可编程控制器PID高数计数器课件.ppt
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1、可编程序控制器,主讲:,4.6 S7-200PID指令 4.6.1 PID算法,理解PID算法PID控制器调节输出,保证偏差(e)为零,使系统达到稳定状态,偏差(e)是给定值(SP)和过程变量(PV)的差。PID控制的原理基于下面的算式;输出M(t)是比例项、积分项和微分项的函数。 输出= 比例项+ 积分项+ 微分项 其中:M(t)是 PID回路的输出,是时间的函数 KC PID回路的增益 e PID回路的偏差(给定值与过程变量之差) Minitial PID回路输出的初始值,为了能让数字计算机处理这个控制算式,连续算式必须离散化为周期采样偏差算式,才能用来计算输出值。数字计算机处理的算式如下
2、: 其中: Mn在第n个采样时刻,PID回路输出的计算值 KC PID回路比例增益 en 第n个采样时刻的回路偏差值 en - 1 上一个采样时刻杜回路偏差 ei 第i个采样时刻的回路偏差值 KI 积分项的比例常数 Minitial 回路输出的初始值 KD 微分项的比例常数 从这个公式可以看出,积分项是从第1个采样周期到当前采样周期所有误差项的函数,微分项是当前采样和前一次采样的函数,比例项仅是当前采样的函数。在数字计算机中,不保存所有的误差项,实际上也不必要。只需将上一次的误差值和上一次积分项的数值保存即可。,由于计算机从第一次采样开始,每有一个偏差采样值必须计算一次输出值,只需要保存偏差前
3、值和积分项前值。作为数字计算机解决的重复性的结果,可以得到在任何采样时刻必须计算的方程的一个简化算式。简化算式是: Mn = Kc * en + KI * en + MX + KD * (en-en - 1) 其中: Mn在第n个采样时刻,PID回路输出的计算值 KC PID回路比例增益 en 第n个采样时刻的回路偏差值 en - 1 上一个采样时刻杜回路偏差 KI 积分项的比例常数 MX积分项前值 KD 微分项的比例常数,CPU实际使用以上简化算式的改进形式计算PID输出。这个改进型算式是: Mn = MPn + MIn + MDn 输出= 比例项+ 积分项+ 微分项 其中: Mn 第n采样
4、时刻的计算值 MPn 第n采样时刻的比例项值 MIn 第n采样时刻的积分项值 MDn 第n采样时刻的微分项值,(1)理解PID方程的比例项 比例项MPn是增益(KC)和偏差(e)的乘积。其中KC决定输出对偏差的灵敏度,偏差(e)是给定值(SP)与过程变量值(PV)之差。 S7-200解决的求比例项的算式是: MPn = KC * (SPn PVn) MPn第n个采样时刻比例项的值 KC 回路增益 SPn 第n采样时刻的给定值 PVn 第n采样时刻的过程变量值,(2)理解PID方程的积分项 积分项(MI)是正比于每次采样的误差的积累值。 S7-200解决的求积分项的算式是: MIn = KC *
5、 TS / TI * (SPn - PVn)+ MX 其中: MIn 第n个采样时刻的积分项值 KC 回路增益 TS 采样周期 TI 积分时间常数 SPn 第n采样时刻的给定值 PVn第n采样时刻的过程变量值 MX 第n - 1采样时刻的积分项(积分项前值) (也称积分和或偏置),(3)理解PID方程的微分项 微分项(MD)正比于误差的变化。S7-200使用下列算式来求解微分项: MDn = KC * TD / TS * (SPn PVn)-(SPn-1 - PVn-1) 为了避免给定值变化的微分作用而引起的跳变,假定给定值不变(SPn = SPn-1)。这样,可以用过程变量的变化替代偏差的变
6、化,计算算式可改进为: MDn = KC * TD / TS * (PVn-1 - PVn ) 其中: MDn第n个采样时刻的微分项值 KC 回路增益 TS 采样周期 TD 微分时间常数 SPn 第n采样时刻的给定值 SPn-1 第n-1采样时刻的给定值 PVn 第n采样时刻的过程变量值 PVn-1 第n-1采样时刻的过程变量值 为了下一次计算微分项值,必须保存过程变量,而不是偏差。在第一采样时刻,初始化为PVn-1 PVn,4.6.5 PID指令,PID指令以回路表中的输入和组态信息进行PID运算。要执行该指令,必须使逻辑栈顶值置为1。 指令中的TBL是PID控制回路的起始地址。 LOOP为
7、控制回路号(为常数,在07之间) 使ENO=0的错误条件: SM1.1(溢出)H 0006(间接寻址) 受影响特殊存储器位H SM1.1(溢出),在程序中最多可以用8条PID指令。如果两个或两个以上的PID指令用了同一个回路号,那么即使这些指令的回路表不同,这些PID运算之间也会相互干涉,产生不可预料的结果。 回路表包含9个参数,用来控制和监视PID运算。这些参数分别是过程变量当前值(PVn),过程变量前值(PVn-1),给定值(SPn),输出值(Mn),增益(Kc),采样时间(Ts),积分时间(TI),微分时间(TD)和积分项前值(MX)。 为了让PID运算以预想的采样频率工作,PID指令必
8、须用在定时发生的中断程序中,或者用在主程序中被定时器所控制以一定频率执行。采样时间必须通过回路表输入到PID运算中。,回路表,回路控制类型的选择 通过设置常量参数,可以选择需要的回路控制类型。 如果不想要积分动作(PID计算中没有“I”),可以把积分时间(复位)置为无穷大“INF”。即使没有积分作用,积分项还是不为零,因为有初值MX。 如果不想要微分回路,可以把微分时间置为零。 如果不想要比例回路,但需要积分或积分微分回路,可把增益设为0.0,系统会在计算积分项和微分项时,把增益当作1.0看待。 正作用回路和反作用回路 如果增益为正,那么该回路为正作用回路。如果增益为负,那么是反作用回路。 对
9、于增益值为0.0的I或ID控制,如果指定积分时间、微分时间为正,就是正作用回路;如果指定为负值,就是反作用回路,控制方式 S7-200的PID回路没有设置控制方式,只要PID块有效,就可以执行PID运算。即PID运算存在一种“自动“运行方式。当PID运算不被执行时,我们称之为“手动”模式。 PID指令使能位检测到信号的正跳变(从0到1),PID指令执行一系列动作,使PID指令从手动方式无扰动地切换到自动方式。 为了达到无扰动切换,在转变到自动控制前,必须用手动方式把当前输出值填入回路表中的Mn栏。PID指令对回路表中的值进行下列动作,以保证当使能位正跳变出现时,从手动方式无扰动切换到自动方式:
10、 置给定值(SPn)=过程变量(PVn) 置过程变量前值(PVn-1)=过程变量现值(PVn) 置积分项前值(MX)=输出值(Mn) PID使能位的默认值是1,在CPU启动或从STOP方式转到RUN方式时建立。CPU进入RUN方式后首次使PID块有效,没有检测到使能位的正跳变,那么就没有无扰动切换的动作。,回路输入的转换及归一化处理 每个PID回路具有两个输入量,给定值(SP)和过程变量(PV)。给定值通常是一个固定的值。过程变量是与PID回路输出有关,可以衡量输出对控制系统作用的大小。 给定值和过程变量都可能是工程实际的值,它们的大小、范围和工程单位都可能不一样。在PID指令对这些工程实际的
11、值进行运算之前,必须把它们转换成标准的浮点型表达形式。,转换的第一步是把16位整数值转成浮点型实数值。如: ITD AIW0,AC0 /将输入值转换为双整数。 DTR AC0, AC0 /将32位双整数转换为实数。 下一步是将工程实际的值的实数值表达形式转换成0.01.0之间的标准化值。下面的算式可以用于标准化给定值或过程变量值: Rnorm = (Rraw / Span)+ Offset 其中: Rnorm 工程实际值的归一化值 Rraw 工程实际值的实数值或原值,未归一化处理 Span 最大允许值减去最小允许值,通常取32000(对于单极性)和64000(对于双极性) Offset 单极性
12、为0.0,双极性为0.5,下面的指令把双极性实数标准化为0.01.0之间的实数。通常用在第一步转换之后: /R 64000.0, AC0 /累加器中的标准化值 +R 0.5, AC0 /加上偏置,使其在0.01.0之间 MOVR AC0, VD100 /标准化的值存入回路表,回路输出值转换成整数值 回路输出值一般是控制变量,比如,在汽车速度控制中,可以是油阀开度的设置。回路输出是0.0和1.0之间的一个标准化了的实数值。 在回路输出可以用于驱动模拟输出之前,回路输出必须转换成一个16位的标定整数值。这一过程,是给定值或过程变量的标准化转换的逆过程。 第一步是使用下面给出的公式,将回路输出转换成
13、一个标定的实数值:,Rscal = (Mn - Offset)* Span 其中: RScal 回路输出的刻度实数值 Mn 回路输出的标准化实数值 Offset 单极性为0.0,双极性为0.5 Span 值域大小,可能的最大值减去可能的最小值 单极性为32,000(典型值)双极性为64,000(典型值) 这一过程可以用下面的指令序列完成: MOVR VD108, AC0 /把回路输出值移入累加器 -R 0.5, AC0 /仅双极性有此句 *R 64000.0, AC0 /在累加器中得到刻度值 下一步是把回路输出的刻度转换成16位整数: ROUND AC0,AC0 /把实数转换为32位整数 DT
14、I AC0, LW0 /把32位整数转换为16位整数 MOVW LW0,AQW0 /把16位整数写入模拟输出寄存器,出错条件 如果指令指定的回路表起始地址或PID回路号操作数超出范围,那么在编译期间,CPU将产生编译错误(范围错误),从而编译失败。 PID指令不检查回路表中的值是否在范围之内,所以必须小心操作以保证过程变量和设定值不超界。 PID指令不检查回路表中的值是否超界,您必须保证过程变量和设定值(以及偏置和前一次过程变量)必须在0.0到1.0之间。 如果PID计算的算术运算发生错误,那么特殊存储器标志位SM1.1(溢出或非法值)会被置1,并且中止PID指令的执行。(要想消除这种错误,单
15、靠改变回路表中的输出值是不够的,正确的方法是在下一次执行PID运算之前,改变引起算术运算错误的输入值,而不是更新输出值),PID指令编程举例 在本例中,有一水箱需要维持一定的水位,该水箱里的水以变化的速度流出。这就需要有一个水泵以不同的速度给水箱供水,以维持水位不变,这样才能使水箱不断水。本系统的给定值是水箱满水位的75%时的水位,过程变量由漂浮在水面的水位测量仪给出。输出值是水泵的速度,可以从允许最大值的0%变到100%。给定值可以预先设定后直接输入到回路表中,过程变量值是来自水位表的单极性模拟量,回路输出值也是一个单极性模拟量,用来控制进水泵的速度。这两个模拟量的范围是0.0到1.0,分辨
16、率为1/32000(标准化)。 在本系统中,只使用比例和积分控制,其回路增益和时间常数可以通过工程计算初步确定。但还需要进一步调整以达到最优控制效果。初步确定的增益和时间常数为:Kc是0.25,Ts是0.1秒,Tl是30分钟,系统启动时,关闭出水口,用手动控制进水泵的速度,使水位达到满水位的75%,然后打开出水口,同时水泵控制从手动方式切换到自动方式。这种切换由一个输入的数字量控制,描述如下:I0.0位控制手动到自动的切换,0代表手动,1代表自动。当工作在手动控制方式下,可以把水泵速度(0.01.0之间的实数)写道VD108(VD108是回路表中保存输出的寄存器),4.7 S7-200其他操作
17、指令,4.7.1 高速计数器操作指令 4.7.2 表功能指令 4.7.3 通信指令 4.7.4 中断指令,4.7.1 高速计数器操作指令,高速计数器用于对PLC扫描速率来不及处理的高速事件进行计数。 S7-200PLC根据CPU不同型号有46个高速计数器。 高速计数器的最高频率也随CPU型号不同而异。,1、高速计数指令 高速计数指令包括定义高速计数器HDEF指令和高速计数器HSC指令。 HDEF,定义高速计数器指令。使能输入有效时,为指定的高速计数器分配一种工作模式,即用来建立高速计数器与工作模式之间的联系。梯形图指令盒中有两个数据输入端:HSC,高速计数器编号,为05的常数,字节型;MODE
18、,工作模式,为011的常数,字节型。 HSC指令是根据高速计数器特殊存储器位的状态,并按照HDEF指令指定的工作模式设置高速计数器并开展其工作。,定义高速计数器指令(HDEF)为指定的高速计数器(HSCx)选择操作模式。 高速计数器指令(HSC)在HSC特殊存储器位状态的基础上,配置和控制高速计数器。参数N指定高速计数器的标号。 对于每一个高速计数器只能用一条定义高速计数器指令。 每一个计数器都有时钟、方向控制、复位、启动的特定输入。对于双相计数器,两个时钟都可以运行在最高频率。在正交模式下,您可以选择一倍速(1x)或者四倍速(4x)计数速率。,在使用高速计数器之前,应该用HDEF(高速计数器
19、定义)指令为计数器选择一种计数模式。使用初次扫描存储器位SM0.1(该位仅在第一次扫描周期接通,之后断开)来调用一个包含HDEF指令的子程序,2、工作模式 4种工作模式 内部方向控制的单脉冲增/减计数模式 外部方向控制的单脉冲增/减计数模式 增/减计数时钟输入的双脉冲计数模式 A/B脉冲正交计数模式 不论高速计数器以何种模式工作,他们的控制信号功能是相同的 当复位输入I1.0有效时,高速计数器的当前值被清零并保持到复位无效。 当启动信号I1.1有效时,允许计数器开始计数;当启动信号无效时,计数值被保持,但不能对计数脉冲信号计数。 当启动信号无效而复位信号有效时,复位信号不起作用,计数当前值不变
20、。当复位保持有效则启动信号变为有效,当旗帜被清除。,输入控制 S7-200PLC高速计数器HSC0-HSC5工作时需要输入端点的信号控制,下表给出了高速计数器HSC0-HSC5计数输入脉冲、方向控制复位输入和启动输入所使用的物理输入端点。 由表可知,高速计数器用的物理输入端点存在一些重叠。同一个物理输入端点不能用于两个不同的功能,也不能同时被两个不同的高速计数器使用,但不使用的端点可用做其他用途。,每个高速计数器都有固定的特殊功能存储器与之相配合,完成高速计数功能。具体对应关系如表所示。,状态位及1X/4X模式选择 有三个控制位用于配置复位和启动有效状态以及选择一倍速或者4倍计数模式(仅用于正
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