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PLC控制器的控制算法詳解

發布時間:2020-03-16人氣:163

  大多數PLC中都有為閉環控制算法的專用指令,即PID指令。它是唯一一條直接用于過程控制的指令。它看起來不算復雜,但是用起來的效果卻常常不盡善盡美。為了分析疑問,但又不借助太多的數學,我們通過一個十分簡單而又最直觀的具體例子,花較多的篇幅來介紹怎樣用PLC控制器實現有效地控制。

    在此之前,需注意以下事項。

    (1) PID控制是一種從反饋控制的理念出發,原本由模擬器件實施的,一種僅限于單進單出對象的控制技巧。因為可以在對被控對象的特性知之甚少的條件下使用,因而適應性較廣,使用方便,不失為一種通用的閉環控制技巧。但是,除非對象的特性(其中主要是它的線性和動靜特性)較簡單,否則控制的效果欠佳。

    (2)它的3個控制參數,即放大系數Kp、積分時間Ti和微分時間Td的選用,固然在表面上他們有明白的單干,但是現實上又互相攪擾,所以正確設置很不容易,需求細心調試和經驗的積累。

    同時又因為對控制效果的要求,并非惟有一個統一的尺度。例如有的有望能用較強力的手段(控制參數),而且可以容忍被控參數有較大的顛簸,但是要求能盡快地趨于穩定。反之,有的有望能用較平易的手段,可以容忍被控參數逐步地趨于穩定,但是要求它盡可能地沒有明顯的顛簸。有的系統對被控參數的最終精度(余差)有一定要求,有的則要求不高。總之,應對不同的要求,應該使用不同的控制參數。普通都有一個不小的變更局限,并非有一個組唯一的最好參數。

    (3)原本由模擬器件進行的PID算法,現在改由PLC來實現數字離散算法。在表面上可以證實,其效果PLC決不會超過前者,而且還必須開始確定一個多出來的參數——采樣時間。常使用戶難以下手。

    我們僅從最根基的道理出發,大致預計一下采樣時間。反饋控制系統的根基頭腦是按照反饋回歸的偏差進行調整。也即是說,若反饋來的偏差沒有變更,我們的控制也暫時不必改變。否則是沒有憑據的,盲目的,效果也是值得懷疑的。辣么是什么原因使偏差沒有變更呢?我們先說一種最好的情況,即是系統已經穩定了。已經在當前的條件下實現了控制目標。也許并不美滿(有余差),但是它盡力了。其次是被控制對象有明顯的純滯后,即前次調控的效果,尚來不及闡揚出來。所以我們就可以將這純滯后時間作為采樣時間。最后一種情況是,該系統中使用的測量通道有限的分辯力(或因模擬測量系統靈敏度的限制,或A/D轉換器的位數有限,而使數據沒有變。)使得讀入的數字沒有變。所以我們可以憑據預算出的或實測的最小“不變時間”作為參考,來初步決意采樣時間。再考慮到為保全燈號的采樣定律,可將“不變時間”之半設定為采樣周期的下限。不要盲目地認為采樣周期越小,控制效果越好,而浪費系統資源。

    采樣時間根基定下之后,普通可以用定時中斷的技巧來實現控制周期。若應用程序執行時,掃描時間變更不大,最好將PLC的掃描時間設為定值模式。采樣時間設定為PLC掃描時間的整數倍。用計數的辦法來決意采樣時間。

    (4)設定放大系數Kp是當采樣時間Ts決意之后,必須設定的第二個重要參數。也是可能令初學者宛若無從下手的事情。固然在有關“控制道理”的種種書籍中,對于怎樣設定放大系數Kp有許多精密的論證、計較、仿真和工程技巧。但是我們現在的情況明顯地不同于普通通用條件下的研究。現在面對的是一個已經正確設計好的,工藝要求已經十分明白的,硬件配置完整的PLC控制系統。有許多參數及條件是我們已知的,應該加以行使。下面艾特貿易小編介紹一種具備現場可操縱性的、十分簡單的入門技巧,僅供參考。

    我們曾經介紹過廣義對象的概念,其回路圖如圖3-3所示。這里,它的輸入來自于PID的數字輸出,用GDI表示。而它的輸出則是傳感器經A/D轉換之后,被PLC讀入的數字量,用GDO表示。即便我們對被控對象特性的打聽有限,但是既然系統的輸入和輸出通道硬件都已經設計好,辣么DI、GDI、GDO這些數字的變更局限以及最大值就都是已知的。例如,若測量被控參數的傳感器輸出,經10位A/D轉換后被PLC讀入,它的局限是0~1023,其最大值DSM為1023。同樣由PLC送出的GDI,其局限以及最大值都是已知的,它的最大值用DIM表示。

    系統在事情時,偏差△=SPL-GDO,除非系統已經完全穩定,而且沒有余差,也即是說暫時不必調節。否則對于一個能夠穩定的系統,能夠測量出的最小偏差值是1,所以可以肯定,放大系數Kp一定小于控制器的最大輸出數DIM。否則由△×Kp計較出的DI,將會登時超出DI容許的最大值DIM。這將處于飽和狀況,實質上變成了開環狀況,是我們所不有望的。再考慮到正常事情時,被控參數出現的偏差大多為傳感度量程的10%左右,也即是GDO的最大值DSM的10%左右。所以可以進一步預計,放大系數Kp小于10×DIM/DSM。

    它即是我們初步預計出的、可用的放大系數的值。作為調試用的第一個放大系數,普通可取最大值的0.5~1,即Kp=(5~10)×DIM/DSM。

    這種輕便的工程參數整定法十分簡單,讀者不妨一試。若有望進一步得到較好的控制質量,可對放大系數進行0.618模式搜索。

    這種現場可操縱的技巧適用于普通的對象,也即是純延時不太大,對象特性不因時間而有較大的改變,輸入和輸出比例系數變更不十分明顯的對象。用較為職業的術語稱為“無明顯的純滯后,非時變的線性系統”。要求較高的讀者,請進一步參考相關的控制表面。

    (5)在開始調試時,為了能盡快掌握,可以僅設定控制器的放大系數(增益)Kp,暫時不使用微分和積分功效,也即是將微分時間常數設為0,而將積分時間常數設得盡可能地大。待調試根基勝利后,再憑據需求增加其余功效。普通情況下,可用2~3倍采樣時間Ts作為微分時間Td,5~10倍微分時間作為積分時間Ti。兩條準則:積分只能收縮系統的余差(最終精度),對其余控制質量有害無益。微分可改進控制的動靜性能,提高控制質量,但過分時可能引發振蕩,降低抗攪擾能力。再提醒一句,微分時間越長,微分作用越強;積分時間越短,積分作用越強。

    (6)在前面計較放大系數時,我們用的是最大值。但是運轉中GDI和GDO的變更量△GDI和△GDO,它們原本是可正可負的。當其比值為正時,稱為正特性對象,應使用PID的正作用算法。反之.稱為負特性對象,應使用PID的“反作用”算法。用錯了,系統就由負反饋變成了正反饋,可能導致失控的緊張后果。

    (7) PID算法可分為位置式和增量式兩種。PLC中多使用增量式算法,即由PID算出來的結果,是這一次掃描后的輸出變更量。現實的輸出,還要加上前一次掃描后的輸出值。

    (8)調試控制系統時,應該隨時注意控制系統中的每一個環節是否事情在正常局限以內。這里主要有兩方面的疑問應該注意:①被控對象的事情是否超出容許的局限。例如,電動機是否超速?物料是否會從容器溢出或被抽干?等等。所以建議在進行PID系統調試之前,應該開始編制并測試好系統的護衛程序,并投入正常運轉。②在PLC內籌辦用來作為控制輸出的數字量,也即是PID計較出的輸出數,是否超出有效局限?例如,用來輸出到12位D/A模塊的數字量,大于4095。必將導致輸失足誤。即便計較出的數字量超出4095時,強行改成4095后再送到D/A模塊,這樣模塊固然不失足,但是整個控制系統則由原來的閉環變成了開環。燈號的傳遞被阻塞,成為了不可控的系統。這在設定的放大系數過大,或是出現“積分飽和”時可能會經常遇到。所以在設定運轉參數時,要避免出現這種情況。

    (9)用離散算法實施PID控制,并非計較機的剛強。我們應該進一步發揮它的長處,避免其不足。取代模擬器件的算法軟件,在鑒別、選定、寄放和各類計較功效方面,具備明顯的優勢。所以在有條件時,盡可能地使用種種其余更有效、更直觀的算法作為補充,如數字濾波、前饋算法、變結構算法、變參數算法、自適應和自學習算法、模糊控制算法等,計較機在這方面顯然有明顯的優勢。


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