模擬量PID溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)(人機(jī)界面)

可編程控制器應(yīng)用技術(shù)模擬量（溫度）PID控制系統(tǒng)一.閉環(huán)控制系統(tǒng)組成一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)主要有以下基本元件或裝置組成：（1）被控對(duì)象自動(dòng)控制系統(tǒng)需要進(jìn)行控制的機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程。（2）被控變量被控對(duì)象內(nèi)要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的物理量。（3）檢測(cè)元件對(duì)系統(tǒng)輸出量進(jìn)行測(cè)量的裝置。（4）比較元件對(duì)系統(tǒng)的輸出量和輸入量（給定值）進(jìn)行比較，給出偏差信號(hào)。（5）控制器將偏差信號(hào)進(jìn)行控制運(yùn)算的部件，產(chǎn)生控制信號(hào)操縱執(zhí)行元件改善系統(tǒng)性能。是閉環(huán)控制系統(tǒng)的核心。（6）放大元件對(duì)微弱偏差信號(hào)或控制器的輸出信號(hào)進(jìn)行放大，使之可輸出足夠的功率。（7）執(zhí)行元件根據(jù)控制器的輸出，改變被控變量的大小，使被控制的輸出量與給定的輸入量一致。典型閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成如下圖?？刂破鬏斎肓浚ńo定值）放大器執(zhí)行器被控對(duì)象檢測(cè)裝置擾動(dòng)輸出量1.1S7-200PLC的PID

回路控制指令二.閉環(huán)控制系統(tǒng)性能指標(biāo)一般說(shuō)來(lái)，對(duì)閉環(huán)控制系統(tǒng)性能指標(biāo)的基本要求可以歸納為三個(gè)字：穩(wěn)、準(zhǔn)、快。

穩(wěn)：是指系統(tǒng)的穩(wěn)定性。即系統(tǒng)從一種平衡狀態(tài)到新的平衡狀態(tài)時(shí)，具有較小的超調(diào)和振蕩性；穩(wěn)定性是系統(tǒng)重新恢復(fù)平衡狀態(tài)的能力。任何一個(gè)能夠正常工作的控制系統(tǒng)，首先必須是穩(wěn)定的。準(zhǔn)：是指系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，是對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)（靜態(tài)）性能的要求。對(duì)一個(gè)穩(wěn)定的系統(tǒng)而言，過(guò)渡過(guò)程結(jié)束后，系統(tǒng)輸出量的實(shí)際值與期望值之差稱(chēng)為穩(wěn)態(tài)誤差，它是衡量系統(tǒng)控制精度的重要指標(biāo)。穩(wěn)態(tài)誤差越小，表示系統(tǒng)的準(zhǔn)確性越好，控制精度越高。

快：是指系統(tǒng)反應(yīng)的快速性，是對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能（過(guò)渡過(guò)程性能）的要求?？焖僦赶到y(tǒng)運(yùn)動(dòng)到新的平衡狀態(tài)所需要的調(diào)節(jié)時(shí)間較短。動(dòng)態(tài)性能是衡量系統(tǒng)質(zhì)量高低的重要指標(biāo)。同一個(gè)系統(tǒng)，上述三項(xiàng)性能指標(biāo)之間往往是相互制約的。比如提高過(guò)渡過(guò)程的快速性，可能會(huì)引起系統(tǒng)強(qiáng)烈振蕩；改善了平穩(wěn)性，控制過(guò)程又可能很遲緩，甚至使最終精度也很差。1.1

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回路控制指令閉環(huán)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)tOc（t）trtpts0.05或0.02Cmaxσ1.1

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回路控制指令三.PID算法在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的控制器控制規(guī)律為比例控制、積分控制、微分控制，簡(jiǎn)稱(chēng)PID控制，又稱(chēng)PID調(diào)節(jié)。PID是比例（Proportional）+積分（Integral）+微分（Derivative）首字母的縮寫(xiě)，PID控制是自動(dòng)控制系統(tǒng)中技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的控制方式。

PID控制器問(wèn)世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。1.1

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回路控制指令1.1S7-200PLC的PID

回路控制指令三、PID控制算法運(yùn)行PID控制指令，S7-200將根據(jù)參數(shù)表中的輸入測(cè)量值、控制設(shè)定值及PID參數(shù)，進(jìn)行PID運(yùn)算，求得輸出控制值。S7-200的PID控制由PID控制回路參數(shù)表設(shè)定。該表中有9個(gè)參數(shù)，全部為32位的實(shí)數(shù)，占用36個(gè)字節(jié)。典型的PID算法包括三項(xiàng)：比例項(xiàng)、積分項(xiàng)和微分項(xiàng)。即：輸出=比例項(xiàng)+積分項(xiàng)+微分項(xiàng)。計(jì)算機(jī)在周期性地采樣并離散化后進(jìn)行PID運(yùn)算，算法如下：Mn=Kc*（SPn-PVn）+Kc*（Ts/Ti）*（SPn-PVn）+Mx+Kc*（Td/Ts）*（PVn-1-PVn）其中各參數(shù)的含義如下表中描述。

1.1S7-200PLC的PID

回路控制指令三、PID控制算法地址偏移量參數(shù)數(shù)據(jù)格式參數(shù)類(lèi)型說(shuō)明0過(guò)程變量當(dāng)前值PVn雙字

，實(shí)數(shù)輸入必須在0.0至1.0范圍內(nèi)。4給定值SPn雙字

，實(shí)數(shù)輸入必須在0.0至1.0范圍內(nèi)8輸出值Mn雙字

，實(shí)數(shù)輸入/輸出在0.0至1.0范圍內(nèi)12增益Kc雙字

，實(shí)數(shù)輸入比例常量，可為正數(shù)或負(fù)數(shù)16采樣時(shí)間Ts雙字

，實(shí)數(shù)輸入以秒為單位，必須為正數(shù)20積分時(shí)間Ti雙字

，實(shí)數(shù)輸入以分鐘為單位，必須為正數(shù)。24微分時(shí)間Td雙字

，實(shí)數(shù)輸入以分鐘為單位，必須為正數(shù)。28上一次的積分值Mx雙字

，實(shí)數(shù)輸入/輸出0.0和1.0之間（根據(jù)PID運(yùn)算結(jié)果更新）32上一次過(guò)程變量PVn-1雙字

，實(shí)數(shù)輸入/輸出最近一次PID運(yùn)算值1.1S7-200PLC的PID

回路控制指令三、PID控制算法比例項(xiàng)Kc*（SPn-PVn）：能及時(shí)地產(chǎn)生與偏差（SPn-PVn）成正比的調(diào)節(jié)作用，比例系數(shù)Kc越大，比例調(diào)節(jié)作用越強(qiáng)，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度越高，但Kc過(guò)大會(huì)使系統(tǒng)的輸出量振蕩加劇，穩(wěn)定性降低。積分項(xiàng)Kc*（Ts/Ti）*（SPn-PVn）+Mx：與偏差有關(guān)，只要偏差不為0，PID控制的輸出就會(huì)因積分作用而不斷變化，直到偏差消失，所以積分的作用是消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度。但積分動(dòng)作緩慢，給系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定帶來(lái)不良影響，很少單獨(dú)使用。從式中可以看出：積分時(shí)間常數(shù)增大，積分作用減弱，消除穩(wěn)態(tài)誤差的速度減慢。微分項(xiàng)Kc*（Td/Ts）*（PVn-1-PVn）：根據(jù)誤差變化的速度（即誤差的微分）進(jìn)行調(diào)節(jié)，具有超前和預(yù)測(cè)的特點(diǎn)。微分時(shí)間常數(shù)Td增大時(shí)，超調(diào)量減少，動(dòng)態(tài)性能得到改善但，如果Td過(guò)大，系統(tǒng)輸出量在接近穩(wěn)態(tài)時(shí)可能上升緩慢。

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回路控制指令四、S7-200PID控制回路選項(xiàng)在很多控制系統(tǒng)中，有時(shí)只采用一種或兩種控制回路。例如，可能只要求比例控制回路或比例和積分控制回路，S7-200的PID算法通過(guò)設(shè)置常量參數(shù)值來(lái)選擇所需的控制回路。（1）如果不需要積分回路（即在PID計(jì)算中無(wú)“I”），則應(yīng)將積分時(shí)間Ti設(shè)為無(wú)限大。由于積分項(xiàng)Mx的初始值，雖然沒(méi)有積分運(yùn)算，積分項(xiàng)的數(shù)值也可能不為零。（2）如果不需要微分運(yùn)算（即在PID計(jì)算中無(wú)“D”），則應(yīng)將微分時(shí)間Td設(shè)定為0.0。（3）如果不需要比例運(yùn)算（即在PID計(jì)算中無(wú)“P”），但需要I或ID控制，則應(yīng)將比例增益值Kc指定為0.0。因?yàn)镵c是計(jì)算積分和微分項(xiàng)公式中的系數(shù)，將比例增益設(shè)為0.0會(huì)導(dǎo)致在積分和微分項(xiàng)計(jì)算中使用的比例增益值Kc為1.0。1.1S7-200PLC的PID

回路控制指令五、回路輸入量的轉(zhuǎn)換和標(biāo)準(zhǔn)化

每個(gè)回路的給定值和過(guò)程變量都是實(shí)際數(shù)值，其大小、范圍和工程單位可能不同。在PLC進(jìn)行PID控制之前，必須將其轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)化浮點(diǎn)表示法。步驟如下：（1）將實(shí)際16位整數(shù)轉(zhuǎn)換成32位浮點(diǎn)數(shù)或?qū)崝?shù)。程序如下。

XORDAC0,AC0//將AC0清0ITD AIW0,AC0 //將輸入數(shù)值轉(zhuǎn)換成雙字

DTRAC0,AC0 //將32位整數(shù)轉(zhuǎn)換成實(shí)數(shù)（2）將實(shí)數(shù)轉(zhuǎn)換成0.0至1.0之間的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值。用下式：實(shí)際數(shù)值的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值=實(shí)際數(shù)值的非標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值或原始實(shí)數(shù)/取值范圍+偏移量其中：取值范圍=最大可能數(shù)值-最小可能數(shù)值=32000（單極性數(shù)值）或64000（雙極性數(shù)值）偏移量：對(duì)單極性數(shù)值取0.0，對(duì)雙極數(shù)值取0.51.1S7-200PLC的PID

回路控制指令五、回路輸入量的轉(zhuǎn)換和標(biāo)準(zhǔn)化

如將上述AC0中的雙極數(shù)值（取值范圍為64,000）標(biāo)準(zhǔn)化，程序如下：/R 64000.0,AC0 //使累加器中的數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)化+R 0.5,AC0 //加偏移量0.5MOVR AC0,VD100 //將標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值寫(xiě)入PID回路參數(shù)表中。1.1S7-200PLC的PID

回路控制指令六、

PID回路輸出轉(zhuǎn)換為成比例的整數(shù)

程序執(zhí)行后，PID回路輸出0.0和1.0之間的標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)數(shù)數(shù)值，必須被轉(zhuǎn)換成16位成比例整數(shù)數(shù)值，才能驅(qū)動(dòng)模擬輸出。PID回路輸出成比例實(shí)數(shù)數(shù)值=（PID回路輸出標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)數(shù)值-偏移量）*取值范圍其中的偏移量和取值范圍含義與“回路輸入量的轉(zhuǎn)換和標(biāo)準(zhǔn)化”相同。程序如下：MOVR VD108,AC0 //將PID回路輸出送入AC0。-R 0.5,AC0 //雙極數(shù)值減偏移量0.5*R64000.0,AC0//AC0的值乘以取值范圍，變?yōu)槌杀壤龑?shí)數(shù)數(shù)值ROUNDAC0，AC0 //將實(shí)數(shù)四舍五入取整，變?yōu)?2位整數(shù)DTI AC0,AC0//32位整數(shù)轉(zhuǎn)換成16位整數(shù)MOVW AC0,AQW0//16位整數(shù)寫(xiě)入AQW01.1S7-200PLC的PID

回路控制指令七、

S7-200的PID回路控制指令的使用

S7-200可以通過(guò)兩種方式使用PID指令設(shè)置回路參數(shù)表后，直接在程序中調(diào)用PID指令通過(guò)STEP-7Micro/WIN的指令向?qū)褂肞ID指令。1）PID指令PID指令格式如表6-9所示。使能輸入有效時(shí)，根據(jù)回路參數(shù)表（TBL）中的輸入測(cè)量值、控制設(shè)定值及PID參數(shù)進(jìn)行PID計(jì)算。表6-9PID指令格式

表6-9PID指令格式LADSTL說(shuō)明PIDTBL，LOOPTBL：參數(shù)表起始地址VB，數(shù)據(jù)類(lèi)型：字節(jié)。如VB100LOOP：回路號(hào)，常量（0-7），數(shù)據(jù)類(lèi)型：字節(jié)1.1S7-200PLC的PID

回路控制指令【特別提示】（1）程序中可使用八條PID指令，分別編號(hào)0-7，不能重復(fù)使用。（2）使PID指令的ENO=0的錯(cuò)誤條件：0006（間接地址），SM1.1（溢出，參數(shù)表起始地址或指令中指定的PID回路指令號(hào)碼操作數(shù)超出范圍）。（3）PID指令不對(duì)參數(shù)表輸入值進(jìn)行范圍檢查。必須保證過(guò)程變量和給定值積分項(xiàng)前值和過(guò)程變量前值在0.0和1.0之間。七、

S7-200的PID回路控制指令的使用

1.1S7-200PLC的PID

回路控制指令2）PID指令向?qū)?/p>

選擇PID向?qū)нx擇需要配置的PID回路號(hào)設(shè)定PID回路參數(shù)設(shè)定回路輸入輸出參數(shù)設(shè)定回路報(bào)警選項(xiàng)分配PID運(yùn)算數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)定義向?qū)傻腜ID初使化子程序和中斷程序名及手/自動(dòng)模式生成PID子程序、中斷程序及符號(hào)表等配置完P(guān)ID向?qū)?，在程序中調(diào)用向?qū)傻腜ID子程序?qū)嶋H運(yùn)行并調(diào)試PID參數(shù)七、

S7-200的PID回路控制指令的使用

舉例：1.控制任務(wù)一恒壓供水水箱，通過(guò)變頻器驅(qū)動(dòng)的水泵供水，維持水位在滿(mǎn)水位的70%。過(guò)程變量PVn為水箱的水位（由水位檢測(cè)計(jì)提供），設(shè)定值為70%，PID輸出控制變頻器，即控制水箱注水調(diào)速電機(jī)的轉(zhuǎn)速。要求開(kāi)機(jī)后，先手動(dòng)控制電機(jī)，水位上升到70%時(shí)，轉(zhuǎn)換到PID自動(dòng)調(diào)節(jié)。2.PID回路參數(shù)表地址參數(shù)數(shù)值VD100過(guò)程變量當(dāng)前值PVn水位傳感器提供的模擬量經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值VD104給定值SPn0.7VD108輸出值MnPID回路的輸出值（標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值）VD112增益Kc0.3VD116采樣時(shí)間Ts0.1VD120積分時(shí)間Ti0.3VD124微分時(shí)間Td0（關(guān)閉微分作用）VD128上一次積分值Mx根據(jù)PID運(yùn)算結(jié)果更新,0.0～1.0之間VD132上一次過(guò)程變量PVn-1最近一次PID的變量值,0.0～1.0之間1.1S7-200PLC的PID

回路控制指令1.2溫度PID控制系統(tǒng)計(jì)1.2溫度PID控制系統(tǒng)計(jì)1.2溫度PID控制系統(tǒng)計(jì)PLC程序設(shè)計(jì)調(diào)用初始化程序初始化相關(guān)PID參數(shù)等為了加