级联控制

PID_Temp 级联控制

级联控制可以在一定范围内降低扰动的影响。 级联的条件是受控系统可分为具有自身测量变量的子系统。

• 在级联控制中，多个控制回路相互嵌套。
• 主控制器的输出作为从控制器的设定值。
• 受控系统的设定值在最外层主控制器指定。
• 最内层从控制器的输出值作用于执行器。

PID_Temp 具有以下专用于级联控制系统的功能：

• 指定替代设定值
• 在主从控制器间交换状态信息（如当前操作模式）
• 不同的抗积分饱和模式（主控制器对其从控制器限值的响应）

以下以巧克力融化装置为例，介绍 PID_Temp 的级联控制。

这个装置通过一个执行器来加热水温，再把水温通过容器传递给巧克力，从而达到控制巧克力温度的目的。 级联控制关系如图 1 所示：

图 1. 级联控制示例

PID_Temp_1 作为主控制器将巧克力温度 (TempChocolate) 的过程值与用户在 Setpoint 参数中指定的设定值进行比较。其输出值 OutputHeat 构成从控制器 PID_Temp_2 的设定值。

PID_Temp_2 作为从控制器将水浴温度 (TempWater) 的过程值与此设定值进行比较。其输出值直接作用于加热水温的执行器。

创建程序

1、创建循环中断 OB ，如图 2 所示。

图 2. 添加循环中断后在属性界面修改其循环时间

2、调用 PID_Temp

在同一循环中断 OB 中，必须先调用主控制器，再调用从控制器。

首先调用指定用户设定值的最外层主控制器。

随后调用设定值由最外层主控制器指定的从控制器，依此类推。

最后调用输出到执行器的最内层从控制器。

在此例中，先调用 PID_Temp_1， 再调用 PID_Temp_2，如图 3 所示。

图 3. 在循环中断 OB 中添加 PID_Temp 指令

组态参数

组态主控制器

1、设定值、过程值和输出值的变量互连，如图 4 所示。

主控制器的设定值是受控系统的目标值，在这里是巧克力的目标温度，创建了一个控制变量 TempSetpoint。

主控制器的过程值是最外层的过程值，在这里是巧克力的实际温度 TempChocolate，这里假设 TempChocolate 已经经过程序标定，所以直接连接到 Input。

主控制器的输出值作为从控制器的设定值，在这里通过从控制器设定值来连接。

图 4. 连接实际变量

2、在项目树里的工艺对象下双击组态进入组态界面，如图 5 所示。

图 5. 进入组态界面

3、在基本设置里分别把输入输出分别改为 Input 和 OutputHeat，如图 6 所示。

图 6. 设置 Input/Output

4、在级联界面里，勾选控制器为主站，表示作为主控制器，从站数量表示直接从该主控制器接收设定值的从属从控制器数量，在这里是 1 个，如图 7 所示。

图 7. 设置级联参数

5、进入过程值限制界面，这里假设巧克力控制温度的绝对范围是 0-100℃，设置如图 8 所示。

图 8. 设置过程值限值

6、进入输出值限制和标定界面，这里假设从控制器的水温控制范围是 0-90℃，由于主控制器的输出值是作为从控制器的设定值，所以这里的输出值限值也是 0-90，如图 9 所示。

图 9. 设置输出值限值

7、进入 PID 参数的调节规则界面，在这里选择自整定参数的控制器结构，为了避免噪声引起的系统波动，这里选择 PI 结构，如图 10 所示。

图 10. 设置调节规则

组态从控制器

1、设定值、过程值和输出值的变量互连

在从控制器的 PID_Temp 指令上点击右键，并选择"属性"选项，将转到巡视窗口，如图 11 所示。

图 11. 进入巡视窗口

在巡视窗口里，进入级联界面，选中控制器是从站，并在主站选项里选择 PID_Temp_1，如图 12 所示。

图 12. 设置级联关系，关联主从控制器参数

回到调用从控制器 PID_Temp 指令处，就能看到 Setpoint 和 Master 参数自动关联了 PID_Temp_1 的 OutputHeat 和 Slave 变量，如图 13 所示。

图 13. 关联主从控制器参数

从控制器的过程值是水的实际温度 TempWater，这里假设 TempWater 已经经过程序标定，所以直接连接到 Input。

从控制器的输出值是加热水温的执行器，这里创建了一个控制变量 HeatActor，假设后续经过程序标定后输出，如图 14 所示。

图 14. 连接过程值变量

2、在项目树里的工艺对象下双击组态进入组态界面，在基本设置里分别把输入输出分别改为 Input 和 OutputHeat，如图 15 所示。

图 15. 设置 Input/Output

3、进入过程值限制界面，这里假设水温度的绝对范围是 0-100℃，设置如图 16 所示。

图 16. 设置过程值限值

4、进入 PID 参数的调节规则界面，这里也选择 PI 结构，如图 17 所示。

图 17. 设置调节规则

调试

编译和加载程序后，可启动级联控制系统的调试过程。

调试时，从最内层的从控制器开始，然后逐步向外调试，直到达到最外层的主控制器。

在这里，采用自整定功能，首先调试 PID_Temp_2，然后调试 PID_Temp_1。

调节从控制器

调节 PID_Temp 时要求设定值恒定。因此，激活从控制器的替代设定值以调节从控制器，或通过相应的手动值将相关主控制器设置为手动模式。这样可以确保从控制器的设定值在调节过程中保持恒定。

1、在项目树里的工艺对象下双击调试进入调试界面，如图 18 所示。

图 18. 工艺对象里的调试操作

2、点击测量里的 Start 按钮进行曲线采样，方便监视调节过程。如图 19 所示。

图 19. 转至在线监控

3、在控制器的在线状态里选中 Subst.Setpoint（替代设定值），并输入设定值，这里假设工作点温度是 70℃，然后点击发送按钮，如图 20 所示。

图 20. 设置设定值

4、调节模式选择预调节加热，点击 Start 启动调节，这时可以看到调节进度条在变化，当进度条完成时，调节状态显示系统已调节，如图 21 所示。

图 21. 启动预调节

5、调节模式选择精确调节加热，点击 Start 启动调节，这时可以看到调节进度条在变化，当进度条完成时，调节状态显示系统已调节，如图 22 所示。

图 22. 启动精确调节

6、点击上传 PID 参数，把参数传递到离线项目的 PID 初始值。如图 23 所示。

图 23. 上传 PID 参数

7、回到工艺对象，可以看到 PID_Temp_2 显示在线离线不一致，如图 24 所示。这是因为上一步里上传了 PID 参数到离线项目，这时为了保持一致，需要下载一下这个工艺对象。

图 24. 工艺对象在线离线不一致

8、把之前选中的 Subst.Setpoint（替代设定值）取消，如图 25 所示。

图 25. 取消替代设定值

调节主控制器

为使主控制器对该过程产生影响或执行调节，必须将所有下游从控制器置于自动模式，且必须禁用这些从控制器的替代设定值。

主控制器会通过用于在主从控制器间（Master 参数和 Slave 参数）进行信息交换的接口对这些条件进行判断，并在 AllSlaveAutomaticState 和 NoSlaveSubstituteSetpoint 变量中显示当前状态。

相应的状态消息会在调试编辑器中输出。

1、在项目树里的工艺对象下双击调试进入调试界面，点击测量里的 Start 按钮进行曲线采样，方便监视调节过程。

2、在监控表里修改设定值，这里假设工作点温度是 60℃，如图 26 所示。

图 26. 设置设定值

3、按照调节从控制器中的第 4-7 步来调节主控制器。

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