工業控制系統怎麼調試

1. PID在工業控制中有那些代表性的應用

PID控制
當今的自動控制技術都是基於反饋的概念。反饋理論的要素包括三個部分：測量、比較和執行。測量關心的變數，與期望值相比較，用這個誤差糾正調節控制系統的響應。

這個理論和應用自動控制的關鍵是，做出正確的測量和比較後，如何才能更好地糾正系統。

PID（比例-積分-微分）控制器作為最早實用化的控制器已有50多年歷史，現在仍然是應用最廣泛的工業控制器。PID控制器簡單易懂，使用中不需精確的系統模型等先決條件，因而成為應用最為廣泛的控制器。

PID控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成。其輸入e (t)與輸出u (t)的關系為

u(t)=kp(e((t)+1/TI∫e(t)dt+TD*de(t)/dt) 式中積分的上下限分別是0和t

因此它的傳遞函數為：G(s)=U(s)/E(s)=kp(1+1/(TI*s)+TD*s)

其中kp為比例系數； TI為積分時間常數； TD為微分時間常數

它由於用途廣泛、使用靈活，已有系列化產品，使用中只需設定三個參數（Kp， Ki和Kd）即可。在很多情況下，並不一定需要全部三個單元，可以取其中的一到兩個單元，但比例控制單元是必不可少的。

首先，PID應用范圍廣。雖然很多工業過程是非線性或時變的，但通過對其簡化可以變成基本線性和動態特性不隨時間變化的系統，這樣PID就可控制了。

其次，PID參數較易整定。也就是，PID參數Kp，Ki和Kd可以根據過程的動態特性及時整定。如果過程的動態特性變化，例如可能由負載的變化引起系統動態特性變化，PID參數就可以重新整定。

第三，PID控制器在實踐中也不斷的得到改進，下面兩個改進的例子。

在工廠，總是能看到許多迴路都處於手動狀態，原因是很難讓過程在「自動」模式下平穩工作。由於這些不足，採用PID的工業控制系統總是受產品質量、安全、產量和能源浪費等問題的困擾。PID參數自整定就是為了處理PID參數整定這個問題而產生的。現在，自動整定或自身整定的PID控制器已是商業單迴路控制器和分散控制系統的一個標准。

在一些情況下針對特定的系統設計的PID控制器控製得很好，但它們仍存在一些問題需要解決：

如果自整定要以模型為基礎，為了PID參數的重新整定在線尋找和保持好過程模型是較難的。閉環工作時，要求在過程中插入一個測試信號。這個方法會引起擾動，所以基於模型的PID參數自整定在工業應用不是太好。

如果自整定是基於控制律的，經常難以把由負載干擾引起的影響和過程動態特性變化引起的影響區分開來，因此受到干擾的影響控制器會產生超調，產生一個不必要的自適應轉換。另外，由於基於控制律的系統沒有成熟的穩定性分析方法，參數整定可靠與否存在很多問題。

因此，許多自身整定參數的PID控制器經常工作在自動整定模式而不是連續的自身整定模式。自動整定通常是指根據開環狀態確定的簡單過程模型自動計算PID參數。

PID在控制非線性、時變、耦合及參數和結構不確定的復雜過程時，工作地不是太好。最重要的是，如果PID控制器不能控制復雜過程，無論怎麼調參數都沒用。

雖然有這些缺點，PID控制器是最簡單的有時卻是最好的控制器

目前工業自動化水平已成為衡量各行各業現代化水平的一個重要標志。同時，控制理論的發展也經歷了古典控制理論、現代控制理論和智能控制理論三個階段。智能控制的典型實例是模糊全自動洗衣機等。自動控制系統可分為開環控制系統和閉環控制系統。一個控制系統包括控制器、感測器、變送器、執行機構、輸入輸出介面。控制器的輸出經過輸出介面、執行機構，加到被控系統上；控制系統的被控量，經過感測器，變送器，通過輸入介面送到控制器。不同的控制系統，其感測器、變送器、執行機構是不一樣的。比如壓力控制系統要採用壓力感測器。電加熱控制系統的感測器是溫度感測器。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（儀表）已經很多，產品已在工程實際中得到了廣泛的應用，有各種各樣的PID控制器產品，各大公司均開發了具有PID參數自整定功能的智能調節器 (intelligent regulator)，其中PID控制器參數的自動調整是通過智能化調整或自校正、自適應演算法來實現。有利用PID控制實現的壓力、溫度、流量、液位控制器，能實現PID控制功能的可編程式控制制器(PLC)，還有可實現PID控制的PC系統等等。 可編程式控制制器(PLC) 是利用其閉環控制模塊來實現PID控制，而可編程式控制制器(PLC)可以直接與ControlNet相連，如Rockwell的PLC-5等。還有可以實現 PID控制功能的控制器，如Rockwell 的Logix產品系列，它可以直接與ControlNet相連，利用網路來實現其遠程式控制制功能。
1、開環控制系統
開環控制系統(open-loop control system)是指被控對象的輸出(被控制量)對控制器(controller)的輸出沒有影響。在這種控制系統中，不依賴將被控量反送回來以形成任何閉環迴路。
2、閉環控制系統
閉環控制系統(closed-loop control system)的特點是系統被控對象的輸出(被控制量)會反送回來影響控制器的輸出，形成一個或多個閉環。閉環控制系統有正反饋和負反饋，若反饋信號與系統給定值信號相反，則稱為負反饋( Negative Feedback)，若極性相同，則稱為正反饋，一般閉環控制系統均採用負反饋，又稱負反饋控制系統。閉環控制系統的例子很多。比如人就是一個具有負反饋的閉環控制系統，眼睛便是感測器，充當反饋，人體系統能通過不斷的修正最後作出各種正確的動作。如果沒有眼睛，就沒有了反饋迴路，也就成了一個開環控制系統。另例，當一台真正的全自動洗衣機具有能連續檢查衣物是否洗凈，並在洗凈之後能自動切斷電源，它就是一個閉環控制系統。
3、階躍響應
階躍響應是指將一個階躍輸入（step function）加到系統上時，系統的輸出。穩態誤差是指系統的響應進入穩態後，系統的期望輸出與實際輸出之差。控制系統的性能可以用穩、准、快三個字來描述。穩是指系統的穩定性(stability)，一個系統要能正常工作，首先必須是穩定的，從階躍響應上看應該是收斂的；準是指控制系統的准確性、控制精度，通常用穩態誤差來(Steady-state error)描述，它表示系統輸出穩態值與期望值之差；快是指控制系統響應的快速性，通常用上升時間來定量描述。
4、PID控制的原理和特點
在工程實際中，應用最為廣泛的調節器控制規律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調節。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結構簡單、穩定性好、工作可靠、調整方便而成為工業控制的主要技術之一。當被控對象的結構和參數不能完全掌握，或得不到精確的數學模型時，控制理論的其它技術難以採用時，系統控制器的結構和參數必須依靠經驗和現場調試來確定，這時應用PID控制技術最為方便。即當我們不完全了解一個系統和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統參數時，最適合用PID控制技術。PID控制，實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據系統的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。
比例（P）控制
比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系。當僅有比例控制時系統輸出存在穩態誤差（Steady-state error）。
積分（I）控制
在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系。對一個自動控制系統，如果在進入穩態後存在穩態誤差，則稱這個控制系統是有穩態誤差的或簡稱有差系統（System with Steady-state Error）。為了消除穩態誤差，在控制器中必須引入「積分項」。積分項對誤差取決於時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩態誤差進一步減小，直到等於零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統在進入穩態後無穩態誤差。
微分（D）控制
在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關系。自動控制系統在克服誤差的調節過程中可能會出現振盪甚至失穩。其原因是由於存在有較大慣性組件（環節）或有滯後(delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落後於誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化「超前」，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應該是零。這就是說，在控制器中僅引入 「比例」項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是「微分項」，它能預測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控製作用等於零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調。所以對有較大慣性或滯後的被控對象，比例+微分(PD)控制器能改善系統在調節過程中的動態特性。
5、PID控制器的參數整定
PID控制器的參數整定是控制系統設計的核心內容。它是根據被控過程的特性確定PID控制器的比例系數、積分時間和微分時間的大小。PID控制器參數整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計算整定法。它主要是依據系統的數學模型，經過理論計算確定控制器參數。這種方法所得到的計算數據未必可以直接用，還必須通過工程實際進行調整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經驗，直接在控制系統的試驗中進行，且方法簡單、易於掌握，在工程實際中被廣泛採用。PID控制器參數的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應曲線法和衰減法。三種方法各有其特點，其共同點都是通過試驗，然後按照工程經驗公式對控制器參數進行整定。但無論採用哪一種方法所得到的控制器參數，都需要在實際運行中進行最後調整與完善。現在一般採用的是臨界比例法。利用該方法進行 PID控制器參數的整定步驟如下：(1)首先預選擇一個足夠短的采樣周期讓系統工作；(2)僅加入比例控制環節，直到系統對輸入的階躍響應出現臨界振盪，記下這時的比例放大系數和臨界振盪周期；(3)在一定的控制度下通過公式計算得到PID控制器的參數。
在實際調試中，只能先大致設定一個經驗值，然後根據調節效果修改。
對於溫度系統：P（%）20--60，I（分）3--10，D（分）0.5--3
對於流量系統：P（%）40--100，I（分）0.1--1
對於壓力系統：P（%）30--70，I（分）0.4--3
對於液位系統：P（%）20--80，I（分）1--5
參數整定找最佳，從小到大順序查
先是比例後積分，最後再把微分加
曲線振盪很頻繁，比例度盤要放大
曲線漂浮繞大灣，比例度盤往小扳
曲線偏離回復慢，積分時間往下降
曲線波動周期長，積分時間再加長
曲線振盪頻率快，先把微分降下來
動差大來波動慢。微分時間應加長
理想曲線兩個波，前高後低4比1
一看二調多分析，調節質量不會低

2. 怎樣迅速調好PID參數

PID控制器參數選擇的方法很多。

但是，對於PID控制而言，參數的選擇始終是一件非常煩雜的工作，需要經過不斷的調整才能得到較為滿意的控制效果。依據經驗，一般PID參數確定的步驟如下：

1、確定比例系數Kp確定比例系數Kp時，首先去掉PID的積分項和微分項，可以令Ti=0、Td=0，使之成為純比例調節。輸入設定為系統允許輸出最大值的60％～70％，比例系數Kp由0開始逐漸增大，直至系統出現振盪；再反過來，從此時的比例系數Kp逐漸減小，直至系統振盪消失。記錄此時的比例系數Kp，設定PID的比例系數Kp為當前值的60％～70％。

2、確定積分時間常數Ti比例系數Kp確定之後，設定一個較大的積分時間常數Ti，然後逐漸減小Ti，直至系統出現振盪，然後再反過來，逐漸增大Ti，直至系統振盪消失。記錄此時的Ti，設定PID的積分時間常數Ti為當前值的150％～180％。

3、確定微分時間常數Td微分時間常數Td一般不用設定，為0即可，此時PID調節轉換為PI調節。如果需要設定，則與確定Kp的方法相同，取不振盪時其值的30％。

4、經驗法又叫現場湊試法，即先確定一個調節器的參數值PB和Ti，通過改變給定值對控制系統施加一個擾動，現場觀察判斷控制曲線形狀。若曲線不夠理想，可改變PB或Ti，再畫控制過程曲線，經反復湊試直到控制系統符合動態過程品質要求為止，這時的PB和Ti就是最佳值。如果調節器是PID三作用式，那麼要在整定好的PB和Ti的基礎上加進微分作用。

5、由於微分作用有抵制偏差變化的能力，所以確定一個Td值後，可把整定好的PB和Ti值減小一點再進行現場湊試，直到PB、Ti和Td取得最佳值為止。顯然用經驗法整定的參數是准確的。但花時間較多。為縮短整定時間，應注意以下幾點：①根據控制對象特性確定好初始的參數值PB、Ti和Td。

6、可參照在實際運行中的同類控制系統的參數值，或參照表3-4-1所給的參數值，使確定的初始參數盡量接近整定的理想值。這樣可大大減少現場湊試的次數。②在湊試過程中，若發現被控量變化緩慢，不能盡快達到穩定值，這是由於PB過大或Ti過長引起的，但兩者是有區別的：PB過大，曲線漂浮較大，變化不規則，Ti過長，曲線帶有振盪分量，接近給定值很緩慢。

7、這樣可根據曲線形狀來改變PB或Ti。③PB過小，Ti過短，Td太長都會導致振盪衰減得慢，甚至不衰減，其區別是PB過小，振盪周期較短；Ti過短，振盪周期較長；Td太長，振盪周期最短。④如果在整定過程中出現等幅振盪，並且通過改變調節器參數而不能消除這一現象時。

8、可能是閥門定位器調校不準，調節閥傳動部分有間隙（或調節閥尺寸過大）或控制對象受到等幅波動的干擾等，都會使被控量出現等幅振盪。這時就不能只注意調節器參數的整定，而是要檢查與調校其它儀表和環節。

3. 進行程序調試時,應將PLC置為何種工作方式

應置於動態模擬調試工作的方式。

PLC控制系統是在傳統的順序控制器的基礎上引入了微電子技術、計算機技術、自動控制技術和通訊技術而形成的一代新型工業控制裝置，目的是用來取代繼電器、執行邏輯、記時、計數等順序控制功能，建立柔性的遠程式控制制系統。

工作方式

PLC內部工作方式一般是採用循環掃描工作方式，在一些大、中型的PLC中增加了中斷工作方式，當用戶將用戶程序調試完成後，通過編程器將其程序寫入PLC存儲器中。

同時將現場的輸入信號和被控制的執行元件相應的連接在輸入模塊的輸入端和輸出模塊的輸出端，接著將PLC工作方式選擇為運行工作方式，後面的工作就由PLC根據用戶程序去完成，概述圖是PLC執行過程框圖，PLC在工作過程中，主要完成六個模塊的處理。

4. 簡述基於組態軟體的工業控制系統的一般組建過程

組態軟體是指一些數據採集與過程式控制制的專用軟體，它們是在自動控制系統監控層一級的軟體平台和開發環境，使用靈活的組態方式，為用戶提供快速構建工業自動控制系統監控功能的、通用層次的軟體工具。組態軟體應該能支持各種工控設備和常見的通信協議，並且通常應提供分布式數據管理和網路功能。

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5. plc與ddc的區別

一、什麼是PLC與DDC

（1）PLC的工作原理

PLC即可編程式控制制器（Programmable logic controller），定義：「PLC是一種專門為在工業環境下應用而設計的數字運算操作的電子裝置。

它採用可以編製程序的存儲器，用來在其內部存儲執行邏輯運算、順序運算、計時、計數和運算等操作的指令，並能通過數字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。PLC及其有關的外圍設備都應該按易於與工業控制系統形成一個整體，易於擴展其功能的原則而設計。」

（2）DDC的工作原理

DDC即直接數字控制器，其中「數字」的含義是控制器利用數字電子計算機實現其功能要求；「直接」說明該裝置在被控設備的附近，無需再通過其他裝置即可實現控制器對被控設備的測控功能。

二、PLC與DDC的區別

1.結構差別：

DDC是一種「分散式控制系統」，組成的系統是分層的結構，可以實現點對點的通訊，而PLC只是一種控制「裝置」，常用於生產線上某個部位的控制，組成的系統通過特有協議的現場匯流排連接，PLC通過上位機與其他PLC通訊；兩者是「系統」與「裝置」的區別。

2.應用領域：

DDC是由PLC發展而來的，PLC是專門應用在工業自動化方面的，在國內幾乎全部的工業生產流水線控制系統，火力發電廠控制系統，鋼鐵廠控制系統都是應用了PLC系統，目前也有相當一部分樓控系統也應用了PLC。

樓宇自控DDC是生產廠家根據樓宇自控特點從PLC發展而來的，與PLC的區別其實只是在其內部固化了一部分程序，但同時也缺少的PLC的靈活性和應對復雜電磁干擾環境的能力。

3.協議差別：

DDC系統一般支持多種協議標准，集成介面豐富，集成第三方設備的能力很強，系統自身的擴展性與開放性更好；而PLC因為基本上都為個體工作，其在與別的PLC或上位機進行通訊時，所採用的網路形式基本都是單網結構，網路協議一般是專有的現場匯流排標准，與第三方設備的集成能力相對較差。

4.軟體特性：

DDC系統的上位機軟體多為專用軟體，其實從另一個側面說明其不兼容，每個廠家的軟體都有不一樣，而且很多是英文的，這對技術員來講更是惡夢的開始。而PLC系統上位機軟體既可是專用軟體，又可是通用組態軟體，現在國內通用組態軟體都是純中文的，組態靈活方便。通用組態軟體能應對復雜的工業控制系統，對區區樓控又何在話下。

再說無論是PLC系統還是DDC系統的調試都是有專業調試人員完成組態，再培訓業主操作管理，對業主來講其實是一樣的，反觀通組態軟體既能實現專業軟體的所有功能，又能實現專業軟體很多不能實現的功能（如高模擬界面、人聲報警、用戶定製功能等）。

5.擴展性：

誰都知道PLC系統是通用性、開放性系統。現階段大多數PLC系統與大多數DDC系統操作員站之間用的都是TCP/IP協議，都可以做到有網路就可接入。而目前DDC系統軟體按用戶數收取昂貴費用，令大部分已完工的樓控系統對分控操作站想要而不敢想啊！PLC系統正好有此優勢。

6.專業性：

PLC（如常用的西門子S7200和S7300）是通用的工控產品，沒有內置經過嚴格實驗的能源管理及節能程序；需要非常專業的設計人員做大量的現場調試工作，調試周期長。

DDC固化專業版軟體，有標准應用程序和經過嚴格實驗的PID演算法及能源管理程序等特殊的功能，DDC通常有：峰值負載控制、優化啟停控制、優化設備調度、節約能源周期控制、多種空調運行模式、臨時計劃更換、節假日時間表、基礎日歷時間表、事件時間表，趨勢記錄和報表等功能。

7.模塊化：

PLC還分大、中、小、微PLC，如S7-200屬於西門子微型PLC，S7300屬於西門子較低性能系列，可以帶的點數很有限，組成的網路規模有限，不易擴展。DDC有多種模塊化系列可以選擇，適合不同的空調工藝，IO點數配比合理，有適當冗餘。

8.安全性：

DDC出現故障時，可在線更換，不影響本網路上其他DDC的網路通訊，DDC自身可以獨立工作，中央操作站可以在不需要時停機，保證整個系統的安全可靠。PLC單元模塊發生故障時，不得不將整個系統停下來，才能進行更換維護並需重新編程，PLC依靠上位機工作。