【文章內(nèi)容簡介】 連續(xù)閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 (畢業(yè)論文 ) 8 假設(shè)采樣周期為 TS , 系統(tǒng)開始運(yùn)行的時刻為 t =0 ,用矩形積分來近似精確積分 , 用差分近似精確微分 ,將式 1 離散化 , 第 n 次采樣時控制器的輸出如式 (23)所示 : MonnKjKnKcMn eeee DI nj?????? ??)( 11 (23) 式中 : en 1 為第 n 1 次采樣時的誤差值 ； KI 為積分系數(shù) ； KD 為微分系數(shù)。 基于 PLC的閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖 所示 ,圖中虛線部分在 PLC 內(nèi) , spn ,pvn , en , Mn 分別為模擬量 sp(t) ,pv(t) ,e(t),M(t)在第 n次采樣的數(shù)字量。在許多控制系統(tǒng)中 ,可能只需要 P,I,D 中的 1 種或者 2 種控制類型。例如 ,可能只要求比例控制或比例與積分控制 ,通過設(shè)置參數(shù)可對回路控制類型進(jìn)行選擇。 P I D 控 制 器 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) 被 控 對 象檢 測 元 件c ( t )M ( t )e nS P nP V nD / AA / DM np v ( t ) 圖 PLC 閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖 (2)輸入輸出變量的轉(zhuǎn)換 PID 控制有輸入量 2 個 ： 給 定值 sp 和過程變量 pv。給定值通常是固定值 ,過程變量通常是經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換和計(jì)算后得到的被控量的實(shí)測值。給定值和過程變量都是和被控對象有關(guān)的值 ,對于不同的系統(tǒng) ,它們的大小、范圍與工程單位有很大的不同。應(yīng)用 PLC 的PID指令對這些量進(jìn)行運(yùn)算之前 ,必須將其轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)化的浮點(diǎn)數(shù) (實(shí)數(shù) )。同樣 ,對于 PID指令的輸出 ,在將其送給 D/A 轉(zhuǎn)換器之前 ,也需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 首先 ,將給定值或 A/D 轉(zhuǎn)換后得到的整數(shù)值由 16 位整數(shù)轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù) ,可以用下面的程序?qū)崿F(xiàn)這種轉(zhuǎn)換 : XORD AC0 , AC0 / / 清 除累加器 MOVW AIW0 ,AC0 / / 將待轉(zhuǎn)換的模擬量存入累加器 LDW = AC0 ,0 / / 如果模擬數(shù)值為正 JMP 0 / / 直接轉(zhuǎn)換成實(shí)數(shù) 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 (畢業(yè)論文 ) 9 NOT / / 反之 ORD 16 FFFF0000 ,AC0 / / 將 AC0 內(nèi)的數(shù)值進(jìn)行符號擴(kuò)展 ,擴(kuò)展為 32 位負(fù)數(shù) LBL 0 DTR AC0 ,AC0 / / 將 32 位整數(shù)轉(zhuǎn)換成實(shí)數(shù) 然后 ,將實(shí)數(shù)進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成 0. 0～ 1. 0 之間的標(biāo)準(zhǔn)數(shù) ,可用式 (24)對給定值及過程變量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化 : O f f s e tSpanawRor mR RN ?? )( (24) 式中 : RNorm 為標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)數(shù)值 。RRaw 為標(biāo)準(zhǔn)化前的值 。Offset 為偏移量 ,對單極性變量為 ,對雙極性變量為 。Span為取值范圍 ,等于變量的最大值減去最小值 ,單極性變量的典型值為 32 000,雙極性變量的典型值為 64 000。 下面的程序?qū)⑸鲜鲛D(zhuǎn)換后得到的 AC0 中的雙極性數(shù) (其中 span = 64 000)轉(zhuǎn)換為～ 之間的實(shí)數(shù)的轉(zhuǎn)換程序?yàn)?: / R ,AC0 / / 將累加器中的實(shí)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化 + R ,AC0 / / 加上偏移值 ,使其在 0. 0～ 1. 0 之間 MOVR AC0 ,VD100 / / 將標(biāo)準(zhǔn)化后的值存入回路表內(nèi) 回路輸出即 PID 控制器的輸出 , 它是標(biāo)準(zhǔn)化的 ～ 之間的實(shí)數(shù)。將回路輸出送給 D/A 轉(zhuǎn)換器之前 ,必須轉(zhuǎn)換成 16 位二進(jìn)制數(shù) ,這一過程是將 pv 與 sp 轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值的逆過程。 用下面的式 (25)將回路輸出轉(zhuǎn)換為實(shí)數(shù) : S p a nOf fs e tMnR s c a l ??? )( (25) 式中 , Rscal 是回路輸出對應(yīng)的實(shí)數(shù)值 。Mn 是回路輸出標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)數(shù)值。 將回路輸出轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的實(shí)數(shù)的程序?yàn)?: MOVR VD108 ,AC0 / / 將回路輸出送入累加器 R ,AC0 / / 僅雙極性數(shù)才有此語句 * R ,AC0 / / 單極性變量應(yīng)乘以 32 000. 0 將代表回路輸出的實(shí)數(shù)轉(zhuǎn)化為 16 位整數(shù)的指令為 : 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 (畢業(yè)論文 ) 10 ROUND AC0 ,AC0 / / 將實(shí)數(shù)轉(zhuǎn)化為 32 位整數(shù) MOVW AC0 ,AQW0/ / 將 16 位整數(shù)寫入模擬輸出 (D/A)寄存器 PID 指令及其回路表 S7200 PLC的 PID 指令如圖 所示。 指令中 TBL 是回路表的起始地址 ,LOOP 是回路編號。編譯時如果指令指定的回路表起始地址或回路號超出范圍 ,CPU 將生成編譯錯誤 (范圍錯誤 ) ,引起編譯失敗。 PID 指令對回路表中的某些輸入值不進(jìn)行范圍檢查 ,應(yīng)保證過程變量、給定值等不超限?；芈繁砣绫? 所示 ： 圖 PID 指令 表 PID 回路表 偏移地址 變量 格式 類型 描述 0 過程變量 PVn 雙字節(jié)數(shù) 輸入 應(yīng)在 ～ 之間 4 給定值 SPn 雙字節(jié)數(shù) 輸入 應(yīng)在 ～ 之間 8 輸出值 Mn 雙字節(jié)數(shù) 輸入 /輸出 應(yīng)在 ～ 之間 12 增益 Kc 雙字節(jié)數(shù) 輸入 比例常數(shù) ,可正可負(fù) 16 采樣時間 Ts 雙字節(jié)數(shù) 輸入 單位為 s,必須為正數(shù) 20 積分時間 Ti 雙字節(jié)數(shù) 輸入 單位為 min,正數(shù) 24 微分時間 Td 雙字節(jié)數(shù) 輸入 單位為 min,正數(shù) 28 上一次積分值 雙字節(jié)數(shù) 輸入 /輸出 應(yīng)在 ～ 之間 32 上一次過程變量 雙字節(jié)數(shù) 輸入 /輸出 最后一次運(yùn)算過程變量值 過程變量與給定值是 PID 運(yùn)算的輸入值 ,在回路表中他們只能被 PID 指令讀取而不能改寫。每次完 成 PID 運(yùn)算后 ,都要更新回路表內(nèi)的輸入值 Mn ,它被限制在 ～ 之間。 如果 PID指令中的算術(shù)運(yùn)算發(fā)生錯誤 ,特殊存儲器位 SM (溢出或非法數(shù)值 ) 被置為 1,并將中止 PID 指令的執(zhí)行 ,想要消除這種錯誤 ,在下一次執(zhí)行 PID 運(yùn)算之前 ,應(yīng)改變引起運(yùn)算錯誤的輸入值 ,而不是更新輸出值。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 (畢業(yè)論文 ) 11 系統(tǒng)組成 本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示 圖 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 由圖 可知，溫度傳感器采集到數(shù)據(jù)后送給 S7200 PLC， S7200 PLC 通過運(yùn) 算后給固態(tài)繼電器一個控制信號從而控制 電烤箱 的導(dǎo)通與否。上位機(jī)是編寫 PLC 程序以及監(jiān)控溫度的變化。 本章小結(jié)：本章簡單介紹了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)以及支持該系統(tǒng)的理論依據(jù)。 重點(diǎn) 闡述PLC實(shí)現(xiàn) PID控制的 3種常用方式 ,分析閉環(huán)控制系統(tǒng)中 PID 數(shù)字控制器的原理 ,結(jié)合西門子 S7200 PLC 詳細(xì)介紹 PID 指令使用和輸入 /輸出變量轉(zhuǎn)換的方法 ,為 S7200 PLC 在PID閉環(huán)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用提供一整套解決方案 。 上位機(jī) S7200 PLC 控制器 溫度傳感器 固態(tài)繼電器 電烤箱 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 (畢業(yè)論文 ) 12 第三章 硬件設(shè)計(jì) 隨著微處理器、計(jì)算機(jī)和數(shù)字通信技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)控 制已經(jīng)廣泛地 應(yīng)用在所有的工業(yè)領(lǐng)域?，F(xiàn)代社會要求制造業(yè)對市場需求做 出迅速反應(yīng)，生產(chǎn)出小批量、多品種、多規(guī)格、高質(zhì)量的產(chǎn)品。為了滿足這一要求，生產(chǎn)設(shè)備和自動化生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)必須具有極高的可靠性和靈活性?？删幊绦蚩刂破鳎?Programmable Logic Controller）正是順應(yīng)這一要求出現(xiàn)的，它是以微處理器為基礎(chǔ)的通用控制裝置。本章主要介紹西門子 S7200 系列 PLC 以及其它硬件的選型。 PLC 基本概述 (1)PLC 的定義 可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用了可編 程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時、計(jì)算和算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字化或模擬式的輸入 /輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。 (2)PLC 的特點(diǎn) 現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)是復(fù)雜多樣的，它們對控制的要求也各不相同?？删幊炭刂破饔捎诰哂幸韵碌奶攸c(diǎn)而深受工廠工程技術(shù)人員和工人歡迎。 ，抗干擾能力強(qiáng)： PLC 用軟件取代了繼電器控制系統(tǒng)中大量的中間繼電器和時間繼電器，接線可減少到繼電器控制系統(tǒng)的十分之一以下，大大減少了因觸點(diǎn)接觸不良造成的故障。 S7200有極強(qiáng)的故障診斷能力。 PLC 使用 了一系列硬件和軟件抗干擾措施，具有很強(qiáng)的抗干擾能力，可以直接用于有強(qiáng)烈干擾的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場， PLC 已被公認(rèn)為最可靠的工業(yè)控制設(shè)備之一。 ，用戶使用方便，適應(yīng)性強(qiáng)： PLC 產(chǎn)品已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、模塊化，配備有品種齊全的硬件裝置供用戶選用，用戶能靈活方便地進(jìn)行系統(tǒng)配置，組成不同功能、不同規(guī)模的系統(tǒng)。 PLC 的安裝接線也很方便，一般用接線端子連接外部接線。硬件配置確定后，通過修改用戶程序，就可以方便快速地適應(yīng)工藝條件的變化。 ：梯形圖是使用的最多的 PLC 編程語言，其電路符號和表達(dá)方式與繼電器電路原理圖相似，梯形圖語言形象直觀，易學(xué)易用，熟悉繼電器電路圖的電氣技術(shù)人員只需花幾天時間就可以熟悉梯形圖語言，并用來編制用戶程序。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 (畢業(yè)論文 ) 13 、安裝、調(diào)試工作量少： PLC 用軟件功能取代了繼電器控制系統(tǒng)中大量的中間繼電器、時間繼電器、計(jì)數(shù)器等器件，使控制柜的設(shè)計(jì)、安裝、接線工作量大大減少。 PLC 的梯形圖程序可以用順序控制設(shè)計(jì)法來設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)方法很有規(guī)律，容易掌握?？梢栽趯?shí)驗(yàn)室模擬調(diào)試 PLC的用戶程序，用小開關(guān)來模擬輸入信號，通過個輸出點(diǎn)對應(yīng)的發(fā)光二極管的狀態(tài)來觀察輸出信號的狀態(tài)，調(diào)試的時間 比繼電器系統(tǒng)少的多。 ，性能價格比高：一臺小型的 PLC 內(nèi)有成百上千個可供用戶使用的編程元件，可以實(shí)現(xiàn)非常復(fù)雜的控制功能。與相同功能的繼電器系統(tǒng)相比，具有很高的性能價格比。 PLC 可以通過通信聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)分散控制，集中管理。 ，維修方便： PLC 的故障率很低，并且有完善的故障診斷功能。 PLC或外部的輸入裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)生故障時，根據(jù) PLC 上的發(fā)光二極管或編程軟件提供的信息，可以很方便地查明故障的原因，用更換模塊的方法可以迅速地排除故障。 ，能耗低：對于復(fù)雜的控制系統(tǒng)，使用 PLC 后 ，由于減少了大量的中間繼電器和時間繼電器，開關(guān)柜的體積比繼電器控制系統(tǒng)小的多。 由于具有上述特點(diǎn)，使得 PLC 的應(yīng)用范圍極為廣泛，可以說只要有工廠、有控制要求，就會有 PLC 的應(yīng)用。 PLC 的組成及功能 (1)PLC 的基本組成 PLC 實(shí)質(zhì)上一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，只不過它比一般的計(jì)算機(jī)具有更強(qiáng)的與工業(yè)過程相連接的接口和更直接的適用于控制要求的編程語言，故 PLC 與計(jì)算機(jī)的組成十分相似。從硬件結(jié)構(gòu)看，它也有中央處理器（ CPU）、存儲器、輸入 /輸出（ I/O）接口、電源等，如圖 。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 (畢業(yè)論文 ) 14 來自用戶設(shè)備 至用戶設(shè)備 圖 PLC 的基本組成 (2)PLC 各組成部分的作用 （ CPU） 與一般計(jì)算機(jī)一樣， CPU 是 PLC 的核心，它按 PLC 中系統(tǒng)程序賦予的功能指揮 PLC有條不紊地進(jìn)行工作，其主要任務(wù)有：控制從編輯器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)的接收與存儲；用掃描的方式通過 I/O部件接收現(xiàn)場的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入輸入映像存儲器 或數(shù)據(jù)存儲器中；診斷 PLC 內(nèi)部電路的工作故障和編程中的語法錯誤等； PLC進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)后，從存儲器逐條讀取用戶指令，經(jīng)過命令解釋后按指令規(guī)定的任務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送、邏輯或算術(shù)運(yùn)算等；根據(jù)運(yùn)算結(jié)果，更新有關(guān)標(biāo)志位的狀態(tài)和輸出影響存儲器的內(nèi)容，再經(jīng)輸出部件實(shí)現(xiàn)輸出控制、制表打印或數(shù)據(jù)通信等功能。 PLC 的存儲器包括系統(tǒng)存儲器和用戶存儲器兩部分。 系統(tǒng)存儲器用來存放由 PLC生產(chǎn)廠家編寫的系統(tǒng)程序，并固化在 ROM 內(nèi)，用戶不能直接更改。它使 PLC 具有基本的智能，能夠完成 PLC 設(shè)計(jì)者規(guī)定的各項(xiàng)工作。系統(tǒng)程序質(zhì)量的 好壞，很大程度上決定了 PLC的性能，其內(nèi)容主要包括三部分。第一部分為系統(tǒng)管理程序，它主要控制 PLC的運(yùn)行，使整個 PLC 按部就班地工作。第二部分為用戶指令解釋程序。通過用戶指令解釋程序，將 PLC 的編程語言變?yōu)闄C(jī)器語言指令，再由 CPU 執(zhí)輸入接口 輸出接口 電源 中央處理器 存儲器 編程器 外圍接口 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 (畢業(yè)論文 ) 15 行這些指令。第三部分為標(biāo)準(zhǔn)程序模塊與系統(tǒng)調(diào)用。它包括許多不同的功能的子程序及其調(diào)用管理程序，如完成輸入、輸出及特殊運(yùn)算等