【正文】 第3章 控制系統(tǒng)設(shè)計及分析在電爐溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計過程中，堅持功能完善、面面俱到的原則，保證電爐安全、有效的運行。PLC充分利用了微型計算機的原理和技術(shù)，具有很強的邏輯處理能力，在控制系統(tǒng)中發(fā)揮了重要的作用。在整個運行期間，PLC的CPU以一定的掃描周期速度重復(fù)執(zhí)行上述三個階段，這樣使用PLC語言來編程有自己的特點。PLC提供的編程語言通常有：梯形圖（LAD）、語句表（STL）和順序功能流程圖（SFC）。為了使程序可讀性好，修改方便、容易理解，編程時采用模塊化方法。模塊之間不是獨立存在的，他們有著必然又相對獨立的聯(lián)系。采用模塊化的方式，一旦哪個功能出現(xiàn)問題，就可以直接訪問該模塊，找出問題的原因。(a)是繼電器控制系統(tǒng)中典型的起動、停止控制電路，也可以理解為電器控制梯形圖。（a）繼電器控制梯形圖 （b）PLC梯形圖 兩種梯形圖，具體表達方式有一定區(qū)別。梯形圖由多個梯級組成，每個輸出元素可構(gòu)成一個梯級，每個梯級可由多個支路組成，最右邊的元素必須是輸出元素。在用梯形圖編程時，只有在一個梯級編制完整后才能繼續(xù)后面的程序編制。常開觸點對應(yīng)的存儲器地址位為1狀態(tài)時，該觸點閉合。在語句表中，分別用LD(Load，裝載)、A(And，與)和O(Or，或)指令來表示開始、串聯(lián)和并聯(lián)的常開觸點。 梯形圖基本指令 基本指令一、位邏輯指令位邏輯指令的基礎(chǔ)是觸點和線圈。位邏輯運算的基本關(guān)系是“與”和“或”。（|P|）指令檢測它前面的邏輯狀態(tài)。（|N|）指令檢測它前面的邏輯狀態(tài)，如果上個程序掃描周期是“1”，本周期是“0”，則它后面的邏輯狀態(tài)在本周期的剩余掃描時間內(nèi)為“1”。二、傳送指令數(shù)據(jù)傳送指令在不改變原值的情況下，將IN（輸入端）的值傳送到OUT（輸出端）。 定時器和計數(shù)器指令一、定時器S7200 CPU提供了256個定時器。l TONR（有記憶接通延時定時器）：輸入端通電時定時器計時，斷開時計時器停止；除非復(fù)位端接通，計時值累計。定時器對時間間隔計數(shù)，時間間隔又稱分辨率（或時基）。定時器用使用一個字長的有符號整數(shù)對時基計數(shù)，最大值為32767。二、計數(shù)器指令S7200 CPU提供了256個計數(shù)器。（1）增計數(shù)器CTU遞增計數(shù)器CTU功能如下：l 計數(shù)條件從不滿足到滿足變化時，計數(shù)器計數(shù)值加1；l 計數(shù)器計數(shù)值超過設(shè)定值，計數(shù)器觸點為ON；l 復(fù)位條件滿足時，計數(shù)器被復(fù)位。 增計數(shù)器CTU的梯形圖符號(2)遞減計數(shù)器CTD遞減計數(shù)器CTD的功能如下：l 計數(shù)條件從不滿足到滿足變化時，計數(shù)器計數(shù)值減1；l 計數(shù)器計數(shù)值等于0時，計數(shù)器觸點為ON；l 復(fù)位條件滿足時，計數(shù)器被復(fù)位。 減計數(shù)器CTD的梯形圖符號(3)增/減計數(shù)器CTUD增/減法計數(shù)器CTUD的功能如下：l 計數(shù)條件從不滿足到滿足變化時，計數(shù)器計數(shù)值加1或減1；l 計數(shù)器計數(shù)值超過設(shè)定值或者等于0時，計數(shù)器觸點為ON；l 復(fù)位條件滿足時，計數(shù)器計數(shù)值復(fù)位（為0）。 減計數(shù)器CTUD的梯形圖符號 PID控制系統(tǒng)本系統(tǒng)要求采用閉環(huán)回路控制，所以要用到PID控制模塊。同時，控制理論的發(fā)展也經(jīng)歷了古典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論三個階段。自動控制系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。控制器的輸出經(jīng)過輸出接口、執(zhí)行機構(gòu)，加到被控系統(tǒng)上；控制系統(tǒng)的被控量，經(jīng)過傳感器，變送器，通過輸入接口送到控制器。比如壓力控制系統(tǒng)要采用壓力傳感器，電加熱控制系統(tǒng)的傳感器是溫度傳感器。閉環(huán)控制系統(tǒng)有正反饋和負反饋，若反饋信號與系統(tǒng)給定值信號相反，則稱為負反饋，若極性相同，則稱為正反饋，一般閉環(huán)控制系統(tǒng)均采用負反饋，又稱負反饋控制系統(tǒng)。比如人就是一個具有負反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)，眼睛便是傳感器，充當(dāng)反饋，人體系統(tǒng)能通過不斷的修正最后做出各種正確的動作。 PID控制的原理和特點在工程實際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)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(diào)節(jié)。即當(dāng)不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的偏差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。它在改善控制系統(tǒng)品質(zhì)，保證系統(tǒng)偏差e[給定值（SPn）和過程變量（PVn）的差]達到預(yù)定指標，使系統(tǒng)在實現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)方面具有良好的效果。即 輸出 = 比例項 + 積分項 + 微分項式中 M(t) ——PID回路的輸出，是時間的函數(shù)； KC ——PID回路的增益，也叫比例常數(shù)； e ——回路的誤差（給定值與過程變量之差）； Minitial ——PID回路輸出的初始值。u++DPI+KPKP/TiSKPTdS測量電路對象x y PID調(diào)節(jié)器據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場的實際情況，采用PID控制溫度的方法，精度比較高，系統(tǒng)性能穩(wěn)定，滿足生產(chǎn)的實際需要。 PID參數(shù)傳送的程序設(shè)計PID控制器有4個主要的參數(shù)KC、TS、TI、TD需要整定，無論哪一個參數(shù)選擇得不合適都會影響控制效果。在P、I、D這三種控制作用中，比例部分與誤差信號在時間上是一致的，只要誤差一出現(xiàn)，比例部分就能及時地產(chǎn)生與誤差成正比的調(diào)節(jié)作用，具有調(diào)節(jié)及時的特點。但是對于大多數(shù)系統(tǒng)，KC過大會使系統(tǒng)的輸出量振蕩加劇，穩(wěn)定性降低。因此積分部分可以消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度。積分時間常數(shù)TI增大時，積分作用減弱，系統(tǒng)的動態(tài)性能（穩(wěn)定性）可能有所改善，但是消除穩(wěn)態(tài)誤差的速度減慢。微分部分反映了系統(tǒng)變化的趨勢，它較比例調(diào)節(jié)更為及時，所以微分部分具有超前和預(yù)測的特點。如TD過大，系統(tǒng)輸出量在接近穩(wěn)態(tài)值時可能上升緩慢。為使采樣值能及時反映模擬量的變化，TS越小越好。 采樣周期的經(jīng)驗數(shù)據(jù)被控制量流 量壓 力溫 度液 位成 分采樣周期/s1～53～1015～206～815～20PID指令中的TBL是回路表的起始地址，LOOP是回路的編號。為了實現(xiàn)手動方式到自動方式的無擾動切換，轉(zhuǎn)換前必須把當(dāng)前的手動控制輸出值寫入回路表的Mn欄。2） 令上一次的過程變量（PVn1）=過程變量的當(dāng)前值（PVn）。PID的能流記憶位默認值為1，在啟動CPU或從STOP方式轉(zhuǎn)換到RUN方式時它被置位。編譯時如果指令指定的回路表起始地址或回路號超出范圍，CPU將生成編譯錯誤（范圍錯誤），引起編譯失敗。 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雙字實數(shù)輸入～4設(shè)定值SPn雙字實數(shù)輸入～8輸出值Mn雙字實數(shù)輸入/輸出～12增益KC雙字實數(shù)輸入比例常數(shù)，可正可負16采樣時間TS雙字實數(shù)輸入單位為s，必須為正數(shù)20積分時間TI雙字實數(shù)輸入單位為min，必須為正數(shù)續(xù)表 24微分時間TD雙字實數(shù)輸入單位為min，必須為正數(shù)28積分前項MX雙字實數(shù)輸入/輸出～32過程前值PVn1雙字實數(shù)輸入/輸出最近一次運算的過程變量值如果PID指令中的算術(shù)運算發(fā)生錯誤，（溢出或非法數(shù)值）被置1，并將終止PID指令的執(zhí)行。在調(diào)節(jié)PID的參數(shù)時，首先需要確定參數(shù)的初始值，如果預(yù)定的參數(shù)初始值與理想的參數(shù)值相差甚遠（如相差幾個數(shù)量級），將給以后的調(diào)試帶來很大的困難。下面介紹一種工程中廣泛應(yīng)用的擴充響應(yīng)曲線法，用這種方法可以初步確定上述的4個參數(shù)。圖中的c（∞）是系統(tǒng)輸出量的穩(wěn)態(tài)值。（3）求出系統(tǒng)的控制度。控制效果一般用誤差平方的積分值函數(shù)來表示，即：，認為二者控制效果相當(dāng)。 擴充響應(yīng)曲線法參數(shù)整定表控制度控制方式KCTITDTSPI TI/τPID TI/τPI TI/τPID TI/τPI TI/τPID TI/τPI TI/τPID TI/τ用以上方法確定的4個參數(shù)只能作為參考值，為了獲得良好的控制效果，還需要閉環(huán)調(diào)試，根據(jù)閉環(huán)階躍響應(yīng)的特征，反復(fù)修改控制參數(shù)，使系統(tǒng)達到相對最佳的控制效果。根據(jù)計算，下面給出本系統(tǒng)的PID參數(shù)設(shè)定的梯形圖及其對應(yīng)的STL語句。（2）MOVR IN，OUT 表示實數(shù)之間的傳送。（4）ENI 表示允許中斷。將回路輸出送給D/A轉(zhuǎn)換器之前，必須轉(zhuǎn)換成16位二進制整數(shù)。第一步用下面的公式將回路輸出轉(zhuǎn)換為實數(shù)：式中，Rscal是回路輸出對應(yīng)的實數(shù)值，Mn是回路輸出標準化的實數(shù)值，Offset與Span與上述的定義相同。上述梯形圖對應(yīng)的STL語句為：說明：（1） 表示此位提供高低電平各30s，周期為1s的時鐘脈沖。（3）ROUND IN，OUT 表示實數(shù)截位取整為雙整數(shù)。 溫度控制系統(tǒng)的程序設(shè)計為了達到任務(wù)要求，本系統(tǒng)擬用2個加熱管對電爐進行加熱。開始系統(tǒng)初始化模擬量采集電爐溫度是否超限加熱管停止加熱電爐是否需要急停系統(tǒng)急停統(tǒng)計加熱管加熱時間返回NNYY 系統(tǒng)流程圖 內(nèi)存變量地址分配地 址名 稱注 釋1號加熱管啟動上升沿有效1號加熱管急停上升沿有效2號加熱管啟動上升沿有效2號加熱管急停上升沿有效總停止上升沿有效1號加熱管上升沿有效2號加熱管上升沿有效VB0加熱管PID表8bitVD0加熱管過程變量PVn32bitVD4加熱管設(shè)定值SPn32bitVD8加熱管輸出值Mn32bitVD12加熱管增益KC32bitVD16加熱管采樣時間TS32bitVD20加熱管積分時間TI32bitVD24加熱管微分時間TD32bitVD28加熱管積分前項MX3