第7章 PLC在模拟量闭环控制中的应用.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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,PV,n,。,SP,n,为,设定值,，,误差,e,n,=,SP,n,PV,n,。,AO,模块的,D-A,转换器将PID,控制器的数字量输出值,M,n,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周期,T,S,。,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,PV,n,等于或跟随设定值,SP,n,。假设,实际,温度值,c,(,t,),低于给定的温度值，误差,e,n,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,t,S,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,t,r,。,稳态误差是指响应进入稳态后，输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。,7.1.2 PID,控制器的数字化,1,连续控制系统中的,PID,控制器,K,C,是回路增益，,T,I,和,T,D,分别是积分时间和微分时间。,T,S,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,的正切值,tg,即为该点处误差的一阶导数,d,e,(,t,)/d,t,。,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,K,C,设为负数，就可以实现,PID,反作用调节。,7.1.3 PID,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,）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,。,7.2 PID,参数的整定方法,7.2.1 PID,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，被控量尚未超过其稳态值，超调还没有出现。但是因为被控量不断增大，误差,e,(,t,),不断减小，控制器输出量的微分分量为负，使控制器的输出量减小，相当于减小了温度控制系统加热的功率，提前给出了制动作用，以阻止温度上升过快。,因此微分具有超前和预测的作用，适当的微分控制作用可以减小超调量，缩短调节时间。微分作用太强（,T,D,太大），将会使响应曲线变化迟缓。,4,采样周期的确定,确定采样周期时，应保证在被控量迅速变化的区段，有足够多的采样点，以保证不会因为采样点过稀而丢失被采集的模拟量中的重要信息。,7.2.2 PID,参数整定的规则,1,PID,参数的整定方法,1,）为了减少需要整定的参数，首先可以采用,PI,控制器。给系统输入一个阶跃给定信号，观察系统输出量的波形。由,PV,的波形可以获得系统性能的信息例如超调量和调节时间。,2,）如果阶跃响应的超调量太大，经过多次振荡才能进入稳态或者根本不稳定，应减小控制器的增益,K,C,或增大积分时间,T,I,。,如果阶跃响应没有超调量，但是被控量上升过于缓慢，过渡过程时间太长，应按相反的方向调整上述参数。,3,）如果消除误差的速度较慢，应适当减小积分时间，增强积分作用。,4,）反复调节增益和积分时间，如果超调量仍然较大，可以加入微分作用，即采用,PID,控制。微分时间,T,D,从,0,逐渐增大，反复调节,K,C,、,T,I,和,T,D,，直到满足要求。需要注意的是在调节增益,K,C,时，同时会影响到积分分量和微分分量的值，而不是仅仅影响到比例分量。,5,）如果响应曲线第一次到达稳态值的上升时间较长（上升缓慢），可以适当增大增益,K,C,。如果因此使超调量增大，可以通过增大积分时间和调节微分时间来补偿。,2,怎样确定,PID,控制器的初始参数,为了保证系统的安全，避免在首次投入运行时出现系统不稳定或超调量过大的异常情况，在第一次试运行时增益不要太大，积分时间不要太小，以保证不会出现较大的超调量。试运行后根据响应曲线的特征和调整,PID,控制器参数的规则，来修改控制器的参数。,7.2.3 PID,参数整定的实验,用作者编写的子程序,“,被控对象,”,来模拟,PID,闭环中的被控对象（见图,7-15,），被控对象的数学模型为,3,个串联的惯性环节，其增益为,GAIN,，,3,个惯性环节的时间常数分别为,TIM1,TIM3,。,DISV,是系统的扰动输入值。,主程序中,T37,和,T38,组成了方波振荡器，用来提供周期为,60s,、幅值为,20.0%,和,70.0%,的方波设定值。在主程序中调用,PID,向导生成的子程序,PID0_CTRL,。,CPU,按,PID,向导中组态的采样周期调用,PID,中断程序,PID_EXE,，在,PID_EXE,中执行,PID,运算。,PID_EXE,占用了定时中断,0,，模拟被控对象的中断程序,INT_0,使用定时中断,1,。,设定值,Setpoint_R,是以百分数为单位的浮点数。,Auto_Manual,（,I0.0,）为,ON,时为自动模式。,实际的,PID,控制程序不需要调用子程序“被控对象”，在主程序中只需要调用子程序,PID0_CTRL,，其输入参数,PV_I,应为实际使用的,AI,模块的通道地址（例如,AIW0,），其输出参数,Output,应为实际使用的,AO,模块的通道地址（例如,AQW0,）。,5,PID,调节控制面板,操作要点：用左下角的单选框选中“手动调节”，用图形区下面的“当前,PID,”选择框选中要调试的回路。接通,I0.0,外接的小开关，出现,3,条曲线。,在左边的“调节参数”区输入新的参数，单击“更新,PLC,”按钮，将参数写入,PLC,。,6,PID,闭环控制,仿真,演示,初始参数为,K,C,=2.0,，,T,I,=0.03,，,T,D,=0.01,，超调量大。,T,I,增大为,0.12min,，超调量减小。,K,C,和,T,I,不变，,T,D,=0.00,，超调量增大。所以适当的微分能减小超调量。,K,C,不变，,T,I,=0.06,，,T,D,=0.08,，超调量比,T,D,=0.01,时大，反应迟缓。,令,T,I,=0.1,，,T,D,=0.00,（,PI,），,K,C,=0.7,比,K,C,=2.5,的超调量小，但是上升时间长。,将增益,由,0.7,增大到,1.5,，减少了上升时间，但是超调量增大到,16%,。将积分时间增大到,0.3min,，超调量减小到,13%,。但是因为减弱了积分作用，在设定值减小后，过程变量下降的速度太慢。,将,T,I,减小到,0.15min,，反复调节微分时间,，在,0.01min,时效果较好。,7.3 PID,参数自整定,7.3.1,自整定的基本方法与自整定过程,起动自整定之前，控制过程应处于稳定状态，过程变量接近设定值,。,自动确定了滞后值和偏差值之后，,PID,的输出量,多次阶跃变化,，开始执行自整定过程。自整定过程完成后，回路的输出将恢复到初始值，开始正常的,PID,计算。,7.3.2 PID,参数自整定实验,1,实验的准备工作,将例程“,PID,参数自整定”下载到,CPU,，令,PLC,处于,RUN,模式。,自整定实验全部采用默认的参数设置，自动计算滞后和偏差值。,被控对象的增益为,3.0,，两个惯性环节的时间常数为,2s,和,5s,。采样周期为,0.2s,。令,I0.0,为,ON,，采用,“,自动调节,”,模式。用,I0.3,外接的小开关使给定值,SP,在,0.0%,和,70.0%,之间切换。,2,第一次,PID,参数自整定实验演示,增益为,2.0,、,积分时间为,0.025min,，微分时间为,0.005min,。,用,I0.3,外接的小开关使设定值,SP,从,0.0%,跳变到,70.0%,，过程变量,PV,曲线的超调量太大，衰减震荡的时间太长。在过程变量曲线,PV,沿设定值,SP,曲线上下小幅波动，这两条曲线几乎重合时，单击“开始自动调节”按钮，启动自动整定过程。,显示“调节算法正常完成，算法建议的调节参数已经可用”时，进入正常的,PID,控制，“调节参数”区给出了,PID,参数的建议值。,单击“更新,PLC,”按钮，将“调节参数”区自整定得到的推荐的参数写入,CPU,。,令,I0.3,为,OFF,，,PV,曲线下降到,0,后，再令,I0.3,为,ON,，设定值阶跃变化到,70%,，,超调量减小。,为了进一步减小超调量，可切换到手动调节，增大积分时间。,3,第二次,PID,参数自整定实验演示,增益为,0.5,，积分时间为,0.5min,，微分时间为,0.1min,。没有超调，但是响应过于迟缓。自整定过程与第一次相同。,两次实验的初始参数相差甚远，,参数整定前的,响应曲线也是天差地别。自整定得到的推荐参数值却相差很小,。,总结,