可編程邏輯控制器（基于S7-200系列）課件 第6章 PLC模擬量采集及閉環(huán)PID控制

第6章

PLC模擬量采集及PID控制回路

連續(xù)變化的物理量通常稱為模擬量。計算機接收、處理和輸出的只能是離散的、二進制表示的數(shù)字量。為此，在計算機控制和檢測系統(tǒng)中，需要檢測的自然界的模擬量必須首先轉換為數(shù)字量（稱為模-數(shù)轉換或A/D轉換），然后輸入給計算機進行處理。而計算機輸出的數(shù)字量（控制信號），需要轉換為模擬量（稱為數(shù)-模轉換或D/A轉換），以實現(xiàn)對外部執(zhí)行部件的控制。

。6.1模擬量及閉環(huán)控制系統(tǒng)6.1.1模擬信號獲取及變換

傳感器能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉換成相應的輸出信號的器件或裝置稱為傳感器。傳感器通常由敏感元件和轉換元件組成。顧名思義，傳感器的功能是一感二傳，即感受被測信息，并傳送出去。傳感器一般應由敏感元件、轉換元件、轉換電路組成。在工業(yè)生產(chǎn)過程中常用傳感器有電阻應變式傳感器、熱電阻傳感器、熱電偶傳感器、霍爾傳感器、光電傳感器、壓力傳感器、渦輪流量傳感器等.例：

被測溫度通過熱電偶傳感器將其轉換為相應的熱電勢（mv）輸入給熱電偶變送器，變送器采用二線制供電兼輸出接線方式，24VDC電源的正極與變送器的V+連接、負極通過負載（一般為250

電阻）與變送器的V-連接，變送器電流輸出為與被測溫度成線性關系的4～20mA標準信號電流。該電流通過250電阻將其轉換為1~5V電壓，作為A/D轉換器的模擬量輸入信號，A/D轉換器輸出的數(shù)字量信號可以直接輸入給計算機進行處理。6.1.2閉環(huán)控制

計算機閉環(huán)控制系統(tǒng)：

被控設備（對象）輸出的物理量（即被控參數(shù)或稱系統(tǒng)輸出參數(shù)），經(jīng)傳感器、變送器、A/D轉換后反饋到輸入端，與期望值（即給定值或稱系統(tǒng)輸入?yún)?shù)）進行比較，當二者產(chǎn)生偏差時，對該偏差進行決策或PID運算處理，其處理后的信號經(jīng)D/A轉換器轉換為模擬量輸出，控制執(zhí)行器進行調節(jié)，從而使輸出參數(shù)按輸入給定的條件或規(guī)律變化。由于系統(tǒng)是閉和的，輸出量的變化經(jīng)變送器反饋到輸入端與輸入量進行比較，由于反饋的輸出量與輸入量相位相反，所以也稱閉環(huán)控制負反饋系統(tǒng)。

6.1.3PID控制算法及應用特點

1.PID表達式

在模擬量作為被控參數(shù)的控制系統(tǒng)中，為了使被控參數(shù)按照一定的規(guī)律變化，需要在控制回路中設置比例（P）、積分（I）、微分（D）運算及其運算組和作為控制器輸出信號。S7-200設置了專用于PID運算的回路表參數(shù)和PID回路指令，可以方便地實現(xiàn)PID運算操作。在一般情況下，控制系統(tǒng)主要針對被控參數(shù)PV（又稱過程變量）與期望值SP（又稱給定值）之間產(chǎn)生的偏差e進行PID運算。其數(shù)學函數(shù)表達式為：2.PID控制參數(shù)的物理意義（1）比例控制（P）

比例控制是控制系統(tǒng)最基本的控制方式，其控制器的輸出量與控制器輸入量（偏差）成比例關系，輸出量由比例系數(shù)Kp控制，比例系數(shù)越大，比例調節(jié)作用越強，（2）積分控制（I）

積分控制是指控制器的輸出量與控制器輸入量（偏差）的成積分關系，積分控制可以消除偏差，提高控制精度。（3）微分控制（D）

微分控制是指控制器的輸出量與控制器輸入量（偏差）的成微分關系，或者說，只要系統(tǒng)有偏差的變化率，控制器輸出量就按期變化率的大小變化（而不管其偏差的大?。?，即使在偏差很小時，但其偏差的變化率存在，控制器輸出仍然會產(chǎn)生較大的變化。6.2S7-200PLC對模擬信號的處理

6.2.1模擬量輸入輸出模塊

在S7-200CPU系列中，能夠實現(xiàn)模擬信號處理的僅有CPU224XP，內(nèi)置2輸入/1輸出模擬量端口。

S7-200還配備了3種模擬量擴展模塊，分別為EM231、EW232、EW235，以滿足系統(tǒng)需要。為了方便工業(yè)生產(chǎn)過程已經(jīng)廣泛使用熱電偶、熱電阻傳感器對溫度的測量，S7-200還配備了EM231熱電偶擴展模塊直接以熱電偶輸出的電勢作為輸入信號、EM231熱電阻輸入擴展模塊提供了與多種熱電阻的連接口。EM235模擬量擴展模塊接線圖

6.2.2模擬量/數(shù)字量與物理量的標度變換

模擬量信號輸入信號為0-20mA，，則在S7-200CPU內(nèi)部，0–20mA對應于數(shù)字量的范圍0–32000（十進制表示，下同）；對于4-20mA的信號，由于線性關系，則對應的內(nèi)部數(shù)字量應為6400-32000。

例：模擬量編程示例。采用CPU222PLC，僅帶一個模擬量擴展模塊EM235，該模塊的第一個通道地址為AIW0，輸入端連接一塊溫度變送器，該變送器輸入量程Tmax-Tmin=100攝氏度，輸出電流為4—20mA。則溫度T與AIW0單元數(shù)字量D轉換關系為：

T=((D-D0)(Am-A0)/(Dm-D0))×(Tmax-Tmin)/(Am-A0)=((AIW0-6400)(20-4)/(32000-6400))×(100-0)/(20-4)=(AIW0-6400)/256數(shù)字量轉換為溫度值梯形圖程序6.3PID控制指令及應用

S7-200設置了專用于PID運算的回路表參數(shù)和PID回路指令，可以方便地實現(xiàn)PID運算操作。

PID算法控制系統(tǒng)主要針對被控參數(shù)PV（又稱過程變量）與期望值SP（又稱給定值）之間產(chǎn)生的偏差e進行PID運算。其數(shù)學函數(shù)表達式為：6.3.1PID回路輸入、輸出轉換及標準化數(shù)據(jù)

（1）PID回路

S7-200為用戶提供了8條PID控制回路，回路號為0～7，即可以使用8條PID指令實現(xiàn)8個回路的PID運算。（2）回路輸入轉換及標準化數(shù)據(jù)每個PID回路有兩個輸入量，給定值（SP）和過程變量（PV）。在PID指令對這些物理量進行運算之前，必須對它們及其它輸入量進行標準化處理，即通過程序將它們轉換成標準的浮點型表達形式。（3）回路輸出值轉換成標定數(shù)據(jù)

PID回路輸出的是0.0~1.0之間標準化的實數(shù)值，回路輸出在驅動模擬執(zhí)行部件之前，必須將標準化的實數(shù)值轉換成一個16位的標定整數(shù)值。6.3.3正作用和反作用回路

為了保證系統(tǒng)實現(xiàn)負反饋，在控制對象、執(zhí)行機構的正反作用確定后，必須正確選擇PID控制器（回路）輸入與輸出之間的正、反作用。在程序設計時，如果選擇為正作用，PID輸出表達式為（回路增益）正號；如果選擇為反作用，PID輸出表達式（回路增益）為負號。對于增益值為0.0的I或D控制，如果設定積分時間、微分時間為正，就是正作用回路；如果設定其為負值，就是反作用回路。

由于系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)（執(zhí)行器、對象）輸入輸出之間的正反作用是由生產(chǎn)工藝需求決定的，因此，必須確定包括PID回路在內(nèi)的閉環(huán)控制系統(tǒng)為負反饋，才能保證控制質量指標。如果系統(tǒng)為正反饋，則系統(tǒng)輸出得不到控制，反而愈演愈烈甚至引起系統(tǒng)崩潰。6.3.5PID回路表

用于填寫PID運算公式的9個參數(shù)。回路表用來存放控制和監(jiān)視PID運算的參數(shù)，每個PID控制回路都有一個確定起始地址（TBL）的回路表。PID回路表6.3.6PID回路指令

PID運算通過PID回路指令來實現(xiàn)。

EN：啟動PID指令輸入信號；

TBL：PID回路表的起始地址（由變量存儲器VB指定字節(jié)性數(shù)據(jù)）；

LOOP：PID控制回路號（0～7）。指令功能：在輸入有效時，根據(jù)回路表（TBL）中的輸入配置信息，對相應的LOOP回路執(zhí)行PID回路計算，其結果經(jīng)回路表指定的輸出域輸出。注意：●在使用該指令前，必須建立回路表，因為該指令是以回路表TBL提供的過程變量、設定值、增益、積分時間、微分時間、輸出等進行運算的?！馪ID指令不檢查回路表中的一些輸入值，必須保證過程變量和設定值在0.0到1.0之間?！裨撝噶畋仨毷褂迷谝远〞r產(chǎn)生的中斷程序中?！袢绻鸓ID算術運算發(fā)生錯誤，則特殊存儲器標志位SM1.1置1，并且中止PID指令的執(zhí)行。6.3.7PID參數(shù)工程整定

在穩(wěn)定系統(tǒng)中，如果系統(tǒng)受到干擾，偏離了平衡狀態(tài)，但系統(tǒng)經(jīng)過控制器的調整仍然能夠恢復到一個新的穩(wěn)態(tài)（靜態(tài)），這個所謂的調整就是對PID參數(shù)進行設置。

如何確定PID算法中的比例增益Kp、積分時間Ti、微分時間Td（PID參數(shù)設置），是決定系統(tǒng)動態(tài)過程及靜態(tài)指標的重要因素。PID參數(shù)設置又稱為PID參數(shù)工程整定，常用的整定方法有臨界比例（度）法、衰減曲線法、反應曲線法及經(jīng)驗法。6.3.8PID控制回路的編程步驟

1）首先指定內(nèi)存變量區(qū)回路表的首地址（設為VB200）；

2）將設定值SPn（雙字，下同）、增益Kc、采樣時間Ts、積分時間Ti、微分時間Td寫入表中。

3）設置定時中斷初始化程序，PID指令必須使用在定時中斷程序中（中斷事件號為9或10）。

4）讀取過程變量模擬量（如AIW2），并進行回路輸入轉換及標準化處理后寫入回路表首單元VD200

；

5）執(zhí)行PID回路運算指令；

6）對PID回路運算的輸出結果單元VD208進行數(shù)據(jù)轉換后送入模擬量輸出。

參看教材圖6-11

PID回路表及定時0中斷初始化子程序實例

6.4PID指令向導

為了更方便地應用PID指令，在SETP7-Micro/WINV4.0編程環(huán)境中，提供