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。