模拟量PID温度控制系统设计(人机界面).ppt

1、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

2、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。,1.1 S7-200 PLC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

3、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。,1.1 S7-200 PLC的PID 回路控制指令,闭环控制系统动态性能指标,t,1.1 S7-200 PLC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P

4、ID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。,1.1 S7-200 PLC的PID 回路控制指令,1.1 S7-200 PLC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

5、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。,1.1 S7-200 PLC的PID 回路控制指令,三、PID控制算法,1.1 S7-200 PLC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，

6、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

7、量在接近稳态时可能上升缓慢。,1.1 S7-200 PLC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，

8、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。,1.1 S7-200 PLC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。 XORD AC0,AC0 /将AC0清0 ITDAIW0, AC0/将输入数值转换成双字 DTR AC0, AC0/将32位整数转换成实数 （2）将实数转换成0.

9、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0.5,1.1 S7-200 PLC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0.5 MOVRAC0, VD100/将标准化数值写入PID回路参数表中。,1.1 S7-200

10、PLC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 *R 64000.0, AC0 /AC0的值乘以取值范围，变为成比例实数数值 ROUND AC0，AC0 /将实数四舍五入取整，变为32位整数 DTI

11、AC0, AC0 /32位整数转换成16位整数 MOVW AC0, AQW0 /16位整数写入AQW0,1.1 S7-200 PLC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-7 Micro/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6-9 PID指令格式,表6-9 PID指令格式,1.1 S7-200 PLC的PID 回路控制指令,

12、【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,1.1 S7-200 PLC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

13、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,1.1 S7-200 PLC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P