【正文】 可以選用 PI 控制方式；控制對 圖 31 模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng) 象的慣性滯后較大時，應(yīng)選擇 PID 控制方式。可以看出比例積分微分作用效果為最佳，能迅速地使 T(s)達到設(shè)定值 1。比例作用則最終達不到設(shè)定值，而有余差。 )， e(n1)和 e(n)分別為第 (n1)和第 n控制周期所得的偏差。如果控制周期 T與被控對象時間常數(shù) TD比較是相對小的，那么這種近似是合理的，并與連續(xù)控制十分接近。由式 (34)可知，數(shù)字 PID控制器的輸出控制量 M(n)也和閥門位置對應(yīng)，所以式 (34)即是位置型算式。 因為計算機實現(xiàn)位置型算式不夠方便，這是因為要累加偏差 e(j)，不僅要占用較多的存儲單元，而且不便于編程，為須此改進式 (34)。因此第 n時刻的實際控制量為 )()1()( nMnMnM ???? (37) 其中 M(n－ 1)為第 (n－ 1)時刻的控制量。采用平移法保存這些數(shù)據(jù)。 PID 調(diào)節(jié)的各個環(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，對不同的控制對象要用不同的 PID參數(shù)。比例調(diào)節(jié)的顯著特點是有差調(diào)節(jié)，如 果采用比例調(diào)節(jié)，則在負荷的擾動下調(diào)節(jié)過程結(jié)束后，被調(diào)量不可能與設(shè)定值準確相等，它們之間一定有殘差。 在比例調(diào)節(jié)中調(diào)節(jié)器的輸出信號 M(n)與偏差信號 e成比例，比例系數(shù)為 KC，稱為比例增益。 ? 具有重要的物理意義。根據(jù) P調(diào)節(jié)器的的輸入輸出測試數(shù)據(jù)，很容易確定它的比例帶的大小。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。 ? 很大意味著調(diào)節(jié)閥的動作幅度很小，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)時間也很長；減小 ? 就加大了調(diào)節(jié)閥的動作幅度，引起被調(diào)量來回波動，但系統(tǒng)仍可能是穩(wěn)定的，殘差相應(yīng)減小。 ? 的臨界值可以根據(jù)實驗測定 [4]。但積分作用如果太強 ,會引起較大超調(diào)或振蕩 ,且在實際當(dāng)中會經(jīng)常碰到積分飽和現(xiàn)象。 I調(diào)節(jié)的特點是無差調(diào)節(jié)，與 P調(diào)節(jié)的有差調(diào)節(jié)成鮮明對比。然而與此同時，調(diào)節(jié)器的輸出卻可以停在任何值上。 PI調(diào)節(jié)就是綜合 P、 I兩種調(diào)節(jié)的優(yōu)點，利用 P調(diào)節(jié)快速抵消干擾，同時利用 I調(diào)節(jié)消除余差。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。 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 態(tài)特性 , 減小調(diào)整時間 ,使系統(tǒng)易于穩(wěn)定。 由于被調(diào)量的變化速度 (包括大小和方向 )可以反映當(dāng)時或稍前一些時間流入、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作，那么調(diào)節(jié)的效果將會更好，等于賦予調(diào)節(jié)器以某種預(yù)見性，這種調(diào)節(jié)動作稱為微分調(diào)節(jié) [1]。但是在有些情況下，例如有些被控過程的動特性決定了它很難控制，又例如有些工藝過程對控制質(zhì)量的要求很高，此時單回路控制系統(tǒng)就滿足不了要求，需要開發(fā)和運用新的控制系統(tǒng)，以進一步提高控制質(zhì)量。串級控制系統(tǒng)、前饋補償控制、大時延預(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。 圖 33 一般串級控制系統(tǒng)框圖 串級控制系統(tǒng)與簡單控制系統(tǒng)的顯著區(qū)別是，串級控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上形成兩個閉環(huán)，一個閉環(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。 串級控制特點及應(yīng)用范圍是： 特點： (1)能夠迅速克服進入副回路的干擾，抗干擾能力強，控制質(zhì)量強； (2)改善過程的動態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的工作頻率； (3)對負荷和操作條件 的變化適應(yīng)性強； 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； 采用串級可以大大提高調(diào)節(jié)品質(zhì)?？刂品娇驁D如圖 34所示。 18 圖 34 上水箱下水箱液位控制系統(tǒng)框圖 串級系統(tǒng)和簡 單系統(tǒng)有一個顯著的區(qū)別，即其在結(jié)構(gòu)上形成了兩個閉環(huán)。系統(tǒng)有兩個調(diào)節(jié)器，主調(diào)節(jié)器具有自己獨立的設(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)器的輸出信號則被送到調(diào)節(jié)閥去控制生產(chǎn)過程。而且這些參數(shù)選定，多都是憑經(jīng)驗，在現(xiàn)場調(diào)試中具體確定。反復(fù)調(diào)試直到滿意為止。這種方法實質(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)。 擴充臨界比例法的具體方法如下： （ 1） 選擇一個足夠短的采樣周期 minT 。 （ 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，此時的比例增益為臨界比例增益 crK (對應(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?？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)器對同一對象 的控制效果。 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。在本系統(tǒng)中控制度選為 。 5) 按所求的系統(tǒng)參數(shù)運行，觀察系統(tǒng)的運行情況，得到一個滿意的曲線。但這種模塊的價格昂貴，一般在大型系統(tǒng)中使用。 （ 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 20 令，但是希望采用某種改進的 PID 控制算法。 回路的輸入輸出變量的轉(zhuǎn)換和標準化 PID 回路有兩個輸入量，即給定值 (SP)和過程變量 (PV)。過程變量是經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換和計算后得到的被控量的實測值，如水箱液位的測量值。 ? 回路輸入的轉(zhuǎn)換與標準化 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)換成浮點數(shù)。 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)換成實數(shù) NOT //反之 ORD 16FFFF0000 //將 AC0 內(nèi)的數(shù)值進行符號擴展，擴展為 32 位負數(shù) LBL 0 DTR //將 32 位整數(shù)轉(zhuǎn)換成實數(shù) 轉(zhuǎn)換的下一步是實數(shù)進一步轉(zhuǎn)換成 ~ 之間的標準化實數(shù)。 下面是將上述的 轉(zhuǎn)換后得到的 AC0 中的雙極性實數(shù) (其 Span=64 000)轉(zhuǎn)換成~ 之間的實數(shù)的指令序列。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)。這一部用下式將回路輸出轉(zhuǎn)換成實數(shù)： Spano ffsetMR nS c a l ??? )( 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。對于增益為 的積分控制或微分控制，如果積分或微分時間為正，為正作用回路，反之為反作用回路。 變量的范圍 過程變量與給定值是 PID 運算的輸入值，在回路表中它們只能被 PID 指令讀取而不能改寫。它被限制在 ~ 之間。 如果使用積分控制，上一次的積分值 MX(積分和 )要根據(jù) PID 運算的結(jié)果來更新，更新后的數(shù)值作為下一次運算的輸入。 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。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?；芈繁韮?nèi)的過程變量的差值用于PID 計算的微分部分，用戶不應(yīng)修改它。 PID 指令中的 TBL 是回路表的起始地址， LOOP 是回路編號 (見圖 35)， PID 指令有一個能流記憶位，用該位檢測到 EN 端的能流從0 到 1 正跳變時，指令將執(zhí)行一系列的操作，使 PID 從手動方式切換到自動方式。 PID 指令對回路表內(nèi)的值進行下列操作，保證檢測到能流從 0 到 1 的正跳變時，從手動方式無擾動地切換到自動方式： 1) 令給定值 ( nSP )=過程變量 )( nPV 。 3) 令積分和 )(MX =輸出值 ( nM )。進入 RUN 方式后 PID 指令首次有效時，沒有檢測到使能為的正跳變，就不會執(zhí)行無擾動的切換操作。 PID 指令對回路表中的某些輸入值不進行范圍檢查，應(yīng)保證過程變量不超限。 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 雙字實數(shù) 輸入 應(yīng)在 ~ 之間 4 給定值 SPn 雙字實數(shù) 輸入 應(yīng)在 ~ 之間 8 輸出值 Mn 雙字實數(shù) 輸入 /輸出 應(yīng)在 ~ 之間 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) 24 微分時間 TD 雙字實數(shù) 輸入 單位為 min，必須為正數(shù) 28 上一次的積 分值 MX 雙字實數(shù) 輸入 /輸出 應(yīng)在 ~ 之間 32 上一次過程變量 PVn1 雙字實數(shù) 輸入 /輸出 最近一次運算的過程變量值 23 4 控制方案設(shè)計 畢業(yè)設(shè)計的課題的液位控制系統(tǒng)原理圖如圖 21 和 25 所示。 系統(tǒng)設(shè)計 上水箱液位的自動調(diào)節(jié) 在這個部分中 控制的是上水箱的液位。單相泵正常運行，打開閥 1 和閥 2，打開上水箱的出水閥，電動調(diào)節(jié)閥以一定的開度來控制進入水箱的水流量，調(diào)節(jié)手段是通過將壓力變送器檢測到的電信號送入 PLC中，經(jīng)過 A/D 變換成數(shù)字信號，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)換成與電動調(diào)節(jié)閥開度相對應(yīng)的電信號送入電動調(diào)節(jié)閥中控制通道中的水流量。經(jīng)過運算后即輸出控制信號給電動調(diào)節(jié)閥，使其開 度增大，以使通道里的水流量變大，增加水箱里的儲水量，液位升高。 系統(tǒng)的控制框圖如圖 41 所示。水 箱的液位經(jīng)過壓力變送器檢測轉(zhuǎn)換成相關(guān)的電信號輸入到 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的減法運算成了偏差信號 e ,又輸入到 PID 調(diào)節(jié)器中，又開始了新的調(diào)節(jié)。 圖 41 上水箱液位自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制框圖 上水箱下水箱液位串級控制系統(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 24 較大，要保持上水箱下水箱液位最后都保持設(shè)定值，用簡單的單閉環(huán)反饋控制不能實現(xiàn)很好的控制效果，所以采用串級閉環(huán)反饋系統(tǒng)。它有兩個 PID 回路，分別是PID1和 PID2。 整個系統(tǒng)的配置如圖 42 所示。 檢測單元 在過程控制系統(tǒng)中，檢測環(huán)節(jié)是比較重要的一個環(huán)節(jié)。 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。 圖 43 壓力變送器的接線圖 25 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)負端 (— )接負載電阻的一端，負載電阻的另一端接 24V。 零點和量程調(diào)整： 零點和量程調(diào)整電位器位于中繼箱內(nèi)的另一側(cè)。 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。根據(jù)式 (41)，利用壓力變送器將 PB轉(zhuǎn)換成 DC4~20mA 統(tǒng)一標準信號送入 PLC 中，便得知被測的液位。 執(zhí)行器的工作原理見圖 45，由執(zhí)行機構(gòu)和調(diào)節(jié)機構(gòu) (調(diào)節(jié)閥 )兩部分組成。由圖 45 可見來自調(diào)節(jié)器的信號經(jīng)信號轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換信號制式后，與來自執(zhí)行機構(gòu)的位置反 饋信號比較，其信號差值輸入到執(zhí)行機構(gòu)，以確 26 定執(zhí)行機構(gòu)作用的方向和大小，其輸出的力或位移控制調(diào)節(jié)閥的動作，改變調(diào)節(jié)閥的流通面積，從而改變被控介質(zhì)的流量。 系統(tǒng)中用到的調(diào)節(jié)閥是 QS 智能型調(diào)節(jié)閥，所用到的執(zhí)行機構(gòu)為電動執(zhí)行機構(gòu)，輸出為角行程，控制軸轉(zhuǎn)動。 圖 46 電動調(diào)節(jié)閥組成框圖 主要技術(shù)參數(shù)： 執(zhí)行機構(gòu) 型式：智能型直行程執(zhí)行機構(gòu) 輸入信號： 0~10mA/4~20mADC/0~5VDC/1~5VDC 輸入阻抗： 250Ω /500Ω 輸出信號： 4~20mADC 輸出最大負載： 500Ω 信號斷電時的閥位：可任意設(shè)置為保持 /全開 /全關(guān) /0~100%間的任意值 電源： 220V177。當(dāng) Ii=If時，電動機停止轉(zhuǎn)動，調(diào)節(jié)閥處于某一開度，即 Q=KIi，式中 Q 為輸出軸的位移， K 為比例常數(shù)。 控制單元 控制單元是整個系統(tǒng)的心臟。系統(tǒng)選用的 S7300PLC 的各個模塊分別是 CPU 31SM 331 128 ?A 位模擬量輸入模塊、 SM 332 124? 位模擬量輸出模塊、 PS 307 電源模塊，這些模塊在前面已經(jīng)作了詳細的介紹。 軟件設(shè)計 系統(tǒng)的編程分塊進行，分主程序、子程序和中斷程序。如果采用 PI 控制，給定值為 ，選取控制器的參數(shù)初值KC=50， T=6s， TI=3