发布时间 : 星期二 文章基于西门子工业软件的仿真系统设计-一阶惯性加纯滞后对象 - 百度（精）更新完毕开始阅读ecac204a974bcf84b9d528ea81c758f5f71f2965
(a与自动化系统的无缝集成。WinCC与相应的硬件紧密结合,通过统一的组态和编程、统一的数据管理及统一的通讯,极大地降低了用户软硬件组态的工程量,实现了整个产品范围内的高度集成;
(b与自动化网络系统的集成。从现场总线PROFIBUS到工业以太网,再到PROFINET技术和基于组件的自动化技术CBA(Component-Based Automation,以及无线通信解决方案,用于WinCC内置了基于S5/S7协议的通讯系统,并提供了大量面向这些系统和技术的组件,从而为WinCC和这些系统的最优化通讯和良好的互操作性提供了保证;
(c与MES系统的集成;
(d与相应的软硬件系统一起,实现系统级的诊断功能;
(eWinCC不仅是可以独立使用的HMI/SCADA系统,而且是西门子公司众多软件系统的重要组件。
3 PID 控制调节规律 3.1 PID 介绍
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。它具有结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便等特点。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。除了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[7]。
3.1.1 比例调节(P
比例调节是一种最简单的调节规律,通过控制其比例系数Kp 来对系统进行控制。其调节器的输出u (t 与输入偏差e(t成比例关系,只要出现偏差e(t就能及时地产生与之成比例的调节作用。比例调节的特性曲线如图3-1所示。
o t e(to t u(t K p e(t
图3-1 比例调节器的阶跃响应
比例调节作用的大小,除了与偏差e (t 有关外,主要取决于比例系数Kp ,Kp 越大,调节作用越强,动态特性也越好。反之,Kp 越小,调节作用越弱。但对于大多数惯性环节,Kp 太大,会引起自激震荡。
比例调节的缺点是存在静差,是有差调节,对于扰动较大,且惯性也较大的系统,若采用单纯的比例调节,则很难兼顾动态和静态特性。因此,需要采用比较复杂的调节规律。
3.1.2 积分调节(I
在积分调节规律中,调节器输出信号变化量与输入偏差的积分成正比。其数学表达式为:
??==?t
0i t 0i dt t e /1dt t e t u T k (((( (3-1 式中,Ki 为积分速度,Ti 为积分时间。 对积分调节器来说,其输出信号的大小不仅与输入偏差信号的大小有关,而且还取决于偏差存在时间的长短。
只要有偏差,调节器的输出就不断变化,偏差存在的时间越长,输出信号的变化量就越大。只有在偏差等于零的情况下,积分调节器的输出信号才能相对稳定。因此可以认为,积分控制作用是力图消除余差。
在幅值为A 的阶跃偏差输入作用下,积分调节器的开环输出特性如下所示:将e (t =A 代入式可得:
k k i t
0i dt t e t u ==??((At (3-2 显然,该式所描述的是一条斜率为定值的直线,起斜率正比于调节器的积分速度,Ki 越大(即Ti 也越大,直线越陡峭,积分作用越强。
纯积分控制的缺点在于,它不像比例控制那样输出与出入保持同步、反应较快,而是其输出变化总要滞后于偏差的变化。这样就不能及时有效的客服扰动的影响,其结果是加剧了被控变量的波动,使系统难以稳定下来。因此在工业过程控制中,通常不单独使用积分控制规律,而是将它与比例控制组合成积分控制规律来应用。
3.1.3 微分调节(D
在微分调节中,调节器输出信号的变化量与输入偏差的变化速度成正比。其数学表达式为:
dt /t de u d
((*=?T t (3-3 式中,Td 为微分时间。 o t e(to t u(t K p A A
图3-2 理想微分作用特性
由式(3-3可知,若在某一时刻T=Td 输入一个阶跃变化的偏差信号e (t =A,则在该时刻调节器的输出为无穷大,其余时间输出为零,其特性曲线如图3-2所示。显然这种特性没有使用价值,成为理想微分特性。
从上图还可以看出,微分调节器的输出与偏差的变化速度有关,而与偏差的存在与
否有关。即微分作用对恒定不变的偏差没有克服能力。因此,微分调节不能单独使用。实际上,微分控制总是与比例控制或比例积分控制组合使用的。
由于微分作用总是力图阻止被控变量的任何变化,所以适当的微分作用有抑制震荡的效果。若微分作用选择适当,将有利于提高系统的稳定性;若微分作用过强,微分时间过大,反而不利于系统的稳定。
3.1.4 比例积分调节(PI
比例调节的缺点是存在静差,影响调节的精度。消除静差的有效方法是在比例调节的基础上加积分调节,构成比例积分(PI 调节。PI 调节的数学表达式为:
(((???
?????+=?dt t e 1 t e t u T K i p (3-4
对于比例积分调节器,只要有偏差e (t 存在,积分调节就不断起作用,对输入偏差进行积分,是调节器的输出及执行器的开度不断变化,直到达到新的稳定值而不存在静差,所以比例积分调节器能够将比例调节的快速性与积分调节消除静差的作用结合起来,以改善系统特性。
其输出特性曲线如图 3-3 所示。 o t e(to t u(t K p e(t
图3-3 比例积分调节器的输出特性曲线
由图3-3可以看出,在偏差e (t 作阶跃变化时,比例作用立即输出Up(t,而积分作用最初为0,随着时间的增加而直线上升。由此可见,比例积分调节既可服了单纯比例调解有静差存在的缺点,又避免了积分调节响应慢的缺点,即静态和动态特性均得到了改善,所以,应用比较广泛。