《PLC 基础及应用 第3版 教学课件 ppt 作者 廖常初 FX基础第7、8章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《PLC 基础及应用 第3版 教学课件 ppt 作者 廖常初 FX基础第7、8章（52页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第7章 模拟量I/O模块的使用方法与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
2、，也是信号线，输出420mA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。 模拟量输入、输出信号可以是单极性的电流或电压，例如05V、010V和420ms，也可以是双极性的，例如50mV、5V、10V和 20mA。 模拟量输入模块的分辨率有8位和12位两种。位数越多，分辨率越高。 7.1.2 FX系列的模拟量I/O组件 模拟量I/O模块、特殊适配器和功能扩展卡的简要特性见表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，
3、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2k1M，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。,7.1.3 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、420mA和2020mA，转换后的数字量分别为20002000、01000和10001000。 DC 24V电源接在模块的“24+”和“24”端。 直流信号接在“V+”和“VI”端，电流输入时将V+和I+端短接。,2特殊功能模块的读写指令 接在基本单元右边的功能模块，从紧靠基本单元的那个开始，其编
4、号依次为07。图7-3中的X3为ON时，FROM指令将编号为m1（07）的特殊功能模块内，从编号m2（032767）开始的n个缓冲存储器的数据读入PLC，并存入从(D)开始的n个数据寄存器中，n = 132767。 图7-3中的X0为ON时，TO指令将PLC基本单元中从(S)指定的软元件开始的n个字的数据，写到编号为m1的特殊功能模块中从编号m2开始的n个缓冲存储器中。,3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。 4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
5、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。02对应的量程分别为10V+10V、420mA和20+20mA，为3时关闭通道。 BFM #14分别是通道14求平均值时的采样周期数（14096）。 BFM #58分别是通道14的转换数据的平均值。 BFM #912分别是通道14的转换数据的当前值。 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
6、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。 LD M8002 /首次扫描时 TOP K0 K0 H3300 K1 /H3300BFM#0，设置通道1、2的量程 TOP K0 K1 K4 K2 /设置通道1、2平均值滤波的周期数为4 LDP X1 FROM K0 K29 K4M10 K1 /将模块运行状态读入M10M25 LDI M10 /如果模块运行没有错误 ANI M20 /且数字量输出未超出允许范围 FROM K0 K5 D0 K2 /将通道1、2的平均采样值存入D0和D1 FX3G、FX3U、FX3UC的模拟量模块的使用方法见手册 FX3G、FX3U、FX3UC P
7、LC用户手册模拟量控制篇。 7.1.4 模拟量输入值的转换 【例7-1】量程为05MPa的压力传感器的输出信号为420mA，设置FX2N-4AD的量程为420mA，转换后的数字量为04000，设转换后得到的数字为N，求以kPa为单位的压力值。 解：因为05000kPa对应于数字量04000，转换公式为 P = 5000 N / 4000 = N 5 / 4 （kPa）,【例7-2】 某温度变送器的输入信号范围为100500，输出信号为420mA，FX2N-2AD将420mA的电流转换为04000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10005000（单位为0.1）
8、对应于数字量04000，根据右图中有关线段的比例关系得,7.1.5 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04000对应于模拟量输出的满量程（例如010V或420mA）。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010V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）B
9、FM #16 的低8位（b7b0）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 MOV D10 K4M10 /将D10中的数字量传送到M10M25 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
10、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（M18M21） 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典型的模拟量闭环控制系统 图7-5是模拟量控制系统，sv(t)是设定值，pv(t)为反馈值，c(t)为系统输出量（被控量），PID控制器的输入输出关系式为 （7-1） 误差信号ev(t) = sv(t) pv(t)，mv(t)是PID控制器的输出信号，K
11、p是比例增益，TI和TD分别是积分时间和微分时间。式7-1中右边的前3项分别是它的比例部分、积分部分和微分部分。它们分别与误差ev(t)、误差的积分和误差的一阶导数成正比。可以选用P、PD或PI控制器。,图7-6是PLC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)，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，PVnf为A-D转换和数字滤波后的测量值（即反馈值），误差EVn = SVn PVnf。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。SV
12、n等下标中的n表示是第n次采样时的数字量。 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。,闭环负反馈控制可以使测量值PVnf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量增加，加热炉的温度升高，最终使控制系统的测量值PVnf等于或跟随设定值SVn。 2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
13、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。 3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 1FX采用的改进的PID控制器,（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 +TS），TS为采样周期。（01）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
14、易引入高频干扰。为此在微分部分增加了一阶惯性滤波，以平缓PID输出值的剧烈变化。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 微分，这种算法称为反馈量微分PID算法。,3PID指令 图7-7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FX2N-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
15、样的测量值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。 3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，调节的力度不够，使调节时间过长。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。,3对积分控制作用的理解 积分对应于图7-10中误差曲线ev(t)与坐标轴包围的面积（图中的灰色部分）。一般用图7-10中的矩形面积之
