第8章 閉環(huán)控制

1、第八章 閉環(huán)控制回水閥HC-800排水閥回水箱水泵進(jìn)水管供水管壓力變送器泄水口水箱座600單位：mm500400300200100進(jìn)水箱MDC24V一、變送器HC-800 壓力變送器1、何為變送器、何為變送器 變送器用于將傳感器提供的電量或非電量轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的直流電流或直流電壓信號(hào),例如DC0-10V和4-20mA。變送器常常用于閉環(huán)控制中。2、變送器的分類、變送器的分類變送器按輸出類型分為電流輸出型和電壓輸出型。1）、電壓輸出型變送器n電壓輸出型變送器具有恒壓源的性質(zhì)，PLC模擬量輸入模塊的電壓輸入端的輸入阻抗很高。(100K歐-10M歐)如果變送器距離PLC較遠(yuǎn)，通過(guò)線路見的分布電容和分布電

2、感感應(yīng)的干擾信號(hào)電流在模塊輸入阻抗上將產(chǎn)生較高的干擾電壓，如1uA的干擾電流在10M歐輸入阻抗上將產(chǎn)生10V的干擾電壓信號(hào)。 所以遠(yuǎn)程傳送模擬量電壓信號(hào)時(shí)抗干擾能力很差。n2)電流輸出型變送器具有恒流源的性質(zhì)，恒流源的內(nèi)阻很大。PLC的模擬量輸入模塊輸入電流時(shí)，輸入阻抗較低（220歐）。線路上的干擾信號(hào)在模塊的輸入阻抗上產(chǎn)生的干擾電壓很低，所以模擬量電流信號(hào)適用于遠(yuǎn)程傳送。 所以在工業(yè)應(yīng)用上往往變送器會(huì)選用電流輸出型。變送器按接線分類可分為二線制和四線制。n四線制變送器有四根接線：兩根電源線和兩根信號(hào)線。n二線制變送器有二根接線：兩根電源（信號(hào)）線。由于二線制變送器的接線少，且信號(hào)可以遠(yuǎn)傳，在

3、工業(yè)中用得比較多。n二線制電流輸出型變送器的接線二線電流輸出型二線電流輸出型變送器變送器4-20mAA/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器220歐24V二、閉環(huán)控制1、基本概念n1）閉環(huán)系統(tǒng)的基本組成典型的PLC模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)。n眾所周知，PID控制器的理想化方程為： n式中，e(t)控制器輸入信號(hào)，一般為輸入信號(hào)與反饋信號(hào)之差；u(t)控制器輸出信號(hào)，一般為給予受控對(duì)象的控制信號(hào)；Kp控制器放大系數(shù)；Ti控制器積分時(shí)間常數(shù)；Td控制器微分時(shí)間常數(shù)。式中為時(shí)域內(nèi)互不影響的控制規(guī)律?！盎ゲ挥绊憽笔侵府?dāng)改變一個(gè)控制作用參數(shù)（如Kp，Ti或Td）時(shí)，只影響一個(gè)調(diào)節(jié)作用，而不影響其他兩個(gè)調(diào)節(jié)作用。n計(jì)算機(jī)控制是一種采

4、樣控制，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的誤差值計(jì)算控制變量u。因此模擬PID控制算法公式中的積分項(xiàng)和微分項(xiàng)不能直接準(zhǔn)確地計(jì)算，只能用數(shù)值計(jì)算的方法逼近。n為了用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)PID控制規(guī)律，當(dāng)采樣時(shí)間T很小時(shí)，可以通過(guò)離散化，將這一方程直接化為差分方程。為此用一階差分代替一階微分，用累加代替積分。這時(shí)可用矩形或梯形積分來(lái)作為連續(xù)積分的近似值。用矩形積分時(shí)得：例如：在爐溫閉環(huán)控制系統(tǒng)中，用熱電偶檢測(cè)爐溫，溫度變送器將溫度轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)量程的電流或電壓送給模擬量輸入模塊，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后得到與溫度成比例的數(shù)字量，CPU將它與溫度設(shè)定值比較，并按沒(méi)腫控制規(guī)律（如PID控制算法）對(duì)誤差值進(jìn)行運(yùn)算，將運(yùn)算結(jié)果（數(shù)字量）送給模

5、擬量輸出模塊，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后變?yōu)殡娏餍盘?hào)或電壓信號(hào)，用來(lái)控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度，通過(guò)它控制加熱用的天然氣的流量，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的閉環(huán)控制C（t）為系統(tǒng)的輸出量，即被控量，例如加熱鍋爐中的溫度。模擬量與數(shù)字量之間的相互轉(zhuǎn)換和PID程序執(zhí)行都是周期性的操作，其間隔時(shí)間為采樣周期。n2）工作原理 基于反饋原理建立的自動(dòng)控制系統(tǒng)。所謂反饋，就是根據(jù)系統(tǒng)輸出變化的信息來(lái)進(jìn)行控制，即通過(guò)比較系統(tǒng)行為（輸出）與期望行為之間的偏差，并消除偏差以獲得預(yù)期的系統(tǒng)性能。 在反饋控制系統(tǒng)中，既存在由輸入到輸出的信號(hào)前向通路，也包含從輸出端到輸入端的信號(hào)反饋通路，兩者組成一個(gè)閉合的回路。因此，反饋控制系統(tǒng)又稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。

6、 反饋控制是自動(dòng)控制的主要形式。自動(dòng)控制系統(tǒng)多數(shù)是反饋控制系統(tǒng)。在工程上常把在運(yùn)行中使輸出量和期望值保持一致的反饋控制系統(tǒng)稱為自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，而把用來(lái)精確地跟隨或復(fù)現(xiàn)某種過(guò)程的反饋控制系統(tǒng)稱為恒值系統(tǒng)或隨動(dòng)系統(tǒng)。 同開環(huán)控制系統(tǒng)相比，閉環(huán)控制具有一系列優(yōu)點(diǎn)。在反饋控制系統(tǒng)中，不管出于什么原因（外部擾動(dòng)或系統(tǒng)內(nèi)部變化），只要被控制量偏離規(guī)定值，就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的控制作用去消除偏差。因此，它具有抑制干擾的能力，對(duì)元件特性變化不敏感，并能改善系統(tǒng)的響應(yīng)特性。但反饋回路的引入增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，而且增益選擇不當(dāng)時(shí)會(huì)引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。為提高控制精度，在擾動(dòng)變量可以測(cè)量時(shí)，也常同時(shí)采用按擾動(dòng)的控制（即前饋控制）

7、作為反饋控制的補(bǔ)充而構(gòu)成復(fù)合控制系統(tǒng)。 n3)閉環(huán)控制的缺陷 由于信號(hào)被逐級(jí)傳遞，最后回到輸出端形成一個(gè)閉環(huán)。 在閉環(huán)的各個(gè)環(huán)節(jié)中，由于慣性因素造成信號(hào)傳遞的滯后，這種滯后將使被控量振蕩。 2、閉環(huán)控制反饋極性的確定n閉環(huán)控制必須保證系統(tǒng)是負(fù)反饋（誤差=給定值-反饋值），只有負(fù)反饋系統(tǒng)才可能是穩(wěn)定的系統(tǒng)。n判斷負(fù)反饋的方法：將反饋環(huán)節(jié)斷開，如果有積分環(huán)節(jié)的話輸出會(huì)往一個(gè)方向變化，如果接上反饋環(huán)節(jié)后能減小誤差，則為負(fù)反饋。三、PID指令在閉環(huán)控制中的應(yīng)用1、PID控制器的優(yōu)點(diǎn)PID（比例Proportion，積分Integral，微分Differential PID）控制器作為最早實(shí)用化的控制器

8、已有50多年歷史，現(xiàn)在仍然是應(yīng)用最廣泛的工業(yè)控制器。PID控制器簡(jiǎn)單易懂，使用中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件，因而成為應(yīng)用最為廣泛的控制器,高達(dá)（90%的閉環(huán)控制是采用PID控制）n1）比例控制 比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-state error）。 n積分（I）控制在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱有差系統(tǒng)（System with Steady-state Error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，

9、在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。n微分（D）控制 在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差

10、的作用就應(yīng)該是零。這就是說(shuō)，在控制器中僅引入 “比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。n2)pid控制的優(yōu)點(diǎn)n在工業(yè)控制中，PID控制得到了廣泛的應(yīng)用，這是因?yàn)镻ID控制具有以下優(yōu)點(diǎn)：na:不需要知道被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。實(shí)際上大多數(shù)工業(yè)對(duì)象準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型是無(wú)法獲得的，對(duì)于這一類系統(tǒng)，使用PID控制可以得到比較滿意的效果。據(jù)日本統(tǒng)

11、計(jì)，目前PID及變型PID 約占總控制回路數(shù)的90%左右。 nb.PID控制器具有典型的結(jié)構(gòu)，程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，參數(shù)調(diào)整方便。nc.有較強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性，根據(jù)被控對(duì)象的具體情況，可以采用各種PID控制的變種和改進(jìn)的控制方式，如 PI、PD、帶死區(qū)的PID、積分分離式PID、變速積分PID等。隨著智能控制技術(shù)的發(fā)展，PID控制與模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等現(xiàn)代控制方法相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)PID控制器的參數(shù)自整定，使PID控制器具有經(jīng)久不衰的生命力。3）實(shí)現(xiàn)PID控制的方法n使用PID過(guò)程控制模塊 用PID過(guò)程控制模塊。這種模塊的PID控制程序是PLC生產(chǎn)廠家設(shè)計(jì)的，并存放在模塊中，用戶在使用時(shí)只需要設(shè)置一

12、些參數(shù)，使用起來(lái)非常方便，一塊模塊可以控制幾路甚至幾十路閉環(huán)回路。但是這種模塊的價(jià)格昂貴，一般在大型控制系統(tǒng)中使用。如三菱的A系列、Q系列PLC的PID控制模塊。n使用PID控制指令（在三菱fx系列中常用PID指令去做控制） 現(xiàn)在很多中小型 PLC都提供PID控制用的功能指令，如FX2N系列PLC的PID指令。它們實(shí)際上是用于PID控制的子程序，與A/D、D/A模塊一起使用，可以得到類似于使用PID過(guò)程控制模塊的效果，價(jià)格卻便宜得多。n自編程序?qū)崿F(xiàn)PID控制 使用自編程序?qū)崿F(xiàn)PID閉環(huán)控制。有的PLC沒(méi)有有PID過(guò)程控制模塊和 PID控制指令，有時(shí)雖然有PID控制指令，但用戶希望采用變型PID

13、控制算法。在這些情況下，都需要由用戶自己編制PID控制程序。 四、FX系列plc的PID指令 該指令是將當(dāng)前過(guò)程值該指令是將當(dāng)前過(guò)程值S2與設(shè)定值與設(shè)定值S1之差（偏差）送到之差（偏差）送到PID環(huán)中計(jì)算，得到當(dāng)前輸出控制送到目標(biāo)環(huán)中計(jì)算，得到當(dāng)前輸出控制送到目標(biāo)D中。中。S3指定指定PID運(yùn)運(yùn)算的參數(shù)首地址。該參數(shù)表需要占用算的參數(shù)首地址。該參數(shù)表需要占用25個(gè)數(shù)據(jù)寄存器，因而首元個(gè)數(shù)據(jù)寄存器，因而首元不可大于不可大于D7975。本指令在編程時(shí)可多次使用本指令在編程時(shí)可多次使用，但應(yīng)注意各，但應(yīng)注意各PID環(huán)占用的數(shù)據(jù)寄存器環(huán)占用的數(shù)據(jù)寄存器D不可重復(fù)使用。不可重復(fù)使用。PID指令有特定出錯(cuò)

14、碼，指令有特定出錯(cuò)碼，出錯(cuò)標(biāo)志為出錯(cuò)標(biāo)志為M8076，相應(yīng)的出錯(cuò)碼存入，相應(yīng)的出錯(cuò)碼存入D8076中中nPID參數(shù)表占用S3指定的首元件開始的連續(xù)25個(gè)數(shù)據(jù)寄存器。參數(shù)表中一部分是必須由用戶在PID運(yùn)算前用指令寫入的，一部分留作內(nèi)部運(yùn)算用，還有一部分是存放運(yùn)算結(jié)果的。PID參數(shù)表：源操作數(shù)參數(shù)設(shè)定范圍或說(shuō)明備注S3采樣周期（Ts）1-32767ms不能小于掃描周期S3+ 1動(dòng)作方向（ACT）Bit0: 0為正作用、1為反作用Bit1: 0為無(wú)輸入變化量報(bào)警1為有輸入變化量報(bào)警Bit2: 0為無(wú)輸出變化量報(bào)警1為有輸出變化量報(bào)警Bit3 - Bit15不用S3+ 2輸入濾波常數(shù)（L）0-99（%

15、）對(duì)反饋量的一階慣性數(shù)字濾波環(huán)S3+ 3比例增益（K p） 1-32767（%） S3+ 4積分時(shí)間（T I） 0-32767（100ms）0與作同樣處理S3+ 5微分增益 (K D)0-100（%） S3+ 6微分時(shí)間（T D） 0-32767（10ms）0為無(wú)微分nS 3 ：采樣時(shí)間（TS） 132767（ms） PID 采樣時(shí)間是反映被控變量采樣周期和控制變量調(diào)節(jié)周期的時(shí)間常數(shù),采樣 時(shí)間越短控制響應(yīng)就越快,但容易引起反應(yīng)振蕩.n采樣時(shí)間的設(shè)定規(guī)率：采樣時(shí)間的設(shè)定規(guī)率：根據(jù)調(diào)節(jié)對(duì)象實(shí)際工藝、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行情況來(lái)設(shè)置該參數(shù)的設(shè)定值。例如溫度控制系統(tǒng)是一個(gè)滯后系統(tǒng)，采樣周期可以相對(duì)長(zhǎng)一些，采

16、樣周期相對(duì)短也是沒(méi)有多大意義，因?yàn)闇囟茸兓^慢。n選取采樣周期T S時(shí)，應(yīng)使它遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于系統(tǒng)階躍響應(yīng)的純滯后時(shí)間或上升時(shí)間。為使采樣值能及時(shí)反映模擬量的變化，T S越小越好。但是T S太小會(huì)增加CPU的運(yùn)算工作量，相鄰兩次采樣的差值幾乎沒(méi)有什么變化，所以也不宜將T S取得過(guò)小。n注：該參數(shù)設(shè)定值不能少于運(yùn)算周期的時(shí)間。否則，系統(tǒng)無(wú)法執(zhí)行。nS3+1：動(dòng)作方向（ACT）與報(bào)警控制n正動(dòng)作：當(dāng)前值大于設(shè)定值，要求加大執(zhí)行量，則成為正動(dòng)作，如空調(diào)。n負(fù)動(dòng)作：當(dāng)前值小于設(shè)定值，要求加大執(zhí)行量，則成為負(fù)動(dòng)作，如鍋爐。nPID控制是根據(jù)“動(dòng)作方向”（S3+1）的設(shè)定內(nèi)容，進(jìn)行正作用或反作用的PID運(yùn)算。PI

17、D運(yùn)算公式如下： 以上公式中：MV是本次和上一次采樣時(shí)PID輸出量的差值，MVn是本次的PID輸出量；EVn和 EVn-1分別是本次和上一次采樣時(shí)的誤差，SV為設(shè)定值；PVn是本次采樣的反饋值，PVnf、PVnf-1和PVnf-2分別是本次、前一次和前兩次濾波后的反饋值，L是慣性數(shù)字濾波的系數(shù)；Dn和Dn-l分別是本次和上一次采樣時(shí)的微分部分；K p是比例增益，T S是采樣周期，T I和T D分別是積分時(shí)間和微分時(shí)間，D是不完全微分的濾波時(shí)間常數(shù)與微分時(shí)間TD的比值。n4.PID參數(shù)的整定參數(shù)的整定 n PID控制器有4個(gè)主要的參數(shù)K p、T I、T D和T S需整定，無(wú)論哪一個(gè)參數(shù)選擇得不合

18、適都會(huì)影響控制效果。在整定參數(shù)時(shí)應(yīng)把握住PID參數(shù)與系統(tǒng)動(dòng)態(tài)、靜態(tài)性能之間的關(guān)系。 n 在P（比例）、I（積分）、D（微分）這三種控制作用中，比例部分與誤差信號(hào)在時(shí)間上是一致的，只要誤差一出現(xiàn)，比例部分就能及時(shí)地產(chǎn)生與誤差成正比的調(diào)節(jié)作用，具有調(diào)節(jié)及時(shí)的特點(diǎn)。比例系數(shù)K p越大，比例調(diào)節(jié)作用越強(qiáng)，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度越高；但是對(duì)于大多數(shù)系統(tǒng)，K p過(guò)大會(huì)使系統(tǒng)的輸出量振蕩加劇，穩(wěn)定性降低。 n 積分作用與當(dāng)前誤差的大小和誤差的歷史情況都有關(guān)系，只要誤差不為零，控制器的輸出就會(huì)因積分作用而不斷變化，一直要到誤差消失，系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，積 分部分才不再變化。因此，積分部分可以消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度，但是積分作用的動(dòng)作緩慢，可能給系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性帶來(lái)不良影響。積分時(shí)間常數(shù)T I增大時(shí)，積分作用減弱，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能（穩(wěn)定性）可能有所改善，但是消除穩(wěn)態(tài)誤差的速度減慢。 n微分部分是根據(jù)誤差變化的速度，提前給出較大的調(diào)節(jié)作用。微分部分反映了系統(tǒng)變化的趨勢(shì)，它較比例調(diào)節(jié)更為及時(shí)，所以微分部分具有超前和預(yù)測(cè)的特點(diǎn)。微分時(shí)間常數(shù)T D增大時(shí)，超調(diào)量減小，動(dòng)態(tài)性能得到改善，但是抑制高頻干擾的能力下降。n選取采樣周期T S時(shí)，應(yīng)使它遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于系統(tǒng)階躍響應(yīng)的純滯后時(shí)間或上升時(shí)間。為使采樣值能及時(shí)反映模擬量的變化，T S越小越好。但是T