1、第7章 PLC在模擬量閉環控制中的應用 7.1 7.1 閉環控制與閉環控制與PIDPID控制器控制器 7.1.1 模擬量閉環控制系統模擬量閉環控制系統 1模擬量閉環控制系統 被控量c(t)被傳感器和變送器轉換為標準量程的直流電流、電壓信號PV(t)，AI模塊中的A-D轉換器將它們轉換為多位二進制數過程變量PVn。SPn為設定值，誤差en = SPn PVn。AO模塊的D-A轉換器將PID控制器的數字量輸出值Mn轉換為模擬量M(t)，再去控制執行機構。 PID程序的執行是周期性的操作，其間隔時間稱為采樣周期TS。 加熱爐溫度閉環控制系統舉例。 2閉環控制的工作原理 閉環負反饋控制可以使過程變量P

2、Vn等于或跟隨設定值SPn。假設實際溫度值c(t)低于給定的溫度值，誤差en為正，M(t)將增大，使執行機構（電動調節閥）的開度增大，進入加熱爐的天然氣流量增加，加熱爐的溫度升高，最終使實際溫度接近或等于設定值。 3閉環控制系統主要性能指標 系統進入并停留在穩態值c()上下5%（或2）的誤差帶內的時間tS稱為調節時間。 被控量c(t)從0上升，第一次到達穩態值c()的時間稱為上升時間tr。 穩態誤差是指響應進入穩態后，輸出量的期望值與實際值之差。 4閉環控制帶來的問題 由于閉環中的滯后因素，PID控制器的參數整定得不好時，階躍響應曲線將會產生很大的超調量，系統甚至會不穩定。 5閉環控制反饋極性

3、的確定 閉環控制必須保證系統是負反饋，如果系統接成了正反饋，將會失控。 調試時斷開AO模塊與執行機構之間的連線，在開環狀態下運行PID控制程序。如果控制器有積分環節，因為反饋被斷開了，AO模塊的輸出會向一個方向變化。這時如果假設接上執行機構，能減小誤差，則為負反饋，反之為正反饋。 6變送器的選擇 AI模塊的電壓輸入端的輸入阻抗很高，微小的干擾信號電流將在模塊的輸入阻抗上產生很高的干擾電壓。遠程傳送的模擬量電壓信號的抗干擾能力很差。 電流輸出型變送器具有恒流源的性質，恒流源的內阻很大。PLC的AI模塊的輸入為電流時，輸入阻抗較低，例如250。干擾信號在模塊的輸入阻抗上產生的干擾電壓很低，模擬量電

4、流信號適用于遠程傳送。 四線制電流輸出變送器有兩根電源線和兩根信號線。二線制變送器只有兩根外部接線，它們既是電源線，也是信號線，輸出420mA的信號電流。7.1.2 PID控制器的數字化 1連續控制系統中的PID控制器 KC是回路增益，TI和TD分別是積分時間和微分時間。TS是采樣時間間隔。initialt0IC)()(1)()(MdttdeTdtteTteKtMD 2PID控制器的數字化 上式中的積分對應于圖7-7中誤差曲線e(t)與坐標軸包圍的面積（圖中的灰色部分）。一般用圖7-7中的矩形面積之和來近似精確積分。 在誤差曲線e(t)上作一條切線，該切線與 x 軸正方向的夾角 的正切值tg即

5、為該點處誤差的一階導數de(t)/dt。導數的近似表達式：數字PID控制器輸出值的計算公式： 3反作用調節 在開環狀態下，PID輸出值控制的執行機構的輸出增加使被控量增大的是正作用（加熱爐）；使被控量減小的是反作用（空調壓縮機）。把PID回路的增益KC設為負數，就可以實現PID反作用調節。7.1.3 PID指令向導的應用指令向導的應用 1用PID指令向導生成PID程序 雙擊項目樹“向導”文件夾中的“PID”，打開“PID指令向導”對話框，完成每一步的操作后，單擊“下一步”按鈕。 1）設置PID回路的編號（07）為0。 2）設置回路給定值范圍和回路參數。比例增益為2.0，積分時間為0.03min

6、，微分時間為0.01min，采樣時間為0.2s。 3）設置回路輸入量（過程變量PV）和回路輸出量的極性均為默認的單極性，范圍為默認的032000。 4）啟用過程變量PV的上限報警功能，上限值為95%。 5）設置用來保存組態數據的120B的V存儲區的起始地址為VB200。 6）采用默認的初始化子程序和中斷程序的名稱，選中多選框“增加PID手動控制”。 2回路表見表7-1。7.2 PID參數的整定方法參數的整定方法7.2.1 PID參數的物理意義參數的物理意義 1對比例控制作用的理解 PID控制器輸出中的比例部分與誤差成正比，增益太小，調節的力度不夠，使調節時間過長。增益過大，調節力度太強，造成調

7、節過頭，使被控量來回震蕩，超調量過大。如果閉環系統沒有積分作用，單純的比例控制的穩態誤差與增益成反比，很難兼顧動態性能和靜態性能。 2對積分控制作用的理解 積分控制根據當時的誤差值，每個采樣周期都要微調PID的輸出。只要誤差不為零，控制器的輸出就會因為積分作用而不斷變化。積分部分的作用是消除穩態誤差，提高控制精度。積分有滯后特性，積分作用太強，會使系統的動態性能變差，超調量增大。積分作用太弱，消除穩態誤差的速度太慢。 3對微分控制作用的理解 微分項與誤差的變化速率成正比，微分部分反映了被控量變化的趨勢。 在圖7-13中啟動過程的上升階段，被控量尚未超過其穩態值，超調還沒有出現。但是因為被控量不

8、斷增大，誤差e(t)不斷減小，控制器輸出量的微分分量為負，使控制器的輸出量減小，相當于減小了溫度控制系統加熱的功率，提前給出了制動作用，以阻止溫度上升過快。 因此微分具有超前和預測的作用，適當的微分控制作用可以減小超調量，縮短調節時間。微分作用太強（TD太大），將會使響應曲線變化遲緩。 4采樣周期的確定 確定采樣周期時，應保證在被控量迅速變化的區段，有足夠多的采樣點，以保證不會因為采樣點過稀而丟失被采集的模擬量中的重要信息。7.2.2 PID參數整定的規則參數整定的規則 1PID參數的整定方法 1）為了減少需要整定的參數，首先可以采用PI控制器。給系統輸入一個階躍給定信號，觀察系統輸出量的波形

9、。由PV的波形可以獲得系統性能的信息，例如超調量和調節時間。 2）如果階躍響應的超調量太大，經過多次振蕩才能進入穩態或者根本不穩定，應減小控制器的增益KC或增大積分時間TI。 如果階躍響應沒有超調量，但是被控量上升過于緩慢，過渡過程時間太長，應按相反的方向調整上述參數。 3）如果消除誤差的速度較慢，應適當減小積分時間，增強積分作用。 4）反復調節增益和積分時間，如果超調量仍然較大，可以加入微分作用，即采用PID控制。微分時間TD從0逐漸增大，反復調節KC、TI和TD，直到滿足要求。需要注意的是在調節增益KC時，同時會影響到積分分量和微分分量的值，而不是僅僅影響到比例分量。 5）如果響應曲線第一

10、次到達穩態值的上升時間較長（上升緩慢），可以適當增大增益KC。如果因此使超調量增大，可以通過增大積分時間和調節微分時間來補償。 2怎樣確定PID控制器的初始參數 為了保證系統的安全，避免在首次投入運行時出現系統不穩定或超調量過大的異常情況，在第一次試運行時增益不要太大，積分時間不要太小，以保證不會出現較大的超調量。試運行后根據響應曲線的特征和調整PID控制器參數的規則，來修改控制器的參數。 7.2.3 PID參數整定的實驗參數整定的實驗 用作者編寫的子程序“被控對象”來模擬PID閉環中的被控對象（見圖7-15），被控對象的數學模型為3個串聯的慣性環節，其增益為GAIN，3個慣性環節的時間常數分

11、別為TIM1TIM3。DISV是系統的擾動輸入值。 主程序中T37和T38組成了方波振蕩器，用來提供周期為60s、幅值為20.0%和70.0%的方波設定值。在主程序中調用PID向導生成的子程序PID0_CTRL。CPU按PID向導中組態的采樣周期調用PID中斷程序PID_EXE，在 PID_EXE中執行PID運算。PID_EXE占用了定時中斷0，模擬被控對象的中斷程序INT_0使用定時中斷1。 設定值Setpoint_R是以百分數為單位的浮點數。Auto_Manual（I0.0）為ON時為自動模式。 實際的PID控制程序不需要調用子程序“被控對象”，在主程序中只需要調用子程序PID0_CTRL

12、，其輸入參數PV_I應為實際使用的AI模塊的通道地址（例如AIW0），其輸出參數Output應為實際使用的AO模塊的通道地址（例如AQW0）。 5PID調節控制面板 操作要點：用左下角的單選框選中“手動調節”，用圖形區下面的“當前PID”選擇框選中要調試的回路。接通I0.0外接的小開關，出現3條曲線。 在左邊的“調節參數”區輸入新的參數，單擊“更新PLC”按鈕，將參數寫入PLC。 6PID閉環控制仿真演示 初始參數為KC=2.0，TI=0.03，TD=0.01，超調量大。 TI增大為0.12min，超調量減小。 KC和TI不變，TD=0.00，超調量增大。所以適當的微分能減小超調量。 KC不變

13、，TI=0.06，TD=0.08，超調量比TD=0.01時大，反應遲緩。 令TI=0.1，TD=0.00（PI），KC=0.7比KC=2.5的超調量小，但是上升時間長。 將增益由0.7增大到1.5，減少了上升時間，但是超調量增大到16%。將積分時間增大到0.3min，超調量減小到13%。但是因為減弱了積分作用，在設定值減小后，過程變量下降的速度太慢。 將TI減小到0.15min，反復調節微分時間，在0.01min時效果較好。 7.3 PID參數自整定參數自整定7.3.1 自整定的基本方法與自整定過程自整定的基本方法與自整定過程 起動自整定之前，控制過程應處于穩定狀態，過程變量接近設定值。自動確

14、定了滯后值和偏差值之后，PID的輸出量多次階躍變化，開始執行自整定過程。自整定過程完成后，回路的輸出將恢復到初始值，開始正常的PID計算。7.3.2 PID參數自整定實驗參數自整定實驗 1實驗的準備工作 將例程“PID參數自整定”下載到CPU，令PLC處于RUN模式。 自整定實驗全部采用默認的參數設置，自動計算滯后和偏差值。 被控對象的增益為3.0，兩個慣性環節的時間常數為2s和5s。采樣周期為0.2s。令I0.0為ON，采用“自動調節”模式。用I0.3外接的小開關使給定值SP在0.0%和70.0%之間切換。 2第一次PID參數自整定實驗演示 增益為2.0、積分時間為0.025min，微分時間為0.005min。 用I0.3外接的小開關使設定值SP從0.0%跳變到70.0%，過程變量PV曲線的超調量太大，衰減震蕩的時間太長。在過程變量曲線PV沿設定值SP曲線上下小幅波動，這兩條曲線幾乎重合時，單擊“開始自動調節”按鈕，啟動自動整定過程。 顯示“調節算法正常完成，算法建議的調節參數已經可用”時，進入正常的PID控制，“調節參數”區給出了PID參數的建議值。 單擊“更新