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1、第7章 模拟量模块与PID闭环控制 7 1 模拟量I O模块的使用方法 7 1 1 模拟量I O模块 1 变送器 变送器将电量或非电量转换为标准量程的电流或电压 模拟量模块电压输入 的输入阻抗为200k 微小的干扰信号电流在模块的输入阻抗上产生很高的干 扰电压 远程传送的电压输出型变送器输出的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 模拟量输入模块 输入电流时的输入阻抗很低 250 干扰信号在模块的输入阻抗上产生的干 扰电压很低 模拟量电流信号适合远程传送 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
2、号线 输出4 20mA的信号电 流 2 模拟量与数字量的转换 PLC用模拟量输入模块中的A D转换器将模拟量转换为数字量 模拟量输出模块中的D A转换器将PID控制器的数字输出量转换为模拟量电 压或电流 再去控制执行机构 3 模拟量模块的性能指标 1 分辨率与精度 模拟量输入模块的分辨率有8位和12位两种 FX2N系列的模拟量模块的满量 程模拟量 例如0 10V 一般对应于数字0 4000 2 转换速度 FX2N 2AD的转换时间为2 5ms 通道 而FX3U 4AD的转换时间为500 s 通道 3 量程 模拟量输入 输出信号可以是电压或电流 可以是单极性或双极性的 4 模拟量I O模块 特殊
3、适配器和功能扩展卡的特性 它们的简要特性见表7 1和表7 2 详细特性见有关手册 电压输入的输入电 阻一般为200k 电流输入的输入电阻一般为250 满量程的总体精度一般为 1 电压输出时的外部负载电阻一般为2k 1M 电流输出时小于500 温度检测模块是温度变送器与模拟量输入模块的组合 7 1 2 模拟量输入模块的应用 1 模拟量输入模块的接线 FX2N 4AD模块有4个通道 最大 分辨率为12位 可选量程 10 10V 4 20mA和 20 20mA 转换后的数字量分别为 2000 2000 0 1000和 1000 1000 DC 24V电源接在模块的 24 和 24 端 直流信号接在
4、V 和 VI 端 电流输入时将V 和I 端短接 2 平均值滤波 平均值滤波用于滤除窄脉冲干扰 信号 可以设置滤波的采样周期数 取平均值会降低PLC对外部输入 信号的响应速度 3 模拟量输入模块输出数据的读出 FX2N 4AD模拟量输入模块的缓冲存储器的功能如下 BFM 0中的4位十六进制数用来设置通道1 通道4的量程 最低位对应于通 道1 0 2对应的量程分别为 10V 10V 4 20mA和 20 20mA 为3时关 闭通道 BFM 1 4分别是通道1 4求平均值时的采样周期数 1 4096 BFM 5 8分别是通道1 4的转换数据的平均值 BFM 9 12分别是通道1 4的转换数据的当前值
5、 BFM 15为0时为正常速度转换 为1时为高速转换 BFM 29 为错误状态信息 在下例中 通道1和通道2被设置为 10V 10V的电压输入 通道3 4被禁 止 模拟量输入模块安装在紧靠基本单元的地方 其模块编号为0号 平均值 滤波的周期数为4 数据寄存器D0和D1用来存放通道1和通道2的数字量输出的 平均值 下面的指令TOP中的P表示脉冲执行 LDM8002 首次扫描时 TOPK0K0 H3300 K1 H3300 BFM 0 设置通道1 2的量程 TOPK0K1 K4 K2 设置通道1 2平均值滤波的周期数为4 LDPX1 FROM K0 K29 K4M10 K1 将模块运行状态读入M1
6、0 M25 LDIM10 如果模块运行没有错误 ANIM20 且数字量输出未超出允许范围 FROM K0K5 D0 K2 将通道1 2的平均采样值存入D0和D1 4 模拟量输入模块的校准 FX系列采用软件校准法 FX2N 4AD定义通道的数字量输出为零时模拟输入 量的值为偏移量 通道的数字量输出为1000时对应的模拟输入量为增益值 BFM 23和BFM 24分别用于存放指定通道的偏移量和增益 电压输入的单位 为mV 电流输入的单位为 A BFM 21的最低两位为二进制数01时 允许调节增益和偏移量 为二进制数 10时 禁止调节增益和偏移量 BFM 22的低8位用于1 4号通道的偏移量和增益调节
7、 BFM 22为3时允许 调节1号通道的增益和偏移量 下例中将FX2N 4AD的1号通道 CH1 的偏移量设为0V 增益设为2 5V FX2N 4AD的模块编号为0号 LDX10 SETM0 调节开始 LD M0 TOPK0K0H0K1 设置各通道的量程为 10V 10V TOPK0K21K1K1 1 BFM 21 允许调节增益和偏移量 TOPK0K22K0K1 0 BFM 22 复位调节位 OUTT0K4 延时0 4s LDT0 TOPK0K23K0K1 0 BFM 23 令偏移量为0 TOPK0K24K2500K1 2500 BFM 24 令增益为2 5V TOPK0K22H3K1 3 B
8、FM 22 调节通道1 OUTT1K4 延时0 4s LDT1 RSTM0 调节结束 TOPK0K21K2K1 2 BFM 21 禁止调节增益和偏移量 FX3G FX3U FX3UC的模拟量模块的使用方法见手册 FX3G FX3U FX3UC PLC用户手册模拟量控制篇 例7 2 某温度变送器的输入信号范围为 100 500 输出信号为4 20mA FX2N 2AD将4 20mA的电流转换为0 4000 的数字量 设转换后得到的数字为N 求以 0 1 为单位的温度值 温度值 1000 5000 单位为0 1 对应于数字量0 4000 根 据图7 3中有关线段的比例关系得 5 将模拟量输入值转换
9、为物理量 例7 1 量程为0 3 5MPa的压力传感器的输出信号为4 20mA 设置 FX2N 4AD的量程为4 20mA 转换后的数字量为0 1000 设转换后得到的 数字为N 求以kPa为单位的压力值 解 因为0 3500kPa对应于数字量0 1000 转换公式为 P 3500 N 1000 kPa 7 1 3 模拟量输出模块的应用 1 模拟量输出模块的接线 FX2N 2DA输出电压时 负载的一端接在 VOUT 端 另一端接在短接后的 IOUT 和 COM 端 电流型负载接在 IOUT 和 COM 端子上 2 模拟量输出模块的调节 建议FX2N 2DA输入的数字量0 4000对应于模拟量输
10、出的满量程 例如0 10V或4 20mA 可以取一个比较小的值来代替量程的下限值 例如在输出 量程为0 10V时 可以取数字量为40 输出电压100mV作为低端的调节点 3 模拟量输出模块的编程 FX2N 2DA模块只用了下面两个缓冲存储器 BFM 1 BFM 16 的低8位 b7 b0 用于写入输出数据的当前值 高8位保留 2 在BFM 17的b0 b1位的下降沿时 通道2 通道1的D A转换开始 在b2 位的下降沿时 D A转换的低8位数据被锁存 假设FX2N 2DA模块为1号模块 要写入通道1的数据存放在数据寄存器D10中 X0变为ON时 起动通道1的D A转换 转换程序如下 LD X0
11、 MOV D10 K4M10 将D10中的数字量传送到M10 M25 TOP K1 K16 K2M10 K1 将D10的低8位写入BFM 16 TOP K1 K17 H0004 K1 将BFM 17的b2位置1 TOP K1 K17 H0000 K1 BFM 17的b2位下降沿锁存低8位数据 TOP K1 K16 K1M18 K1 写入高4位数据 M18 M21 TOP K1 K17 H0002 K1 将BFM 17的b1位置1 TOP K1 K17 H0000 K1 在b1位的下降沿 启动通道1的转换 7 2 PID闭环控制系统与PID指令 7 2 1 模拟量闭环控制系统 1 模拟量闭环控制
12、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 模拟量输入模块中的A D转换器将它们转换为多位二进制数过程变量PVn SVn为设定值 误差EVn SVn PVn 模拟量输出模块的D A转换器将PID控 制器的数字量输出值MVn转换为模拟量mv 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测量值PVn等于或跟随设定值SVn 假设实际温度值 c t 低于给定的温度值 误差EVn为正 mv 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
13、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 调试时断开模拟量输出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 模拟量输出模块 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 4 闭环控制带来的问题 以洗澡水温度的人工调节为例 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 2 2 PID控制器与PID指令 1 PID控制器的输入输出关
14、系式 图7 8是模拟量控制系统 sv t 是设定值 pv t 为测量值 c t 为被控量 PID控制器的输入输出关系式为 误差信号ev t sv t pv t mv t 是PID控制器的输出值 Kp是比例增益 TI 和TD分别是积分时间和微分时间 mv t 右边的前3项分别是它的比例部分 积分部分和微分部分 可以选用P PD或PI控制器 2 改进的PID控制算法 图7 9的SVn等下标中的n表示是第n次采样时的数字量 PID指令执行的周 期称为采样周期TS 1 一阶惯性数字滤波 模拟量反馈信号pv t 采样后用一阶惯性数字滤波器来滤除干扰噪声 Tf是 滤波器的时间常数 输入滤波常数 Tf Tf
15、 TS TS为采样周期 0 1 越大滤波效果越好 过大会使系统的响应迟缓 2 不完全微分PID 微分容易引入高频干扰 为此在微分部分增加了一阶惯性滤波 下式是不 完全微分PID的传递函数 微分增益KD是不完全微分的滤波时间常数与微分 时间TD的比值 3 反馈量微分PID 设定值SVn的突变将会使误差EVn和PID的输出量MVn突变 为了消除给定值 突变的影响 只对反馈量PVnf 微分 不考虑给定值的变化 即令SVn为常数 有 3 PID指令 图7 10中模拟量反馈信号pv t 被模拟量输入模块FX2N 4AD转换为数字量PV 经滤波和PID运算后 将PID控制器的输出量MV送给模拟量输出模块F
16、X2N 4DA 后者输出的模拟量mv t 送给执行机构 PID回路运算指令的 S1 和 S2 分别用来存放给定值SV和本次采样的测量值 即反馈值 PV PID指令占用起始软元件号为 S3 的连续的25个数据寄存器 PID输出值MV用目标操作数 D 存放 在开始执行PID指令之前 应将各参数和设定值预先写入指令指定的数据寄 存器 见表7 3 在执行PID指令之前应使用MOVP指令将 S3 7清零 4 正动作与反动作 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 动作 例如加热炉 使被控量减小的是反动作 例如空调的压缩机 用 PID指令的参数ACT的第0位来设置采用正动作或反动作 7 3 PID控制器参数整定方法 7 3 1 PID参数的物理意义 1 闭环控制系统的主要性能指标 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 2 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
