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微机控制实验指导书
《微机控制技术》
实验指导书
上海交通大学
电气工程实验中心
2014年3月
基于TWIDOPLC的温度控制实验
一、实验目的:
1、熟悉PLC实验装置,TWIDO系列编程控制器以及拓展模块的外部接线方法
2、了解编程软件TWIDOSOFT的编程环境,软件的使用方法
3、了解PID温度控制技术
4、掌握施耐德PLC的PID模块使用方法
二、实验设备:
1、施耐德TWDLCAE40DRF
2、A/DD/A模块TWDAMM3HT
3、温度控制箱
三、实验原理:
1、硬件简介
施耐德的TWDLCAE40DRF是一体型40I/O控制器,具有24个数字量输入,14个继电器和2个晶体管输出;具有2个模拟电位器输入;具有1个集成的串行口;具有一个支持附加串行口的插槽;内置实时时钟RTC;具有一个装有用户可更换电池的电池盒;最多连接7个扩展I/O模块;最多连接2个AS-InterfaceV2总线接口。
该产品自带以太网接口,通过内置的RJ45口,利用TCP/IP协议的100Base-TX自适应以太网通信。
额定电源电压:
100-240VAC。
通过USB或者COM与计算机连接。
图1TWDLCAE40DRF
TWDAMM3HT作为拓展模块,它具有2输入1输出;信号范围:
0-10V或4-20mA。
其作用就是将温度传感器产生的0-10V的电压模拟信号转换为PLC能够处理的数字信号,并将PLC产生的数字信号转换为模拟量来驱动外电路。
模拟量I/O模块TWDAMM3HT可以线性地将0-10V的模拟信号转换成0-4095之间的数字信号。
PLC产生的0-4095的数字信号同样可以线性地转换成0-10V的模拟信号。
由于运用了该拓展模块,使得温度控制系统结构上小巧紧凑,达到更加经济、简洁的系统设计效果。
图2TWDAMM3HT
2、控制对象的数学模型
控制对象的数学模型不同,控制方案的具体程序和公式也有所区别。
电阻丝是利用电能转换为热能的一个装置,流入电阻丝的热量Q与其温升的关系为:
(1)
其中C为物体的热容量,即要使物体的温度上升一度所需的热量(卡),
为物体的温度;Q为流入物体的热量(卡)。
电阻丝加热的同时还要向外散发热量,所以加热元件发出的热量Q应该等于电阻丝中的热量Q1和电阻丝散掉的热量Qo之和。
故上式应为
(2)
由于散发的热量Qo与温度高低成正比,若令
(3)
其中R为比例系数,称为电阻丝的热阻。
因此
(4)
两边取拉氏变换得:
(5)
由于测量元件会存在一定时间的滞后,使得控制信号与温度测量值之间存在着一个时滞环节τ。
控制器输出的控制信号为U,而U(s)与Q(s)的关系又是成正比例,即
(6)
而温度控制箱的输出信号即是温度信号所以
(7)
那么
(8)
其中,T=R*C,称为对象的时间常数,K=Km*R,称为对象的增益。
3、PID控制算法
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。
所以虽然PID控制器产生于19世纪初,但今天仍被广泛应用于化工、冶金、电力、机械等工业过程控制中。
目前全世界大约有90%的过程控制仍在使用PID控制器及其改进型来完成反馈回路的控制。
基于上述内容,本系统采用PID算法。
PID控制的全称叫做比例积分微分控制,是由比例控制、积分控制和微分控制三种控制组合而成的组合控制方式。
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。
比例控制——P
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)。
积分控制——I
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。
微分控制——D
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。
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。
由于计算机控制是一种采样控制,它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量,因而规律中积分和微分项不能直接准确计算,只能用数值计算的方法逼近,其控制规律为
(9)
式中:
e(t)——调节器输入函数,即给定量与反馈量的偏差;
U(t)——调节器输出函数
Kp——比例常数;
Ti——积分时间常数;
Td——微分时间常数;
U0——控制常量,t=0时的输出值。
基本偏差e(t)表示当前测量值与设定目标间的差,设定目标是被减数,结果可以是正或负,正数表示还没有达到,负数表示已经超过了设定值。
这是面向比例项用的变动数据。
表示的调节器的输入函数和输出函数均为模拟量。
为了用计算机对它进行计算,可以把连续形式微分方程转换位离散形式的差分方程。
(10)
累计偏差
(11)
这是我们每一次测量到的偏差值的综合,考虑到他的正负号运算,这是面向积分项的一个变动数据。
基本偏差的相对偏差
(12)
用本次的基本偏差减去上一次的基本偏差,用于考察当前控制对象的趋势,作为快速反应的重要依据,这是面向微分项的一个变动数据。
取T为采样周期,k为采样序号,k=0,1,2,3,……,i,……,k。
因为采样周期T相对于信号变化周期是很小的,所以可以用矩形法来计算积分,用后向差分来代替微分,即
(13)
这样式
(1)就可以写成
(14)
式中:
U(k)—采样时刻k的输出值
e(k)—采样时刻k的偏差值
e(k-1)—采样时刻k-1的偏差值
式(2-16)中的输出量为全量输出。
它对应于被控制对象的执行机构每次采样时应达到的位置。
因此,式(2-16)也是PID控制规律的离散化形式。
称为位置型PID控制算式。
另有增量型PID控制算式[37]。
增量算法就是相对于标准算法的相邻两次运算之差,得到的结果是增量,也就是说在上一次的控制量的基础上需要增加(负值意味着减少)的空置量。
在温度控制中就是需要增加(或减少)的加热比例。
在增量型中,输出是执行机构的增量△u。
,即
(15)
式中,K1为PID控制算式的积分系数
(16)
KD为PID控制算式的微分系数
(17)
3、PID参数整定
经验试凑法在现场控制系统整定工作中,经验丰富的调试人员常采用经验整定法,它不需要进行试验和计算,而是根据运行情况,先确定一组调节器参数,并将系统投入运行,然后人为加入阶跃扰动,观察被调量或调节器输出的阶跃响应曲线,并依照调节器各参数对调节过程的影响,改变相应的整定参数值,一般先比例后积分,再微分,反复试验,直到获得满意的阶跃响应曲线为止。
表1经验法调节器参数经验数据
被控对象\整定参数
Kp
Ti/min
TD/min
温度
20~60
0.1~3
0.5~3
压力
1.4~3.5
0.4~3
-
流量
1~2.5
0.1~1
-
液位
1.25~5
-
-
四、实验步骤:
1、硬件部分
将TWDAMM3HT的out口的正负端与温度控制箱的UIN的正负端相连,将TWDAMM3HT的IN0的正负端与温度控制箱的Uout的正负端相连。
同时将PLC输出的24V直流电压用两导线连接至TWDAMM3HT模块的供电端,综上所述,此实验的硬件接线为6条导线。
2、软件部分
在进行温度控制系统的设计中,第一步是要得到控制对象的数学模型。
我们可以采用阶跃响应曲线法,利用PID的手动模式得到。
随后,进行PID参数调节,按照经验法逐步调节,直到得到满意的阶跃响应曲线为止。
具体过程如下
(1)运行TwidoSoft软件,新建一个文件,单击确定
图1功能级别管理
可以看到如下窗口
图2TwidoSoftⅠ
(2)右键TWDL**DRF,选择更改控制器类型,选择TWDLCAE40DRF
(3)右键拓展总线,选择添加模块,双击TWDAMM3HT,选择完成
(4)右击TWDAMM3HT,选择配置
图3TwidoSoftⅡ
(5)起用%IW1.0,在类型处,选择0-10V
(注意:
究竟是启用%IW1.0还是启用%IW1.1,得具体看你的硬件接线,如果接线选择的是TWDAMM3HT模块的IN0则选择%IW1.0,如果接线选择是IN1,则选择%IW1.1)
起用%QW1.0,在类型处,选择0-10V
图4TWDAMM3HT配置
(6)配置编辑器上,选择
(7)单击控制器,选择连接方式,在设备管理器中查看通讯口是哪个后,再勾选相应的选项。
(8)右键PID,选择配置
图5PID工作模式选择
(9)配置框前打勾,选择PID工作模式
(10)单击“输入”标签,在测量值处写入%IW1.0(或%IW1.1)。
%IW1.0与%IW1.1是TWDAMM3HT的输入口地址,从中取得的值是温度传感器经过A/D变换后的数据。
图6测量值设定
(11)单击PID标签,在设定点处输入%MW0,Kp中写入%MW10,Ti中写入%MW11,TD中写入%MW12(%MW0~%MW2999为PLC内部字地址)
图7PID参数设定
(12)单击输出标签。
启用手动模式。
在手动一栏中选择“启用”,在“输出”中写入%MW13。
在输出模拟中写入%QW1.0。
%QW1.0是TWDAMM3HT的输出口地址,从中输出的值将会是经过D/A变换后的模拟量。
说明:
启用手动模式意味着放弃了PID调节方式,而是人为的在控制输出。
手动模式启用后,需要在梯形图程序或动态数据表中对%MW13赋值,此数值是反应的是输出脉冲的平均电压值且该值最大为4096(对应的电压为10V),例如该值设定为3000,则意味着输出脉冲的平均电压为10×3000/4095V。
该模式的启用可以尽快的将温箱的温度提升至最高,对判断温箱的数学模型有一定的指导意义。
建议设置限制选项为启用,并填入恰当的最大值和最小值,在本实验室中,最大值不能超过4095,最小值一般取1或者你所需要的数值.
实际在进行PID调节时,将手动模式选择为无效,设定为此模式才会进入反馈控制环节。
其余设置如下图所示。
图8输出设定
(13)单击确定后,将可以见到下面的配置表。
图9PID配置表
(14)参数赋值。
经过以上步骤,PID的各项参数均已经设定好了对应的寄存器地址。
%MW0对应设定值,%MW10~%MW12对应PID参数,%MW13对应人为设定的输出值,此值只反应当前输出的平均电压值。
将下一步就是给寄存器赋值。
有两种方法,第一种是梯形图中直接赋值,另一种可以利用动态数据表。
(Ⅰ)梯形图赋值
图10梯形图
赋值语句的写法是%MW0:
=参数值。
最后一行梯形图表示的是启动PID0(PID与0之间有一个空格)。
由于程序是采取逐行扫描的模式,所以PID的启动需要放在最后一行,切不可颠倒次序。
(Ⅱ)动态数据表赋值
右键动态数据表,选择“新建”在地址栏内输入%MW0,%MW10,%MW11,%MW12,%MW13并写入它们的暂存值。
%MW10,%MW11,%MW12的数值根据经验公式输入。
如图11所示。
此时的数值并没有真正赋给寄存器,还只是在PC上。
需要连接了PLC之后才可以写入数值。
该方法的优点是可以在不断开PLC的情况下修改参数值,做到实时控制。
但此方法仍需要在梯形图中编写一段启动程序,即启动PID0,编写方式如上文所述。
图11动态数据表
连接了PLC之后,首先单击切换动态显示图标
,再单击写入暂存值图标
,完成参数赋值。
在梯形图中启动PID。
图12启动PID
(15)启动PLC
下面就是需要将程序写入PLC。
单击菜单栏中的“控制器”,在“选择连接”中选中“USB”。
随后单击控制器中的“连接”,选择PC——〉控制器。
若是采用动态数据表的方式,在这一步之后就可以按照4.3
(2)中的步骤,将参数值写入寄存器。
单击“运行”。
此时PLC开始工作,若要观察趋势图,只需右键PID配置,单击“趋势图”即可。
此时可以看到的图像如下:
63%
T
图13阶跃响应曲线
根据自控理论得出式(8)中的K,T,τ的数值,得到控制对象的数学模型
(16)关闭手动模式,启用PID控制。
断开控制器,进入PID配置,在“输出”标签下,将手动模式一栏设为无效。
然后连接控制器,启动PLC。
如果得到的阶跃响应图像没能达到预期,改变%MW10,%MW11,%MW12的参数,再次运行系统,直到得到满意的图像。
五、实验结果记录:
1、得出控制对象的数学模型
2、得出PID的三个参数KP、Ti、TD
注意:
在施耐德PLC中,KP是乘以0.01的数值,Ti、TD的计量单位为0.1s
所以结合前文提出的温度PID控制的三参数经验值,我们建议在编写程序时,比例系数在2000-6000之间选择,积分系数在10-100之间选择,微分系数在300-1800之间选择。
在实际实验中,温度设定为3000时,实际温度差不在73-74度左右,设定为2000时,实际温度在49度左右,所以建议实验中,人为设定温度为2000为宜,不然太浪费时间。
3、分析PID控制效果。
动态指标:
超调量、上升时间t1、稳定时间t2,稳态指标:
温度控制范围、稳态误差
六、思考题:
1、实际温度与PLC中测量值的对应关系是什么?
2、如何用施耐德PLC实现PID模糊控制?
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