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PID液位控制 |
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2 总体设计
当我们决定共同来完成基于PID控制器的液位控制试验台。这个课题设计涉及到的方面也很多：程序部分、硬件部分。程序部分主要是FX2N-4AD的初始化，FX2N-2DA的初始化，PID指令的调试，硬件部分：外框架的制作，元器件安装，外围线路的设计，和元器件的使用。这样一来我们就可以对以前的知识复习一遍也可以对新的知识进行学习，这样也做道了这次做课题设计目的，通过讨论，如果把它做出来了，它在硬件方面的价格也比较便宜的，在软件方面主要靠PID进行闭环控制。
2-1 变送器的选择：
变送器用于将传感提供的电量或非电量转换为标准的直流电流或直流电压信号，例如DC0~10V和4~20mA。变送器分为电流输出型和电压输出型，电压输出型变送器具有恒压源的性。电流输出具有恒流源的性质，恒流源的内阻很大。电流传送的传送距离比电压传送的传送距离远得多。
变送器分为2线制和3线制两，三线制变送器有3根线：电源线，信号线和公共线。2线制变送器只有2根外部接线，它们既是电源线，也是信号线，输出4~20mA的信号电流，DC24V电源串接在回路中，有的2线制变送器通过隔离式安全栅供电。通过调试，在被检测信号量程的下限时输出电流4mA，被检测信号满量程时输出电流20mA。2线制变送器的接线少，信号可以远传，在工业中得到了广泛的应用。本课题中就用了2线制的变送器。
2.1.1 传感器与FX2N-4AD的接线方法
因本次采用了两线制的传感器，有一根红线和一根黑线，在连接时应将传感器的红线接与FX2N-4AD的24V+，而24V- 应接到FX2N-4AD的VI- 端，并且将I+和V+连接在一起并且把传感器的黑线接上。接线图如下所示：
2-2 模拟量输入块的选择
模拟量输入块接受电量或非电量变送器提供的标准电流信号或标准电流信号，因此模拟量输入块的选型与变送器有很大的关系。选型时应考虑以下问题：
1：PLC的模拟量输入模块的分辨率用于转换后的二进制数的位数来表示，主要有8位和12位两种。8位的模拟量模块的分辨率低，用在要求不高的场合。12位二进制数对应得十进制数为0~4095。FX2N系列的模拟量模块的满量程模拟量一般对应数字0~4000.
2：模拟量模块的转换速度
与某些单片机测控装置中的高速A/D，D/A转换器相比，PLC的模拟量模块的转换速度一般较低，例如模拟量输入模块FX2N—2AD的转换时间为2.5MS/通道。
3：模拟量通道数
模拟量模块的通道数一般为2的整次方，例如2，4，8等，选型时除了考虑实际需要的通道数外，还需要考虑平均每一通道的价格。
4：模拟量模块的量程
PLC的模拟量模块一般可以提供多种模拟信号的量程供用户选用，模拟量输入模块的量程应包含选用的变送器的输出信号量程。
5：模拟量模块是否有光隔离
由于系统的安全性和抗干扰等方面的原因，PLC内部的数字电路之间要有光隔离 ，模块各通道之间一般没有隔离。
2-3 模拟量输出模块的选择
FX2N—2DA模块能将数字信号转换位模拟量电压或电流输出。它有2个模拟输出通道，有3种输出量程：DC 0-10V、0-5V和4—20mA，D/A转换时间为4MS/通道。
2-4 变频器的选择
交流变频器是微计算机及现代电力技术高度发展的结果。微计算机时变频器的核心，电力电子器件构成变频器的主电路。本系统选用了台达的变频器：VFD-M。（使用模拟量输入）
2-5 程序的编写
程序有三部分组成：PID指令、4AD初始化程序、2DA初始化程序。
2-6 系统流程框图
在该闭环控制系统中，被控量C(t)（水位）是连续变化的模拟量。C(t) 首先被测量元件转换为标准量程的电流信号PV(T),模拟量输出模块A/D转换器将它们转换为数字量PVn。模拟量输出模块的D/A转换器将PID控制器输出的数字量mn转换为模拟电流m(t),在去控制执行机构
Pvn为A/D转换的反馈值，SPn为给定值。En为给定值和反馈值的差值。
2-7 系统控制要求
（1） 能随意改变水箱内的水位高度（在上限范围内）
（2） 水位能控制在设定的范围误差不超过6mm
（3） 当液位低于给定值时能自动启动进行补水工作，到了设定值就停止工作。
（4） 要有完善的报警功能
（5） 对泵的操作要有手动控制功能，手动只在应急或检修时临时使用
3 软件设计
软件的部分主要可以分为以下几点：FX2N-4AD的初始化程序，FX2N-2DA的初始化程序，PID调试与PID指令，触摸屏的编写，变频器的控制。
3-1 FX2N-4AD的初始化程序
3.1.1 FX2N-4AD 缓冲存储器（BFM）的分配：
为了能适用于多种规格的输入、输出量，模拟量处理模块都设计成可编程的。FX2N-4AD模块利用缓冲存储器（简称“BFM”）的设置完成编程工作。FX2N-4AD模拟量输入模块共有32个缓冲存储器，但目前只使用了以下21个BFM：
（1）BFM#0.0号BFM用于通道的选择。4个通道的模拟输出信号范围用4位16进制数表示。具体地讲，16进制数字“0-3”分别表示“-10V - +10V、4mA – 20mA、-20Ma - +20mA、通道关闭”。例如：BFM#0中的4位16进制数字为“H3310”则表示通道CH4、CH3关闭（未使用），2号通道CH2的输入信号范围为4-20mA，1号通道CH1的输入信号范围为-10 - +10V。
（2）BFM#1-#4。1-4通道的采样次数（设定范围为1-4096），默认值为8.
（3）BFM#5-#8。1-4通道的采样平均值。
（4）BFM#9-#12。1-4通道的采样当前值。
（5）BFM#15。选择A/D转换的速度。若设为0，则为正常转换速度，即15ms/通道（默认值）;若设为1，则选择高速转换，即6ms/通道。
（6）BFM#20。若将BFM#20设为1，则模块的所有设置都将复位成默认值。用它可以快速消除不希望的增益和偏差值。BFM#20的默认值为0。
（7）BFM#21.若BFM#21的b1、b0分别置为（1、0），则禁止调整增益和偏置；若BFM#21的b1、b0分别置为（0、1）(此为默认值)，则可改变增益和偏置。增益和偏置的意义可有图4-2说明，图中偏置为横轴上的截距，表示数字量输出为0时的模拟量输入值。增益为输出曲线的斜率，为数字输出为+1000时的模拟量输入值。
（8）BFM#22。BFM#22为增益与偏置调整的指定单元。BFM#22的b0-b7由低到高两两为一组，分别用于通道1-4的调整指定，当置1时调整，置0时不调整。两位中低为指定偏置，高位指定增益。通道的偏置及增益可分别调整。
（9）BFM#23、BFM#24。BFM#23、BFM#24为偏置值与增益值存储单元，单元为mV或uA。BFM#23（偏置）的默认值为0，BFM#24（增益）的默认值为5000。当BFM#22指定单元中的某些位置1时，偏置值及增益值会送入相应通道的增益和偏差寄存器中。
（10）BFM#29中各位的状态是FX-4AD错误状态信息。其中，b0为ON，表示有错误；当b1为ON时，表示存在偏置及增益错误；b2为ON时，表示存在电源故障；b3为ON时，表示存在硬件错误等。BFM#29的错误信息表如3-1所示：
表3-1 BFM#29错误信息表
（11）BFM#30中存的时模块的识别码K2010。用户在程序中可以方便地利用这一识别码在传送数据前先确认该特殊功能模块。
（12）FX-4AD内部共有32个缓冲寄存器（BFM），用来与PLC基本单元进行数据交换，每个缓冲器的为数为16位。可编程控制器基本单元与FX-4AD之间数据由FROM/TO指令来执行。FROM是基本单元从FX-4AD读数据的指令，TO是基本单元将数据写到FX-4AD的指令。实际上读写操作都是针对FX-4AD的缓冲寄存器BFM进行的操作。缓冲寄存器编号为#0~31，FX-4AD的缓冲寄存器BFM分配表如表3-2所示。
表3-2 FX-4AD缓冲寄存器分配表
（13）．FX-4AD的性能指标如表3-3所示：
表3-3 FX-4AD性能指标
3.1.2 读取模拟量输入模块的方法
图3-1中的发FROM是FX系列的读特殊功能模块的指令，TO是些特殊功能模块的指令。当图中的X3为ON时将编号为M1（0~7）的特殊功能模块内编号为M2（0~32768）开始的N个缓冲寄存器（BFM）的数据读入PLC，并存入[D]开始的N个数据寄存器中。
接在FX系列PLC基本单元右边扩展总线上的功能模块，从紧靠基本单元的那边开始，其编号依次为0~7。N是待传送数据的字数，N=1~32 （16位操作）或1~16（32位操作）。
图3-1中的X0为ON时，将PLC基本单元中从[S]指定的元件开始的N个子的数据到编号为M1的特殊功能模块中编号M2开始N个缓冲寄存器中。
图4-6 特殊功能模块的读写指令
3.1.3 平均值滤波
由于模拟量输入模块的转换速度较高，可能采集到缓慢变化的模拟量信号的干扰噪声，这些噪声往往以窄脉冲的方式出现。为了减轻噪声信号的影响，可以对连续若干次采集到的值取平均，用平均值来代替当前采集到的数据。PLC的模拟量输入模块一般都有平均值滤波的功能。
取平均值会降低PLC对外部输入信号的响应速度。例如FX2N-4AD在高速转换方式时每一通道的转换时间为6MS，4通道为24MS。设平均值滤波周期数为8，从模块中读取的平均实际上是前8次（即前192MS）输出值得平均。在使用PID指令对模拟量进行闭环控制时，如果平均值次数设置过大，将使模拟量输入模块的反应迟缓，会影响到闭环系统的动态稳定性，给闭环控制带来困难。
3.1.4 程序举例说明
FX2N-4AD的初始化程序主要做的是确定通道的个数，读出识别代码，设定平均值滤波周期，判断程序是否有错。最后就是输出了。程序举例如图3-2。
图3-2 FX2N-4AD的基本程序
在编写程序FX2N-4AD初始化程序时先要读出标识码，FX2N-4AD的缓冲寄存器的K30的标识码事K2010，只有当缓冲寄存器里的值等于K2010时，辅助继电器M1才能得电，在FX2N-4AD初始化程序里要确定听到的个数，也就开通那个通道，因为FX2N-4AD的通道个数有4个，在程序里的H3331标示，第四道第二通道都关闭，第一通道打开设置为电流输入行。接着就是设置通道的转换速度了，主要是在K15寄存里设置，把K15里的值设定为1也就是6ms。在接下来把通道一的平均值滤波周期数设为4，最后就是判断模块运行有没有错误和数字量的输出是否正常。如果一切正常辅助继电器M3得电通道一的平均值存入D150中。
3-2 PID指令的调节与应用
PID是比例，微分，积分的缩写，PID控制器是应用最广的闭环控制器，有人估计现在有90%以上的闭环控制采用了PID控制器。
3.2.1 PID控制器的优缺点
（1）不需要被控对象的数据模型：自然控制理论中的分析和设计方法基本上是建立在被控对象的线性定常数学模型的基础上的。该模型忽略了实际系统中的非线性和时变得因素，与实际系统有较大的差距。对于许多工业控制对象，根本就无法建立较为准确的数学模型，因此自动控制理论中的设计方法对大多数实际系统是无能为力的。对于这一类系统，使用PID控制可以得到比较满意的效果。
（2）PID控制器的结构典型，程序设计简单，计算机工作量较小，各参数相互独立，有明确的物理意义，参数调整方便，容易实现多回路控制，串级控制等复杂的控制。
（3）有较强的灵活性和舒适性：根据被控对象的具体情况，可以采用PID控制器的多种变种和改进的控制方式，例如PI，PD，带死区的PID，积分分离式PID和变速积分PID等，但比例控制一般必不可少的。随着智能控制技术的发展，PID控制与神经网络控制等现代控制方法相结合，可以实现PID控制器的参数自整定，使PID控制器具有筋经久不衰的生命力。
（4）使用方便：由于用途广泛，使用灵活，已有多种控制产品具有PID控制功能，适用中只需设定一些比较容易整定的参数即可，有的产品还具有参数自整定功能。
3.2.2 实现PID控制的方法
用PLC对模拟量进行控制时，可以采用以下几种方法：
（1）使用PID过程控制模块：过程化模块包含A/D转换漆器和D/A转换器，PID控制程序是PLC生产厂家设计的，并存放在模块中，用户在使用时只需要设置一些参数，使用起来非常方便，一块模块可以控制几路甚至几十路闭环回路。但是这种名模块的价格较高，一般在大中型控制系统中使用。
（2）使用PID指令：现在有很多PLC都有供PID控制用指令，例如FX2N的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过程控制模块的效果，但价格便宜很多。
（3）用自编程序实现PID闭环控制：有的PLC没有PID过程控制模块和PID控制用的功能指令，有时虽然可以使用PID控制指令，但是希望采用其他改进的PID控制算法，在上述情况下，都需要用户自己编制PID控制程序。
（4）变频器的闭环控制：变频器内部一般都有一个PI控制器或PID控制。对于恒压供水这一类闭环控制系统，可以将反馈信号接到变频器的反馈信号输入端，用变频器内部的控制器实现闭环控制。PLC可以通过才通信或开关量信号给变频器提供频率给定信号和启动，停止命令。
3.2.3 PID指令的数据堆栈
PID指令的数据堆栈如表3-4所示：
变量 功能描述 设定范围
[S3] 采样周期T 0~32768MS
[S3]+1 动作方向与警报控制，第2位和第5位不能同为1
[S3]+2 输入滤波常数A 0~99%
[S3]+3 比例增益KP 1~32767%
[S3]+4 积分时间T1 ，等于O时无积分作用 （0~32767MS）*100
[S3]+5 微分增益KD 0~100%
[S3]+6 微分时间TD （0~32767）*10MS
[S3]+7~[S3]+19 PID运算的内部处理占用
[S3]+20 S3+1的第一位为1时，过程控制的上限报警设定 0~32767
[S3]+21 S3+1的第一位为1时，下限报警
0~32767
[S3]+22 S3+1的第二位为1时输出值最大变化量报警。S3+1的第5位为1时，输出上限值设定 0~32767
-32767~32767
[S3]+23 S3+1的第5位为1时，输出下限设定 -32767~32767
注意：[S3]+1的B2和B5不能同时被激活。每次只允许一个设定值输入数据寄存器[S3]+22[S3]+23。[S3]+1的定义见下表3-5
位 该位为0 该位为1
0 正动作 反动作
1 过程量变化报警无效 有效
2 输出变化报警无效 有效
4 预调整不动作 预调整有效
5 输出上下限设定无效 输出值上下限无效
3.2.4 PID控制器的调制方法
PID控制器有4个主要参数TS，KP，TI，和TD需要整定，无论哪一个参数选择得不合适都会影响控制效果。在整定时首先应把握PID参数与系统动态，静态性能之间的关系。
在P，I，和D这三种控制中，比例部分与误差信号在时间上是一致的，只要误差一出现，比例部分就能及时地产生与误差成正比的调节作用，具有调节及时地特点。比例系数Kp越大，比例调节作用越强，系统的稳态精度越高；但是对于大多数系统，KP过大会使系统的输出量振荡加剧，稳定性降低。
调节器中的积分作用与当前的大小和误差的历史情况都有关系，只要误差不为零，控制器的输出就会因积分作用而不断变化，一直到误差消失，系统处于稳定状态时，积分部分才不再变化。因此积分部分可以消除稳态误差，提高空直精度。但是积分作用的动作缓慢，可能给系统得动态稳定性带来不良影响，因此很少单独使用。
积分时间常数TI增大时，积分作用减弱，系统得动态性能可能有所改善，但是消除稳态误差的速度减慢。
根据误差变化的速度，微分部分提前给出较大的调节作用。微分部分反映了系统变化的趋势，它较比例调节更为及时，所以微分部分具有超前和预测的特点。微分时间常数TD增大时，超前量减小，动态性能得到该善，但是高频干扰的能力降低。如果TD过大，系统输出量可能出现频率较高的振荡。
3.2.5 PID程序的举例
3-3 FX2N-2DA的初始化程序
1.FX2N-2DA模块用来将12位数字信号转换成模拟量电压或电流输出。它具有2个模拟量输出通道。这两个通道都可以输出0-10VDC（分辨率2.5mV)、0-5VDC（分辨率1.25mA）的电压信号或4-20mA(分辨率4uA)的电流信号。模拟量输出可通过双绞屏蔽电缆与驱动负载相连，连接方法如图3-4所示，当使用电压输出时，需将IOUT端和COM端短接。
2.FX2N-2DA安装时装在FX2N基本单元的右边。FX2N-2DA将消耗基本单元或电源扩展单元的+5VDC电源（内部电源）20mA电流，+24VDC电源（外部电源）5mA电流。D/A转换时间为4ms/通道。
3.FX2N-2DA模拟量输出模块的偏置、增益及BFM分配：FX2N-2DA模块在出厂时，其偏置和增益是经过调整的，数字值为0-4000，电压输出为0-10V。若用于电流输出机时可利用模块上自带的调节装置重调偏置与增益值。
4.FX2N-2DA模块共有32个缓冲存储器，但只用了以下两个：
（1）BFM#16。BFM#16的B7-B0用于输出数据的当前值（低8位数据）
（2）BFM#17。BFM#17的B0位从“1”变成“0”时通道2的D/A转换开始；当B1位从“1”变成“0”时，通道1的D/A转换开始；当B2位从“1”变成“0”时，D/A转换的低8位数据被保持。其余各位没有意义。
5.模块的读写操作及程序实例：扩张模块与主机的数据连通需借助FROM（读出）指令及TO（写入）指令。FROM指令用于将模块BFM中的数据读入PLC。TO指令可将数据写入模块的缓冲存储器。FROM指令及TO指令可用于模块的配置，偏置及增益调整、模拟量转换生成的数字量或待转换为模拟量的数字量的传递等。举例程序如图3-3所示。
图3-3 FX2N-2DA的初始程序
6.FX2N—2DA的输出特性：FX2N-2DA的模拟量输出模块用于将12位数字值转换成2点模拟量输出（电压输出和电流的输出）并将它们输入到可编成器。本次使用了电压输出图如表3-6所示。
表3-6 FX2N-2DA的输出值
3-4 变频器的控制
本系统才用了模拟量的控制方式，变频器同样也采用模拟量进行控制，首先应把P00设置为02主频率输入由模拟控制信号DC4~20 mA控制。接着就是把P04口的最大电压频率设置为50HZ。
3-5 触摸屏的编写
触摸屏主要用来显示液位的实际高度，变频器的运行状态，和对目标值的设定。图形如图3-4所示： |
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| 评论人署名：gk197851 |
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评论时间：2011/5/6 17:42:00 |
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| 评论人署名：Q宗en |
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评论时间：2012/12/30 10:10:00 |
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| 评论人署名：马小平 |
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评论时间：2013/9/13 22:15:00 |
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| 评论人署名：绿色园林001 |
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评论时间：2015/1/7 9:53:00 |
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