3 系统的设计
3.1 PID的概述
通用的自动化系统如下图3.1所示。下面闭合的回路是由比例积分微分的调节器、变送机构、被控对象和执行部件相互组合得到的。下图中，对象的被调参数经过检测元件的测量经过变送器转换处理得到了，c与给定值r计算出来的差值e送到调节机构；调节机构再对e进行运算处理之后才能输出控制u；此信号的控制对象经过被调量或经执行机构和调节阀转换的变换。实时监控被控量与给定值之间的数值，当发现有出入时，调解器就开始执行命令，调节阀开度及执行机构变化，改变流入量，流入量与流出重新达到了平衡状态，这是日前热工中常见的一种方式。
图3.1 控制系统的原理图
在实际工作中，在求对象动态特性时经常将调节阀开度扰动，可由变送器执行后在电脑中显示的曲线来了解。所以，在系统分析时经常将被控对象、变送机构和执行机构统一称为“广义对象”，这样就形成如下图3.1所显示的控制系统的方框图。
r - c 图3.2控制系统框图 e 调节器 u 广义对象 c 在下图3.3中，基本的闭控制系统由广义对象和调节器两部分组合成，除调节阀对对象的扰动外，d为其他的扰动信号。控制系统的方框图如下图3.3所示。
下图中，WT(s)为调节器的传递的函数；W(s)为广义对象的传递的函数；WZ(s)是扰动通道传递函数；D(s)被称为扰动的作用，它是利用WZ(s)来影响C(s)；调
节器的U(s)影响对象的被调量被称为控制的通道。
调节规律是指输入信号和调节器输出信号之间的动态的关系，理论上有各种各样函数的形式关系，通常实践中总结出三种的基本规律。三种调节的规律可以组合成多种调节规律的调节器，如比比例调节器、比例积分调节器、比例积分微分调节器等。调节器作为系统组成部分，因为被控对象的特征一般不会发生变化，所以他的动态特性对整个控制过程中起到了很大的作用。
D(s) 图3.3控制系统 R(s) - E(s) WT(s) U(s) WZ(s) + W(s) + C(s)
3.2 调节器控制的规律
基本调节作用:
调节器最简单的控制规律是比例、积分和微分控制作用，他们各自的特点都很鲜明。下面分别讨论。
（1）比例作用（简称P作用） 比例作用
式中 e——调节量偏差，调解器的输入信号；
μ——调节机关的位置，调解器（一般包括执行器）的输出信号； Kp——比例作用的比例系数。
Wp(s)= μ(s)= Kp (3-2)
E(s)
μ=Kpe (3-1)
从下列式3.1看出，μ与e大小成正比。也就是说，偏差信号的变化速度de 与调节机关移动速度dμ成正比。这说明比例作用动作快，作用强，无迟延惯性，同时调节动作方向对。比例作用在系统中是能够控制过程稳定因素。
从式（3-1）还可以看出输出μ与输入e之间有着相互对应的关系。调节机关位置μ必须跟随对象负荷的增减而变化，这样才能满足能够负荷发生变化时的需求。因此，当对象负荷变化时，调解机关位置必须改变，即被调整的量与给定值之间的偏差一定会改变。所以，调解结果调节量由稳定（静态）偏差。有时称比
例作用为有差作用。
（2）积分作用（简称I 作用） 积分作用的动态表达式为
μ=KI∫0tedt (3-3) dμ/dt= KIe (3-4)
或表示为
WI(s)=μ(s)/E(s)=KI/S (3-5)
式3.3中说，e伴随着时间的积累就是μ。只要有偏差，机关的位置就持续变下去。只有当偏差变化为0时，调节机关的位置就不能在变化了。在整个调节过程结束后，被控量与给定值不能有稳态偏差。
式3.4讲述，调节机关移动的速度快慢只与e成正比例关系，所以不考虑偏差变化方向和大小，这个特点使积分调节会发生方向性误差，导致调节振荡。积分作用在系统中是过程振荡的条件。 （3）微分作用（简称D 作用） 微分作用的动态方程式为
μ=Kd de/dt (3-6)
Kd被调量偏差的变化速度与调节机关的位置成正比例关系，开始时候，被调量差的很少，但变化速度较大，微分作用很强，可以使调节机关位置产生大的改变，限制偏差的变大，微分作用有效地减小被调量的动态偏差。以上分析表明微分快于比例，即微分能够超前调节。微分在系统中能提高控制过程的稳定性。
调节过程结束时。de 为0，由公式（3-6）可以得出，μ=0，即调节机关的位置不变，不能适应外界负荷发生的变化。其实微分作用无法克服恒定不变的偏差。因此我们无法单独的应用微分作用当作调节器，即这样控制作用不能单独使用。
由此得知比例作用在极少的情况才单独用，导致控制过程变成振荡甚至不稳定，调整后能使被控量不存在静态偏差。微分作用也不能单独调节，但是却可以提高控制系统的稳定性，减少动态偏差。
4 控制设备及软件原理
4.1 PLC概述
4.1.1 PLC的定义
PLC编程控制器是一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境下应用而设计.它采用可编程序的存储器,用来在其内部存储执行顺序控制、逻辑运算 计数和算术运算、定时等操作的指令,并通过模拟式、数字式的和输出和输入,控制各种类型的生产过程或机械.(1) RJ45—网线—RJ45；(2) 协议及IP设定； (3) 通信速率设定。 4.1.2 PLC的特点
1、可靠性高,抗干扰能力强 ：
PLC的MTBF一般在4000到50000h左右，ABB、西门子、松下等微小型可编程PLC可达10万h以上，而且均有完善的迅速寻找到故障点的能力更方便与维修维护。
PLC采取了一系列和软件和硬件抗干扰措施,具有很强的干扰能力,直接使用恶劣环境的工业生产现场 2、在组合上的灵活性
下面我来介绍一下各种PLC产品基本上都是有不同的模块组合而来的，这样就会使PLC的种类更加丰富。I/O点也是非常广泛的，机组类型机构组成也是特别灵活在样式方面也是非常丰富的。 3、功能强
可编程控制器应用微计算机和微电子技术，简单型式都具有定时、逻辑、计数等顺序功能。基本型式再加上模拟I/O、通信能力等基本算术运算。复杂型式除了具有基本型式的功能外，还具有、多级终端机制、扩展的计算能力、PID调节、智能I/O、网络通信能、程监视、多处理器、远程I/O和高速数据能力。PLC可以通过互联网internet,可以实现集中管理、分散控制. 4、编程方便
可编程控制器PLC的编程有梯形图，功能块，顺序功能图可以满足各种工作中的需求。同时呢现在的PLC编程也不在像以前一样只有专业人员才能编写，自己就可以编程汇编。同时在兼容和使用上也更加方便可以任意的在个人或单位的PC机上进行汇编。 5、适应恶劣的环境 ：
可编程控制器可以在工业生产的各种恶劣环境下工作，能在强电磁干扰环境下可靠工作。这是PLC产品的市场生存价值。 6、安装、维修简单
4.1.3 PLC的应用与发展
目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。
4.2 PLC的基本结构及工作原理
4.2.1 PLC的基本结构
可编程控制器是一种工业控制上的PC，它有与工业控制计算机向连接的接口更能方便系统的编程。CPU，储存器，I/O点，编程器，电源等组成硬件系统。
图3.1 PLC硬件组成
1) 中央处理器 (CPU)
和大多数PC一样， CPU 是程控制器的核心，它可以按照系统赋予他的功能有效的进行工作，主要工作内容有：
第一点存储并接收由编程工具输入的用户数据和程序，并通过显示器显示出程序的存储和内容和地址。
第二点校验、检查私人程序。比如正在输入的用户程序进行查阅，发现语局错误立即报警，并停止输入；在程序运行过程中若发现错误，则停止程序的执行或立即报警。
第三点调用、接收现场信息。将接纳到现场输入的数据保留起来，在需要更改数据的时候将其调出，并直接送到需要的位置中去。
第四点开始运行用户的程序。当可编程控制器进入到了运行的状态， 中央处理器根据用户程序存放的先后顺序，逐条读取、执行和解释程序，待完成用户程序中规定的各种操作，程序执行的结果送至输出端口，好驱动可编程控制器PLC的负载外部。
第五点诊断故障。PLC一般使用AC 220V电源或DC 24V电源。内部的开关电源为各模块提供不同电压等级的直流电源。小型PLC可以为输入电路和外部的电子传感器（例如接近开关）提供DC 24V 电源，驱动PLC负载的直流电源一