內容檢測與轉換技術模數和數模轉換S7-300PLC模擬量處理模擬量閉環PID控制2/4/20231模擬量的基本概念模擬量：在時間上、數值上都連續變化的物理量。初始性模擬量大部分是自然界的初始變量。對非電量進行測量、處理、控制時，要把非電量轉化成模擬電信號。標準的模擬電壓信號：010V。標準的模擬電流信號：420mA或020mA。2/4/20232模擬量的基本概念連續性模擬量隨時間的變化曲線是光滑而連續的，沒有間斷點。2/4/20233檢測與轉換技術現代檢測技術的一個明顯特點是采用電測法，即電測非電量。首先將被測物理量從研究對象中檢出并轉換成電量，然后再根據需要對變換后的電信號進行某些處理，最后以適當的形式輸出。2/4/20234檢測與轉換技術傳感器直接與被測對象發生聯系，它的功能是將被測參數直接或間接轉換成電信號。它的好壞直接影響檢測裝置的質量，是檢測裝置的重要部件；傳感器往往也被稱為敏感元件或一次元件。2/4/20235檢測與轉換技術中間變換裝置根據不同情況有很大的伸縮性。在簡單的檢測系統中可能完全省略，將傳感器的輸出直接進行顯示或記錄（比如由熱電偶和毫伏表組成的測溫系統）。大多數測試系統而言，中間變換環節是必不可少的。信號的變換包括：放大，調制、解調、濾波等等。功能強大的檢測系統往往還要將計算機作為一個中間變換環節，以實現諸如波形存儲、數據采集、非線性校正和消除系統誤差等功能。遠距離測量時還需要數據傳輸裝置。

2/4/20236檢測與轉換技術機床軸承故障監測系統中的中間變換裝置由帶通濾波器、A/D變換和計算機中的FFT分析軟件三部分組成。測試系統中傳感器為加速度計，它負責將機床軸承振動信號轉換為電信號；帶通濾波器用于濾除傳感器測量信號中的高、低頻干擾信號和對信號進行放大，A/D信號采集卡用于對放大后的測量信號進行采樣，將其轉換為數字量；FFT（快速傅里葉變換）分析軟件則對轉換后的數字信號進行FFT變換，計算出信號的頻譜；最后由計算機顯示器對頻譜進行顯示。另外，測試系統的測量分析結果還可以和生產過程相連，當機床振動信號超標時發出報警信號，防止加工廢品的產生。2/4/20237檢測與轉換技術傳感器變送器顯示器A/D被測參數參數顯示電信號標準電信號變送器分為電流輸出型和電壓輸出型。電壓輸出型變送器具有恒壓源特性，輸入阻抗很高。如果變送器距離PLC較遠，通過線路間的分布電容和分布電感產生的干擾信號電流，在模塊的輸入阻抗上將產生較高的干擾電壓。例如1A干擾電流在10M輸入阻抗上將產生10V的干擾電壓信號，所以遠處傳送模擬量電壓信號時抗干擾能力很差。電流輸出型變送器具有恒流源的性質，內阻很大，輸入阻抗較小(例如250)。線路上的干擾信號在模塊的輸入端阻抗上產生的干擾電壓很低，所以模擬量電流信號適合于遠程傳送。2/4/20238檢測與轉換技術——檢測儀表的工作特性檢測儀表的工作特性-----能滿足被測參數測量和系統運行需要而應具有的儀表輸入/輸出特性。通過量程與零點的調整與遷移來實現。

2/4/20239檢測與轉換技術——檢測儀表的工作特性被測參數經傳感器進入變送器，經變送器輸出標準信號。兩者為單值關系且呈一定比例關系。被測量量程被測量上、下限偏差值to儀表工作特性信號輸出上、下限偏差2/4/202310檢測與轉換技術——檢測儀表的工作特性根據儀表的工作特性，可以由變送器輸出的任一信號大小，確定該信號所對應的被測參數值：一個DDZ-III型溫度檢測儀表(輸出范圍為420mA)，其測溫范圍為50150C。用其檢測一個物體溫度，測得與其配接的變送器輸出信號為12mA，該物體溫度是多少？2/4/202311檢測與轉換技術——檢測儀表的工作特性量程調整零點調整與零點遷移a)零點調整b)正零點遷移c)負零點遷移2/4/202312檢測與轉換技術——測量誤差——類型明顯偏離真值的誤差稱為粗大誤差，也叫過失誤差。粗大誤差主要是由于測量人員的粗心大意及電子測量儀器受到突然而強大的干擾所引起的。如測錯、讀錯、記錯、外界過電壓尖峰干擾等造成的誤差。就數值大小而言，粗大誤差明顯超過正常條件下的誤差。當發現粗大誤差時，應予以剔除。粗大誤差2/4/202313檢測與轉換技術——測量誤差——類型指檢測儀表本身或其他原因引起的有規律的誤差，它反映了測量值偏離真值的程度。來源主要有：儀表的示值不準（如刻度分度差錯），零值誤差（如零點漂移），儀表的結構誤差（如電子元器件老化）等，由儀表引入的系統誤差；者由實驗者造成的服從一定規律的誤差；由于實驗條件不能滿足理論公式或測量方法產生的誤差。系統誤差是有規律性的，因此可以通過實驗的方法或引入修正值的方法計算修正，也可以重新調整測量儀表的有關部件予以消除。系統誤差2/4/202314檢測與轉換技術——測量誤差——類型在相同條件下對同一被測參數進行多次重復測量，各測量值之間存在差異，這種誤差的絕對值及符號是不確定的，稱為隨機誤差。它服從一定的統計規律，因此可以通過測量增加次數，利用概率論和統計學方法，對測量結果進行統計處理，從而減小其對測量結果的影響。隨機誤差2/4/202315檢測與轉換技術——測量誤差——類型當測量參數隨時間迅速變化時，由于檢測元件中的各種運動關系和能量轉換，使檢測儀表的測量值不能及時跟隨被測參數的變化而產生的誤差，稱為動態誤差。由于檢測儀表工作在閉合控制系統中，所有其動態特性會直接影響整個系統的控制品質。動態誤差2/4/202316檢測與轉換技術——測量誤差——絕對誤差讀數絕對誤差：測量值：儀表讀數真實值儀表的最大絕對誤差

：真值是無法得到的，常用精度更高的儀器示值A來近似代替：讀數絕對誤差：2/4/202317檢測與轉換技術——測量誤差——相對誤差實際相對誤差：示值相對誤差：引用相對誤差：！！為減少儀表讀數誤差，儀表應盡量工作在量程的70%-80%。注：2/4/202318檢測與轉換技術——檢測儀表的性能指標精密度 在相同條件下，對同一個量進行重復測量時，這些測量值之間的相互接近程度即分散程度，它反映了隨機誤差的大小。準確度 它表承測量儀器指示值對真值的偏離程度，它反映了系統誤差的大小。精確度是精密度和準確度的綜合反映，它反映了系統綜合誤差的大小，常用測量誤差的相對值表示。2/4/202319精度等級：

按國家統一規定的允許誤差大小劃分成的等級。精度等級常以一定符號內的數字標明，在儀表面上。我國儀表精度等級為：0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0等級數越小，精度越高。

校驗用標準表多為0.1，0.2級；工業現場多為0.4~0.5級。檢測與轉換技術——檢測儀表的性能指標2/4/202320檢測與轉換技術——檢測儀表的性能指標允許誤差例：某儀表的精度等級為1.5，則允許誤差為±1.5%2/4/202321儀表靈敏度η：儀表指針的線位移或角位移與被測參數的變化之比。反映儀表對被測參數變化的敏感程度。提高靈敏度≠提高精確度！！檢測與轉換技術——檢測儀表的性能指標2/4/202322①圓形表用角位移：②直線形表用角位移：例:量程0~200滿量程指針超過270℃滿量程3000移動距離40mm檢測與轉換技術——檢測儀表的性能指標2/4/202323檢測與轉換技術——檢測儀表的性能指標可靠性：可靠性是反映檢測儀表在規定條件下，在規定時間內是否耐用的一種綜合質量指標。常用的可靠性指標有：平均無故障工作時間平均修復時間有效度：指平均無故障時間與平均無故障時間及平均修復時間之和的比值。2/4/202324靈敏限：指能夠引起儀表指示值（輸出信號）發出變化（動作）的被測參數（輸入信號）的最小（極限）變化量。與靈敏度是不同的概念。檢測與轉換技術——檢測儀表的性能指標2/4/202325檢測與轉換技術——檢測儀表的性能指標某DDZ-III型測溫儀表的測溫范圍為2001200C，出廠前校驗時各點的測量結果如下（單位：

C）：被校表讀數200300400500600700800900100011001200標準表讀數2012984035015996017989021001109812022/4/202326檢測與轉換技術——檢測儀表的性能指標1.該儀表的最大絕對誤差被校表讀數200300400500600700800900100011001200標準表讀數201298403501599701798902100110981202絕對誤差-1+2-3-1+1-1+2-2-1+2-2最大絕對誤差：2/4/202327檢測與轉換技術——檢測儀表的性能指標最大相對誤差：儀表精度為0.3，由于國家規定的精度等級中沒有0.3級儀表，所以該儀表的精度等級選為0.4級。量程：工作特性：2.該儀表的精度等級、量程和儀表的工作特性2/4/2023283.現有該儀表和0.5級200800C兩個測溫儀表，要測600C的溫度，采用哪個測溫儀表好？檢測與轉換技術——檢測儀表的性能指標采用該儀表時，可能出現的最大示值相對誤差為：采用0.5級200800C儀表時，可能出現的最大示值相對誤差為：可見，用量程范圍適當的0.5級儀表測量，能得到比量程范圍大的0.4級儀表更準確的結果。2/4/202329檢測與轉換技術——檢測儀表的性能指標因此，在選用儀表時，應根據被測參數的大小，在滿足被測參數測量范圍的前提下，應盡可能選擇量程小的儀表，并使測量值大于所選儀表滿刻度的三分之二。2/4/202330標準值0992023043985026047058008951000測量值01002003004005006007008009001000有一支溫度計，其量程范圍為0~1000℃,精度為0.5級，其標尺上、下限偏轉角為270o。0+1-2-4+2-2-4-50+50檢測與轉換技術——檢測儀表的性能指標2/4/202331檢測與轉換技術——檢測儀表的性能指標4.對于202℃這一點，相對誤差對于895℃這一點，相對誤差1.2.最大相對誤差：3.靈敏度2/4/202332溫度：表征物體冷熱程度的一個物理量。名稱符號單位絕對零點冰融點水沸點人體體溫華氏F℉-459.6732212100攝氏C℃-273.15010037.5開氏TK0273.15373.15

F=1.8℃+32

K=℃+373.15溫標：將溫度數值化的一套規則和方法。檢測與轉換技術——溫度檢測與變送2/4/202333通過熱輻射來測溫，不會破壞被測介質的溫度場，誤差小，反應速度快；測溫上限原則上不受限制；易受被測物體熱輻射率及環境因素（物體與儀表間的距離、煙塵和水汽等）的影響。檢測與轉換技術——溫度檢測與變送——分類接觸式非接觸式接觸測量，簡單、可靠、精度高；測溫元件有時可能破壞被測介質的溫度場或與被測介質發生化學反應；因受到耐高溫材料的限制，測溫上限有界。2/4/202334檢測與轉換技術——溫度檢測與變送——分類類型型式原理測溫范圍(℃)準確度(℃)特點常用種類接觸式膨脹式膨脹-200~6500.1~5結構簡單，響應速度慢，適于就地測量汞溫度計雙金屬式溫度計壓力表式壓力-20~6000.5~5具有防爆能力，響應速度慢，測量精度低，適于遠距離傳送液體壓力溫度計蒸汽壓力溫度計熱電阻熱阻效應-200~8500.01~5響應速度較快，測量精度高，適于低、中溫度測量，輸出信號能遠距離傳送鉑電阻溫度計銅電阻溫度計熱敏電阻溫度計熱電偶熱電效應-200~18002~10響應速度快，測量精度高，線性度差，適于中、高溫度測量，輸出信號能遠距離傳送N型、K型、E型、J型、T型、B型等非接觸式輻射式熱輻射100~30001~20響應速度快，線性度差，適于中、高溫度測量，測量精度易受環境影響輻射溫度計光電高溫計紅外測溫計2/4/202335檢測與轉換技術——溫度檢測與變送——分類舉例膨脹式溫度計---基于物體受熱時產生體積膨脹.雙金屬式溫度計--用兩種膨脹系數不同的金屬片疊焊在一起制成螺旋形。溫度越高，產生的膨脹長度差越大，引起的彎曲角度越大。2/4/202336輻射式溫度計---根據物體的熱輻射特性，物體的輻射能通過光學系統中的透鏡聚焦到檢測元件，再通過熱敏元件或光敏元件將其轉換成電信號，經過信號處理電路，輸出與被測溫度相對應的響應信號，從而實現對不同溫度范圍的測量。檢測與轉換技術——溫度檢測與變送——分類舉例2/4/202337檢測與轉換技術——溫度檢測與變送——熱電偶將兩種不同材質的導體或半導線在其端點實現物理接觸；當回路兩端溫度不同時，回路中出現電勢差。這種將熱能轉換成電能的現象稱為熱電效應。AB熱電偶產生的直流熱電勢與溫度有準確的單值對應關系，且幅值不超過幾十毫伏。熱電偶------基于熱電效應實現溫度檢測.2/4/202338檢測與轉換技術——溫度檢測與變送——熱電偶冷端熱端AB熱電偶的總熱電動勢=接觸電動勢+溫差電動勢工作原理2/4/202339檢測與轉換技術——溫度檢測與變送——熱電偶熱電偶的熱電特性----當熱電偶材質確定且冷端溫度恒定時，熱端溫度與熱電動勢之間呈單值函數關系在實際使用中，只要保持冷端溫度為t0，根據儀表測得的熱電動勢EAB(t,t0)，就計算出被測溫度t或者通過分度表查出所對應的被測溫度t。實踐證明，在熱電偶回路中起主要作用的是接觸電動勢，溫差電動勢只占極小部分，可以忽略不計，則：工作原理2/4/202340檢測與轉換技術——溫度檢測與變送——熱電偶中間導體定律在熱電偶回路中接入第三種導體，只要第三種導體的兩接點溫度相同，則回路中總的熱電動勢不變。2/4/202341檢測與轉換技術——溫度檢測與變送——熱電偶可以用同樣的方法證明，斷開熱電偶的任何一個極，用第三種導體引入測量儀表，其總電動勢也是不變的。

這種性質在實用上有著重要的意義，可以方便地在回路中直接接入各種類型的顯示儀表或調節器；也可以將熱電偶的兩端不焊接而直接插入液態金屬中或直接焊在金屬表面進行溫度測量。

中間導體定律2/4/202342檢測與轉換技術——溫度檢測與變送——熱電偶熱電偶回路兩接點（溫度為t、t0）間的熱電勢，等于熱電偶在溫度為t、tc時的熱電勢與在溫度為tc、t0時的熱電勢的代數和。tc稱中間溫度。中間溫度定律2/4/202343檢測與轉換技術——溫度檢測與變送——熱電偶中間溫度定律查分度表求得

測量的熱電動勢應用：2/4/202344檢測與轉換技術——溫度檢測與變送——熱電偶用鎳鉻-鎳硅(K型)熱電偶測爐溫。當熱電偶的冷端溫度為40時，測得的熱電動勢為35.72mV，問：被測爐溫為多少？再反向查分度表，可知37.331mV所對應的溫度為t=900.1C，即被測爐溫為900.1C中間溫度定律查閱K型熱電偶分度表，可知：2/4/202345冷端溫度補償---熱電偶只有在冷端溫度保持不變時，才能保證熱電動勢與被測溫度之間呈單值函數關系。---熱電偶的分度表一般是在冷端溫度t0=0℃情況下測定。熱電偶的冷端必須保持恒定（0℃），以避免測量誤差。檢測與轉換技術——溫度檢測與變送——熱電偶2/4/202346檢測與轉換技術——溫度檢測與變送——熱電偶冷端處理方法一:用冰水混合物保持在0℃2/4/202347檢測與轉換技術——溫度檢測與變送——熱電偶補償導線法補償導線是用熱電特性與熱電偶相近的材料制成的導線。根據中間導體定律，用補償導線將熱電偶的冷端延長至控制室等需要的地方，可以使熱電偶的冷端遠離熱源，從而保證冷端穩定，不會對熱電偶回路引入超出允許的附加測量誤差。補償導線法在使用時需要注意：補償導線只能與相應型號的熱電偶配套使用，可參考國際電工委員會指定的標準；補償導線與熱電偶連接處的兩個接點溫度應相同；連接補償導線時要注意區分正負極，使其分別于熱電偶的正負極相對應連接；補償導線連接端的工作溫度范圍不能超過0100C，否則會給測量帶來誤差。2/4/202348檢測與轉換技術——溫度檢測與變送——熱電偶電橋補償法熱敏銅質電阻電位器只要選取銅電阻，使得：則無論冷端溫度如何變化，電橋產生的不平衡電壓正好補償冷端溫度變化引起的熱電動勢變化：使回路電動勢只與被測溫度有關。2/4/202349檢測與轉換技術——溫度檢測與變送——熱電偶常用工業熱電偶類型

熱電偶名稱分度號測溫范圍（℃）特點適用場合鉑銠10-鉑S0~1700熱電性能穩定，抗氧化性強，測溫范圍廣，測量精度高，線性差，價格高精密測量；有氧化性、惰性氣體環境鉑銠30-鉑銠6B0~1700測溫上限高，穩定性好，抗氧化性強，線性較差，價格高高溫測量；不適用于還原性氣體環境鎳鉻-鎳硅K-200~+1300測溫范圍寬、線性好、熱電動勢大，價格低，但穩定性較B型或S型熱電偶差中高溫測量鎳鉻-康銅E-200~+1000熱電動勢較大，耐磨蝕，價格低，中低溫測量穩定性好中低溫測量；有氧化性、惰性氣體環境鐵-康銅J-200~+1300價格便宜，熱電動勢較大化工過程溫度測量銅-康銅T-200~+400精度高，價格低，但銅易氧化低溫測量鎳鉻硅-鎳硅N-200~+1300在相同條件下，尤其在1100~1300℃的高溫條件下，高溫穩定性及使用壽命較K型熱電偶好，性能與S型熱電偶近似，但價格較小在測溫范圍內，有全面代替廉價金屬熱電偶和部分S型熱電偶的趨勢鉑銠13-鉑R0~1700與S型熱電偶性能相似，熱電動勢較大S型熱電偶相似環境2/4/202350檢測與轉換技術——溫度檢測與變送——熱電阻熱電阻適用于<500C的中、低溫度測量。測量精度高、性能穩定、靈敏度高，不需要冷端補償；輸出為電信號，可以實現遠距離傳送和自動控制。利用金屬導體或半導體的電阻值隨溫度變化而改變的性質來實現溫度測量電阻溫度系數

α描述溫度每變化1℃時熱電阻阻值的相對變化量。金屬熱電阻，α>0,即電阻值隨著溫度的升高而增加.半導體熱電阻，其溫度系數α可正可負，且線性度差.工作原理及其特點2/4/202351檢測與轉換技術——溫度檢測與變送——熱電阻不適用于測量體積小和溫度瞬變對象的溫度。熱電阻熱電偶較大空間的平均溫度點溫度冷端溫度補償與橋式電路配接中、低溫區穩定性好、準確度高測溫上限高工作原理及其特點2/4/202352檢測與轉換技術——溫度檢測與變送——熱電阻金屬熱電阻應具備的特性：①電阻溫度系數較大且穩定，測溫靈敏度高；②電阻率大,從而在相同靈敏度下減小元件的尺寸；③電阻值與溫度之間呈單值關系；④具有化學穩定性和耐熱性。常用金屬熱電阻目前世界上用作熱電阻的材料主要有鉑、銅及鎳；我國鎳儲量較少，故只采用鉑、銅兩種金屬熱電阻。2/4/202353檢測與轉換技術——溫度檢測與變送——熱電阻常用金屬熱電阻0200400600800-2001234CuPtNit/℃價格便宜，線性程度好，但溫度高易于氧化。精度高、穩定性好、性能可靠、耐氧化能力強、測溫范圍寬。但電阻溫度系數比較小，電阻值與溫度之間呈非線性關系，且價格較貴。2/4/202354檢測與轉換技術——溫度檢測與變送——熱電阻熱電阻引線熱電阻接入結構一:二線制熱電阻位于熱溫現場，而儀表顯示或變送位于遠離現場的部分，兩者之間的連線電阻會對熱電阻精度構成影響。理想值r的影響不容忽視。誤差實際值2/4/202355檢測與轉換技術——溫度檢測與變送——熱電阻熱電阻引線電橋平衡時：熱電阻接入結構二:三線制

避免或減少導線電阻對測溫的影響.2/4/202356檢測與轉換技術——溫度檢測與變送——熱電阻熱電阻引線熱電阻接入結構二:四線制

在熱電阻感溫元件的兩端各連接兩根導線的引線方式稱為四線制。其中，兩根引線為熱電阻提供恒流源；在熱電阻上產生的壓降通過另兩根引線引至電位計進行測量。這種方式能完全消除引線電阻的附加影響，且在連接導線阻值相同時，還可以消除連接導線的影響，因此，主要用于高精度的溫度測量。2/4/202357檢測與轉換技術——溫度檢測與變送——熱電阻半導體熱敏電阻靈敏度高；體積小；反應快速；且Rt>>R（連線電阻），可以采用長距離連線；互換性、穩定性不好，有非線性；應用受限。由多種金屬氧化物按比例燒結成的半導體構成。2/4/202358檢測與轉換技術——溫度檢測與變送——熱電阻半導體熱敏電阻04080120160180107106105104103102101PTC正溫度系數:在某區段靈敏度高，適于位式溫度傳感器。NTC負溫度系數:線性度好，用于連續變化溫度場合.PTC2/4/202359檢測與轉換技術——溫度檢測與變送—集成溫度傳感器利用pn結的伏安特性與溫度之間的關系研制的一種固態傳感器。特點：體積小；熱慣性小、反應快；測溫精度高；穩定性好；價格低等。分電壓型和電流型兩種：電壓型溫度系數約10mV/C；電流型溫度系數約1μA/C。2/4/202360檢測與轉換技術——溫度檢測與變送—集成溫度傳感器AD590兩端元件；供電電壓：直流（+4~+30V），1.5mW(+5V)；高阻抗（710MΩ）輸出；0C時輸出273.2μA；溫度系數1μA/C；測溫范圍-55~+150C；使用范圍廣泛。2/4/202361檢測與轉換技術—溫度檢測與變送—DDZ-III型溫度變送器功能：與各種熱電偶、熱電阻配合使用，將被測溫度轉換成統一的標準電流（電壓），作為顯示儀表，調節器或計算機模擬輸入采集的輸入，以實現被測溫度的顯示、記錄或控制。根據與傳感器配接電路的不同，具有熱電偶、熱電阻和毫伏輸入三種形式。2/4/202362模數和數模轉換2/4/202363模數和數模轉換將模擬量轉換為數字量的過程稱為模/數(AnalogtoDigital)轉換，簡稱A/D轉換。實現A/D轉換的電路稱為模/數轉換器(AnalogtoDigitalConverter)，簡稱ADC。把數字量轉換為模擬量的過程稱為數/模(DigitaltoAnalog)轉換，簡稱D/A轉換。完成D/A轉換的電路稱為數/模轉換器(DigitaltoAnalogConverter)，簡稱DAC。2/4/202364模數和數模轉換——ADC基本工作原理A/D轉換是將模擬信號轉換為數字信號，轉換過程通過采樣、保持、量化和編碼四個步驟完成。2/4/202365模數和數模轉換——ADC基本工作原理將時間上連續變化的信號，轉換為時間上離散的信號，即將時間上連續變化的模擬量轉換為一系列等間隔的脈沖，脈沖的幅度取決于輸入模擬量。采樣2/4/202366模數和數模轉換——ADC基本工作原理模擬信號經過采樣后，得到一系列樣值脈沖。采樣脈沖寬度一般是很短暫，在下一個脈沖到來之前，應暫時保持所取得的樣值脈沖幅度，以便進行轉換。因此，在采樣電路之后須加保持電路。保持2/4/202367模數和數模轉換——ADC基本工作原理量化輸入的模擬電壓經過采樣保持后，得到的是階梯波。該階梯波仍是一個可以連續取值的模擬量。量化：設數字量的位數為n，將滿量程（FSR）電壓值（由參考電壓VR設定的）分為2n等分，然后將采樣所得的模擬量與這些分層進行比較，落在哪個分層內，便量化為相應的數字量而n位數字量只能表示2n個數值，因此，用數字量來表示連續變化的模擬量時就有一個類似于四舍五入的近似問題。量化單位q：每個分層所包含的最大值和最小值之差假設：參考電壓5V，8位數字量q=電壓量程范圍/2n=5.0V/256≈0.019V=19mV2/4/202368模數和數模轉換——ADC基本工作原理編碼用二進制數碼來表示各個量化電平的過程稱為編碼。自然二進制編碼雙極性二進制編碼2/4/202369t0t1t2t3t4t5t6t7t76543210幅度模數和數模轉換——ADC基本工作原理采樣，量化，編碼采樣3.75.76.56.65.23.21.71.1量化35665311編碼0111011101101010110010012/4/202370分辨率表示輸出數字量變化一個最低有效位（LeastSignificantBit——LSB）所對應的輸入模擬電壓的變化量。n為數字量的二進制位數模數和數模轉換——ADC主要性能例如，A/D轉化器的輸出為12位二進制數，最大輸入模擬電壓為10V，則其分辨率為：滿量程電壓量化單位q就是ADC的分辨率，一般用位數n來間接表示分辨率。分辨率2/4/202371模數和數模轉換——ADC主要性能相對分辨率A／D轉換器分辨率與位數之間的關系(滿量程電壓為10V)

位數

級數

相對分辨率（1LSB）

分辨率（1LSB）

810121416

256102440961638465536

0.391%0.0977%0.0244%0.0061%0.0015%

39.1mV9.77mV2.44mV0.61mV0.15mV2/4/202372模數和數模轉換——ADC主要性能例：某信號采集系統要求用一片ADC在1s內對16個熱電偶的輸出電壓進行轉換。已知熱電偶輸出電壓范圍為025mV(對應于0450C溫度范圍)，需分辨的溫度為0.1C，問應選擇幾位的A/D轉化器？其轉換時間至少要求多少？相對分辨率2/4/202373模擬量是連續的，而數字量是斷續的，當A/D轉換器的位數固定后，這種由A/D轉換器有限分辨率所造成的真實值與轉換值之間的誤差稱為量化誤差。量化帶內的任意采樣輸入電壓都是產生同一數字量。量化誤差：實際模擬輸入電壓理想模擬輸入電壓理想模擬輸入電壓定義為量化帶中點對應的模擬輸入電壓值一般量化誤差為0.5LSB。模數和數模轉換——ADC主要性能采樣電壓0112233445566778理想電壓0.51.51.53.54.55.56.57.5編碼000001010011100101110111量化誤差2/4/202374模數和數模轉換——ADC主要性能相對量化誤差量化誤差和分辨率是統一的，即提高分辨率可以減小量化誤差。2/4/202375模數和數模轉換——ADC主要性能轉換精度轉換精度是指輸出數字量所對應的模擬電壓的實際值與理想值之差。2/4/202376模數和數模轉換——ADC主要性能精度和分辨率是兩個不同的概念：

①精度是指轉換后所得結果相對于實際值的準確度；②分辨率是指轉換器所能分辨的模擬信號的最小變化值。2/4/202377(3)轉換時間：指A/D轉換器完成一次A/D轉換所需時間。轉換時間越短，適應輸入信號快速變化能力越強。其倒數是轉換速率。(4)溫度系數：是指A/D轉換器受溫度影響的程度。一般用環境溫度變化1℃所產生的相對誤差來表示，單位是PPM/℃(10-6/℃)。模數和數模轉換——ADC主要性能2/4/202378模數和數模轉換——逐次逼近式ADC模擬輸入Ui+-A去碼/留碼邏輯環形計數器數據寄存器時序與邏輯控制D／A轉換器數字量輸出鎖存器基準電源UREFUf=UREF(a12-1+a22-2+…+an2-n)并行數字量輸出SAR比較器結構2/4/202379工作原理設定在SAR中的數字量經D／A轉換器轉換成反饋電壓Uf；SAR

順次逐位加碼控制

Uf的變化；Uf與等待轉換的模擬量Ui進行比較，大則棄，小則留，逐次逼近；最終留在SAR

的數據寄存器中的數碼作為數字量輸出。模數和數模轉換——逐次逼近式ADC2/4/202380工作過程設8位逐次逼近寄存器SAR，基準電壓10.24V，模擬輸入電壓8.3VtU123456781.02410.24Ui5.127.688.968.328.08.168.248.288.30V時鐘脈沖12345678模數和數模轉換——逐次逼近式ADC2/4/202381工作過程8位逐次逼近A／D轉換過程

次數

SAR中的數碼D/Ａ產生的

(V)

去／留碼判斷

本次操作后SAR

中的數碼

12345678

100000001000000111000001101000011001000110011001100111011001111

5.127.688.968.328.08.168.248.28

，留1，留1，留0，留0，留1，留1，留1，留1

1000000011000000110000001100000011001000110011001100111011001111模數和數模轉換——逐次逼近式ADC2/4/202382經過8

次比較之后，SAR的數據寄存器中所建立的數碼11001111即為轉換結果。數碼對應的反饋電壓Uf=8.28V，它與輸入的模擬電壓Ui=8.3V相差0.02V，不過兩者的差值已小于1LSB所對應的量化電壓0.04V。逐次逼近式A／D轉換器的轉換結果通過數字量輸出鎖存器并行輸出。工作過程模數和數模轉換——逐次逼近式ADC2/4/202383模數和數模轉換——DAC基本工作原理DAC一般由數碼緩沖寄存器、模擬電子開關、參考電壓、解碼網絡和求和電路等組成。數字量以并行或串行方式輸入，并存儲在數碼緩沖寄存器中；寄存器輸出的每位數碼管驅動對應對應數位上的電子開關，將在解碼網絡中獲得的相應數位取值送入求和電路；求和電路將各位權值相加，便得到與數字量對應的模擬量。2/4/202384模數和數模轉換——DAC基本工作原理d1-+d3d2d4I3I2I1S2S1I4S4S3IoRfVOVRR4R2R8R①Si：電子模擬開關，R：片內權電阻di=1，Si閉合di=0，Si斷開2/4/202385模數和數模轉換——DAC基本工作原理可以用二進制數字控制開關的通斷，不同組合→不同的電流信號d1加權最大，為最高有效位MSB；dn加權最小，為最小有效位LSB2/4/202386模數和數模轉換——DAC基本工作原理②理想運放(虛短、虛斷）若已知Rf、R、d1d2d3…dn，即可得VOR-2R電阻網絡，Rf=R/2，2/4/202387模數和數模轉換——DAC主要性能(1)分辨率：DAC常用分辨率來表示分辨最小電壓的能力。分辨率等于DAC所能分辨的最小輸出電壓和最大輸出電壓之比。最小輸出電壓是指輸入數字量只有最低有效位為1時的輸出電壓，最大輸出電壓是指輸入數字量各位為全1時的輸出電壓。例：若ADC的最大輸出電壓為10V，要想使轉換誤差在10mV以內，應選多少位DAC？要想轉換誤差在10mV以內，就必須能分辨出10mV電壓。210=1024，至少需要10位DAC。2/4/202388模數和數模轉換——DAC主要性能(2)轉換精度DAC的轉換精度是指輸出模擬電壓的實際值與理想值之差。(3)轉換速度從輸入的數字量發生突變開始，到輸出電壓進入與穩定值相差0.5LSB范圍所需要的時間。(4)溫度系數在輸入不變的情況下，輸出模擬電壓隨溫度變化的變化量。2/4/202389S7-300PLC模擬量處理生產過程中有大量的連續變化的模擬量需要PLC來測量和控制：非電量：例如溫度、壓力、流量、頻率等。強電電量：例如發電機的電流、電壓、有功功率、無功功率和功率因素等。S7-300PLC的模擬量I/O模塊包括模擬量輸入模塊SM331，模擬量輸出模塊SM332，模擬量輸入/輸出模塊SM334和SM335。2/4/202390S7-300PLC模擬量處理——模擬量模板的用途生產過程物理量標準的模擬信號傳感器變送器?壓力?溫度?流量?速度?pH值?粘性?等±500mV±1V±5V±10V±20mA4...20mA等DAC

PQW...PQW...:::PQW...模擬量輸出模板MR模塊ADC結果存儲器PIW...PIW...:::PIW...模擬量輸入模板CPU::::::LPIW304TPQW320:模擬執行器

物理量......................................2/4/202391S7-300PLC模擬量處理——模擬量輸入模塊示意圖各模擬量輸入通道共用一個A/D轉換器，用多路開關切換。各通道轉換過程和轉換結果的存儲是順序進行的。2/4/202392S7-300PLC模擬量處理——模擬量輸出模塊示意圖2/4/202393S7-300PLC模擬量處理——量程卡測量的類型：通過量程卡上的適配開關可以設定測量的類型和范圍。允許的設置為“A”，“B”，“C”和“D”。量程卡安放在模板的左側，每兩個通道為一組，共用一個量程卡。如圖模塊有8個通道，因此有4個量程卡。沒有量程卡的模擬量模板具有適應電壓和電流測量的不同接線端子，這樣，通過正確地連接有關端子可以設置測量的類型。2/4/202394如果模擬量模板的分辨率小于15位，則模擬量寫入累加器時向左對齊。不用的位用“0”填充。SM331模板積分時間、分辨率和擾動頻率抑制三者的關系分辨率參數數據積分時間/ms2.516.620100干擾抑制頻率/Hz400605010精度/bit(包括符號位)9121214S7-300PLC模擬量處理——模擬量模板的參數設置SM335輸入信號的分辨率為13位+符號，模擬輸出為11位+符號。2/4/202395雙擊S7-300PLC模擬量處理——模擬量模板的參數設置輸入測量范圍的選擇2/4/202396SM335(輸入)SM331S7-300PLC模擬量處理——模擬量模板的參數設置輸入模塊設置2/4/202397輸入測量范圍的選擇：電壓、電流雙極性：±80mV，±2.5V，±3.2mA，±250mV，±5V，±10mA，±500mV，±10V，±20mA，±1V轉換結果的額定范圍-27648到+27648。單極性：0to2V，0to20mA，1to5V，4to20mA轉換結果的額定范圍0到+27648。S7-300PLC模擬量處理——模擬量模板的參數設置不使用的輸入必須在硬件上短路連接同時在軟件上不激活（“deactivated”）。不激活的模擬輸入可以減少循檢時間。2/4/202398可設置的電阻值的范圍：

0to150Ohm，0to300Ohm，0to600Ohm

轉換結果的額定范圍0到+27648。

溫度：熱電阻或熱電偶來測量。轉換結果的額定值用溫度的十倍值來表示：

傳感器： 溫度范圍： 轉換結果的額定范圍：

? Pt100 -200to+850oC -2000to+8500

? Ni100 -60to+250oC -600to+2500

? K型熱電偶 -270to+1372oC -2700to+13720

? N型熱電偶 -270to+1300oC -2700to+13000

? J型熱電偶 -210to+1200oC -2100to+12000

? E型熱電偶 -270to+1000oC -2700to+10000.輸入測量范圍的選擇：電阻、溫度S7-300PLC模擬量處理——模擬量模板的參數設置2/4/202399SM335(輸出)SM332S7-300PLC模擬量處理——模擬量模板的參數設置輸出模塊設置2/4/2023100輸出電壓電流的選擇S7-300PLC模擬量處理——模擬量模板的參數設置-27648到+27648可轉換為雙極性電壓或電流的額定范圍：±10V，±20mA0到+27648可轉換為單極性的電壓或電流的額定范圍：0到10V，1到5V，0到20mA，4到20mA如果被轉換的數值超限，模擬輸出模板被禁止(0V,0mA)。不用的輸出通道在硬件上必須保持開路（與模擬輸入不同），在軟件上不激活（“deactivated”）。2/4/2023101選擇輸出如何響應CPUSTOP的情況（不是每種模板所有設置都可能）。?切到替代值(SV)——缺省的替代值被置為”0”;也就是，所有的輸出被斷開。可以在“替代值”行中為每個輸出設置替代值。替代值必須處于額定范圍內。?保持最后值(KLV)——模板是否保持CPU進入STOP模式前輸出最后值。?無電壓或電流輸出(OCV)——模板是否在CPUSTOP時斷開輸出(V/I=0V/mA)。S7-300PLC模擬量處理——模擬量模板的參數設置CPUSTOP響應2/4/2023102S7-300PLC模擬量處理——模擬量的表達方式模擬量用補碼的形式表達：第15位=0為正數，第15位=1為負數。范圍超上限超上界額定范圍超下界超下限測量范圍±10V電壓例如：>=11.75911.7589:

10.000410.007.50

0-7.50-10.00-10.0004:

-11.759<=-11.76單位3276732511:

276492764820736

0-20736-27648-27649:

-32512-32768測量范圍4..20mA電流例如：>=22.81522.810:

20.000520.00016.000

::4.0003.9995:

1.1852<=1.1845單位3276732511:

276492764820736

::0-1:

-4864-32768測量范圍-200...+850oC溫度例如

Pt100單位3276710000:

85018500:

::-2000-2001:

-2430-32768>=1000.11000.0:

850.1850.0:

::-200.0-200.1:

-243.0<=-243.1測量范圍0...300Ohm電阻例如：>=352.778352.767:

300.011300.000225.000

::0.000不允許負值單位3276732511:

276492764820736

::0-32768-1:

-4864在不同測量范圍下模擬量的表達方式2/4/2023103S7-300PLC模擬量處理——模擬量的表達方式模擬輸出量的表達方式范圍超上限超上界額定范圍超下界超下限單位>=3276732511:

2764927648:

0:-6912-6913:::-27648-27649:

-32512<=-32513

輸出范圍：電壓011.7589:

10.000410.0000:

00to10V1to5V05.8794:

5.00025.0000:

1.0000011.7589:

10.000410.0000:

0:::::::-10.0000-10.0004:

-11.75890±10V00.9999

00輸出范圍：

電流023.515:

20.000720.000:

00to20mA4to20mA022.81:

20.00520.000:

4.000023.515:

20.000720.000:

0:::::::-20.000-20.007:

-23.5150±20mA03.9995

002/4/2023104S7-300PLC模擬量處理——模擬量模板的尋址S7-300為模擬量輸入和輸出保留了特定的地址區域，地址范圍從字節256到767，每個模擬量通道占2字節。每個模擬量模板占用16個字節的訪問區域。槽位決定模板的起始地址號碼。用裝載和傳送指令來訪問模擬模板：例如：指令“LPIW322”讀取機架0上第8號槽的第二通道。

M號機架的N號槽的模擬量模塊的起始字節地址為：128M+(N-4)16+256在程序中對模擬量輸入地址的訪問

2/4/2023105S7-300PLC模擬量處理——模擬量模板的尋址IM256

to270336

to350352

to366368

to382304

to318320

to334272

to286288

to302(發送)槽口號 234567891011384

to398400

to414432

to446448

to462464

to478480

to494496

to510416

to430機架1機架0電源模板IM(接收)

電源模板CPU512

to526528

to542544

to558560

to574576

to590592

to606608

to622624

to638機架2IM(接收)

電源模板機架3640to654656to670672to686688

to702704

to718720

to734736

to750752

to766IM(接收)

電源模板2/4/2023106實際的工程量，如壓力、溫度、流量、物位等要采用各種類型傳感器進行測量。傳感器將輸出標準電壓、電流、溫度、或電阻信號供PLC采集，PLC的模擬量輸入模板將該電壓、電流、溫度、或電阻信號等模擬量轉換成數字量——整形數(INTEGER)。在PLC程序內部要對相應的信號進行比較、運算時，常需將該信號轉換成實際物理值（對應于傳感器的量程）。而經程序運算后得到的結果要先轉換成與實際工程量對應的整形數，再經模擬量輸出模板轉換成電壓、電流信號去控制現場執行機構。這樣就需要在程序中調用功能塊完成量程轉換。S7-300PLC模擬量處理——模擬量的規范化2/4/2023107如一個壓力調節回路中，壓力變送器輸出4-20mADC信號到SM331模擬量輸入模板，SM331模板將該信號轉換成0-27648的整形數。然后在程序中要調用FC105將該值轉換成0-10.0MPa的工程量（實數）。經PID運算后得到的結果仍為實數，要用FC106轉換為對應閥門開度0-100%的整形數0-27648后，經SM332模擬量輸出模板輸出4-20mADC信號到調節閥的執行機構。

S7-300PLC模擬量處理——模擬量的規范化2/4/2023108單極性輸入模擬量滿量程對應0～27648，雙極性輸入模擬量滿量程對應-27648～+27648。例：壓力變送器的量程為0～10MPa，輸出信號為4～20mA，模擬量輸入模塊的量程為4～20mA，轉換后的數字量為0～27648，設轉換后得到的數字為N，試求以kPa為單位的壓力值。解：0～10MPa(0～10000kPa)對應于轉換后的數字0～27648，轉換公式為：P=10000

N/27648（kPa）根據模擬量輸入模塊的輸出值計算對應的物理量S7-300PLC模擬量處理——模擬輸入量的規范化2/4/2023109例：某溫度變送器的量程為?100℃～500℃，輸出信號為4～20mA，某模擬量輸入模塊將0～20mA的電流信號轉換為數字0～27648，設轉換后得到的數字為N，求以0.1℃為單位的溫度值。單位為0.1℃的溫度值?1000～5000對應于數字量5530～27648，根據比例關系，得出溫度T的計算公式為：根據模擬量輸入模塊的輸出值計算對應的物理量S7-300PLC模擬量處理——模擬輸入量的規范化2/4/2023110例：水罐的液位以升為單位來測量，它的容量是500升。例A顯示當水罐空時傳感器檢測到0V電壓，當水罐滿時傳感器檢測到10V電壓。例B顯示當水罐空時傳感器檢測到-10V電壓，當水罐滿時傳感器檢測到10V電壓。例B測量的液位具有雙倍的分辨率，因為水罐的容量被分配到-27648至+27648更大的范圍單位。規范化：模擬模板-10V至+10V的電壓范圍對應-27648至+27648數值范圍，這個數值范圍轉化為實際物理范圍稱為規范化（或整定）。標準塊FC105用于模擬量的規范化。S7-300PLC模擬量處理——模擬輸入量的規范化2/4/2023111HI_LIM=500.0LO_LIM=0.00雙向(M0.0=′1′)(傳感器也提供負電壓)BHI_LIM=500.0LO_LIM=0.00單向(M0.0=′0′)(傳感器只提供正電壓)AOUTININOUTxx+1Δxx+1ΔS7-300PLC模擬量處理——模擬輸入量的規范化2/4/2023112IN：IN輸入端的模擬值可直接從模板上讀取或從一個INT格式的數據接口上讀取。LO_LIM(下界)和HI_LIM(上界)輸入參數：用于定義規范化的物理量范圍。本例中,轉換為0到500升范圍。OUT：規范化后的值（實際物理量），以實數格式存儲在OUT輸出端(LO_LIM<=OUT<=HI_LIM)。BIPOLAR：BIPOLAR輸入端用來決定是否僅正值或負值也被轉換。如果帶有狀態“0”（單向）的操作數被傳送到該參數，做從0至+27648范圍的規范化。如果帶有狀態“1”（雙向）的操作數被傳送到該參數，做從-27648至+27648范圍的規范化。RET_VAL：如果該程序塊執行無誤，則RET_VAL端輸出為0。S7-300PLC模擬量處理——模擬輸入量的規范化2/4/2023113S7-300PLC模擬量處理——模擬輸入量的規范化SCALE(FC105)功能將一個整形數INTEGER(IN)轉換成上限、下限(LO_LIM，HI_LIM)之間的實際工程值，結果寫到OUT。2/4/2023114AI2AI1重量0至500kg-15V...+15VAI1AI2AO1AO2V010模擬器0...10VPIW304AI模板0...27648QW6DO模板0至500kgBCD顯示1230重量顯示當I0.6=′1′練習：顯示零件重量S7-300PLC模擬量處理——模擬輸入量的規范化2/4/2023115任務：零件在傳送帶終端要被稱重(光柵)。用模擬器的電位器(0至10V)可設置0至500kg的當前重量。當開關(I0.6)被接通時，在BCD數字顯示器顯示當前重量(0至500kg)。只需要每250ms紀錄當前重量。在OB35中編程讀并且顯示當前重量。練習：顯示零件重量S7-300PLC模擬量處理——模擬輸入量的規范化2/4/2023116S7-300PLC模擬量處理——模擬輸出量的規范化示例：用戶程序計算出的0.0到100.0%范圍內的模擬量用FC106轉化為范圍0至27648（單向）或-27648至+27648（雙向）。當轉化的值輸出到模擬輸出模板，該模板將用例如0V至+10V（單向）或-10V至+10V（雙向）的值驅動模擬量執行器（例如伺服閥）。例A顯示當程序值為0%時用0值(0V或0mA)驅動模擬量執行器，當程序值為100%時用最大值(例如+10V或20mA)驅動模擬量執行器。例B顯示當程序值為0%時用最小值(-10V或-20mA)驅動模擬量執行器，當程序值為100%時用最大值(例如+10V或20mA)驅動模擬量執行器。2/4/2023117S7-300PLC模擬量處理——模擬輸出量的規范化2764800.0(LO_LIM)100.0(HI_LIM)INOUT0.0(LO_LIM)100.0(HI_LIM)INOUT27648-27648AB單向(M0.0=′0′)(只提供正電壓給執行器)雙向(M0.0=′1′)(提供正負電壓給執行器)02/4/2023118規范化：程序計算出的值(示例中的百分比)轉化為模擬輸出模板的數值范圍。標準塊FC106用于模擬輸出操作規范化。IN：程序計算出的值必須以REAL格式傳送。LO_LIM(下界)和HI_LIM(上界)：用于定義程序值的范圍。本例中，范圍為0.0%到100.0%。OUT：規范化后的值以INT格式在OUT輸出端輸出。BIPOLAR：用來決定是否僅正值或負值也被轉換。“0”(單向)做從0至+27648范圍的規范化。“1”（雙向），做從-27648至+27648范圍的規范化。RET_VAL： 如果該程序塊執行無誤，則RET_VAL端輸出為0。S7-300PLC模擬量處理——模擬輸出量的規范化2/4/2023119S7-300PLC模擬量處理——模擬輸出量的規范化UNSCALE(FC106)功能將一個上限、下限(LO_LIM，HI_LIM)之間的REAL(IN)轉換成整數，結果寫到OUT。2/4/2023120S7-300PLC模擬量處理——模擬量的規范化2/4/2023121S7-300PLC模擬量處理——設計舉例(攪拌控制系統)2/4/2023122OB1S7-300PLC模擬量處理——設計舉例(攪拌控制系統)2/4/2023123OB1續S7-300PLC模擬量處理——設計舉例(攪拌控制系統)2/4/2023124OB1續S7-300PLC模擬量處理——設計舉例(攪拌控制系統)2/4/2023125OB1續S7-300PLC模擬量處理——設計舉例(攪拌控制系統)2/4/2023126OB1續S7-300PLC模擬量處理——設計舉例(攪拌控制系統)2/4/2023127OB100S7-300PLC模擬量處理——設計舉例(攪拌控制系統)2/4/2023128S7-300PLC模擬量處理——設計舉例(乒乓控制算法)乒乓控制算法要求2/4/2023129S7-300PLC模擬量處理——設計舉例(乒乓控制算法)FC12/4/2023130S7-300PLC模擬量處理——設計舉例(乒乓控制算法)DB1OB12/4/2023131模擬量閉環PID控制——框圖給定測量值控制信號被控量控制量擾動偏差2/4/2023132閉環控制必須保證系統是負反饋，如果系統接成了正反饋，將會失控，被控量會往單一方向增大或減小，給系統的安全帶來極大的威脅。閉環控制系統的反饋極性與很多因素有關，例如因為接線改變了變送器輸出電流或輸出電壓的極性，或改變了位移傳感器(編碼器)的安裝方向，都會改變反饋的極性。可以用下述方法來判斷反饋的極性：在調試時斷開D/A轉換器和執行機構之間的連線，在開環狀態下運行PID控制程序。控制器中有積分環節，因為反饋被斷開了，不能消除余差，D/A轉換器的輸出電壓會向一個方向變化。這時如果接上執行器，能減小誤差，則為負反饋，反之為正反饋。模擬量閉環PID控制——負反饋2/4/2023133通過設置控制器的正反作用形式保證閉環系統負反饋。當控制器的測量y增加時，控制器的輸出u減小，正作用控制器，控制器的放大倍數為正；當控制器的測量y增加時，控制器的輸出u增加，反作用控制器，控制器放大倍數為負。使整個控制系統的開環放大倍數設為負數，可以實現負反饋。模擬量閉環PID控制——負反饋2/4/2023134tty(t)y(t)模擬量閉環PID控制——時域指標2/4/2023135比例放大系數積分時間微分時間控制作用的初始值模擬量閉環PID控制——PID控制算法2/4/2023136不需要被控對象的數學模型結構簡單，容易實現有較強的靈活性和適應性使用方便模擬量閉環PID控制——PID控制算法優點2/4/2023137模擬量閉環PID控制——PID控制算法數字PIDPID調節器D/A被控對象測量元件sp(n)e(n)u(n)c(t)pv(t)+-執行機構變送器A/Du(t)pv(n)PLC周期性地執行PID控制程序，執行的周期稱為采用周期Ts。2/4/2023138模擬量閉環PID控制——PID控制算法數字PID采用數值近似法，用矩形法求定積分，用一階差分近似微分：則當t=kT時：令u(k)與u(k1)相減，可化為遞推形式的u(k)表達式：PID位置控制算法2/4/2023139模擬量閉環PID控制——PID控制算法數字PIDPID增量式控制算法二者的選用主要看執行元件的要求。例如對于調節閥一般用PID位置控制算式，對于步進電機一般用PID增量控制算式。2/4/2023140增大比例系數使系統反應靈敏，調節速度加快，并且可以減小穩態誤差。但是比例系數過大會使超調量增大，振蕩次數增加，調節時間加長，動態性能變壞，比例系數太大甚至會使閉環系統不穩定。單純的比例控制很難保證調節得恰到好處，完全消除誤差。模擬量閉環PID控制——PID控制算法比例控制2/4/2023141模擬量閉環PID控制——PID控制算法積分控制積分調節的“大方向”是正確的，有減小誤差的作用。一直要到系統處于穩定狀態，這時誤差恒為零，比例部分和微分部分均為零，積分部分才不再變化，并且剛好等于穩態時需要的控制器的輸出值，因此積分部分的作用是消除穩態誤差，提高控制精度。因為積分時間TI在積分項的分母中，TI越小，積分項變化的速度越快，積分作用越強。每次PID運算時，在原來的積分值的基礎上，增加一個與當前的誤差值ev(n)成正比的微小部分。誤差為負值時，積分的增量為負。只要誤差不為零，控制器的輸出就會因為積分作用而不斷變化。2/4/2023142模擬量閉環PID控制——PID控制算法比例積分控制控制器輸出中的積分項與當前的誤差值和過去歷次誤差值的累加值成正比，因此積分作用本身具有嚴重的滯后特性，對系統的穩定性不利。而比例項沒有延遲，只要誤差一出現，比例部分就會立即起作用。因此積分作用很少單獨使用，它一般與比例和微分聯合使用，組成PI或PID控制器。PI和PID控制器既克服了單純的比例調節有穩態誤差的缺點，又避免了單純的積分調節響應慢、動態性能不好的缺點，因此被廣泛使用。如果積分作用太強（即積分時間太小），其累積的作用會使系統輸出的動態性能變差，超調量增大，甚至使系統不穩定。積分作用太弱（即積分時間太大），則消除穩態誤差的速度太慢，積分時間的值應取得適中。2/4/2023143誤差的微分就是誤差的變化速率，誤差變化越快，其微分絕對值越大。誤差增大時，其微分為正；誤差減小時，其微分為負。控制器輸出量的微分部分與誤差的微分成正比，反映了被控量變化的趨勢。有經驗的操作人員在溫度上升過快，但是尚未達到設定值時，根據溫度變化的趨勢，預感到溫度將會超過設定值，出現超調。于是調節電位器的轉角，提前減小加熱的電流。閉環控制系統的振蕩甚至不穩定的根本原因在于有較大的滯后因素。因為微分項能預測誤差變化的趨勢，這種“超前”的作用可以抵消滯后因素的影響。適當的微分控制作用可以使超調量減小，增加系統的穩定性。模擬量閉環PID控制——PID控制算法微分控制2/4/2023144對于有較大的滯后特性的被控對象，如果PI控制的效果不理想，可以考慮增加微分控制，以改善系統在調節過程中的動態特性。微分時間與