机电一体化综合设计实训教程 课件 3章 plc模拟量控制系统

第3章PLC模拟量控制系统机电一体化综合设计实训教材模拟量采集转换·闭环控制·PID本章导览3.1模拟量闭环控制系统模拟量采集与转换·闭环组成·PID控制3.2模拟信号的处理采样与量化·模拟量输入/输出模块3.3PID回路概念和操作回路概念·标准化·回路表·回路指令3.4PID控制实验水箱水位PID控制学习目标掌握模拟量采集转换、PID原理与回路操作3.1模拟量闭环控制系统概述PLC能接收、处理和输出A/D、D/A转换后的数字量可实现水位、压力、流量、温度、湿度等物理量的测量与闭环控制S7-200特点有专门的PID模块，用于工程项目闭环控制本章内容PID控制原理、功能指令和控制功能模拟量采集与转换■传感器+变送器■把温度、压力、流量等物理量转换为0~10V或4~20mA标准信号■PLC处理流程■A/D转换→用户程序运算→D/A转换→控制执行机构模拟量处理过程变送器的作用与分类变送器将传感器电信号转为标准量程的电流或电压信号转换为电流信号具有恒流源性质，适合远程传输分类四线制：两根电源线+两根信号线二线制：电源线与信号线共用闭环控制系统组成■四个基本环节■PLC（控制器）、执行器、被控对象、传感器■负反馈原理■传感器反馈→与给定值比较→偏差→控制信号→驱动执行器■使被控量趋近给定值，实现稳定控制闭环控制系统设定值PID控制原理■PID是应用最广、最成熟的控制算法■比例P、积分I、微分D分别与误差、误差积分、误差微分成正比PID控制框图PID控制的数学表达式M(t)=Kp·e+Ki·∫edt+Kd·de/dtM——PID运算的输出（时间t的函数）e——控制回路的偏差（输入参数）Kp——比例运算系数Ki——积分运算系数Kd——微分运算系数实质针对被控参数PV与期望值SP的偏差e进行运算P/I/D三环节的作用比例环节P迅速反映偏差、减小偏差，但不能消除偏差Kp加大易引起系统不稳定积分环节I只要有偏差就产生控制作用，直至消除稳态误差积分太强会使超调加大、出现振荡微分环节D减小超调、克服振荡、加快响应、改善动态性能Kd过大也会使系统不稳定PID控制器的设计步骤步骤一：确定控制器结构自平衡对象：用含积分环节的控制器（PI、PID）无自平衡对象：用不含积分环节的控制器（P、PD）有滞后性质的对象：加入微分环节步骤二：整定PID参数理论计算法：扩充临界比例系数法、扩充响应曲线法工程整定法：试凑法（经验口诀、参数对比）3.2模拟信号的处理三个关键方面模拟信号到数字信号的转化（A/D转换）模拟量输入模块模拟量输出模块A/D转换包含两个过程采样：等间隔取N个时间点的值量化：连续取值近似为有限离散值采样与量化■采样■等间隔取N个时间点，取得模拟信号在该点的值■量化■将连续取值近似为有限离散值，分辨率由位数决定采样与量化示意图奈奎斯特采样定理采样点N的大小决定采样信息的准确度需满足奈奎斯特采样定理定理内容采样频率fs至少是信号频率f的2倍，即fs≥2f量化分辨率由模拟量寄存器的位数决定位数越高，分辨率越高，采样数据越精准量化公式y=(x−xL)/(xH−xL)×(yH−yL)+yLx——转换对象，y——转换结果xH/xL——转换对象上限/下限yH/yL——转换结果上限/下限意义把连续信号线性映射到有限的离散取值范围模拟量输入模块EM231功能将输入的模拟量信号转化为数字量结果存入模拟量输入映像寄存器AI中规格有4路和8路模拟量输入2种电压输入：0~5V、0~10V、±5V、±2.5V电流输入：0~20mA数据格式1个字16位，有效位12位，左对齐AIW数据格式■单极性格式■最高位符号位，低3位精度位（连续0）■双极性格式■最高位符号位，低4位精度位（连续0）■左对齐■12位有效数据尽量往高位移动AIW数据格式模拟量输出模块功能将AQ中数字量转换为驱动执行元件的模拟值输出量程电压-10~10V，电流0~20mA数据格式AQ以字（16位）存取，低4位为精度位（连续0）装载数据字前低4个0被截断，不影响输出AQW数据格式与模拟量地址数据格式电流输出：最高位符号位，低4位精度位电压输出：最高位符号位，低4位精度位地址规则模拟量值范围0~32000，精度12位地址必须从偶数字节开始输入AIW0、AIW2、AIW4…；输出AQW0、AQW2…3.3.1PID回路概念PID回路工业控制应用中的反馈控制回路S7-200支持8条PID回路可用8条PID指令实现8个回路的PID运算指令格式PIDTBL,LOOP（TBL回路表起始地址，LOOP回路号0~7）不同PID指令不能使用相同回路编号PID正作用与反作用正作用输出随被调量增高而增高、减少而减少例：电加热温控（加热功率增加→温度升高）反作用输出随被调量增高而降低例：制冷压缩机（功率增加→温度降低）增益取值正作用增益取正数，反作用增益取负数气开阀正作用、气关阀反作用回路输入值转换及标准化输入标准化（16位整数→浮点实数→0.0~1.0）ITDAIW0,AC0//整数转双整数DTRAC0,AC0//双整数转实数标准化公式标准值=原值/值域+偏置单极性：0.0~1.0（偏置0.0），值域32000双极性：0.5上下（偏置0.5），值域64000回路输出值的转换输出转换（0.0~1.0→标定实数→16位整数）标定值=(输出值−偏置)×值域单极性偏置0.0，双极性偏置0.5转换指令序列ROUNDAC0,AC0//实数转32位整数DTIAC0,LW0//32位转16位整数MOVWLW0,AQW0//写入模拟输出寄存器回路输出变量操作过程变量PV与给定值SPPID运算的输入值，回路表中只能被读不能改写输出变量Mn由PID运算产生，限定在0.0~1.0之间每次运算完成后更新回路表输出值积分项前值MX输出超范围时按公式调整，限制在0.0~1.0PID控制方式：自动/手动自动模式PID盒接通时执行PID运算手动模式PID运算不执行无扰动切换使能位检测到正跳变（0→1）时，手动无扰动切换到自动切换前需把手动输出值填入回路表输出栏切换时置SPn=PVn、MX=MnPID回路表偏移地址参数（域）数据说明0过程变量PVn0.0~1.0之间4设定值SPn0.0~1.0之间8输出Mn0.0~1.0之间12增益Kc比例常数，可大于0或小于016采样时间Ts单位：秒（正数）20积分时间T单位：分钟（正数）24微分时间Td单位：分钟（正数）28积分项前值MX0.0~1.0之间32过程变量前值PVn-1上一次PID指令时的过程变量PID回路指令■指令格式：PIDTBL,LOOP■TBL：回路表起始地址（VB字节）■LOOP：回路号0~7■使用注意■使用前必须建立回路表■PV、SP须在0.0~1.0之间■必须在定时中断程序中使用■运算错误时SM1.1置1PID回路指令格式3.4PID控制实验：水箱水位■控制要求■被控参数：水箱水位（单极性模拟量）■设定值：满水位60%=0.6■输出：控制进水调节阀开度0~100%■要求■水位维持在设定值，快速消除余差水箱水位PID控制示意图PID参数设置初始参数增益Kc=0.5积分时间T=35min微分时间Td=20min采样时间Ts=0.2s（定时中断周期200ms）参数影响K增大、T减小、Td增大→输出增大、调节增强但系统不稳定性也随之增加，需不断调整PID控制回路的编程步骤1.指定回路表首地址（设为VB200）2.写入参数SPn→VD204、增益→VD212、采样时间→VD216积分时间→VD220、微分时间→VD224，输出由VD208输出3.设置定时中断初始化PID指令须在定时中断程序（事件号9或10）中使用4.读取AIW0，标准化后写入VD2005.执行PID回路运算指令6.输出VD208转换后送AQW2思考与应用思考1：PID参数整定控制效果不稳定时如何整定参数达到控制性能？理论计算法/工程整定法（试凑法）思考2：闭环光照控制系统设计亮度