S7-200SMARTPLC在模拟量闭环控制中的应用.pptx
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第7章PLC在模拟量闭环控制中的应用7.17.1闭环控制与闭环控制与PIDPID控制器控制器7.1.1模拟量闭环控制系统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=SPnPVn。
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。
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420mA的信号电流。
4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。
5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,输出量的期望值与实际值之差。
6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。
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间。
2PID控制器的数字化上式中的积分对应于图7-5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7-5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de(t)/dt。
TS是采样时间间隔。
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,就可以实现PID反作用调节。
7.1.3PID指令向导的应用指令向导的应用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(07)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032000。
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。
7.2PID控制器的参数整定方法控制器的参数整定方法7.2.1PID参数的物理意义参数的物理意义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。
如果增益太小,调节的力度不够,使调节时间过长。
如果增益过大,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(TD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。
7.2.2PID参数整定的规则参数整定的规则1PID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KC或增大积分时间TI。
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TD从0逐渐增大,反复调节KC、TI和TD,直到满足要求。
需要注意的是在调节增益KC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KC。
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控制器的初始参数值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。
7.2.3PID控制器参数整定的实验控制器参数整定的实验2被控对象仿真的S7-200SMARTPID闭环程序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7-12),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TIM1TIM3。
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)。
3PID整定控制面板操作要点:
用左边窗口选中要调试的回路,接通I0.0外接的小开关,出现3条曲线。
选中多选框“启用手动调节”在右边的“调节参数”区的“计算值”列输入新的参数,单击“更新CPU”按钮,将参数写入PLC。
4PID闭环控制仿真演示初始参数为KC=2.0,TI=0.03,TD=0.01,超调量大。
TI增大为0.1min,超调量减小。
KC和TI不变,TD减小到0.00,超调量增大。
所以适当的微分能减小超调量。
KC和TI不变,TD=0.08,超调量比TD=0.01时大,反应迟缓。
令TI=0.1,TD=0.00(PI),KC=0.7比KC=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TI减小到0.15min,反复调节微分时间,在0.01min时效果较好。
7.3PID参数自整定参数自整定7.3.1自整定的基本方法与自整定过程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,过程变量应接近设定值。
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。
7.3.2PID参数自整定实验参数自整定实验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。
全部采用自整定默认的参数设置,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。
按下更新CPU按钮接受建议的调节参数”时,进入正常的PID控制,“调节参数”区的“计算值”列给出了PID参数的建议值。
单击“更新CPU”按钮,将“计算值”列的推荐参数写入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。
第第8章章PLC应用中的一些用中的一些问题8.1PLC控制系控制系统的可靠性措施的可靠性措施8.1.1硬件的可靠性措施硬件的可靠性措施1电源的抗干扰措施干扰较强时,可以在PLC的电源输入端加接带屏蔽层的隔离变压器和低通滤波器,或使用抗干扰电源和净化电源产品。
2布线的抗干扰措施PLC不能与高压电器安装在同一个开关柜内,在柜内PLC应远离动力线。
长距离数字量信号、模拟量信号、高速信号和通信应使用屏蔽电缆。
中性线与火线、公共线与信号线应成对布线。
模拟量信号的传输线应使用双屏蔽的双绞线(每对双绞线和整个电缆都有屏蔽层)。
不同的模拟量信号线应独立走线,不要把不同的模拟量信号置于同一个公共返回线。
I/O线与电源线、交流信号与直流信号、数字量与模拟量I/O线应分开敷设。
DC24V和AC220V信号不要共用同一条电缆。
远程传送的模拟量信号应采用420mA的电流传输方式。
干扰较强的环境应选用有光隔离的模拟量I/O模块。
应短接未使用的A-D通道的输入端,以防止干扰信号进入PLC。
3PLC的接地1)安全保护地又叫做电磁兼容性地,车间里一般有保护接地网络
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- S7 200 SMARTPLC 模拟 闭环控制 中的 应用