PLC教程理论篇之PLC用于过程控制三

1、PLC教程理论篇之PLC 用于过程控制三1、 控制目的一是，使系统的某个量保持恒值，即，要求可控系统在受到扰动时，其调节量仍能保持在设定值附近，基本上不变。这种控制称为镇定控制，或称自动调节。二是，使系统的状态按预先给定的方式随时间，或按预定的程序变化，这种控制称为程序控制。三是，使系统的状态按外来信号的变化而变化，这种控制称为随动控制。随动控制在实施控制以前不知道控制程序所需要的全部信息，但可以在控制系统运行期间获得这些必要的信息。四是，使控制系统在满足一组约束条件下，目标函数值取极大值或极小值，即使系统的某一参数达到最优值，这种控制称为最优控制。五是，使系统适应内外环境的变化，始终处于最有

2、利的状态下运行，这种控制称为自适应控制。适应控制往往需要一个学习和记忆的过程，通常采用搜索法来选择系统最有利的运行状态。六是，使系统在对抗中取胜。在军事、经济、生态等系统中存在着竞争现象。这种系统往往出现两个受控部分的交互作用。在实施控制时要考虑对方的反作用。因而控制策略由两部分组成：要对竞争中出现的情况迅速作出反应。采用最优策略使系统在对方施加最不利的影响时也能处于尽可能好的地位。虽然以上介绍了模拟量控制的六种目的，但最基本的、最常用的只是自动调节。在自动调节的基础上，如设定值是随时间按要求变化的，则变为程序控制系统；如设定值是本系统外的物理量随机确定的，则变为随动控制系统；如这些系统的控制

3、规律、或控制参数可变的，并追求在满足一组约束条件下，目标函数值取极大值或极小值，则可能变为最优控制系统，或自适应控制。由于 PLC 是基于计算机技术的控制器，有很强的数字处理与逻辑处理功能，所以，只要有合适的算法，一般讲以上讲的多数控制总是可以实现的。只是算法设计得有相应的自控知识，所以，模拟量控制程序设计，与其说是取决于设计者对 PLC 的了解，不如说是取决于设计者对自控知识的掌握；它的难点，似乎不在于 PLC程序本身，而在于要很好地运用好有关自控知识。2、 控制方法一是，单回路反馈控制。它只有一个控制回路，是闭环的。具体有：ON/OFF 控制，最简单。其办法是，把检测到的模拟量的实际值与设

4、定值进行比较，当实际值超过时定值到某界限时，其执行回路 ON（或 OFF）；而低过某界限时，执行回路 OFF（或 ON）。也可检测及处理实际值与设定值的偏差，并根据此调节控制输出 ON 与 OFF 的时间比例，以实现控制。这种控制，仅输入须用模拟量，而输出则用开关量。P（比例）I（积分）D（微分）控制，它由传感器、模拟量输入单元、PLC 程序、模拟量输出单元（或逻辑量输出点）及执行器组成。它对偏差作 PID 运算，然后产生控制输出。当然，也可只有 P，或 PI 的控制。视系统的要求而定。PID 运算可用 PLC 的数学运算指令实现。也可直接用 PID 指令，或调用 PID 函数块实现。也可使用

5、 PID 控制的硬件单元（模块）实现。其它控制，如模糊控制，它的输出按其与输入对应的模糊关系确定。OMRON、西门子 就有模糊控制单元，可用以实现这种控制。二是，串级控制。它有主辅两个控制回路，主回路与辅回路，它的主回路的设定值按要求给定，其输出不用以推动执行器，而用作辅调节器设定值。辅调节器的输出才用以推动执行器。串级控制多了辅回路，可使所控制的参数免受或少受一些其它干扰，从而提高系统的控制品质。三是，前馈控制：它是按扰动进行的开环控制。如果弄清物料流量对温度的影响规律，可作到系统的误差为零。当然，前馈与反馈控制也可结合起来进行，以得到更高系统的控制品质。四是，比值控制：在生产中，有时要求若

6、干变量间保持一定的比例关系，如煤气加热炉，就要求煤气与空气要有合适的比例，即空燃比。比例调节器就是要保证在煤气变化的同时，空气也要有相应的变化。比值控制有开环、闭环及多变量比值等。五是、其他控制：其他常用的控制方法还有均匀控制、分程控制、多冲量控制等。均匀控制用于连续生产的过程中。目的是保证，前后设备间的物料流动能得以平衡，以达到均匀生产的目的。分程控制用于有不同工况的生产过程。可作到在各个工况下，都能实现合适的控制。多冲量控制用于有多个相互有联系的被控对象，被控量不仅与控制量有关，还与其它变量有关。多冲量控制就是将这些变量组合起来，一起去控制控制量。等等。此外，还有一些高级控制，如模糊控制、

7、专家控制、最优控制、自适应控制、自学习控制、预测控制及复合控制。等等。3、 控制程序1开环比值控制：其实例见图 12-9 。它可使流量 Qb 按比例 k，跟随流量 Qa 变化。图 12-9 为它的相应程序。a OMRON PLC b 西门子 PLC c 三菱 PLC图 12-9 比例控制梯形图程序从图知，图 a 的“模出通道”的 BCD 码值为“三路模拟量 BCD 码”与“比例系数 K”的乘积。再转换为 16 进制，后再输出给“模出通道“，即可使“模出通道”控制的模拟量，按比例系数 K，随“三路模拟量 BCD 码”的变化而变化。图 b 用的是 16 进制数，只要“模拟量输入”、“模拟量输出”格

8、式相同，无须转换，则把“比例系数 K”与“模拟量输入”相乘，结果给“模拟量输出”就可以了。图 c 用的也是 16 进制数。但要用 RD3A（有的模块用 FROM 指令）指令先从模拟量输入模块取得“模拟量输入”数据（存于 D0），把“比例系数 K”与 D0 相乘，结果存于 D2。再用 WR3A（有的模块用 TO 指令）指令把 D2 的值写给模拟量输出模块。还可能实现多值比例控制。图 12-10 为与其对应的梯形图程序。这里有两个比例器 K1、K2，都由输入量 Qa 控制，以保证实现 Qb1= K1Qa、Qb2= K2Qa 的比例关系。a OMRON PLC b 西门子 PLC c 三菱 PLC图

9、 12-10 多值比例控制梯形图程序图 a 的“模出通道 1BCD 码“、“模出通道 2BCD 码“值为“三路模拟量 BCD 码”与“比例系数 K1”、“比例系数 K2”的乘积。再经转换为 16 进制数，然后输出给“模出通道1“、“模出通道 2“，即可使“模出通道 1”、“模出通道 2“控制的模拟量，按比例系数 K1、K2，随“三路模拟量 BCD 码”的变化而变化。图 b 用的都是 16 进制数，把“比例系数 K1”与“模拟量输入”相乘，结果给“模拟量输出 1”、把“比例系数 K2”与“模拟量输入”相乘，结果给“模拟量输出 2”就可以了。图 c 用的也是 16 进制数。但也要用 RD3A（有的

10、模块用 FROM 指令）指令先从模拟量输入模块取得“模拟量输入”数据（存于 D0），把“系数 K1”与 D0 相乘，结果存于 D2、把“系数 K2”与 D0 相乘，结果存于 D4。再用 WR3A（有的模块用 TO 指令）指令把 D2、D4。再用 WR3A（有的模块用 TO 指令）指令把 D2、D4 的值指写给模拟量不同的输出模块。提示 1：这里的乘后的“积”为双字，要确保它的“积”处在模出通道的有效值范围之内。为此，有时应对结果值进行判断，如超出范围，则把范围允许的值传送给输出。提示 2：如 K1、K2 不是整数，可先把 K1、K2 乘 10、或乘 100 等，使其变成整数，然后再作这里的乘。

11、得出结果后，再用双字长除指令，把“得出结果”的除 10、或 100 等，使最后的结果处在模出通道的有效值范围之内。闭环控制:2简单闭环控制：这种控制的方法是，把被控量的实际值与设定值进行比较，再按照比较结果，产生相应的 ON 或 OFF 的继电控制输出。图 12-11 示的即为三种 PLC 最简单这类梯形图程序。该程序不断执行“设定值”与“实际值”比较，只要“实际值”小于“设定值”，对图 a 大于标志“P_GT”ON，进而使“输出”ON；对图 b、c 则直接使“输出”ON。反之，“输出”将 OFF。用它即可进行输出 ON/OFF 控制。a OMRON PLC b 西门子 PLC c 三菱 PL

12、C图 12-11 简单 ON/OFF 控制这种控制只需用模拟量输入单元，而输出则用普通的 I/O 点，较简单。但可能在设定点附近 ON、OFF 动作变换过于频繁。为避免这种 ON、OFF 动作变换过于频繁，可在比较后增加延时，再产生控制输出，或把临界点改为临界范围，比临界点大于一定数（+A）时作一种转换，比临界点小于一定数（-A）时作另一种转换。图 12-12 示的为比较后增加延时，再产生控制输出的三种 PLC 程序。a OMRON PLC b 西门子 PLC c 三菱 PLC图 12-12 比较设定值加延时控制程序该图程序延时都设为 5 秒，实际多少，可依具体情况决定。对图 a：当“实际值”

13、小于“设定值”5 秒时，小于标志特殊继电器 P-LT ON。但这情况需持续 5 秒，TIM001 的常开触点才可能接通。只有这样，才可能使“输出增大标志”ON，使“输出增大”ON，并自保持。一旦出现比较大于保持 5 秒，则“输出增大”OFF，同时“输出减小”ON。图 b、对图 c：情况类似，只是定时器用了 T101、T1，具体工作过程就不多解释了。此外，也可在保证控制精度的前提下，在达或离开临界点到 ON、OFF 转换之间增加延时，或把临界点改为临界范围，比临界点大一定数（+A）时作一种转换，比临界点小一定数（-A）时作另一种转换。图 12-13 示的为用上、下限比较，以产生控制输出的三种 P

14、LC，程序。a OMRON PLC b 西门子 PLC c 三菱 PLC图 12-13 上限下限比较控制程序从图知，这个系统所控制的“实际值”低于“设定值-A”时，使其增大；高于“设定值+A”时，使其减少。3无差闭环控制图 12-14 表示了这个控制的算法框图。这里的控制值是在每进行一次此类运算时，自身与偏差 E 相加。这样，即使系统没有偏差，仍可产生控制输出。无差也因此得名。图 12-14 无静差控制算法框图图 12-15 为与图 12-14 对应的梯形图程序。a OMRON PLC b 西门子 PLC c 三菱 PLC图 12-15 无静差控制梯形图程序从图 a 知，当“无静差控制”ON，

15、则执行如图程序。先是定时器 TIM 000 工作。每 1秒钟，其常开触点 TIM 000 ON 一次，则控制程序执行一次。这么做的目的是，控制输出改变后要等待一定时间再处理，以适应系统时延特性。否则会出现超调，以至于系统振荡。这里定时间隔为 1 秒，如系统时延较大，还可加大。而图 b、c 与其不同的只是用 16 进制数，且也没有进位位参与计算问题，由于这里用了累加、累减，相当于加入积分环节。所以，只要存在偏差，即“设定值”减“实际值“不为 0，那么，每进行一次运算都将使”控制值“变化。直到”控制值“变化到使系统实际值等于设定值时，即“设定值”减“实际值“为 0，不存在偏差时，”控制值“才保持不

16、变。这也就实现了设定值对系统的无静差控制。无静差控制可消除所有由干扰产生的误差，这是它的优点。但存在系统能否稳定工作的问题。而系统要是不稳定，那即使静态精度再高，也是不允许的。所以，还得寻找更好控制办法。以下将介绍的 PID 控制就是一个较好的办法。提示 1：离散系统闭环控制振荡有两种原因：静态原因及动态原因。提示 2：静态原因是系统离散性。系统离散，就不可能任意要求的调节量都存在。如设定值正是这个不存在调节量，那是永远做不到的。而硬要这么做，只好振荡了，即出现调节量一会儿比设定值大，一会儿比设定值小，总也稳定不下来。正如，要买 1 斤鸡蛋，很难做到买的正好是一斤，要不稍多一点，要不就是稍差一

17、点。显然，提高分辨率（如鸡蛋很小）可减少这个振荡。提示 3：动态原因是系统惯性、时延。前者在实际的系统中也总是存在的。减少惯性，减少时延，选择合适放大倍数，可避免出现振荡。4。闭环 PID 控制：（1）PID 控制概念PID 是比例（P）、积分（I）、微分（D）之意。标准 PID 的控制值是与偏差（设定值与实际值之差）、偏差对时间的积分、偏差对时间的微分，三者之和成正比。如用式子表示，即：式中p控制值；e偏差；Ti积分常数；Td微分常数；K放大倍数（比例系数）；M偏差为零时的控制值，有积分环节此项也可不加。PID 控制就是用这里的控制量 p，去控制对象。在 p 中，除了 M，其它三项均与偏差有

18、关。计算偏差要使用反馈信号，所以它是闭环控制。这里的偏差、偏差对时间的积分、偏差对时间的微分，又分别称为比例输出、积分作用和微分输出。比例输出由偏差与比例系数相乘构成。比例系数越大，同样偏差，其控制作用也越强。但没有偏差，即使比例系数再大，也没有这个控制输出。如仅用此一项，尽管加大比例系数，可减少偏差，但无法消除偏差。积分输出与偏差对时间的积分以及积分系数有关。同样偏差，经历时间越长，积分系数越小，其控制作用也越强。积分可加强及累积控制输出。当前偏差可以为 0，有了积分，则仍可产生控制输出。用此项，对须经常要有控制输出的系统，也可消除偏差，使系统成为无差系统。微分输出由偏差对时间的微分，即偏差

19、的变化率，与微分系数相乘构成。同样偏差变化率，微分系数越大，其控制输出也越强。它的作用是抑制偏差变化的。如偏差加大，它的控制输出增强，以抑制偏差加大；同样，如偏差减小，它将减小控制作用，以抑制偏差的减小。用此一项主要是使系统保持稳定。有强的稳定要求时，可加大微分系数。PID 控制的好处是，可以不必了解系统的数学模型，只要能检测出偏差，就可对系统实现准确、没有误差及稳定的控制。式 12-1 用于连续系统的 PID 控制。如在 PLC 控制中用它，则必须将其“离散化”，用相应的数值计算，代替这里的积分、微分。如选择的采样周期为 T ，积分初值为 0，离散化后的公式为：式 12-2 的计算仅仅是加、

20、减、乘、除等基本运算。所以，如选定了采样周期 T、积分常数 Ti、 微分常数 Td、 放大倍数 K、偏差为零时的控制值 M 以及各个时刻的偏差值，用PLC 的算术运算指令完全可进行这个运算，求出 P（n）值，以实现 PID 控制。PLC 多具有 PID 指令、PID 函数块、PID 单元或回路控制单元，为 PLC 使用 PID 控制，也提供了方便。PID 参数 Kp，Ki 和 Kd 可以根据过程的动态特性及时整定，以达到较好的 PID 控制效果。如果过程的动态特性变化，例如可能由负载的变化引起系统动态特性变化，PID 参数就可以重新整定。而且，新型的 PLC，随时都可对 PID 参数进行自整定

21、，为确定 PID 参数提供了很大方便。但是，PID 控制也有其局限性。PID 在控制非线性、时变、耦合及参数和结构不确定的复杂过程时，效果不是太好。如果系统过于复杂，有时可能无论怎么调参数，都不易达到目的。图 12-16 分别示出，当设定值从 0 突变到 x 时，在比例（P）作用、比例积分（PI）作用和比例积分微分（PID）作用下，被调量 y 变化的过渡过程。可以看出，比例积分微分作用效果为最佳，能迅速地使 y 达到设定值 x。比例积分作用则需要稍长的时间。比例作用则最终达不到设定值，而有余差。（3）PID 控制指令使用 PLC 进行 PID 控制，简单的办法是用 PID 指令。表 12-2

22、示的为几个机型的 PID 指令。此外，也可使用专用函数块、硬件 PID 模块或过程控制 CPU。以下介绍 PID 指令。表12-1 几个机型的 PID 指令。表 12-2 几个机型的 PID 指令CPM2A 机 PID 指令有三个操作数。其含义为：S 为输入字，16进制数， 调节量（实际值）输入到这个字中。D 为控制输出字（通道），16进制数， 运算后的PID值，即控制值，放在这个字中。C 为 PID 控制参数首字， 从 C1 到 C1+32，这 33 个字应放在同一个连续数据区内。表 12-3 示的就是它的各参数含义。表 12-3 CPM2A PID 指令控制字含义它的 V2.00 以上版本

23、，不仅可实现 PID 控制，还可参数自整定、输出值上、下限设定。S7-200 机操作数有两个。其含义为：TBL PID控制参数存贮区的开始字节地址，这参数区共36个字节，存9个参数，包括程序变量、设置点、输出、增益、采样时间、整数时间（重设）、导出时间（速率）以及整数和（偏差）的当前值及先前值，详细含义见表12-12；LOOP 为PID回路编号，可在0到7间取值，在一个程序不能用相同编号，这意味着在一个S7-200的程序中，PID指令最多只能用8次，但此指令也可在子程序、中断程序中执行。此外还有EN、EN O，是西门子PLC指令调用输入、输出机制。输入端EN逻辑条件ON，则执行本指令，OFF不

24、执行；本指令正确执行，则输出ENO ON，否则，OFF。而表12-4示的为 S-200 PID指令参数区含义。表12-4 S-200 PID指令参数区含义V2.00 以上版本，不仅可实现 PID 控制，还可参数自整定、输出值上、下限设定。FX2N 机的操作数含义为：S1目标，即设定值S2 测定值或说当前值、实际值S3 PID 参数存贮区的首地址，参数区共 25 个字，其各字的含义见表 12-5D 执行 PID 指令计算后得到的输出值或说控制输出本指令可多次调用，不受限制，但所用的数据区不能重复。在子程序、步进指令中也可使用，但用前，要清零 S3+7 的数据。表 12-5 参数区各字的含义（5）

25、 PID 指令使用使用 PID 指令进行 PID 控制，虽只使用一个指令及作有关设定。但也还有一些细节要考虑与处理：数据格式转换：PID 指令输入、输出用的格式与模拟量输入、输出单元的数据格式及数据变化范围不一定相同。为此，在使用 PID 前，要做一些数据格式转换，如必要也可能还要作比例换算，以便于执行 PID 指令时，使用有关数据。同时，在执行 PID 指令得出结果后，也要把这个结果值进行转换与换算，以便于为有关输出使用。参数变换：执行 PID 指令，当偏差值不同时，所选的参数最好也有所不同。如比例带、积分常数等，在偏差大时，可选小一些，以强化它的作用。而偏差小时，或控制输出已将接近开环测定

26、的数值，这些参数可与偏差大些，以弱化它的作用。输出值控制：尽管作了数据变换或转换，但有时，还是难以做到控制输出值与所驱动的对象完全适应。如有这样的情况，模拟量输出单元的输出范围为 0 到 10 伏，而对象所用的控制输入只能为0 到 5 伏。手动、自动无扰动切换：实际系统除了自动控制，有时还要求手动控制。而且，这两者切换时，最好系统的控制输出不要突变，以免系统受到不应有的冲击。参数变化时也有这个问题。怎么做到这一点昵？一般讲在两种情况下转换，冲击将少一些。即：在偏差值为 0，或尽量小时转换；或控制输出值相等或接近相等时转换。为此，在手动向自动转换时，可观测自动的给定值与实际值相差大否？太大时，应

27、使其调到相接近时，切换。自动到手动转换，应使手动的输出初值设为当时自动的控制输出值。多种控制算法配合使用：PID 控制虽然有很多优点。但由于系统的非线性等诸多原因，完全用 PID 控制有时难以满足实际要求。所以，也可考虑依不同的偏差值，或依不同的工况，有时用 PID 控制，有时也可用别的控制。多种控制配合使用，以获得更好的控制效果。（6） PID 程序实例本教程选作实验五就是模拟量输入、模拟量输出，用 PID 控制温度的程序实例。可结合这个实验具体理解 PID 指令的应用。（7） PID 控制程序调试首先，用手动改变控制输出，观察调节量的变化。大体弄清调节虽控制输出的变化特性。其次，用手动进行控制，使其达到控制要求。最后，设定 PID 参数，并在手动成功的基础上，切换为 PID 控制。参数选定的步骤是：（a）选定合适的采样周期 T对流量控制系统，一般为 1 到 5 秒，优先选用 1 到 2 秒。对压力控制系统，一般为 3 到 10 秒，优先选用 6 到 8 秒。对液位控制系统，一般为 6 到 8 秒。对温度控制系统，一般为 10 到 20 秒。对成分控制系统，一般为 15 到 20 秒。当然，以上这些数据也是很笼统的，仅仅是参考数。从实际经验看，T 最好尽可能选得小些。T 小，并把积分作用（见以下参数 Td 解释）适当减弱，可作到，