模拟量闭环控制系统的优化设计

在工业生产中，一般用闭环控制方式来控制温度、压力、流量这一类连续变化的模拟量，使用得最多的是PID控制（即比例积分微分控制），这是因为PID控制具有以下优点：

1）即使没有控制系统的数学模型，也能得到比较满意的控制效果。

2）通过调用PID指令来编程，程序设计简单，参数调整方便。

3）有较强的灵活性和适应性，根据被控对象的具体情况，可以采用P、PI、PD和PID等方式，FX的PID指令还采用了一些改进的控制方式。

1.模拟量闭环控制系统

典型的PLC模拟量闭环控制系统如图6-5所示，点划线中的部分是用PLC实现的。

在模拟量闭环控制系统中，被控量c(t)被传感器和变送器转换为标准量程的直流电流信号或直流电压信号pv(t)，PLC用模拟量输入模块中的A-D转换器将它们转换为时间上离散的多位二进制数字量PV_n。

图6-5 PLC闭环控制系统方框图

模拟量与数字量之间的相互转换和PID程序的执行都是周期性的操作，其间隔时间称为采样周期T_S。各数字量中的下标n表示该变量是第n次采样计算时的数字量。

图6-5中的SV_n是设定目标值（本书简称为设定值），PV_n为A-D转换后的测量值（即反馈值），误差EV_n=SV_n−PV_n。模拟量输出模块的D-A转换器将PID控制器的数字量输出值MV_n转换为模拟量（直流电压或直流电流）mv(t)，再去控制执行机构。

例如在加热炉温度闭环控制系统中，被控对象为加热炉，被控制的物理量c(t)为温度。用热电偶检测炉温，温度变送器将热电偶输出的微弱的电压信号转换为标准量程的电流或电压，然后送给模拟量输入模块，经A-D转换后得到与温度成比例的数字量PV_n。CPU将它与温度设定值SV_n比较，以误差值EV_n为输入量，进行PID控制运算。将数字量运算结果MV_n送给模拟量输出模块，经D-A转换后变为电流信号或电压信号mv(t)，用来控制电动调节阀的开度。通过它控制加热用的天然气的流量，实现对温度的闭环控制。

闭环负反馈控制可以使测量值PV_n等于或跟随设定值SV_n。以炉温控制系统为例，假设被控量温度值c(t)低于给定的温度值，测量值PVn小于设定值SV_n，误差EV_n为正，控制器的输出值mv(t)将增大，使执行机构（电动调节阀）的开度增大，进入加热炉的天然气流量增加，加热炉的温度升高，最终使实际温度接近或等于设定值。

天然气压力的波动、工件进入加热炉，这些因素称为扰动量，它们会破坏炉温的稳定，有的扰动量很难检测和补偿。闭环控制具有自动减小和消除误差的功能，可以有效地抑制闭环中各种扰动量对被控量的影响，使控制系统的测量值PV_n等于或跟随设定值SV_n。

闭环控制系统的结构简单，容易实现自动控制，因此在各个领域得到了广泛的应用。(www.xing528.com)

2.闭环控制反馈极性的确定

闭环控制必须保证系统是负反馈（误差=设定值-测量值），而不是正反馈（误差=设定值＋测量值）。如果系统接成了正反馈，将会失控，被控量会往单一方向增大或减小，给系统的安全带来极大的威胁。

闭环控制系统的反馈极性与很多因素有关，例如因为接线改变了变送器输出电流或输出电压的极性，或改变了绝对式位置传感器的安装方向，都会改变反馈的极性。

可以用下述的方法来判断反馈的极性：在调试时断开模拟量输出模块与执行机构之间的连线，在开环状态下运行PID控制程序。如果控制器中有积分环节，因为反馈被断开了，不能消除误差，模拟量输出模块的输出电压或电流会向一个方向变化。这时如果假设接上执行机构能减小误差，则为负反馈，反之为正反馈。

以温度控制系统为例，假设开环运行时设定值大于测量值，若模拟量输出模块的输出值mv(t)不断增大，如果形成闭环，将使电动调节阀的开度增大，闭环后温度测量值将会增大，使误差减小，由此可以判定系统是负反馈。

3.闭环控制带来的问题

使用闭环控制后，并不能保证得到良好的动静态性能，这主要是系统中的滞后因素造成的。以调节洗澡水的温度为例，我们用皮肤检测水的温度，人的大脑是闭环控制器。假设水温偏低，因为从阀门到出水口有一段距离，往热水增大的方向调节阀门后，需要经过一定的时间延迟，才能感觉到水温的变化。如果阀门角度调节量太大，将会造成水温忽高忽低，来回振荡。如果没有滞后，调节阀门后马上就能感觉到水温的变化，那就很好调节了。闭环中的滞后因素主要来源于被控对象。

图6-6和图6-7中的方波是给定值曲线，其幅值为70%和20%。pv(t)是测量值曲线，mv(t)是PID控制器的输出值曲线。图6-6中的pv(t)曲线的超调量小，调节时间短，mv(t)的调节作用恰到好处，是比较理想的曲线。

如果PID控制器的参数整定得不好，阶跃响应曲线将会产生很大的超调量，系统甚至会不稳定，响应曲线出现等幅振荡（见图6-7）或振幅越来越大的发散振荡。其主要原因是调节过头，mv(t)的变化幅度过大。”

图6-6 阶跃响应曲线

图6-7 阶跃响应曲线