干货！PLC模拟量控制程序设计

PLC模拟量控制程序设计


模拟量是指一些连续变化的物理量，如电压、电流、温度、压力、速度、流量等。在现实世界中，特别是在连续型的生产，如化工生产过程中，常见到模拟量，并要求能对其进行控制。

▍一、PLC模拟量控制过程

一个完整的模拟量PLC控制，其过程是：

用传感器采集信息，并把它变换成标准电信号，进而送到模入模块； 模入模块把标准电信号转换成CPU可处理的数字信息；

CPU按要求对此信息进行处理，并产生相应的控制信息送模出模块； 模出模块得到控制信息后，经变换，再以标准信号的形式传给执行器； 执行器对此信号进行放大和变换，产生控制作用，施加到受控对象上。 图 4-1-1-1 示出以上介绍的模拟量控制过程。

要弄清的是，这里“基于信息采集和处理”的信息，可能是调节量，也可能是干绕量。 如为调节量，则要用反馈控制。它是一种模拟量最基本的控制方式。图4-1-1-2示的就是反馈控制的原理图。

如图示，这里的传感器不断地监测被控对象的调节量，接着把它送给模入单元。PLC程序把模入单元送来的反馈值与系统预定的设定值进行比较，进而产生控制量。这控制量再经摸出单元、执行器作用到被控对象上，其目的是尽快地缩小这个差值。可知，这里的信息流是闭合的，所以反馈控制又称闭环控制。

如信息为干扰量，也可用前馈控制。它是另一种控制方式。它基于扰动补偿原理，依扰动的情况作相应控制。图4-1-1-3为它的工作原理图。

从图知，它的传感器监测的是扰动量。PLC程序依扰动量、控制量与调节量间的关系产生相应的控制量，进而再通过摸出单元、执行器作用到被控对象上，其目的是在干扰量作用于系统的同时，这个控制量也作用于该系统，以补偿干扰对系统的不利影响。可知，这里的信息流是开路的，所以前馈控制又称开环控制。

▍二、PLC模拟量控制目的

模拟量控制的目的，是多种多样的，具体为：

1、使系统的某个量保持恒值，即，要求可控系统在受到扰动时，其调节量仍能保持在给定值附近，基本上不变，这种控制称镇定控制，或称自动调节。

2、使系统的状态按预先给定的方式随时间，或按预定的程序变化，这种控制称为程序控制。

3、使系统的状态按外来信号的变化而变化，这种控制称随动控制。




▍三、PLC模拟量控制要求

对PLC模拟量控制系统的要求，以自动调节为例，与对一般控制系统的要求是相同的，也是要使受控系统能稳定、准确地快速自动调节。

控制过程具体可用时域或频域方法表示：

1、时域指标

它用在给定值阶跃扰动时，系统的控制量随时间的变化过程反映控制品质。图4-1-3-1所示的即为这个过程。从图可看出控制量在时域上的变化过程。

2、频域指标

它用系统的开环频率特性代表控制品质。具体是，在不同频率的单位信号作用下，系统开环时，其输出对信号的响应特性，即系统输出的幅值及它与作用信号的相位差。图4-1-3-2为系统开环频率特性图，图4-1-3-3为幅频特性曲线。从图可看出控制量在频域上的变化过程。

3、积分指标

用积分指标可综合反映控制系统的稳定性、准确性及快速性，所有这些值都应尽可能的小。 一般控制有这个要求，用PLC控制也不例外。

▍四、PLC模拟量控制类型

1、单回路反馈控制：


它只有一个控制回路，是闭环的。视系统的要求而定。

单回路反馈控制简单，易于调整、投运，适用于纯滞后和惯性较小、负荷和干扰变化比较平缓的系统的控制。

2、串级控制：

它有主辅两个控制回路，主回路与副回路，见图4-1-4-1。从图知，它的主回路的给定值按要求给定，其输出不用以推动执行器，而用作副调节器给定值。副调节器的输出才用以推动执行器。

图4-1-4-2说明单回路与串级控制的区别。图a为单回路控制，控制量为炉温θ，测出的炉温经变送器变换后，送调节器T， 调节器的输出直接控制调节阀的开度，从而控制送入加热炉中的的燃油量。这个系统虽较简单，但燃油压力的波动将影响炉温变化。特别是燃油的压力波动值大、且频繁时，炉温的波动更大。

而图b为串级控制，就是要解决这个压力波动对炉温的干扰。它先构成一个压力控制回路。用副调节器G，去克服燃油压力波动对流量的影响。主调节器则按给定值的要求，依炉温，去确定应给的燃油流量。

由于多了个副回路，可使所控制的炉温免受或少受燃油压力波动的干扰，从而提高系统的控制品质。

应提醒的是，这里调节器用的不是硬件，而是软件、是PLC程序。靠运行PLC程序实现调节器的控制功能。

3、前馈控制

图4-1-4-3 为前馈控制的例子。它是按扰动进行的开环控制。如图示的换热器，加热的物料流入量是主要的干扰因数时，可用如图的办法，随着进料的变化，通过前馈补偿器，调节用以加热物料的蒸汽流量，从而控制容器的温度。

如果弄清物料流量对温度的影响规律，可作到系统的误差为零。如图4-1-4-4 所示。

当然，前馈与反馈控制也可结合起来进行，以得到更高系统的控制品质。

应提醒的是，这里的前馈补偿器也不是硬件，而是软件、也是PLC程序。靠运行PLC程序实现前馈补偿器的控制功能。

4、比值控制

在生产中，有时要求若干变量间保持一定的比例关系，如煤气加热炉，就要求煤气与空气要有合适的比例，即空燃比。比例调节器就是要保证在煤气变化的同时，空气也要有相应的变化。比值控制有开环、闭环及多变量比值等。

图4-1-4-5 为开环比值控制。Qb的流量按比例k，跟随流量Qa变化。

图4-1-4-6 为闭环比值控制。Qb的流量为闭路控制。但，它的给定值为kQa，隋Qa而变。

图4-1-4-7 为双闭环控制，两个回路都是闭环的。Qa 调节器的给定值是独立的，而Qb调节器的给定值由Qa的变送器，经比例器换算后给出。这种空置的目的是Qb要随Qa变，以保证其间比例关系不变。

图4-1-4-8 为多值比例控制。这里画出两个闭环控制回路。它们的调节器的给定值都是由Qa的变送器送出、经比例器K1、K2 换算后确定。以此保证Qa、Qb1、Qb2之间的比例关系。

图4-1-4-9 也为多值比例控制。这里也画出两个闭环控制回路。Qb1调节器的给定值都是由Qa的变送器送出、经比例器K1 换算后确定。而Qb2调节器的给定值则是由Qb1的变送器送出、经比例器K2/K1 换算后确定。它是用丛变量间的协调，保证Qa与Qb1以及Qb1与Qb2之间的比例关系。

图4-1-4-10 有三个调节回路。调节器T，用以调节炉温。当温度变化时，它改变燃气调节器的给定值。进而改变燃气流量Qa。而当燃气流量改变时，经比例器K也改变空气调节器的给定值。也会改变空气的流量Qb。从而达到当温度变化时，既改变燃气，又改变空气的流量，以保证炉温恒定。

图4-1-4-11 变比值的控制回路。流量Qb的调节器的给定值由乘法器给定。乘法器进行K（c）与Qa的乘运算。而K（c）则由成分分析仪测出成分值c后，由控制器A把其与给定值cr比较、换算得出。这种控制可保证不同的流量Qa时，将有不同比例的Qb值。

应提醒的也是，这里除变送器、调节阀之外，其它的如调节器、比利器、成份分析仪、乘法器等均为软件，为PLC程序，靠运行PLC的这个程序实现有关的控制功能。

5、其他控制

其他常用的控制方法还有均匀控制、分程控制、多冲量控制等。

▍五、PLC模拟量控制特点

用 PLC实现模拟量控制有三个基本特点：
1、有误差；
2、断续的；
3、有时延。  



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