【正文】 (3)PID 控制器的數(shù)字化 PLC 的 PID 控制器的設計是以連續(xù)系統(tǒng)的 PID 控制規(guī)律為基礎，將其數(shù)字化寫成離散形式的 PID 控制方程，再跟據(jù)離散方程進行控制程序設計。 (2)PID 功能指令 現(xiàn)在很多 PLC 都有供 PID 控制用的功能指令，如 S7300的 PID 指令。 ，閉環(huán)控制系統(tǒng)中，這樣的負反饋至少有一個，也可能有多個。另例，當一臺真正的全自動洗衣機具有能連續(xù)檢查衣物是否洗凈，并在洗凈 之后能自動切斷電源，它就是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。比如人就是一個具有負反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)，眼睛便是傳感器，充當反饋，人體系統(tǒng)能通過不斷的修正最后作出各種正確的動作。閉環(huán)控制系統(tǒng)有正反饋和負反饋，若反饋信號與系統(tǒng)給定值信號相反，則稱為負反饋（ Negative Feedback），若極性相同，則稱為正反饋，一般閉環(huán)控制系統(tǒng)均采用負反饋，又稱負反饋控制系統(tǒng)。積分控制可 以消除系統(tǒng)的靜差，微分控制可以改善系統(tǒng)的動態(tài)相應速度，比例、積分、微分三者 有效地結合可以滿足不同的控制要求。 (2)有較強的靈活性和適應性 。 安徽工業(yè)大學 反應釜的溫度控制 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 21 第 21 頁 共 71 頁 PID 控制器的主要優(yōu)點 PID 控制的優(yōu)點：原理簡單，使用方便；適應性強；魯棒性強，其控制品質對被控對象的變化不太敏感，非常適用于環(huán)境惡劣的工業(yè)生產現(xiàn)場； PID 算法有一套完整的參數(shù)整定與設計方法，易于被工程技術人員掌握；許多工業(yè)回路中對控制快速性和控制精度 要求不是很高，而更重視系統(tǒng)的可靠性時，使用 PID 控制能獲得較高的性價比；長期應用過程中，對 PID 算法缺陷可以進行改良。而如果 KP 太小時，又會使系統(tǒng)動作緩慢。 KP 偏大時，系統(tǒng)振蕩次數(shù)增多，調節(jié)時間加長。 當 KP=8 時 ，穩(wěn)態(tài)誤差為 。 當 KP=2 時，穩(wěn)態(tài)誤差為 。 當 KP= 時，穩(wěn)態(tài)誤差為 。微分作用的加入將有助于減小超調。引入積分調節(jié)的代價是降低系統(tǒng)的快速性。如果積分時間常數(shù) TI 大，積分作用弱，反之為強。 (2)比例積分調節(jié)器：為了消除在比例調節(jié)中的殘余穩(wěn)態(tài)誤差，可在比例調節(jié)的基礎上加入積分調節(jié)。比例調節(jié)器雖然簡單快速，但對于系統(tǒng)響應為有限值的控制對象存在穩(wěn)態(tài)誤差。它不僅要計算機對 e 進行 安徽工業(yè)大學 反應釜的溫度控制 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 19 第 19 頁 共 71 頁 不斷累加，而且計算機發(fā)生任何故障時，會造成輸出量 u 的變化，從而大幅度改變閥門位置，這將對安全生產帶來嚴重后果，故目前計算機控制的 PID 算式通常采用增量式算式。 在給定值不 變時，Δ e(kT)可表示為相鄰兩次測量值之差： Δ e(kT)=e(kT)e(kTT)=(Ry(kT))(Ry(kTT))=y(kTT)y(kT)（ 33） T 是采樣周期，采樣周期必須足夠短，才能保證有足夠的精度； k 是采樣序號，k=0,1,2,? 可得到離散系統(tǒng)的 PID 算式為： ? ?????? ???????? ??)()()()()(0TkTekTeTTjTeTTkTeKkTu dkjip （ 34） 在式（ 34）所表示的控制算式中，其輸出值與閥位是一一對應的，通常稱為 PID的位置算式。因而，描述連續(xù)系統(tǒng)的微分方程應由相應的描述離散系統(tǒng)的差分方程來代替。 圖 給出了增量式 PID 控制系統(tǒng)的示意圖。 KP,TI,TD：比例，積分，微分常數(shù)。它的動作規(guī)律如下。TI(min) 3～ 10。 綜上： 溫度控制系統(tǒng)特點：對象為多容量系統(tǒng)，有較大滯后，常用微分。 (3)如果使用比例積 分控制器消除了偏差，但動態(tài)過程仍不盡滿意，則可以加入微分環(huán)節(jié)，構成 PID 控制器。整定時一般先置一個較大的積分時間系數(shù) TI，同時將第一步整定得到的比例系數(shù)KP 縮小一些（比如取原來的 80%），然后減小積分時間系數(shù)使在保持系統(tǒng)較好的動態(tài)性能指標的基礎上，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差得到消除。如果系統(tǒng)沒有穩(wěn)態(tài)誤差 或穩(wěn)態(tài)誤差已小到允許范圍之內，同時響應曲線已較令人滿意，那么只須用比例調節(jié)器即可，最優(yōu)比例系數(shù)也由此確定。其中在實踐中總結出如下的規(guī)律： (1)增大比例系數(shù) KP 一般將加快系統(tǒng)的響應，在有穩(wěn)態(tài)誤差的情況下有利于減小穩(wěn)態(tài)誤差。 利用該方法進行 PID 控制器參數(shù)的整定步驟如下： （ 1）首先預選擇一個足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作； 安徽工業(yè)大學 反應釜的溫度控制 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 17 第 17 頁 共 71 頁 （ 2）僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期； （ 3）在一定的控制度下通過公式計算得到 PID 控制器的參數(shù)。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實際運行中進行最后調整與完善。 PID 控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應曲線法和衰減法。這種方法所得到的計算數(shù)據(jù)未必可以直 接用，還必須通過工程實際進行調整和修改。 PID 控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計算整定法。 PID 控制器的參數(shù)整定 PID 控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設計的核心內容。它是 歷史 最久、生命力最強的控制方式，同時也是目前最成熟，工業(yè)應用最廣泛的控制方式之一。可以通過數(shù)學的方法證明，在其他控制方法導致系統(tǒng)有穩(wěn)定誤差或過程反復的情況下，一個 PID 反饋回路卻可以保持系統(tǒng)的穩(wěn)定。這個控制器把收集到的數(shù)據(jù)和一個參考值進行比較，然后把這個差別用于計算新的輸 入值，這個新的輸入值的目的是可以讓系統(tǒng)的數(shù)據(jù)達到或者保持在參考值。不同的控制規(guī)律適用于不同的生產過程，必須合理選擇相應的控制規(guī)律，否則 PID 控制器將達不到預期的控制效果。 安徽工業(yè)大學 反應釜的溫度控制 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 16 第 16 頁 共 71 頁 第三章 PID 控制方 案 PID 控制器的應用與發(fā)展 工業(yè)生產過程中，對于生產裝置的溫度、壓力、流量、液位等工藝變量常常要求維持在一定的數(shù)值上，或按一定的規(guī)律變化，以滿足生產工藝的要求。因此 S7300 不需加任何通信處理器就可以建立一個 MPI 網絡或一個PROFIBUSDP 網絡。 PLC 英文全稱是 Programmable Logic Controller， 中文全稱為可編程邏輯編輯器，它是以微處理器為基礎，綜合了計算機技術，自動控制技術和通信技術，用面向控制過程，面向用戶的“自然語言”編程，適應工業(yè)環(huán)境，簡單易懂，操作方便，可靠性高的通用工業(yè)控制裝置。比如：數(shù)據(jù)采集 程序、輸出控制程序、各種控制算法程序等。比如：數(shù)制變換程序、運算程序、查表程序等等。編譯程序能夠把高級語言編寫的源程序 (如 FORTRUN)，編譯 成某種中間語言 (如匯編語言 )或機器語言程序。 (2)匯編程序、解釋程序和編譯程序 匯編程序用于把匯編語言程序變成計算機能夠認識和執(zhí)行 的機器語言程序 (目標程序 ),例如 MCS5 匯編程序。其主要功能是實現(xiàn)人機對話，管理微機、存儲器、操作臺、外部設備(CRT、打印機等等 )、文件和作業(yè)進程。上電后立即進入監(jiān)控程序，各種程序均在監(jiān)控程序下運行。 P I D 驅 動 反 應 釜 u yre圖 控制原理流程 微機控制系統(tǒng)軟件 控制系統(tǒng)的軟件，包括系統(tǒng)軟件和應用軟件。而聚合反應好壞的主要因素就是反應釜溫度控制的好壞，溫度的變化將直接影響產品的質量和產量，所以此過程的溫度控制是重點也是難點； c)反應工藝以及反應設備的約束及外界環(huán)境對反應影響的不確定性因素也使得控制的難度增加。 連續(xù)攪拌反應釜溫度控制難點 連續(xù)攪拌反應釜 (CSTR)溫度控制的難點主要反應在： (1)復雜性、時滯性和非線性 ls a)化學反應的生產過程伴隨著物理化學反應、生化反應、相變過 程及物質和能量的轉換和傳遞，因而是一個十分復雜的工業(yè)生產過程； b)所用反應釜容量大、釜壁厚，因此是一個熱容量大、純滯后時間長的被控對象； c)隨著反應的進行，各傳熱媒體的傳熱系數(shù)成非線性變化，并且對各種外界環(huán)境的變化比較敏感；加上反應過程增益變化也會很大，甚至增益變化方向都是不一樣的；而且，隨著反應的進行，釜內固體顆粒增多，釜的傳熱系數(shù)也會隨著發(fā)生不規(guī)則變化。為了使釜溫穩(wěn)定，在夾套中通以一定的冷卻介質，來移走反應放出的多余熱量?；瘜W反應過程中一般伴有強烈的放熱效應，并且反應的放熱速率與反應溫度之間是一種正反饋的 關系。有時在恒溫后還要進行二次升溫和恒溫。 圖 反應釜結構示意圖 安徽工業(yè)大學 反應釜的溫度控制 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 13 第 13 頁 共 71 頁 連續(xù)攪拌反應釜工作原理 在進行化學反應之前 ，先將反應物按照一定的比例進行混合，然后與催化劑一同投入反應釜內，在反應釜的夾套中通以一定的高壓蒸汽，高壓蒸汽通過反應釜的夾套提高釜內物料的溫度，通過攪拌器的攪拌使物料均勻并提高導熱速度，使其溫度均勻。為了測量釜內的溫度，在罐內裝有鋼制的溫度計套管，可將溫度計或溫度傳感器放入其中。通過電機驅動攪拌軸，帶動攪拌器旋轉，為物料的循環(huán)提供動力。由 于化學反應對反應物的純度有一定的要求，并且反應過程有可能產生劇毒、易燃、易爆的氣體和物料，所以密封裝置是反應釜必不可少的一部分。攪拌器是化學反應能夠進行的關鍵部件，它提供過程所需的能量和適宜的流動狀態(tài)。常用的換熱元件為夾套，它包圍在筒體的外部，用焊接或法蘭連接的方式裝設各種形狀的鋼結構，使其與容器外壁形成密閉的空間。筒體為一個鋼制罐形容器，可以在罐內裝入物料，使物料在其內部進行化學反應。攪拌容器包括筒體、換熱元件及內構件。 安徽工業(yè)大學 反應釜的溫度控制 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 12 第