【正文】 . PID指令回路表如表43所示。1. 硬件連線如圖41所示。傳感器負責檢測加熱爐中的溫度，把溫度信號轉化成對應的電壓信號，經過PLC模數(shù)轉換后進行PID調節(jié)。兩者的主要區(qū)別是：聯(lián)機方式下可直接針對相連的PLC進行操作，如上載和下載用戶程序和組態(tài)數(shù)據等；而離線方式下不直接與PLC 聯(lián)系，所有程序和參數(shù)都暫時存放在磁盤上，等聯(lián)機后在下載到PLC 中。離線方式：有編程軟件的計算機與PLC 斷開連接，此時能完成大部分基本功能。軟件功能的實現(xiàn)可以在聯(lián)機工作方式（在線方式）下進行，部分功能的實現(xiàn)也可以在離線工作方式下進行。程序編輯過程中的語法檢查功能可以提前避免一些語法和數(shù)據類型方面的錯誤。同時它還有一些工具性的功能，例如用戶程序的文檔管理和加密等。 根據上述操作，參數(shù)調整結果如表35所示：表35 PID參數(shù)表參數(shù)結果KpTiTd 　本章小結本章主要對爐溫PID算法在電加熱爐溫度控制系統(tǒng)中的應用做出了具體的介紹，P I D三個參數(shù)在系統(tǒng)中分別起到什么樣的作用以及PID算式的數(shù)字化處理具體是如何實現(xiàn)的，此外，我們還對采樣周期的選擇、PID參數(shù)的整定以及數(shù)字濾波作了具體的分析。開始自整定后，給定值不能再改變）。這時只需耐心等待。如圖36所示：第四步：在手動將PID調節(jié)到穩(wěn)定狀態(tài)后，即過程值與設定值接近，且輸出沒有不規(guī)律的變化，并最好處于控制范圍中心附近。第三步：在調節(jié)參數(shù)區(qū)點擊高級按鈕，設定PID自整定選項。本設計中我們采用西門子S7200的PID參數(shù)自整定功能，可由PID整定控制面板來實現(xiàn)，如圖35所示：圖35 PID調節(jié)面板界面第一步：在PID Wizard (向導）中完成PID功能配置第二步：打開PID調節(jié)控制面板，設置PID回路調節(jié)參數(shù)在Micro/WIN ，進入PID調節(jié)控制面板中，如果面板沒有被激活（所有地方都是灰色），可點擊配置按鈕運行CPU。如果系統(tǒng)的參數(shù)發(fā)生變化,則需要重新進入測試模態(tài)進行測試,測試完畢之后再回到調節(jié)模態(tài)進行控制。其基本思想是在控制系統(tǒng)中設置兩種模態(tài):測試模態(tài)和調節(jié)模態(tài)。S7200使用的自整定算法為Astrom和Hagglun提出的繼電型PID自整定控制法,它用繼電特性的非線性環(huán)節(jié)代替ZN法(ZieglerNichols)中的純比例控制器,使系統(tǒng)出現(xiàn)極限環(huán),從而獲取所需要的臨界值。西門子S7200的PID參數(shù)自整定屬于基于規(guī)則的自整定,此方法對模型要求較少,借助于控制器輸出和過程輸出變量的觀測值來表征動態(tài)特性,具有易執(zhí)行且魯棒性較強的特點,這種自整定法能綜合采用專家經驗進行整定。這兩項功能相結合,使用戶能輕松地實現(xiàn)PID的參數(shù)自整定,同時可以對最多8個回路進行自整定。然后減小積分時間，加大積分作用，并相應調整比例系數(shù)，反復試湊至得到較滿意的響應，確定比例和積分的參數(shù)。（1）整定比例控制將比例控制作用由小變到大，觀察各次響應，直至得到反應快、超調小的響應曲線。經驗法又叫做現(xiàn)場湊試法，它不需要進行事先的計算和實驗，而是根據運行經驗，利用一組經驗參數(shù)，根據反應曲線的效果不斷地改變參數(shù)，對于溫度控制系統(tǒng)，工程上已經有大量的經驗，其規(guī)律如表34所示。一般可以通過理論計算來確定，但誤差太大。工業(yè)控制中，大量的受控對象都具有低通的性質，下面表33給出了常用被控量的經驗采樣周期。（6） 從系統(tǒng)成本上考慮，希望采樣周期越長越好。（4） 從執(zhí)行元件的要求來看，有時要求輸入信號要保持一定的寬度。（2） 閉環(huán)系統(tǒng)對給定信號的跟蹤，要求采樣周期要小。需要考慮的主要因素分析如下：（1） 香農采樣定理設連續(xù)信號X（t）的最高頻率分量為Fm，以等間隔Ts（Ts稱采樣間隔，F(xiàn)s=1/Ts稱為采樣頻率）對X（t）進行采樣，得到Xs（t）。所以采樣周期的選擇甚為重要。如采樣周期過長，將引起有用信號的嚴重丟失，使系統(tǒng)品質變差。 采樣周期的選擇采樣周期：在周期性測量過程變量信號的系統(tǒng)中，相鄰兩次實測之間的時間間隔。圖34 滑動平均值法濾波需要注意的是，在初始化數(shù)據塊時一定要將第一次的采樣數(shù)據填充進所有的采樣數(shù)據寄存器中，然后進行數(shù)據塊移位，將最早的采樣數(shù)據移除，將最近的采樣數(shù)據填補進來，然后進行求平均值。這樣每進行一次采樣，就可以經過計算得到一個新的算術平均值。數(shù)據隊列的長度固定為N，每進行一次新的采樣，就把最新采樣結果放在隊列的尾部，將原來隊列首位的采樣結果扔掉，這樣在數(shù)據隊列中始終保留著最新采樣結果。去極值平均濾波算法可以通過圖33所示的程序流程圖來實現(xiàn)。算術平均值法適合對一般的具有隨機干擾信號的濾波，特別適用于信號本身的某一數(shù)字范圍附近作上下波動的情況，如流量液位等信號的測量。算術平均值法的算法公式為 （）其中：N—采樣次數(shù)；Xi—第i次采樣值；X為平均值。算術平均值濾波的效果與采樣次數(shù)有關，采樣次數(shù)越多效果越好。PLC常用的數(shù)字濾波方法是平均值濾，即對采樣和模擬量/數(shù)字量轉換得到的幾個數(shù)據求平均值，以此平均值最為模擬量/數(shù)字量轉換的最終結果進行處理。在硬件上，抗干擾措施一般是在布線時將信號傳輸線和動力線分開布線，信號傳輸線采取屏蔽處理。典型的PLC模擬量處理是將工業(yè)現(xiàn)場的各種被控對象（如溫度、壓力、流量、液位等）通過相應的傳感器將其變換為一標準的模擬電量（常見的是電壓、電流），電壓電流等模擬量常常會因為現(xiàn)場的瞬時干擾而產生較大的波動，這種波動經A/D轉換后亦反映在PLC的數(shù)字量輸入端。 （）假定PID運算的標準化實數(shù)格式結果存儲在AC0中，則經過下面程序段的轉換，存儲在模擬量寄存器AQW0中的數(shù)據為一個按工程量標定后的16為數(shù)字值。本文中采用的是單極性，故轉換公式為: （）2. 回路輸出變量的數(shù)值轉換方法本設計中，~，是一個標準化了的實數(shù)格式的數(shù)據，在輸出變量傳送給D/A模擬量單元之前，必須把回路輸出變量轉換成相應的整數(shù)。 Span——值域大小，為最大允許值減去最小允許值。在PLC內部進行數(shù)據運算之前，必須將這些值轉換為無量綱的標準化格式[~]。在本文中，經過測量的溫度信號被轉化為標準信號溫度值才是過程變量，所以，這兩個數(shù)不在同一個數(shù)量值，需要他們作比較，那就必須先作一下數(shù)據轉換。 表32 PID指令回路表偏移地址名稱數(shù)據類型說明0過程變量（PVn）雙字實數(shù)~4給定值（SPn）雙字實數(shù)~8輸出值（Yn）雙字實數(shù)~12增益（Kc）雙字實數(shù)比例常數(shù)，可正可負16采樣時間（Ts）雙字實數(shù)單位為s，必須是正數(shù)20積分時間（Ti）雙字實數(shù)單位為min，必須是正數(shù)24微分時間（Td）雙字實數(shù)單位為min，必須是正數(shù)28積分項前值（YX）雙字實數(shù)~32過程變量前值（PVn1）雙字實數(shù)最后一次執(zhí)行PID指令的過程變量值1. 回路輸出數(shù)值轉換方法本文中，設定的溫度是給定值SP，需要控制的變量是爐子的溫度。LOOP是回路號，可以是0~7，不可以重復使用。表31 PID回路指令名稱PID運算指令格式PID指令表格式PID TBL，LOOP梯形圖使用方法：當EN端口執(zhí)行條件存在時候，就可進行PID運算。西門子S7200系列PLC中使用的是PID回路指令。如果不想要比例回路，但需要積分或積分微分回路，系統(tǒng)會在計算積分項和微分項時。即使沒有積分作用，積分項還是不為零，因為有初值MX。例如只需要比例回路或者比例積分回路，通過設置常量參數(shù)，可以選擇需要的回路控制類型。微分項值Md與偏差的變化成正比，S7200使用下列算式來求解微分項：Mdn=Kc*Td/Ts*((SPnPVn)(SPn1PVn1)) ()為了避免給定值變化的微分作用而引起的跳變，假定給定值不變SPn=SPn1，這樣可以用過程變量的變化替代偏差的變化，計算算式可改進為：Mdn=Kc*Td/Ts*(SPnPVnSPn+PVn1) ()或Mdn=Kc*Td/Ts*(PVn1+PVn) ()其中：Mdn 第n采樣時刻的微分項值 Kc 回路增益 Ts 回路采樣時間 Td 微分時間 SPn 第n采樣時刻的給定值 SPn1 第n1采樣時刻的給定值 PVn 第n采樣時刻的過程變量的值 PVn1 第n1采樣時刻的過程變量的值為了下一次計算微分項值，必須保存過程變量，而不是偏差，在第一采樣時刻，初始化為PVn1=PVn。積分項還包括其他幾個常數(shù)：增益（Kc），采樣時間（Ts）和積分時間（Ti）。S7200解決的求積分的算式是：MIn=Kc*Ts/Ti*(SPnPVn)+MX ()其中：MIn 第n采樣時刻積分項的值 Kc 增益 Ts 采樣時間間隔 Ti 積分時間 SPn 第n采樣時刻的給定值 PVn 第n采樣時刻的過程變量的值 MX 第n1采樣時刻積分項（積分項前值） 積分和（MX）是所有積分項前值之和，在每次計算出MIn后，都要用MIn去更新MX。簡化算式是：Mn =Kc*en +Ki*en +MX+Kd*(enen1) （）輸出=比例項+積分項+微分項其中：Mn 在第n采樣時刻，PID回路輸出的計算值 Kc PID回路增益 en 采樣時刻n回路的偏差值 en1 回路的偏差值的前一個值 Ki 積分項的比例常數(shù) MX 積分項前值 Kd 微分項的比例常數(shù)CPU實際上使用以上簡化算式的改進形式計算PID輸出，這個改進型算式是：Mn =MPn +MIn +MDn ()輸出=比例項+積分項+微分項其中：Mn 第n采樣時刻的計算值 MPn 第n采樣時刻的比例項值 Min 第n采樣時刻的積分項值 MDn 第n采樣時刻的微分項值比例項MP是增益（Kc）和偏差（e）的乘積。由于計算機從第一次采樣開始，每有一個偏差采樣值必須計算一次輸出值，只要保存偏差前值和積分項前值。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調節(jié)過程中的動態(tài)特性。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應該是零。 自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的 或簡稱有差系統(tǒng)（System with Steadystate Error）。當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steadystate error）。 　PID控制器基本概念比例（P）控制：比例控制是一種最簡單,最常用的控制方式。PID控制，實際中也有PI和PD控制。當被控對象的結構和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學模型時，控制理論的其它技術難以采用時，系統(tǒng)控制器的結構和參數(shù)必須依靠經驗和現(xiàn)場調試來確定，這時應用PID控制技術最為方便。第3章 爐溫PID控制算法在工程實際中，應用最為廣泛的調節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調節(jié)。（2）對ZK1可控硅電壓調整器的信號輸入電路作部分改動，即增大輸入電阻值。反饋回路加變壓器控制原理圖如下圖210所示。這樣，在主回路為交流380V電路系統(tǒng)中，要想達到220V的輸出，通過從輸出端直接加反饋至ZK1可控硅電壓調整器的反饋輸入端，顯然達不到目的。ZK1可控硅電壓調整器在電加熱爐系統(tǒng)中的硬件框圖如下圖29所示：圖29 電加熱爐溫度控制系統(tǒng)硬件框圖2. ZK1可控硅電壓調整器在380V加熱爐中的應用在交流380V電加熱爐設備中，電源電壓為380V，在設備的調試和使用中發(fā)現(xiàn)，即使ZK1可控硅電壓調整器的導通角達到100%，輸出電壓始終上不去，限制在220V左右，這與要求輸出的380V電壓相差甚遠。 可控硅電壓調整器在加熱爐中的應用1. ZK1可控硅電壓調整器在220V加熱爐中的應用ZK1可控硅電壓調整器作為單相電壓調整器，其工作電壓為220V,當工作處于手動或自動狀態(tài)時，隨著輸入信號的變化，輸出的門控信號的移相范圍也跟著變化，從而改變可控硅的導通角，達到不同的輸出電壓比例，導通角的范圍是0~100%,調整電壓范圍是0~220V這樣可以通過控制加熱元件的發(fā)熱功率來控制溫度。加熱器倆端的電壓受可控硅觸發(fā)角ａ的控制，通過控制加在可控硅控制極觸發(fā)脈沖的時刻（ａ的大小）即可實現(xiàn)加熱器的功率或溫度的調節(jié)。相反，當ａ角越大，被切割的波形面積越大，輸出交流電壓的平均值越小。顯然控制角ａ的大小，可改變正負半周波形切割面積的大小。在α～π時間內,SCR1控制極Ｇ受觸發(fā)脈沖觸發(fā)而導通.。為50Hz交流電的電壓波形。 可控硅電壓調整器的主要性能指標本設計采用ZK1可控硅電壓調整器，其主要技術指標如下：（1）輸入信號：0~10mA（輸入阻抗800Ω）或4～20mA（輸入阻抗250Ω）；（2）輸入脈沖：幅值不小于3V、寬度不小于50 us(20Ω負載時)；