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基于PLC的模拟量闭环控制系统PID的实

现

作者：张晓霞

来源：《无线互联科技》2020年第06期

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摘;要：文章对模拟闭环控制系统的原理、变送器的选择方法及闭环控制系统主要性能指

标进行了描述，介绍了PID控制器的数字化过程及PID指令向导生成PID程序的步骤，通过

S7-200SMARTPLC编程实现该控制过程，并进行了参数整定，达到了控制效果。

关键词：模拟量闭环控制系统;比例—积分—微分控制器;S7-200SMARTPLC

在工业生产中，对于一些连续变化的模拟量通常采用闭环控制如温度、压力、流量等，最

常用的是比例—积分—微分（ProportionIntegralDerivative，PID）控制方式，程序设计简单，

参数容易调整，即使没有控制系统的数学模型，也能满足控制效果;对控制对象可以采用P，

PI，PD和PID方式，具有较强的灵活性和适应性[1]。

闭环控制1;;与PID控制器

模拟闭环控制系统1.1;

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模拟闭环控制系统中的虚线框部分可由PLC控制。PV（t）是标准量程的直流电流或电压

信号，由控制量c（t）经传感器和变送器转换而来;过程变量PVn是多位二进制数，其由AI模

块中的A-D转换器将PV（t）转换得到。给定量为SPn，则误差en=SPn-PVn。PID控制器的

数字量输出值Mn是通过AO模块的D-A转换器转换为模拟量M（t）的，然后通过M（t）去

控制执行机构动作，进而控制被控对象模拟量闭环控制系统如图1所示。

闭环控制的工作原理1.2;

闭环控制必须确保系统是负反馈，如果系统接成了正反馈，将会失控。在闭环负反馈控制

当中，过程变量PVn可等于或跟踪给定值SPn的变化。若以炉温度闭环控制系统为例，当实

际值c（t）的温度低于给定的温度时，误差en为正，M（t）将增加，使执行机构电动调节阀

门开度增大，进入炉内的气流量增加，提高了加热炉的温度，最终使实际温度靠近或等于设定

值[2]。

变送器的1.3;选取

变送器是将电信号或非电信号变为标准范围的电流或电压，然后将其发送到模拟输入系

统，分为电压输出型和电流输出型。

电压输出型变送器AI模块电压输入端具有非常高的输入阻抗，对于微小的干扰信号电流

都能在输入阻抗上产生极高的干扰电压，在远程传送模拟电压信号时，抗干扰能力非常差。

电流输出型变送器内阻很大、电流稳定不变，具备恒流源的特性。AI模块的输入为电流

信号时，具有较低的输入阻抗。比如当有电流输入时，EMAE04模块的输入阻抗仅为250Ω，

使得干扰信号对模块输入阻抗产生的干扰电压非常低。因此，模拟电流信号适合远程传输。

电流输出型变送器有二线制和四线制两种，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既可是电源线，也可是信号线的外部接线，输出4～20mA的信

号电流。如图2所示，二线制变送器的接线简单，信号传输距离远，在实际生产中应用广泛[2-

3]。

闭环控制系统的1.4;主要性能指标

系统的动态过程受设定输入信号或干扰输入信号变化的影响，通常采用阶跃响应的参数来

描述其性能指标，如图3所示。当系统进入且停留在稳态值c（∞）上下误差范围（±5%）或

2%内的時间tS称为调整时间。控制输出量c（t）从0开始上升，首次达到稳态值c（∞）的时

间称为上升时间tr，则超调量计算为：

（1）

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通常，超调量越小，动态性能越好，一般希望超调量小于10%。

2;;PID控制器的数字化

连续控制系统中的2.1;PID控制器

控制器又称为PIDPID控制算法。典型的PID模拟量闭环负反馈控制系统如图1所示，其

中的各物理量均为模拟