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        工業自控系統的靈魂--PLC和PID

        作者: 時間:2016-12-13 來源:網絡 收藏
        工業自動化水平已成為衡量各行各業現代化水平的一個重要標志。同時,控制理論的發展也經歷了古典控制理論,現代控制理論和智能控制理論三個段。自動控制系統可分為開環控制系統和閉環控制系統。一個控制系統包括控制器﹑傳感器、變送器、執行機構、輸入輸出接口。控制器的輸出經過輸出接口、執行機構,加到被控系統上;控制系統的被控量,經過傳感器,變送器,通過輸入接口送到控制器。

        不同的控制系統,其傳感器、變送器、執行機構是不一樣的。比如壓力控制就要用到壓力傳感器。
        電加熱控制系統的傳感器是溫度傳感器。目前,PID控制及其控制器或智能PID控制儀(智能儀表)已經很多,產品已在工程實際中得到了廣泛的應用,有各種各樣的PID控制器產品,各大公司均開發了具有PID參數自整定功能的智能調節器,其中PID控制器參數的自動調整是通過智能化調整或自校正、自適應算法來實現。有利用PID控制實現的壓力、溫度、流量、液位控制器,能實現PID控制功能的可編程序控制器PLC),還有可實現PID控制的PC系統等等。可編程控制器(PLC)是利用其閉環控制模塊來實現PID控制,而可編程控制器(PLC)可以直接與PLC信號模塊、數字量輸入/輸出模塊、仿真模塊、占位模塊、模擬量輸入/輸出模塊等相連,還可以利用網絡實現其遠程控制功能。
        1.開環控制系統
        開環控制系統是指被控對象的輸出(被控制量)對控制器的輸出沒有影響。在這種控制系統中,不依賴將被控量反送回來以形成任何閉環回路。
        2.PID控制原理和特點
        在工程實際中,應用最為廣泛的調節器控制規律為比例、積分、微分控制,簡稱PID控制,又稱PID調節。PID控制器問世至今已有近70年歷史,它以其結構簡單、穩定性好、工作可靠、調整方便而成為工業控制的主要技術之一。當被控對象的結構和參數不能完全掌握,或得不到精確的數學模型時,控制理論的其它技術難以采用時,系統控制器的結構和參數必須依靠經驗和現場調試來確定,這時應用PID控制技術最為方便。即當我們不完全了解一個系統和被控對象﹐或不能通過有效的測量手段來獲得系統參數時,最適合用PID控制技術。PID控制,實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據系統的誤差,利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。
        3. 階躍響應
        階躍響應是指將一個階躍輸入加到系統上時,系統的輸出。穩態誤差是指系統的響應進入穩態后﹐系統的期望輸出與實際輸出之差。控制系統的性能可以用穩、準、快三個字來描述。穩是指系統的穩定性,一個系統要能正常工作,首先必須是穩定,電氣參數不能出現抖動、漂移。準是指控制系統的準確性、控制精度,通常用穩態誤差來描述,它表示系統輸出穩態值與期望值之差,快是指控制系統響應的快速性,通常用上升時間來定量描述。
        4.閉環控制系統
        閉環控制系統的特點是系統被控對象的輸出(被控制量)會反送回來影響控制器的輸出,形成一個或多個閉環。閉環控制系統有正反饋和負反饋,若反饋信號與系統給定值信號相反,則稱為負反饋,若極性相同,則稱為正反饋,一般閉環控制系統均采用負反饋,又稱負反饋控制系統。閉環控制系統的例子很多。比如人就是一個具有負反饋的閉環控制系統,眼睛便是傳感器,充當反饋,人體系統能通過不斷的修正最后作出各種正確的動作。如果沒有眼睛,就沒有了反饋回路,也就成了一個開環控制系統。另例,當一臺真正的全智能自動洗衣機具有能連續檢查衣物是否洗凈,并在洗凈之后能自動切斷電源,它就是一個閉環控制系統。
          (1)比例(P)控制
          比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系。當僅有比例控制時系統輸出存在穩態誤差。
          (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的積分成正比關系。對一個自動控制系統,如果在進入穩態后存在穩態誤差,則稱這個控制系統是有穩態誤差的或簡稱有差系統)。為了消除穩態誤差,在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分,隨著時間的增加,積分項會增大。這樣,即便誤差很小,積分項也會隨著時間的增加而加大,它推動控制器的輸出增大使穩態誤差進一步減小,直到等于零。因此,比例+積分(PI)控制器,可以使系統在進入穩態后無穩態誤差。
          (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的微分(即誤差的變化率)成正比關系。
        自動控制系統在克服誤差的調節過程中可能會出現振蕩甚至失穩。其原因是由于存在有較大慣性組件(環節)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,抑制誤差的作用就應該是零。這就是說,在控制器中僅引入 “比例”項往往是不夠的,比例項的作用僅是放大誤差的幅值,而目前需要增加的是“微分項”,它能預測誤差變化的趨勢,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,甚至為負值,從而避免了被控量的嚴重超調。所以對有較大慣性或滯后的被控對象,比例+微分(PD)控制器能改善系統在調節過程中的動態特性。
        5.  PID控制器的參數整定:
        PID控制器的參數整定是控制系統設計的核心內容。它是根據被控過程的特性確定PID控制器的比例系數、積分時間和微分時間的大小。PID控制器參數整定的方法很多,概括起來有兩大類:一是理論計算整定法。它主要是依據系統的數學模型,經過理論計算確定控制器參數。這種方法所得到的計算數據未必可以直接用,還必須通過工程實際進行調整和修改。二是工程整定方法,它主要依賴工程經驗,直接在控制系統的試驗中進行,方法簡單、易于掌握,在工程實際中被廣泛采用。
        6.PID控制器參數整定:
          (1)首先預選擇一個足夠短的采樣周期讓系統工作;
          (2)僅加入比例控制環節,直到系統對輸入的階躍響應出現臨界振蕩,記下這時的比例放大系數和臨界振蕩周期;
          (3)在一定的控制度下通過公式計算得到PID控制器的參數。
          比例積分微分調節器的簡稱。利用比例微分環節的領前作用來對消調節對象中的大慣性,提高精度,加快動態響應速度。

        本文引用地址:http://www.104case.com/article/201612/329568.htm


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