模拟量及PID PPT课件

1.3.2 连续系统的数字PID控制仿真
本方法可实现D/A及A/D的功能，符合数字 实时控制的真实情况，计算机及DSP的实时 PID控制都属于这种情况。
采用MATLAB语句形式进行仿真。被控对象 为一个电机模型传递函数： G(s) 1 Js2 Bs 式中，J=0.0067,B=0.10
1.2 连续系统的基本PID仿真
1.2.1 基本的PID控制 1.2.2 线性时变系统的PID控制
1.2 连续系统的基本PID仿真
以二阶线性传递函数为被控对象，进行模拟 PID控制。在信号发生器中选择正弦信号，仿真 时取Kp＝60，Ki＝1ID的算法： u (k) u (k) u (k 1 )
u ( k ) k p ( e ( k ) e ( k 1 ) ) k i e ( k ) k d ( e ( k ) 2 e ( k 1 ) e ( k 2 ) )
1.3.4 增量式PID控制算法及仿真
式中，Ki=Kp/Ti,Kd=KpTd,T为采样周期，K 为采样序号，k=1,2,……,e (k-1)和e (k) 分别为第(k-1)和第k时刻所得的偏差信号。
1.3.1 位置式PID控制算法
位置式PID控制系统
1.3.1 位置式PID控制算法
根据位置式PID控制算法得 到其程序框图。
在仿真过程中，可根据实 际情况，对控制器的输出 进行限幅：[-10，10]。
1.3.2 连续系统的数字PID控制仿真
Simulink仿真程序图
1.3.2 连续系统的数字PID控制仿真
PID正弦跟踪结果
1.3.3 离散系统的数字PID控制仿真
仿真实例 设被控制对象为：
G(s)

包括电压、电流、温度、压力等多种类型。
模拟量信号特点
连续变化，取值范围广泛，易受干扰影响。
PLC模拟量模块介绍
模拟量输入模块
将模拟量信号转换为数字信号，便于 PLC处理。
模拟量输出模块
将PLC输出的数字信号转换为模拟量 信号，控制外部设备。
模拟量输入电路原理与实践
电路原理
通过电阻、电容等元件对模拟量信号进行滤波、放大等处理 ，以保证信号的稳定性和精度。
要点三
衰减曲线法
先将比例度设置为一个较大值，然后 逐步减小比例度，同时加大积分时间 常数，使系统响应出现衰减振荡；此 时的比例度和积分时间常数即为合适 的PID参数；最后加入微分调节，提 高系统响应速度。
03
PLC实现PID控制策略
PLC内置PID功能介绍与设置
PID算法原理
介绍比例、积分、微分三环节的作用及调节规律， 以及PID控制参数的整定方法。
实时监控数据显示和报警功能实现
实时监控数据显示
通过触摸屏界面实时显示PLC采集到的模拟量数据，如温度、压力 、流量等，方便用户随时掌握设备运行状态。
数据曲线绘制
根据实时数据绘制相应的曲线图，可以更加直观地了解设备运行趋 势和历史数据变化情况。
报警功能实现
设定报警阈值，当实时数据超过或低于阈值时，触摸屏界面上显示 报警信息，并触发声光报警装置，提醒用户及时处理。
PID控制故障
PID调节失效，导致系统失控。原因可能包括参 数设置不当、传感器故障等。
故障排查方法和步骤总结
01
观察故障现象
通过查看PLC指示灯、监控画面等 信息，了解故障的具体表现。
03
制定排查方案
针对可能的原因，制定详细的排 查方案，包括检查电源、通信线

k
Kpe(k)Ki e(j)Kde(k)e(k1) j0
式中，u(k)为第k次采样时刻的控制器的输出值； e (k-1)和e (k)分别为第(k-1)次和第k次采样时刻的偏差值。
只要采样周期T足够小，数字PID控制与模拟PID控制就会十分
精确的接近。
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1.2.2 增量式PID控制算法
e(k )
0 e(k )
e(k) e0 e(k) e0
式中，e(k)为位置跟踪偏差，e0是一个可调参数，其 具体数值可根据实际控制对象由实验确定。若e0值 太小，会使控制动作过于频繁，达不到稳定被控对象
的目的；若e0太大，则系统将产生较大的滞后。
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1.2.9 带死区的PID控制算法
1.1 PID控制原理
闭环控制系统原理框图
图中所示为控制系统的一般形式。被控量y(t)的检测值c(t)与给定值r(t) 进行比较，形成偏差值e(t)，控制器以e(t)为输入，按一定的控制规律 形成控制量u(t)，通过u(t)对被控对象进行控制，最终使得被控量y(t)运 行在与给定值r(t) 对应的某个非电量值上。
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1.1 PID控制原理
模拟PID控制系统原理框图
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1.1 PID控制原理
PID控制器各环节的作用如下：
（1）比例环节的数学式表示是:
Kp e(t)
在模拟PID控制器中，比例环节的作用是对偏差量e(t)瞬间 作出反应, 产生相应的控制量u(t)，使减少偏差e(t)向减小的 方向变化。控制作用的强弱取决于比例系数Kp， Kp越大， 控制作用越强，则过渡过程越快，控制过程的静态偏差ess 也就越小,但是Kp越大，也越容易产生振荡，增加系统的超 调量，系统的稳定性会变差。

对于其它类型的模拟量输入/输出模块，根据模块的不同 特性，其具体设置会各有特点，但其基本方法是一样的。
● 2．模拟量模块的测量信号类型及测量范围设定
（2）配有量程卡的模拟量模块的测量信号类型和测量范围 的设定配有量程卡的模拟量模块，其量程卡在供货时已插 入模块一侧，如果需要更改量程，必须重新调整量程卡， 以更改测量信号的类型和测量范围。 量程卡可以设定为“A”、“B”、“C”、“D”四个位置， 各种测量信号类型和测量范围的设定在模拟量模块上有相 应的标记指示，可以根据需要进行设定和调整。 调整量程卡的步骤为： ①用锣丝刀将量程卡从模拟量模块中松开； ②将量程卡按测量要求和范围正确定位，然后插入模拟量 模块中。
●表4-8
电流测量范围为0-20mA和4-20mA的模拟值表示
●表4-9
标准Pt x100 RTD温度传感器的模拟值表示如表4-9所示以CPU313C模 块为例，模拟量精度为12位，由表4-6可知，十六位数 中最后三位 为0，因此分辨率为08H。再由表4-9可知，对应的温度分辨率为0.8℃。 对于其它模拟量输入信号的模拟值信号以及模拟量输出信号的表示， 参阅相关技术文档。
● 3．模拟值的表示
模拟值用二进制补码表示，宽度为16位，符号总在最高位。 模拟量模块的精度最高为15位，如果少于15位，则模拟值 左移调整，然后才保存到模块中。未用的低位填入“0”， 如表4-6所示，表中标有“x”的位为“0”或“1”。
●表4-6 模拟值的精度表示
模拟值的精度表示
●表4-7
电压测量范围±10 V - ±1V的模拟值表示
● 4．2．6 工程数值换算功能FC105的应用
FC105的数值换算公式为：
OUT=((FLOAT
)IN

4mA{（20-4）/4000} ±1%（全范围4~20mA）
PLC_模拟量控制
功能模块连接编号示意图
PLC_模拟量控制
BFM编号 #0 #1
#2~16#
#17
b15~b8 保留
b7~b4
b3
b2 b1
b0
输入数据的当前值（低8位数据）
保留
输入数据当前值（高端4位数据）
保留
模拟
保留
到数 字转 换开
PLC_模拟量控制
PLC_模拟量控制
PLC_模拟量控制
当模拟范围为0~10V，而使用的数 字范围为0~4000时，数字值为40等 于100mV的模拟输入（ 40×10V/4000数字点）。
PLC_模拟量控制
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电热水炉控制的输入有3个，其中2个数字 量，1个模拟量，而输出为2个。I/O分配 是，X0：为高位液位开关，X1：为低位 液位开关；Y0：为进水电磁阀，Y1：为 加热电阻；温度信号接入FX2N-2AD特殊 模块。
PLC_模拟量控制
PLC_模拟量控制
项目 绝缘承受电压 模拟电路电源
隔离方式
模拟量输入范围
分辨率 集成精度 处理时间
电压输入
电流输入
500V AC 1min（在所有的端子和外壳之间）
24V DC±10% 50mA（来自于主电源的内部电源供应）
在模拟电路和数字电路之间用光电耦合器进行隔离，主单元 的电源用DC/DC转换器隔离，各输入端子间不隔离
PLC_模拟量控制
FX2N-2DA型的模拟量输出模块用于将12位的 数值转换成2点模拟量输出（电压输出和电 流输出）。FX2N-2DA可连接到FX0N、FX2N和 FX2NC系列PLC中。两个模拟输出通道可接受 0~10VDC、0~5VDC或4~20mA输出。使用FROM 和TO指令与PLC进行数据传输。

第四步：设定回路过程变量
A:指定回路过程变量 (PV) 如何标定。可以从以下选项中选择： 单极性:即输入的信号为正，如0－10V或0－20mA等 B: 过程变量: 4-20MA对应的PLC内部的转换值 5530-27648
回路设定值： 一般是模拟量转化的工程量的最小值 和最大值 本例子为016MPA
第七步：定义向导所生成的PID初使化子程序和中断程序名及手/自动模式
向导已经为初使化子程序和中断子程序定义了缺省名，你也可以修改成自己起的名字。 A 指定PID初使化子程序的名字。 B 指定PID中断子程序的名字 C此处可以选择添加PID 手动控制模式。在PID手动控制模式下，回路输出由手动输出设定控制，此 时需0％－100％而不是直接去改变输出 值,
第六步：设定回路报警选项
向导提供了三个输出来反映过程值(PV)的低值报警、高值报警及过程值模拟量模块错误状态。当报警条件满足 时，输出置位为1。这些功能在选中了相应的选择框之后起作用。 A 使能低值报警并设定过程值(PV)报警的低值，此值为过程值的百分数，缺省值为0.10，即报警的低值为过程 值的10％。此值最低可设为0.01，即满量程的1% B 使能高值报警并设定过程值(PV)报警的高值，此值为过程值的百分数，缺省值为0.90，即报警的高值为过程 值的90％。此值最高可设为1.00，即满量程的100% C 使能过程值(PV)模拟量模块错误报警并设定模块于CPU连接时所处的模块位置。“EM0”就是第一个扩展模 块的位置
PID控制举例和详解
• 假定一个PID控制系统的控制对象是压力，反馈元件的测量范围为0 16MPa，输出是一个模拟量输出控制阀门的开度。模拟量输入的反馈 器件的信号经过变换，以4- 20mA电流信号的形式输入到模拟量输入 模块中，模拟量到PLC程序里对应5530-27648，据此，我们可以按下 表设置给定、反馈的范围。

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● 4.1.1 温度传感器与选型
• 温度采集和压力、流量等一样，是一种工业控制 中最普及的应用，它可以直接测量各种生产过程 中液体、蒸汽、气体介质和固体表面的温度。常 用的有热电阻、热电偶两种方式，此外还有非接 触型的红外测温等产品，一个典型的应用例子是 钢铁厂中的红外测温设备。这里我们主要介绍热 电阻和热电偶。
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● 2.热电阻
热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的 是铂和铜。此外，现在已开始采用甸、镍、锰和铑 等材料制造热电阻。 根据使用场合的不同，热电阻也有铠装式热电阻、 装配式热电阻、隔爆式热电阻等种类，与热电偶类 似。 铂电阻的工作原理是，在温度作用下，铂热电阻 丝的电阻值随温度变化而变化，且电阻与温度的关 系即分度特性符合IEC标准。分度号Pt100的含义为 在0℃时的名义电阻值为100Ω，目前使用的一般都 是这种铂热电阻。此外还有Pt10、Pt200、Pt500和 Pt1000等铂热电阻，Cu50、Cu100的铜热电阻等。
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●1.模拟量模块的主要特性
表4-2、4-3列出了模拟量输入模块SM331的主要特性，更详细的特性说 明请参阅相关技术文档。
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●1.表4-3
表4-3 模拟量输入模块SM331的主要特性
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●1.表4-4
表4-4 模拟量输出模块SM332的主要特性
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●1.表4-5
表4-5 模拟量输出/输出混合模块SM334的主要特性
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● 2.热电阻
热电阻是中低温区最常用的一种温度测量元件。 热电阻是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增 加这一特性来进行温度测量的。当电阻值变化时， 二次仪表便显示出电阻值所对应的温度值。它的主 要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热电阻的 测量精度是最高的。 铂热电阻根据使用场合的不同与使用温度的不同， 有云母、陶瓷、簿膜等元件。作为测温元件，它具 有良好的传感输出特性，通常和显示仪、记录仪、 调节仪以及其它智能模块或仪表配套使用，为它们 提供精确的输入值。若做成一体化温度变送器，可 输出4-20mA标准电流信号或0-10V标准电压信号， 使用起来更为方便。

个小电机带一台水泵进行压力闭环控制，一般只用PI控制。P=1-10，
I=0.1-1，D=0，这些要在现场调试时进行修正的。
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图1 过程过渡质量指示图
上图是过程过渡质量指示图，也是干扰作用影响下的过渡过程， 用过渡过程衡量系统质量时，常用的指标有：
衰减比：前后两个峰值的比，如图1中的B：B’
余差： 就是过渡过程终了时的残余偏差，如图1中的C
微分（D）调节作用：微分作用反映系统偏差信号的 变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产 生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调 节作用消除。因此，可以改善系统的动态性能。在微分时 间选择合适情况下，可以减少超调，减少调节时间。此外， 微分反应的是变化率，而当输入没有变化时，微分作用输 出为零。微分作用不能单独使用。
I是解决动作响应的速度快慢的，可消除系统稳态误差，I变大时 响应速度变慢，反之则快；
D是消除静态误差的，提高系统动态特性，（减少超调量和反应
时பைடு நூலகம்），一般D设置都比较小，而且对系统影响比较小。
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PID控制器参数的工程整定,各种调节系统中P.I.D参数经 验数据以下可参照：
温度TIC：P=20~60%，I=180~600s，D=3-180s； 压力PIC： P=30~70%，I=24~180s； 液位LIC： P=20~80%，I=60~300s； 流量FIC： P=40~100%，I=6~60s。
经验法简单可靠，但需要有一定现场运行经验，整 定时易带有主观片面性。当采用PID调节器时，有多个整 定参数，反复试凑的次数增多，不易得到最佳整定参数。
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下面以PID调节器为例，具体说明经验法的整定步骤：
A. 让调节器参数积分系数I=0，实际微分系数D=0，控制系统投入

/R 32000.0, AC0
//使累加器中的数值标准化
+R 0, AC0
//加偏移量0
MOVR AC0, VD100
//将标准化数值写入PID回路参数表中
四、PID回路输出转换为成比例的整数
程序执行后，PID回路输出0.0～1.0之间的标准化实数数值，必须
被转换成16位成比例整数数值，才能驱动模拟输出。
典型的PID算法包括三项：比例项、积分项和微分项。即： 输出=比例项+积分项+微分项 计算
比例项Kc×（SPn-PVn） 积分项Kc×（Ts/Ti）×（SPn-PVn）+Mx 微分项Kc×（Td/Ts）×（PVn-1-PVn）
二、PID控制回路选项
常用的控制回路有PI、PID。 （1）如果不需要积分回路（即在PID计算中无“I”），则应将积分 时间Ti设为无限大。由于积分项Mx的初始值，虽然没有积分运算，积 分项的数值也可能不为零。 （2）如果不需要微分运算（即在PID计算中无“D”），则应将微分 时间Td设定为0.0。
1. PIC指令编程
PID指令来编程
2．指令向导编程 先指令向导生成，再编写程序。
控制方法： 对恒温箱进行恒温控制，要对温度值进行PID调节。PID运算的结 果去控制接通电加热器或制冷风扇，但由于电加热器或制冷风扇只能为 ON或OFF，不能接受模拟量调节，故采用“占空比”的调节方法。 温度传感器检测到的温度值送入PLC后，若经PID指令运算得到 一个0～1的实数，把该实数按比例换算成一个0～100的整数，把该整 数作为一个范围为0～10s的时间t。设计一个周期为10s的脉冲，脉冲宽 度为t，把该脉冲加给电加热器或风扇，即可控制温度。
PID回路输出成比例实数数值=（PID回路输出标准化实数值-偏移量）×取值范围