可编程逻辑控制器（基于S7-200系列）课件 第6章 PLC模拟量采集及闭环PID控制.ppt

第6章PLC模拟量采集及PID控制回路连续变化的物理量通常称为模拟量。计算机接收、处理和输出的只能是离散的、二进制表示的数字量。为此，在计算机控制和检测系统中，需要检测的自然界的模拟量必须首先转换为数字量（称为模-数转换或A/D转换），然后输入给计算机进行处理。而计算机输出的数字量（控制信号），需要转换为模拟量（称为数-模转换或D/A转换），以实现对外部执行部件的控制。。6.1模拟量及闭环控制系统6.1.1模拟信号获取及变换传感器能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成相应的输出信号的器件或装置称为传感器。传感器通常由敏感元件和转换元件组成。顾名思义，传感器的功能是一感二传，即感受被测信息，并传送出去。传感器一般应由敏感元件、转换元件、转换电路组成。在工业生产过程中常用传感器有电阻应变式传感器、热电阻传感器、热电偶传感器、霍尔传感器、光电传感器、压力传感器、涡轮流量传感器等.例：被测温度通过热电偶传感器将其转换为相应的热电势（mv）输入给热电偶变送器，变送器采用二线制供电兼输出接线方式，24VDC电源的正极与变送器的V+连接、负极通过负载（一般为250?电阻）与变送器的V-连接，变送器电流输出为与被测温度成线性关系的4～20mA标准信号电流。该电流通过250?电阻将其转换为1~5V电压，作为A/D转换器的模拟量输入信号，A/D转换器输出的数字量信号可以直接输入给计算机进行处理。6.1.2闭环控制计算机闭环控制系统：被控设备（对象）输出的物理量（即被控参数或称系统输出参数），经传感器、变送器、A/D转换后反馈到输入端，与期望值（即给定值或称系统输入参数）进行比较，当二者产生偏差时，对该偏差进行决策或PID运算处理，其处理后的信号经D/A转换器转换为模拟量输出，控制执行器进行调节，从而使输出参数按输入给定的条件或规律变化。由于系统是闭和的，输出量的变化经变送器反馈到输入端与输入量进行比较，由于反馈的输出量与输入量相位相反，所以也称闭环控制负反馈系统。6.1.3PID控制算法及应用特点1.PID表达式在模拟量作为被控参数的控制系统中，为了使被控参数按照一定的规律变化，需要在控制回路中设置比例（P）、积分（I）、微分（D）运算及其运算组和作为控制器输出信号。S7-200设置了专用于PID运算的回路表参数和PID回路指令，可以方便地实现PID运算操作。在一般情况下，控制系统主要针对被控参数PV（又称过程变量）与期望值SP（又称给定值）之间产生的偏差e进行PID运算。其数学函数表达式为：2.PID控制参数的物理意义（1）比例控制（P）比例控制是控制系统最基本的控制方式，其控制器的输出量与控制器输入量（偏差）成比例关系，输出量由比例系数Kp控制，比例系数越大，比例调节作用越强，（2）积分控制（I）积分控制是指控制器的输出量与控制器输入量（偏差）的成积分关系，积分控制可以消除偏差，提高控制精度。（3）微分控制（D）微分控制是指控制器的输出量与控制器输入量（偏差）的成微分关系，或者说，只要系统有偏差的变化率，控制器输出量就按期变化率的大小变化（而不管其偏差的大小），即使在偏差很小时，但其偏差的变化率存在，控制器输出仍然会产生较大的变化。6.2S7-200PLC对模拟信号的处理6.2.1模拟量输入输出模块在S7-200CPU系列中，能够实现模拟信号处理的仅有CPU224XP，内置2输入/1输出模拟量端口。S7-200还配备了3种模拟量扩展模块，分别为EM231、EW232、EW235，以满足系统需要。为了方便工业生产过程已经广泛使用热电偶、热电阻传感器对温度的测量，S7-200还配备了EM231热电偶扩展模块直接以热电偶输出的电势作为输入信号、EM231热电阻输入扩展模块提供了与多种热电阻的连接口。EM235模拟量扩展模块接线图6.2.2模拟量/数字量与物理量的标度变换模拟量信号输入信号为0-20mA，，则在S7-200CPU内部，0–20mA对应于数字量的范围0–32000（十进制表示，下同）；对于4-20mA的信号，由于线性关系，则对应的内部数字量应为6400-32000。例：模拟量编程示例。采用CPU222PLC，仅带一个模拟量扩展模块EM235，该模块的第一个通道地址为AIW0，输入端连接一块温度变送器，该变送器输入量程Tmax-Tmin=100摄氏度，输出电流为4—20mA。