LC在模拟量闭环控制中的应用

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1、第7章PLC在模拟闭环控制中的应用成都理工大学工程技术学院自动化工程系雷永锋第7章PLC在模拟量闭环控制中的应用7.1闭环控制与PID控制器7.1.1模拟量闭环控制系统1．模拟量闭环控制系统被控量c(t)被传感器和变送器转换为标准量程的直流电流、电压信号PV(t)，AI模块中的A-D转换器将它们转换为多位二进制数过程变量PVn。SPn为设定值，误差en=SPnPVn。AO模块的D-A转换器将PID控制器的数字量输出值Mn转换为模拟量M(t)，再去控制执行机构。PID程序的执行是周期性的操作，其间隔时间称为采样

2、周期TS。加热炉温度闭环控制系统举例。2．闭环控制的工作原理闭环负反馈控制可以使过程变量PVn等于或跟随设定值SPn。假设实际温度值c(t)低于给定的温度值，误差en为正，M(t)将增大，使执行机构（电动调节阀）的开度增大，进入加热炉的天然气流量增加，加热炉的温度升高，最终使实际温度接近或等于设定值。3．闭环控制系统主要性能指标系统进入并停留在稳态值c(∞)上下±5%（或2％）的误差带内的时间tS称为调节时间。被控量c(t)从0上升，第一次到达稳态值c(∞)的时间称为上升时间tr。稳态误差是指响应进入稳态后，输

3、出量的期望值与实际值之差。4．闭环控制带来的问题由于闭环中的滞后因素，PID控制器的参数整定得不好时，阶跃响应曲线将会产生很大的超调量，系统甚至会不稳定。5．闭环控制反馈极性的确定闭环控制必须保证系统是负反馈，如果系统接成了正反馈，将会失控。调试时断开AO模块与执行机构之间的连线，在开环状态下运行PID控制程序。如果控制器有积分环节，因为反馈被断开了，AO模块的输出会向一个方向变化。这时如果假设接上执行机构，能减小误差，则为负反馈，反之为正反馈。6．变送器的选择AI模块的电压输入端的输入阻抗很高，微小的干扰信号

4、电流将在模块的输入阻抗上产生很高的干扰电压。远程传送的模拟量电压信号的抗干扰能力很差。电流输出型变送器具有恒流源的性质，恒流源的内阻很大。PLC的AI模块的输入为电流时，输入阻抗较低，例如250。干扰信号在模块的输入阻抗上产生的干扰电压很低，模拟量电流信号适用于远程传送。四线制电流输出变送器有两根电源线和两根信号线。二线制变送器只有两根外部接线，它们既是电源线，也是信号线，输出4～20mA的信号电流。7.1.2PID控制器的数字化1．连续控制系统中的PID控制器KC是回路增益，TI和TD分别是积分时间和微分时

5、间。TS是采样时间间隔。2．PID控制器的数字化上式中的积分对应于图7-7中误差曲线e(t)与坐标轴包围的面积（图中的灰色部分）。一般用图7-7中的矩形面积之和来近似精确积分。在误差曲线e(t)上作一条切线，该切线与x轴正方向的夹角α的正切值tgα即为该点处误差的一阶导数de(t)/dt。导数的近似表达式：数字PID控制器输出值的计算公式：3．反作用调节在开环状态下，PID输出值控制的执行机构的输出增加使被控量增大的是正作用（加热炉）；使被控量减小的是反作用（空调压缩机）。把PID回路的增益KC设为负数，就可以

6、实现PID反作用调节。7.1.3PID指令向导的应用1．用PID指令向导生成PID程序双击项目树“向导”文件夹中的“PID”，打开“PID指令向导”对话框，完成每一步的操作后，单击“下一步>”按钮。1）设置PID回路的编号（0～7）为0。2）设置回路给定值范围和回路参数。比例增益为2.0，积分时间为0.03min，微分时间为0.01min，采样时间为0.2s。3）设置回路输入量（过程变量PV）和回路输出量的极性均为默认的单极性，范围为默认的0～32000。4）启用过程变量PV的上限报警功能，上限值为95%。5）

7、设置用来保存组态数据的120B的V存储区的起始地址为VB200。6）采用默认的初始化子程序和中断程序的名称，选中多选框“增加PID手动控制”。2．回路表见表7-1。7.2PID参数的整定方法7.2.1PID参数的物理意义1．对比例控制作用的理解PID控制器输出中的比例部分与误差成正比，增益太小，调节的力度不够，使调节时间过长。增益过大，调节力度太强，造成调节过头，使被控量来回震荡，超调量过大。如果闭环系统没有积分作用，单纯的比例控制的稳态误差与增益成反比，很难兼顾动态性能和静态性能。2．对积分控制作用的理解积分

8、控制根据当时的误差值，每个采样周期都要微调PID的输出。只要误差不为零，控制器的输出就会因为积分作用而不断变化。积分部分的作用是消除稳态误差，提高控制精度。积分有滞后特性，积分作用太强，会使系统的动态性能变差，超调量增大。积分作用太弱，消除稳态误差的速度太慢。3．对微分控制作用的理解微分项与误差的变化速率成正比，微分部分反映了被控量变化的趋势。在图7-13中启动过程的上升阶段，被控量尚