S7-200PLC教程第9章模拟量闭环控制的应用

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1、第9章S7-300/400在模拟量闭环控制中的应用9.1基本概念9.1.1模拟量闭环控制系统的组成1.典型的PLC模拟量闭环控制系统的组成典型的PLC模拟量单闭环控制系统如图9-1所示，虚线中的部分是用PLC实现的。在模拟量闭环控制系统中，被控量C(t)(例如压力、温度、流量、转速等)是连续变化的模拟量，大多数执行机构（例如晶闸管调速装置、电动调节阀和变频器等）要求PLC输出模拟信号MV(t),而PLC的CPU只能处理数字量。C(t)首先被测量元件（传感器）和变送器转换为标准的直流电流信号或直流电压信号PV(t),例如4～20mA,1～５Ｖ，０～１０Ｖ，ＰＬＣ用A/D转换器将它们转换

2、为数字量PV(n).控制器D/AA/D测量元件执行机构被控对象SP(n)PV(n)-Ev(n)M(n)MV(t)C(t)PV(t)图9-1PLC模拟量闭环控制系统方框图模拟量与数字量之间的相互转换和PID程序的执行都是周期性的操作，其间隔时间称为采样周期TS。各数字量括号中的n表示该变量是第n次采样计算时的数字量。图9-1中的SP(n)是给定值，PV(n)为A/D转换后的反馈量，误差Ev(n)=SP(n)-PV(n)。D/A转换器将PID控制器输出的数字量M(n)转换为模拟量（直流电压或直流电流）Mv(t),再去控制执行机构。例如在加热炉温度闭环控制系统中，用热电偶检测炉温，温度变送

3、器将热电偶输出的微弱的电压信号转换为标准量程的电流或电压，然后送给模拟量输入模块，经A/D转换后得到与温度成比例的数字量，COU将它与温度设定值比较，并按某种控制规律（例如PID控制算法）对误差值进行运算，将运算结果（数字量）送给模拟量输出模块，经D/A转换后变为电流信号或电压信号，用来控制电动调节阀的开度，通过它控制加热用的天然气的流量，实现对温度的闭环控制。C(t)为系统的输出量，即被控量，例如加热炉中的温度。模拟量控制系统分为恒值控制系统和随动系统。恒值控制系统的给定值由操作人员提供，一般很少变化，例如温度控制系统，转速控制系统等。随动系统的输入量是不断变化的随机变量，例如高射

4、炮的瞄准控制系统和电动调节阀的开度控制系统就是典型的随动系统。闭环负反馈控制可以使控制系统的反馈量PV(n)等于或跟随给定值SP(n)。以炉温控制系统为例，假设输出的温度值C(t)低于给定的温度值，反馈量PV(n)小于给定值SP(n)，误差Ev(n)为正，控制器的输出量Mv(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给定值。天然气压力的波动、工件进入加热炉，这些因素称为扰动量，它们会破坏炉温的稳定。闭环控制可以有效地抑制闭环中各种扰动的影响，使被控量趋近于给定值。闭环控制系统的结构简单，容易实现自动控制，因此

5、在各个领域得到了广泛的应用。2.变送器的选择变送器用于将传感器提供的电量或非电量转换为标准的直流电流或直流电压信号，例如DC0～10V和4～20mA。变送器分为电流输出型和电压输出型，电压输出型变送器具有恒压源的性质，PLC模拟量输入模块的电压输入端的输入阻抗很高，例如100kΩ～10MΩ。如果变送器距离PLC较远，通过线路间的分布电容和分布电感产生的干扰信号电流在模块的输入阻抗上将产生较高的干扰电压。例如1μA干扰电流在10MΩ输入阻抗上将产生10V的干扰电压信号，所以远程传送模拟量电压信号时抗干扰能力很差。二线式变送器4～20mA250Ω模拟量输入模块图6-6二线式变送器电流输出

6、具有恒流源的性质，恒流源的内阻很大。PLC的模拟量输入模块输入电流时，输入阻抗较低（例如250Ω）。线路上的干扰信号在模块的输入阻抗上产生的干扰电压很低，所以模拟量电流信号适于远程传送。电流传送比电压传送的传送距离远得多，S7-200的模拟量输入模块使用屏蔽电缆信号线时允许的最大距离为200m。变送器分为二线式和三线式，三线式变送器有3根线：电源线、信号线和公共线。二线式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，DC24V电源串接在回路中。通过调试，在被检测信号满量程时输出电流为20mA。二线式变送器的接线少，信号可以远传，在工业中得到了广泛的应

7、用。9.1.2主要性能指标由于给定输入信号或扰动输入信号的变化，系统的输入量达到稳态值之前的过程称为过渡过程或动态过程。系统的动态性能常用阶跃响应（阶跃输入时输出量的变化）的参数来描述。阶跃输入信号在t=0之前为0，t＞0时为某一恒定值。输出量第一次达到稳态值的时间tr称为上升时间，上升时间反映了系统在响应初期的快速性。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，到达调节时间表示过渡过程已基本结束。设动态过程中输出量