PLC教程理论篇之PLC用于过程控制三

PLC教程理论篇之PLC用于过程控制三一、控制目的一是，使系统的某个量保持恒值，即，要求可控系统在受到扰动时，其调节量仍能保持在设定值附近，基本上不变。这种控制称为镇定控制，或称自动调节。二是，使系统的状态按预先给定的方式随时间，或按预定的程序变化，这种控制称为程序控制。三是，使系统的状态按外来信号的变化而变化，这种控制称为随动控制。随动控制在实施控制以前不知道控制程序所需要的全部信息，但可以在控制系统运行期间获得这些必要的信息。四是，使控制系统在满足一组约束条件下，目标函数值取极大值或极小值，即使系统的某一参数达到最优值，这种控制称为最优控制。五是，使系统适应内外环境的变化，始终处于最有利的状态下运行，这种控制称为自适应控制。适应控制往往需要一个学习和记忆的过程，通常采用搜索法来选择系统最有利的运行状态。六是，使系统在对抗中取胜。在军事、经济、生态等系统中存在着竞争现象。这种系统往往出现两个受控部分的交互作用。在实施控制时要考虑对方的反作用。因而控制策略由两部分组成：①要对竞争中出现的情况迅速作出反应。②采用最优策略使系统在对方施加最不利的影响时也能处于尽可能好的地位。虽然以上介绍了模拟量控制的六种目的，但最基本的、最常用的只是自动调节。在自动调节的基础上，如设定值是随时间按要求变化的，则变为程序控制系统；如设定值是本系统外的物理量随机确定的，则变为随动控制系统；如这些系统的控制规律、或控制参数可变的，并追求在满足一组约束条件下，目标函数值取极大值或极小值，则可能变为最优控制系统，或自适应控制。由于PLC是基于计算机技术的控制器，有很强的数字处理与逻辑处理功能，所以，只要有合适的算法，一般讲以上讲的多数控制总是可以实现的。只是算法设计得有相应的自控知识，所以，模拟量控制程序设计，与其说是取决于设计者对PLC的了解，不如说是取决于设计者对自控知识的掌握；它的难点，似乎不在于PLC程序本身，而在于要很好地运用好有关自控知识。二、控制方法一是，单回路反馈控制。它只有一个控制回路，是闭环的。具体有：ON/OFF控制，最简单。其办法是，把检测到的模拟量的实际值与设定值进行比较，当实际值超过时定值到某界限时，其执行回路ON（或OFF）；而低过某界限时，执行回路OFF（或ON）。也可检测及处理实际值与设定值的偏差，并根据此调节控制输出ON与OFF的时间比例，以实现控制。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。等等。三、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。a–OMRONPLCb–西门子PLCc–三菱PLC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。图c用的也是16进制数。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。a–OMRONPLCb–西门子PLCc–三菱PLC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。a–OMRONPLCb–西门子PLCc–三菱PLC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。a–OMRONPLCb–西门子PLCc–三菱PLC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。a–OMRONPLCb–西门子PLCc–三菱PLC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。提示1：离散系统闭环控制振荡有两种原因：静态原因及动态原因。提示2：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