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S7_200PLC在PID闭环控制系统中的应用.pdf

S7_200PLC在PID闭环控制系统中的应用

pyr119
2011-04-16 0人阅读 举报 0 0 0 暂无简介

简介:本文档为《S7_200PLC在PID闭环控制系统中的应用pdf》,可适用于工程科技领域

SPLC在PID闭环控制系统中的应用强宝民,肖 晟(第二炮兵工程学院 陕西西安 )摘 要:为了实现对现场生产过程的精确控制,PLC闭环控制系统在工业生产中正得到越来越广泛的应用,阐述PLC实现PID控制的种常用方式,分析闭环控制系统中PID数字控制器的原理,结合西门子SPLC详细介绍PID指令使用和输入输出变量转换的方法,为SPLC在PID闭环控制系统中的应用提供一整套解决方案,最后以工业生产中常见的温度控制为背景,给出一个编程实例,对PID在工业控制中的应用很有参考价值。关键词:可编程控制器闭环控制系统PID控制器PID指令中图分类号:TM,TP   文献标识码:B   文章编号:X()ApplicationofSPLCinPIDClosedLoopControlSystemQIANGBaomin,XIAOSheng(TheSecondArtilleryEngineeringCollege,Xi′an,,China)Abstract:Inordertocontroltheproductionprocessaccurately,PLCclosedloopcontrolsystemiswidelyusedinindustrialproductionThearticlemainlydescribesthreeusualmannersbyusingPLCtorealizePIDcontrol,analysestheprincipleofPIDdigitalcontrollerintheclosedloopcontrolsystem,detailedlyintroduceshowtousethePIDinstructionandhowtoconverttheinputoutputvariableaccordingtotheSiemensSPLC,providesanintegratedprojectfortheapplicationofSPLCinPIDclosedloopcontrolsystem,intheend,itgivesaprogramexampleabouttemperaturecontrolinindustrialproduction,itisagoodreferencefortheuseofPIDintheindustrialcontrolsystemKeywords:PLCclosedloopcontrolsystemPIDcontrollerPIDinstruction收稿日期: 引 言在工业生产中,常需要用闭环控制方式来控制温度、压力、流量等连续变化的模拟量,无论是使用模拟量控制器的模拟控制系统还是使用计算机(包括PLC)的数字控制系统,PID控制都得到了广泛应用。PID控制器是比例积分微分控制(ProportionalIntegralDerivative)的简称,其优点是不需要精确的控制系统数学模型,有较强的灵活性和适应性,而且PID控制器的结构典型、程序设计简单、工程上易于实现、参数调整方便。本文以西门子公司SPLC为例介绍PLC在PID闭环控制系统中的应用。 PLC实现PID控制的方式用PLC对模拟量进行PID控制大致有如下几种方法:()使用PID过程控制模块:这种模块的PID控制程序是PLC厂家设计的,并放在模块中,用户使用时只需要设置一些参数,使用起来非常方便。()使用PID功能指令:它是用于PID控制的子程序,与模拟量输入输出模块一起使用,可以得到类似于使用PID过程控制的效果,但价格便宜得多。如S的PID指令。()用自编的程序实现PID闭环控制:在没有PID过程控制模块和功能指令的情况下,仍希望采用某种改进的PID控制算法,此时用户需要自己编制PID控制程序。本文以西门子SPLC为例,说明PID控制的原理及PLC的PID功能指令的使用及控制功能的实现。 PLCPID控制器的实现 PID控制器的数字化PLC的PID控制器的设计是以连续的PID控制规律为基础,将其数字化,写成离散形式的PID方程,再根据离散方程进行控制程序的设计。在连续系统中,典型的PID闭环控制系统如图所示。图中sp(t)是给定值pv(t)为反馈量c(t)为系统的输出量,PID控制器的输入输出关系如式()所示:《现代电子技术》年第期总第期 þ新型元器件üM(t)=KCe(t)TI∫te(t)dtTDde(t)dtMo()式中:M(t)为控制器输出Mo为输出的初始值e(t)=sp(t)pv(t)为误差信号KC为比例系数TI为积分时间常数,TD为微分时间常数。等号右边前三项分别是比例、积分、微分部分,它们分别与误差、误差的积分和微分成正比。如果取其中的项或项,可以组成P,PD或PI控制器。图 连续闭环控制系统方框图假设采样周期为TS,系统开始运行的时刻为t=,用矩形积分来近似精确积分,用差分近似精确微分,将式离散化,第n次采样时控制器的输出如式()所示:Mn=KCenKI∑nj=ejKD(enen)Mo()式中:en为第n次采样时的误差值KI为积分系数KD为微分系数。基于PLC的闭环控制系统如图所示,图中虚线部分在PLC内,spn,pvn,en,Mn分别为模拟量sp(t),pv(t),e(t),M(t)在第n次采样的数字量。在许多控制系统中,可能只需要P,I,D中的种或者种控制类型。例如,可能只要求比例控制或比例与积分控制,通过设置参数可对回路控制类型进行选择。图 PLC闭环控制系统方框图 输入输出变量的转换PID控制有输入量个:给定值sp和过程变量pv。给定值通常是固定值,过程变量通常是经过AD转换和计算后得到的被控量的实测值。给定值和过程变量都是和被控对象有关的值,对于不同的系统,它们的大小、范围与工程单位有很大的不同。应用PLC的PID指令对这些量进行运算之前,必须将其转换成标准化的浮点数(实数)。同样,对于PID指令的输出,在将其送给DA转换器之前,也需要进行转换。 回路输入的转换首先,将给定值或AD转换后得到的整数值由位整数转换为浮点数,可以用下面的程序实现这种转换:XORDAC,AC清除累加器MOVWAIW,AC将待转换的模拟量存入累加器LDW>=AC,如果模拟数值为正JMP直接转换成实数NOT反之ORD#FFFF,AC将AC内的数值进行符号扩展,扩展为位负数LBLDTRAC,AC将位整数转换成实数然后,将实数进一步转换成~之间的标准数,可用式对给定值及过程变量进行标准化:RNorm=(RRawspan)offset()式中:RNorm为标准化实数值RRaw为标准化前的值offset为偏移量,对单极性变量为,对双极性变量为Span为取值范围,等于变量的最大值减去最小值,单极性变量的典型值为,双极性变量的典型值为。下面的程序将上述转换后得到的AC中的双极性数(其中span=)转换为~之间的实数的转换程序为:R,AC将累加器中的实数标准化R,AC加上偏移值,使其在~之间MOVRAC,VD将标准化后的值存入回路表内 回路输出的转换回路输出即PID控制器的输出,它是标准化的~之间的实数。将回路输出送给DA转换器之前,必须转换成位二进制数,这一过程是将pv与sp转换成标准化数值的逆过程。用下面的式()将回路输出转换为实数:RScal=(Mnoffset)×Span()式中,RScal是回路输出对应的实数值Mn是回路输出标准化的实数值。将回路输出转换为对应的实数的程序为:MOVRVD,AC将回路输出送入累加器R,AC仅双极性数才有此语句R,AC单极性变量应乘以将代表回路输出的实数转化为位整数的指令为:ROUNDAC,AC将实数转化为位整数MOVWAC,AQW将位整数写入模拟输出(DA)寄存器 PID指令及其回路表S的PID指令如图所示。元器件与应用强宝民等:SPLC在PID闭环控制系统中的应用指令中TBL是回路表的起始地址,LOOP是回路编号。编译时如果指令指定的回路表起始地址或回路号超出范围,CPU将生成编译错误(范围错误),引起编译失败。PID指令对回路表中的某些输入值不进行范围检查,应保证过程变量、给定值等不超限。回路表如表所示:图 PID指令表 PID回路表偏移地址变量格式类型描述过程变量pvn双字节数输入应在~之间给定值spn双字节数输入应在~之间输出值Mn双字节数输入输出应在~之间增益KC双字节数输入比例常数,可正可负采样时间TS双字节数输入单位为s,必须为正数积分时间TI双字节数输入单位为min,正数微分时间TD双字节数输入单位为min,正数上一次的积分值双字节数输入输出应在~之间上一次过程变量双字节数输入输出最后一次运算过程变量值过程变量与给定值是PID运算的输入值,在回路表中他们只能被PID指令读取而不能改写。每次完成PID运算后,都要更新回路表内的输入值Mn,它被限制在~之间。如果PID指令中的算术运算发生错误,特殊存储器位SM(溢出或非法数值)被置为,并将中止PID指令的执行,想要消除这种错误,在下一次执行PID运算之前,应改变引起运算错误的输入值,而不是更新输出值。 PID指令编程举例温度控制是工业生产过程中很重要的一种控制。温度控制系统一般具有大惯性、大延时的特点。在工业控制中,难以建立温度系统的精确数学模型,而应用模拟或数字式PID闭环控制往往能获得较好的控制精度。本例采用PID控制器,温度给定值经标准化处理后为,选取控制器参数初值为:Kc=,TS=s,TI=min,TD=min。控制程序如下:主程序LDSM首次扫描时CALL调用初始化子程序子程序LDSMMOVR,VD装入给定值MOVR,VD装入回路增益MOVR,VD装入采样时间sMOVR,VD装入积分时间minMOVR,VD装入微分时间minMOVR,SMB设定定时中断的时间间隔为msATCH,设定定时中断以执行PID指令ENI允许中断,子程序结束中断程序LDSMLTDAIW,AC单极性模拟量经AD转换后存入累加器DTRAC,AC位整数转换为实数R,AC标准化累加器中的实数MOVRAC,VD存入回路表LDI在自动方式下执行PID指令PIDVB,回路表的起始地址为VB,回路号为LDSMMOVRVD,ACPID控制器的输出值送入累加器R,AC将累加器中的数标准化ROUNDAC,AC实数转换为位整数DTIAC,AQW将位整数写入到模拟量输出(DA)寄存器 结 语本文针对西门子SPLC在PID闭环控制系统中的应用,介绍PID数字控制器的原理、实现方法和编程实例。需要指出的是,PID控制算法具有很强的灵活性,根据被控对象特点的不同,可以使用PI控制、PD控制、PID控制等多种形式,从而达到更好的控制效果。随着智能控制技术的发展,PID控制与模糊控制、神经网络控制等现代控制方法的结合,可以实现PID控制器的参数自整定,使PID控制器具有经久不衰的生命力。参 考 文 献西门子公司SiemensSimaticS可编程序控制器系统手册Z北京:西门子公司,西门子(中国)有限公司自动化与驱动集团深入浅出西门子SPLCM北京:北京航空航天大学出版社,高钦和可编程控制器应用技术与设计实例M北京:人民邮电出版社,田永利PLC在纸张加工机控系统中的应用J现代电子技术,,():,作者简介 强宝民 男,年出生,教授。主要从事系统仿真与自动检测方向的研究。肖 晟 男,年出生,硕士研究生。主要从事系统仿真与自动检测方向的研究。《现代电子技术》年第期总第期 þ新型元器件ü

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