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这种控制,仅输入须用模拟量,而输出则用开关量。
P(比例)I(积分)D(微分)控制,它由传感器、模拟量输入单元、PLC程序、模拟量输出单元(或逻辑量输出点)及执行器组成。
它对偏差作PID运算,然后产生控制输出。
当然,也可只有P,或PI的控制。
视系统的要求而定。
PID运算可用PLC的数学运算指令实现。
也可直接用PID指令,或调用PID函数块实现。
也可使用PID控制的硬件单元(模块)实现。
其它控制,如模糊控制,它的输出按其与输入对应的模糊关系确定。
OMRON、西门子就有模糊控制单元,可用以实现这种控制。
二是,串级控制。
它有主辅两个控制回路,主回路与辅回路,它的主回路的设定值按要求给定,其输出不用以推动执行器,而用作辅调节器设定值。
辅调节器的输出才用以推动执行器。
串级控制多了辅回路,可使所控制的参数免受或少受一些其它干扰,从而提高系统的控制品质。
三是,前馈控制:
它是按扰动进行的开环控制。
如果弄清物料流量对温度的影响规律,可作到系统的误差为零。
当然,前馈与反馈控制也可结合起来进行,以得到更高系统的控制品质。
四是,比值控制:
在生产中,有时要求若干变量间保持一定的比例关系,如煤气加热炉,就要求煤气与空气要有合适的比例,即空燃比。
比例调节器就是要保证在煤气变化的同时,空气也要有相应的变化。
比值控制有开环、闭环及多变量比值等。
五是、其他控制:
其他常用的控制方法还有均匀控制、分程控制、多冲量控制等。
均匀控制用于连续生产的过程中。
目的是保证,前后设备间的物料流动能得以平衡,以达到均匀生产的目的。
分程控制用于有不同工况的生产过程。
可作到在各个工况下,都能实现合适的控制。
多冲量控制用于有多个相互有联系的被控对象,被控量不仅与控制量有关,还与其它变量有关。
多冲量控制就是将这些变量组合起来,一起去控制控制量。
等等。
此外,还有一些高级控制,如模糊控制、专家控制、最优控制、自适应控制、自学习控制、预测控制及复合控制。
3、控制程序
1.开环比值控制:
其实例见图12-9。
它可使流量Qb按比例k,跟随流量Qa变化。
图12-9为它的相应程序。
a–OMRONPLCb–西门子PLCc–三菱PLC
图12-9比例控制梯形图程序
从图知,图a的“模出通道”的BCD码值为“三路模拟量BCD码”与“比例系数K”的乘积。
再转换为16进制,后再输出给“模出通道“,即可使“模出通道”控制的模拟量,按比例系数K,随“三路模拟量BCD码”的变化而变化。
图b用的是16进制数,只要“模拟量输入”、“模拟量输出”格式相同,无须转换,则把“比例系数K”与“模拟量输入”相乘,结果给“模拟量输出”就可以了。
图c用的也是16进制数。
但要用RD3A(有的模块用FROM指令)指令先从模拟量输入模块取得“模拟量输入”数据(存于D0),把“比例系数K”与D0相乘,结果存于D2。
再用WR3A(有的模块用TO指令)指令把D2的值写给模拟量输出模块。
还可能实现多值比例控制。
图12-10为与其对应的梯形图程序。
这里有两个比例器K1、K2,都由输入量Qa控制,以保证实现Qb1=K1×
Qa、Qb2=K2×
Qa的比例关系。
图12-10多值比例控制梯形图程序
图a的“模出通道1BCD码“、“模出通道2BCD码“值为“三路模拟量BCD码”与“比例系数K1”、“比例系数K2”的乘积。
再经转换为16进制数,然后输出给“模出通道1“、“模出通道2“,即可使“模出通道1”、“模出通道2“控制的模拟量,按比例系数K1、K2,随“三路模拟量BCD码”的变化而变化。
图b用的都是16进制数,把“比例系数K1”与“模拟量输入”相乘,结果给“模拟量输出1”、把“比例系数K2”与“模拟量输入”相乘,结果给“模拟量输出2”就可以了。
但也要用RD3A(有的模块用FROM指令)指令先从模拟量输入模块取得“模拟量输入”数据(存于D0),把“系数K1”与D0相乘,结果存于D2、把“系数K2”与D0相乘,结果存于D4。
再用WR3A(有的模块用TO指令)指令把D2、D4。
再用WR3A(有的模块用TO指令)指令把D2、D4的值指写给模拟量不同的输出模块。
提示1:
这里的乘后的“积”为双字,要确保它的“积”处在模出通道的有效值范围之内。
为此,有时应对结果值进行判断,如超出范围,则把范围允许的值传送给输出。
提示2:
如K1、K2不是整数,可先把K1、K2乘10、或乘100等,使其变成整数,然后再作这里的乘。
得出结果后,再用双字长除指令,把“得出结果”的除10、或100等,使最后的结果处在模出通道的有效值范围之内。
闭环控制:
2.简单闭环控制:
这种控制的方法是,把被控量的实际值与设定值进行比较,再按照比较结果,产生相应的ON或OFF的继电控制输出。
图12-11示的即为三种PLC最简单这类梯形图程序。
该程序不断执行“设定值”与“实际值”比较,只要“实际值”小于“设定值”,对图a大于标志“P_GT”ON,进而使“输出”ON;
对图b、c则直接使“输出”ON。
反之,“输出”将OFF。
用它即可进行输出ON/OFF控制。
图12-11简单ON/OFF控制
这种控制只需用模拟量输入单元,而输出则用普通的I/O点,较简单。
但可能在设定点附近ON、OFF动作变换过于频繁。
为避免这种ON、OFF动作变换过于频繁,可在比较后增加延时,再产生控制输出,或把临界点改为临界范围,比临界点大于一定数(+A)时作一种转换,比临界点小于一定数(-A)时作另一种转换。
图12-12示的为比较后增加延时,再产生控制输出的三种PLC程序。
图12-12比较设定值加延时控制程序
该图程序延时都设为5秒,实际多少,可依具体情况决定。
对图a:
当“实际值”小于“设定值”5秒时,小于标志特殊继电器P-LTON。
但这情况需持续5秒,TIM001的常开触点才可能接通。
只有这样,才可能使“输出增大标志”ON,使“输出增大”ON,并自保持。
一旦出现比较大于保持5秒,则“输出增大”OFF,同时“输出减小”ON。
图b、对图c:
情况类似,只是定时器用了T101、T1,具体工作过程就不多解释了。
此外,也可在保证控制精度的前提下,在达或离开临界点到ON、OFF转换之间增加延时,或把临界点改为临界范围,比临界点大一定数(+A)时作一种转换,比临界点小一定数(-A)时作另一种转换。
图12-13示的为用上、下限比较,以产生控制输出的三种PLC,程序。
图12-13上限下限比较控制程序从图知,这个系统所控制的“实际值”低于“设定值-A”时,使其增大;
高于“设定值+A”时,使其减少。
3.无差闭环控制
图12-14表示了这个控制的算法框图。
这里的控制值是在每进行一次此类运算时,自身与偏差E相加。
这样,即使系统没有偏差,仍可产生控制输出。
无差也因此得名。
图12-14无静差控制算法框图
图12-15为与图12-14对应的梯形图程序。
图12-15无静差控制梯形图程序
从图a知,当“无静差控制”ON,则执行如图程序。
先是定时器TIM000工作。
每1秒钟,其常开触点TIM000ON一次,则控制程序执行一次。
这么做的目的是,控制输出改变后要等待一定时间再处理,以适应系统时延特性。
否则会出现超调,以至于系统振荡。
这里定时间隔为1秒,如系统时延较大,还可加大。
而图b、c与其不同的只是用16进制数,且也没有进位位参与计算问题,由于这里用了累加、累减,相当于加入积分环节。
所以,只要存在偏差,即“设定值”减“实际值“不为0,那么,每进行一次运算都将使”控制值“变化。
直到”控制值“变化到使系统实际值等于设定值时,即“设定值”减“实际值“为0,不存在偏差时,”控制值“才保持不变。
这也就实现了设定值对系统的无静差控制。
无静差控制可消除所有由干扰产生的误差,这是它的优点。
但存在系统能否稳定工作的问题。
而系统要是不稳定,那即使静态精度再高,也是不允许的。
所以,还得寻找更好控制办法。
以下将介绍的PID控制就是一个较好的办法。
离散系统闭环控制振荡有两种原因:
静态原因及动态原因。
静态原因是系统离散性。
系统离散,就不可能任意要求的调节量都存在。
如设定值正是这个不存在调节量,那是永远做不到的。
而硬要这么做,只好振荡了,即出现调节量一会儿比设定值大,一会儿比设定值小,总也稳定不下来。
正如,要买1斤鸡蛋,很难做到买的正好是一斤,要不稍多一点,要不就是稍差一点。
显然,提高分辨率(如鸡蛋很小)可减少这个振荡。
提示3:
动态原因是系统惯性、时延。
前者在实际的系统中也总是存在的。
减少惯性,减少时延,选择合适放大倍数,可避免出现振荡。
4。
闭环PID控制:
(1)PID控制概念
PID是比例(P)、积分(I)、微分(D)之意。
标准PID的控制值是与偏差(设定值与实际值之差)、偏差对时间的积分、偏差对时间的微分,三者之和成正比。
如用式子表示,即:
式中
p—控制值;
e—偏差;
Ti—积分常数;
Td—微分常数;
K—放大倍数(比例系数);
M—偏差为零时的控制值,有积分环节此项也可不加。
PID控制就是用这里的控制量p,去控制对象。
在p中,除了M,其它三项均与偏差有关。
计算偏差要使用反馈信号,所以它是闭环控制。
这里的偏差、偏差对时间的积分、偏差对时间的微分,又分别称为比例输出、积分作用和微分输出。
比例输出由偏差与比例系数相乘构成。
比例系数越大,同样偏差,其控制作用也越强。
但没有偏差,即使比例系数再大,也没有这个控制输出。
如仅用此一项,尽管加大比例系数,可减少偏差,但无法消除偏差。
积分输出与偏差对时间的积分以及积分系数有关。
同样偏差,经历时间越长,积分系数越小,其控制作用也越强。
积分可加强及累积控制输出。
当前偏差可以为0,有了积分,则仍可产生控制输出。
用此项,对须经常要有控制输出的系统,也可消除偏差,使系统成为无差系统。
微分输出由偏差对时间的微分,即偏差的变化率,与微分系数相乘构成。
同样偏差变化率,微分系数越大,其控制输出也越强。
它的作用是抑制偏差变化的。
如偏差加大,它的控制输出增强,以抑制偏差加大;
同样,如偏差减小,它将减小控制作用,以抑制偏差的减小。
用此一项主要是使系统保持稳定。
有强的稳定要求时,可加大微分系数。
PID控制的好处是,可以不必了解系统的数学模型,只要能检测出偏差,就可对系统实现准确、没有误差及稳定的控制。
式12-1用于连续系统的PID控制。
如在PLC控制中用它,则必须将其“离散化”,用相应的数值计算,代替这里的积分、微分。
如选择的采样周期为T,积分初值为0,离散化后的公式为:
式12-2的计算仅仅是加、减、乘、除等基本运算。
所以,如选定了采样周期T、积分常数Ti、微分常数Td、放大倍数K、偏差为零时的控制值M以及各个时刻的偏差值,用PLC的算术运算指令完全可进行这个运算,求出P(n)值,以实现PID控制。
PLC多具有PID指令、PID函数块、PID单元或回路控制单元,为PLC使用PID控制,也提供了方便。
PID参数Kp,Ki和Kd可以根据过程的动态特性及时整定,以达到较好的PID控制效果。
如果过程的动态特性变化,例如可能由负载的变化引起系统动态特性变化,PID参数就可以重新整定。
而且,新型的PLC,随时都可对PID参数进行自整定,为确定PID参数提供了很大方便。
但是,PID控制也有其局限性。
PID在控制非线性、时变、耦合及参数和结构不确定的复杂过程时,效果不是太好。
如果系统过于复杂,有时可能无论怎么调参数,都不易达到目的。
图12-16分别示出,当设定值从0突变到x时,在比例(P)作用、比例积分(PI)作用和比例积分微分(PID)作用下,被调量y变化的过渡过程。
可以看出,比例积分微分作用效果为最佳,能迅速地使y达到设定值x。
比例积分作用则需要稍长的时间。
比例作用则最终达不到设定值,而有余差。
(3)PID控制指令
使用PLC进行PID控制,简单的办法是用PID指令。
表12-2示的为几个机型的PID指令。
此外,也可使用专用函数块、硬件PID模块或过程控制CPU。
以下介绍PID指令。
表12-1几个机型的PID指令。
表12-2几个机型的PID指令
CPM2A机PID指令有三个操作数。
其含义为:
S为输入字,16进制数,调节量(实际值)输入到这个字中。
D为控制输出字(通道),16进制数,运算后的PID值,即控制值,放在这个字中。
C为PID控制参数首字,从C1到C1+32,这33个字应放在同一个连续数据区内。
表12-3示的就是它的各参数含义。
表12-3CPM2APID指令控制字含义
它的V2.00以上版本,不仅可实现PID控制,还可参数自整定、输出值上、下限设定。
S7-200机操作数有两个。
TBL——PID控制参数存贮区的开始字节地址,这参数区共36个字节,存9个参数,包括程序变量、设置点、输出、增益、采样时间、整数时间(重设)、导出时间(速率)以及整数和(偏差)的当前值及先前值,详细含义见表12-12;
LOOP——为PID回路编号,可在0到7间取值,在一个程序不能用相同编号,这意味着在一个S7-200的程序中,PID指令最多只能用8次,但此指令也可在子程序、中断程序中执行。
此外还有EN、ENO,是西门子PLC指令调用输入、输出机制。
输入端EN逻辑条件ON,则执行本指令,OFF不执行;
本指令正确执行,则输出ENOON,否则,OFF。
而表12-4示的为S-200PID指令参数区含义。
表12-4S-200PID指令参数区含义
V2.00以上版本,不仅可实现PID控制,还可参数自整定、输出值上、下限设定。
FX2N机的操作数含义为:
S1——目标,即设定值
S2——测定值或说当前值、实际值
S3——PID参数存贮区的首地址,参数区共25个字,其各字的含义见表12-5D——执行PID指令计算后得到的输出值或说控制输出本指令可多次调用,不受限制,但所用的数据区不能重复。
在子程序、步进指令中也可使用,但用前,要清零S3+7的数据。
表12-5参数区各字的含义
(5)PID指令使用
使用PID指令进行PID控制,虽只使用一个指令及作有关设定。
但也还有一些细节要考虑与处理:
数据格式转换:
PID指令输入、输出用的格式与模拟量输入、输出单元的数据格式及数据变化范围不一定相同。
为此,在使用PID前,要做一些数据格式转换,如必要也可能还要作比例换算,以便于执行PID指令时,使用有关数据。
同时,在执行PID指令得出结果后,也要把这个结果值进行转换与换算,以便于为有关输出使用。
参数变换:
执行PID指令,当偏差值不同时,所选的参数最好也有所不同。
如比例带、积分常数等,在偏差大时,可选小一些,以强化它的作用。
而偏差小时,或控制输出已将接近开环测定的数值,这些参数可与偏差大些,以弱化它的作用。
输出值控制:
尽管作了数据变换或转换,但有时,还是难以做到控制输出值与所驱动的对象完全适应。
如有这样的情况,模拟量输出单元的输出范围为0到10伏,而对象所用的控制输入只能为0到5伏。
手动、自动无扰动切换:
实际系统除了自动控制,有时还要求手动控制。
而且,这两者切换时,最好系统的控制输出不要突变,以免系统受到不应有的冲击。
参数变化时也有这个问题。
怎么做到这一点昵?
一般讲在两种情况下转换,冲击将少一些。
即:
在偏差值为0,或尽量小时转换;
或控制输出值相等或接近相等时转换。
为此,在手动向自动转换时,可观测自动的给定值与实际值相差大否?
太大时,应使其调到相接近时,切换。
自动到手动转换,应使手动的输出初值设为当时自动的控制输出值。
多种控制算法配合使用:
PID控制虽然有很多优点。
但由于系统的非线性等诸多原因,完全用PID控制有时难以满足实际要求。
所以,也可考虑依不同的偏差值,或依不同的工况,有时用PID控制,有时也可用别的控制。
多种控制配合使用,以获得更好的控制效果。
(6)PID程序实例
本教程选作实验五就是模拟量输入、模拟量输出,用PID控制温度的程序实例。
可结合这个实验具体理解PID指令的应用。
(7)PID控制程序调试
首先,用手动改变控制输出,观察调节量的变化。
大体弄清调节虽控制输出的变化特性。
其次,用手动进行控制,使其达到控制要求。
最后,设定PID参数,并在手动成功的基础上,切换为PID控制。
参数选定的步骤是:
(a)选定合适的采样周期T
对流量控制系统,一般为1到5秒,优先选用1到2秒。
对压力控制系统,一般为3到10秒,优先选用6到8秒。
对液位控制系统,一般为6到8秒。
对温度控制系统,一般为10到20秒。
对成分控制系统,一般为15到20秒。
当然,以上这些数据也是很笼统的,仅仅是参考数。
从实际经验看,T最好尽可能选得小些。
T小,并把积分作用(见以下参数Td解释)
适当减弱,可作到,既加快调节过程,而又避免由系统离散原因引起的超调。
(b)选定合适的比例带δ这时设Ti为∞(无穷大),Td为0,从大到小改变比例带,直到得到较好的的过程曲线。
(c)选定合适的积分常数Ti将比例带放大1.2倍,从大到小改变积分时间常数,直到得到较好的的过程曲线。
(d)再定合适的比例带δ积分时间常数不变,再改变比例带(增大或减小),看过程曲线是否改善。
若有改善,则继续调整比例带;
若没有改善,则将原定的比例带减小,再变更积分时间常数,以改善控制过程曲线。
如此多次反复,直到得到合适的比例带及积分时间常数。
(e)选定合适的微分常数Td
一般讲,微分时间常数可在积分时间常数的6分之一到4分之一间选定。
而且,引入微分作用后,积分时间常数可适当减小。
这些参数选定后,再观察过程曲线是否理想。
如不当,可再作相应调整,直到满意为止。
有关PID控制器(硬件PID控制器)的PID参数整定,在互联网上,曾流行这样口诀,现转载介绍如下,供参考!
参数整定找最佳,从小到大顺序查
先是比例后积分,最后再把微分加
曲线振荡很频繁,比例度盘要放大
曲线漂浮绕大湾,比例度盘往小扳
曲线偏离回复慢,积分时间往下降
曲线波动周期长,积分时间再加长
曲线振荡频率快,先把微分降下来
动差大来波动慢。
微分时间应加长
理想曲线两个波,前高后低4比1
一看二调多分析,调节质量不会低
提示:
这里的参数整定值,是普通的PID调节器推荐的。
与PLC的模拟量控制是有区别的,仅供参考。
结语:
过程控制多在连续的生产过程应用它。
实现模拟量控制有效的方法是闭环控制。
有时也可辅以开环。
而闭环控制最有效的算法是PID。
各家PLC以至于同一家PLC但机型不同,所用的指令及其具体参数设定也不完全一样。
所以,对此要注意区别。
过程控制的参数与PLC控制系统的动力学特性有关。
所以,过程控制的程序调试,只能在现场完成与完善。
思考题:
1.模拟量控制的过程是什么样的?
2.模拟量控制输出有那些方法?
3.模拟量控制的目的有那些?
4.模拟量控制的方法有那些?
5.PID控制的优点是什么?
6.PID控制中各参数的作用?
练习题:
1.设计一个用模拟量输入、开关量输出、控制液压油箱的温度控制程序。
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