【導(dǎo)讀】工業(yè)中存在著大量按原料配比進(jìn)行生產(chǎn)的過(guò)程，要求將原料配比進(jìn)行控制，然而配比的變化往往意味著產(chǎn)品產(chǎn)量下降、質(zhì)量下降、能量浪費(fèi)、物料浪費(fèi)、成本提高、環(huán)境污染、甚至安全事故。在化工、煉油及其他工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，工藝上常需要兩種或兩種以上的物料保持一定的比例關(guān)系，比例一旦失調(diào)，將影響生產(chǎn)或造成事故。配料精度的高低制約著整個(gè)生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量，所以應(yīng)對(duì)配料過(guò)程的控制給予足夠重視。本文主要應(yīng)用Setp7軟件對(duì)PLC300編程，對(duì)電動(dòng)閥及變頻器進(jìn)行PID控制，使電動(dòng)閥支路流量與變頻器支路流量達(dá)到一定比值，成為流量比值控制系統(tǒng)。并且通過(guò)組態(tài)軟件WINCC繪制上位機(jī)界面，從而監(jiān)控實(shí)時(shí)曲線、流量測(cè)量值，起到參數(shù)整定的目的。油品調(diào)合主要是指汽油、柴油、潤(rùn)滑。以及原油等的調(diào)和。汽油調(diào)和是煉廠利用生產(chǎn)的各種汽油組分，按某種比例配方和添。劑均勻混合，得到符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的汽油產(chǎn)品的過(guò)程。重要手段，調(diào)和效益在生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益中占有舉足輕重的地位。

　　

【正文】 器的調(diào)節(jié)使系統(tǒng)再次進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，但偏差或大或小還要存在，否則偏差為零，控制作用也隨之消失，干擾信號(hào)的存在就不可能使系統(tǒng)穩(wěn)定下來(lái)。調(diào)節(jié)過(guò)程結(jié)束，被調(diào)量偏差仍存在稱為有差調(diào)節(jié)，這是比例調(diào)節(jié)規(guī)律的又一特點(diǎn)。[3] 積分控制對(duì)控制性能的影響比例調(diào)節(jié)規(guī)律的特點(diǎn)是控制及時(shí)，控制作用貫穿整個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程，因此它是基本的調(diào)節(jié)作用。然而比例調(diào)節(jié)不能保證系統(tǒng)無(wú)差，因此對(duì)于一些要求較高的控制（定值調(diào)節(jié)）還需引入積分調(diào)節(jié)規(guī)律，實(shí)現(xiàn)無(wú)差調(diào)節(jié)。積分調(diào)節(jié)規(guī)律是調(diào)節(jié)器輸出控制作用u(t)與其偏差輸入信號(hào)e(t)隨時(shí)間的積累值成正比，即 （510）其傳遞函數(shù)形式： （511）式中積分時(shí)間。積分調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)如圖42所示。由圖可以看出，當(dāng)被調(diào)量出現(xiàn)偏差并成階躍形式變化時(shí)，積分調(diào)節(jié)器輸出的控制作用并不立即變化，而是由零開(kāi)始線性增長(zhǎng)。從這一點(diǎn)看，積分調(diào)節(jié)作用是不及時(shí)的。只要偏差信號(hào)存在，調(diào)節(jié)器輸出旨在消除對(duì)系統(tǒng)影響的控制作用就一直增加，且其增長(zhǎng)的速度始終為初始速度。由下式可知： （512）上式表明，控制作用在積分時(shí)間TI越小時(shí)越強(qiáng)。從響應(yīng)曲線看，只要偏差存在，積分控制作用一直增加；換言之，只有偏差為零時(shí)，積分作用才停止變化。這表明系統(tǒng)達(dá)到再次穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，被調(diào)量的偏差必然為零。積分調(diào)節(jié)規(guī)律的另一特點(diǎn)就是消除穩(wěn)態(tài)偏差，實(shí)現(xiàn)無(wú)差調(diào)節(jié)，其控制作用體現(xiàn)在調(diào)節(jié)過(guò)程的后期。[3]不過(guò)在現(xiàn)實(shí)中，積分調(diào)節(jié)規(guī)律很少單獨(dú)使用，它總是與比例調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合成為比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律，以發(fā)揚(yáng)各自的特長(zhǎng)，彌補(bǔ)對(duì)方的不足。描述比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律的動(dòng)態(tài)方程是： （513）式中比例增益；積分時(shí)間 積分作用曲線比例積分調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為： （514）綜上分析，當(dāng)被調(diào)量一旦偏離給定值出現(xiàn)偏差時(shí)，調(diào)節(jié)器立即輸出一個(gè)與偏差成比例的控制作用，這是比例作用的結(jié)果；隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，控制作用線性增加，積分作用表現(xiàn)出來(lái)；只要偏差存在，控制作用就一直增長(zhǎng)下去，直至消除偏差時(shí)，控制作用才停止變化。由此可見(jiàn)，比例積分調(diào)節(jié)作用具有比例作用及時(shí)和積分作用消除偏差的優(yōu)點(diǎn)，從而克服了單純比例作用時(shí)不能消除偏差的缺點(diǎn)和單純積分作用控制不及時(shí)的缺點(diǎn)。[3] 微分控制對(duì)控制性能的影響 微分調(diào)節(jié)規(guī)律是是調(diào)節(jié)器輸出的控制作用與其偏差輸入信號(hào)的變化速度成正比。對(duì)于定值控制系統(tǒng)，偏差信號(hào)的變化速度就是被調(diào)量的變化速度，即 （515）式中Td微分時(shí)間。傳遞函數(shù)式為： （516）由于受控對(duì)象總存在一定的容量，調(diào)節(jié)器也存在一定的不靈敏區(qū)，因此使調(diào)節(jié)器動(dòng)作的偏差信號(hào)在實(shí)踐上肯定落后于偏差變化速度信號(hào)，被調(diào)量變化速度（即偏差變化速度）信號(hào)又稱超前信號(hào)。被調(diào)量的變化速度往往反映了對(duì)象流入量與流出量之間的不平衡狀態(tài)，因此對(duì)慣性較大的對(duì)象，在調(diào)節(jié)器中加入微分調(diào)節(jié)作用實(shí)現(xiàn)超前調(diào)節(jié)，無(wú)疑將大大改善調(diào)節(jié)過(guò)程。微分調(diào)節(jié)作用的大小僅與偏差信號(hào)的變化速度有關(guān)，而與偏差值大小無(wú)關(guān)。因此對(duì)象在受到較小的擾動(dòng)后，被調(diào)量變化量及變化速度都將很小，微分作用調(diào)節(jié)器同時(shí)由于自身動(dòng)作的不靈敏區(qū)的存在而始終不動(dòng)作,這樣，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，偏差將積累成一個(gè)較大的值。就是說(shuō)純微分作用的調(diào)節(jié)器是不能單獨(dú)使用的，微分作用要與比例作用或比例積分作用相結(jié)合，形成比例微分調(diào)節(jié)規(guī)律或比例微分積分調(diào)節(jié)規(guī)律。[3]式（416）是理論上的微分調(diào)節(jié)規(guī)律表達(dá)式，因?yàn)樵谄铍A躍變化時(shí)的瞬間，控制作用將為無(wú)窮大量，這是任何物理元件都不可能實(shí)現(xiàn)的。實(shí)際的微分調(diào)節(jié)規(guī)律具有慣性，傳遞函數(shù)為下式：[ （517）式中TD微分時(shí)間；KD微分增益。由初值定理有： （518）由終值定理知： （519），微分調(diào)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線。 微分調(diào)節(jié)階躍響應(yīng)，當(dāng)偏差信號(hào)做幅度為E的階躍變化時(shí)，微分作用將立即產(chǎn)生，其值為偏差的KD倍。從這一點(diǎn)上與比例作用相比，調(diào)節(jié)及時(shí)且作用強(qiáng)。在時(shí)間較長(zhǎng)后，微分作用消失，直到為零?？梢?jiàn)微分作用要在調(diào)節(jié)過(guò)程的初期，和積分作用恰好相反。 控制系統(tǒng)的整定 控制系統(tǒng)整定的基本要求簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)是由廣義對(duì)象和調(diào)節(jié)器構(gòu)成的，其控制質(zhì)量的決定性因素是被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，與此相比其它都是次要的。當(dāng)系統(tǒng)安裝好以后，系統(tǒng)能否在最佳狀態(tài)下工作，主要取決于調(diào)節(jié)器各參數(shù)的設(shè)置是否得當(dāng)。過(guò)程控制通常都是選用工業(yè)成批生產(chǎn)的不同類型的調(diào)節(jié)器，這些調(diào)節(jié)器都有一個(gè)或幾個(gè)整定參數(shù)和調(diào)整這些參數(shù)的相應(yīng)機(jī)構(gòu)（如旋鈕，開(kāi)關(guān)等）。系統(tǒng)整定的實(shí)質(zhì)，就是通過(guò)調(diào)整調(diào)節(jié)器的這些參數(shù)使其特性與被控對(duì)象特性相匹配，以達(dá)到最佳的控制效果。人們常把這種整定稱作“最佳整定”，這時(shí)的調(diào)節(jié)器參數(shù)叫做“最佳整定參數(shù)”。應(yīng)當(dāng)指出，控制系統(tǒng)的整定是一個(gè)很重要的工作，但它只能在一定范圍內(nèi)起作用，決不能誤認(rèn)為調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定是“萬(wàn)能”的。如果設(shè)計(jì)方案不合理，儀表選擇不當(dāng)，安裝質(zhì)量不高，被控對(duì)象特性不好等，要想通過(guò)調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定來(lái)滿足工藝生產(chǎn)要求也是不可能的。所以，只有在系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，儀表選擇得當(dāng)和安裝正確條件下，調(diào)節(jié)器參數(shù)整定才有意義。在實(shí)際系統(tǒng)整定中，一般先改變調(diào)節(jié)器的某些參數(shù)（通常是比例帶）使系統(tǒng)響應(yīng)獲得規(guī)定的衰減率，然后再改變另外一些參數(shù)，最后經(jīng)過(guò)綜合反復(fù)調(diào)整所有參數(shù)，以期在規(guī)定的衰減率下使選定的某一誤差積分指標(biāo)最小，從而獲得調(diào)節(jié)器最佳整定參數(shù)。當(dāng)然，如果系統(tǒng)只有一個(gè)可供整定的參數(shù)，就不必進(jìn)行積分指標(biāo)的計(jì)算了[9]。 調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定方法調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定一般有兩種方法：一種是理論計(jì)算法，即根據(jù)廣義對(duì)象的數(shù)學(xué)模型和性能要求，用根軌跡法或頻率特性法來(lái)確定調(diào)節(jié)器的相關(guān)參數(shù)；另一種方法是工程實(shí)驗(yàn)法，通過(guò)對(duì)典型輸入響應(yīng)曲線所得到的特征量，然后查照經(jīng)驗(yàn)表，求得調(diào)節(jié)器的相關(guān)參數(shù)。工程實(shí)驗(yàn)整定法有以下幾種：經(jīng)驗(yàn)法在現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)整定過(guò)程中，經(jīng)驗(yàn)豐富的運(yùn)行人員常常采用經(jīng)驗(yàn)整定法，這種方法實(shí)質(zhì)上是一種經(jīng)驗(yàn)試湊法，它不需要進(jìn)行方法所要求的經(jīng)驗(yàn)和計(jì)算，而是根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，先確定一組控制器參數(shù)，并將系統(tǒng)投入運(yùn)行，然后認(rèn)為加入階躍擾動(dòng)，觀察被控量或控制器輸出地階躍響應(yīng)曲線，并依照控制器各參數(shù)對(duì)調(diào)節(jié)過(guò)程的影響，改變相應(yīng)的整定參數(shù)值。一般先改變?chǔ)暮蟾淖僒I和TD，如此反復(fù)試驗(yàn)多次，知道獲得滿意的階躍響應(yīng)曲線位置，給出控制器參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)參數(shù)δ(%)TI (min)TD (min)溫度20～603～10～3流量40～100～1—壓力30～70～3—液位20～80—— 穩(wěn)定邊界法穩(wěn)定邊界法是一種閉環(huán)的整定方法。它基于純比例控制它基于純比例控制系統(tǒng)臨界 振蕩試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，即臨界比例帶和臨界振蕩周期Ts， 利用一些經(jīng)驗(yàn)公式，求取調(diào)節(jié)器最佳參數(shù)值。其整定計(jì)算公式如下表 穩(wěn)定邊界法整定調(diào)節(jié)器參數(shù)調(diào)節(jié)器名稱調(diào)節(jié)參數(shù)δ(%)TI (S)TD (S)P2δk——PITS/—PID1. 置控制器積分時(shí)間TI到最大值（TI=∞），微分時(shí)間TD為零（TD=0），比例帶δ置較大值，使控制器系統(tǒng)投入運(yùn)行。2. 待控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，逐漸減小比例帶，即所謂的臨界震蕩過(guò)程。記錄下次是的比例帶（臨界比例帶），并計(jì)算兩個(gè)波峰間的時(shí)間????（臨界振蕩周期）。 系統(tǒng)的臨界震蕩過(guò)程3. 利用和T??值，按表給出的相應(yīng)公式，求控制器各整定參數(shù)δ、Ti和Td的數(shù)值。注意，在采用這種方法時(shí)，控制系統(tǒng)應(yīng)工作在線性區(qū)，否則得到的持續(xù)振蕩曲線可能是極限環(huán)，不能依據(jù)此時(shí)的數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算整定參數(shù)。應(yīng)當(dāng)指出，由于被控對(duì)象特性的不同，按上述經(jīng)驗(yàn)公式求得的調(diào)節(jié)器整定參數(shù)不一定都能獲得滿意的結(jié)果。實(shí)踐證明，對(duì)于無(wú)自平衡特性的對(duì)象，用穩(wěn)定邊界法求得的調(diào)節(jié)器參數(shù)往往使系統(tǒng)響應(yīng)的衰減率偏大(ψ)。 而對(duì)于有自平衡特性的高階多容對(duì)象， 用此法整定調(diào)節(jié)器參數(shù)，系統(tǒng)響應(yīng)的衰減率大多偏?。?ψ)。 為此，上述求得的調(diào)節(jié)器參數(shù)，需要針對(duì)具體系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過(guò) 程中作在線校正。穩(wěn)定邊界法適用于許多實(shí)際控制系統(tǒng)。但對(duì)于如鍋爐水位控制系統(tǒng)那樣的不允許進(jìn)行穩(wěn)定邊界試 驗(yàn)的系統(tǒng)，或者某些時(shí)間常數(shù)較 大的單容對(duì)象，采用純比例控制 時(shí)系統(tǒng)本質(zhì)穩(wěn)定。對(duì)于這些系統(tǒng) 是無(wú)法用穩(wěn)定邊界法來(lái)進(jìn)行參數(shù)整定的。 衰減曲線法與穩(wěn)定邊界法類似，不同的只是本法采用某衰減比（通常為4:1或10:1）時(shí)設(shè)定值干擾的衰減振蕩試驗(yàn)數(shù)據(jù)，然后利用一些經(jīng)驗(yàn)公式，求取控制器響應(yīng)的整定參數(shù)。對(duì)于4:1衰減曲線法的具體步驟如下： 置控制器積分時(shí)間TI為最大值（TI=∞），微分時(shí)間TD為零（TD=0），比例帶δ為較大值，并將系統(tǒng)投入運(yùn)行； 待系統(tǒng)穩(wěn)定后讓設(shè)定值作階躍變化，并觀察系統(tǒng)的響應(yīng)。若系統(tǒng)響應(yīng)衰減太快，則減小比例帶；反之，系統(tǒng)響應(yīng)衰減過(guò)慢，應(yīng)增大比例帶。如此反復(fù)，:1衰減震蕩過(guò)程。幾下此時(shí)的比例帶δs和振蕩周期Ts數(shù)值； 利用δs和Ts，求控制器整定參數(shù)δ、TI和TD數(shù)值。對(duì)于擾動(dòng)頻繁，過(guò)程進(jìn)行較快的控制系統(tǒng)，要準(zhǔn)確地確定系統(tǒng)響應(yīng)的衰減程度比較困難，往往只能根據(jù)控制器輸出擺動(dòng)次數(shù)加以判斷。對(duì)于4:1衰減過(guò)程，控制器輸出應(yīng)來(lái)回?cái)[動(dòng)兩次后穩(wěn)定。擺動(dòng)一次所需要時(shí)間即為Ts。顯然這樣測(cè)得的Ts和δs值，會(huì)給控制器參數(shù)整定帶來(lái)誤差。 衰減曲線法整定計(jì)算公式調(diào)節(jié)器名稱調(diào)節(jié)參數(shù)δ(%)TI (S)TD (S)Pδk——PI—PID 調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定及調(diào)試本次設(shè)計(jì)變頻器流量作為被控對(duì)象，調(diào)試之前先將儲(chǔ)水箱中貯足水量，接通控制系統(tǒng)電源，打開(kāi)用作上位監(jiān)控的的PC機(jī)，進(jìn)入的組態(tài)主界面。 1. 設(shè)置系統(tǒng)的參數(shù) K=60 TI =0 TD=0，副設(shè)定值為40. P調(diào)節(jié)器是按比例反應(yīng)系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用用以減少偏差。比例作用大，可以加快調(diào)節(jié)，減少誤差，快速達(dá)到穩(wěn)定值，但是過(guò)大的比例，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。 2. 設(shè)置系統(tǒng)的參數(shù) K=60 TI =110 TD=0，副設(shè)定值為40. 在P調(diào)節(jié)器上增加積分作用。積分控制器的輸出與輸入偏差對(duì)時(shí)間的積分成正比。這里的“積分”指的是“積累”的意思?！　》e分控制雖然能消除余差，但它存在著控制不及時(shí)的缺點(diǎn)。因?yàn)榉e分輸出的累積是漸進(jìn)的，其產(chǎn)生的控制作用總是落后于偏差的變化，不能及時(shí)有效地克服干擾的影響，難以使控制系統(tǒng)穩(wěn)定下來(lái)?！　≡O(shè)置系統(tǒng)的參數(shù) K=60 TI =110 TD=40，副設(shè)定值為40. PID調(diào)節(jié)比例積分控制對(duì)于時(shí)間滯后的被控對(duì)象使用不夠理想。這種調(diào)節(jié)器由于有微分的超前作用，能增加系統(tǒng)的穩(wěn)定度，加快系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過(guò)程，減小動(dòng)態(tài)誤差，流量比值控制系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)的速度較快，曲線較好，無(wú)靜差 。6 結(jié)論最終發(fā)現(xiàn)，當(dāng)K為60，TI為110，TD為40時(shí)，流量比值控制系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)的速度較快，曲線較好，無(wú)靜差。本設(shè)計(jì)應(yīng)用兩個(gè)PID控制，完成了流量比值控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。通過(guò)學(xué)習(xí)SIEMENS 300 PLC，應(yīng)用STEP 7完成硬件組態(tài)和軟件編輯，在程序中運(yùn)用了PID模塊進(jìn)行編程。應(yīng)用WINCC來(lái)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)的監(jiān)控，成功實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作狀態(tài)和控制設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)以及參數(shù)設(shè)定，更重要的是完成了通訊并且形象的看到了實(shí)時(shí)曲線，對(duì)各個(gè)硬件有較好的理解。在設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到很多問(wèn)題，比如在WINCC建立新連接時(shí)應(yīng)該設(shè)置CPU卡槽號(hào)為2，支架號(hào)設(shè)置為0。WINCC不同版本不能隨意打開(kāi)項(xiàng)目，這些細(xì)小的關(guān)鍵點(diǎn)都不能忽視，告訴我們?cè)趯?shí)際工作中要非常仔細(xì)認(rèn)真才可以。最終我在參數(shù)整定上完成的并不是很滿意，調(diào)試過(guò)程很漫長(zhǎng)，但從中學(xué)到了很多知識(shí)。另外程序設(shè)計(jì)中并沒(méi)有上下限設(shè)置，這是本設(shè)計(jì)沒(méi)有考慮到的問(wèn)題，有待進(jìn)一步的改進(jìn)與調(diào)高。在做計(jì)算機(jī)課程設(shè)計(jì)時(shí)，每天改進(jìn)所做的比值控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容，每天都學(xué)點(diǎn)新知識(shí)，每天鞏固舊知識(shí)，是我大學(xué)生活最快樂(lè)的時(shí)光。使我認(rèn)識(shí)到我將要繼續(xù)努力學(xué)習(xí)，學(xué)無(wú)止境！謝 辭尊敬的楊老師：您好！在您的辛勤指導(dǎo)和同學(xué)熱心幫助下，我的比值控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)已順利的完成了。通過(guò)這次設(shè)計(jì)，我對(duì)本專業(yè)知識(shí)有了進(jìn)一步的掌握，對(duì)我們大學(xué)三年多所學(xué)的知識(shí)進(jìn)行了綜合應(yīng)用。同時(shí)也對(duì)比值控制系統(tǒng)有了一定程度的了解，使我能夠把所學(xué)過(guò)的理論知識(shí)運(yùn)用到實(shí)踐當(dāng)中。 為期數(shù)周的比值控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)使我獲益頗多，我得到了很多老師和同學(xué)的幫助。其中我的論文指導(dǎo)老師楊青老師對(duì)我的關(guān)心和支持尤為重要。楊老師平日里工作繁多，但在我做比值控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的每個(gè)階段，從選題到查閱資料，論文提綱的確定，使我在作這篇比值控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)有了比較豐富的知識(shí)底蘊(yùn)，為論文的順利完成奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)；您的言傳身教讓我受益終生。參考文獻(xiàn)[1] 黃德先 王京春 [2] [3] .[4]