【文章內容簡介】 。此次方案的設計也不例外。 參數的計算 在工業(yè)生產中，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，無論是使用模擬調節(jié)器的模擬控制系統還是使用計算機 (包括PLC) 的控制系統 ,PID(Proportional Integral Differential，即比例 積分 微西安工程大學本科畢業(yè)設計（論文） 9 分調節(jié) ) 都因其良好的控制效果，得到了廣泛的應用。利用可編程序控制器 (PLC) 實現對模擬量的 PID 閉環(huán)控制 ,具有性能價格比高、用戶使用方便、可靠性高、抗干擾能力強等特點。用 PLC 對模擬量進行數字 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 的設置直接影響最終的控制技術。分別或組合改變這三個參數，可以使受控對象的響應時間、超調、穩(wěn)態(tài)誤差等指標達到用戶要求，因此 Kp、 Ts、 Td這三個參數的確定是 PID 控制的一個重要環(huán)節(jié) PID 算法 在過程控制系統中 , PID 調節(jié)器的輸入輸出關系式為： 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)是調節(jié)器的輸出信號 , KP 是調節(jié)器的比例系數 , TI 和 TD 分別是積分時間常數和微分時間常數 ,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 調節(jié)器。基于 PLC 的閉環(huán)控制系統如圖 31 所示 ,虛線部分在 PLC 內。圖中的 sv( n) , pv(n) , ev(n) ,mv (n)均為第 n次采樣時的數字量 , pv(t) ,mv(t) , c(t)為模擬量。假設采樣周期為 TS，系統開始運行的時刻為 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，分別是積分系數和微分系數。 西安工程大學本科畢業(yè)設計（論文） 10 PID 參數的整定 （ 1）確定整定方法 假設采樣周期為 T，系統開始運行的時刻為 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，計算時要占用大量的內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 采樣調節(jié)的控制方程。這大大節(jié)約了內存和計算時間。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） 參數整定的實質是通過改變調節(jié)器的參數，使其特性和過程特性相匹配，以改善系統的動態(tài)和靜態(tài)指標，取得最佳的控制效果。自動調節(jié)系統的整定是一個很重要的問題，它的任務是選擇合理的調節(jié)器參數，以便獲得最佳品質指標要求的調節(jié)過程。調節(jié)器參數的整定有兩種方法，一是計算法，一是工程整定法。計算法是以調節(jié)對象的動態(tài)特性為依據的，而多數情況下由于缺乏足夠的調節(jié)對象的動態(tài)特性資料，使計算法無法進行。工程整定法 有經驗試湊法、衰減曲線法、臨界比例度法等。經過大量整定實踐證明，工程整定法行之有效，故得到了廣泛應用。工程整定法不需要事先知道過程的數學模型，方法簡單，計算簡便，易于掌握，雖然是一種近似方法，所得整定參數不一定為最佳，但卻相當實用，故而西安工程大學本科畢業(yè)設計（論文） 11 采用工程整定法。 在工程實踐中，串級控制系統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、經驗法、反應曲線法等。下面就此作一些介紹。 ①兩步整定法。根據控制系統的過程的時間常數應適當匹配，要求其時間常數之比 T01/T02 在 3 到 10 范圍內。這樣，回路的工作頻率和操作周期相差很大，其動態(tài)聯系很小，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，調節(jié)器都在純比例作用的條件下，調節(jié)器的比例度置于100%，用單回路控制系統的衰減（如 4： 1）曲線法整定 2)將調節(jié)器的比例度置于所求得的數值δ 2s 上，求取調節(jié)器的比例度δ 1s 和操作周期 T1s。 3)根據求得的δ 1s、 T1s、δ 2s、 T2s 數值 4）先比例后積分的整定程序，設置調節(jié)器的參 數，再觀察過渡過程曲線，必要時進行適當調整，直到系統質量達到最佳為止。 ②逐步逼近法。對過程的時間常數相差不大的控制系統，由于主回路與副回路的動態(tài)聯系比較密切，則系統整定必須反復進行、逐步逼近。 具體整定步驟如下： （ 1）讓調節(jié)器參數的積分系數 I=0，微分系數 D=0，控制系統投入閉環(huán)運行，由小到大改變比例系數 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 P 為當前的值乘以 ，由小到大增加積分系數 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 I 保持不變，改變比例系數 P，觀察控制過程有無改善，如有改善則繼續(xù)調整，直到滿意為止。否則，將原比例系數 P 增大一些，再調整積分系數 I，力求改善控制過程。如此反復試湊，直到找到滿意的比例系數 P 和積分系數 I 為止。 （ 4）引入適當的微分系數 D，此時可適當增大比例系數 P 和積分系數 I。和前述步驟相同，微分系數的整定也需反復調整，直到控制過程滿意為止。 西安工程大學本科畢業(yè)設計（論文） 12 需要注意的是：仿真系統所采用的 PID 調節(jié)器與傳統的工業(yè) PID 調節(jié)器有所不同，其各個參數之間是相互隔離的，因而互不影響，用其觀察調節(jié)規(guī)律十分方便。經驗法實質上是一種試湊法， 它是在生產實踐中總結出來的行之有效的方法，并在現場中得到了廣泛的應用。經驗法簡單可靠，但需要有一定的現場運行經驗，整定時易帶有主觀片面性。當采用 PID 調節(jié)器時，由于有多個整定參數，反復試湊的次數增多，因此增加了得到最佳整定參數的難度。 2）確定 PID 控制器參數 經驗試湊法是目前應用較廣泛的方法。它是把調節(jié)器參數先按經驗定在某些數值上，然后再將調節(jié)系統投入，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值，直到調節(jié)質量合格。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，則加大比例度和積分時間；恢復過慢，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。微分作用也要經過試湊，以便使過渡過程的時間最短，過調量最小。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，并能根據曲線改變調節(jié)器參數，參數改變后還應預先估計出過程變化趨勢。δ的影響比 Ti 大，因此要求δ值能夠試湊得準確一些。 Ti 值的準確程度可以差一些，因為它對調節(jié)過程的影響較小。 Ti 偏大一些關系不太大， Ti 偏小則不利，這是因為Ti 偏小時的有利影響（指短期最大偏差減小）不大，而不利影響（使調節(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。 根據選定的控制度，查表求得 T、 Kp 、 TI 、 TD 的值。設控制度 為 ，根據經驗取臨界比例度δ k=20%，臨界振蕩周期 Tk=60s，得參數整定初始值 : T = =， Kp==， T1==， KI=KPTIT =。 邊觀察系統的運行 , 邊修改參數直到滿意為止。一般情況下 , 增大比例系數西安工程大學本科畢業(yè)設計（論文） 13 KP 會加快系統的響應速度 , 有利于減少靜差。但過大的比例系數會使系統有較大的超調，并產生振蕩使穩(wěn)定性變差。減小積分系數 KI 將減少積分作用 , 有利于減少超調使系統穩(wěn)定 , 但系統消除靜差的速度慢。增加微分系數 KD 有利于加快系統的響應 , 使超調減少，穩(wěn)定性增加 , 但對干擾的抑制能力會減弱。在試湊時 , 一般可根據以上參數對控制過程的影響趨勢，對參數實行先比例、后積分、再微分的步驟進行整定。參數整定順序為先比例、后積分即可。 ① 比例部分整定。首先將積分系數 KI 取零 , 即取消積分作用，采用純比例控制。將比例系數 KP 由小到大變化，觀察系統的響應 , 直至速度快，且有一定范圍的超調為止。如果系統靜差在規(guī)定范圍之內，且響應曲線已滿足設計要求 , 那么只需用純比例調節(jié)器即可。 ② 積分部分 整定。如果比例控制系統的靜差達不到設計要求 , 這時加入積分作用。在整定時將積分系數 KI 由小逐漸增加，積分作用就逐漸增強 , 觀察輸出會發(fā)現 , 系統的靜差會逐漸減少直至消除。反復試驗幾次 , 直到消除靜差的速度滿意為止。注意這時的超調量比原來加大 , 應適當的降低一點比例系數 KP。 按上述步驟整定之后，得到參數最終的整定值分別為 ： T=15sTk=， Kp= k=， T1==， KI=KPTIT =。 經驗試湊法的優(yōu)點 是方法簡單可靠，對那些記錄曲線不規(guī)則，外界干擾頻繁的調節(jié)系統，使用這種方法最為合適。 西安工程大學本科畢業(yè)設計（論文） 14 第 3 章 系統硬件設計及軟件編制 概述 隨著微處理器、計算機和數字通信技術的飛速發(fā)展，計算機控制已經廣泛地應用在所有的工業(yè)領域。現代社會要求制造業(yè)對市場需求作出迅速反應，生產出小批量、多品種、多規(guī)格、高質量的產品。為了滿足這一要求，生產設備和自動化生產線的控制系統必須具有極高的可靠性和靈活性?？删幊绦蚩刂破鳎?Programmable Logic Controller）正是順應這一要求出現的 ，它是以微處理器為基礎的通用控制裝置。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。 系統的硬件設計 溫度檢測電路單元 Ⅰ 檢測器件的選擇 系統檢測部分采用 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，是一種最新國際標準化的熱電偶，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）的名義化學成分為： Ni:Cr:Si=:: ，負極（ NN ） 的 名 義 化 學 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，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。