第6章 S7-200 PLC在模擬量閉環(huán)控制中應(yīng)用(賴指南)

1、第第6 6章章 S7-200 PLCS7-200 PLC在模擬量閉環(huán)控制中的應(yīng)用在模擬量閉環(huán)控制中的應(yīng)用6.1 6.1 模擬量閉環(huán)控制的基本概念模擬量閉環(huán)控制的基本概念6.1.1 6.1.1 模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成 1.1.模擬量單閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成模擬量單閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成 典型的典型的PLCPLC模擬量單閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖模擬量單閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖6-16-1所示，虛線中的部分是所示，虛線中的部分是用用PLCPLC實(shí)現(xiàn)的。實(shí)現(xiàn)的。 在模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)中，被控量在模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)中，被控量C(t)(C(t)(例如壓力、溫度、流量、例如壓力、溫度、流量、轉(zhuǎn)速等轉(zhuǎn)速等)

2、 )是連續(xù)變化的模擬量，大多數(shù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（例如晶閘管調(diào)速是連續(xù)變化的模擬量，大多數(shù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（例如晶閘管調(diào)速裝置、電動調(diào)節(jié)閥和變頻器等）要求裝置、電動調(diào)節(jié)閥和變頻器等）要求PLCPLC輸出模擬信號輸出模擬信號MV(t),MV(t),而而PLCPLC的的CPUCPU只能處理數(shù)字量。只能處理數(shù)字量。C(t)C(t)首先被測量元件（傳感器）和變送器首先被測量元件（傳感器）和變送器轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的直流電流信號或直流電壓信號轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的直流電流信號或直流電壓信號PV(t),PV(t),例如例如4 420m 20m A ,1A ,1，用，用A/DA/D轉(zhuǎn)換器將它們轉(zhuǎn)換為數(shù)字轉(zhuǎn)換器將它們轉(zhuǎn)換為數(shù)字量量PV(n).P

3、V(n). 模擬量與數(shù)字量之間的相互轉(zhuǎn)換和模擬量與數(shù)字量之間的相互轉(zhuǎn)換和PIDPID程序的執(zhí)行都是周期性的程序的執(zhí)行都是周期性的操作，其間隔時間稱為采樣周期操作，其間隔時間稱為采樣周期T TS S。各數(shù)字量括號中的。各數(shù)字量括號中的n n表示該變量表示該變量是第是第n n次采樣計算時的數(shù)字量。次采樣計算時的數(shù)字量。 圖圖6-16-1中的中的SP(n)SP(n)是給定值，是給定值，PV(n)PV(n)為為A/DA/D轉(zhuǎn)換后的反饋量，誤差轉(zhuǎn)換后的反饋量，誤差Ev(n)=SP(n)-PV(n)Ev(n)=SP(n)-PV(n)。 D/AD/A轉(zhuǎn)換器將轉(zhuǎn)換器將PIDPID控制器輸出的數(shù)字量控制器輸出的

4、數(shù)字量M (n)M (n)轉(zhuǎn)換為模擬量（直流轉(zhuǎn)換為模擬量（直流電壓或直流電流）電壓或直流電流）MV(t),MV(t),再去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。再去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 例如在加熱爐溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)中，用熱電偶檢測爐溫，溫度變例如在加熱爐溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)中，用熱電偶檢測爐溫，溫度變送器將熱電偶輸出的微弱的電壓信號轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)量程的電流或電壓，送器將熱電偶輸出的微弱的電壓信號轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)量程的電流或電壓，然后送給模擬量輸入模塊，經(jīng)然后送給模擬量輸入模塊，經(jīng)A/DA/D轉(zhuǎn)換后得到與溫度成比例的數(shù)字量，轉(zhuǎn)換后得到與溫度成比例的數(shù)字量，CPUCPU將它與溫度設(shè)定值比較，并按某種控制規(guī)律（例如將它與溫度設(shè)定值比較，并按某

5、種控制規(guī)律（例如PIDPID控制算法）控制算法）對誤差值進(jìn)行運(yùn)算，將運(yùn)算結(jié)果（數(shù)字量）送給模擬量輸出模塊，經(jīng)對誤差值進(jìn)行運(yùn)算，將運(yùn)算結(jié)果（數(shù)字量）送給模擬量輸出模塊，經(jīng)D/AD/A轉(zhuǎn)換后變?yōu)殡娏餍盘柣螂妷盒盘?，用來控制電動調(diào)節(jié)閥的開度，轉(zhuǎn)換后變?yōu)殡娏餍盘柣螂妷盒盘?，用來控制電動調(diào)節(jié)閥的開度，通過它控制加熱用的天然氣的流量，實(shí)現(xiàn)對溫度的閉環(huán)控制。通過它控制加熱用的天然氣的流量，實(shí)現(xiàn)對溫度的閉環(huán)控制。C(t)C(t)為為系統(tǒng)的輸出量，即被控量，例如加熱爐中的溫度。系統(tǒng)的輸出量，即被控量，例如加熱爐中的溫度。 模擬量控制系統(tǒng)分為恒值控制系統(tǒng)和隨動系統(tǒng)。恒值控制系統(tǒng)的模擬量控制系統(tǒng)分為恒值控制系統(tǒng)和隨

6、動系統(tǒng)。恒值控制系統(tǒng)的給定值由操作人員提供，一般很少變化，例如溫度控制系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速控給定值由操作人員提供，一般很少變化，例如溫度控制系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)等。隨動系統(tǒng)的輸入量是不斷變化的隨機(jī)變量，例如高射炮的制系統(tǒng)等。隨動系統(tǒng)的輸入量是不斷變化的隨機(jī)變量，例如高射炮的瞄準(zhǔn)控制系統(tǒng)和電動調(diào)節(jié)閥的開度控制系統(tǒng)就是典型的隨動系統(tǒng)。閉瞄準(zhǔn)控制系統(tǒng)和電動調(diào)節(jié)閥的開度控制系統(tǒng)就是典型的隨動系統(tǒng)。閉環(huán)負(fù)反饋控制可以使控制系統(tǒng)的反饋量環(huán)負(fù)反饋控制可以使控制系統(tǒng)的反饋量PV(n)PV(n)等于或跟隨給定值等于或跟隨給定值SP(n)SP(n)。以爐溫控制系統(tǒng)為例，假設(shè)輸出的溫度值以爐溫控制系統(tǒng)為例，假設(shè)輸出的溫度值C(

7、t)C(t)低于給定的溫低于給定的溫度值，反饋量度值，反饋量PV(n)PV(n)小于給定值小于給定值SP(n)SP(n)，誤差，誤差EV(n)EV(n)為正，控制器的輸為正，控制器的輸出量出量MV(t)MV(t)將增大，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)（電動調(diào)節(jié)閥）的開度增大，進(jìn)入加將增大，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)（電動調(diào)節(jié)閥）的開度增大，進(jìn)入加熱爐的天然氣流量增加，加熱爐的溫度升高，最終使實(shí)際溫度接近熱爐的天然氣流量增加，加熱爐的溫度升高，最終使實(shí)際溫度接近或等于給定值?；虻扔诮o定值。 天然氣壓力的波動、工件進(jìn)入加熱爐，這些因素稱為擾動量，它天然氣壓力的波動、工件進(jìn)入加熱爐，這些因素稱為擾動量，它們會破壞爐溫的穩(wěn)定。閉環(huán)控制可

8、以有效地抑制閉環(huán)中各種擾動的們會破壞爐溫的穩(wěn)定。閉環(huán)控制可以有效地抑制閉環(huán)中各種擾動的影響，使被控量趨近于給定值。影響，使被控量趨近于給定值。 閉環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單，容易實(shí)現(xiàn)自動控制，因此在各個領(lǐng)域閉環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單，容易實(shí)現(xiàn)自動控制，因此在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。得到了廣泛的應(yīng)用。 * *2.2.復(fù)雜的控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 級聯(lián)控制。級聯(lián)控制又稱串級控制，兩個控制器串行連接，級聯(lián)控制。級聯(lián)控制又稱串級控制，兩個控制器串行連接，第一個控制器（主控制器）的輸出第一個控制器（主控制器）的輸出SP2SP2是伺服控制器的設(shè)定值（見圖是伺服控制器的設(shè)定值（見圖6-26-2）。）。

9、級聯(lián)控制的控制性能可以用附加的過程變量來改進(jìn)。為此在系統(tǒng)級聯(lián)控制的控制性能可以用附加的過程變量來改進(jìn)。為此在系統(tǒng)中適當(dāng)?shù)牡胤揭鲚o助過程變量中適當(dāng)?shù)牡胤揭鲚o助過程變量PV2PV2，將它與主控制器的輸出，將它與主控制器的輸出SP2SP2比比較，得到的誤差值作為伺服控制器的輸入量。較，得到的誤差值作為伺服控制器的輸入量。 主控制器的給定值為主控制器的給定值為SP1SP1，反饋值為，反饋值為PV1PV1，它調(diào)整，它調(diào)整SP2SP2，以便盡可，以便盡可能快地使過程變量能快地使過程變量PV1PV1在沒有超調(diào)的情況下達(dá)到設(shè)定值。在沒有超調(diào)的情況下達(dá)到設(shè)定值。 以電動調(diào)節(jié)閥為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)就是一個級聯(lián)

10、控制系統(tǒng)。電以電動調(diào)節(jié)閥為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)就是一個級聯(lián)控制系統(tǒng)。電動調(diào)節(jié)閥有一個位置隨動系統(tǒng)，圖動調(diào)節(jié)閥有一個位置隨動系統(tǒng)，圖6-26-2中的中的PV2PV2是閥門的開度，即閥是閥門的開度，即閥芯的位置。通過輔助回路的調(diào)節(jié)作用，閥門的開度與主控制器的輸出芯的位置。通過輔助回路的調(diào)節(jié)作用，閥門的開度與主控制器的輸出量量SP2SP2成正比。成正比。 混合控制器混合控制器 合控制器總的設(shè)定值合控制器總的設(shè)定值SPSP按一定的比例分配給各控制組件，各混按一定的比例分配給各控制組件，各混合系數(shù)之和應(yīng)為合系數(shù)之和應(yīng)為1 1，例如圖，例如圖6-36-3中的中的FAC1+FAC4=1FAC1+FAC4=1。

11、 單閉環(huán)比例控制器單閉環(huán)比例控制器 對于某些控制系統(tǒng)來說，控制兩個過程變量之間的比例比控制它對于某些控制系統(tǒng)來說，控制兩個過程變量之間的比例比控制它們的絕對數(shù)值更重要，例如控制兩臺需要同步的設(shè)備的速度，可以使們的絕對數(shù)值更重要，例如控制兩臺需要同步的設(shè)備的速度，可以使用圖用圖10-410-4中的單閉環(huán)比例控制器。中的單閉環(huán)比例控制器。 多閉環(huán)比例控制器多閉環(huán)比例控制器 多閉環(huán)比例控制使兩個過程變量多閉環(huán)比例控制使兩個過程變量PV1PV1和和PV2PV2之比保持為常數(shù)。為此用之比保持為常數(shù)。為此用第一個控制閉環(huán)的過程量第一個控制閉環(huán)的過程量PV1PV1來計算第來計算第2 2個控制閉環(huán)的設(shè)定值。在

12、過程變個控制閉環(huán)的設(shè)定值。在過程變量量PV1PV1動態(tài)變化的過程中也能保證動態(tài)變化的過程中也能保證PV1PV1與與PV2PV2之間保持設(shè)定的比例。如圖之間保持設(shè)定的比例。如圖10-510-5所示。所示。 二級控制器二級控制器 二級控制器（二級控制器（Two-Step ControllerTwo-Step Controller）只能提供開關(guān)量的兩個相反）只能提供開關(guān)量的兩個相反的輸出狀態(tài)，例如開關(guān)的接通和斷開。典型控制為通過繼電器電器輸?shù)妮敵鰻顟B(tài)，例如開關(guān)的接通和斷開。典型控制為通過繼電器電器輸出的脈沖寬度調(diào)制信號對加熱系統(tǒng)的控制。出的脈沖寬度調(diào)制信號對加熱系統(tǒng)的控制。 三級控制器三級控制器 三

13、級控制器只能提供開關(guān)量的三級控制器只能提供開關(guān)量的3 3個輸出狀態(tài)。應(yīng)區(qū)分脈沖寬度調(diào)制個輸出狀態(tài)。應(yīng)區(qū)分脈沖寬度調(diào)制（例如加熱和冷卻，加熱（例如加熱和冷卻，加熱- -關(guān)機(jī)關(guān)機(jī)- -冷卻）和使用積分式執(zhí)行機(jī)構(gòu)的步進(jìn)冷卻）和使用積分式執(zhí)行機(jī)構(gòu)的步進(jìn)控制（例如右控制（例如右- -停止停止- -左）之間的區(qū)別。左）之間的區(qū)別。6.1.2 6.1.2 閉環(huán)控制的主要性能指標(biāo)閉環(huán)控制的主要性能指標(biāo) 給定輸入信號或擾動輸入信號發(fā)生變化時，會引起輸出量發(fā)生變給定輸入信號或擾動輸入信號發(fā)生變化時，會引起輸出量發(fā)生變化，系統(tǒng)的輸出量達(dá)到穩(wěn)態(tài)值之前的變化過程稱為過渡過程或動態(tài)過化，系統(tǒng)的輸出量達(dá)到穩(wěn)態(tài)值之前的變化過

14、程稱為過渡過程或動態(tài)過程。系統(tǒng)的動態(tài)性能常用階躍響應(yīng)（階躍輸入時輸出量的變化）的參程。系統(tǒng)的動態(tài)性能常用階躍響應(yīng)（階躍輸入時輸出量的變化）的參數(shù)來描述。階躍輸入信號在數(shù)來描述。階躍輸入信號在t t=0=0之前為之前為0 0，t t0 0時為某一恒定值。時為某一恒定值。 max%100%ctcc 輸出量第一次達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的時間輸出量第一次達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的時間t tr r稱為上升時間，上升時間反映稱為上升時間，上升時間反映了系統(tǒng)在響應(yīng)初期的快速性。了系統(tǒng)在響應(yīng)初期的快速性。 系統(tǒng)進(jìn)入并停留在穩(wěn)態(tài)值系統(tǒng)進(jìn)入并停留在穩(wěn)態(tài)值c(c() )上下上下5%5%（或（或2%2%）的誤差帶內(nèi)的）的誤差帶內(nèi)的時間時間t

15、tS S稱為調(diào)節(jié)時間，到達(dá)調(diào)節(jié)時間表示過渡過程已基本結(jié)束。稱為調(diào)節(jié)時間，到達(dá)調(diào)節(jié)時間表示過渡過程已基本結(jié)束。 設(shè)動態(tài)過程中輸出量的最大值為設(shè)動態(tài)過程中輸出量的最大值為cmaxcmax（t t）, ,穩(wěn)態(tài)值為穩(wěn)態(tài)值為c(c() )，則，則超調(diào)量為超調(diào)量為 超調(diào)量反映了系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性，它越小動態(tài)穩(wěn)定性越好，一超調(diào)量反映了系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性，它越小動態(tài)穩(wěn)定性越好，一般希望超調(diào)量小于般希望超調(diào)量小于10%10%。 系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差是進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后的期望值與實(shí)際值之差，它反映系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差是進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后的期望值與實(shí)際值之差，它反映了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。6.1.3 6.1.3 閉環(huán)控制反饋極性的確定

16、閉環(huán)控制反饋極性的確定 閉環(huán)控制必須保證系統(tǒng)是負(fù)反饋（誤差閉環(huán)控制必須保證系統(tǒng)是負(fù)反饋（誤差= =給定值給定值- -反饋值），而不反饋值），而不是正反饋（誤差是正反饋（誤差= =給定值給定值+ +反饋值）。如果系統(tǒng)接成了正反饋，將會反饋值）。如果系統(tǒng)接成了正反饋，將會失控，被控量會往單一方向增大或減小，給系統(tǒng)的安全帶來極大的失控，被控量會往單一方向增大或減小，給系統(tǒng)的安全帶來極大的威脅。威脅。 閉環(huán)控制系統(tǒng)的反饋極性與很多因素有關(guān)，例如因?yàn)榻泳€改變了閉環(huán)控制系統(tǒng)的反饋極性與很多因素有關(guān)，例如因?yàn)榻泳€改變了變送器輸出電流或輸出電壓的極性，在變送器輸出電流或輸出電壓的極性，在PIDPID控制程序中

17、改變了誤差的控制程序中改變了誤差的計算公式，改變了某些直線位移傳感器或轉(zhuǎn)角位移傳感器的安裝方計算公式，改變了某些直線位移傳感器或轉(zhuǎn)角位移傳感器的安裝方向，都會改變反饋的極性。向，都會改變反饋的極性。 可以用下述的方法來判斷反饋的極性：在調(diào)試時斷開可以用下述的方法來判斷反饋的極性：在調(diào)試時斷開D/AD/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的連線，在開環(huán)狀態(tài)下運(yùn)行與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的連線，在開環(huán)狀態(tài)下運(yùn)行PIDPID控制程序。如果控制控制程序。如果控制器中有積分環(huán)節(jié)，因?yàn)榉答伇粩嚅_了，不能消除誤差，這時器中有積分環(huán)節(jié)，因?yàn)榉答伇粩嚅_了，不能消除誤差，這時D/AD/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器的輸出電壓會向一個方向變化。這時如

18、果接上執(zhí)行機(jī)構(gòu)，形成閉器的輸出電壓會向一個方向變化。這時如果接上執(zhí)行機(jī)構(gòu)，形成閉環(huán)，能減小誤差，則為負(fù)反饋，反之為正反饋。環(huán)，能減小誤差，則為負(fù)反饋，反之為正反饋。 以溫度控制系統(tǒng)為例，假設(shè)開環(huán)運(yùn)行時給定值大于反饋值，若以溫度控制系統(tǒng)為例，假設(shè)開環(huán)運(yùn)行時給定值大于反饋值，若D/AD/A轉(zhuǎn)換器的輸出值不斷增大，如果形成閉環(huán)，將使電動調(diào)節(jié)閥的開轉(zhuǎn)換器的輸出值不斷增大，如果形成閉環(huán)，將使電動調(diào)節(jié)閥的開度增大，閉環(huán)后溫度反饋值將會增大，使誤差減小，由此可以判定度增大，閉環(huán)后溫度反饋值將會增大，使誤差減小，由此可以判定系統(tǒng)是負(fù)反饋。系統(tǒng)是負(fù)反饋。6.1.4 6.1.4 變送器的選擇變送器的選擇 變送器用

19、于將傳感器提供的電量或非電量轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的直流電流變送器用于將傳感器提供的電量或非電量轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的直流電流或直流電壓信號，例如或直流電壓信號，例如DC0DC010V10V和和4 420mA20mA。變送器分為電流輸出型。變送器分為電流輸出型和電壓輸出型，電壓輸出型變送器具有恒壓源的性質(zhì)，和電壓輸出型，電壓輸出型變送器具有恒壓源的性質(zhì)，PLCPLC模擬量輸模擬量輸入模塊的電壓輸入端的輸入阻抗很高，例如入模塊的電壓輸入端的輸入阻抗很高，例如100k100k10M10M。如果變。如果變送器距離送器距離PLCPLC較遠(yuǎn)，通過線路間的分布電容和分布電感產(chǎn)生的干擾信較遠(yuǎn)，通過線路間的分布電容和分布電感產(chǎn)生的

20、干擾信號電流在模塊的輸入阻抗上將產(chǎn)生較高的干擾電壓。例如號電流在模塊的輸入阻抗上將產(chǎn)生較高的干擾電壓。例如1A1A干擾干擾電流在電流在10 M10 M輸入阻抗上將產(chǎn)生輸入阻抗上將產(chǎn)生10V10V的干擾電壓信號，所以遠(yuǎn)程傳送的干擾電壓信號，所以遠(yuǎn)程傳送模擬量電壓信號時抗干擾能力很差。模擬量電壓信號時抗干擾能力很差。 電流輸出具有恒流源的性質(zhì)，恒流源的內(nèi)阻很大。電流輸出具有恒流源的性質(zhì)，恒流源的內(nèi)阻很大。PLCPLC的模擬量的模擬量輸入模塊輸入電流時，輸入阻抗較低（例如輸入模塊輸入電流時，輸入阻抗較低（例如250250）。線路上的干擾）。線路上的干擾信號在模塊的輸入阻抗上產(chǎn)生的干擾電壓很低，所以模

21、擬量電流信信號在模塊的輸入阻抗上產(chǎn)生的干擾電壓很低，所以模擬量電流信號適于遠(yuǎn)程傳送。號適于遠(yuǎn)程傳送。 電流傳送比電壓傳送的傳送距離遠(yuǎn)得多，電流傳送比電壓傳送的傳送距離遠(yuǎn)得多，S7-200S7-200的模擬量輸入模的模擬量輸入模塊使用屏蔽電纜信號線時允許的最大距離為塊使用屏蔽電纜信號線時允許的最大距離為200m200m。 變送器分為二線式和三線式，三線式變送器有變送器分為二線式和三線式，三線式變送器有3 3根線：電源線、根線：電源線、信號線和公共線。二線式變送器只有兩根外部接線，如圖信號線和公共線。二線式變送器只有兩根外部接線，如圖6-66-6所示。所示。它們既是電源線，也是信號線，輸出它們既是

22、電源線，也是信號線，輸出4 420 mA20 mA的信號電流，的信號電流，DC24VDC24V電電源串接在回路中。通過調(diào)試，在被檢測信號滿量程時輸出電流為源串接在回路中。通過調(diào)試，在被檢測信號滿量程時輸出電流為2020mAmA。二線式變送器的接線少，。二線式變送器的接線少，信號可以遠(yuǎn)傳，在工業(yè)中得到信號可以遠(yuǎn)傳，在工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。了廣泛的應(yīng)用。6.1.5 PLC6.1.5 PLC的模擬量輸入接口的模擬量輸入接口 它的作用是把現(xiàn)場連續(xù)變化的模擬量標(biāo)準(zhǔn)信號轉(zhuǎn)換成適合可編程它的作用是把現(xiàn)場連續(xù)變化的模擬量標(biāo)準(zhǔn)信號轉(zhuǎn)換成適合可編程序控制器內(nèi)部處理的由若干位二進(jìn)制數(shù)字表示的信號。模擬量輸入序控制

23、器內(nèi)部處理的由若干位二進(jìn)制數(shù)字表示的信號。模擬量輸入接口接受標(biāo)準(zhǔn)模擬信號，無論是電壓信號還是電流信號均可。這里接口接受標(biāo)準(zhǔn)模擬信號，無論是電壓信號還是電流信號均可。這里標(biāo)準(zhǔn)信號是指符合國際標(biāo)準(zhǔn)的通用交互用電壓電流信號值，如標(biāo)準(zhǔn)信號是指符合國際標(biāo)準(zhǔn)的通用交互用電壓電流信號值，如 4 4 20mA 20mA 的直流電流信號，的直流電流信號， 1 1 10V 10V 的直流電壓信號等。工業(yè)現(xiàn)場中的直流電壓信號等。工業(yè)現(xiàn)場中模擬量信號的變化范圍一般是不標(biāo)模擬量信號的變化范圍一般是不標(biāo)準(zhǔn)的，在送入模擬量接口時都需經(jīng)準(zhǔn)的，在送入模擬量接口時都需經(jīng)變送處理才能使用。圖變送處理才能使用。圖6-76-7是模擬是

24、模擬量輸入接口的內(nèi)部電路框圖。量輸入接口的內(nèi)部電路框圖。模擬量信號輸入后一般經(jīng)運(yùn)算放大模擬量信號輸入后一般經(jīng)運(yùn)算放大器放大后進(jìn)行器放大后進(jìn)行 A/D A/D 轉(zhuǎn)換，再經(jīng)光轉(zhuǎn)換，再經(jīng)光電耦合后為可編程控制器提供一定電耦合后為可編程控制器提供一定位數(shù)的數(shù)字量信號。位數(shù)的數(shù)字量信號。 6.1.6 PLC6.1.6 PLC的模擬量輸出接口的模擬量輸出接口 它的作用是將可編程控制器運(yùn)算處理后的若干位數(shù)字量信號轉(zhuǎn)換它的作用是將可編程控制器運(yùn)算處理后的若干位數(shù)字量信號轉(zhuǎn)換為響應(yīng)的模擬量信號輸出，以滿足生產(chǎn)過程現(xiàn)場連續(xù)控制信號的需為響應(yīng)的模擬量信號輸出，以滿足生產(chǎn)過程現(xiàn)場連續(xù)控制信號的需求。模擬量輸出接口一般

25、由光電隔離、求。模擬量輸出接口一般由光電隔離、 D/A D/A 轉(zhuǎn)換和信號驅(qū)動等環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)換和信號驅(qū)動等環(huán)節(jié)組成。其原理框圖如圖組成。其原理框圖如圖6-86-8所示所示 。 6.2 S7-200PLC6.2 S7-200PLC的模擬量擴(kuò)展模塊的模擬量擴(kuò)展模塊6.2.1 6.2.1 模擬量擴(kuò)展模塊的功能模擬量擴(kuò)展模塊的功能 模擬量擴(kuò)展模塊為模擬量擴(kuò)展模塊為PLCPLC主機(jī)提供了模擬量輸入主機(jī)提供了模擬量輸入/ /輸出的功能，具有輸出的功能，具有以下特點(diǎn)：以下特點(diǎn)： (1) (1) 最佳適應(yīng)性，可適用于復(fù)雜的控制場合。最佳適應(yīng)性，可適用于復(fù)雜的控制場合。 (2)(2)直接與傳感器和執(zhí)行器相連，直接與傳

26、感器和執(zhí)行器相連，12 12 位的分辨率和多種輸入位的分辨率和多種輸入/ /輸輸出范圍能夠在不外加放大器的情況下與傳感器和執(zhí)行器直接相連，出范圍能夠在不外加放大器的情況下與傳感器和執(zhí)行器直接相連，例如例如EM231RTDEM231RTD模塊可直接與模塊可直接與PT100 PT100 熱電阻相連熱電阻相連 (3)(3)靈活性，當(dāng)實(shí)際應(yīng)用變化時，靈活性，當(dāng)實(shí)際應(yīng)用變化時，PLC PLC 可以相應(yīng)地進(jìn)行擴(kuò)展，并可以相應(yīng)地進(jìn)行擴(kuò)展，并可非常容易的調(diào)整用戶程序?？煞浅Ｈ菀椎恼{(diào)整用戶程序。 （4 4）擴(kuò)展模塊具有與基本單元相同的設(shè)計特點(diǎn)）擴(kuò)展模塊具有與基本單元相同的設(shè)計特點(diǎn),S7-200,S7-200（C

27、NCN）PLC PLC 的擴(kuò)展模塊種類很多，安裝方式與的擴(kuò)展模塊種類很多，安裝方式與CPUCPU相同。當(dāng)需要的擴(kuò)展模塊較多相同。當(dāng)需要的擴(kuò)展模塊較多時，模塊連接起來會過長，這時可以使用擴(kuò)展轉(zhuǎn)接電纜重疊排布。時，模塊連接起來會過長，這時可以使用擴(kuò)展轉(zhuǎn)接電纜重疊排布。 （5 5）安裝方便，可以在標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌上安裝，模塊卡裝在緊挨）安裝方便，可以在標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌上安裝，模塊卡裝在緊挨CPU CPU 右右側(cè)的導(dǎo)軌上，通過總線連接電纜與側(cè)的導(dǎo)軌上，通過總線連接電纜與CPU CPU 互相連接。也可以直接安裝，互相連接。也可以直接安裝，模塊上有固定螺孔，也可以用螺釘將模塊固定安裝在柜板上，這種模塊上有固定螺孔，也可以

28、用螺釘將模塊固定安裝在柜板上，這種安裝方式建議在劇烈振動的情況下使用。安裝方式建議在劇烈振動的情況下使用。6.2.2 S7-200 PLC6.2.2 S7-200 PLC模擬量擴(kuò)展模塊的分類模擬量擴(kuò)展模塊的分類 1.1.常規(guī)模擬量控制模塊常規(guī)模擬量控制模塊 有有EM231EM231模擬量輸入模塊，有模擬量輸入模塊，有EM232EM232模擬量輸出模塊模擬量輸出模塊, ,有有EM235EM235模擬模擬量輸入輸出模塊。適用于量輸入輸出模塊。適用于CPU 222CPU 222、CPU224CPU224、CPU 224XPCPU 224XP和和CPU226CPU226系系列的列的PLCPLC。圖。圖

29、6-96-9為為EM235EM235模塊端子接線圖。模塊端子接線圖。 2.2.熱電阻和熱電偶模塊熱電阻和熱電偶模塊 RTDRTD（熱電阻）和熱電偶模塊適用于（熱電阻）和熱電偶模塊適用于CPU 222CPU 222、CPU224CPU224、CPU CPU 224XP224XP和和CPU226CPU226模塊。模塊。 RTD RTD和熱電偶模塊安裝在一個穩(wěn)定的溫度環(huán)境內(nèi)時，具有最佳的性和熱電偶模塊安裝在一個穩(wěn)定的溫度環(huán)境內(nèi)時，具有最佳的性能。例如，能。例如，EM231CTEM231CT熱電偶模塊有專門的冷端補(bǔ)償電路。該電路在模熱電偶模塊有專門的冷端補(bǔ)償電路。該電路在模塊連接器處測量溫度，并對測量

30、值作出必要的修正，以補(bǔ)償基準(zhǔn)溫度塊連接器處測量溫度，并對測量值作出必要的修正，以補(bǔ)償基準(zhǔn)溫度和模塊處溫度之間的溫度差。如和模塊處溫度之間的溫度差。如果果EM231EM231熱電偶模塊安裝環(huán)境的溫?zé)犭娕寄K安裝環(huán)境的溫度變化很劇烈，則會引起附加的度變化很劇烈，則會引起附加的誤差。為了達(dá)到最大的精度和重誤差。為了達(dá)到最大的精度和重復(fù)性，復(fù)性，熱電阻擴(kuò)展模塊熱電阻擴(kuò)展模塊EM231RTDEM231RTD和熱電偶模塊和熱電偶模塊EM231CTEM231CT要安裝在環(huán)要安裝在環(huán)境溫度穩(wěn)定的地方。境溫度穩(wěn)定的地方。 使用屏蔽線是最好的噪聲抑制使用屏蔽線是最好的噪聲抑制方法。如果熱電偶的輸入未使用，方法。如

31、果熱電偶的輸入未使用，短接未使用的通道，或?qū)⑺鼈儾⒍探游词褂玫耐ǖ溃驅(qū)⑺鼈儾⑿羞B接到其它通道上。行連接到其它通道上。 （1 1）EM231RTDEM231RTD熱電阻模塊熱電阻模塊 EM231RTDEM231RTD熱電阻模塊為熱電阻模塊為S7-200S7-200連接各種型號的熱電阻提供了方連接各種型號的熱電阻提供了方便的接口。它允許便的接口。它允許S7-200PLCS7-200PLC測量三個不同的電阻范圍。連接到模塊測量三個不同的電阻范圍。連接到模塊的各個熱電阻必須是相同的類型。端子接線圖如圖的各個熱電阻必須是相同的類型。端子接線圖如圖6-106-10所示。所示。 組態(tài)組態(tài)EM231RTDE

32、M231RTD（熱電阻）模塊使用（熱電阻）模塊使用DIPDIP開關(guān)可以選擇熱電阻的開關(guān)可以選擇熱電阻的類型，接線方式，溫度測量單位和傳感器熔斷方向。要使類型，接線方式，溫度測量單位和傳感器熔斷方向。要使DIPDIP開關(guān)設(shè)開關(guān)設(shè)置起作用，在設(shè)置好后，需要重新給置起作用，在設(shè)置好后，需要重新給PLCPLC和和/ /或用戶的或用戶的24V24V電源上電。電源上電。 （2 2）EM231EM231熱電偶模塊熱電偶模塊 為為S7-200S7-200系列產(chǎn)品提供了連接系列產(chǎn)品提供了連接7 7種類型的熱電偶的使用方便的、種類型的熱電偶的使用方便的、帶隔離的接口：帶隔離的接口：J J、K K、E E、N N、

33、S S、T T和和R R。它可以使。它可以使S7-200PLCS7-200PLC連接低連接低電平模擬信號，測量范圍為電平模擬信號，測量范圍為80mV80mV。所有連接到該模塊的熱電偶都。所有連接到該模塊的熱電偶都必須是同一類型的。端子接線圖如圖必須是同一類型的。端子接線圖如圖6-116-11所示。所示。 配置配置DIPDIP開關(guān)位于模塊的底部，可以選擇熱電偶模塊的類型、開關(guān)位于模塊的底部，可以選擇熱電偶模塊的類型、斷線檢測、溫度范圍和冷端補(bǔ)償。要使斷線檢測、溫度范圍和冷端補(bǔ)償。要使DIPDIP開關(guān)設(shè)置起作用，在設(shè)置開關(guān)設(shè)置起作用，在設(shè)置好后，需要給好后，需要給PLCPLC和和/ /或用戶的或用

34、戶的24V24V電源重新上電。電源重新上電。 3. 3. 模擬量擴(kuò)展模塊接線安裝的要求模擬量擴(kuò)展模塊接線安裝的要求 首先確保首先確保24VDC24VDC傳感器電源無噪聲、穩(wěn)定。其次傳感器線盡可傳感器電源無噪聲、穩(wěn)定。其次傳感器線盡可能短，傳感器線使用屏蔽的雙絞線，僅在傳感器側(cè)將屏蔽接終端，能短，傳感器線使用屏蔽的雙絞線，僅在傳感器側(cè)將屏蔽接終端，避免將導(dǎo)線彎成銳角，使用電纜槽進(jìn)行敷線，避免將信號線與高能避免將導(dǎo)線彎成銳角，使用電纜槽進(jìn)行敷線，避免將信號線與高能量線平行布置，若兩條線必須交叉，應(yīng)以直角度相交。再次量線平行布置，若兩條線必須交叉，應(yīng)以直角度相交。再次, ,未用通未用通道的輸入端應(yīng)短

35、接，道的輸入端應(yīng)短接， 通過隔離輸入信號或輸入信號參考于模擬量模塊外部通過隔離輸入信號或輸入信號參考于模擬量模塊外部24V24V電源電源的公共端，從而確保輸入信號范圍在技術(shù)規(guī)范所規(guī)定的共模電壓內(nèi)。的公共端，從而確保輸入信號范圍在技術(shù)規(guī)范所規(guī)定的共模電壓內(nèi)。6.2.3 6.2.3 根據(jù)模擬量輸入模塊的輸出值計算對應(yīng)的物理量輸入值根據(jù)模擬量輸入模塊的輸出值計算對應(yīng)的物理量輸入值 1.1.模擬輸入量的模擬值數(shù)據(jù)格式模擬輸入量的模擬值數(shù)據(jù)格式 模擬量輸入輸出模塊中模擬量對應(yīng)的數(shù)字稱為模擬值，模擬值模擬量輸入輸出模塊中模擬量對應(yīng)的數(shù)字稱為模擬值，模擬值用用1616位二進(jìn)制補(bǔ)碼來表示。最高位為符號位，正數(shù)

36、的符號位為位二進(jìn)制補(bǔ)碼來表示。最高位為符號位，正數(shù)的符號位為0 0，負(fù)，負(fù)數(shù)的符號位為數(shù)的符號位為1 1。對于單極性輸入模擬量滿量程對應(yīng)的模擬值為。對于單極性輸入模擬量滿量程對應(yīng)的模擬值為0 03276732767，雙極性輸入模擬量滿量程對應(yīng)，雙極性輸入模擬量滿量程對應(yīng)-32768-32768+32767+32767。 2.2.應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例 例例6-1 6-1 壓力變送器的量程為壓力變送器的量程為0 010MPa10MPa，輸出信號為，輸出信號為4 420mA20mA，模擬量，模擬量輸入模塊的量程為輸入模塊的量程為0 020mA20mA，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量為，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量為0 0320003

37、2000，設(shè)轉(zhuǎn)換后得到的，設(shè)轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字為數(shù)字為N N，試求以，試求以kPakPa為單位的壓力值為單位的壓力值P PN N。 解：由于模擬量輸入模塊的量程為解：由于模擬量輸入模塊的量程為0 020mA20mA，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量為，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量為0 03200032000，因此，每，因此，每1mA1mA輸入電流轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量為輸入電流轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量為4mA4mA輸入電流轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量為輸入電流轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量為 ，由此可知，由此可知，0 010MPa(010MPa(010000kPa)10000kPa)對應(yīng)于轉(zhuǎn)換后的數(shù)字為對應(yīng)于轉(zhuǎn)換后的數(shù)字為640064003200032000，它們之間的對應(yīng)

38、，它們之間的對應(yīng)3200001600 mA(200)mA(1600 mA)4mA=6400N406400100320006400PN4N10025(6400)(kPa)32000640064PN因此，與轉(zhuǎn)換后的數(shù)字因此，與轉(zhuǎn)換后的數(shù)字N N相對應(yīng)的壓力相對應(yīng)的壓力關(guān)系見圖關(guān)系見圖6-126-12。由該圖可列出壓力。由該圖可列出壓力P P與與轉(zhuǎn)換后的數(shù)字轉(zhuǎn)換后的數(shù)字N N之間的方程式之間的方程式6400N320004mA(0)P20mA(10000)P(kPa)N圖6-12 P 與N之間的對應(yīng)關(guān)系NN2000500020006400320006400TN N7000 (6400)20002560

39、0NT(0.1) 例例6-2 6-2 某溫度變送器的量程為某溫度變送器的量程為 200200500500，輸出信號為，輸出信號為4 420mA20mA，某模擬量輸入模塊將，某模擬量輸入模塊將0 020mA20mA的電流信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字的電流信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字0 03200032000，對應(yīng)關(guān)系見圖，對應(yīng)關(guān)系見圖6-126-12，設(shè)轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字為，設(shè)轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字為N N，求以，求以0.10.1為為單位的溫度值。單位的溫度值。 解：單位為解：單位為0.10.1的溫度值的溫度值2000200050005000對應(yīng)于數(shù)字量對應(yīng)于數(shù)字量640064003200032000，根據(jù)比例關(guān)系（見圖，根據(jù)比例

40、關(guān)系（見圖6-126-12），得出溫度），得出溫度T TN N的計算公式為的計算公式為: :6.3 6.3 數(shù)字?jǐn)?shù)字PIDPID控制器控制器 PIDPID是比例、微分、積分的縮寫，是比例、微分、積分的縮寫，PIDPID控制器是應(yīng)用最廣的閉環(huán)控控制器是應(yīng)用最廣的閉環(huán)控制器，有人估計現(xiàn)在有制器，有人估計現(xiàn)在有9090以上的閉環(huán)控制采用以上的閉環(huán)控制采用PIDPID控制器。這是控制器。這是因?yàn)橐驗(yàn)镻IDPID控制具有以下的優(yōu)點(diǎn)：控制具有以下的優(yōu)點(diǎn)： (1)(1)不需要被控對象的數(shù)學(xué)模型不需要被控對象的數(shù)學(xué)模型 自動控制理論中的分析和設(shè)計方法基本上是建立在被控對象的自動控制理論中的分析和設(shè)計方法基本上

41、是建立在被控對象的線性定常數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上的。該模型忽略了實(shí)際系統(tǒng)中的非線性線性定常數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上的。該模型忽略了實(shí)際系統(tǒng)中的非線性和時變的因素，與實(shí)際系統(tǒng)有較大的差距。對于許多工業(yè)控制對象，和時變的因素，與實(shí)際系統(tǒng)有較大的差距。對于許多工業(yè)控制對象，根本就無法建立較為準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，因此自動控制理論中的設(shè)計根本就無法建立較為準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，因此自動控制理論中的設(shè)計方法對大多數(shù)實(shí)際系統(tǒng)是無能為力的。對于這一類系統(tǒng)，使用方法對大多數(shù)實(shí)際系統(tǒng)是無能為力的。對于這一類系統(tǒng)，使用PIDPID控制可以得到比較滿意的效果?？刂瓶梢缘玫奖容^滿意的效果。 (2)(2)結(jié)構(gòu)簡單，容易實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡單，容易實(shí)現(xiàn) P

42、IDPID控制器的結(jié)構(gòu)典型，程序設(shè)計簡單，計算工作量較小，各參控制器的結(jié)構(gòu)典型，程序設(shè)計簡單，計算工作量較小，各參數(shù)相互獨(dú)立，有明確的物理意義，參數(shù)調(diào)整方便，容易實(shí)現(xiàn)多回路數(shù)相互獨(dú)立，有明確的物理意義，參數(shù)調(diào)整方便，容易實(shí)現(xiàn)多回路控制、串級控制等復(fù)雜的控制?？刂啤⒋壙刂频葟?fù)雜的控制。 (3) (3)有較強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性有較強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性 根據(jù)被控對象的具體情況，可以采用根據(jù)被控對象的具體情況，可以采用PIDPID控制器的多種變種和控制器的多種變種和改進(jìn)的控制方式，例如改進(jìn)的控制方式，例如PIPI、PDPD、帶死區(qū)的、帶死區(qū)的PIDPID、積分分離式、積分分離式PIDPID和變和變速積分

43、速積分PIDPID等，但比例控制一般是必不可少的。隨著智能控制技術(shù)的等，但比例控制一般是必不可少的。隨著智能控制技術(shù)的發(fā)展，發(fā)展，PIDPID控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等現(xiàn)代控制方法相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等現(xiàn)代控制方法相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)PIDPID控制器的參數(shù)自整定，使控制器的參數(shù)自整定，使PIDPID控制器具有經(jīng)久不衰的生命力。控制器具有經(jīng)久不衰的生命力。 (4)(4)使用方便使用方便 由于用途廣泛、使用靈活，已有多種控制產(chǎn)品具有由于用途廣泛、使用靈活，已有多種控制產(chǎn)品具有PIDPID控制功控制功能，使用中只需設(shè)定一些比較容易整定的參數(shù)即可，有的產(chǎn)品還具能，使用中只需設(shè)定一些比較容易整定的

44、參數(shù)即可，有的產(chǎn)品還具有參數(shù)自整定功能。有參數(shù)自整定功能。 (6-1)CCinitialCDI0K( )KMKTTtdeM teedtdt CnIjinitialDnn-1j=1KKMKnnMeeee(6-2)式中，式中，Mn第第n n次采樣時的次采樣時的PIDPID回路的輸出值，它是時間的函數(shù)；回路的輸出值，它是時間的函數(shù)； en第第n n次采樣時的偏差值，次采樣時的偏差值， ； en-1第第n-1n-1次采樣時的偏差值；次采樣時的偏差值； Minitial PIDPID回路輸出的初始值；回路輸出的初始值； ej第第j j次采樣時的偏差值；次采樣時的偏差值； KI積分項(xiàng)的比例常數(shù)，積分項(xiàng)的比

45、例常數(shù)， ； KD微分項(xiàng)的比例常數(shù)，微分項(xiàng)的比例常數(shù)， ； 為了能讓計算機(jī)處理這個算式，連續(xù)算式必須離散化為下述周期為了能讓計算機(jī)處理這個算式，連續(xù)算式必須離散化為下述周期性采樣偏差算式：性采樣偏差算式： SICITK =KTDDCSTK =KTnnneSPPV 從式從式(6-2)(6-2)知，積分項(xiàng)是從第知，積分項(xiàng)是從第1 1個采樣周期到當(dāng)前采樣周期的所個采樣周期到當(dāng)前采樣周期的所有誤差項(xiàng)之和的函數(shù)，微分項(xiàng)是當(dāng)前采樣周期與前一個采樣周期有誤差項(xiàng)之和的函數(shù)，微分項(xiàng)是當(dāng)前采樣周期與前一個采樣周期的誤差項(xiàng)之差函數(shù)，比例項(xiàng)僅是當(dāng)前采樣周期的誤差項(xiàng)的函數(shù)。的誤差項(xiàng)之差函數(shù)，比例項(xiàng)僅是當(dāng)前采樣周期的誤差

46、項(xiàng)的函數(shù)。 對于式對于式(6-2)(6-2)中的積分項(xiàng)來說，隨著采樣次數(shù)中的積分項(xiàng)來說，隨著采樣次數(shù)n n的增加，該項(xiàng)中的增加，該項(xiàng)中的誤差項(xiàng)的誤差項(xiàng)e1 , ,e2, ,e3, , ,en會越來越多，它們所需占用的字存儲單會越來越多，它們所需占用的字存儲單元數(shù)也會越來越多，而且求和的計算工作量也會越來越大，以至元數(shù)也會越來越多，而且求和的計算工作量也會越來越大，以至于計算機(jī)最終無法提供足夠多的字存儲單元來保存超限量多的于計算機(jī)最終無法提供足夠多的字存儲單元來保存超限量多的誤誤差項(xiàng)，也無法計算出差項(xiàng)，也無法計算出超限量求和次數(shù)的求和值。因此，需要對式超限量求和次數(shù)的求和值。因此，需要對式(6-

47、2)(6-2)進(jìn)行改造，改造后的算式如式進(jìn)行改造，改造后的算式如式(6-3)(6-3)所示：所示：nCnInDnn-1KKKMeeMXee(6-3)(6-3)式中，式中，MX第第n-1n-1次采樣時的積分項(xiàng)，次采樣時的積分項(xiàng)，1Ijinitialj=1KMnMXennnnMMPMIMD 由于計算機(jī)從第一次采樣開始，每采樣一次就計算一次積分由于計算機(jī)從第一次采樣開始，每采樣一次就計算一次積分值，因此，每次計算出積分值后，只需把該積分值保存下來，作值，因此，每次計算出積分值后，只需把該積分值保存下來，作為下一次采樣時積分項(xiàng)中的前一次為下一次采樣時積分項(xiàng)中的前一次采樣時的積分值采樣時的積分值MX，即

48、可很，即可很快計算出下一次采樣時的積分項(xiàng)，這樣就大大減輕了每一次求積快計算出下一次采樣時的積分項(xiàng)，這樣就大大減輕了每一次求積分項(xiàng)的計算工作量。這樣處理后，也不需要再保存歷次采樣時的分項(xiàng)的計算工作量。這樣處理后，也不需要再保存歷次采樣時的誤差項(xiàng)誤差項(xiàng)e1 , ,e2, ,e3, , ,en了，因此，還大大節(jié)省了存儲單元。了，因此，還大大節(jié)省了存儲單元。 為了最大限度地減小計算機(jī)的計算工作量，還可對式為了最大限度地減小計算機(jī)的計算工作量，還可對式(6-3)(6-3)作作進(jìn)一步的改進(jìn)，改進(jìn)后的算式如下：進(jìn)一步的改進(jìn)，改進(jìn)后的算式如下：(6-4)(6-4)式中，式中，MPn第第n n次采樣時的比例項(xiàng)，

49、次采樣時的比例項(xiàng)， 按下式計算：按下式計算：nCnnMPKSPPV(6-5)(6-5)nInnMIKSPPVMX MDn第第n n次采樣時刻的微分項(xiàng)，次采樣時刻的微分項(xiàng)，按下式計算：按下式計算： nDnnn-1n-1KMDSPPVSPPV(6-6)(6-6)(6-7)(6-7)(6-8)(6-8)nDn-1nKMDPVPV其中，其中，SPn第第n n采樣時刻的給定值；采樣時刻的給定值； PVn第第n n采樣時刻的過程變量值；采樣時刻的過程變量值； MIn第第n n次采樣時刻的積分項(xiàng)，次采樣時刻的積分項(xiàng)，按下式計算：按下式計算：其中，其中，SPn-1第第n-1n-1采樣時刻的給定值；采樣時刻的給

50、定值； PVn-1第第n-1n-1采樣時刻的過程變量值。采樣時刻的過程變量值。 為了避免給定值變化的微分作用而引起的跳變，應(yīng)使給定值為了避免給定值變化的微分作用而引起的跳變，應(yīng)使給定值不變不變( (即使即使SPn=SPn-1) )。這樣，式。這樣，式(6-7)(6-7)可改寫為：可改寫為： 為了下一次計算微分項(xiàng)，必須保存過程變量，而不是偏差。為了下一次計算微分項(xiàng)，必須保存過程變量，而不是偏差。在第一次采樣時，應(yīng)初始化在第一次采樣時，應(yīng)初始化PVn-1=PVn 。6.4 S7-200PLC6.4 S7-200PLC的的PIDPID控制及其應(yīng)用控制及其應(yīng)用6.4.1 PID6.4.1 PID功能功

51、能 S7-200 CPUS7-200 CPU提供了提供了8 8個回路的個回路的PIDPID功能，用以實(shí)現(xiàn)需要按照功能，用以實(shí)現(xiàn)需要按照PIDPID控控制規(guī)律進(jìn)行自動調(diào)節(jié)的控制任務(wù)，比如溫度、壓力和流量控制等。制規(guī)律進(jìn)行自動調(diào)節(jié)的控制任務(wù)，比如溫度、壓力和流量控制等。PIDPID運(yùn)算的任務(wù)就是根據(jù)反饋與給定的相對差值，按照運(yùn)算的任務(wù)就是根據(jù)反饋與給定的相對差值，按照PIDPID運(yùn)算規(guī)律運(yùn)算規(guī)律計算出結(jié)果，輸出到固態(tài)開關(guān)元件（控制加熱棒），或者變頻器計算出結(jié)果，輸出到固態(tài)開關(guān)元件（控制加熱棒），或者變頻器（驅(qū)動水泵）等執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以達(dá)到自動維持被控制的量跟（驅(qū)動水泵）等執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以達(dá)

52、到自動維持被控制的量跟隨給定變化的目的。隨給定變化的目的。圖圖6-13 PID6-13 PID指令盒指令盒 1.PID 1.PID指令指令 S7-200S7-200中中PIDPID功能的核心是功能的核心是PIDPID指令。指令。PIDPID指指令需要為其指定一個以令需要為其指定一個以V V變量存儲區(qū)地址開始變量存儲區(qū)地址開始的的PIDPID回路表回路表(TBL)(TBL)，以及，以及PIDPID回路號回路號(LOOP)(LOOP)。PIDPID回路表提供了給定和反饋，以及回路表提供了給定和反饋，以及PIDPID參數(shù)等參數(shù)等數(shù)據(jù)入口，數(shù)據(jù)入口，PIDPID運(yùn)算的結(jié)果也在回路表輸出。運(yùn)算的結(jié)果也在

53、回路表輸出。 PID PID指令（又稱為指令（又稱為PIDPID回路指令）的梯形圖指令盒的形式如圖回路指令）的梯形圖指令盒的形式如圖6-136-13所示。使能輸入有效時，該指令利用回路表中的輸入信息和組態(tài)信息，所示。使能輸入有效時，該指令利用回路表中的輸入信息和組態(tài)信息，進(jìn)行進(jìn)行PIDPID運(yùn)算。梯形圖的指令盒中有運(yùn)算。梯形圖的指令盒中有2 2個數(shù)據(jù)輸入端：個數(shù)據(jù)輸入端：TBLTBL，回路表的，回路表的起始地址，是由起始地址，是由VBVB指定的字節(jié)型數(shù)據(jù)；指定的字節(jié)型數(shù)據(jù)；LOOPLOOP，回路號，是，回路號，是0 07 7的常的常數(shù)。數(shù)。 STLSTL指令格式：指令格式：PID TBL, L

54、OOPPID TBL, LOOP 在程序中最多可以用在程序中最多可以用8 8條條PIDPID指令。如果兩個或兩個以上的指令。如果兩個或兩個以上的PIDPID指指令用了同一個回路號，那么即使這些指令的回路表不同，這些令用了同一個回路號，那么即使這些指令的回路表不同，這些PIDPID運(yùn)運(yùn)算之間也會相互干涉，產(chǎn)生不可預(yù)料的結(jié)果。算之間也會相互干涉，產(chǎn)生不可預(yù)料的結(jié)果。 2.PID2.PID回路表回路表 回路表由回路表由8080個字節(jié)組成，它的格式如表個字節(jié)組成，它的格式如表6-16-1所示。所示。 回路表包含回路表包含9 9個參數(shù)，用來控制和監(jiān)視個參數(shù)，用來控制和監(jiān)視PIDPID運(yùn)算。這些參數(shù)分別是

55、運(yùn)算。這些參數(shù)分別是過程變量當(dāng)前值（過程變量當(dāng)前值（PVnPVn），過程變量前值（），過程變量前值（PVn-1PVn-1），給定值（），給定值（SPnSPn），），輸出值（輸出值（MnMn），增益（），增益（KcKc），采樣時間（），采樣時間（TsTs），積分時間（），積分時間（T TI I），微），微分時間（分時間（T TD D）和積分項(xiàng)前值（）和積分項(xiàng)前值（MXMX）。）。偏移地址偏移地址域域( (參數(shù)名）參數(shù)名）格格 式式類類 型型描描 述述T+0T+0過程變量過程變量( (反饋反饋)(PV)(PVn n）雙字雙字- -實(shí)數(shù)實(shí)數(shù) 輸入輸入過程變量，必須在過程變量，必須在0.00.01.0

56、1.0之間之間T+4T+4設(shè)定值設(shè)定值( (給定給定)(SP)(SPn n) )雙字雙字- -實(shí)數(shù)實(shí)數(shù)輸入輸入給定值，必須在給定值，必須在0.00.01.01.0之間之間T+8T+8輸出值輸出值(M(Mn n) )雙字雙字- -實(shí)數(shù)實(shí)數(shù)輸入輸入/ /輸出輸出輸出值，必須在輸出值，必須在0.00.01.01.0之間之間T+12T+12增益增益(P(P參數(shù)參數(shù))(K)(KC C) )雙字雙字- -實(shí)數(shù)實(shí)數(shù)輸入輸入增益是比例常數(shù)，可正可負(fù)增益是比例常數(shù)，可正可負(fù)T+16T+16采樣時間采樣時間(T(TS S) )雙字雙字- -實(shí)數(shù)實(shí)數(shù)輸入輸入單位為秒，必須是正數(shù)單位為秒，必須是正數(shù)T+20T+20積

57、分時間積分時間(I(I參數(shù)參數(shù))(T)(TI I) )雙字雙字- -實(shí)數(shù)實(shí)數(shù)輸入輸入單位為分鐘，必須是正數(shù)單位為分鐘，必須是正數(shù)T+24T+24微分時間微分時間(D(D參數(shù)參數(shù))(T)(TD D) )雙字雙字- -實(shí)數(shù)實(shí)數(shù)輸入輸入單位為分鐘，必須是正數(shù)單位為分鐘，必須是正數(shù)T+28T+28積分項(xiàng)前項(xiàng)積分項(xiàng)前項(xiàng)(MX)(MX)雙字雙字- -實(shí)數(shù)實(shí)數(shù)輸入輸入/ /輸出輸出積分項(xiàng)前項(xiàng)，必須在積分項(xiàng)前項(xiàng)，必須在0.00.01.01.0之間之間T+32T+32過程變量前值過程變量前值(PV(PVn-1n-1) )雙字雙字- -實(shí)數(shù)實(shí)數(shù)輸入輸入/ /輸出輸出最近一次最近一次PIDPID運(yùn)算的過程變量值運(yùn)算

58、的過程變量值T+36T+36至至T+79T+79保留給保留給PIDPID自整定的變量設(shè)置用自整定的變量設(shè)置用 為了讓為了讓PIDPID運(yùn)算以預(yù)想的采樣頻率工作，運(yùn)算以預(yù)想的采樣頻率工作，PIDPID指令必須用在定時執(zhí)指令必須用在定時執(zhí)行的中斷程序中，或用在主程序中被定時器所控制并以一定頻率執(zhí)行。行的中斷程序中，或用在主程序中被定時器所控制并以一定頻率執(zhí)行。采樣時間必須通過回路表輸入到采樣時間必須通過回路表輸入到PIDPID運(yùn)算中。運(yùn)算中。表表6-1 PID6-1 PID回路表回路表 過程變量和給定值是過程變量和給定值是PIDPID運(yùn)算的輸入值，因此回路表中的這些變運(yùn)算的輸入值，因此回路表中的這

59、些變量只能被量只能被PIDPID指令讀而不能被改寫。指令讀而不能被改寫。 輸出變量是由輸出變量是由PIDPID運(yùn)算產(chǎn)生的，所以在每一次運(yùn)算產(chǎn)生的，所以在每一次PIDPID運(yùn)算完成之后，運(yùn)算完成之后，需更新回路表中的輸出值，輸出值被限定在需更新回路表中的輸出值，輸出值被限定在0.00.01.01.0之間。當(dāng)輸出之間。當(dāng)輸出由手動轉(zhuǎn)變?yōu)橛墒謩愚D(zhuǎn)變?yōu)镻IDPID（自動）控制時，回路表中的輸出值可以用來初始（自動）控制時，回路表中的輸出值可以用來初始化輸出值?；敵鲋怠?回路表中的給定值與過程變量的差值（回路表中的給定值與過程變量的差值（e e）是用于）是用于PIDPID運(yùn)算中的運(yùn)算中的差分運(yùn)算，用戶

60、最好不要去修改此值。差分運(yùn)算，用戶最好不要去修改此值。 3.3.回路控制類型的選擇回路控制類型的選擇 在許多控制系統(tǒng)中，只需要一種或兩種回路控制類型。例如只在許多控制系統(tǒng)中，只需要一種或兩種回路控制類型。例如只需要比例回路或者比例積分回路。通過設(shè)置常量參數(shù)，可以選擇需要需要比例回路或者比例積分回路。通過設(shè)置常量參數(shù)，可以選擇需要的回路控制類型。的回路控制類型。 如果不想要積分動作（如果不想要積分動作（PIDPID計算中沒有計算中沒有“I”I”），可以把積分時），可以把積分時間（復(fù)位）置為無窮大間（復(fù)位）置為無窮大“INF”INF”。即使沒有積分作用，積分項(xiàng)還是不。即使沒有積分作用，積分項(xiàng)還是不