(shù) P，觀察控制過程有無改善，如有改善則繼續(xù)調(diào)整，直到滿意為止。否則，將原比例系數(shù) P 增大一些，再調(diào)整積分系數(shù) I，力求改善控制過程。如此反復(fù)試湊，直到找到滿意的比例系數(shù) P 和積分系數(shù) I 為止。 （ 4）引入適當(dāng)?shù)奈⒎窒禂?shù) D，此時可適當(dāng)增大比例系數(shù) P 和積分系數(shù) I。和前述步驟相同，微分系數(shù)的整定也需反復(fù)調(diào)整，直到控制過程滿意為止。 西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 需要注意的是：仿真系統(tǒng)所采用的 PID 調(diào)節(jié)器與傳統(tǒng)的工業(yè) PID 調(diào)節(jié)器有所不同，其各個參數(shù)之間是相互隔離的，因而互不影響，用其觀察調(diào)節(jié)規(guī)律十分方便。經(jīng)驗法實質(zhì)上是一種試湊法， 它是在生產(chǎn)實踐中總結(jié)出來的行之有效的方法，并在現(xiàn)場中得到了廣泛的應(yīng)用。經(jīng)驗法簡單可靠，但需要有一定的現(xiàn)場運(yùn)行經(jīng)驗，整定時易帶有主觀片面性。當(dāng)采用 PID 調(diào)節(jié)器時，由于有多個整定參數(shù)，反復(fù)試湊的次數(shù)增多，因此增加了得到最佳整定參數(shù)的難度。 2）確定 PID 控制器參數(shù) 經(jīng)驗試湊法是目前應(yīng)用較廣泛的方法。它是把調(diào)節(jié)器參數(shù)先按經(jīng)驗定在某些數(shù)值上，然后再將調(diào)節(jié)系統(tǒng)投入，并施加一定擾動，觀察過渡過程曲線的形狀，若曲線形狀不能令人滿意，就按一定程序湊試參數(shù)值，直到調(diào)節(jié)質(zhì)量合格。該方法可在對象動態(tài)特性不易測試的情況下 使用。參數(shù)的試湊程序有兩種，一種是先湊比例，再加積分，最后加微分。即先按表 31 所列數(shù)值選一個δ，逐步試湊，直到曲線形狀較好后，再加積分作用，加入積分后再試湊。試湊的原則是過程曲線振蕩過強(qiáng)，則加大比例度和積分時間；恢復(fù)過慢，則所縮小比例度和積分時間。如果需要加微分作用，在加入微分作用后可把δ縮小 20%， Ti 也可縮小一些。微分作用也要經(jīng)過試湊，以便使過渡過程的時間最短，過調(diào)量最小。另一種試湊程序是先將 Ti 和 Td 定下來，即先在表 31 所列數(shù)值中取定某個 Ti，需加微分作用時，取 Td=（ 1/3～ 1/4） Ti，然后再 對δ值進(jìn)行試湊。 為使試湊見效快，順利完成整定工作，就必須能正確判斷過渡過程曲線，并能根據(jù)曲線改變調(diào)節(jié)器參數(shù)，參數(shù)改變后還應(yīng)預(yù)先估計出過程變化趨勢。δ的影響比 Ti 大，因此要求δ值能夠試湊得準(zhǔn)確一些。 Ti 值的準(zhǔn)確程度可以差一些，因為它對調(diào)節(jié)過程的影響較小。 Ti 偏大一些關(guān)系不太大， Ti 偏小則不利，這是因為Ti 偏小時的有利影響（指短期最大偏差減?。┎淮?，而不利影響（使調(diào)節(jié)過程變得不穩(wěn)定）卻比較大。因此，在沒有把握時，寧可選較大一些的 Ti 值。 根據(jù)選定的控制度，查表求得 T、 Kp 、 TI 、 TD 的值。設(shè)控制度 為 ，根據(jù)經(jīng)驗取臨界比例度δ k=20%，臨界振蕩周期 Tk=60s，得參數(shù)整定初始值 : T = =， Kp==， T1==， KI=KPTIT =。 邊觀察系統(tǒng)的運(yùn)行 , 邊修改參數(shù)直到滿意為止。一般情況下 , 增大比例系數(shù)西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 KP 會加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度 , 有利于減少靜差。但過大的比例系數(shù)會使系統(tǒng)有較大的超調(diào)，并產(chǎn)生振蕩使穩(wěn)定性變差。減小積分系數(shù) KI 將減少積分作用 , 有利于減少超調(diào)使系統(tǒng)穩(wěn)定 , 但系統(tǒng)消除靜差的速度慢。增加微分系數(shù) KD 有利于加快系統(tǒng)的響應(yīng) , 使超調(diào)減少，穩(wěn)定性增加 , 但對干擾的抑制能力會減弱。在試湊時 , 一般可根據(jù)以上參數(shù)對控制過程的影響趨勢，對參數(shù)實行先比例、后積分、再微分的步驟進(jìn)行整定。參數(shù)整定順序為先比例、后積分即可。 ① 比例部分整定。首先將積分系數(shù) KI 取零 , 即取消積分作用，采用純比例控制。將比例系數(shù) KP 由小到大變化，觀察系統(tǒng)的響應(yīng) , 直至速度快，且有一定范圍的超調(diào)為止。如果系統(tǒng)靜差在規(guī)定范圍之內(nèi)，且響應(yīng)曲線已滿足設(shè)計要求 , 那么只需用純比例調(diào)節(jié)器即可。 ② 積分部分 整定。如果比例控制系統(tǒng)的靜差達(dá)不到設(shè)計要求 , 這時加入積分作用。在整定時將積分系數(shù) KI 由小逐漸增加，積分作用就逐漸增強(qiáng) , 觀察輸出會發(fā)現(xiàn) , 系統(tǒng)的靜差會逐漸減少直至消除。反復(fù)試驗幾次 , 直到消除靜差的速度滿意為止。注意這時的超調(diào)量比原來加大 , 應(yīng)適當(dāng)?shù)慕档鸵稽c比例系數(shù) KP。 按上述步驟整定之后，得到參數(shù)最終的整定值分別為 ： T=15sTk=， Kp= k=， T1==， KI=KPTIT =。 經(jīng)驗試湊法的優(yōu)點 是方法簡單可靠，對那些記錄曲線不規(guī)則，外界干擾頻繁的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，使用這種方法最為合適。 西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計及軟件編制 概述 隨著微處理器、計算機(jī)和數(shù)字通信技術(shù)的飛速發(fā)展，計算機(jī)控制已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在所有的工業(yè)領(lǐng)域。現(xiàn)代社會要求制造業(yè)對市場需求作出迅速反應(yīng)，生產(chǎn)出小批量、多品種、多規(guī)格、高質(zhì)量的產(chǎn)品。為了滿足這一要求，生產(chǎn)設(shè)備和自動化生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)必須具有極高的可靠性和靈活性?？删幊绦蚩刂破鳎?Programmable Logic Controller）正是順應(yīng)這一要求出現(xiàn)的 ，它是以微處理器為基礎(chǔ)的通用控制裝置。本章主要介紹西門子 S7200 系列 PLC 以及其它硬件的組成與選型。 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 溫度檢測電路單元 Ⅰ 檢測器件的選擇 系統(tǒng)檢測部分采用 鎳鉻 鎳硅熱電偶 測量輸入信號， 鎳鉻硅 鎳硅熱電偶（ N 型熱電偶）為廉金屬熱電偶，是一種最新國際標(biāo)準(zhǔn)化的熱電偶，是在 70 年代初由澳大利亞國防部實驗室研制成功的它克服了 K 型熱電偶的兩個重要缺點： K 型熱電偶在300~500℃間由于鎳鉻合金的晶格短程有序而引起的熱電動勢不穩(wěn)定；在 800℃左右由于鎳鉻合金發(fā)生擇優(yōu)氧化引 起的熱電動勢不穩(wěn)定。正極（ NP）的名義化學(xué)成分為： Ni:Cr:Si=:: ，負(fù)極（ NN ） 的 名 義 化 學(xué) 成 分 為 ：Ni:Si:Mg=::，其使用溫度為 200~1300℃。 N型熱電偶具有線性度好，熱電動勢較大，靈敏度較高，穩(wěn)定性和均勻性較好，抗氧化性能強(qiáng)，價格便宜，不受短程有序化影響等優(yōu)點 ,其綜合性能優(yōu)于 K型熱電偶 ,是一種很有發(fā)展前途的熱電偶 . N型熱電偶不能直接在高溫下用于硫，還原性或還原，氧化交替的氣氛中和真空中，也不推薦用于弱氧化氣氛中。