【正文】 JCN _001 L MD 4 T MD 68 JC _002 _001: L MD 72 T MD 68 _002: L MW 104 //計(jì)數(shù) 100 次， 5s。 現(xiàn)代控制理論中，在經(jīng)典 PID 控制理論的基礎(chǔ)上衍生的控制理論層出不窮，但若要在生產(chǎn)實(shí)踐中選取理想的控制算法，就必須通過工程實(shí)踐進(jìn)行反復(fù)地調(diào)整和修改，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)直接在控制系統(tǒng)中進(jìn)行篩選組合出適合實(shí)際的控制規(guī)律，使系統(tǒng)達(dá)到優(yōu)化的運(yùn)行狀態(tài)，雖然本項(xiàng)目的改進(jìn)的 PID 取得了很好的控制效果，但在實(shí)際運(yùn)行在各溫度段的PID 參數(shù)在參數(shù)是在調(diào)試中獲取，并針對(duì)各型號(hào)的產(chǎn)品規(guī)格在上位機(jī)中以配方的形式給定，如此則使得前期的調(diào)試頗為繁瑣，因 而，在參量自整定的智能化設(shè)計(jì)方面還有待與進(jìn)一步探索與實(shí)踐。 （ 3）加入控制帶和輸出死區(qū)輔助算法的定值控溫 PID 調(diào)節(jié)規(guī)律，以及加入變參數(shù)的拐點(diǎn)控制的程序控溫 PID 調(diào)節(jié)規(guī)律。 （ 2）在 WinCC 進(jìn)行了變量組和 IO 域組態(tài)，設(shè)計(jì)了鍋爐溫度的監(jiān)控畫面。采用語句表編程，大大提高了編程效率，和梯形圖編程相比，源程序短，程序執(zhí)行效率高。 綜上所述圖 1 1 21 為傳統(tǒng) PID 控制下的運(yùn)行結(jié)果圖，圖 22 為改進(jìn)后的PID 的控制結(jié)果圖，從各種調(diào)節(jié)規(guī)律的監(jiān)控曲線可知，得到 加入控制帶和輸出死區(qū)輔助算法的定值控溫 PID 調(diào)節(jié)規(guī)律和加入變參數(shù)的拐點(diǎn)控制的程序控溫 PID 調(diào)節(jié)規(guī)律，這兩種改進(jìn)的 PID 控制規(guī)律，有效地克服了傳統(tǒng) PID 控制器在溫控過程中因溫控慣性和積分飽和而出現(xiàn)的滯后與超調(diào)現(xiàn)象并使系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間變短，系統(tǒng)完全依靠溫控工藝曲線運(yùn)行，采用程序控溫 PID 調(diào)節(jié)規(guī)律的穿越幅度小于 ℃ ，在溫變點(diǎn)處實(shí)現(xiàn)了即無超調(diào)又無欠溫的鈍角拐點(diǎn)的控制效果。另一方面由于定值控溫過程和程序控溫過程的系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，熱絲輸出的率完全不同，使系統(tǒng)慣性不同，為保證控制精確，所以在 PID 控制中相應(yīng)的比例參數(shù) PK 、積分參數(shù) IT 、微分參數(shù) DT 也應(yīng)隨之相應(yīng)變動(dòng)。在第二溫變拐點(diǎn) C 提前一基于語句表編程的溫度控制程序設(shè)計(jì) 21 定時(shí)間 (在 F 點(diǎn)的時(shí)間 )消弱調(diào)節(jié) 器的積分項(xiàng)輸出來抵消系統(tǒng)的慣性。 （ 3） 變參數(shù)的鈍角拐點(diǎn) PID 控制 如圖 27 所示為程序控溫拐點(diǎn)圖。區(qū)別于 FB41“CONT_C”中 的死區(qū)寬度DEADB_W，當(dāng)偏差進(jìn)入死區(qū)后，調(diào)節(jié)器仍在進(jìn)行運(yùn)算，當(dāng)系統(tǒng)再次運(yùn)行到死區(qū)外時(shí)，使輸出能快速響應(yīng)偏差。 0ev 值太小，是調(diào)節(jié)過于頻繁，達(dá)不到穩(wěn)定被調(diào)節(jié)對(duì)象的目的；如果 0ev 取的太大，則系統(tǒng)將產(chǎn)生很大的滯后。當(dāng)誤差的絕對(duì)值超過設(shè)定值 0ev 時(shí)，開始正常的 PID 控制。如果最大或最小可調(diào)節(jié)變量輸出遠(yuǎn)沒有達(dá)到新工作點(diǎn)所要求的可調(diào)節(jié)變量，則控制帶會(huì)導(dǎo)致在不過調(diào)或欠調(diào)的情況下，使調(diào)節(jié)盡快穩(wěn)定。這意味著，只有在激活了微分作用時(shí)控制帶才有用。如果控制帶范圍太小，則可調(diào)節(jié)變量和過程變量可能會(huì)發(fā)生振蕩。當(dāng) 偏差值 |ev(n)|≤ ε 時(shí)，采用正常的 PID 控制來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的精度控制， ε 是一個(gè)可調(diào)參數(shù)， ε 大小要大于控制系統(tǒng)最大慣量，其值可以根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場控制對(duì)象特點(diǎn)，根據(jù)調(diào)試效果而確定，本控制系統(tǒng)中 ε=℃ 。 ts p ( n )e v ( n ) 0 時(shí) 積 分 面 積e v ( n ) 0 時(shí) 積 分 面 積 圖 24 定值控溫積分量累積 為了解決引入積分作用所帶來的問題，引入控制帶，控制帶是一種遇限消弱積分項(xiàng)的 PID 控制，對(duì)消除系統(tǒng)超調(diào)和縮短調(diào)節(jié)時(shí)間非常有效 [12]。當(dāng)產(chǎn)生超調(diào)后偏差 ev(n)變?yōu)樨?fù)值，負(fù)偏差的累積量相對(duì)較小，與正 偏差累積量抵消后差值仍較大，致使積分分量在輸出值中所占分量較大。 本章總結(jié) 為克服了傳統(tǒng) PID 控制器在定值控溫過程中因系統(tǒng)慣性和積分飽和而出現(xiàn)的超調(diào)基于語句表編程的溫度控制程序設(shè)計(jì) 19 現(xiàn)象和調(diào) 節(jié)時(shí)間較長現(xiàn)象，在程序控溫中因系統(tǒng)慣性而出現(xiàn)的不能與設(shè)定曲線良好擬合的現(xiàn)象，對(duì)傳統(tǒng)的 PID 控制進(jìn)行了改進(jìn)，并得到了如圖 22 的良好控制效果，其改進(jìn)如下： （ 1）應(yīng)用控制帶（ CONZNE） 在定值控溫 PID 運(yùn)算中，由于開始階段當(dāng)前值和設(shè)定值相差較大，偏差ev(n)=sp(n)pv(n) 為正值且數(shù)值較大。 （ 2） 程序控溫 比例作用 P=50，積分作用 I=120，微分作用 D=10，穿越幅度小于 ℃ 。系統(tǒng)超調(diào)量小于 ℃ ，穩(wěn)態(tài)誤差小于 ℃ ，調(diào)節(jié)時(shí)間為 9min 左右。 改進(jìn)的 PID 調(diào)節(jié)控制規(guī)律 改進(jìn)后的 PID 調(diào)節(jié)規(guī)律的控制效果如圖 23 所示。同理于 PI 調(diào)節(jié)規(guī)律，但是由于微分作用的加入，抑制了被控量的變化，在第一溫變拐點(diǎn)有一小段滯后時(shí)間 60s 左右。 （ 2） 程序控溫 比例作用 P=108，積分作用 I=380，微分作用 D=8，剛開始系統(tǒng)的穿越幅度為 ℃ ，接下來穿越幅度逐漸減小，但最后卻達(dá)到 ℃ 。 控制結(jié)果如圖 22 所示。第二溫變拐點(diǎn)的控制存在偶然性。 對(duì)比以上兩組可知，基于語句表編程的溫度控制程序設(shè)計(jì) 17 曲線小幅度穿越抵消了系統(tǒng)慣性，在本次 PI 規(guī)律調(diào)節(jié)下第二溫變拐點(diǎn)處體現(xiàn)尤為明顯。 （ 2）程序控溫 比例作用 P=105，積分作用 I=350，開始時(shí)系統(tǒng)的穿越幅度為 ℃ ，緊接著 系統(tǒng)穿越幅度減小，但隨后最大穿越幅度卻達(dá)到 ℃ 。 （ 1）定值控溫 比例作用 P=5，積分作用 I=830，系統(tǒng)的超調(diào)小于 ℃ ，穩(wěn)態(tài)誤差 ℃ ，調(diào)節(jié)時(shí)間 14min。 但程序控溫超調(diào)量存在偶然性。第一溫變拐點(diǎn)系統(tǒng)有小段滯后時(shí)間，約 60s 左右， 在系統(tǒng)慣性作用下第二溫變拐點(diǎn)超調(diào)似乎很小，是由于被小幅度的曲線穿越抵消了系統(tǒng)慣性所致 。 （ 1） 定值溫控 比例作用 P=12，微分作用 D=7，系統(tǒng)的超調(diào)小于 ℃ ，穩(wěn)態(tài)誤差 ℃ ，調(diào)節(jié)時(shí)間 10min 左右。 兩次溫控整體控制效果比較好，滿足控制要求，但程序控溫超調(diào)量存在偶然性。 （ 2）程序溫控 比例作用 P=115，系統(tǒng)的最大穿越幅度 ℃ ，超調(diào)量小于 ℃ ，穩(wěn)態(tài)誤差小于℃ 。 P 調(diào)節(jié)控制規(guī)律 單獨(dú)的比例 作用 P 控制結(jié) 果如圖 19 所示。溫度對(duì)象的傳遞函數(shù)模型為 (s) ?? (12) 表 4 對(duì)不同繼電器開度下測得曲線參數(shù)表 繼電器輸出開度 升溫范圍 滯后時(shí)間 溫度曲線斜率 Ti 40% ~℃ 76s 60% ~ ℃ 66s 80% ~℃ 58s 100% ~℃ 54s 40%開度 60%開度 80%開度 100%開度 基于語句表編程的溫度控制程序設(shè)計(jì) 15 溫度 控制規(guī)律的測試 隨著工業(yè)的發(fā)展，在某些熱處理工業(yè)要求中，需要 溫度控制過程對(duì)升溫斜率有要求，即按照一定的恒溫、升溫、恒溫的曲線控制溫度，即程序控 溫過程。 圖 18 繼電器不同開度下的響應(yīng)曲線圖 如表 4 所示，時(shí)間為 10 分鐘下的繼電器不同開度的溫度響應(yīng)曲線數(shù)據(jù)。輸入量為鍋爐吸收的熱量，輸出量為鍋爐內(nèi)水的溫度，即基于語句表編程的溫度控制程序設(shè)計(jì) 14 測量溫度與鍋爐吸收熱量的關(guān)系，觀察對(duì)應(yīng)于不同的脈沖占空比對(duì)應(yīng)溫度曲線的斜率。對(duì)響應(yīng)曲線的斜率沒有影響，所以iTK 就是實(shí)驗(yàn)截取的響應(yīng)曲線的斜率 [10]。如圖 16 為 暖啟動(dòng) OB100 的初始化程序流程圖，主要復(fù)位各個(gè)開關(guān)和輸出。 中斷服務(wù)程序 OB35 的流程如圖 15 所示。 程 序控 溫程 序 結(jié) 束開 始執(zhí) 行 主 程 序O B 1T t m 1T t m 2調(diào) 用 F C 1 0 5置 位 拐 點(diǎn)控 制 M 2 . 3調(diào) 用 F B 1溫 變 點(diǎn) 賦時(shí) 刻 值運(yùn) 行 時(shí) 間 轉(zhuǎn) 變?yōu)?m s 單 位 T復(fù) 位 拐 點(diǎn)控 制 M 2 . 3置 位 拐 點(diǎn)控 制 M 2 . 4置 位 拐 點(diǎn)控 制 M 2 . 4是是是是否否否否 圖 14 主程序 OB1 流程圖 基于語句表編程的溫度控制程序設(shè)計(jì) 12 中斷服務(wù)程序 OB35 的編寫 在通過脈寬調(diào)制來控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的通斷時(shí)，需要通過 中斷組織塊 OB35 周期性中斷過程來實(shí)現(xiàn) PID 算法模塊和 PWM 算法模塊的時(shí)序配合 [9]。同時(shí)為了增加該塊的可利用性，在該塊的輸出參數(shù)中除了有對(duì)各段進(jìn)行線性計(jì)算所的結(jié)果的輸出參數(shù) T_sp 外，還有系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間輸出參數(shù) T_time(分鐘格式 )和各控溫段運(yùn)行 時(shí)間結(jié)束標(biāo)志輸出參數(shù) x x x3，可以分別用來在上位機(jī)上顯示程序控溫運(yùn)行的時(shí)間長度和實(shí)現(xiàn)在任意段運(yùn)行結(jié)束時(shí)溫控程序的結(jié)束。 執(zhí) 行 F B 1計(jì) 算 當(dāng) 前時(shí) 間 t m xt m x t m 1 ？是裝 載 系統(tǒng) 時(shí) 鐘調(diào) 用 F C 1 ， 對(duì) A B 段進(jìn) 行 線 性 計(jì) 算否程 序 結(jié) 束t m x t m 2 ？否T m x t m 3 ？否是是調(diào) 用 F C 1 ， 對(duì) B C 段進(jìn) 行 線 性 計(jì) 算調(diào) 用 F C 1 ， 對(duì) C D 段進(jìn) 行 線 性 計(jì) 算 執(zhí)行FC1裝在運(yùn)行時(shí)間程序結(jié)束裝在設(shè)定點(diǎn)坐標(biāo)112112 Ttt)t) ( tT(TTmmmm ???執(zhí)行計(jì)算：結(jié)束時(shí)間觸發(fā)X 圖 12 程序控溫算法流程 圖 如圖 13 所示為語句表下調(diào)用的程序控溫算法功能塊 FB1 和功能 FC1， FB1 輸入?yún)?shù)包括 START、 tm tm tm T T T T4，分別表示啟動(dòng)該塊、各段的運(yùn)行基于語句表編程的溫度控制程序設(shè)計(jì) 11 時(shí)間（以 ms 為時(shí)間單位）和溫度設(shè)定點(diǎn)（浮點(diǎn)格式）。 X / TY / C ),(A00 tc ),(B 11 tc),(C 22 tc ),(D 33 tc 圖 11 設(shè)定值曲線示意圖 編寫曲線控溫程序時(shí)，由于功能 FC 沒有一個(gè)永久的數(shù)據(jù)塊來存放數(shù)據(jù)，只在運(yùn)行期間會(huì)被分配一個(gè)臨時(shí)的數(shù)據(jù)區(qū)，又由于 AB、 BC、 CD 段計(jì)算公式相同， 為了簡化設(shè)計(jì)過程、增加程序的可讀性，計(jì)算公式 在功能 FC 中編寫，在 FB 中進(jìn)行多次調(diào)用功能FC1，來實(shí)現(xiàn)對(duì) AB、 BC、 CD 段控溫曲線的計(jì)算。系統(tǒng)功能 SFC1(READ_CLK)可以讀出 CPU 的系統(tǒng)時(shí)間，所以在編寫程序時(shí)調(diào)用一次 SFC1(READ_CLK)讀取系統(tǒng)時(shí)間作為程序控溫程序運(yùn)行時(shí)的起始時(shí)刻 (格式 DT)，同時(shí)再調(diào)用一個(gè) SFC1(READ_CLK)讀取系統(tǒng)當(dāng)前的時(shí)刻 (格式 DT)，而功能 FC34 可以將兩個(gè)格式 DT 為時(shí)間值相減得到 TIME 格式的時(shí)基于語句表編程的溫度控制程序設(shè)計(jì) 10 間，可以把這個(gè)初值為零的連續(xù)的時(shí)間作為 X 軸的時(shí)間 T。 對(duì)于程序控溫來說， STEP 7 中并無相應(yīng)可用的功能塊，所以 在溫度控制程序中編寫一個(gè)來實(shí)現(xiàn)溫度曲線隨時(shí)間動(dòng)態(tài)產(chǎn)生的的功能塊。本課題控制值的分辨率為 1%。在調(diào)用 FB41 的一個(gè)周期內(nèi)增加調(diào)用 FB43 的次數(shù)，可以提高精度。其余 7 次調(diào)用 (10 次調(diào)用的 70%)時(shí)脈沖輸出 QPOS_P 為 0 狀態(tài)。每個(gè) PER_TM 周期調(diào)用 FB43 的次數(shù)反映了脈沖寬度的精度。 FB 43 通過調(diào)制脈沖寬度，將輸入變量 INV(即 PID 控制器的輸出量 LMN)轉(zhuǎn)換為具基于語句表編程的溫度控制程序設(shè)計(jì) 9 有恒定周期的脈沖列，該恒定周期用周期時(shí)間 PER_TM 來設(shè)置， PER_TM 應(yīng)與“CONT_C”的采樣周期 CYCLE 相同。該功能一般與連續(xù)控制器 “CONT_C”一起使用，用 FB43 可以構(gòu)建脈沖寬度調(diào)制的二級(jí) (two step)或三級(jí) (three step)PID 控制器。微分分量可以直接輸出，也可以延遲衰減輸出 [8]。這就允許組態(tài)成 P、 PI、 PD 和 PID 調(diào)節(jié)器。 FB4 的算法設(shè)計(jì)完善，使用靈活。 PID控制的系統(tǒng)功能塊的參數(shù)很多，可以通過功能塊的框圖 (見圖 8)學(xué)習(xí)和理解這些參數(shù)。其中FB41“CONT_C”連續(xù)控制器的輸出為連續(xù)變量。 e v ( t )tOT sn T sE v ( n 1 )E v ( n ) 圖 7 積分的近似運(yùn)算 式（ 4）中的微分用差分方程來近似，即令 sT)e v ( ne v ( n )ΔtΔ e v ( t)dtd e v ( t ) 1???? (5) 式 5 中， ev(n1)是第 n1 次采樣的誤差值，將積分和微分的近似表達(dá)式帶入表達(dá)式中，第 n 次采樣控制器的輸出為 ? ? M)e v ( ne v ( n )TTe v ( j )TTe v ( n )Kmv ( n ) SDnjISp ??????? ????? ?? 11 (6) （ 2） FB41“CONT_C”連續(xù)控制模塊 S7300/400 為用戶提供了功能強(qiáng)大、使用簡單方便的模擬量閉環(huán)控制功能。為了書寫方便將 SS )(