【正文】 執(zhí)行器的工作原理見圖 45，由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) (調(diào)節(jié)閥 )兩部 分組成。根據(jù)式 (41)，利用壓力變送器將 PB轉(zhuǎn)換成 DC4~20mA 統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)送入 PLC 中，便得知被測(cè)的液位。 圖 44 壓力變送器工作原理圖 壓力變送器的工作原理見圖 44。 零點(diǎn)和量程調(diào)整： 零點(diǎn)和量程調(diào)整電位器位于中繼箱內(nèi)的另一側(cè)。 圖 43 壓力變送器的接線圖 26 接線說明：傳感器為二線制接法，它的端子位于中繼箱內(nèi)，電纜線從中繼箱的引線口接入，直流電源 24V+接中繼箱內(nèi)正端 (+)，中繼箱內(nèi)負(fù)端 (— )接負(fù)載電阻的一端，負(fù)載電阻的另一端接 24V。 液位變送器分為浮力式、靜壓力式、電容式、應(yīng)變式、超聲波式、激光式、放射性式等。 檢測(cè)單元 在過程控制系統(tǒng)中，檢測(cè)環(huán)節(jié)是比較重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。 整個(gè)系統(tǒng)的配置如圖 42 所示。它有兩個(gè) PID 回路，分別是PID1和 PID2。 圖 41 上水箱液位自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制框圖 上水箱下水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng) 上水箱下水箱液位控制系統(tǒng)由于控制過程特性呈現(xiàn)大滯后，外界環(huán)境的擾動(dòng) 25 較大，要保持上水箱下水箱液位最后都保持設(shè)定值，用簡(jiǎn)單的單閉環(huán)反饋控制不能實(shí)現(xiàn)很好的控制效果，所以采用串級(jí)閉環(huán)反饋系統(tǒng)。水箱的液位經(jīng)過壓力變送器檢測(cè)轉(zhuǎn)換成相關(guān)的電信號(hào)輸入到 PLC 的輸入接口，再經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換成控制量 PV，給定值 SP 與控制量 PV 經(jīng)過 PLC 的 CPU的減法運(yùn)算成了偏差信號(hào) e ,又輸入到 PID 調(diào)節(jié)器中，又開始了新的調(diào)節(jié)。 系統(tǒng)的控制框圖如 圖 41 所示。經(jīng)過運(yùn)算后即輸出控制信號(hào)給電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，使其開度增大，以使通道里的水流量變大，增加水箱里的儲(chǔ)水量，液位升高。單相泵正常運(yùn)行，打開閥 1 和閥 2，打開上水箱的出水閥，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥以一定的開度來控制進(jìn)入水箱的水流量，調(diào)節(jié)手段是通過將壓力變送器檢測(cè)到的電信號(hào)送入 PLC中，經(jīng)過 A/D 變換成數(shù)字信號(hào) ，送入數(shù)字 PID 調(diào)節(jié)器中，經(jīng) PID 算法后將控制量經(jīng)過 D/A轉(zhuǎn)換成與電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開度相對(duì)應(yīng)的電信號(hào)送入電動(dòng)調(diào)節(jié)閥中控制通道中的水流量。 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 上水箱液位的自動(dòng)調(diào)節(jié) 在這個(gè)部分中控制的是上水箱的液位。 表 32 PID 指令的回路表 偏移地址 變量 格式 類型 描述 0 過程變量PVn 雙字實(shí)數(shù) 輸入 應(yīng)在 ~ 之間 4 給定值 SPn 雙字實(shí)數(shù) 輸入 應(yīng)在 ~ 之間 8 輸出值 Mn 雙字實(shí)數(shù) 輸入 /輸出 應(yīng)在 ~ 之間 12 增益 Kc 雙字實(shí)數(shù) 輸入 比例常數(shù)，可正可負(fù) 16 采樣時(shí)間 Ts 雙字實(shí)數(shù) 輸入 單位為 s，必須為正數(shù) 20 積分時(shí)間 TI 雙字實(shí)數(shù) 輸入 單位為 min，必須為正數(shù) 24 微分時(shí)間 TD 雙字實(shí)數(shù) 輸入 單位為 min，必須為正數(shù) 28 上一次的積 分值 MX 雙字實(shí)數(shù) 輸入 /輸出 應(yīng)在 ~ 之 間 32 上一次過程變量 PVn1 雙字實(shí)數(shù) 輸入 /輸出 最近一次運(yùn)算的過程變量值 24 4 控制方案設(shè)計(jì) 畢業(yè)設(shè)計(jì)的課題的液位控制系統(tǒng)原理圖如圖 21 和 25 所示。 PID 指令對(duì)回路表中的某些輸入值不進(jìn)行范圍檢查，應(yīng)保證過程變量不超限。進(jìn)入 RUN 方式后 PID 指令首次有效時(shí)，沒有檢測(cè)到使能為的正跳變，就不會(huì)執(zhí)行無擾動(dòng)的切換操作。 3) 令積分和 )(MX =輸出值 ( nM )。 PID 指令對(duì)回路表內(nèi)的值進(jìn)行下列操作，保證檢測(cè)到能流從 0 到 1 的正跳變時(shí)，從手動(dòng)方式無擾動(dòng)地切換到自動(dòng)方式： 1) 令給定值 ( nSP )=過程變量 )( nPV 。 PID 指令中的 TBL 是回路表的起始地址， LOOP 是回路編號(hào) (見圖 35)， PID 指令有一個(gè)能流記憶位，用該位檢測(cè)到 EN 端的能流從0 到 1 正跳變時(shí)，指令將執(zhí)行一系列的操作，使 PID 從手動(dòng)方式切換到自動(dòng)方式?；芈繁韮?nèi)的過程變量的差值用于PID 計(jì)算的微分部分，用戶不應(yīng)修改它。在執(zhí)行 PID 指令前，用戶可修改回路表上一次的積分值MX，以解決某些情況下 MX 引起的問題。 通過調(diào)整積分和 MX，使輸出 nM 回到 ~ 之間，可以提高系統(tǒng)的響應(yīng)性能。 如果使用積分控制，上一次的積分值 MX(積分和 )要根據(jù) PID 運(yùn)算的結(jié)果來更新，更新后的數(shù)值作為下一次運(yùn)算的輸入。它被限制在 ~ 之間。 變量的范圍 過程變量與給定值是 PID 運(yùn)算的輸入值，在回路表中它們只能被 PID 指令讀取而不能改寫。對(duì)于增益為 的積分控制或微分控制，如果積分或微分時(shí)間為正，為正作用回路，反之為反作用回路。這一部用下式將回路輸出轉(zhuǎn)換成實(shí)數(shù)： Spano ffsetMR nS ca l ??? )( 式中， RScal 是回路輸出對(duì)應(yīng)的實(shí)數(shù)值， Mn 是回路輸出標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)數(shù)值， Offset與 Span 與上述的定義相同。將回路輸出送給 D/A 轉(zhuǎn)換器之前，必須轉(zhuǎn)換成 16 位二進(jìn)制整數(shù)。 下面是將上述的轉(zhuǎn)換后得到的 AC0 中的雙極性實(shí)數(shù) (其 Span=64 000)轉(zhuǎn)換成~ 之間的實(shí)數(shù)的指令序列。 L PIW0 //將待轉(zhuǎn)換的模擬量存入累加器 LDW= 0 //如果模擬數(shù)值為正 JMP 0 //直接轉(zhuǎn)換成實(shí)數(shù) NOT //反之 ORD 16FFFF0000 //將 AC0 內(nèi)的數(shù)值進(jìn)行符號(hào)擴(kuò)展，擴(kuò)展為 32 位負(fù)數(shù) LBL 0 DTR //將 32 位整數(shù)轉(zhuǎn)換成實(shí)數(shù) 轉(zhuǎn)換的下一步是實(shí)數(shù)進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成 ~ 之間的標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)數(shù)。 ? 回路輸入的轉(zhuǎn)換與標(biāo)準(zhǔn)化 轉(zhuǎn)換的第一步是將給定值或 A/D轉(zhuǎn)換后的整數(shù)值由 16 位整數(shù)轉(zhuǎn)換成浮點(diǎn)數(shù)。過程變量是經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換和計(jì)算后得到的被控量的實(shí)測(cè)值，如水箱液位的測(cè)量值。 回路的輸入輸出變量的轉(zhuǎn)換 和標(biāo)準(zhǔn)化 PID 回路有兩個(gè)輸入量，即給定值 (SP)和過程變量 (PV)。 （ 3） 用自編的程序?qū)崿F(xiàn) PID 閉環(huán)控制 有的可編程控制器沒有 PID 過程控制模塊有的雖然有 PID 控制用的功能指 21 令，但是希望采用某種改進(jìn)的 PID 控制算法。但這種模塊的價(jià)格昂貴，一般在大型系統(tǒng)中使用。 5) 按所求的系統(tǒng)參數(shù)運(yùn)行，觀察 系統(tǒng)的運(yùn)行情況，得到一個(gè)滿意的曲線。在本系統(tǒng)中控制度選為 。 DDC 系統(tǒng)的控制品質(zhì)要低于模擬系統(tǒng)的控制品質(zhì)，即控制度總是大于 1，且控制度越大，相應(yīng)的 DDC 系統(tǒng)控制品質(zhì)越差?？刂贫染褪且阅M調(diào)節(jié)器為基礎(chǔ)，定量衡量系統(tǒng)與模擬調(diào)節(jié)器對(duì)同一對(duì)象的控制效果。 （ 2） 令系統(tǒng)為純比例控制，逐漸加大比例增益 KC(縮小比例帶 ? )，使系統(tǒng)出現(xiàn)等幅振蕩，此時(shí)的比例增益為臨界比例增益 crK (對(duì)應(yīng)臨界比例帶 cr? ),值為1900，振蕩周期稱為臨界振蕩周期 crT ，值為 30s。 擴(kuò)充臨界比例法的具體方法如下： （ 1） 選擇一個(gè)足夠短的采樣周期 minT 。這種方法實(shí)質(zhì)上是模擬調(diào)節(jié)器中采用的穩(wěn)定邊界法的推廣，用來整定離散 PID 算式中的 T、 KC、 TI和TD參數(shù)。反復(fù)調(diào)試直到滿意為止。而且這些參數(shù)選定，多都是憑經(jīng)驗(yàn)，在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試中具體確定。系統(tǒng)有兩個(gè)調(diào)節(jié)器，主調(diào)節(jié)器具 有自己獨(dú)立的設(shè)定值，它的輸出作為副調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，而副調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)則被送到調(diào)節(jié)閥去控制生產(chǎn)過程。 19 圖 34 上水箱下水箱液位控制系統(tǒng)框圖 串級(jí)系統(tǒng)和簡(jiǎn)單系統(tǒng)有一個(gè)顯著的區(qū)別，即其在結(jié)構(gòu)上形成了兩個(gè)閉環(huán)?？刂品娇驁D如圖 34所示。 串級(jí)控制特點(diǎn)及應(yīng)用范圍是： 特點(diǎn)： (1)能夠迅速克服進(jìn)入副回路的干擾，抗干擾能力強(qiáng)，控制質(zhì)量強(qiáng)； (2)改善過程的動(dòng)態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的工作頻率； (3)對(duì)負(fù)荷和操作條件的變化適應(yīng)性強(qiáng)； 應(yīng)用范圍： (1)應(yīng)用于容量滯后較大的過程； (2)應(yīng)用于純時(shí)延較大的過程； (3)應(yīng)用于干擾變化激烈的而且幅度大的過程； (4)應(yīng)用于參數(shù)互相關(guān)聯(lián)的過程； (5)應(yīng)用于非線性過程； 采用串級(jí)可以大大提高調(diào)節(jié)品質(zhì)。 圖 33 一般串級(jí)控制系統(tǒng)框圖 串級(jí)控制系統(tǒng)與簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的顯著區(qū)別是，串級(jí)控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上形成兩個(gè)閉環(huán)，一個(gè)閉環(huán)在里面，稱為副環(huán) (或副回 路 )，它的輸出送往調(diào)節(jié)閥直接控制生產(chǎn)過程。串級(jí)控制系統(tǒng)、前饋補(bǔ)償控制、大時(shí)延預(yù)估控制等一類較為復(fù)雜的控制系統(tǒng)就是適應(yīng)上述要求而產(chǎn)生的。但是在有些情況下，例如有些被控過程的動(dòng)特性決定了它很難控制，又例如有些工藝過程對(duì)控制質(zhì)量的要求很高，此時(shí)單回路控制系統(tǒng)就滿足不了要求，需要開發(fā)和運(yùn)用新的控制系統(tǒng)，以進(jìn)一步提高控制 質(zhì)量。 由于被調(diào)量的變 化速度 (包括大小和方向 )可以反映當(dāng)時(shí)或稍前一些時(shí)間流入、流出量間的不平衡情況，因此，如果調(diào)節(jié)器能夠根據(jù)被調(diào)量的變化速度來移動(dòng)調(diào)節(jié)閥，而不要等被調(diào)量已經(jīng)出現(xiàn)較大的偏差后才開始動(dòng)作，那么調(diào)節(jié)的效果將會(huì)更好，等于賦予調(diào)節(jié)器以某種預(yù)見性，這種調(diào)節(jié)動(dòng)作稱為微分調(diào)節(jié)。 比例積分微分調(diào)節(jié) 微分作用主要是用來產(chǎn)生提前的控制作用 ,改善動(dòng)態(tài)特性 , 減小調(diào)整時(shí)間 ,使系統(tǒng)易于穩(wěn)定。為保持控制系統(tǒng)原來的衰減率， PI調(diào)節(jié)器的比例帶必須適當(dāng)加大。 PI調(diào)節(jié)就是綜合 P、 I兩種調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)，利用 P調(diào)節(jié)快速抵消 干擾，同時(shí)利用 I調(diào)節(jié)消除余差。然而與此同時(shí)，調(diào)節(jié)器的輸出卻可以停在任何值上。 I調(diào)節(jié)的特點(diǎn)是無差調(diào)節(jié)，與 P調(diào)節(jié)的有差調(diào)節(jié)成鮮明對(duì)比。但積分作用如果太強(qiáng) ,會(huì)引起較大超調(diào)或振蕩 ,且在實(shí)際當(dāng)中會(huì)經(jīng)常碰到積分飽和現(xiàn)象。 ? 的臨界值可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定。 ? 很大意味著調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作幅度很小，因此被調(diào)量的變化比較平穩(wěn)，甚至沒有超調(diào)，但殘差很大，調(diào)節(jié)時(shí)間也很長(zhǎng)；減小 ? 就加大了調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作幅度，引起被調(diào)量來回波動(dòng)，但系統(tǒng)仍可能是穩(wěn)定的，殘差相應(yīng)減小。然而，減小比例帶就等于加大調(diào)節(jié)系統(tǒng)的開環(huán)增益，其后果是導(dǎo)致系統(tǒng)激烈振蕩甚至不穩(wěn)定。根據(jù) P調(diào)節(jié)器的的輸入輸出測(cè)試數(shù)據(jù)，很容易確定它的比例帶的大小。 ? 具有重要的物理意義。 在比例調(diào)節(jié)中調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào) M(n)與偏差信號(hào) e成比例，比例系數(shù)為 KC，稱為比例增益。比例調(diào)節(jié)的顯著特點(diǎn)是有差調(diào)節(jié)，如果采用比例調(diào)節(jié)，則在負(fù)荷的擾動(dòng)下調(diào)節(jié)過程結(jié)束后，被調(diào)量不可能與設(shè)定值準(zhǔn)確相等，它們之間一定有殘差。 PID 調(diào)節(jié)的各個(gè)環(huán)節(jié)及其調(diào)節(jié)過程 水箱液位控制系統(tǒng)目前主要采用 PID(比例積分微分 )控制方式，這種方式，對(duì)不同的控制對(duì)象要用不同的 PID參數(shù)。采用平移法保存這些數(shù)據(jù)。因此第 n時(shí)刻的實(shí)際控制量為 )()1()( nMnMnM ???? (37) 其中 M(n－ 1)為第 (n－ 1)時(shí)刻的控制量。 因?yàn)橛?jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)位置型算式不夠方便，這是因?yàn)橐奂悠?e(j)，不僅要占用較多的存儲(chǔ)單元，而且不便于編程，為須此改進(jìn)式 (34)。由式 (34)可知，數(shù)字 PID控制器的輸出控制量 M(n)也和閥門位置對(duì)應(yīng)，所以式 (34)即是位置型算式。如果控制周期 T與被控對(duì)象時(shí)間常數(shù) TD比較是相對(duì)小的，那么這種近似是合理的，并與連續(xù)控制十分接近。 )， e(n1)和 e(n)分別為第 (n1)和第 n控制周期所得的偏差。比例作用則最終達(dá)不到設(shè)定值，而有余差?？梢钥闯霰壤e分微分作用效果為最佳，能迅速地使 T(s)達(dá)到設(shè)定值 1。需要較好的動(dòng)態(tài)品質(zhì)和較高的穩(wěn)態(tài)精度時(shí)，可以選用 PI 控制方式；控制對(duì) 31 模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng) 象的慣性滯后較大時(shí)，應(yīng)選擇 PID 控制方式。 式 (31)中等號(hào)右邊前 3 項(xiàng)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。 14 3 PID 控制算法介紹 PID 控制算法 典型的 PID 模擬控制系統(tǒng)如圖 31 所示。對(duì)于式 (26)所示的二階過程，t1/t2。 圖 212 達(dá)到新的平衡的曲線 由曲線 211 上得出 h2(t)穩(wěn)態(tài)值的漸近線 h2(∞ )為 ， )()( 212 ??? hth tt時(shí)曲線上的點(diǎn)和對(duì)應(yīng)的時(shí)間 t1 為 3`17``， )()( 222 ??? hth tt 時(shí)曲線上的點(diǎn)和對(duì)應(yīng)的時(shí)間 t2 為 7`35``。 表 25 輸出增加后的階躍響應(yīng)參數(shù) t(秒 ) 0 40 80 120 160 200 240 280 320 360 水箱水位h1(cm) 組態(tài)讀 數(shù)(cm) 12 圖 211 輸出值增加后的二階系統(tǒng)的過程變化曲線 進(jìn)入新的平衡狀態(tài)，這時(shí)的數(shù)據(jù)如表 27 所示。系統(tǒng)的被調(diào)量 — 水箱的水位趨于平衡后，紀(jì)錄 PLC 的輸出值、水箱液位 h2和 PLC 的測(cè)量顯示值如表 25 所示。由式中的 K、 T1和 T2須從由實(shí)驗(yàn)求得的階躍響應(yīng)曲線上求出。在圖中 S 型曲線的拐角 P 上作切線，它在時(shí)間軸上截出一段時(shí)間 OA，這段時(shí)間可以近似地衡量由于多了一個(gè)容量而使飛升過