【正文】 5 t/min 0 1 3 48 單容水箱液位測量曲線PLC程序設(shè)計(jì)簡介PID功能在Step 7 中集成了PID 調(diào)節(jié)功能塊FB41 (連續(xù)量)、FB42 (開關(guān)量) 和脈沖轉(zhuǎn)換功能塊FB43, 以便于用戶使用其PID 調(diào)節(jié)功能。打開Step 7 軟件，打開“S7300”程序進(jìn)行下載，然后將S7300PLC置于運(yùn)行狀態(tài)，然后運(yùn)行組態(tài)軟件，打開“S7300PLC 控制系統(tǒng)”工程，然后激活組態(tài)運(yùn)行環(huán)境，進(jìn)入本控制系統(tǒng)的監(jiān)控界面。將“LT3下水箱液位”鈕子開關(guān)撥到“ON”的位置。上位機(jī)曲線，如圖46所示。在上位機(jī)監(jiān)控界面中將智能儀表設(shè)置為“手動”控制，并將輸出值設(shè)置為一個合適的值，此操作需通過調(diào)節(jié)儀表實(shí)現(xiàn)。接通總電源空氣開關(guān)和鑰匙開關(guān)，打開24V 開關(guān)電源，給壓力變送器上電，按下啟動按鈕，合上單相Ⅰ、單相Ⅲ空氣開關(guān)，給智能儀表及電動調(diào)節(jié)閥上電。智能儀表控制將“SA12 智能調(diào)節(jié)儀控制” 掛件掛到屏上，并將掛件的通訊線插頭插入屏內(nèi)RS485通訊口上，將控制屏右側(cè)RS485通訊線通過RS485/232 轉(zhuǎn)換器連接到計(jì)算機(jī)串口2，并按照控制屏接線圖連接實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)?？刂屏鞒瘫鞠到y(tǒng)選擇下水箱作為被測對象（也可選擇上水箱或中水箱）。電磁閥：在本裝置中作為電動調(diào)節(jié)閥的旁路，起到階躍干擾的作用。泵體完全采用不銹鋼材料，以防止生銹，使用壽命長。具有精度高、技術(shù)先進(jìn)、體積小、重量輕、推動力大、功能強(qiáng)、控制單元與電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)一體化、可靠性高、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，電源為單相220V，控制信號為4～20mADC 或1～5VDC，輸出為4～20mADC的閥位信號，使用和校正非常方便。 執(zhí)行機(jī)構(gòu)電動調(diào)節(jié)閥：采用智能直行程電動調(diào)節(jié)閥，用來對控制回路的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。采用工業(yè)用的擴(kuò)散硅壓力變送器，帶不銹鋼隔離膜片，同時采用信號隔離技術(shù)，對傳感器溫度漂移跟隨補(bǔ)償。圖42所示為S7300PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。S7300是采用模塊化結(jié)構(gòu)的中小型PLC，包括一個CPU3152DP 主機(jī)模塊、一個SM331 模擬量輸入模塊和一個SM332模擬量輸出模塊，以及一塊西門子CP5611 專用網(wǎng)卡和一根MPI 網(wǎng)線。 PLCS7 系列PLC 有很強(qiáng)的模擬量處理能力和數(shù)字運(yùn)算功能，具有許多過去大型PLC才有的功能，其掃描速度甚至超過了許多大型的PLC，S7 系列 PLC功能強(qiáng)、速度快、擴(kuò)展靈活，并具有緊湊的、無槽位限制的模塊化結(jié)構(gòu)，因而在國內(nèi)工控現(xiàn)場得到了廣泛的應(yīng)用。本實(shí)驗(yàn)采用SA12掛件。AI818 型儀表為PID 控制型，輸出為4～20mADC 信號；而AI708 型儀表為位式控制型，輸出為繼電器觸點(diǎn)型開關(guān)量信號。通過實(shí)驗(yàn)建模，傳遞函數(shù)中各參數(shù)為：K=，T=12 min， =1 s。 圖35 單容水箱的階躍響應(yīng)曲線 （a）無滯后特性響應(yīng)曲線（b）具滯后特性響應(yīng)曲線如果對象具有滯后特性時，其階躍響應(yīng)曲線則為圖35（b），在此曲線的拐點(diǎn)D處作一切線，它與時間軸交于B點(diǎn)，與響應(yīng)穩(wěn)態(tài)值的漸近線交于A點(diǎn)。若令Q1(s)作階躍擾動，即，X0=常數(shù)，則式(310)可改寫為 （311）對上式取拉氏反變換得 （312）當(dāng)t→ ∞ 時，h（∞）h（0）=KX0，因而有 （313）當(dāng)t=T時，則有 （314）式（312）表示一階慣性環(huán)節(jié)的響應(yīng)曲線是一單調(diào)上升的指數(shù)函數(shù)，如圖35（a）所示，該曲線上升到穩(wěn)態(tài)值的63%所對應(yīng)的時間，就是水箱的時間常數(shù)T。但為了簡化起見，經(jīng)線性化處理后，可近似認(rèn)為Q2與h 成正比關(guān)系，而與閥F111的阻力R成反比，即 （39）式中：，稱為液阻。在平衡時，Q1=Q2，；當(dāng)Q1發(fā)生變化時，液位h 隨之變化，水箱出口處的靜壓也隨之變化，Q2也發(fā)生變化。若將Q1作為被控過程的輸入變量，h 為其輸出變量，則該被控過程的數(shù)學(xué)模型就是h 與Q1之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式。閥門F1F12和F18全開，設(shè)下水箱流入量為Q1，改變電動調(diào)節(jié)閥V1的開度可以改變Q1的大小，下水箱的流出量為Q2，改變出水閥F111的開度可以改變Q2。一種是分析法，即根據(jù)過程的機(jī)理，物料或能量平衡關(guān)系求得它的數(shù)學(xué)模型；另一種是用實(shí)驗(yàn)的方法確定。 表31 臨界比例度法的整定公式控制器PPIPID除了ZN整定公式外，后人還研究出多種PID參數(shù)整定公式，例如RZN整定公式、Kappatao整定公式、CohenCoon整定公式、AMIGO整定公式等[4]，本文不做深入介紹。頻率響應(yīng)法也就是上文提到的臨界比例度法。這樣，Nyquist曲線上的極限點(diǎn)被確定，系統(tǒng)的頻域傳遞函數(shù)就可以通過一次調(diào)節(jié)試驗(yàn)辨識。由于系統(tǒng)等幅振蕩，可知，其中臨界增益被稱為臨界比例系數(shù)，為過程傳遞函數(shù)。簡單起見假設(shè)設(shè)定值SV=0。如果在閉環(huán)系統(tǒng)中將控制器設(shè)為純比例控制，當(dāng)比例增益達(dá)到足夠高時，系統(tǒng)將不穩(wěn)定。圖33 Nyquist曲線系統(tǒng)的Nyquist曲線如圖33所示。對于線性時不變系統(tǒng)，如果輸入信號是正弦信號，則穩(wěn)定后輸出信號為同頻率的正弦信號，只有幅度和相位發(fā)生變化。整定公式本身包含了PID控制器的設(shè)計(jì)過程，可以直接應(yīng)用于PID自整定控制器中。PID參數(shù)整定公式PID參數(shù)自整定包括提取過程動態(tài)特性和PID控制器的設(shè)計(jì)兩部分。臨界比例度法雖然非常簡單易用，在工程上也曾經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，但是仍然存在許多的缺陷。實(shí)驗(yàn)的最終目的，是要使閉環(huán)系統(tǒng)做臨界等幅振蕩，此時的比例增益就被稱為臨界增益，記為而此時系統(tǒng)的振蕩周期被稱為臨界振蕩周期，記為。這種方法不像飛升曲線法那樣依賴于對象的數(shù)學(xué)模型，而是通過實(shí)驗(yàn)由經(jīng)驗(yàn)公式得到PID控制器的最優(yōu)整定參數(shù)。首先，它難以確定最大斜率處，并且能夠利用的系統(tǒng)信息不足；其次，飛升曲線法只限定與FOPDT模型，對象廣泛的其他經(jīng)典過程對象，飛升曲線法則束手無策。飛升曲線法非常方便簡潔，只要知道過程對象的函數(shù)模型，即可根據(jù)公式算得PID控制器的三個參數(shù)。在曲線上最大斜率點(diǎn)P處作切線，F(xiàn)OPDT模型的參數(shù)如圖32所示。過程控制中常見PID參數(shù)整定方法從對象的開環(huán)響應(yīng)曲線來看大多數(shù)工業(yè)過程都能用一階慣性加純滯后(First Order Plus Delay Time)模型來近似描述，簡記為FOPDT模型，其傳遞函數(shù)如下所示： (35)、分別為對象模型的開環(huán)增益、純滯后時間常數(shù)和慣性時間常數(shù)。所以我們不能過強(qiáng)地增加微分調(diào)節(jié)，否則會對控制系統(tǒng)抗干擾能力產(chǎn)生 不利的影響。在微分作用合適的情況下，系統(tǒng)的超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間可以被有效的減小。微分作用的強(qiáng)弱取決于微分時間的大小，越大，微分作用越強(qiáng)，反之則越弱。直觀而言，微分作用能在偏差還沒有形成之前，就已經(jīng)消除偏差。 (3) 微分作用引入微分作用是為了改善控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度，同時使相位超前，提高系統(tǒng)的相位裕度增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但積分作用的引入同時使信號產(chǎn)生相位滯后，使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動態(tài)響應(yīng)變慢。從原理上看，只要控制系統(tǒng)存在動態(tài)誤差，積分調(diào)節(jié)就產(chǎn)生作用，直至無差，積分作用就停止，此時積分調(diào)節(jié)的輸出為常數(shù)。但是過大的比例增益會使調(diào)節(jié)過程出現(xiàn)較大的超調(diào)量，從而降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在某些嚴(yán)重的情況下，甚至可能造成閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。三個部分對系統(tǒng)性能的影響如下所示：(1) 比例作用引入比例作用是為了即時地反映控制系統(tǒng)的偏差信號，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)作用立即生效，使系統(tǒng)偏差快速向減小的趨勢變化。PID被控對象給定值被控參數(shù)+d+euPVSV圖31 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖PID控制器基本可以由以下的傳遞函數(shù)表示： （31）其中為比例增益，為積分時間，為微分時間。PID控制器具有結(jié)構(gòu)簡單，魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn)，因此，今天它己經(jīng)成為應(yīng)用最廣泛的控制技術(shù)，在石化，化工，造紙等工業(yè)領(lǐng)域，甚至有97%的常規(guī)控制器都是PID控制器。PID控制器PID控制技術(shù)是在反饋思想被實(shí)際應(yīng)用以后在工業(yè)應(yīng)中發(fā)展起來的。首先要根據(jù)受控對象的數(shù)學(xué)模型和它的各特性以及設(shè)計(jì)要求，確定控制器的結(jié)構(gòu)以及和受控對象的連接方式。S7300PLC是模塊式中小型PLC，電源、CPU和其他模塊都是獨(dú)立的，可以通過U形總線把電源（PS）、CPU和其他模塊緊密地固定在西門子S7300標(biāo)準(zhǔn)的導(dǎo)軌（Rail）上。梯形圖的使用直觀方便,可以建立與電器接線圖等價的梯形邏輯圖,而且在全世界范圍內(nèi)通用,因此,成為多數(shù)PLC程序設(shè)計(jì)和維護(hù)人員的首選方法,在實(shí)際設(shè)計(jì)中有著廣泛的應(yīng)用。I/O模塊集成了PLC的I/O電路，其輸入暫存器反映輸入信號狀態(tài)，輸出點(diǎn)反映輸出鎖存器狀態(tài)。輸入/輸出單元從廣義上分包含兩部分：與被控設(shè)備相連接的接口電路；輸入輸出的映像寄存器。PLC所用的存儲器基本上由ROM（只讀存儲器）、EPROM（可擦除的只讀存儲器）及RAM（隨機(jī)存儲器）組成。PLC中采用的CPU一般有三大類：通用微處理器；單片機(jī)芯片；位處理器。CPU通過數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線與存儲單元、輸入輸出接口電路相連接。PLC的基本結(jié)構(gòu)圖如圖22所示。當(dāng)然，上述分類的標(biāo)準(zhǔn)不是固定的，而是隨著PLC整體性能的提高不斷變化。大型PLC：I/O點(diǎn)數(shù)一般在1024點(diǎn)以上。小型PLC：I/O點(diǎn)數(shù)一般在256點(diǎn)以下；PLC的容量主要指其輸入/輸出點(diǎn)數(shù)。 PLC的分類對于PLC的分類通常可以根據(jù)他的結(jié)構(gòu)形式、容量或功能進(jìn)行。目前比較著名的PLC生產(chǎn)廠家有日本的三菱公司、歐姆龍公司、富士電機(jī)、松下電工，德國的西門子，法國的TE公司、施耐德公司，韓國的三星公司、LG公司和美國的AB、通用（GE）公司。1973年西歐國家也研制出它們的第一臺PLC。這一新型工業(yè)控制裝置的出現(xiàn)，也受到了世界其他國家的高度重視。為改變這一狀況，美國通用汽車公司（GM）在1968年公開招標(biāo)，要求用新的控制裝置取代繼電器控制裝置。到20世紀(jì)60年代，汽車生產(chǎn)流水線的自動控制系統(tǒng)基本上都是由繼電器控制裝置構(gòu)成的。PLC以其可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡單、功能強(qiáng)大、性價比高、體積小、能耗低等顯著特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、