模拟量PID温度控制系统设计(人机界面).ppt
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单击此处编辑母版文本样式,单击此处编辑母版标题样式,模拟量（温度）PID,控制系统,设计,可编程控制器应用技术,模拟量（温度）PID,控制系统,一,.,闭环控制系统组成,一般来说，一个闭环控制系统主要有以下基本元件或装置组成：,（,1,）被控对象 自动控制系统需要进行控制的机器、设备或生产过程2,）被控变量 被控对象内要求实现自动控制的物理量3,）检测元件 对系统输出量进行测量的装置4,）比较元件 对系统的输出量和输入量（给定值）进行比较，给出偏差信号5,）控制器 将偏差信号进行控制运算的部件，产生控制信号操纵执行元件改善系统性能是闭环控制系统的核心6,）,放大元件 对微弱偏差信号或控制器的输出信号进行放大，使之可输出足够的,功率7,）执行元件 根据控制器的输出，改变被控变量的大小，使被控制的输出量与,给定的输入量一致,典型,闭环控制系统的基本组成如下图控制器,输入量,（给定值）,放大器,执行器,被控对象,检测装置,扰动,输出量,1.1,S7-200 PLC的PID,回路控制指令,二,.,闭环控制系统性能指标,一般说来，对闭环控制系统性能指标的基本要求可以归纳为三个字：稳、准、快稳：,是指系统的稳定性,。
即系统从一种平衡状态到新的平衡状态时，具有较小的超调和振荡性；稳定性,是系统重新恢复平衡状态的能力任何一个能够正常工作的控制系统，首先必须是稳定,的准,：,是指系统的准确性，是对系统稳态（静态）性能的要求对一个稳定的系统而言，过渡过程结束后，系统输出量的实际值与期望值之差称为稳态误差，它是衡量系统控制精度的重要指标稳态误差越小，表示系统的准确性越好，控制精度越高快：,是指系统反应的快速性，是对系统动态性能（过渡过程性能）的要求,快速,指系统运动到新的平衡状态所需要的调节时间较短动态性能是衡量系统质量高低的重要指标同一个系统，上述三项性能指标之间往往是相互制约的比如提高过渡过程的快速性，可能会引起系统强烈振荡；改善了平稳性，控制过程又可能很迟缓，甚至使最终精度也很差1,.1,S7-200 PLC的PID,回路控制指令,闭环控制系统动态性能指标,t,O,c,（,t,）,t,r,t,p,t,s,0.05,或,0.02,C,max,1,.1,S7-200 PLC的PID,回路控制指令,三,.PID,算法,在工程实际中，应用最为广泛的控制器控制规律为,比例控制、积分控制、微分控制,，简称,PID,控制，又称,PID,调节。
PID,是比例（,Proportional,）,+,积分（,Integral,）,+,微分（,Derivative,）首字母的缩写，,PID,控制是自动控制系统中技术最成熟、应用最广泛的控制方式PID,控制器问世至今已有近,70,年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一1,.1,S7-200 PLC的PID,回路控制指令,1.1 S7-200 PLC,的,PID,回路控制指令,三、,PID,控制算法,运行PID控制指令，S7-200将根据参数表中的输入测量值、控制设定值及PID参数，进行PID运算，求得输出控制值S7-200的PID控制由PID控制回路参数表设定该表中有9个参数，全部为32位的实数，占用36个字节典型的PID算法包括三项：比例项、积分项和微分项即：输出=比例项+积分项+微分项计算机在周期性地采样并离散化后进行PID运算，算法如下：,Mn=Kc*（SP,n,-PV,n,）+Kc*（Ts/Ti）*（SP,n,-PV,n,）+Mx+Kc*（Td/Ts）*（PV,n-1,-PV,n,）,其中各参数的含义如,下,表中描述1.1 S7-200 PLC,的,PID,回路控制指令,三、,PID,控制算法,地址偏移量,参数,数据格式,参数类型,说明,0,过程变量当前值,PVn,双字,，实数,输入,必须在,0.0,至,1.0,范围内。
4,给定值,SPn,双字,，实数,输入,必须在,0.0,至,1.0,范围内,8,输出值,Mn,双字,，实数,输入,/,输出,在,0.0,至,1.0,范围内,12,增益,Kc,双字,，实数,输入,比例常量，可为正数或负数,16,采样时间,Ts,双字,，实数,输入,以秒为单位，必须为正数,20,积分时间,Ti,双字,，实数,输入,以分钟为单位，必须为正数24,微分时间,T,d,双字,，实数,输入,以分钟为单位，必须为正数28,上一次的积分值,Mx,双字,，实数,输入,/,输出,0.0,和,1.0,之间（根据,PID,运算结果更新）,32,上一次过程变量,PV,n-1,双字,，实数,输入,/,输出,最近一次,PID,运算值,1.1 S7-200 PLC,的,PID,回路控制指令,三、,PID,控制算法,比例项,Kc*,（,SPn-PVn,）,：,能及时地产生与偏差,（,SPn-PVn,）,成正比的调节作用，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,Kc,过大会使系统的输出量振荡加剧，稳定性降低积分项,Kc*,（,Ts/Ti,）*（,SPn-PVn,）,+Mx,：与偏差有关，只要偏差不为,0,，,PID,控制的输出就会因积分作用而不断变化，直到偏差消失，所以积分的作用是消除稳态误差，提高控制精度。
但积分动作缓慢，给系统的动态稳定带来不良影响，很少单独使用从式中可以看出：积分时间常数增大，积分作用减弱，消除稳态误差的速度减慢微分项,Kc*,（,Td/Ts,）*（,PVn-1-PVn,）,：,根据误差变化的速度（即误差的微分）进行调节，具有超前和预测的特点微分时间常数,Td,增大时，超调量减少，动态性能得到改善但，如果,Td,过大，系统输出量在接近稳态时可能上升缓慢1.1 S7-200 PLC,的,PID,回路控制指令,四、,S7-200,PID,控制回路选项,在很多控制系统中，有时只采用一种或两种控制回路例如，可能只要求比例控制回路或比例和积分控制回路，,S7-200,的,PID,算法通过设置常量参数值来选择所需的控制回路1,）如果不需要积分回路（即在,PID,计算中无“,I”,），则应将积分时间,Ti,设为无限大由于积分项,Mx,的初始值，虽然没有积分运算，积分项的数值也可能不为零2,）如果不需要微分运算（即在,PID,计算中无“,D”,），则应将微分时间,Td,设定为,0.0,3,）如果不需要比例运算（即在,PID,计算中无“,P”,），但需要,I,或,ID,控制，则应将比例增益值,Kc,指定为,0.0,。
因为,Kc,是计算积分和微分项公式中的系数，将比例增益设为,0.0,会导致在积分和微分项计算中使用的比例增益值,Kc,为,1.0,1.1 S7-200 PLC,的,PID,回路控制指令,五、回路输入量的转换和标准化,每个回路的给定值和过程变量都是实际数值，其大小、范围和工程单位可能不同在,PLC,进行,PID,控制之前，必须将其转换成标准化浮点表示法步骤如下：,（,1,）将实际,16,位整数转换成,32,位浮点数或实数,程序如下XORD AC0,AC0 /,将,AC0,清,0,ITDAIW0,AC0/,将输入数值转换成双字,DTR AC0,AC0/,将,32,位整数转换成实数,（,2,）将实数转换成,0.0,至,1.0,之间的标准化数值用下式：,实际数值的标准化数值,=,实际数值的非标准化数值或原始实数,/,取值范围,+,偏移量,其中：取值范围,=,最大可能数值,-,最小可能数值,=32000,（单极性数值）或,64000,（双极性数值）,偏移量：对单极性数值取,0.0,，对双极数值取,0.5,1.1 S7-200 PLC,的,PID,回路控制指令,五、回路输入量的转换和标准化,如将上述,AC0,中的双极数值,（取值范围为,64,000,）标准化，程序如下：,/R64000.0,AC0/,使累加器中的数值标准化,+R0.5,AC0 /,加偏移量,0.5,MOVRAC0,VD100/,将标准化数值写入,PID,回路参数表中。
1.1 S7-200 PLC,的,PID,回路控制指令,六、,PID,回路输出转换为成比例的整数,程序执行后，,PID,回路输出,0.0,和,1.0,之间的标准化实数数值，必须被转换成,16,位成比例整数数值，才能驱动模拟输出PID,回路输出成比例实数数值,=,（,PID,回路输出标准化实数值,-,偏移量）*取值范围,其中的偏移量和取值范围含义,与“回路,输入量的转换和标准化”相同程序如下：,MOVRVD108,AC0/,将,PID,回路输出送入,AC0,R0.5,AC0 /,双极数值减偏移量,0.5,*R 64000.0,AC0,/,AC0,的值乘以取值范围，变为成比例实数数值,ROUND AC0,，,AC0/,将实数四舍五入取整，变为,32,位整数,DTI AC0,AC0 /32,位整数转换成,16,位整数,MOVW AC0,AQW0/16,位整数写入,AQW0,1.1 S7-200 PLC,的,PID,回路控制指令,七、,S7-200,的,PID,回路控制指令的使用,S7-200,可以通过两种方式使用,PID,指令,设置回路参数表后，直接在程序中调用,PID,指令,通过,STEP-7 Micro/WIN,的指令向导使用,PID,指令。
1,）,PID,指令,PID,指令格式如表,6-9,所示使能输入有效时，根据回路参数表（,TBL,）中的输入测量值、控制设定值及,PID,参数进行,PID,计算表,6-9 PID,指令格式,表,6-9 PID,指令格式,LAD,STL,说明,PID TBL,，,LOOP,TBL,：参数表起始地址,VB,，,数据类型：字节如,VB100,LOOP,：回路号，常量（,0-7,），,数据类型：字节,1.1 S7-200 PLC,的,PID,回路控制指令,【特别提示】,（1）程序中可使用八条PID指令，分别编号0-7，不能重复使用2）使,PID指令的,ENO=0的错误条件：0006（间接地址），SM1.1（溢出，参数表起始地址或指令中指定的PID回路指令号码操作数超出范围）3）PID指令不对参数表输入值进行范围检查必须保证过程变量和给定值积分项前值和过程变量前值在0.0和1.0之间七、,S7-200,的,PID,回路控制指令的使用,1.1 S7-200 PLC,的,PID,回路控制指令,2,）,PID,指令向导,选择,PID,向导,选择需要配置的,PID,回路号,设定,PID,回路参数,设定回路输入输出参数,设定回路报警选项,分配,PID,运算数据存储区,定义向导所生成的,PID,初使化子程序和中断程序名及手,/,自动模式,生成,PID,子程序、中断程序及符号表等,配置完,PID,向导，在程序中调用向导生成的,PID,子程序,实际运行并调试,PID,参数,七、,S7-200,的,PID,回路控制指令的使用,举例：,1.,控制任务,一恒压供水水箱，通过变频器驱动的水泵供水，维持水位在满水位的,70%,。
过程变量,PVn,为水箱的水位（由水位检测计提供），设定值为,70%,，,PID,输出控制变频器，即控制水箱注水调速电机的转速要求开机后，先手动控制电机，水位上升到,70%,时，转换到,PID,自动调节2.PID,回路参数表,地址,参数,数值,VD100,过程变量当前值,PVn,水位传感器提供,的模拟量经,A/D,转换后的标准化数值,VD104,给定值,SPn,0.7,VD108,输出值,Mn,PID,回路的输出值（标准化数值）,VD112,增益,Kc,0.3,VD116,采样时间,Ts,0.1,VD120,积分时间,Ti,0.3,VD124,微分时间,T,d,0,（关闭微分作用）,VD128,上一次积分值,Mx,根据,PID,运算结果更新,0.0。
