陳忠訓(xùn)
【摘要】可編程序控制器(PLC)在控制領(lǐng)域具有強(qiáng)大的功能,為了充分發(fā)揮PLC的功能,相應(yīng)的編程軟件也在不斷地改進(jìn),本文在闡述西門(mén)子編程軟件STEP7功能模塊在密度控制中自動(dòng)加水,調(diào)節(jié)密度的應(yīng)用時(shí)間,著重量介紹了PID參數(shù)的作用及常用方法。
【關(guān)鍵詞】PID連續(xù)控制器;密度控制系統(tǒng)
一、引言
自動(dòng)控制理論與實(shí)踐的發(fā)展,為人們?cè)O(shè)計(jì)自動(dòng)化程度高的系統(tǒng)提供了很好的方法,自動(dòng)控制,就是指在沒(méi)人直接參與的情況下,利用外加的設(shè)備(控制器)操作被控制對(duì)象(電機(jī)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)或生產(chǎn)過(guò)程)的某個(gè)狀態(tài)或參數(shù)(控制量),使其按控制器預(yù)先設(shè)定的控制量規(guī)律的自動(dòng)運(yùn)行。從而提高設(shè)備的運(yùn)行性能、改善工作效率。
密度控制是重介選煤的核心部分,密度控制的好壞,直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量,介耗的大小,系統(tǒng)工藝的穩(wěn)定,進(jìn)而影響選煤生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益??浊f煤礦選煤廠密度控制系統(tǒng)為2003年重介工藝改造建立的控制系統(tǒng),主要完成重介洗煤的密度調(diào)節(jié),系統(tǒng)采用單片機(jī),利用A/D轉(zhuǎn)換技術(shù),完成密度控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與控制。數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換精度不高,密度控制波動(dòng)較大,造成產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性較差,介耗高,生產(chǎn)系統(tǒng)經(jīng)常性混亂,給重介系統(tǒng)帶來(lái)很大的壓力。另外密度控制系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立,與生產(chǎn)集中控制系統(tǒng)沒(méi)有構(gòu)成網(wǎng)絡(luò),形成了脫節(jié),造成生產(chǎn)滯后。
圖1 PID連續(xù)控制
為改善密度控制系統(tǒng)對(duì)洗煤生產(chǎn)造成的影響,我廠從根本上修改了原有的控制方式,推倒重來(lái),首先在硬件上增加了一個(gè)ET200西門(mén)子I/O分站,接入現(xiàn)場(chǎng)所有的開(kāi)關(guān)量信號(hào)、模擬量信號(hào),利用總線技術(shù)與原有的S7-300 315DP連接,從而與原有控制系統(tǒng)形成一體。其次在控制方式上,考慮到密度控制中控制加水閥門(mén)開(kāi)度大小來(lái)完成測(cè)量密度值與設(shè)定密度值的跟蹤,從而控制重介生產(chǎn)密度在一個(gè)有效的范圍內(nèi)保持相對(duì)穩(wěn)定,保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定。因此,控制方式要求要有快速度性與穩(wěn)定性,所以,我們采取PID控制方式來(lái)實(shí)現(xiàn)控制。
二、PID控制原理及FB41功能模塊的參數(shù)設(shè)定
PID控制的產(chǎn)品已在工程實(shí)際中得到廣泛的應(yīng)用,它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握,或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí),控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí),系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定,這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。PID控制器參數(shù)的自動(dòng)調(diào)節(jié),是通過(guò)智能化調(diào)整或自校正、自適應(yīng)算法來(lái)實(shí)現(xiàn),它通過(guò)調(diào)整比例、積分、微分三項(xiàng)參數(shù),使得大多數(shù)的工業(yè)控制系統(tǒng),如壓力、溫度、流量、液位都獲得良好閉環(huán)控制;本次密度控制系統(tǒng)的改造,要實(shí)現(xiàn)測(cè)量密度值與設(shè)定密度值的實(shí)時(shí)跟蹤,快速度有效的控制加水閥門(mén)的開(kāi)關(guān),在軟件上選用了STEP7編程軟件,利用其自身的FB41(PID連續(xù)控制,如圖1所示)功能模塊做為調(diào)節(jié)器。
1.PID調(diào)節(jié)器的作用
首先我們了解PID中各個(gè)單元的用途,經(jīng)確定控制中所用哪種組合。
①比例(P)控制
比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。
②積分(I)控制
在積分控制中,控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng),如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差,則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱有差系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差,在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分,隨著時(shí)間的增加,積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣,即便誤差很小,積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大,它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小,直到等于零。因此,比例+積分(PI)控制器,可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。
③微分(D)控制
在微分控制中,控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分(即誤差的變化率)成正比關(guān)系。自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件(環(huán)節(jié))或有滯后組件,具有抑制誤差的作用,其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”,即在誤差接近零時(shí),抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說(shuō),在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠的,比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值,而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”,它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì),這樣,具有比例+微分的控制器,就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零,甚至為負(fù)值,從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象,比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。因此在PID的實(shí)際控制中根據(jù)控制要求經(jīng)常不同的組合(PI、PD、PID)來(lái)滿足控制速度及精度要求。圖2曲線所表示的為不同組合下的控制系統(tǒng)的響應(yīng)。
圖2 不同組合下的控制系統(tǒng)的響應(yīng)
2.FB41實(shí)現(xiàn)PID控制的參數(shù)及定義
西門(mén)子PLC(s7-300系列)的FB41功能模塊稱為連續(xù)控制的PID,主要用于控制連續(xù)變化的模擬量。利用FB41功能模塊可較好的實(shí)現(xiàn)密度PID控制。
1)FB41功能塊
在設(shè)計(jì)要求中,F(xiàn)B41功能模塊要在OB35模塊中調(diào)入使用,要求FB41要在OB35中周期調(diào)用且OB35的周期要與FB41采樣周期一致,在其實(shí)設(shè)計(jì)中,我們要求,PID的調(diào)節(jié)節(jié)奏應(yīng)該與其采樣周期一致,也就是說(shuō),PID的調(diào)節(jié)周期應(yīng)與現(xiàn)場(chǎng)模擬量的采集頻率相同,這樣有利于PID控制的同步性,因此在設(shè)計(jì)中,采用了主功能調(diào)用現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集模塊,在數(shù)據(jù)采集模塊中再調(diào)用FB41的數(shù)據(jù)塊,此時(shí),OB1參數(shù)區(qū)中掃描周期作為FB41的采樣周期。FB41參數(shù)的設(shè)置很靈活,我們?cè)赪ICC上位機(jī)界面上增加了輸入輸出域,主要參設(shè)定由調(diào)度人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)定,結(jié)果直接存入相應(yīng)背景數(shù)據(jù)塊,F(xiàn)B41調(diào)用時(shí)無(wú)須再賦值。
2)FB41的主要參數(shù)
如圖3所示。COM_RST:BOOL:重新啟動(dòng)PID:當(dāng)該位TURE時(shí):PID執(zhí)行重啟動(dòng)功能,復(fù)位PID內(nèi)部參數(shù)到默認(rèn)值;通常在系統(tǒng)重啟動(dòng)時(shí)執(zhí)行一個(gè)掃描周期,或在PID進(jìn)入飽和狀態(tài)需要退出時(shí)用這個(gè)位;
MAN_ON:BOOL:手動(dòng)值ON;當(dāng)該位為T(mén)URE時(shí),PID功能塊直接將MAN的值輸出到LMN,這可以在PID框圖中看到;也就是說(shuō),這個(gè)位是PID的手動(dòng)/自動(dòng)切換位;
CYCLE:TIME:PID采樣周期,一般設(shè)為200MS;
SP_INT:REAL:PID的給定值;
PV_IN:REAL:PID的反饋值(也稱過(guò)程變量);
MAN:REAL:手動(dòng)值,由MAN-ON選擇有效;
GAIN:REAL:比例增益;
TI:TIME:積分時(shí)間;
TD:TIME:微分時(shí)間;
DEADB_W:REAL:死區(qū)寬度;
LMN_HLM:REAL:PID上極限,一般是100%;
LMN_LLM:REAL:PID下極限;一般為0%;
DISV:REAL:允許的擾動(dòng)量,前饋控制加入。
LMN:REAL:PID輸出;
圖3 背景數(shù)據(jù)
三、PID控制參數(shù)的整定方法
如何來(lái)設(shè)定PID控制的參數(shù),使PID控制在合理有效的范圍內(nèi),其方法不外呼以下幾種,1)穩(wěn)定邊界法;2)衰減曲線法;3)經(jīng)驗(yàn)湊試法。其中1,2二種需要理論依據(jù)下來(lái)確定PID參數(shù),當(dāng)然也是最理想的方法,但是在實(shí)際的應(yīng)用中,更多的是通過(guò)湊試法來(lái)確定PID的參數(shù)。
經(jīng)驗(yàn)湊試法一般步驟是:確定比例增益P,首先我們先去掉TI與TD來(lái)項(xiàng),把他設(shè)為0,使PID為純比例調(diào)節(jié)(正比或反比)。由0逐漸加大比例增益(GAIN)直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩,確定一數(shù)值KC1,反過(guò)來(lái)從系統(tǒng)允許的最大值向0調(diào)整,直至振蕩消失,確定一數(shù)值KC2,重復(fù)多次,直到KC1≈KC2,最終確定KC值。確定好KC值后,Ti與TD值也按同樣的方法可獲得。
但在實(shí)際密度控制中,由于設(shè)計(jì)了手動(dòng)功能,當(dāng)手動(dòng)調(diào)節(jié)密度達(dá)到或接近設(shè)定密度時(shí),整個(gè)重介系統(tǒng)中的密度基本上已經(jīng)趨向穩(wěn)定,這時(shí)再采用自動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí),GAIN比例增益無(wú)需較大的比例,積分時(shí)間與微分時(shí)間對(duì)密度的控制的精度也無(wú)太大的作用。
因此在實(shí)際的應(yīng)用中GAIN值設(shè)定為-3(反向增益),TI:積分時(shí)間為0,TD:微分時(shí)間為0,DEADB_W:REAL:死區(qū)寬度設(shè)定為0.02(減小系統(tǒng)抖動(dòng))。圖4為密度控制主要控制指標(biāo)及PID參數(shù)設(shè)定。
圖4 主要控制指標(biāo)及PID參數(shù)設(shè)定
四、結(jié)束語(yǔ)
本文闡述了step7的FB41在重介密度控制系統(tǒng)的應(yīng)用,并講述了采用經(jīng)驗(yàn)湊試法對(duì)PID控制參數(shù)的確定以及在編程軟件的使用方法。
圖5 現(xiàn)有的密度控制響應(yīng)與穩(wěn)定曲線(a)
圖6 現(xiàn)有的密度控制響應(yīng)與穩(wěn)定曲線(b)
圖5、圖6為現(xiàn)有的密度控制響應(yīng)與穩(wěn)定曲線,無(wú)論在實(shí)踐使用過(guò)程中,還是從圖表中的反映上來(lái)看,控制效果比較明顯,在控制系統(tǒng)的響應(yīng)上,密度跟蹤與保持上,都非常速度、穩(wěn)定、有效。完全滿足生產(chǎn)對(duì)控制上的要求。此方法值得推廣。