s7-200PLC编程及应用第7章200

1、第7章 PLC在模拟量闭环控制中的应用 7.1 7.1 闭环控制与闭环控制与PIDPID控制器控制器 7.1.1 模拟量闭环控制系统模拟量闭环控制系统 1模拟量闭环控制系统 被控量c(t)被传感器和变送器转换为标准量程的直流电流、电压信号PV(t)，AI模块中的A-D转换器将它们转换为多位二进制数过程变量PVn。SPn为设定值，误差en = SPn PVn。AO模块的D-A转换器将PID控制器的数字量输出值Mn转换为模拟量M(t)，再去控制执行机构。 PID程序的执行是周期性的操作，其间隔时间称为采样周期TS。 加热炉温度闭环控制系统举例。 2闭环控制的工作原理 闭环负反馈控制可以使过程变量P

2、Vn等于或跟随设定值SPn。假设实际温度值c(t)低于给定的温度值，误差en为正，M(t)将增大，使执行机构（电动调节阀）的开度增大，进入加热炉的天然气流量增加，加热炉的温度升高，最终使实际温度接近或等于设定值。 3闭环控制系统主要性能指标 系统进入并停留在稳态值c()上下5%（或2）的误差带内的时间tS称为调节时间。 被控量c(t)从0上升，第一次到达稳态值c()的时间称为上升时间tr。 稳态误差是指响应进入稳态后，输出量的期望值与实际值之差。 4闭环控制带来的问题 由于闭环中的滞后因素，PID控制器的参数整定得不好时，阶跃响应曲线将会产生很大的超调量，系统甚至会不稳定。 5闭环控制反馈极性

3、的确定 闭环控制必须保证系统是负反馈，如果系统接成了正反馈，将会失控。 调试时断开AO模块与执行机构之间的连线，在开环状态下运行PID控制程序。如果控制器有积分环节，因为反馈被断开了，AO模块的输出会向一个方向变化。这时如果假设接上执行机构，能减小误差，则为负反馈，反之为正反馈。 6变送器的选择 AI模块的电压输入端的输入阻抗很高，微小的干扰信号电流将在模块的输入阻抗上产生很高的干扰电压。远程传送的模拟量电压信号的抗干扰能力很差。 电流输出型变送器具有恒流源的性质，恒流源的内阻很大。PLC的AI模块的输入为电流时，输入阻抗较低，例如250。干扰信号在模块的输入阻抗上产生的干扰电压很低，模拟量电

4、流信号适用于远程传送。 四线制电流输出变送器有两根电源线和两根信号线。二线制变送器只有两根外部接线，它们既是电源线，也是信号线，输出420mA的信号电流。7.1.2 PID控制器的数字化 1连续控制系统中的PID控制器 KC是回路增益，TI和TD分别是积分时间和微分时间。TS是采样时间间隔。initialt0IC)()(1)()(MdttdeTdtteTteKtMD 2PID控制器的数字化 上式中的积分对应于图7-7中误差曲线e(t)与坐标轴包围的面积（图中的灰色部分）。一般用图7-7中的矩形面积之和来近似精确积分。 在误差曲线e(t)上作一条切线，该切线与 x 轴正方向的夹角 的正切值tg即

5、为该点处误差的一阶导数de(t)/dt。导数的近似表达式：数字PID控制器输出值的计算公式： 3反作用调节 在开环状态下，PID输出值控制的执行机构的输出增加使被控量增大的是正作用（加热炉）；使被控量减小的是反作用（空调压缩机）。把PID回路的增益KC设为负数，就可以实现PID反作用调节。7.1.3 PID指令向导的应用指令向导的应用 1用PID指令向导生成PID程序 双击项目树“向导”文件夹中的“PID”，打开“PID指令向导”对话框，完成每一步的操作后，单击“下一步”按钮。 1）设置PID回路的编号（07）为0。 2）设置回路给定值范围和回路参数。比例增益为2.0，积分时间为0.03min

6、，微分时间为0.01min，采样时间为0.2s。 3）设置回路输入量（过程变量PV）和回路输出量的极性均为默认的单极性，范围为默认的032000。 4）启用过程变量PV的上限报警功能，上限值为95%。 5）设置用来保存组态数据的120B的V存储区的起始地址为VB200。 6）采用默认的初始化子程序和中断程序的名称，选中多选框“增加PID手动控制”。 2回路表见表7-1。7.2 PID参数的整定方法参数的整定方法7.2.1 PID参数的物理意义参数的物理意义 1对比例控制作用的理解 PID控制器输出中的比例部分与误差成正比，增益太小，调节的力度不够，使调节时间过长。增益过大，调节力度太强，造成调

7、节过头，使被控量来回震荡，超调量过大。如果闭环系统没有积分作用，单纯的比例控制的稳态误差与增益成反比，很难兼顾动态性能和静态性能。 2对积分控制作用的理解 积分控制根据当时的误差值，每个采样周期都要微调PID的输出。只要误差不为零，控制器的输出就会因为积分作用而不断变化。积分部分的作用是消除稳态误差，提高控制精度。积分有滞后特性，积分作用太强，会使系统的动态性能变差，超调量增大。积分作用太弱，消除稳态误差的速度太慢。 3对微分控制作用的理解 微分项与误差的变化速率成正比，微分部分反映了被控量变化的趋势。 在图7-13中启动过程的上升阶段，被控量尚未超过其稳态值，超调还没有出现。但是因为被控量不

8、断增大，误差e(t)不断减小，控制器输出量的微分分量为负，使控制器的输出量减小，相当于减小了温度控制系统加热的功率，提前给出了制动作用，以阻止温度上升过快。 因此微分具有超前和预测的作用，适当的微分控制作用可以减小超调量，缩短调节时间。微分作用太强（TD太大），将会使响应曲线变化迟缓。 4采样周期的确定 确定采样周期时，应保证在被控量迅速变化的区段，有足够多的采样点，以保证不会因为采样点过稀而丢失被采集的模拟量中的重要信息。7.2.2 PID参数整定的规则参数整定的规则 1PID参数的整定方法 1）为了减少需要整定的参数，首先可以采用PI控制器。给系统输入一个阶跃给定信号，观察系统输出量的波形

9、。由PV的波形可以获得系统性能的信息，例如超调量和调节时间。 2）如果阶跃响应的超调量太大，经过多次振荡才能进入稳态或者根本不稳定，应减小控制器的增益KC或增大积分时间TI。 如果阶跃响应没有超调量，但是被控量上升过于缓慢，过渡过程时间太长，应按相反的方向调整上述参数。 3）如果消除误差的速度较慢，应适当减小积分时间，增强积分作用。 4）反复调节增益和积分时间，如果超调量仍然较大，可以加入微分作用，即采用PID控制。微分时间TD从0逐渐增大，反复调节KC、TI和TD，直到满足要求。需要注意的是在调节增益KC时，同时会影响到积分分量和微分分量的值，而不是仅仅影响到比例分量。 5）如果响应曲线第一

10、次到达稳态值的上升时间较长（上升缓慢），可以适当增大增益KC。如果因此使超调量增大，可以通过增大积分时间和调节微分时间来补偿。 2怎样确定PID控制器的初始参数 为了保证系统的安全，避免在首次投入运行时出现系统不稳定或超调量过大的异常情况，在第一次试运行时增益不要太大，积分时间不要太小，以保证不会出现较大的超调量。试运行后根据响应曲线的特征和调整PID控制器参数的规则，来修改控制器的参数。 7.2.3 PID参数整定的实验参数整定的实验 用作者编写的子程序“被控对象”来模拟PID闭环中的被控对象（见图7-15），被控对象的数学模型为3个串联的惯性环节，其增益为GAIN，3个惯性环节的时间常数分

11、别为TIM1TIM3。DISV是系统的扰动输入值。 主程序中T37和T38组成了方波振荡器，用来提供周期为60s、幅值为20.0%和70.0%的方波设定值。在主程序中调用PID向导生成的子程序PID0_CTRL。CPU按PID向导中组态的采样周期调用PID中断程序PID_EXE，在 PID_EXE中执行PID运算。PID_EXE占用了定时中断0，模拟被控对象的中断程序INT_0使用定时中断1。 设定值Setpoint_R是以百分数为单位的浮点数。Auto_Manual（I0.0）为ON时为自动模式。 实际的PID控制程序不需要调用子程序“被控对象”，在主程序中只需要调用子程序PID0_CTRL

12、，其输入参数PV_I应为实际使用的AI模块的通道地址（例如AIW0），其输出参数Output应为实际使用的AO模块的通道地址（例如AQW0）。 5PID调节控制面板 操作要点：用左下角的单选框选中“手动调节”，用图形区下面的“当前PID”选择框选中要调试的回路。接通I0.0外接的小开关，出现3条曲线。 在左边的“调节参数”区输入新的参数，单击“更新PLC”按钮，将参数写入PLC。 6PID闭环控制仿真演示 初始参数为KC=2.0，TI=0.03，TD=0.01，超调量大。 TI增大为0.12min，超调量减小。 KC和TI不变，TD=0.00，超调量增大。所以适当的微分能减小超调量。 KC不变

13、，TI=0.06，TD=0.08，超调量比TD=0.01时大，反应迟缓。 令TI=0.1，TD=0.00（PI），KC=0.7比KC=2.5的超调量小，但是上升时间长。 将增益由0.7增大到1.5，减少了上升时间，但是超调量增大到16%。将积分时间增大到0.3min，超调量减小到13%。但是因为减弱了积分作用，在设定值减小后，过程变量下降的速度太慢。 将TI减小到0.15min，反复调节微分时间，在0.01min时效果较好。 7.3 PID参数自整定参数自整定7.3.1 自整定的基本方法与自整定过程自整定的基本方法与自整定过程 起动自整定之前，控制过程应处于稳定状态，过程变量接近设定值。自动确

14、定了滞后值和偏差值之后，PID的输出量多次阶跃变化，开始执行自整定过程。自整定过程完成后，回路的输出将恢复到初始值，开始正常的PID计算。7.3.2 PID参数自整定实验参数自整定实验 1实验的准备工作 将例程“PID参数自整定”下载到CPU，令PLC处于RUN模式。 自整定实验全部采用默认的参数设置，自动计算滞后和偏差值。 被控对象的增益为3.0，两个惯性环节的时间常数为2s和5s。采样周期为0.2s。令I0.0为ON，采用“自动调节”模式。用I0.3外接的小开关使给定值SP在0.0%和70.0%之间切换。 2第一次PID参数自整定实验演示 增益为2.0、积分时间为0.025min，微分时间为0.005min。 用I0.3外接的小开关使设定值SP从0.0%跳变到70.0%，过程变量PV曲线的超调量太大，衰减震荡的时间太长。在过程变量曲线PV沿设定值SP曲线上下小幅波动，这两条曲线几乎重合时，单击“开始自动调节”按钮，启动自动整定过程。 显示“调节算法正常完成，算法建议的调节参数已经可用”时，进入正常的PID控制，“调节参数”区给出了PID参数的建议值。 单击“更新