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1、第五章第五章 自动控制仪表自动控制仪表 内容提要内容提要概述概述基本控制规律及其对系统过渡过程的影响基本控制规律及其对系统过渡过程的影响双位控制双位控制比例控制比例控制积分控制积分控制微分控制微分控制模拟式控制器模拟式控制器基本构成原理及部件基本构成原理及部件DDZ-DDZ-型电动控制器型电动控制器1数字式控制器数字式控制器数字式控制器的主要特点数字式控制器的主要特点数字是控制器的基本构成数字是控制器的基本构成KMMKMM型可编程序调节器型可编程序调节器可编程序控制器可编程序控制器概论概论可编程序控制器的基本组成可编程序控制器的基本组成可编程序控制器的编程语言可编程序控制器的编程语言OMRON
2、 C OMRON C 系列系列 PLC PLC应用实例应用实例2第一节第一节 概论概论3l自自自自动动动动控控控控制制制制仪仪仪仪表表表表在在在在自自自自动动动动控控控控制制制制系系系系统统统统中中中中的的的的作作作作用用用用是是是是将将将将被被被被控控控控变变变变量量量量的的的的测测测测量量量量值值值值与与与与给给给给定定定定值值值值相相相相比比比比较较较较，产产产产生生生生一一一一定定定定的的的的偏偏偏偏差差差差，控控控控制制制制仪仪仪仪表表表表根根根根据据据据该该该该偏偏偏偏差差差差进进进进行行行行一一一一定定定定的的的的数数数数学学学学运运运运算算算算，并并并并将将将将运运运运算算算算
3、结结结结果果果果以一定的信号形式送往执行器。以一定的信号形式送往执行器。以一定的信号形式送往执行器。以一定的信号形式送往执行器。l控制仪表经历三个发展阶段控制仪表经历三个发展阶段控制仪表经历三个发展阶段控制仪表经历三个发展阶段 基地式控制仪表基地式控制仪表 单元组合式仪表中的控制单元单元组合式仪表中的控制单元 以微处理器为基元的控制装置以微处理器为基元的控制装置第二节第二节 基本控制规律及其对系统过渡过程的影响基本控制规律及其对系统过渡过程的影响4l控控制制器器的的控控制制规规律律是是指指控控制制器器的的输输出出信信号号与与输输入入信信号号之之间间的的关系。关系。即 经经常常是是假假定定控控制
4、制器器的的输输入入信信号号e e是是一一个个阶阶跃跃信信号号，然后来研究控制器的输出信号然后来研究控制器的输出信号p p随时间的变化规律。随时间的变化规律。在研究控制器的控制规律时在研究控制器的控制规律时在研究控制器的控制规律时在研究控制器的控制规律时控制器的基本控制规律控制器的基本控制规律控制器的基本控制规律控制器的基本控制规律 位位式式控控制制（其其中中以以双双位位控控制制比比较较常常用用）、比比例例控控制制（P P）、积积分分控控制制（I I）、微微分分控控制制（D D）及及它它们们的的组组合合形形式式，如如比比例例积积分分控控制制（PIPI）、比比例例微微分分控控制制（PDPD）和和比
5、比例积分微分控制例积分微分控制（PIDPID）。）。5一、双位控制一、双位控制6理想的双位控制器其输出理想的双位控制器其输出p p与输入偏差额与输入偏差额e e之间的关系为之间的关系为图5-1 理想双位控制特性图5-2 双位控制示例l双位控制规律即：控制器只有两个输出值，执行器双位控制规律即：控制器只有两个输出值，执行器也相应有开或关两个极限工作位置。双位控制又称继也相应有开或关两个极限工作位置。双位控制又称继电接触控制。电接触控制。l实际上的双位控制器由于结构上的原因和仪表不灵实际上的双位控制器由于结构上的原因和仪表不灵敏的存在，不能在被控参数达到给定值时立即引起输敏的存在，不能在被控参数达
6、到给定值时立即引起输出变化，只能当偏差达一定数值时控制器才发生变化。出变化，只能当偏差达一定数值时控制器才发生变化。即实际特性曲线有一个中间区。即实际特性曲线有一个中间区。7 将将上上图图中中的的测测量量装装置置及及继继电电器器线线路路稍稍加加改改变变，便便可可成成为为一一个个具具有有中中间间区区的的双双位位控控制制器器，见见下下图图。由由于于设设置置了了中中间间区区，当当偏偏差差在在中中间间区区内内变变化化时时，控控制制机机构构不不会会动动作作，因因此此可可以以使使控控制制机机构构开开关关的的频频繁繁程程度度大大为为降降低，延长了控制器中运动部件的使用寿命。低，延长了控制器中运动部件的使用寿
7、命。图5-3 实际的双位控制特性图5-4 具有中间区的双位控制过程l双双位位控控制制过过程程中中一一般般采采用用振振幅幅与与周周期期作作为为品品质质指指标标,在设计双位控制系统时，一般希望振幅小而周期长。在设计双位控制系统时，一般希望振幅小而周期长。结论结论l被被控控变变量量波波动动的的上上、下下限限在在允允许许范范围围内内，使使周周期期长长些比较有利。些比较有利。l双位控制器结构简单，容易实现控制。适用于单容双位控制器结构简单，容易实现控制。适用于单容量对象及对象特性好、负荷变化较小、过程滞后小、量对象及对象特性好、负荷变化较小、过程滞后小、工艺允许被控参数在一定范围内波动和要求不高的场工艺
8、允许被控参数在一定范围内波动和要求不高的场合。合。8二、比例控制二、比例控制9 在双位控制系统中，被控变量不可避免地会产生在双位控制系统中，被控变量不可避免地会产生持续的持续的等幅振荡过程等幅振荡过程，为了避免这种情况，应该使控，为了避免这种情况，应该使控制阀的开度与被控变量的偏差成比例，根据偏差的大制阀的开度与被控变量的偏差成比例，根据偏差的大小，控制阀可以处于不同的位置，这样就有可能获得小，控制阀可以处于不同的位置，这样就有可能获得与对象负荷相适应的操纵变量，从而使被控变量趋于与对象负荷相适应的操纵变量，从而使被控变量趋于稳定，达到平衡状态。稳定，达到平衡状态。图5-5 简单的比例控制系统
9、示意图如左图，根据相似三角形原理如左图，根据相似三角形原理如左图，根据相似三角形原理如左图，根据相似三角形原理对于具有比例控制的控制器对于具有比例控制的控制器对于具有比例控制的控制器对于具有比例控制的控制器比例控制的放大倍数比例控制的放大倍数比例控制的放大倍数比例控制的放大倍数K K K KP P P P是一个重要的系数，是一个重要的系数，是一个重要的系数，是一个重要的系数，它决定了比例控制作用的强弱。它决定了比例控制作用的强弱。它决定了比例控制作用的强弱。它决定了比例控制作用的强弱。（5-4）1011比例度比例度比例度比例度 是指控制器输入的变化相对值与相应的输出变化相是指控制器输入的变化相
10、对值与相应的输出变化相对值之比的百分数。对值之比的百分数。图5-6 比例度示意图（5-5）12举例举例DDZ-DDZ-型型比比例例作作用用控控制制，温温度度刻刻度度范范围围为为400400800800，控控制制器器输输出出工工作作范范围围是是0 010mA10mA。当当指指示示指指针针从从600600移移到到700700，此此时时控控制制器器相相应应的的输输出出从从4mA4mA变变为为9mA9mA，其比例度的值为，其比例度的值为 说明说明说明说明 对对于于这这台台控控制制器器，温温度度变变化化全全量量程程的的5050（相相当当于于200200），控控制制器器的的输输出出就就能能从从最最小小变变
11、为为最最大大，在在此此区区间间内内，e e和和p p是成比例的。是成比例的。13将式将式（5-45-4）的关系代入式的关系代入式（5-55-5），经整理后可得，经整理后可得 比例度比例度与放大倍数与放大倍数K KP P成反比。成反比。控控制制器器的的比比例例度度越越小小，它它的的放放大大倍倍数数K KP P就就越越大大，它它将将偏偏差差（控控制制器器输输入入）放放大大的的能能力力越越强强，反反之之亦亦然。然。结论lKpKp越大越大,比例控制越强比例控制越强.但工业生产上所用比例控制器常采用但工业生产上所用比例控制器常采用比例度代替比例放大倍数，表示比例调节作用的强弱。比例度代替比例放大倍数，表
12、示比例调节作用的强弱。l比例度的物理意义是：要使控制器输出变化全量程时，其输比例度的物理意义是：要使控制器输出变化全量程时，其输入偏差变化量占满量程的百分数，即为比例度。入偏差变化量占满量程的百分数，即为比例度。l比例度与比例放大倍数互为倒数。所以，控制器的比例度越比例度与比例放大倍数互为倒数。所以，控制器的比例度越小，其放大倍数越大，比例控制作用也就越强，而比例度越大，小，其放大倍数越大，比例控制作用也就越强，而比例度越大，则比倍放大倍数越小，比例控制作用越弱。则比倍放大倍数越小，比例控制作用越弱。l比例控制系统的控制结果会产生余差，这是比例控制器的固比例控制系统的控制结果会产生余差，这是比
13、例控制器的固有控制特性所决定的。余差的产生也可以从比例控制的特性来有控制特性所决定的。余差的产生也可以从比例控制的特性来说明。说明。l为了减少余差，可以增大比例放大倍数，也就是减小了比例度。但为了减少余差，可以增大比例放大倍数，也就是减小了比例度。但这会使系统的稳定性变差。一般地，适当地增大比例放大系数，即减这会使系统的稳定性变差。一般地，适当地增大比例放大系数，即减小比例度，使比例控制作用增强。此时，最大的偏差减小，余差减小，小比例度，使比例控制作用增强。此时，最大的偏差减小，余差减小，工作频率提高，周期缩短，系统的振荡加剧，稳定性下降。工作频率提高，周期缩短，系统的振荡加剧，稳定性下降。l
14、工业上常见系统的比例度选取范围为：工业上常见系统的比例度选取范围为：压力系统：压力系统：30-70%30-70%流量系统：流量系统：40-100%40-100%物位系统：物位系统：20-80%20-80%温度系统：温度系统：20-60%20-60%l比例控制是一种最基本的控制规律。其特点是动态反应快，控制及比例控制是一种最基本的控制规律。其特点是动态反应快，控制及时，只要有偏差输入，输出立刻产生一个与输入成比例的输出变化信时，只要有偏差输入，输出立刻产生一个与输入成比例的输出变化信号。其缺点是控制结果有余差。号。其缺点是控制结果有余差。14左下图表示图左下图表示图5-5的液位比例控制系统的过渡
15、过程。的液位比例控制系统的过渡过程。图5-7 比例控制系统过渡过程在在t=tt=t0 0时时，系系统统外外加加一一个个干干扰作用扰作用液位开始下降液位开始下降作用在控制阀上的信号作用在控制阀上的信号进水量增加进水量增加偏差的变化曲线偏差的变化曲线图5-8 比例度对过渡过程的影响优点优点优点优点：反应快，控制及时：反应快，控制及时缺点缺点缺点缺点：存在余差：存在余差 若若对对象象的的滞滞后后较较小小、时时间间常常数数较较大大以以及及放放大大倍倍数数较较小小时时，控控制制器器的的比比例例度度可可以以选选得得小小些些，以以提提高高系系统统的的灵灵敏敏度度，使使反反应应快快些些，从从而而过过渡渡过过程
16、程曲曲线线的的形形状状较较好好。反之，比例度就要选大些以保证稳定。反之，比例度就要选大些以保证稳定。结论结论15三、积分控制三、积分控制16 当当对对控控制制质质量量有有更更高高要要求求时时，就就需需要要在在比比例例控控制制的的基础上，再加上能消除余差的积分控制作用。基础上，再加上能消除余差的积分控制作用。积分控制作用的输出变化量积分控制作用的输出变化量p p与输入偏差与输入偏差e e的积分成正比，即的积分成正比，即 图5-9 积分控制器特性当输入偏差是常数当输入偏差是常数A A时时 当有偏差存在时，输出信号将随时间增长（或减小）。当有偏差存在时，输出信号将随时间增长（或减小）。当有偏差存在时
17、，输出信号将随时间增长（或减小）。当有偏差存在时，输出信号将随时间增长（或减小）。当当当当偏偏偏偏差差差差为为为为零零零零时时时时，输输输输出出出出才才才才停停停停止止止止变变变变化化化化而而而而稳稳稳稳定定定定在在在在某某某某一一一一值值值值上上上上，因因因因而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。结结结结论论论论17把比例与积分组合起来，这样控制把比例与积分组合起来，这样控制既及时，又能消除余差。既及时，又能消除余差。图5-10 比例积分控制器特性图5-11积分时
18、间对过渡过程的影响比例积分控制规律可用下式表示比例积分控制规律可用下式表示 或若偏差是幅值为若偏差是幅值为A A的阶跃干扰的阶跃干扰l积分时间积分时间T T大小表示曲线的斜率和输出曲线上升速度快慢，大小表示曲线的斜率和输出曲线上升速度快慢，积分时间积分时间T T是表征积分控制作用强弱的一个重要参数。当是表征积分控制作用强弱的一个重要参数。当积分时间积分时间T T越小（越小（K K越大）时，直线上升越快，积分控制作越大）时，直线上升越快，积分控制作用越强。反之，用越强。反之，T T越大（越大（K K越小），直线上升越慢，积分作越小），直线上升越慢，积分作用越弱。用越弱。l工业上常见控制系统的积分
19、时间范畴为：工业上常见控制系统的积分时间范畴为：压力控制系统压力控制系统T1=0.3-1 minT1=0.3-1 min流量控制系统流量控制系统T1=0.3-1minT1=0.3-1min温度控制系统温度控制系统T1=3-10minT1=3-10minl比例积分控制器的主要优点是能消除余差。但当对象滞比例积分控制器的主要优点是能消除余差。但当对象滞后很大，负荷变化剧烈时，控制不能及时，控制时间较长。后很大，负荷变化剧烈时，控制不能及时，控制时间较长。故此种控制适合于控制对象负荷变化不大，过程较缓慢，故此种控制适合于控制对象负荷变化不大，过程较缓慢，惯性不大，容量滞后小和工艺要求不允许的余差的场
20、所。惯性不大，容量滞后小和工艺要求不允许的余差的场所。比比例例积积分分控控制制器器对对于于多多数数系系统统都都可可采采用用，比比比比例例例例度度度度和和和和积分时间积分时间积分时间积分时间两个参数均可调整。两个参数均可调整。当当对对象象滞滞后后很很大大时时，可可能能控控制制时时间间较较长长、最最大大偏偏差也较大；差也较大；负负荷荷变变化化过过于于剧剧烈烈时时，由由于于积积分分动动作作缓缓慢慢，使使控控制作用不及时，此时可增加微分作用。制作用不及时，此时可增加微分作用。18四、微分控制四、微分控制1919在在在在自自自自动动动动控控控控制制制制时时时时，控控控控制制制制器器器器具具具具有有有有微
21、微微微分分分分控控控控制制制制规律规律规律规律图图5-12 5-12 理想微分控制器特性理想微分控制器特性优点优点优点优点具有超前控制功能。具有超前控制功能。具有超前控制功能。具有超前控制功能。缺点缺点缺点缺点它它它它的的的的输输输输出出出出不不不不能能能能反反反反映映映映偏偏偏偏差差差差的的的的大大大大小小小小，假假假假如如如如偏偏偏偏差差差差固固固固定定定定，即即即即使使使使数数数数值值值值很很很很大大大大，微微微微分分分分作作作作用用用用也也也也没没没没有有有有输输输输出出出出，因因因因而而而而控控控控制制制制结结结结果果果果不不不不能能能能消消消消除除除除偏偏偏偏差差差差，所所所所以以
22、以以不不不不能能能能单单单单独独独独使使使使用用用用这这这这种种种种控控控控制制制制器器器器，它它它它常常常常与与与与比比比比例例例例或或或或比比比比例积分组合构成比例微分或三作用控制器。例积分组合构成比例微分或三作用控制器。例积分组合构成比例微分或三作用控制器。例积分组合构成比例微分或三作用控制器。l微分时间微分时间TDTD是表征微分控制作用强弱的一个重要参是表征微分控制作用强弱的一个重要参数。当微分时间数。当微分时间TDTD增大时，微分曲线下降慢，微分作增大时，微分曲线下降慢，微分作用增强；反之，用增强；反之，TDTD减小，微分曲线下降快，微分作用减小，微分曲线下降快，微分作用减弱，当减弱
23、，当TD=0TD=0时，无微分作用，比例微分控制器变为时，无微分作用，比例微分控制器变为纯比例控制器。纯比例控制器。l微分作用总是力图阻止被控变量的任何变化，具有微分作用总是力图阻止被控变量的任何变化，具有抑制振荡作用。抑制振荡作用。l微分控制器的优点是：超前控制、抑制变化、稳定微分控制器的优点是：超前控制、抑制变化、稳定系统的作用，但不能消除余差。系统的作用，但不能消除余差。20比例微分控制规律比例微分控制规律比例微分控制规律比例微分控制规律图5-13 比例微分控制器特性比例积分控制规律比例积分控制规律比例积分控制规律比例积分控制规律图5-14 微分时间对过渡过程的影响图5-15 三作用控制
24、器特性l在在PIDPID控制过程中，比例作用自控制过程中，比例作用自始至终与偏差相对应起调节作用；始至终与偏差相对应起调节作用；微分作用在开始输出变化量大，微分作用在开始输出变化量大，具有超前控制，抑制振荡作用，具有超前控制，抑制振荡作用，后逐渐消失；积分作用在开始变后逐渐消失；积分作用在开始变化弱，到后来输出逐渐增大而占化弱，到后来输出逐渐增大而占主导地位，具有滞后控制，直至主导地位，具有滞后控制，直至消除余差为止。消除余差为止。lPIDPID控制器综合了各种控制规律控制器综合了各种控制规律的优点，取长补短，只要合理选的优点，取长补短，只要合理选择择、TITI、TDTD三参数，就能获得三参数
25、，就能获得较高的控制质量。较高的控制质量。第三节第三节 模拟式控制器模拟式控制器一、基本构成原理及部件一、基本构成原理及部件21 在在模模拟拟式式控控制制器器中中，所所传传送送的的信信号号形形式式为为连连连连续续续续的的的的模模模模拟拟拟拟信信信信号号号号。目前应用的模拟式控制器主要是目前应用的模拟式控制器主要是电动控制器电动控制器电动控制器电动控制器。图5-16 控制器基本构成1.1.比较环节比较环节作用作用将将给给定定信信号号与与测测量量信信号号进进行行比比较较，产产生生一一个个与与它它们们的的偏偏差成比例的偏差信号。差成比例的偏差信号。2.2.放大器放大器 是一个稳态增益很大的比例环节。
26、是一个稳态增益很大的比例环节。3.3.反馈环节反馈环节作用作用通过正、负反馈来实现比例、积分、微分等控制规律。通过正、负反馈来实现比例、积分、微分等控制规律。二、二、DDZ-DDZ-型电动控制器型电动控制器221.DDZ-1.DDZ-1.DDZ-1.DDZ-型仪表的特点型仪表的特点型仪表的特点型仪表的特点（1 1 1 1）采用国际电工委员会（）采用国际电工委员会（）采用国际电工委员会（）采用国际电工委员会（IECIECIECIEC）推荐的统一标准信号）推荐的统一标准信号）推荐的统一标准信号）推荐的统一标准信号,现场现场现场现场传输出信号为传输出信号为传输出信号为传输出信号为4-20mADC4-
27、20mADC4-20mADC4-20mADC，控制室联络信号为，控制室联络信号为，控制室联络信号为，控制室联络信号为1-5VDC1-5VDC1-5VDC1-5VDC，信号电，信号电，信号电，信号电流与电压的转换电阻为流与电压的转换电阻为流与电压的转换电阻为流与电压的转换电阻为250250250250。优点优点优点优点 电电气气零零点点不不是是从从零零开开始始，且且不不与与机机械械零零点点重重合合，这这不不但但利利用了晶体管的线性段，而且容易识别断电、断线等故障。用了晶体管的线性段，而且容易识别断电、断线等故障。只只要要改改变变转转换换电电阻阻阻阻值值，控控制制室室仪仪表表便便可可接接收收其其他
28、他1:51:5的的电电流信号。流信号。因因为为最最小小信信号号电电流流不不为为零零，为为现现场场变变送送器器实实现现两两线线制制创创造造了了条条件件。现现场场变变送送器器与与控控制制室室仪仪表表仅仅用用两两根根导导线线联联系系（图图5-5-3737），既节省了电缆线和安装费用，还有利于安全防爆。），既节省了电缆线和安装费用，还有利于安全防爆。23（2 2 2 2）广泛采用集成电路，可靠性提高，维修工作量减少）广泛采用集成电路，可靠性提高，维修工作量减少）广泛采用集成电路，可靠性提高，维修工作量减少）广泛采用集成电路，可靠性提高，维修工作量减少 优点优点优点优点 由由于于集集成成运运算算放放大大
29、器器均均为为差差分分放放大大器器，且且输输入入对对称称性性好，漂移小，仪表的稳定性得到提高。好，漂移小，仪表的稳定性得到提高。由由于于集集成成运运算算放放大大器器有有高高增增益益，因因而而开开环环放放大大倍倍数数很很高，这使仪表的精度得到提高。高，这使仪表的精度得到提高。由由于于采采用用了了集集成成电电路路，焊焊点点少少，强强度度高高，大大大大提提高高了了仪表的可靠性。仪表的可靠性。（3 3 3 3）型仪表统一由电源箱供给型仪表统一由电源箱供给型仪表统一由电源箱供给型仪表统一由电源箱供给24V DC24V DC24V DC24V DC电源，并有蓄电池作电源，并有蓄电池作电源，并有蓄电池作电源，
30、并有蓄电池作为备用电源。为备用电源。为备用电源。为备用电源。优点优点优点优点 各各单单元元省省掉掉了了电电源源变变压压器器，没没有有工工频频电电源源进进入入单单元元仪仪表表，既既解解决决了了仪仪表表发发热热问问题题，又又为为仪仪表表的的防防爆爆提提供供了了有有利条件。利条件。在在工工频频电电源源停停电电时时备备用用电电源源投投入入，整整套套仪仪表表在在一一定定时时间间内内仍仍可可照照常常工工作作，继继续续进进行行监监视视控控制制作作用用，有有利利于于安安全停车。全停车。2425（4 4 4 4）结构合理，比之）结构合理，比之）结构合理，比之）结构合理，比之型有许多先进之处。型有许多先进之处。型
31、有许多先进之处。型有许多先进之处。表现在表现在表现在表现在 基基型型控控制制器器有有全全刻刻度度指指示示控控制制器器和和偏偏差差指指示示控控制制器器两两个个品品种种，指指示示表表头头为为100mm100mm刻刻度度纵纵形形大大表表头头，指指示示醒醒目目，便于监视操作。便于监视操作。自自动动、手手动动的的切切换换以以无无平平衡衡、无无扰扰动动的的方方式式进进行行，并并有有硬硬手手动动和和软软手手动动两两种种方方式式。面面板板上上设设有有手手动动操操作作插插孔孔，可和便携式手动操作器配合使用。可和便携式手动操作器配合使用。结构形式适于单独安装和高密度安装。结构形式适于单独安装和高密度安装。有内给定
32、和外给定两种给定方式，并设有外给定指示有内给定和外给定两种给定方式，并设有外给定指示灯，能与计算机配套使用，可组成灯，能与计算机配套使用，可组成SPCSPC系统实现计算机系统实现计算机监督控制，也可组成监督控制，也可组成DDCDDC控制的备用系统。控制的备用系统。（5 5 5 5）整套仪表可构成安全火花型防爆系统。）整套仪表可构成安全火花型防爆系统。）整套仪表可构成安全火花型防爆系统。）整套仪表可构成安全火花型防爆系统。26272.DDZ-2.DDZ-型电动控制器的组成与操作型电动控制器的组成与操作图5-17 DDZ-型控制器结构方框图 主主要要由由输输入入电电路路、给给定定电电路路、PIDP
33、ID运运算算电电路路、自自动动与与手手动动（包包括括硬硬手手动动和和软软手手动动两两种种）切切换换电电路路、输输出出电电路路及指示电路等组成。及指示电路等组成。28图5-18 DTL-3110型调节器正面图1自动-软手动-硬手动切换开关；2双针垂直指示器；3内给定设定轮；4输出指示器；5硬手动操作杆；6软手动操作板键；7外给定指示灯；8阀位指示器；9输出记录指示；10位号牌；11输入检测插孔；12手动输出插孔第四节第四节 数字式控制器数字式控制器29数字式控制器与模拟式控制器的异同点：数字式控制器与模拟式控制器的异同点：数字式控制器与模拟式控制器的异同点：数字式控制器与模拟式控制器的异同点：数
34、字式控制器数字式控制器模拟式控制器模拟式控制器构成原理构成原理数字技术数字技术模拟技术模拟技术所用器件所用器件以微处理机为核心部以微处理机为核心部件件以运算放大器等模拟电子以运算放大器等模拟电子器件为基本部件器件为基本部件不同点不同点相同点相同点相同点相同点 仪表总的功能和输入输出关系基本一致。仪表总的功能和输入输出关系基本一致。一、数字式控制器的主要特点一、数字式控制器的主要特点30 1.1.实现了模拟仪表与计算机一体化。实现了模拟仪表与计算机一体化。2.2.具有丰富的运算控制功能。具有丰富的运算控制功能。3.3.使用灵活方便，通用性强。使用灵活方便，通用性强。4.4.具有通讯功能，便于系统
35、扩展。具有通讯功能，便于系统扩展。5.5.可靠性高，维护方便可靠性高，维护方便 。二、数字式控制器的基本构成二、数字式控制器的基本构成311.1.1.1.数字式控制器的硬件电路数字式控制器的硬件电路数字式控制器的硬件电路数字式控制器的硬件电路图5-19 数字式控制器的硬件电路32（1 1 1 1）主机电路）主机电路）主机电路）主机电路 主主机机电电路路是是数数字字式式控控制制器器的的核核心心，用用于于实实现现仪仪表表数数据运算处理及各组成部分之间的管理。据运算处理及各组成部分之间的管理。（2 2 2 2）过程输入通道）过程输入通道）过程输入通道）过程输入通道 过过程程输输入入通通道道包包括括模
36、模拟拟量量输输入入通通道道和和开开关关量量输输入入通通道道，模模拟拟量量输输入入通通道道用用于于连连接接模模拟拟量量输输入入信信号号，开开关关量量输入通道用于连接开关量输入信号。输入通道用于连接开关量输入信号。（3 3 3 3）过程输出通道）过程输出通道）过程输出通道）过程输出通道 过过程程输输出出通通道道包包括括模模拟拟量量输输出出通通道道和和开开关关量量输输出出通通道道，模模拟拟量量输输出出通通道道用用于于输输出出模模拟拟量量信信号号，开开关关量量输输出通道用于输出开关量信号。出通道用于输出开关量信号。（4 4 4 4）人机联系部件）人机联系部件）人机联系部件）人机联系部件 人机联系部件一
37、般置于控制器的正面和侧面。人机联系部件一般置于控制器的正面和侧面。（5 5 5 5）通信接口电路）通信接口电路）通信接口电路）通信接口电路 通通信信接接口口将将欲欲发发送送的的数数据据转转换换成成标标准准通通信信格格式式的的数数字字信信号号，经经发发送送电电路路送送至至通通信信线线路路（数数据据通通道道）上上；同同时时通通过过接接收收电电路路接接收收来来自自通通信信线线路路的的数数字字信信号号，将将其其转转换成能被计算机接收的数据。换成能被计算机接收的数据。33342.2.2.2.数字式控制器的软件数字式控制器的软件数字式控制器的软件数字式控制器的软件（1 1 1 1）系统程序）系统程序）系统
38、程序）系统程序 系系统统程程序序是是控控制制器器软软件件的的主主体体部部分分，通通常常由由监监监监控控控控程程程程序序序序和和功能模块功能模块功能模块功能模块两部分组成。两部分组成。（2 2 2 2）用户程序）用户程序）用户程序）用户程序 用用户户程程序序是是用用户户根根据据控控制制系系统统的的要要求求，在在系系统统程程序序中中选选择择所所需需要要的的功功能能模模块块，并并将将它它们们按按一一定定的的规规则则连连接接起起来来的结果。的结果。第五节第五节 可编程序控制器可编程序控制器一、概述一、概述38 19691969年美国研制出了第一台可编程序控制器。年美国研制出了第一台可编程序控制器。可可
39、编编程程序序控控制制器器初初期期主主要要用用于于顺顺序序控控制制，称称为为可可编编程程逻辑控制器，简称逻辑控制器，简称PLCPLC。可可编编程程序序控控制制器器的的出出现现是是基基于于微微计计算算机机技技术术，用用来来解解决工艺生产中大量的开关控制问题。决工艺生产中大量的开关控制问题。可可编编程程序序控控制制器器最最大大特特点点是是在在于于可可编编程程序序，可可通通过过改改变软件来改变控制方式和逻辑规律，变软件来改变控制方式和逻辑规律，PLCPLC在在国国内内已已广广泛泛应应用用于于石石油油、化化工工、电电力力、等等各各行行各各业，目前已广泛应用于连续生产过程的闭环控制。业，目前已广泛应用于连
40、续生产过程的闭环控制。38 与与继继电电器器系系统统相相比比：在在于于可可编编程程序序，可可通通过过改改变变软软件件来来改改变变控控制制方方式式与与逻逻辑辑规规律律，同同时时功功能能丰丰富富、可可靠靠性性强强，可可组组成成集中分散系统或纳入局部网络。集中分散系统或纳入局部网络。与与计计算算机机相相比比，优优点点是是语语言言简简单单、编编程程简简便便、面面向向用用户户、面面向向现现场场、使使用用方方便。便。39PLCPLCPLCPLC产品的分类方法产品的分类方法产品的分类方法产品的分类方法1.1.1.1.按容量分按容量分按容量分按容量分（1 1）小型）小型PLCPLCI IO O点总数一般为点总
41、数一般为2020128128点。点。主要功能主要功能主要功能主要功能逻逻辑辑运运算算、定定时时计计数数、移移位位处处理理等等，采采用专用简易编程器。用专用简易编程器。（2 2）中型）中型PLCPLC其其I IO O点点总总数数通通常常为为129129512512点点，内内存存在在K K以以下下，适适合开关量逻辑控制和过程变量检测及连续控制。合开关量逻辑控制和过程变量检测及连续控制。主要功能主要功能主要功能主要功能 除除有有小小型型PLCPLC的的功功能能外外，还还有有算算术术运运算算、数数据据处处理理及及A AD D、D DA A转转换换、联联网网通通信信、远远程程I IO O等功能，可用于比
42、较复杂过程的控制。等功能，可用于比较复杂过程的控制。40（3 3）大型）大型PLCPLC其其I IO O点总数在点总数在513513点以上。点以上。主要功能主要功能主要功能主要功能除除了了具具有有中中小小型型PLCPLC的的功功能能外外，还还具具有有PLDPLD运运算算及及高高速速计计数数等等功功能能，用用于于机机床床控控制制时时，具具有有增增加加刀刀具具精精确确定定位位、机机床床速速度度和和阀阀门门控控制制等等功功能能，配配有有CRTCRT显显示示及及常常规规的的计计算算机机键键盘盘，与工业控制计算机相似。与工业控制计算机相似。编程可采用梯形图、功能表图及高级语言等多种方式。编程可采用梯形图
43、、功能表图及高级语言等多种方式。4141.按硬件结构分按硬件结构分按硬件结构分按硬件结构分（1 1）整体式）整体式PLCPLC 它它将将PLCPLC各各组组成成部部分分集集装装在在一一个个机机壳壳内内，输输入入、输输出出接接线线端端子子及及电电源源进进线线分分别别在在机机箱箱的的上上、下下两两侧侧，并并有有相相应应的的发发光光二二极极管管显显示示输输入入输输出出状状态态。面面板板上上留留有有编编程程器器的的插座、插座、EPROMEPROM存储器插座、扩展单元的接口插座等。存储器插座、扩展单元的接口插座等。优点优点具有这种结构的可编程序控制器结构紧凑、体积小、价格低。具有这种结构的可编程序控制器
44、结构紧凑、体积小、价格低。图图5-21 SIMENS SIMATIC S7-2005-21 SIMENS SIMATIC S7-200的外形图的外形图42（2 2）模块式）模块式PLCPLC输输入入输输出出点点数数较较多多的的大大型型、中中型型和和部部分分小小型型PLCPLC采采用用模模块式结构。其优点为：块式结构。其优点为：图图5-22 SIMENS SIMATIC 5-22 SIMENS SIMATIC S7-300S7-300的外形图的外形图 采采用用积积木木搭搭接接的的方方式式组组成成系系统统，便便于于扩扩展展，其其CPUCPU、输输入入、输输出出等等都都是是独独立立的的模模块块，有的
45、有的PLCPLC的电源包含在的电源包含在CPUCPU模块之中。模块之中。品种多，硬件配置灵活，更换模块方便。品种多，硬件配置灵活，更换模块方便。（3 3）叠装式）叠装式PLCPLC 它它吸吸收收了了整整体体式式和和模模块块式式PLCPLC的的优优点点，其其基基本本单单元元、扩扩展展单单元元等等高高等等宽宽，它它们们不不用用基基板板，仅仅用用扁扁平平电电缆缆连连接接，紧紧密密拼拼装装后后组组成成一一个个整整齐齐的的体体积积小小巧巧的的长长方方体体，而而且且输输入入、输输出出点点数的配置也相当灵活。数的配置也相当灵活。二、可编程序控制器的基本组成二、可编程序控制器的基本组成43图5-23 PLC的
46、基本组成框图441.1.1.1.中央处理器中央处理器中央处理器中央处理器 解释并执行用户及系统程序，通过运行用户及系统程解释并执行用户及系统程序，通过运行用户及系统程序完成所有控制、处理、通信以及所赋予的其他功能，控制序完成所有控制、处理、通信以及所赋予的其他功能，控制整个系统协调一致地工作。整个系统协调一致地工作。主要有通用微处理器、单片机和双极型位片机。主要有通用微处理器、单片机和双极型位片机。2.2.2.2.存储器存储器存储器存储器（1 1 1 1）存储器类型：）存储器类型：）存储器类型：）存储器类型：RAMRAM、ROMROM、EPROMEPROM和和E2PROME2PROM，外存常用
47、盒式磁带或磁盘等，外存常用盒式磁带或磁盘等作用作用作用作用 （2 2 2 2）存储区分配）存储区分配）存储区分配）存储区分配图5-24 简化的存储映像453.3.3.3.输入输出模块输入输出模块输入输出模块输入输出模块I IO O模块是可编程序控制器与生产过程相联系的桥梁。模块是可编程序控制器与生产过程相联系的桥梁。PLCPLC连连接接的的过过程程变变量量按按信信号号类类型型可可分分为为开开关关量量（即即数数字字量量）、模模拟拟量量和和脉脉冲冲量量等等，相相应应输输入入输输出出模模块块可可分分为为开开关关量量输输入入模模块块、开开关关量量输输出出模模块块、模模拟拟量量输输入入模模块块、模拟量输
48、出模块和脉冲量输入模块等。模拟量输出模块和脉冲量输入模块等。4.4.4.4.编程器编程器编程器编程器功能功能 编程器是编程器是PLC必不可少的重要外部设备。必不可少的重要外部设备。编编程程器器将将用用户户所所希希望望的的功功能能通通过过编编程程语语言言送送到到PLC的的用户程序存储器。用户程序存储器。编编程程器器不不仅仅能能对对程程序序进进行行写写入入、读读出出、修修改改，还还能能对对PLC的的工工作作状状态态进进行行监监控控，同同时时也也是是用用户户与与PLC之之间间进行人机界面。进行人机界面。4647工作方式工作方式工作方式工作方式 编编程程器器与与PLCPLC上上的的专专用用插插座座相相
49、连连，或或通通过过专专用用接接口口相相连连，程程序序可可直直接接写写入入PLCPLC的的用用户户程程序序存存储储器器中中，也也可可先先在在编编程程器器的的存存储储器器内内存存放放，然然后后再再下下装到装到PLCPLC中。中。离线（脱机）编程方式离线（脱机）编程方式离线（脱机）编程方式离线（脱机）编程方式 编编程程器器先先不不与与PLCPLC相相连连，编编制制的的程程序序先先存存放放在在编编程程器器的的存存储储器器中中，程程序序编编写写完完毕毕，再再与与PLCPLC连连接接，将程序送到将程序送到PLCPLC存储器中。存储器中。在线（联机）编程方式在线（联机）编程方式在线（联机）编程方式在线（联机
50、）编程方式分类分类分类分类便携式编程器和通用计算机。便携式编程器和通用计算机。三、可编程序控制器的编程语言三、可编程序控制器的编程语言48目前常用的编程语言有以下几种：目前常用的编程语言有以下几种：目前常用的编程语言有以下几种：目前常用的编程语言有以下几种：梯形图语言梯形图语言梯形图语言梯形图语言 助记符语言助记符语言助记符语言助记符语言 功能表图功能表图功能表图功能表图 某些高级语言某些高级语言某些高级语言某些高级语言五、应用实例五、应用实例601.1.1.1.水箱液位控制水箱液位控制水箱液位控制水箱液位控制 为为了了保保证证水水箱箱液液位位保保持持在在一一定定范范围围，分分别别在在控控制制