微机控制技术

《微机控制技术》

实验指导书

上海交通大学

电气工程实验中心

2014 年 3 月

1

基于 TWIDO PLC 的温度控制实验

一、 实验目的： 1、 熟悉 PLC 实验装置，TWIDO 系列编程控制器以及拓展模块的外部接线方法

2、 了解编程软件 TWIDOSOFT 的编程环境，软件的使用方法

3、 了解 PID 温度控制技术

4、 掌握施耐德 PLC 的 PID 模块使用方法

二、 实验设备： 1、施耐德 TWDLCAE40DRF

2、A/D D/A 模块 TWDAMM3HT

3、温度控制箱

三、 实验原理： 1、硬件简介

施耐德的 TWDLCAE40DRF 是一体型 40I/O 控制器，具有 24 个数字量输入，14 个继电器

和 2 个晶体管输出；具有 2 个模拟电位器输入；具有 1 个集成的串行口；具有一个支持附

加串行口的插槽；内置实时时钟 RTC；具有一个装有用户可更换电池的电池盒；最多连接 7

个扩展 I/O 模块；最多连接 2 个 AS-Interface V2 总线接口。该产品自带以太网接口，通

过内置的 RJ45 口，利用 TCP/IP 协议的 100 Base-TX 自适应以太网通信。额定电源电压：

100-240VAC。通过 USB或者 COM与计算机连接。

图 1 TWDLCAE40DRF

2

TWDAMM3HT作为拓展模块,它具有 2输入 1输出;信号范围: 0- 10V 或 4- 20mA。其作用

就是将温度传感器产生的 0- 10V 的电压模拟信号转换为 PLC 能够处理的数字信号, 并将

PLC 产生的数字信号转换为模拟量来驱动外电路。

模拟量 I/O 模块 TWDAMM3HT可以线性地将 0- 10V 的模拟信号转换成 0- 4095 之间的

数字信号。PLC 产生的 0- 4095 的数字信号同样可以线性地转换成 0- 10V 的模拟信号。

由于运用了该拓展模块，使得温度控制系统结构上小巧紧凑,达到更加经济、简洁的系统设

计效果。

图 2 TWDAMM3HT

2、控制对象的数学模型

控制对象的数学模型不同，控制方案的具体程序和公式也有所区别。电阻丝是利用电能

转换为热能的一个装置，流入电阻丝的热量 Q与其温升的关系为：

dC Q

dt

(1)

其中 C为物体的热容量，即要使物体的温度上升一度所需的热量（卡）， 为物体的温

度；Q为流入物体的热量（卡）。

电阻丝加热的同时还要向外散发热量，所以加热元件发出的热量 Q应该等于电阻丝中的

热量 Q1和电阻丝散掉的热量 Qo之和。故上式应为

s

dC Q Q

dt

(2)

由于散发的热量 Qo与温度高低成正比，若令

sQR

(3)

其中Ｒ为比例系数，称为电阻丝的热阻。因此

dC Q

dt R

(4)

两边取拉氏变换得：

3

1 1( ) ( ) ( ) ( ) ( )C s s s Cs s Q s

R R (5)

由于测量元件会存在一定时间的滞后，使得控制信号与温度测量值之间存在着一个时滞

环节τ。控制器输出的控制信号为 U，而 U (s)与 Q( s)的关系又是成正比例，即

( ) ( )mQ s K U s (6)

而温度控制箱的输出信号即是温度信号所以

( ) ( )y s s (7)

那么

( )( )( )

1( ) ( ) 1

s sm ms K Ky s KG s e e

u s Q s TsCs

R

(8)

其中，T=R*C，称为对象的时间常数，K=Km*R，称为对象的增益。

3、PID 控制算法

在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称 PID

控制，又称 PID调节。PID控制器问世至今已有近 70年历史，它以其结构简单、稳定性好、

工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。所以虽然 PID控制器产生于 19世纪

初，但今天仍被广泛应用于化工、冶金、电力、机械等工业过程控制中。目前全世界大约

有 90%的过程控制仍在使用 PID控制器及其改进型来完成反馈回路的控制。基于上述内容，

本系统采用 PID算法。PID控制的全称叫做比例积分微分控制，是由比例控制、积分控制和

微分控制三种控制组合而成的组合控制方式。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或

得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必

须依靠经验和现场调试来确定，这时应用 PID 控制技术最为方便。即当我们不完全了解一

个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用 PID 控制技

术。PID控制，实际中也有 PI和 PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、 积

分、微分计算出控制量进行控制的。

比例控制——Ｐ

比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当

仅有比例控制时系统输出存在稳态误差(Steady-state error)。

积分控制——I

在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系

统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的 或简称有差系统

(System with Steady-state Error)。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。

积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，

积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直

到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。

微分控制——D

在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。

4

自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较

大惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用， 其变化总是落后于误

差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误

差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入 “比例”项往往是不够的，比例项的

作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，

这样，具有比例+微分的控制器，就能 够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，

从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制

器能改善系统在调节过程中的动态特性。

提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。由

于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，因而规律中积

分和微分项不能直接准确计算，只能用数值计算的方法逼近，其控制规律为

00

1 ( )( ) ( ) ( )

T

p d

i

de tU t K e t e d T U

T dt

(9)

式中:

e(t)——调节器输入函数，即给定量与反馈量的偏差;

U(t)——调节器输出函数

Kp——比例常数;

Ti——积分时间常数;

Td——微分时间常数;

U0——控制常量，t= 0时的输出值。

基本偏差 e(t)表示当前测量值与设定目标间的差，设定目标是被减数，结果可以

是正或负，正数表示还没有达到，负数表示已经超过了设定值。这是面向比例项用的变动

数据。

表示的调节器的输入函数和输出函数均为模拟量。为了用计算机对它进行计算，可以把连

续形式微分方程转换位离散形式的差分方程。

00

( ) ( )

T K

i

e d e T

(10)

累计偏差

( ) ( ) ( 1) ( 2) (1)e t e t e t e t e …… (11)

这是我们每一次测量到的偏差值的综合，考虑到他的正负号运算，这是面向积分项的

一个变动数据。

基本偏差的相对偏差

( ) ( ) ( 1)e t e t e t (12)

用本次的基本偏差减去上一次的基本偏差，用于考察当前控制对象的趋势，作为快速

反应的重要依据，这是面向微分项的一个变动数据。

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取 T为采样周期，k为采样序号，k=0，1，2，3，……，i，……，k。因为采样周期 T

相对于信号变化周期是很小的，所以可以用矩形法来计算积分，用后向差分来代替微分，

即

( ) ( ) ( 1de t e k e k

dt T

）

(13)

这样式(1)就可以写成

1 ( ) ( 1)( ) ( ) ( )p d

i

e k e kU k K e k e i T T

T T

(14)

式中:

U(k)—采样时刻 k的输出值

e(k)—采样时刻 k的偏差值

e(k-1)—采样时刻 k-1的偏差值

式(2-16)中的输出量为全量输出。它对应于被控制对象的执行机构每次采样时应达到的

位置。因此，式(2-16)也是 PID控制规律的离散化形式。称为位置型 PID控制算式。

另有增量型 PID 控制算式[37]

。增量算法就是相对于标准算法的相邻两次运算之差，得

到的结果是增量，也就是说在上一次的控制量的基础上需要增加（负值意味着减少）的空

置量。在温度控制中就是需要增加（或减少）的加热比例。在增量型中，输出是执行机构

的增量△u。，即

01 1 2

1 0

1 1 1 2

( ) ( 2 )

( ) ( 2 )

Dn p n n n n n n

p n n n D n n n

T Tu K e e e e e e

T T

K e e K e K e e e

(15)

式中， K1为 PID控制算式的积分系数

01

1

p

TK K

T

(16)

KD为 PID控制算式的微分系数

0

DD p

TK K

T

(17)

3、PID 参数整定

经验试凑法在现场控制系统整定工作中，经验丰富的调试人员常采用经验整定法，它

不需要进行试验和计算，而是根据运行情况，先确定一组调节器参数，并将系统投入运行，

然后人为加入阶跃扰动，观察被调量或调节器输出的阶跃响应曲线，并依照调节器各参数

对调节过程的影响，改变相应的整定参数值，一般先比例后积分，再微分，反复试验，直

到获得满意的阶跃响应曲线为止。

6

表 1 经验法调节器参数经验数据

被控对象\整定参数 Kp Ti/min TD/min

温度 20～60 0.1～3 0.5~3

压力 1.4~3.5 0.4~3 -

流量 1~2.5 0.1~1 -

液位 1.25~5 - -

四、 实验步骤：

1、硬件部分

将 TWDAMM3HT的 out 口的正负端与温度控制箱的 UIN的正负端相连，将 TWDAMM3HT 的 IN0的

正负端与温度控制箱的 Uout的正负端相连。同时将 PLC输出的 24V直流电压用两导线连接至

TWDAMM3HT模块的供电端，综上所述，此实验的硬件接线为 6条导线。

2、软件部分

在进行温度控制系统的设计中，第一步是要得到控制对象的数学模型。我们可以采用阶

跃响应曲线法，利用 PID的手动模式得到。随后，进行 PID参数调节，按照经验法逐步调节，

直到得到满意的阶跃响应曲线为止。

具体过程如下

(1)运行 TwidoSoft软件，新建一个文件，单击确定

图 1 功能级别管理

可以看到如下窗口

7

图 2 TwidoSoftⅠ

(2)右键 TWDL**DRF，选择更改控制器类型，选择 TWDLCAE40DRF

(3)右键拓展总线，选择添加模块，双击 TWDAMM3HT，选择完成

(4)右击 TWDAMM3HT，选择配置

图 3 TwidoSoftⅡ

8

(5) 起用%IW1.0，在类型处，选择 0-10V

（注意：究竟是启用%IW1.0 还是启用%IW1.1,得具体看你的硬件接线，如果接线选

择的是 TWDAMM3HT模块的 IN0则选择%IW1.0，如果接线选择是 IN1，则选择%IW1.1）

起用%QW1.0，在类型处，选择 0-10V

图 4 TWDAMM3HT 配置

(6)配置编辑器上，选择

(7)单击控制器，选择连接方式，在设备管理器中查看通讯口是哪个后，再勾选相应的选项。

(8)右键 PID，选择配置

图 5 PID 工作模式选择

(9)配置框前打勾，选择 PID工作模式

(10)单击“输入”标签，在测量值处写入%IW1.0（或%IW1.1）。%IW1.0与%IW1.1是 TWDAMM3HT

的输入口地址，从中取得的值是温度传感器经过 A/D变换后的数据。

9

图 6 测量值设定

(11)单击 PID标签，在设定点处输入%MW0，Kp中写入%MW10，Ti中写入%MW11，TD中写入%MW12

（%MW0~%MW2999为 PLC内部字地址）

图 7 PID 参数设定

(12)单击输出标签。

启用手动模式。在手动一栏中选择“启用”，在“输出”中写入%MW13。在输出模拟中写

入%QW1.0。%QW1.0 是 TWDAMM3HT 的输出口地址，从中输出的值将会是经过 D/A 变换后的模

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拟量。

说明：启用手动模式意味着放弃了 PID 调节方式，而是人为的在控制输出。手动模式

启用后，需要在梯形图程序或动态数据表中对%MW13赋值，此数值是反应的是输出脉冲的平

均电压值且该值最大为 4096（对应的电压为 10V），例如该值设定为 3000，则意味着输出脉

冲的平均电压为 10×3000/4095V。该模式的启用可以尽快的将温箱的温度提升至最高，对

判断温箱的数学模型有一定的指导意义。

建议设置限制选项为启用，并填入恰当的最大值和最小值，在本实验室中，最大值不

能超过 4095，最小值一般取 1或者你所需要的数值.

实际在进行 PID 调节时，将手动模式选择为无效，设定为此模式才会进入反馈控制环

节。其余设置如下图所示。

图 8 输出设定

(13)单击确定后，将可以见到下面的配置表。

11

图 9 PID 配置表

(14)参数赋值。

经过以上步骤，PID 的各项参数均已经设定好了对应的寄存器地址。%MW0 对应设定

值，%MW10~%MW12对应 PID参数，%MW13对应人为设定的输出值，此值只反应当前输出的平

均电压值。将下一步就是给寄存器赋值。有两种方法，第一种是梯形图中直接赋值，另一种

可以利用动态数据表。

(Ⅰ)梯形图赋值

图 10 梯形图

赋值语句的写法是%MW0:=参数值。最后一行梯形图表示的是启动 PID 0（PID与 0之间

有一个空格）。由于程序是采取逐行扫描的模式，所以 PID的启动需要放在最后一行，切不

可颠倒次序。

(Ⅱ)动态数据表赋值

右键动态数据表，选择“新建”在地址栏内输入%MW0，%MW10，%MW11，%MW12，%MW13

并写入它们的暂存值。%MW10，%MW11，%MW12 的数值根据经验公式输入。如图 11 所示。此

12

时的数值并没有真正赋给寄存器，还只是在 PC上。需要连接了 PLC 之后才可以写入数值。

该方法的优点是可以在不断开 PLC的情况下修改参数值，做到实时控制。

但此方法仍需要在梯形图中编写一段启动程序，即启动 PID 0,编写方式如上文所述。

图 11 动态数据表

连接了 PLC之后，首先单击切换动态显示图标 ，再单击写入暂存值图标 ，完成

参数赋值。在梯形图中启动 PID。

图 12 启动 PID

(15)启动 PLC

下面就是需要将程序写入 PLC。单击菜单栏中的“控制器”，在“选择连接”中选中“USB”。

随后单击控制器中的“连接”，选择 PC——〉控制器。

若是采用动态数据表的方式，在这一步之后就可以按照 4.3(2)中的步骤，将参数值写

入寄存器。

单击“运行” 。此时 PLC开始工作，若要观察趋势图，只需右键 PID配置，单击“趋

势图”即可。

此时可以看到的图像如下：

13

图 13 阶跃响应曲线

根据自控理论得出式(8)中的 K,T,τ的数值，得到控制对象的数学模型

(16)关闭手动模式，启用 PID 控制。断开控制器，进入 PID 配置，在“输出”标签下，将手

动模式一栏设为无效。然后连接控制器，启动 PLC。如果得到的阶跃响应图像没能达到预期，

改变%MW10，%MW11，%MW12的参数，再次运行系统，直到得到满意的图像。

五、 实验结果记录： 1、得出控制对象的数学模型

2、得出 PID 的三个参数 KP、Ti、TD

注意：在施耐德 PLC 中，KP是乘以 0.01的数值，Ti、TD的计量单位为 0.1s

所以结合前文提出的温度 PID 控制的三参数经验值，我们建议在编写程序时，比例系数在

2000-6000之间选择，积分系数在 10-100之间选择，微分系数在 300-1800之间选择。

在实际实验中，温度设定为 3000 时，实际温度差不在 73-74 度左右，设定为 2000 时，实

际温度在 49度左右，所以建议实验中，人为设定温度为 2000为宜，不然太浪费时间。

3、分析 PID控制效果。动态指标：超调量、上升时间 t1、稳定时间 t2，稳态指标：温度控

制范围、稳态误差

六、 思考题： 1、实际温度与 PLC中测量值的对应关系是什么？

2、如何用施耐德 PLC实现 PID模糊控制？

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