Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Программное обеспечение для систем автоматизации технологических процессов (лабораторный практикум и конспект лекций) для студентов специальности 2202
.pdf
Лабораторная работа № 9
() ().
Utkt
() () .
Utktdt
Тема: РЕГУЛЯТОРЫ НЕПРЕРЫВНОГО
УПРАВЛЕНИЯ
1. Цель работы: научиться настраивать регуляторы непрерывного управления с помощью встроенной в Simatic Manager системы автоматической настройки и проверять временные диаграммы переменной процесса и управляющей переменной.
2. Используемое оборудование: компьютеры с ОС не ниже Win-
dows 7,
контроллеров серии Siemens Simatic S7-300, симулятором S7-PLCSIM.
реализуют стандартные линейные законы регулирования и подразделяются на следующие типы регуляторов [7, 8]:
лятор).
вания (ошибки) ε(t) между текущим значением переменной процесса,
которую необходимо поддерживать на определенном уровне, и заданным значением.
ному на коэффициент пропорциональности k
программным пакетом STEP7 V5.5 для программирования
3. Теоретические сведения. Регуляторы непрерывного действия
– пропорциональный (П-регулятор);
– интегральный (И-регулятор);
– дифференцирующий (Д-регулятор);
– пропорционально-интегральный (ПИ-регулятор);
– пропорционально-дифференциальный (ПД-регулятор);
– пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД-регу-
Для всех типов регуляторов входом является сигнал рассогласо-
Выходной сигнал П-регулятора равен сигналу ошибки, умножен-
:
п
П-регуляторы достаточно просты в настройках, обладают быстро-
действием, но имеют статическую ошибку регулирования.
И-регулятор имеет выходную величину, пропорциональную интегралу от ошибки ε(t), умноженному на коэффициент интегрирования k
:
и
вых.Пп
вых.Ии
=ε
t
=ε
∫
0
61
Положительным признаком И-регулятора является регулирование
()
() .
dt
dt
() () ().
Utktdtkt
()
() () .
dt
dt
() () () .
UtktT ktdt
без отклонения регулируемой величины, недостатком – относительно невысокая скорость регулирования, плохая устойчивость.
Управляющее воздействие Д-регулятора возникает только при
изменении сигнала ошибки ε(t), то есть ее производной по времени,
умноженной на время дифференцирования Т
ε
UtT
вых.Дд
=
:
д
Этот регулятор имеет повышенное быстродействие, но нестабилен в работе, поэтому отдельно не используется.
Выходной сигнал ПИ-регулятора равен сумме ошибки ε(t), умно-
женной на коэффициент k
на коэффициент k
:
и
вых.ПИ и п
и интеграла ее изменения, умноженного
п
t
=ε +ε
∫
0
Он представляет собой комбинацию П- и И-регуляторов. Его достоинством является хорошая устойчивость и отсутствие статической
ошибки регулирования.
ПД-регулятор формирует выходной сигнал, равный сумме ошибки ε(t), умноженной на коэффициент k
ной на время дифференцирования Т
и ее производной, умножен-
п
:
д
UtktT
вых.ПД п д
=ε +
Этот регулятор сочетает в себе свойства П- и Д-регуляторов. Имеет хорошую устойчивость и повышенное быстродействие, но сохраняется статическая ошибка, как у П-регулятора.
Выходной сигнал ПИД-регулятора является суммой ошибки ε(t),
умноженной на коэффициент k
время дифференцирования Т
го на коэффициент k
62
:
и
вых.ПИД п д и
=ε + + ε
п
и интеграла ее изменения, умноженно-
д
ε
, ее производной, умноженной на
()
dt
ε
dt
t
∫
0
ПИД-регулятор является комбинацией П-, И- и Д-регуляторов.
Обладает хорошей устойчивостью, отсутствием статической ошибки и повышенным быстродействием.
В программе Simatic Manager блочные элементы регуляторов
расположены в каталоге «Libraries» → «Standart library» → «PID
Control Blocks».
Наиболее простым среди непрерывных регулято-
ров в данном каталоге является функциональный блок FB58
(
рис. 9.1), который используется для управления термическими
процессами с помощью аналоговых или импульсных управляющих сигналов. Регуляторы обычно программируются в блоке циклического прерывания OB35.
Рис. 9.1. Регулятор температуры непрерывного действия в STEP7
63
Данный блок регулятора имеет следующие обозначения входов:
EN –
вход разрешения работы регулятора;
PV_IN –
переменная процесса, которую необходимо поддержи-
вать на заданном уровне, в формате REAL;
PV_PER –
переменная процесса, которую необходимо поддержи-
вать на заданном уровне, в формате INT;
DIS_V –
INT_HPOS –
сигнал помехи;
вход для блокирования работы интегратора в пря-
мом направлении;
INT_HNEG –
вход для блокирования работы интегратора в обрат-
ном направлении;
SELECT –
CYCLE –
выбор вызова ПИД-алгоритма и генератора импульсов;
время дискретизации регулятора непрерывного управ-
ления;
CYCLE_P –
SP_INT –
MAN –
COM_RST –
MAN_ON –
время дискретизации генератора импульсов;
значение сигнала уставки;
управляющая переменная, введенная вручную;
полный перезапуск;
переключение на ручной режим работы.
Выходы регулятора имеют следующее назначение:
PV –
переменная процесса;
LMN –
LMN_PER –
QPULSE –
управляющая переменная в формате REAL;
управляющая переменная в формате INT;
ШИМ-модулированное импульсное представление
управляющей переменной;
QLMN_HLM –
сигнал, показывающий превышение верхнего пре-
дела ограничения управляющей переменной;
QLMN_LLM –
сигнал, показывающий, что управляющая пере-
менная достигла нижнего предела ограничения;
QC_ACT –
параметр, показывающий, будет ли запущен при сле-
дующем вызове блока каскад регулятора непрерывного управления;
ENO –
разрешающий выход.
Поскольку регулятор является функциональным блоком, то ему
необходимо назначить блок данных DB (о создании блоков данных
подробно написано в лабораторной работе № 4). Создав блок данных
и открыв его, можно увидеть таблицу следующего содержания
(
рис. 9.2):
64
Рис. 9.2. Блок DB1, назначенный регулятору FB58
После переключения в меню «View» → «Declaration view» указанная на рис. 2 таблица превращается в привычную для нас таблицу
переменных, в которой можно менять параметры работы регулятора
в поле «Actual Value». Поскольку данный регулятор не содержит
объекта управления, то проверить его работоспособность будет достаточно трудно.
В программе Simatic Manager есть готовые проекты регуляторов,
в том числе и регулятора температуры непрерывного действия FB58,
содержащие помимо самого регулятора еще и объект управления.
65
Для работы с готовыми образцами регуляторов необходимо создать новую станцию вместе со сконфигурированной стойкой. Затем в
основном окне Simatic Manager выполнить команду «File» →
«Open»
→ «Sample project» → «zEn01_13_STEP7__PID-Temp», далее
выбрать папку «Continious» control и скопировать все блоки в свой
созданный проект. Функциональные блоки регулятора FB58 и объекта управления FB100 защищены от редактирования пользователем.
Блок FB58 вызывается в блоке циклического прерывания OB35,
а FB100 – в блоке, вызываемом при рестарте ОВ100. В блоках данных DB58 и DB100 хранятся данные для регулятора и объекта
управления соответственно. Проект также содержит таблицу переменнных VAT_LoopControlC для наблюдения за переменными в режиме «Monitor».
Объект управления представлен следующими параметрами, запи-
санными в DB100:
INV –
входная переменная или управляющая переменная регуля-
тора;
DISV –
GAIN –
TM_LAG1, TM_LAG2, TM_LAG3 –
AMB_TEM –
OUTV –
переменная помехи;
коэффициент усиления;
постоянные времени;
температура окружающей среды;
выходная переменная.
По умолчанию объект управления имеет следующие характери-
стики: INV=0, DISV=0, GAIN=10, TM_LAG1=50 с, TM_LAG2=2 с,
TM_LAG3=0
с, AMB_TEM=20 ºС, OUTV=0.
В приложении Simatic Manager имеется встроенная система автоматической настройки регулятора в блоке FB58. С помощью нее может быть произведена автоматическая регулировка ПИ- и ПИДпараметров. Существует два способа настройки:
настройка путем приближения к рабочей точке при ступенча-
•
том изменении сигнала уставки;
•
настройка положения рабочей точки установкой начальных
битов параметра.
В обоих случаях процесс регулируется выбираемым ступенчатым
изменением управляющей переменной. После определения точки
перегиба на характеристике процесса могут быть установлены ПИ- и
ПИД-параметры регулятора, который переключится в автоматический режим, после чего продолжит выполнять функции управления с
этими параметрами.
66
Для настройки параметров регулятора для указанного объекта
управления необходимо запустить симулятор PLCSIM, загрузить
конфигурацию оборудования и все блоки в СPU, открыть блок DB58,
затем перевести СPU в положение RUN-P и в окне блока DB58 на-
жать на кнопку . Далее следует перейти на вкладку «Options» →
«Curve recorder»,
затем «Options» → «Controller tuning». Откроются
два окна, первое – для отображения рабочей точки, управляющей
переменной и переменной процесса, второе – «Temperature control
wizard» –
control wizard»
parameters
для настройки параметров регулятора. В окне «Temperature
следует нажать кнопку «Next», затем выбрать PID
или PI parameters, в зависимости от того, какой регулятор
мы хотим настроить, а вслед за этим – один из двух вариантов: «Tune
by approaching the operating point with a setpoint STEP change» («
настройка приближением к рабочей точке с помощью задания скачка
уставки») или «Tune at the operating point by setting a start bit» («настройка в рабочей точке установкой стартового бита»). После выбора
варианта выполнить команду «Next» и в графе «Operating point
(setpoint)»
задать рабочую точку, например 70, затем нажать «Next».
В появившемся окне можно увидеть процесс настройки регулятора с
сообщениями о статусах настройки:
STATUS_H=0 –
результат значения по умолчанию или никаких
новых параметров регулятора до сих пор не было найдено;
STATUS_H=10000 –
были найдены подходящие параметры регу-
лятора;
STATUS_H=2
хххх – в качестве параметров управления исполь-
зуются приблизительные значения;
STATUS_H=3
хххх – зафиксирована ошибка оператора при вводе
параметра.
Закрыв окно настройки регулятора и вернувшись в окно блока
DB58,
открытое в режиме Online, увидим настроенные параметры
выбранного ПИД-регулятора в графах Proportional gain (коэффициент пропорциональности)=10.3439, Integral time (время интегрирования)=2.79489 с, derivative time (время дифференцирования)=0.698722 с (рис. 9.3). Временные диаграммы с использованием
настроенных параметров регулятора показаны на рис. 9.4, где
Setpoint=70.0000 –
рабочая точка, process value=70.0000 – переменная
процесса, manip.variable=4.9999 – управляющая переменная.
67
Рис. 9.3. Результаты настройки параметров ПИД-регулятора в блоке DB58
Чтобы поменять значение уставки, нужно выбрать в меню
«Options»
→ «Comissioning» → «Manual» → «Send». Затем поменять ра-
бочую точку на другое значение, выбрать «Automatic», нажать «Send».
Можно для того же объекта настроить ПИ-регулятор. Для этого
достаточно в меню выполнить команды «Options» →
«Comissioning»
→ «Manual» → «Send». В опции «Select PID or PI»
выбрать «Use PI parameters» → «Send».
После этого, вернувшись в DB58, открытый в режиме online, мы
увидим новые параметры ПИ-регулятора: Proportional gain =1.89639,
Integral time=8.38466
68
с, Derivative time=0 с.
Рис. 9.4. Результаты настройки параметров ПИД-регулятора
Чтобы вновь смотреть переходные процессы, как на рис. 4,
необходимо выбрать «Automatic» → «Send». Для сохранения параметров регулятора нужно выполнить команду «Manual» → «Send».
В опции «PID and control zone parameters» нажать «Save», затем
вновь выбрать «Automatic» → «Send».
Для загрузки настроенных параметров регулятора следует выполнить операцию «Manual» → «Send», рядом с опцией «Saved PID and
control zone parameters»
нажать «Download».
Для переходного процесса время регулирования характеризует время достижения переменной процесса рабочей точки, а перерегулирование – процент выброса после подачи ступенчатого воздействия относительно рабочей точки. В данном процессе время регулирования составляет примерно t
= 30 с, а перерегулирование σ = 20 % (см. рис. 9.4).
рег
Для снижения перерегулирования можно уменьшить влияние
П-компонента, варьируя в блоке DB58 коэффициент пропускания
уставки PV_FAC в пределах от 0 до 1.
Более подробно о настройках регуляторов и параметрах блоков
DB58
и DB100 описано в [1, 2].
4. Пример
Выполним
настройку регулятора температуры для объекта с пара-
метрами GAIN=2, TM_LAG1=2,5 с, TM_LAG2=1,2 с, TM_LAG3=0,2 с,
TM_LAG4=0,1
с.
69
Создадим новый проект в Simatic Manager. Скопируем все блоки
из папки «Continious control» образцов «zEn01_13_STEP7__PID-
Temp»
в наш проект. Откроем блок DB100. Заменим написанные там
параметры объекта на данные в задании. Так как в блоке объекта
имеется только три постоянные времени, то заменим TM_LAG3=0,1
с и TM_LAG4=0,2 с на их сумму в силу малости указанных постоянных времени, то есть TM_LAG3=0,3 с.
Сохраним результат. Далее откроем блок данных регулятора
и произведем его настройку по вышеуказанной методике.
DB58
На рис. 9.5 показана настройка путем приближения к рабочей
точке ПИД-регулятора. Как видно из рисунка, управляющая переменная процесса характеризуется большой колебательностью при
изменении уставки с 50 до 70.
Рис. 9.5. Результаты настройки параметров ПИД-регулятора
путем приближения к рабочей точке
Более сглаженные переходные процессы демонстрирует результат
настройки ПИ-регулятора (рис. 9.6). Вначале была задана уставка 70,
затем – 50.
Теперь можно попробовать настроить ПИ- и ПИД-регулятор, используя настройку в рабочей точке установкой стартового бита.
Результат для ПИД-регулятора показан на рис. 9.7, а для
ПИ-регулятора – на рис. 9.8.
В обоих методах настройки более оптимальной является настройка ПИ-регулятора путем установки стартового бита, обеспечивающая
70
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]