用PLC的软件实现PID闭环控制Word格式文档下载.docx
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写成递推形式为:
3PID控制程序的编制
数字PID调节器有四个参数需要选择,这四个参数分别是采样周期T、调节器的比例系数kp、调节器的积分时间常数Ti、调节器的微分时间常数Td。
这些参数随不同的控制对象的要求而定。
选择合适的参数使整个系统稳定速度最快,超调量最小。
图2是PID控制程序流程图,采样时间是用PLC定时器来控制,须选用运算速度较快且具有算术运算等功能的PLC。
为提高其抗干扰性能,还可填加数字滤滤处理程序。
4数字滤波程序设计
在模拟量输入通道中,常用一阶低通RC模拟滤波器来削弱干扰,但要设计大时间常数及高精度的RC滤波器,困难相当大,采用惯性滤波法是一种以数字形式实现低通滤波的动态滤波方法。
他能很好地克服上述缺点。
低通滤滤器的传递函数为
从物理意义上讲T远小于Tf,故α≈T/Tf,滤波程序设计原理为:
系统程序中设计初始化Y(n-1)→0,计算α值。
当采样时间到,采集炉温后,设炉温信号为X(n),计算Y(n)=(1-α)Y(n-1)+X(n),并将Y(n)→Y(n-1)为下一次运算作准备同时进入PID运算程序。
5结束语
我们采用ORMON公司的CQM1型小型模块式PLC进行控制,由于其具有定时器中断功能,有较强的算述运算能力,此方法用在燃油锅炉的炉温控制系统中,可由输出控制电动调节阀,取得满意的结果。
前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。
同时,控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。
智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等。
自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。
一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。
控制器的输出经过输出接口、执行机构,加到被控系统上;
控制系统的被控量,经过传感器,变送器,通过输入接口送到控制器。
不同的控制系统,其传感器、变送器、执行机构是不一样的。
比如压力控制系统要采用压力传感器。
电加热控制系统的传感器是温度传感器。
目前,PID控制及其控制器或智能PID控制器(仪表)已经很多,产品已在工程实际中得到了广泛的应用,有各种各样的PID控制器产品,各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器(intelligentregulator),其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。
有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器,能实现PID控制功能的可编程控制器(PLC),还有可实现PID控制的PC系统等等。
可编程控制器(PLC)是利用其闭环控制模块来实现PID控制,而可编程控制器(PLC)可以直接与ControlNet相连,如Rockwell的PLC-5等。
还有可以实现PID控制功能的控制器,如Rockwell的Logix产品系列,它可以直接与ControlNet相连,利用网络来实现其远程控制功能。
1、开环控制系统
开环控制系统(open-loopcontrolsystem)是指被控对象的输出(被控制量)对控制器(controller)的输出没有影响。
在这种控制系统中,不依赖将被控量反送回来以形成任何闭环回路。
2、闭环控制系统
闭环控制系统(closed-loopcontrolsystem)的特点是系统被控对象的输出(被控制量)会反送回来影响控制器的输出,形成一个或多个闭环。
闭环控制系统有正反馈和负反馈,若反馈信号与系统给定值信号相反,则称为负反馈(NegativeFeedback),若极性相同,则称为正反馈,一般闭环控制系统均采用负反馈,又称负反馈控制系统。
闭环控制系统的例子很多。
比如人就是一个具有负反馈的闭环控制系统,眼睛便是传感器,充当反馈,人体系统能通过不断的修正最后作出各种正确的动作。
如果没有眼睛,就没有了反馈回路,也就成了一个开环控制系统。
另例,当一台真正的全自动洗衣机具有能连续检查衣物是否洗净,并在洗净之后能自动切断电源,它就是一个闭环控制系统。
3、阶跃响应
阶跃响应是指将一个阶跃输入(stepfunction)加到系统上时,系统的输出。
稳态误差是指系统的响应进入稳态后,系统的期望输出与实际输出之差。
控制系统的性能可以用稳、准、快三个字来描述。
稳是指系统的稳定性(stability),一个系统要能正常工作,首先必须是稳定的,从阶跃响应上看应该是收敛的;
准是指控制系统的准确性、控制精度,通常用稳态误差来(Steady-stateerror)描述,它表示系统输出稳态值与期望值之差;
快是指控制系统响应的快速性,通常用上升时间来定量描述。
4、PID控制的原理和特点
在工程实际中,应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制,简称PID控制,又称PID调节。
PID控制器问世至今已有近70年历史,它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。
当被控对象的结构和参数不能完全掌握,或得不到精确的数学模型时,控制理论的其它技术难以采用时,系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定,这时应用PID控制技术最为方便。
即当我们不完全了解一个系统和被控对象,或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时,最适合用PID控制技术。
PID控制,实际中也有PI和PD控制。
PID控制器就是根据系统的误差,利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。
比例(P)控制
比例控制是一种最简单的控制方式。
其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。
当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差(Steady-stateerror)。
积分(I)控制
在积分控制中,控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。
对一个自动控制系统,如果在进入稳态后存在稳态误差,则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统(SystemwithSteady-stateError)。
为了消除稳态误差,在控制器中必须引入“积分项”。
积分项对误差取决于时间的积分,随着时间的增加,积分项会增大。
这样,即便误差很小,积分项也会随着时间的增加而加大,它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小,直到等于零。
因此,比例+积分(PI)控制器,可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
微分(D)控制
在微分控制中,控制器的输出与输入误差信号的微分(即误差的变化率)成正比关系。
自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。
其原因是由于存在有较大惯性组件(环节)或有滞后(delay)组件,具有抑制误差的作用,其变化总是落后于误差的变化。
解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”,即在误差接近零时,抑制误差的作用就应该是零。
这就是说,在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的,比例项的作用仅是放大误差的幅值,而目前需要增加的是“微分项”,它能预测误差变化的趋势,这样,具有比例+微分的控制器,就能够提前使抑制误差的控制作用等于零,甚至为负值,从而避免了被控量的严重超调。
所以对有较大惯性或滞后的被控对象,比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。
5、PID控制器的参数整定
PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。
它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。
PID控制器参数整定的方法很多,概括起来有两大类:
一是理论计算整定法。
它主要是依据系统的数学模型,经过理论计算确定控制器参数。
这种方法所得到的计算数据未必可以直接用,还必须通过工程实际进行调整和修改。
二是工程整定方法,它主要依赖工程经验,直接在控制系统的试验中进行,且方法简单、易于掌握,在工程实际中被广泛采用。
PID控制器参数的工程整定方法,主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。
三种方法各有其特点,其共同点都是通过试验,然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。
但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数,都需要在实际运行中进行最后调整与完善。
现在一般采用的是临界比例法。
利用该方法进行PID控制器参数的整定步骤如下:
(1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作;
(2)仅加入比例控制环节,直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡,记下这时的比例放大系数和临界振荡周期;
(3)在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。
在实际调试中,只能先大致设定一个经验值,然后根据调节效果修改。
对于温度系统:
P(%)20--60,I(分)3--10,D(分)0.5--3
对于流量系统:
P(%)40--100,I(分)0.1--1
对于压力系统:
P(%)30--70,I(分)0.4--3
对于液位系统:
P(%)20--80,I(分)1--5
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
PID与自适应PID的区别:
首先弄清楚什么是自适应控制
在生产过程中为了提高产品质量,增加产量,节约原材料,要求生产管理及生产过程始终处于最优工作状态。
因此产生了一种最优控制的方法,这就叫自适应控制。
在这种控制中要求系统能够根据被测参数,环境及原材料的成本的变化而自动对系统进行调节,使系统随时处于最佳状态。
自适应控制包括性能估计(辨别)、决策和修改三个环节。
它是微机控制系统的发展方向。
但由于控制规律难以掌握,所以推广起来尚有一些难以解决的问题。
加入自适应的pid控制就带有了一些智能特点,像生物一样能适应外界条件的变化。
还有自学习系统,就更加智能化了。
FB41不能用自己建立的,必须从左侧窗口添加进去,里面并不是空的,你看一下他的变量表,而且必须给他指定一个OB块,序号随便起。
而且FB41要放在OB30--OB38的其中一个里面,这时你打开你刚才指定的那个OB块,就会看到对应的地址和功能,你要做的就是对这些地址的操作,比如P,I,D,PV,SV,MAN_ON等等,你可以把它下装到PLCSIM当中,可以通过WINCC看到他的实际运行,绝对可行。
PLC编程算法
(1)
PLC中无非就是三大量:
开关量、模拟量、脉冲量。
只在搞清楚三者之间的关系,你就能熟练的掌握PLC了。
1、开关量也称逻辑量,指仅有两个取值,0或1、ON或OFF。
它是最常用的控制,对它进行控制是PLC的优势,也是PLC最基本的应用。
关量控制的目的是,根据开关量的当前输入组合与历史的输入顺序,使PLC产生相应的开关量输出,以使系统能按一定的顺序工作。
所以,有时也称其为顺序控制。
而顺序控制又分为手动、半自动或自动。
而采用的控制原则有分散、集中与混合控制三种。
这是用OMRON的开关量编写的一个“单按钮启停”程序。
2、模拟量是指一些连续变化的物理量,如电压、电流、压力、速度、流量等。
PLC是由继电控制引入微处理技术后发展而来的,可方便及可靠地用于开关量控制。
由于模拟量可转换成数字量,数字量只是多位的开关量,故经转换后的模拟量,PLC也完全可以可靠的进行处理控制。
由于连续的生产过程常有模拟量,所以模拟量控制有时也称过程控制。
模拟量多是非电量,而PLC只能处理数字量、电量。
所有要实现它们之间的转换要有传感器,把模拟量转换成数电量。
如果这一电量不是标准的,还要经过变送器,把非标准的电量变成标准的电信号,如4—20mA、1—5V、0—10V等等。
同时还要有模拟量输入单元(A/D),把这些标准的电信号变换成数字信号;
模拟量输出单元(D/A),以把PLC处理后的数字量变换成模拟量——标准的电信号。
所以标准电信号、数字量之间的转换就要用到各种运算。
这就需要搞清楚模拟量单元的分辨率以及标准的电信号。
例如:
PLC模拟单元的分辨率是1/32767,对应的标准电量是0—10V,所要检测的是温度值0—100℃。
那么0—32767对应0—100℃的温度值。
然后计算出1℃所对应的数字量是327.67。
如果想把温度值精确到0.1℃,把327.67/10即可。
模拟量控制包括:
反馈控制、前馈控制、比例控制、模糊控制等。
这些都是PLC内部数字量的计算过程。
3、脉冲量是其取值总是不断的在0(低电平)和1(高电平)之间交替变化的数字量。
每秒钟脉冲交替变化的次数称为频率。
PLC脉冲量的控制目的主要是位置控制、运动控制、轨迹控制等。
脉冲数在角度控制中的应用。
步进电机驱动器的细分是每圈10000,要求步进电机旋转90度。
那么所要动作的脉冲数值=10000/(360/90)=2500。
PID程序的实现
一般而言,使用PLC进行控制的场合是不需要进行PID编程的,目前PLC中都带有PLC的控制模块,只要对有关的参数进行设置就可以很好的
工作了,可谓是“傻瓜式”的控制,这也大大降低了对开发者的要求。
但在使用工业板卡的场合,遇到需要进行PID控制的工艺时,如果不是采
用组态软件进行开发的话,就必须使用高级语言做出PID的控制程序,这里给出一个最简单的PID控制程序,以对大家有所启发,这里使用的是
PID的增量控制式。
因为程序比较简单,这里不做进一步的解释,需要说明的是,这个程序虽然简单,但却有着使用性,稍作修改就可以用于工
业实际,当然,仍然由进一步修改的余地,比如
进行防积分饱和运算、加入滤波处理等等。
代码如下:
OptionExplicit
DimEK1AsSingle,EK2AsSingle
DimUAsSingle
DimUkAsSingle,Uk1AsSingle,AAsSingle,BAsSingle,CAs
Single,EkAsSingle
DimTiAsInteger,TdAsInteger,KpAsInteger
DimSPAsSingle,PVAsSingle
PrivateSubTimer1_Timer()
Ti=Val(Text1)'
读取积分时间值
Td=Val(Text2)'
读取微分时间值
Kp=Val(Text3)'
读取比例值
SP=Val(Text4)'
设定值
Text5.Text=Slider1.Value
PV=Val(Text5)'
模拟的反馈值
IfTi=0Then
A=Kp*(1+Td)
Else
A=Kp*(1+1/Ti+Td)
EndIf
B=Kp*(1+2*Td)
C=Kp*Td
Ek=SP-PV
Uk=Uk1+A*Ek-B*EK1+C*EK2
IfInt(Uk)<
=0ThenUk=0'
对输出进行调理,实际使用时灵活掌握。
IfInt(Uk)>
1000ThenUk=1000
Uk1=Uk
EK2=EK1
EK1=Ek
Text6.Text=Uk'
输出显示
EndSub
PID控制
当今的自动控制技术都是基于反馈的概念。
反馈理论的要素包括三个部分:
测量、比较和执行。
测量关心的变量,与期望值相比较,用这个误差纠正调节控制系统的响应。
这个理论和应用自动控制的关键是,做出正确的测量和比较后,如何才能更好地纠正系统。
PID(比例-积分-微分)控制器作为最早实用化的控制器已有50多年历史,现在仍然是应用最广泛的工业控制器。
PID控制器简单易懂,使用中不需精确的系统模型等先决条件,因而成为应用最为广泛的控制器。
PID控制器由比例单元(P)、积分单元(I)和微分单元(D)组成。
其输入e(t)与输出u(t)的关系为
u(t)=kp(e((t)+1/TI∫e(t)dt+TD*de(t)/dt)式中积分的上下限分别是0和t
因此它的传递函数为:
G(s)=U(s)/E(s)=kp(1+1/(TI*s)+TD*s)
其中kp为比例系数;
TI为积分时间常数;
TD为微分时间常数
它由于用途广泛、使用灵活,已有系列化产品,使用中只需设定三个参数(Kp,Ti和Td)即可。
在很多情况下,并不一定需要全部三个单元,可以取其中的一到两个单元,但比例控制单元是必不可少的。
首先,PID应用范围广。
虽然很多工业过程是非线性或时变的,但通过对其简化可以变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统,这样PID就可控制了。
其次,PID参数较易整定。
也就是,PID参数Kp,Ti和Td可以根据过程的动态特性及时整定。
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。
第三,PID控制器在实践中也不断的得到改进,下面两个改进的例子。
在工厂,总是能看到许多回路都处于手动状态,原因是很难让过程在“自动”模式下平稳工作。
由于这些不足,采用PID的工业控制系统总是受产品质量、安全、产量和能源浪费等问题的困扰。
PID参数自整定就是为了处理PID参数整定这个问题而产生的。
现在,自动整定或自身整定的PID控制器已是商业单回路控制器和分散控制系统的一个标准。
在一些情况下针对特定的系统设计的PID控制器控制得很好,但它们仍存在一些问题需要解决:
如果自整定要以模型为基础,为了PID参数的重新整定在线寻找和保持好过程模型是较难的。
闭环工作时,要求在过程中插入一个测试信号。
这个方法会引起扰动,所以基于模型的PID参数自整定在工业应用不是太好。
如果自整定是基于控制律的,经常难以把由负载干扰引起的影响和过程动态特性变化引起的影响区分开来,因此受到干扰的影响控制器会产生超调,产生一个不必要的自适应转换。
另外,由于基于控制律的系统没有成熟的稳定性分析方法,参数整定可靠与否存在很多问题。
因此,许多自身整定参数的PID控制器经常工作在自动整定模式而不是连续的自身整定模式。
自动整定通常是指根据开环状态确定的简单过程模型自动计算PID参数。
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,工作地不是太好。
最重要的是,如果PID控制器不能控制复杂过程,无论怎么调参数都没用。
虽然有这些缺点,PID控制器是最简单的有时却是最好的控制器
目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。
智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等。
一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。
不同的控制系统,其传感器、变送器、执行机构是不一样的。
目前,PID控制及其控制器或智能PID控制器(仪表)已经很多,产品已在工程实际中得到了广泛的应用,有各种各样的PID控制器产品,各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器(intelligentregulator),其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。
有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器,能实现PID控制功能的可编程控制器(PLC),还有可实现PID控制的PC系统等等。
1、开环控制系统
开环控制系统(open-loopcontrolsystem)是指被控对象的输出(被控制量)对控制器(controller)的输出没有影响。
2、闭环控制系统
闭环控制系统(closed-loopcontrolsystem)的特点是系统被控对象的输出(被控制量)会反送回来影响控制器的输出,形成一个或多个闭环。
闭环控制系统有正反馈和负反馈,若反馈信号与系统给定值信号相反,则称为负反馈(NegativeFeedback),若极性相同,则称为正反馈,一般闭环控制系统均采用负反馈,又称负反馈控制系统。
闭环控制系统的例子
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