1、第9章 S7-300/400在模拟量闭环控制中的应用,9.1 基本概念 9.1.1 模拟量闭环控制系统的组成1.典型的PLC模拟量闭环控制系统的组成典型的PLC模拟量单闭环控制系统如图9-1所示，虚线中的部分是用PLC实现的。在模拟量闭环控制系统中，被控量C(t)(例如压力、温度、流量、转速等)是连续变化的模拟量，大多数执行机构（例如晶闸管调速装置、电动调节阀和变频器等）要求PLC输出模拟信号MV(t),而PLC的CPU只能处理数字量。C(t)首先被测量元件（传感器）和变送器转换为标准的直流电流信号或直流电压信号PV(t),例如420m A ,1，用A/D转换器将它们转换为数字量PV(n).,
2、区践橡捆衙穗镰蟹寡冈冶灿摘官匈度叉慰耐画伏潘默藉视瓦赫钙议纵入垢S7-200PLC教程第9章模拟量闭环控制的应用S7-200PLC教程第9章模拟量闭环控制的应用,与榴或夸童共申侩雕凯秉绩蛾塑丈忱厚晚岳阉讲谢鸯滨咎棉层进妹滔风渭S7-200PLC教程第9章模拟量闭环控制的应用S7-200PLC教程第9章模拟量闭环控制的应用,模拟量与数字量之间的相互转换和PID程序的执行都是周期性的操作，其间隔时间称为采样周期TS。各数字量括号中的n表示该变量是第n次采样计算时的数字量。图9-1中的SP(n)是给定值，PV(n)为A/D转换后的反馈量，误差Ev(n)=SP(n)-PV(n)。D/A转换器将PID控
3、制器输出的数字量M (n)转换为模拟量（直流电压或直流电流）Mv(t),再去控制执行机构。例如在加热炉温度闭环控制系统中，用热电偶检测炉温，温度变送器将热电偶输出的微弱的电压信号转换为标准量程的电流或电压，然后送给模拟量输入模块，经A/D转换后得到与温度成比例的数字量，COU将它与温度设定值比较，并按某种控制规律（例如PID控制算法）对误差值进行运算，将运算结果（数字量）送给模拟量输出模块，经D/A转换后变为电流信号或电压信号，用来控制电动调节阀的开度，通过它控制加热用的天然气的流量，实现对温度的闭环控制。C(t)为系统的输出量，即被控量，例如加热炉中的温度。,谗噪敝与谤像钉沽碗晃帐赫彭皆衫贺
4、姥各痈谊倾森酝问绰纹禄聚事憾估夺S7-200PLC教程第9章模拟量闭环控制的应用S7-200PLC教程第9章模拟量闭环控制的应用,模拟量控制系统分为恒值控制系统和随动系统。恒值控制系统的给定值由操作人员提供，一般很少变化，例如温度控制系统，转速控制系统等。随动系统的输入量是不断变化的随机变量，例如高射炮的瞄准控制系统和电动调节阀的开度控制系统就是典型的随动系统。闭环负反馈控制可以使控制系统的反馈量PV(n)等于或跟随给定值SP(n)。以炉温控制系统为例，假设输出的温度值C(t)低于给定的温度值，反馈量PV(n)小于给定值SP(n)，误差Ev(n)为正，控制器的输出量Mv(t)将增大，使执行机构
5、（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给定值。,蚀淋锌挛障远协丧滨阑企喘顿河踪品弃落碑入踊曼凯幸檀房泽措尘玫缠眉S7-200PLC教程第9章模拟量闭环控制的应用S7-200PLC教程第9章模拟量闭环控制的应用,天然气压力的波动、工件进入加热炉，这些因素称为扰动量，它们会破坏炉温的稳定。闭环控制可以有效地抑制闭环中各种扰动的影响，使被控量趋近于给定值。闭环控制系统的结构简单，容易实现自动控制，因此在各个领域得到了广泛的应用。,者笋树磅慧考喇廷湘须练监燕慑势望习变蔓译坊奔庙岿铺量粹意健剥患贵S7-200PLC教程第9章模拟量闭环控制的应用S
6、7-200PLC教程第9章模拟量闭环控制的应用,2.变送器的选择 变送器用于将传感器提供的电量或非电量转换为标准的直流电流或直流电压信号，例如DC010V和420mA。变送器分为电流输出型和电压输出型，电压输出型变送器具有恒压源的性质，PLC模拟量输入模块的电压输入端的输入阻抗很高，例如100k10M。如果变送器距离PLC较远，通过线路间的分布电容和分布电感产生的干扰信号电流在模块的输入阻抗上将产生较高的干扰电压。例如1A干扰电流在10 M输入阻抗上将产生10V的干扰电压信号，所以远程传送模拟量电压信号时抗干扰能力很差。,二线式 变送器,420mA,250,模拟量 输入模块,图6-6 二线式变
7、送器,尤姆常祁樱钳筏筏会洞智药剂刻烛闽舶咖籍延于哩粹慕悬藤丹晕魄甄瑟樱S7-200PLC教程第9章模拟量闭环控制的应用S7-200PLC教程第9章模拟量闭环控制的应用,电流输出具有恒流源的性质，恒流源的内阻很大。PLC的模拟量输入模块输入电流时，输入阻抗较低（例如250）。线路上的干扰信号在模块的输入阻抗上产生的干扰电压很低，所以模拟量电流信号适于远程传送。 电流传送比电压传送的传送距离远得多，S7-200的模拟量输入模块使用屏蔽电缆信号线时允许的最大距离为200m。 变送器分为二线式和三线式，三线式变送器有3根线：电源线、信号线和公共线。二线式变送器只有两根外部接线，它们既是电源线，也是信号
8、线，输出420 mA的信号电流，DC24V电源串接在回路中。通过调试，在被检测信号满量程时输出电流为20 mA。二线式变送器的接线少，信号可以远传，在工业中得到了广泛的应用。,裴矗涩摊眼剂族棕穴牲遏息滚闽釜与颓魄峭殊涸涡妥撵澜灾迈逸冤襄身真S7-200PLC教程第9章模拟量闭环控制的应用S7-200PLC教程第9章模拟量闭环控制的应用,9.1.2 主要性能指标由于给定输入信号或扰动输入信号的变化，系统的输入量达到稳态值之前的过程称为过渡过程或动态过程。系统的动态性能常用阶跃响应（阶跃输入时输出量的变化）的参数来描述。阶跃输入信号在t=0之前为0，t0时为某一恒定值。 输出量第一次达到稳态值的时
9、间tr称为上升时间，上升时间反映了系统在响应初期的快速性。,饭豌客丸恭倔邵邦涡栈已缎怕洛仑排徒汗枯讲悬帘房畏伪元寅苦扯叮剥卉S7-200PLC教程第9章模拟量闭环控制的应用S7-200PLC教程第9章模拟量闭环控制的应用,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，到达调节时间表示过渡过程已基本结束。 设动态过程中输出量的最大值为cmax（t）,如果它大于输出量的稳态值c()，超调量超调量反映了系统的相对稳定性，它越小动态稳定性越好，一般希望超调量小于10%。 系统的稳态误差是进入稳态后的期望值与实际值之差，它反映了系统的稳态精度。,脱戎缸泵历腾岛晦棱闽房斤
10、砌南所彩龋系柱丘河缎贩妮协鉴剑徘烽敖痴颂S7-200PLC教程第9章模拟量闭环控制的应用S7-200PLC教程第9章模拟量闭环控制的应用,9.1.3 闭环控制反馈极性的确定,闭环控制必须保证系统是负反馈（误差=给定值-反馈值），而不是正反馈（误差=给定值+反馈值）。如果系统接成了正反馈，将会失控，被控量会往单一方向增大或减小，给系统的安全带来极大的威胁。 闭环控制系统的反馈极性与很多因素有关，例如因为接线改变了变送器输出电流或输出电压的极性，在PID控制程序中改变了误差的计算公式，改变了某些直线位移传感器或转角位移传感器的安装方向，都会改变反馈的极性。,踊蔼猫颂摧兽讹示狂苏拳醋妹贝蘸毋意若骨靛
11、硫嗅爵沽淬缘椰宴啡痊蔽棚S7-200PLC教程第9章模拟量闭环控制的应用S7-200PLC教程第9章模拟量闭环控制的应用,可以用下述的方法来判断反馈的极性：在调试时断开D/A转换器与执行机构之间的连线，在开环状态下运行PID控制程序。如果控制器中有积分环节，因为反馈被断开了，不能消除误差，这时D/A转换器的输出电压会向一个方向变化。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。 以温度控制系统为例，假设开环运行时给定值大于反馈值，若D/A转换器的输出值不断增大，如果形成闭环，将使电动调节阀的开度增大，闭环后温度反馈值将会增大，使误差减小，由此可以判定系统是负反馈。,愈咸搁昌帖
12、寸既纲粹扯驹宴因添息他烬猩畴道渗啮蔼羚涪傲考驴搐攘补封S7-200PLC教程第9章模拟量闭环控制的应用S7-200PLC教程第9章模拟量闭环控制的应用,9.2 数字控制器 9.2.1PID控制器的优点 PID是比例、微分、积分的缩写，PID控制器是应用最广的闭环控制器，有人估计现在有90以上的闭环控制采用PID控制器。这是因为PID控制具有以下的优点： 不需要被控对象的数学模型 结构简单，容易实现 有较强的灵活性和适应性 使用方便,琵道捐连惰迈除即嵌缀噬抨宰动驴讽穗傻飞隐挽诈梦谦渣灵啊肢谅狸腔曙S7-200PLC教程第9章模拟量闭环控制的应用S7-200PLC教程第9章模拟量闭环控制的应用,9
13、.2.2 PID控制器的数字化,PID控制器调节输出，保证偏差（e）为零，使系统达到稳定状态，偏差（e）是给定值（SP）和过程变量（PV）的差。PID控制的原理基于下面的算式；输出M（t）是比例项、积分项和微分项的函数。 输出= 比例项+ 积分项+ 微分项,函揽汝睦崎鞘兵丸聋顷傲匹耐鸡冯耗挽神双凳倪羡摔槐捡冤是索敲挟率堕S7-200PLC教程第9章模拟量闭环控制的应用S7-200PLC教程第9章模拟量闭环控制的应用,9.3 S7-300/400在模拟量闭环控制功能,9.3.1 实现方法1. 闭环控制2.用于闭环控制的系统功能块3.闭环控制软件包 9.3.2 使用系统功能块实现闭环控制,寝讣京隘
14、军企盟皇爪瓜悠相岩晤癌捞氮念航晤只坤俩叁颤弦悲植以骂汲祷S7-200PLC教程第9章模拟量闭环控制的应用S7-200PLC教程第9章模拟量闭环控制的应用,9.4 连续PID控制器,9.4.1 设定值和过程变量的处理,玫谭惑簿询郝弃疚樊慰冶炭典豢件拽蘑赐饯尤腺盒悼聚翱湛祟泳拿凑如帮S7-200PLC教程第9章模拟量闭环控制的应用S7-200PLC教程第9章模拟量闭环控制的应用,1.设定值的输入2.过程变量的输入3.外部设备过程变量转换为实数4.外部设备过程变量的格式化 9.4.2 PID 控制算法 9.4.3 控制器输出值的处理,譬推仗丰记刨足规躁违惑俐悼咒养溺董侣敬操汐管嚷帆间佑哩邹随痕奶衙S7-200PLC教程第9章模拟量闭环控制的应用S7-200PLC教程第9章模拟量闭环控制的应用,
