s7-200PLC編程及應(yīng)用第7章200

1、第7章 PLC在模擬量閉環(huán)控制中的應(yīng)用 7.1 7.1 閉環(huán)控制與閉環(huán)控制與PIDPID控制器控制器 7.1.1 模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng) 1模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng) 被控量c(t)被傳感器和變送器轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)量程的直流電流、電壓信號PV(t)，AI模塊中的A-D轉(zhuǎn)換器將它們轉(zhuǎn)換為多位二進(jìn)制數(shù)過程變量PVn。SPn為設(shè)定值，誤差en = SPn PVn。AO模塊的D-A轉(zhuǎn)換器將PID控制器的數(shù)字量輸出值Mn轉(zhuǎn)換為模擬量M(t)，再去控制執(zhí)行機構(gòu)。 PID程序的執(zhí)行是周期性的操作，其間隔時間稱為采樣周期TS。 加熱爐溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)舉例。 2閉環(huán)控制的工作原理 閉環(huán)負(fù)反饋控制可以使過程變量P

2、Vn等于或跟隨設(shè)定值SPn。假設(shè)實際溫度值c(t)低于給定的溫度值，誤差en為正，M(t)將增大，使執(zhí)行機構(gòu)（電動調(diào)節(jié)閥）的開度增大，進(jìn)入加熱爐的天然氣流量增加，加熱爐的溫度升高，最終使實際溫度接近或等于設(shè)定值。 3閉環(huán)控制系統(tǒng)主要性能指標(biāo) 系統(tǒng)進(jìn)入并停留在穩(wěn)態(tài)值c()上下5%（或2）的誤差帶內(nèi)的時間tS稱為調(diào)節(jié)時間。 被控量c(t)從0上升，第一次到達(dá)穩(wěn)態(tài)值c()的時間稱為上升時間tr。 穩(wěn)態(tài)誤差是指響應(yīng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，輸出量的期望值與實際值之差。 4閉環(huán)控制帶來的問題 由于閉環(huán)中的滯后因素，PID控制器的參數(shù)整定得不好時，階躍響應(yīng)曲線將會產(chǎn)生很大的超調(diào)量，系統(tǒng)甚至?xí)环€(wěn)定。 5閉環(huán)控制反饋極性

3、的確定 閉環(huán)控制必須保證系統(tǒng)是負(fù)反饋，如果系統(tǒng)接成了正反饋，將會失控。 調(diào)試時斷開AO模塊與執(zhí)行機構(gòu)之間的連線，在開環(huán)狀態(tài)下運行PID控制程序。如果控制器有積分環(huán)節(jié)，因為反饋被斷開了，AO模塊的輸出會向一個方向變化。這時如果假設(shè)接上執(zhí)行機構(gòu)，能減小誤差，則為負(fù)反饋，反之為正反饋。 6變送器的選擇 AI模塊的電壓輸入端的輸入阻抗很高，微小的干擾信號電流將在模塊的輸入阻抗上產(chǎn)生很高的干擾電壓。遠(yuǎn)程傳送的模擬量電壓信號的抗干擾能力很差。 電流輸出型變送器具有恒流源的性質(zhì)，恒流源的內(nèi)阻很大。PLC的AI模塊的輸入為電流時，輸入阻抗較低，例如250。干擾信號在模塊的輸入阻抗上產(chǎn)生的干擾電壓很低，模擬量電

4、流信號適用于遠(yuǎn)程傳送。 四線制電流輸出變送器有兩根電源線和兩根信號線。二線制變送器只有兩根外部接線，它們既是電源線，也是信號線，輸出420mA的信號電流。7.1.2 PID控制器的數(shù)字化 1連續(xù)控制系統(tǒng)中的PID控制器 KC是回路增益，TI和TD分別是積分時間和微分時間。TS是采樣時間間隔。initialt0IC)()(1)()(MdttdeTdtteTteKtMD 2PID控制器的數(shù)字化 上式中的積分對應(yīng)于圖7-7中誤差曲線e(t)與坐標(biāo)軸包圍的面積（圖中的灰色部分）。一般用圖7-7中的矩形面積之和來近似精確積分。 在誤差曲線e(t)上作一條切線，該切線與 x 軸正方向的夾角 的正切值tg即

5、為該點處誤差的一階導(dǎo)數(shù)de(t)/dt。導(dǎo)數(shù)的近似表達(dá)式：數(shù)字PID控制器輸出值的計算公式： 3反作用調(diào)節(jié) 在開環(huán)狀態(tài)下，PID輸出值控制的執(zhí)行機構(gòu)的輸出增加使被控量增大的是正作用（加熱爐）；使被控量減小的是反作用（空調(diào)壓縮機）。把PID回路的增益KC設(shè)為負(fù)數(shù)，就可以實現(xiàn)PID反作用調(diào)節(jié)。7.1.3 PID指令向?qū)У膽?yīng)用指令向?qū)У膽?yīng)用 1用PID指令向?qū)蒔ID程序 雙擊項目樹“向?qū)А蔽募A中的“PID”，打開“PID指令向?qū)А睂υ捒?，完成每一步的操作后，單擊“下一步”按鈕。 1）設(shè)置PID回路的編號（07）為0。 2）設(shè)置回路給定值范圍和回路參數(shù)。比例增益為2.0，積分時間為0.03min

6、，微分時間為0.01min，采樣時間為0.2s。 3）設(shè)置回路輸入量（過程變量PV）和回路輸出量的極性均為默認(rèn)的單極性，范圍為默認(rèn)的032000。 4）啟用過程變量PV的上限報警功能，上限值為95%。 5）設(shè)置用來保存組態(tài)數(shù)據(jù)的120B的V存儲區(qū)的起始地址為VB200。 6）采用默認(rèn)的初始化子程序和中斷程序的名稱，選中多選框“增加PID手動控制”。 2回路表見表7-1。7.2 PID參數(shù)的整定方法參數(shù)的整定方法7.2.1 PID參數(shù)的物理意義參數(shù)的物理意義 1對比例控制作用的理解 PID控制器輸出中的比例部分與誤差成正比，增益太小，調(diào)節(jié)的力度不夠，使調(diào)節(jié)時間過長。增益過大，調(diào)節(jié)力度太強，造成調(diào)

7、節(jié)過頭，使被控量來回震蕩，超調(diào)量過大。如果閉環(huán)系統(tǒng)沒有積分作用，單純的比例控制的穩(wěn)態(tài)誤差與增益成反比，很難兼顧動態(tài)性能和靜態(tài)性能。 2對積分控制作用的理解 積分控制根據(jù)當(dāng)時的誤差值，每個采樣周期都要微調(diào)PID的輸出。只要誤差不為零，控制器的輸出就會因為積分作用而不斷變化。積分部分的作用是消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度。積分有滯后特性，積分作用太強，會使系統(tǒng)的動態(tài)性能變差，超調(diào)量增大。積分作用太弱，消除穩(wěn)態(tài)誤差的速度太慢。 3對微分控制作用的理解 微分項與誤差的變化速率成正比，微分部分反映了被控量變化的趨勢。 在圖7-13中啟動過程的上升階段，被控量尚未超過其穩(wěn)態(tài)值，超調(diào)還沒有出現(xiàn)。但是因為被控量不

8、斷增大，誤差e(t)不斷減小，控制器輸出量的微分分量為負(fù)，使控制器的輸出量減小，相當(dāng)于減小了溫度控制系統(tǒng)加熱的功率，提前給出了制動作用，以阻止溫度上升過快。 因此微分具有超前和預(yù)測的作用，適當(dāng)?shù)奈⒎挚刂谱饔每梢詼p小超調(diào)量，縮短調(diào)節(jié)時間。微分作用太強（TD太大），將會使響應(yīng)曲線變化遲緩。 4采樣周期的確定 確定采樣周期時，應(yīng)保證在被控量迅速變化的區(qū)段，有足夠多的采樣點，以保證不會因為采樣點過稀而丟失被采集的模擬量中的重要信息。7.2.2 PID參數(shù)整定的規(guī)則參數(shù)整定的規(guī)則 1PID參數(shù)的整定方法 1）為了減少需要整定的參數(shù)，首先可以采用PI控制器。給系統(tǒng)輸入一個階躍給定信號，觀察系統(tǒng)輸出量的波形

9、。由PV的波形可以獲得系統(tǒng)性能的信息，例如超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間。 2）如果階躍響應(yīng)的超調(diào)量太大，經(jīng)過多次振蕩才能進(jìn)入穩(wěn)態(tài)或者根本不穩(wěn)定，應(yīng)減小控制器的增益KC或增大積分時間TI。 如果階躍響應(yīng)沒有超調(diào)量，但是被控量上升過于緩慢，過渡過程時間太長，應(yīng)按相反的方向調(diào)整上述參數(shù)。 3）如果消除誤差的速度較慢，應(yīng)適當(dāng)減小積分時間，增強積分作用。 4）反復(fù)調(diào)節(jié)增益和積分時間，如果超調(diào)量仍然較大，可以加入微分作用，即采用PID控制。微分時間TD從0逐漸增大，反復(fù)調(diào)節(jié)KC、TI和TD，直到滿足要求。需要注意的是在調(diào)節(jié)增益KC時，同時會影響到積分分量和微分分量的值，而不是僅僅影響到比例分量。 5）如果響應(yīng)曲線第一

10、次到達(dá)穩(wěn)態(tài)值的上升時間較長（上升緩慢），可以適當(dāng)增大增益KC。如果因此使超調(diào)量增大，可以通過增大積分時間和調(diào)節(jié)微分時間來補償。 2怎樣確定PID控制器的初始參數(shù) 為了保證系統(tǒng)的安全，避免在首次投入運行時出現(xiàn)系統(tǒng)不穩(wěn)定或超調(diào)量過大的異常情況，在第一次試運行時增益不要太大，積分時間不要太小，以保證不會出現(xiàn)較大的超調(diào)量。試運行后根據(jù)響應(yīng)曲線的特征和調(diào)整PID控制器參數(shù)的規(guī)則，來修改控制器的參數(shù)。 7.2.3 PID參數(shù)整定的實驗參數(shù)整定的實驗 用作者編寫的子程序“被控對象”來模擬PID閉環(huán)中的被控對象（見圖7-15），被控對象的數(shù)學(xué)模型為3個串聯(lián)的慣性環(huán)節(jié)，其增益為GAIN，3個慣性環(huán)節(jié)的時間常數(shù)分

11、別為TIM1TIM3。DISV是系統(tǒng)的擾動輸入值。 主程序中T37和T38組成了方波振蕩器，用來提供周期為60s、幅值為20.0%和70.0%的方波設(shè)定值。在主程序中調(diào)用PID向?qū)傻淖映绦騊ID0_CTRL。CPU按PID向?qū)е薪M態(tài)的采樣周期調(diào)用PID中斷程序PID_EXE，在 PID_EXE中執(zhí)行PID運算。PID_EXE占用了定時中斷0，模擬被控對象的中斷程序INT_0使用定時中斷1。 設(shè)定值Setpoint_R是以百分?jǐn)?shù)為單位的浮點數(shù)。Auto_Manual（I0.0）為ON時為自動模式。 實際的PID控制程序不需要調(diào)用子程序“被控對象”，在主程序中只需要調(diào)用子程序PID0_CTRL

12、，其輸入?yún)?shù)PV_I應(yīng)為實際使用的AI模塊的通道地址（例如AIW0），其輸出參數(shù)Output應(yīng)為實際使用的AO模塊的通道地址（例如AQW0）。 5PID調(diào)節(jié)控制面板 操作要點：用左下角的單選框選中“手動調(diào)節(jié)”，用圖形區(qū)下面的“當(dāng)前PID”選擇框選中要調(diào)試的回路。接通I0.0外接的小開關(guān)，出現(xiàn)3條曲線。 在左邊的“調(diào)節(jié)參數(shù)”區(qū)輸入新的參數(shù)，單擊“更新PLC”按鈕，將參數(shù)寫入PLC。 6PID閉環(huán)控制仿真演示 初始參數(shù)為KC=2.0，TI=0.03，TD=0.01，超調(diào)量大。 TI增大為0.12min，超調(diào)量減小。 KC和TI不變，TD=0.00，超調(diào)量增大。所以適當(dāng)?shù)奈⒎帜軠p小超調(diào)量。 KC不變

13、，TI=0.06，TD=0.08，超調(diào)量比TD=0.01時大，反應(yīng)遲緩。 令TI=0.1，TD=0.00（PI），KC=0.7比KC=2.5的超調(diào)量小，但是上升時間長。 將增益由0.7增大到1.5，減少了上升時間，但是超調(diào)量增大到16%。將積分時間增大到0.3min，超調(diào)量減小到13%。但是因為減弱了積分作用，在設(shè)定值減小后，過程變量下降的速度太慢。 將TI減小到0.15min，反復(fù)調(diào)節(jié)微分時間，在0.01min時效果較好。 7.3 PID參數(shù)自整定參數(shù)自整定7.3.1 自整定的基本方法與自整定過程自整定的基本方法與自整定過程 起動自整定之前，控制過程應(yīng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，過程變量接近設(shè)定值。自動確

14、定了滯后值和偏差值之后，PID的輸出量多次階躍變化，開始執(zhí)行自整定過程。自整定過程完成后，回路的輸出將恢復(fù)到初始值，開始正常的PID計算。7.3.2 PID參數(shù)自整定實驗參數(shù)自整定實驗 1實驗的準(zhǔn)備工作 將例程“PID參數(shù)自整定”下載到CPU，令PLC處于RUN模式。 自整定實驗全部采用默認(rèn)的參數(shù)設(shè)置，自動計算滯后和偏差值。 被控對象的增益為3.0，兩個慣性環(huán)節(jié)的時間常數(shù)為2s和5s。采樣周期為0.2s。令I(lǐng)0.0為ON，采用“自動調(diào)節(jié)”模式。用I0.3外接的小開關(guān)使給定值SP在0.0%和70.0%之間切換。 2第一次PID參數(shù)自整定實驗演示 增益為2.0、積分時間為0.025min，微分時間為0.005min。 用I0.3外接的小開關(guān)使設(shè)定值SP從0.0%跳變到70.0%，過程變量PV曲線的超調(diào)量太大，衰減震蕩的時間太長。在過程變量曲線PV沿設(shè)定值SP曲線上下小幅波動，這兩條曲線幾乎重合時，單擊“開始自動調(diào)節(jié)”按鈕，啟動自動整定過程。 顯示“調(diào)節(jié)算法正常完成，算法建議的調(diào)節(jié)參數(shù)已經(jīng)可用”時，進(jìn)入正常的PID控制，“調(diào)節(jié)參數(shù)”區(qū)給出了PID參數(shù)的建議值。 單擊“更新