模拟量PID温度控制系统设计(人机界面)PPT课件

可编程控制器应用技术 模拟量 温度 PID控制系统 一 闭环控制系统组成 一般来说 一个闭环控制系统主要有以下基本元件或装置组成 1 被控对象自动控制系统需要进行控制的机器 设备或生产过程 2 被控变量被控对象内要求实现自动控制的物理量 3 检测元件对系统输出量进行测量的装置 4 比较元件对系统的输出量和输入量 给定值 进行比较 给出偏差信号 5 控制器将偏差信号进行控制运算的部件 产生控制信号操纵执行元件改善系统性能 是闭环控制系统的核心 6 放大元件对微弱偏差信号或控制器的输出信号进行放大 使之可输出足够的功率 7 执行元件根据控制器的输出 改变被控变量的大小 使被控制的输出量与给定的输入量一致 典型闭环控制系统的基本组成如下图 1 1S7 200PLC的PID回路控制指令 二 闭环控制系统性能指标 一般说来 对闭环控制系统性能指标的基本要求可以归纳为三个字 稳 准 快 稳 是指系统的稳定性 即系统从一种平衡状态到新的平衡状态时 具有较小的超调和振荡性 稳定性是系统重新恢复平衡状态的能力 任何一个能够正常工作的控制系统 首先必须是稳定的 准 是指系统的准确性 是对系统稳态 静态 性能的要求 对一个稳定的系统而言 过渡过程结束后 系统输出量的实际值与期望值之差称为稳态误差 它是衡量系统控制精度的重要指标 稳态误差越小 表示系统的准确性越好 控制精度越高 快 是指系统反应的快速性 是对系统动态性能 过渡过程性能 的要求 快速指系统运动到新的平衡状态所需要的调节时间较短 动态性能是衡量系统质量高低的重要指标 同一个系统 上述三项性能指标之间往往是相互制约的 比如提高过渡过程的快速性 可能会引起系统强烈振荡 改善了平稳性 控制过程又可能很迟缓 甚至使最终精度也很差 1 1S7 200PLC的PID回路控制指令 闭环控制系统动态性能指标 t 1 1S7 200PLC的PID回路控制指令 三 PID算法 在工程实际中 应用最为广泛的控制器控制规律为比例控制 积分控制 微分控制 简称PID控制 又称PID调节 PID是比例 Proportional 积分 Integral 微分 Derivative 首字母的缩写 PID控制是自动控制系统中技术最成熟 应用最广泛的控制方式 PID控制器问世至今已有近70年历史 它以其结构简单 稳定性好 工作可靠 调整方便而成为工业控制的主要技术之一 1 1S7 200PLC的PID回路控制指令 1 1S7 200PLC的PID回路控制指令 三 PID控制算法 运行PID控制指令 S7 200将根据参数表中的输入测量值 控制设定值及PID参数 进行PID运算 求得输出控制值 S7 200的PID控制由PID控制回路参数表设定 该表中有9个参数 全部为32位的实数 占用36个字节 典型的PID算法包括三项 比例项 积分项和微分项 即 输出 比例项 积分项 微分项 计算机在周期性地采样并离散化后进行PID运算 算法如下 Mn Kc SPn PVn Kc Ts Ti SPn PVn Mx Kc Td Ts PVn 1 PVn 其中各参数的含义如下表中描述 1 1S7 200PLC的PID回路控制指令 三 PID控制算法 1 1S7 200PLC的PID回路控制指令 三 PID控制算法 比例项Kc SPn PVn 能及时地产生与偏差 SPn PVn 成正比的调节作用 比例系数Kc越大 比例调节作用越强 系统的稳态精度越高 但Kc过大会使系统的输出量振荡加剧 稳定性降低 积分项Kc Ts Ti SPn PVn Mx 与偏差有关 只要偏差不为0 PID控制的输出就会因积分作用而不断变化 直到偏差消失 所以积分的作用是消除稳态误差 提高控制精度 但积分动作缓慢 给系统的动态稳定带来不良影响 很少单独使用 从式中可以看出 积分时间常数增大 积分作用减弱 消除稳态误差的速度减慢 微分项Kc Td Ts PVn 1 PVn 根据误差变化的速度 即误差的微分 进行调节 具有超前和预测的特点 微分时间常数Td增大时 超调量减少 动态性能得到改善但 如果Td过大 系统输出量在接近稳态时可能上升缓慢 1 1S7 200PLC的PID回路控制指令 四 S7 200PID控制回路选项 在很多控制系统中 有时只采用一种或两种控制回路 例如 可能只要求比例控制回路或比例和积分控制回路 S7 200的PID算法通过设置常量参数值来选择所需的控制回路 1 如果不需要积分回路 即在PID计算中无 I 则应将积分时间Ti设为无限大 由于积分项Mx的初始值 虽然没有积分运算 积分项的数值也可能不为零 2 如果不需要微分运算 即在PID计算中无 D 则应将微分时间Td设定为0 0 3 如果不需要比例运算 即在PID计算中无 P 但需要I或ID控制 则应将比例增益值Kc指定为0 0 因为Kc是计算积分和微分项公式中的系数 将比例增益设为0 0会导致在积分和微分项计算中使用的比例增益值Kc为1 0 1 1S7 200PLC的PID回路控制指令 五 回路输入量的转换和标准化 每个回路的给定值和过程变量都是实际数值 其大小 范围和工程单位可能不同 在PLC进行PID控制之前 必须将其转换成标准化浮点表示法 步骤如下 1 将实际16位整数转换成32位浮点数或实数 程序如下 XORDAC0 AC0 将AC0清0ITDAIW0 AC0 将输入数值转换成双字DTRAC0 AC0 将32位整数转换成实数 2 将实数转换成0 0至1 0之间的标准化数值 用下式 实际数值的标准化数值 实际数值的非标准化数值或原始实数 取值范围 偏移量其中 取值范围 最大可能数值 最小可能数值 32000 单极性数值 或64000 双极性数值 偏移量 对单极性数值取0 0 对双极数值取0 5 1 1S7 200PLC的PID回路控制指令 五 回路输入量的转换和标准化 如将上述AC0中的双极数值 取值范围为64 000 标准化 程序如下 R64000 0 AC0 使累加器中的数值标准化 R0 5 AC0 加偏移量0 5MOVRAC0 VD100 将标准化数值写入PID回路参数表中 1 1S7 200PLC的PID回路控制指令 六 PID回路输出转换为成比例的整数 程序执行后 PID回路输出0 0和1 0之间的标准化实数数值 必须被转换成16位成比例整数数值 才能驱动模拟输出 PID回路输出成比例实数数值 PID回路输出标准化实数值 偏移量 取值范围其中的偏移量和取值范围含义与 回路输入量的转换和标准化 相同 程序如下 MOVRVD108 AC0 将PID回路输出送入AC0 R0 5 AC0 双极数值减偏移量0 5 R64000 0 AC0 AC0的值乘以取值范围 变为成比例实数数值ROUNDAC0 AC0 将实数四舍五入取整 变为32位整数DTIAC0 AC0 32位整数转换成16位整数MOVWAC0 AQW0 16位整数写入AQW0 1 1S7 200PLC的PID回路控制指令 七 S7 200的PID回路控制指令的使用 S7 200可以通过两种方式使用PID指令设置回路参数表后 直接在程序中调用PID指令通过STEP 7Micro WIN的指令向导使用PID指令 1 PID指令PID指令格式如表6 9所示 使能输入有效时 根据回路参数表 TBL 中的输入测量值 控制设定值及PID参数进行PID计算 表6 9PID指令格式 表6 9PID指令格式 1 1S7 200PLC的PID回路控制指令 特别提示 1 程序中可使用八条PID指令 分别编号0 7 不能重复使用 2 使PID指令的ENO 0的错误条件 0006 间接地址 SM1 1 溢出 参数表起始地址或指令中指定的PID回路指令号码操作数超出范围 3 PID指令不对参数表输入值进行范围检查 必须保证过程变量和给定值积分项前值和过程变量前值在0 0和1 0之间 七 S7 200的PID回路控制指令的使用 1 1S7 200PLC的PID回路控制指令 2 PID指令向导选择PID向导选择需要配置的PID回路号设定PID回路参数设定回路输入输出参数设定回路报警选项分配PID运算数据存储区定义向导所生成的PID初使化子程序和中断程序名及手 自动模式生成PID子程序 中断程序及符号表等配置完PID向导 在程序中调用向导生成的PID子程序实际运行并调试PID参数 七 S7 200的PID回路控制指令的使用 举例 1 控制任务一恒压供水水箱 通过变频器驱动的水泵供水 维持水位在满水位的70 过程变量PVn为水箱的水位 由水位检测计提供 设定值为70 PID输出控制变频器 即控制水箱注水调速电机的转速 要求开机后 先手动控制电机 水位上升到70 时 转换到PID自动调节 2 PID回路参数表 1 1S7 200PLC的PID回路控制指令 1 2温度PID控制系统计 1 2温度PID控制系统计 1 2温度PID控制系统计 PLC程序设计调用初始化程序初始化相关PID参数等为了加热均匀 考虑使用循环水泵开始后即每隔一定时间 TS采样时间 采样时间间隔采用定时器实现加中断实现 在中断处理程序中调用PID指令