在模拟量闭环控制中的应用
plc在生活中的运用
plc在生活中的运用
PLC在生活中的应用
1、开环控制
开关量的开环控制是PLC的最基本控制功能。
PLC的指令系统具有强大的逻辑运算能力，很容易实现定时、计数、顺序(步进)等各种逻辑控制方式。
大部分PLC就是用来取代传统的继电接触器控制系统。
2、模拟量闭环
对于模拟量的闭环控制系统，除了要有开关量的输入输出外，还要有模拟量的输入输出点，以便采样输入和调节输出实现对温度、流量、压力、位移、速度等参数的连续调节与控制。
目前的PLC不但大型、中型机具有这种功能外，还有些小型机也具有这种功能。
3、数字量控制
控制系统具有旋转编码器和脉冲伺服装置(如步进电动机)时，可利用PLC实现接收和输出高速脉冲的功能，实现数字量控制，较为先进的PLC还专门开发了数字控制模块，可实现曲线插补功能，近来又推出了新型运动单元模块，还能提供数字量控制技术的编程语言，使PLC实现数字量控制更加简单。
4、数据采集监控
由于PLC主要用于现场控制，所以采集现场数据是十分必要的功能，在此基础上将PLC与上位计算机或触摸屏相连接，既可以观
察这些数据的当前值，又能及时进行统计分析，有的PLC具有数据记录单元，可以用一般个人电脑的存储卡插入到该单元中保存采集到的数据。
PLC的另一个特点是自检信号多．利用这个特点，PLC控制系统可以实现白诊断式监控，减少系统的故障，提高系统的可靠性。
监控式模拟量速度闭环控制系统的设计与应用
为频 率测 量 ； 门控 为软 门控 制 ； 更新 时 间为 １ 。 ０ｍｓ
简单 ， 护使 用 方 便 。在工 艺 参数 较 多 且 需要 人 机交 互 时使 用 触 维 摸屏 ， 使整 个 生产 的 自动 控 制 功 能大 大加 强 。采 用 触摸 屏 结 合 可 Ｐ Ｃ应用 于 闭环控 制 变 频 系统 是 自动 控 制 的趋 势 ， 供水 、 金 、 Ｌ 在 冶 机 械 等许 多工 业 生产 中 ， 于提 高 生 产 自动 化程 度 和 安全 生 产 具 对
Ｓｊ ｘ 兰 ｈｙ ｅ ｅｕ ｎ ｉＦ 坌 Ｉ
监控 式模拟 量速度 闭环控制 系统 的设计 与应用
陈 锐
（ ， 东松 山职 业 技 术 学 院 电气 工 程 系 ， 东 韶 关 ５ ２ ２ ） 广 １ １６
摘 要： 主要针对 带式输送机控制系 统中被控对象模拟量速 度的特点 ， 出采 用硬件组态 、 提 网络 组态和程序 设计 ３方面结合 的监 控系统 设 计方案 ， 实现触摸屏、 变频器和 Ｐ Ｃ在模拟量速度 闭环控制系统 中的应 用， Ｌ 使系统的 自动控制功能大大加强 。该系统具有硬件设计合理、 软件功
模拟量闭环控制一般用PID
模拟量闭环控制一般用PID。
需要较好的动态品质和较高的稳态精度时，可以选用PI控制方式；控制对象的惯性滞后较大时，应选择PID控制方式。
各部分的作用如下：
在P，I，D这三种控制作用中，比例部分与误差信号在时间上是一致的，只要误差一出现，比例部分就能及时地产生与误差成正比的调节作用，具有调节及时的特点。
比例系数KC越大，比例调节作用越强，系统的稳态精度越高；但是对于大多数系统，KC过大会使系统的输出量振荡加剧，稳定性降低。
控制器中的积分作用与当前误差的大小和误差的历史情况都有关系，只要误差不为零，控制器的输出就会因积分作用而不断变化，一直要到误差消失，系统处于稳定状态时，积分部分才不再变化，因此积分部分可以消除稳态误差，提高控制精度。
但是积分作用的动作缓慢，可能给系统的动态稳定性带来不良影响，因此很少单独使用。
积分时间常数TI增大时，积分作用减弱，系统的动态性能(稳定性)可能有所改善，但是消除稳态误差的速度减慢。
根据误差变化的速度(即误差的微分)，微分部分提前给出较大的调节作用。
微分部分反映了系统变化的趋势，它较比例调节更为及时，所以微分部分具有超前和预测的特点。
微分时间常数增大时，超调量减小，动态性能得到改善，但是抑制高频干扰的能力下降。
S7-1200 PLC编程及应用第三版课件_第7、8章
选中“Transfer channel”列表中的PN/IE。单击“Properties”按钮， 打开网络连接对话框。
双 击 网 络 连 接 对 话 框 中 的 PN_X1 （ 以 太 网 接 口 ） 图 标 ， 打 开 “ ‘ PN_X1’ Settings” 对 话 框 。 用 单 选 框 选 中 “ Specify an IP address”，由用户设置PN_X1的IP地址。用屏幕键盘输入IP地址和子网 掩码，“Default Gateway”是默认的网关。设置好后按“OK”按钮退 出。
7.2.3 组态文本域与I/O域 1．生成与组态文本域 将工具箱中的文本域图标拖放到画面上，单击选中它，选中巡视窗口的“
常规”，键入文本“当前值”。可以在“常规”属性中设置字体大小和“适 合大小”。
在“外观”对话框设置其背景色为浅蓝色，填充图案为实心，文本颜色为 黑色。边框的宽度为0（没有边框）。在“布局”对话框设置四周的边距均 为3，选中复选框“使对象适合内容”。
3．设置按钮的事件功能 选中巡视窗口的“属性 > 事件 > 释放”，单击视图右边窗口的表格最上 面一行，选择“系统函数”列表中 的函数“复位位”。 单击表中第2行，选中PLC的默认变量表中的变量“起动按钮”。在HMI 运行时按下该按钮，将变量“起动按钮”复位为0状态。 选中巡视窗口的“属性 > 事件 > 按下”，用同样的方法设置在HMI运行 时按下该按钮，执行系统函数“置位位” 。该按钮为点动按钮。 选中组态好的按钮，执行复制和粘贴操作。放置好新生成的按钮后选中它， 设置其文本为“停止”， 按下该按钮时将变量“停止按钮”置位，放开该按 钮时将它复位。
实例详解S7-200SMART与PID的应用
实例详解S7-200SMART与PID的应用一、 PID回路控制概述PID控制器是应用最广泛的闭环控制器，它根据给定值与被控实测值之间的偏差；按照PID算法计算出控制器的输出量，控制执行机构进行调节，使被控量跟随给定量变化，并使系统达到稳定；自动消除各种干扰对控制过程的影响。
其中PID分别表示比例、积分和微分S7-200 SMART中PID功能实现方式有以下三种：PID指令块：通过一个PID回路表交换数据，只接受0.0 - 1.0之间的实数（实际上就是百分比）作为反馈、给定与控制输出的有效数值。
PID向导：方便地完成输入/输出信号转换/标准化处理。
PID指令同时会被自动调用。
根据PID算法自己编程S7-200 SMART CPU最多可以支持8个PID控制回路（8个PID 指令功能块）,根据PID算法自己编程没有具体数目的限制，但是我们需要考虑PLC的存储空间以及扫描周期等影响。
PID控制是负反馈闭环控制，能够抑制系统闭环内的各种因素所引起的扰动，使反馈跟随给定变化。
PID控制算法有几个关键的参数Kc（Gain，增益）Ti（积分时间常数），Td（微分时间常数）Ts（采样时间）在S7-200 SMART中PID功能是通过PID指令功能块实现。
通过定时（按照采样时间）执行PID功能块，按照PID运算规律，根据当时的给定、反馈、比例－积分－微分数据，计算出控制量由于PID可以控制温度、压力等等许多对象，它们各自都是由工程量表示，因此有一种通用的数据表示方法才能被PID功能块识别。
S7-200 SMART中的PID功能使用占调节范围的百分比的方法抽象地表示被控对象的数值大小。
在实际工程中，这个调节范围往往被认为与被控对象（反馈）的测量范围（量程）一致。
PID 功能块只接受0.0 - 1.0之间的实数（实际上是0%--100%）作为反馈、给定与控制输出的有效数值，如果是直接使用PID功能块编程，必须保证数据在这个范围之内，否则会出错。
西门子S7-200PLC第6章 PLC模拟量采集及闭环控制系统
模拟执行部件之前，必须将标准化的实数值转换成一个16位的标定整
数值。
• 3. PID回路表
•
用PID运算的参数，每个PID控制回路都 有一个确定起始地址（TBL）的回路表。
PID回路表
• 4. PID回路指令
• PID运算通过PID回路指令来实现。
化处理后写入回路表首单元VD200 ； • 5）执行PID回路运算指令； • 6）对PID回路运算的输出结果单元VD208进行数据转换后送入模拟
量输出。
• 参看教材图6-9 PID回路表及定时0中断初始化子程序实例
• 本章小结： • 作业：
•
谢谢收看！！
该电流通过250 电阻将其转换为1~5V电压，作为A/D转换 器的模拟量输入信号，A/D转换器输出的数字量信号可以直接 输入给计算机进行处理。
• 2 计算机闭环控制系统
被控设备（对象）输出的物理量（即被控参数或称系统输出参 数），经传感器、变送器、 A/D转换后反馈到输入端，与期望 值（即给定值或称系统输入参数）进行比较，当二者产生偏差 时，对该偏差进行决策或PID运算处理，其处理后的信号经D/A 转换器转换为模拟量输出，控制执行器进行调节，从而使输出 参数按输入给定的条件或规律变化。由于系统是闭和的，输出 量的变化经变送器反馈到输入端与输入量进行比较，由于反馈 的输出量与输入量相位相反，所以也称闭环控制负反馈系统。
• （2） 回路输入转换及标准化数据
• 每个PID回路有两个输入量，给定值（SP）和过程变量（PV）。 在PID指令对这些物理量进行运算之前，必须对它们及其它输入量进 行标准化处理，即通过程序将它们转换成标准的浮点型表达形式。
• （3） 回路输出值转换成标定数据
•
PID回路输出的是0.0~1.0之间标准化的实数值，回路输出在驱动
PID指令
比例积分微分控制指令PID用于模拟量闭环控制，[S1·] [S2·]各用一个数据寄存器，[S1·] 用于存放设定目标值，[S2·] 用于设定测定当前值， [S3·]是用户为PID指令定义参数的首址，范围是D0～D7975，需占有自[S3·]起始的25个连续的数据寄存器，其中[S3·] ～[S3·] +6设定控制参数。
[D·]用一个独立的数据寄存器，用于存放输出值。
执行程序时，运算结果存于[D·]中。
PID指令的功能是接收一个输入数据后，根据PID算法计算调节值。
在图17-3中，X0闭合时，执行指令，目标值存入D10中，当前值从D20中读出，保留D100～D124作为用户定义参数的寄存器，输出值存入D150，一个程序中可以使用多条PID指令，每条指令的数据寄存器都要独立，以避免混乱。
PID指令在定时器中断、子程序、步进梯形图、跳转指令中也可使用，在这种情况下，执行PID指令前请清除[S3·] +7后再使用，采样时间必须大于PLC的一个运算周期。
控制用的参数的设定值（参数设定见表17-5）必须预先通过MOV等指令写入。
表17-5 参数设定。
浅析PLC在模拟量闭环控制中的应用
温度变送其将热 电偶输出的微弱 电压信号转换为标准量程的 电 流或电压 ｐ ｖ （ ｔ ） ，然后送给 Ｐ Ｌ Ｃ的模拟量输入模块 ，经 Ａ ／ Ｄ转 换后得到与温度成 比例的数字量 ｐ ｖ （ ｎ ） ， Ｃ Ｐ Ｕ将它与温度设定值 ｓ ｐ （ ｎ ） 比较，并按某种控制规律 （ 例如 Ｐ Ｉ Ｄ控制算法）对误差值 ｅ （ ｎ ） 进行计算， 将运算结果Ｍ （ １ ２ ） （ 数字量） 送给模拟量输出模块 ， 经Ｄ ／ Ａ转换后变为标准量程的 电流信号或 电压信 号 Ｍ （ ｔ ） ，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 。 模拟量控制系统分为恒指控制系统和 随动系统 。恒值控 制 系统的给定值有操作人员提供 ，一般很小变化 ，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 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 ｐ ｖ （ ｎ ） 等于或跟 随给 定值 ｓ ｐ （ 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 ｐ ｖ （ ｎ ） 小于给定值 ｓ ｐ （ ｎ ） ，误差 ｅ （ ｎ ） 为正，控制器 的输 出量 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温度给定值 。
… ．
，
、
温度 、流量、传速等 ）是连续变化 的模拟量 ，大多数 ０ １ ０ Ｖ ）的直流 电流信号或直流电压信号 ｐ ｖ （ ｔ ） 。
。
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… 一 … ． ． ．
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接近开关 继电器 热电阻
转换开关 电磁阀
辅助节点 ……
……
3
第8章 S7-300在模拟量闭环控制中的应用
8.1 模拟量闭环控制的基本概念
8.1.1 模拟量闭环控制系统的组成 1 模拟量单闭环控制系统的组成
可编程控制器
生产过程
sp(n) +
给定值
-
ev(n)
mv(n) mv(t)
控制器
D/A
执行器
被控对象
第8章 S7-300在模拟量闭环控制中的应用
1t
dev(t )
mv(t) K ev(t) ev(t)dt T
M
P
T0 I
D dt
传递函数：
MV (s) EV (s)
KP
1
1 TI s
TD s
其中：KP为比例系数，TI为积分时间常数，TD为微分时间常 数，M为积分部分的初始值。
串级、比值等控制方式； FM355S用于数字量步进或脉冲控制器，有8个DO。
16
第8章 S7-300在模拟量闭环控制中的应用
2. 闭环控制系统功能块
SFB41～SFB43：通过AI、AO(DO)模块实现PID控制。 其中： 通过AO实现连续控制(SFB41) 通过DO实现步进(SFB42)或脉冲控制(SFB43)。
指令树→Library→Standard Library→ System Function Blocks→插入块 2. 闭环控制软件包的调用 功能块FB41､FB42､FB43与SFB41､SFB42､SFB43兼容，调 用方法如下： 指令树→ Library→Standard Library→PID Control Blocks→插入块
图8-4 SFB41 CONT_C框图
LMN 控制器输出值
LMN_PER 外设输出
25
第8章 S7-300在模拟量闭环控制中的应用
1. 设定值的输入
SP_INT：设定值(setpoint)，浮点数格式。
2. 过程变量输入格式选择
有两种输入方式：
PVPER_ON=0：选择PV_IN 作输入，浮点格式的工程值
电气控制与可编程控制器
第8章 S7-300在模拟量 闭环控制中的应用
第8章 S7-300在模拟量闭环控制中的应用
PLC常用控制方法：
SCS：Sequence Control System，程序和顺序控制； MCS：Modulating Control System，例如：PID控制作
为基本MCS； 复杂控制：串级控制、混合控制、比值控制等； 最优控制：现代控制理论算法实现的控制； 自适应控制：给定值随着某种规律自动调整，使生产过
10
2. PID算法的数字实现
第8章 S7-300在模拟量闭环控制中的应用
数字PID主要有三种算法：位置算法、增量算法和速度
算法。
S7-300 PID功能块SFB41是位置算法。
PID控制器的结构图如下：
SP(s)
-
K P K
P
Ts I
KTs PD
C(s)
控制对象
11
由PID表达式
第8章 S7-300在模拟量闭环控制中的应用
pv(n)
pv(t)
A/D
测量变送器
c(t)
被控量
图8-1 PLC模拟量闭环控制系统原理框图
其中 c(t)：被控制量
sp(n)：给定值
mv(t)：PLC输出的模拟量
mv(n)：D/A转换后输出的数字量
pv(t)：变送器输出的模拟量
ev(n)：控制偏差ev(n) = sp(n) − pv(n)
pv(n)：经A/D转换后的数字量
24
SP_INT 内部浮点数给定值
PV_IN 浮点数过程变量
PV_PER 外设变量
PVPER_ON
过程变量格式化
0
CRP_IN
PV_NORM
PV_R
1
% 实数
100/27648
PV_FAC 输入系数 PV_OFF 输入偏差
INT
INT_HOLD 积分保持 I_ITL_ON 积分初始化 I_ITLVAL 积分初值
周期折衷选择。可以在CPU属性中设置。
19
第8章 S7-300在模拟量闭环控制中的应用
20
第8章 S7-300在模拟量闭环控制中的应用
调用系统功能块必须指定背景数据块 例如：STL：CALL SFB “CONT_C”, DB300 LAD：
背景数据块保存了功能块的输入/输出结果，可以在PLC程 序中或WINCC软件访问相应的数据。见图。
采用带死区的PID控制系统。
死区的PID概念：是人为地设置一个不灵敏区域B， 当偏差 | ev(t) |≤B 时，减弱或切除控制输出 当偏差 | ev(t) |＞B 时，正常控制输出
这里的死区B对应SFB41中的DEADB_W。
死区特性
SP
－
B
PID 控制器
控制对象
图8-3 带有死区的PID控制 15
TD和I_ITLVAL。
13
第8章 S7-300在模拟量闭环控制中的应用
3. 不完全微分PID 微分项的弱点：在标准的PID算式中，当有阶跃信号输入
时，微分项急剧增加，容易引起调节过程的振荡，导致调 节品质下降。 解决：不完全微分PID算法基本思想仿照模拟调节器的实 际微分调节，加入惯性环节，以克服完全微分的缺点。 不完全微分PID的传递函数为
手动控制 MAN_ON 1
0
输出限幅 LMNLIMIT
QLMN_HLM 输出超上限 QLMN_LLM 输出超下限
输出量格式化
LMN_LIM
LMN_NORM
输出限幅
转换为外设输出值 CRP_OUT % 27648/100
LMN_HLM 输出上限值 LMN_LLM 输出下限值
LMN_FAC 输出系数 LMN_OFF 输出偏移量
DIF
TD
微分时间常数
TM_LAG 微分延迟时间
P_SEL 1
0.0
0 I_SEL 1
+
0.0
+
0
+
1
0.0 0 D_SEL
死区
DEADBAND
+
-
DEADB_W
PV
死区宽度
过程变量
比例增益 GAIN
ER 误差
LMN_P 比例分量
LMN_I 积分分量
+
+
DISV 扰动
LMN_D 微分分量
MAN 手动
3. 闭环控制软件包 FB41～FB43用于PID控制，功能同SFB41～SFB43； FB58和FB59用于PID温度控制； 模糊控制、神经网络控制、PID自整定等软件包。
17
第8章 S7-300在模拟量闭环控制中的应用
8.3.2 闭环控制系统功能块 1. 系统功能块的调用
SFB 41 用于连续控制 SFB 42 用于步进控制 SFB 43 用于脉冲宽度控制 调用方法如下：
21
第8章 S7-300在模拟量闭环控制中的应用
梯形图
语句表
22
SFB41的背景第数8章据S块7-3D00B在3模00拟量闭环控制中的应用
23
第8章 S7-300在模拟量闭环控制中的应用
8.4 连续PID控制器SFB41 SFB41为连续控制器，控制输出为AO量； 基本控制是恒值控制。例如：恒压、恒温、恒速控制等。 连续控制器SFB41的原理框图如图8-4所示。
mv(t) K
ev(t )
1
t
ev(t )dt T
dev(t
)
M
P
T0 I
D dt
设PID控制器采样周期为Ts，对上式进行离散化处理，积 分项用累加近似代替，微分项用差分近似代替，则连续系统 表达式变为：
mv(n)
K
P
ev(n)
1 T
n
ev(j)T
程始终处于最佳工作状态； 模糊控制：控制决策(目标)用模糊规则来实现。
2
第8章 S7-300在模拟量闭环控制中的应用
S7-300 组成的控制系统
PS电源 CPU 接口模板 DI DO AI TC RTD AO FM ...
按钮
指示灯 变送器 热电偶 热电阻 执行器 FM355
行程开关 接触器 热电偶
4
第8章 S7-300在模拟量闭环控制中的应用
2 S7-300实现闭环控制的方法
⑴软件PID控制器：
SFB41
SFB42 SFB43
＋
SFB58
SFB59
＋
＋
CPU
AI
AO
原理：AI(TC、RTD)模块采集过程值 ➵ 经CPU执行PID控
制算法 ➵ AO(或DO)实现控制。
优点：节约费用，使用灵活。
j 0
s
T D
ev(n)
ev(n T
1)
M
I
s
12
第8章 S7-300在模拟量闭环控制中的应用
整理后得：
n
mv(n)
K
ev(n)
P
K
I
ev(j)
K
D
ev(n)
ev(n
1)
M
j 0
式中：Ts=Δt 为采样周期
ev(n) 、ev(n-1)为第n次和第n-1次采样时的偏差值