【正文】 在起動(dòng)過程中。其特點(diǎn)如下（圖 41）： 圖 41 基本工作原理圖 電壓和電流能從零起連續(xù)可調(diào)，對(duì)電動(dòng)機(jī)無(wú)操作過電壓傷害，無(wú)轉(zhuǎn)矩沖擊，對(duì)電網(wǎng)無(wú)沖擊；轉(zhuǎn)速慢慢上升，有利于潤(rùn)滑，能延長(zhǎng)電動(dòng)機(jī)及機(jī)械設(shè)備的使用壽命；高壓開關(guān)合閘時(shí)電流 (或電壓 )為零，能顯著提高開關(guān)壽命。 表 31 控制度、參數(shù) KP , KI，和 KD的值。 控制度表示的是數(shù)字 PID 和模擬 PID 相比的控制效果，無(wú)需計(jì)電動(dòng)機(jī)智能軟起動(dòng)控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)（ PLC） 26 算?？刂贫仁且阅M調(diào)節(jié)器為基準(zhǔn)，將數(shù)字控制器的控制效果于模擬調(diào)節(jié)器相比較所得。記下使系統(tǒng)發(fā)生振蕩的臨界比例度 、及系統(tǒng)的臨界振蕩周期 TK。去掉控制器的積分和微分作用，只保留比例作用。此外，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的慣性比較大，采樣周期的選擇要與之相適應(yīng)，否則執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)不及反映控制器的輸出值變化。采樣周期如果太小，將會(huì)使微分和積分作用不明顯。本系統(tǒng)中采用擴(kuò)充臨界比例度法進(jìn)行參數(shù)整定。由于連續(xù)生產(chǎn)過程的控制回路一般都具有較大的時(shí)間常數(shù)，通常采樣周期比系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)要小的多，因此其參數(shù)選擇可以采用模擬調(diào)節(jié)器的整定方法。 PID 的組態(tài)設(shè) 計(jì)包括以下內(nèi)容 : ①確定所要控制的 PID 指令編號(hào) (回路編號(hào) ) ②選擇參數(shù)控制表存放的位置以及閉環(huán)控制的參數(shù) : ③確定 PID 回路的輸入和輸出控制參數(shù) : ④確定 PID 回路的報(bào)警選項(xiàng)以及報(bào)警參數(shù) 。 A 系列的 PLC 都有配套的編程軟件，該軟件可以在 PC 機(jī)上運(yùn)行，為用戶開發(fā)、編輯和監(jiān)控自己的應(yīng)用程序提供了良好的編程環(huán)境。今天，隨著 計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了取代模擬 PID 控制的數(shù)字式 PID 調(diào)節(jié)器，并且功能不斷完善，使經(jīng)典的 PID 控制算法結(jié)合先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，促進(jìn)了 PID 控制理論的發(fā)展，擴(kuò)展了它的功能。 在控制系統(tǒng)中，模擬式 PID 控制調(diào)節(jié)器的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛，由于它已經(jīng)形成了典型結(jié)構(gòu)，參數(shù)易于調(diào)整且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)靈活，可以是其中的一部分，所以在大多數(shù)工業(yè)生產(chǎn)過程 (如冶金，石油，化工，電站，造紙，供水等過程 )的控制中，獲得了良好的效果，對(duì)于那些數(shù)學(xué)模型不易精確求得，參數(shù)變化較大的被控對(duì)象，采用 PID 調(diào)節(jié)器往湖南工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 25 往也能得到滿意的控制效果。所以在進(jìn)行 PID 指令對(duì)這些值進(jìn)行計(jì)算之前，必須把他們轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的浮點(diǎn)型實(shí)數(shù)，這樣才能進(jìn)行 PID 運(yùn)算。 第 n 采樣時(shí)刻的比 例項(xiàng)值 MIn 第 n 采樣時(shí)刻的積分項(xiàng)值 MDn 第 n 采樣時(shí)刻的微分項(xiàng)值 對(duì)于不同的控制系統(tǒng)，需要根據(jù)不同的控制對(duì)象，選用不同的控制環(huán)節(jié)。 由于計(jì)算機(jī)從第一次采樣開始，每獲得一個(gè)偏差采樣值必須計(jì)算一次輸出值，但是系統(tǒng)中只需要將上一次的偏差值和積分項(xiàng)的存儲(chǔ)下來(lái)。 采樣時(shí)刻 n 的偏差值 en1 采樣時(shí)刻 n1 的偏差值 (偏差前項(xiàng) ) Ki 積分項(xiàng)的比例系數(shù) Mintiui PID 回路輸出的初始值 Ko 微分項(xiàng)的比例系數(shù) 積分項(xiàng)包括從第一次采樣到當(dāng)前采樣時(shí)刻的所有誤差項(xiàng)，微分項(xiàng)由本次 采樣和前一次采樣值來(lái)決定，比例項(xiàng)僅由本次采樣值決定。 （式 34） 其中 :M(t) PID 回路的輸出，是時(shí)間的函數(shù) Kc PID 回路的增益 E PID 回路的偏差 (給定值與過程變量之差 ) Mmitral PID 回路輸出的初始值 為了在計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)這一這個(gè)控制功能，式 (34)所描述的連續(xù)函數(shù)必須進(jìn)行離散化 ，即對(duì)誤差進(jìn)行周期性的采樣并計(jì)算輸出值。在系 統(tǒng)中，偏差 e 是給定值 SP(希望值 )和過程變量 PV(實(shí)際值 )的差。 PLC 的 PID 模塊分析研究 三菱 公司從 A 系列 PLC 中的 CPU 開始增加了用于閉環(huán)控制的 PID 模塊。然后利用離散控制系統(tǒng)理論，直接設(shè)計(jì)數(shù)字控制器。該方 法在采樣周期較大時(shí)，系統(tǒng)實(shí)際達(dá)到的性能往往比預(yù)計(jì)的設(shè)計(jì)指標(biāo)差。 模擬設(shè)計(jì)法是將數(shù)字控制器作為模擬控制器，采用連續(xù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，首先設(shè)計(jì)模擬控制系統(tǒng)的模擬控制器，使模擬控制系統(tǒng)性能指標(biāo)滿足。 數(shù)字 PID 控制器的設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最重要的一類就是如何根據(jù)控制目標(biāo)，設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)目刂扑惴ㄊ箞D31 所示的閉環(huán)控制系統(tǒng)滿足給定的系統(tǒng)性能指標(biāo)。 （式 33） 湖南工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 23 增量型算式僅僅是在計(jì)算方法上作了一點(diǎn)改變，并未改變?cè)隽?型算式的本質(zhì)。數(shù)字 PID 控制器的輸出 u(n)也和位置對(duì)應(yīng)，因此稱為位置型算式。 在模擬控制器中難以實(shí)現(xiàn)的理想微分的 de/dt，在計(jì)算機(jī)中可以利用其差分方程很好的實(shí)現(xiàn)，因此式 32 也稱為理想微分 PID 數(shù)字控制器。 （式 32） 式中， T 為采樣周期 (或控制周期 )， n 為采樣序號(hào)， n=1,2,,e(n1)和。數(shù)字控制器的經(jīng)典設(shè)計(jì)方法有兩種 :連續(xù)設(shè)計(jì)法和離散設(shè)計(jì)法。 數(shù)字 PID 控制 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的系統(tǒng)采用數(shù)字控制。 由于具有這些優(yōu)點(diǎn)， PID 控制直到現(xiàn)仍然是應(yīng)用最廣泛的基本控制方式之一 [13]。 PID 控制具有很多優(yōu)點(diǎn) ： ①算法簡(jiǎn)單，使用方便，容易通過簡(jiǎn)單的硬件和軟件方式實(shí)現(xiàn) 。 圖 31 PID控制系統(tǒng)原理 PID 控制的特點(diǎn) 在生產(chǎn)過程自動(dòng)控制的發(fā)展歷程中， PID 控制是歷史最久、生命力最強(qiáng)的基本控制方式。常規(guī) PID 控制系統(tǒng)原理框圖如圖 31 所示。模擬量輸入 /模擬量輸出模塊的另一個(gè)重要指標(biāo)是轉(zhuǎn)換時(shí)間。模擬量 I/O 模塊的主要任務(wù)就是完成 A/D 轉(zhuǎn)換（模擬量輸入）和 D/A 轉(zhuǎn)換（模擬量輸出）。這些數(shù)字量可能是二進(jìn)制的，也可能是十進(jìn)制的，帶正負(fù)號(hào)的電流或電壓在 A/D 轉(zhuǎn)換后用二進(jìn)制原碼或補(bǔ)碼表示。 模擬量輸入輸出模塊 在工業(yè)控制中，某些輸入量（如壓力、溫度、流量、轉(zhuǎn)速等）是模擬量，某些執(zhí)行機(jī)構(gòu)要求可編程序控制器輸出模擬信號(hào)，而可編程序控制器的 CPU 只能處理數(shù)字量。 電動(dòng)機(jī)智能軟起動(dòng)控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)（ PLC） 20 可編程序控制器特殊功能模塊 現(xiàn)代工業(yè)控制給可編程序控制器提出了許多新的課題，僅僅用通用 I/O 模塊來(lái)解決，在硬件方面費(fèi)用太高，在軟件方面編程相當(dāng)麻煩，某些控制任務(wù)甚至無(wú)法用通用 I/O 模塊來(lái)完成。邏輯解算是根據(jù)輸入映像寄存器中的值，而不是根據(jù)解算瞬時(shí)外部輸入觸點(diǎn)的狀態(tài)來(lái)進(jìn)行的。邏輯解算是按梯形圖中從上到下、從左到右的順序進(jìn)行的。 某些可編程序控制器的梯形圖去掉了右邊的垂直線。 梯形圖兩側(cè)的垂直公共線稱為公共母線。該存儲(chǔ)單元如果為“ 1”狀態(tài)，則表示梯形圖中對(duì)應(yīng)編程元件的線圈“通電”，其常開觸點(diǎn)接通，常閉觸點(diǎn)斷開，以后我們稱這種狀態(tài)是該編程元件為“ 1”狀態(tài)，或者稱該編程元件 ON。 （ a）錯(cuò)誤的梯形圖 （ b）正確的梯形圖 圖 22梯形圖的特點(diǎn) 梯形圖的特點(diǎn) 可編程序控制器梯形圖中的某些編程元件沿用了繼電器這一名稱，如：輸入繼電器、輸出繼電器、內(nèi)部輔助繼電器等等，但是它們不是真實(shí)的物理繼電器（即硬件繼電器），而是在軟件中使用的編程元件。梯形圖與繼電器控制系湖南工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 19 統(tǒng) 惡毒 電路圖很相似，具有直觀易懂的優(yōu)點(diǎn)，很容易被工廠熟悉繼電器控制的電氣人員掌握，特別使用于開關(guān)邏輯控制。 梯形圖（ Ladder diagram） 功能塊圖（ Function block diagram） 指令表（ Instruction list） 結(jié)構(gòu)文本（ Structured） 標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言中有兩種圖形語(yǔ)言 梯形圖（ LD）和功能塊圖（ FBD），還有兩種文字語(yǔ)言 指令表（ IL）和結(jié)構(gòu)文本（ ST），可以認(rèn)為順序功能圖（ SFC）是一種結(jié)構(gòu)塊控制程序流程圖。 IEC11313 標(biāo)準(zhǔn)使用戶在使用新的可編程序控制器時(shí)，可以減少重新培訓(xùn)的時(shí)間；對(duì)于廠家，使用標(biāo)準(zhǔn)將減少產(chǎn)品開發(fā)的時(shí)間，可以投入更多的精力去滿足用戶的特殊要求。 IEC（國(guó)際電工委員會(huì)）于 1994 年 5 月公布可編程序控制器標(biāo)準(zhǔn)（ IEC1131），該標(biāo)準(zhǔn)由以下 5 部分組成：通用信息，設(shè)備與測(cè)試要求，可編程序控制器的編程語(yǔ)言，用戶指南與通信。程序設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)母郊佑绊懙?[2]。影響 I/0 滯后的主要原因有 :輸入濾波 器對(duì)信號(hào)的延遲 。一般掃描周期只有十幾毫秒到幾十毫秒，因此對(duì)一般工業(yè)控制設(shè)備或者對(duì)輸入信號(hào)變化較慢的系統(tǒng)來(lái)說，這種滯后現(xiàn)象是完全允許的。換言之，輸入輸出的狀態(tài)保持一個(gè)掃描周期。暫存在輸出映像寄存器中的 輸出信號(hào)，等到一個(gè)循環(huán)周期結(jié)束， CPU集中將這些輸出信號(hào)全部輸送給輸出鎖存器。某些可編程序控制器可以為輸入電路和外部電子檢測(cè)裝置（如接近開關(guān)）提供 24V直流電源，驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的直流電源一般由用戶提供。 電源 可編程序控制器使用 220V交流電源或 24V 直流電源。在 I/O 模塊中，用光電耦合器、光電可控硅、小型繼電器等器件來(lái)隔離外部輸入電路和負(fù)載， I/O 模塊除了傳遞信號(hào)外，還有電平轉(zhuǎn)換與隔離的作用。 CPU模塊的工作電壓一般是 5V ，而可編程序控制器的輸入 /輸出信號(hào)電壓一般較高，如直流 24V和交流 220V。輸入模塊用來(lái)接收和采集輸入信號(hào)，輸入信號(hào)有兩類：一類是從按鈕、選擇開關(guān)、數(shù)字撥碼開關(guān)、限位開關(guān)、接近開關(guān)、光電開關(guān)、壓力繼電器等來(lái)的開關(guān)量輸入信號(hào)；另一類是由電位器、熱電偶、測(cè)速發(fā)電機(jī)、各種變送器提供的模擬量輸入信號(hào)。它不斷地采集輸入信號(hào)，執(zhí)行用戶程序，刷新系統(tǒng)的輸出；存儲(chǔ)器用來(lái)儲(chǔ)存程序和數(shù)據(jù)。 CPU模塊 CPU模塊主要是由微處理器（ CPU芯片）和存儲(chǔ)器組成。 湖南工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 17 3)輸出刷新階段 程序執(zhí)行完以后，將所有輸出繼電器的元件映像寄存器的狀態(tài)傳送到相應(yīng)的輸出鎖存電路中，通過隔離電路，驅(qū)動(dòng)功率放大電路，使輸出端子向外界輸出控制信號(hào)，形成PLC 的實(shí)際輸出，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)外設(shè)。②每條指令的執(zhí)行時(shí)間不同。對(duì)每個(gè)器件而言，器件映像寄存器中所寄存的內(nèi)容會(huì)隨著程序執(zhí)行過程而變化。 2)程序執(zhí)行階段 在程序執(zhí)行階段，根據(jù)梯形圖程序先左后右、先上后下的掃描原則， PLC 逐句掃描執(zhí)行用戶程序，遇到跳轉(zhuǎn)指令，則根據(jù)轉(zhuǎn)移條件來(lái)決定程序的走向。在此階段， PLC 以掃描方式讀入所有輸入端子的通斷狀態(tài) ，并將讀入的信息存入內(nèi)存中所對(duì)應(yīng)的映像寄存器，在此輸入映像寄存器被刷新，接著進(jìn)入程序執(zhí)行階段。在 PLC 處于運(yùn)行 (RUN)狀態(tài)時(shí)從內(nèi)部處理、外 電動(dòng)機(jī)智能軟起動(dòng)控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)（ PLC） 16 設(shè)端口服務(wù)、程序輸入、程序執(zhí)行、程序輸出，一直循環(huán)掃描工作。通信操作服務(wù)階段 :PLC 與一些智能模塊通信，響應(yīng)編程器鍵入的命令，更新編程器的顯示內(nèi)容等。全過程掃描一次所需的時(shí)間稱為掃描周期。然后進(jìn)入循環(huán)掃描工作過程，掃描過程如圖 21 所示。定時(shí)器預(yù)置 。 PLC 是采用循環(huán)掃描的工作方 式，在 PLC 執(zhí)行用戶程序時(shí)， CPU對(duì)梯形圖自上而下、自左向右地逐次進(jìn)行掃描，程序的執(zhí)行是按語(yǔ)句排列的先后順序進(jìn)行的，是一種串行的工作方式，不會(huì)出現(xiàn)多個(gè)線圈同時(shí)改變狀態(tài)的情況，這樣有利于避免觸點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)和時(shí)序失配的問題 。例如西門子公司 57400 系列 PLC 即使在惡劣、不穩(wěn)定的工作環(huán)境下，堅(jiān)固、全密封的模板依然可正常工作，在操作運(yùn)行過程中模板還可熱插拔。 2)多功能 隨著自調(diào)整、步進(jìn)電機(jī)控制、位置控制、伺服控制等模塊的出現(xiàn)，使 PLC 控制領(lǐng)域更加寬廣。網(wǎng)絡(luò)化和通信