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【摘 要】PID控制是工业上最常用的定值控制方式，但是由于PID控制与变频器的拖动装置及传感器组合在一起，难以在实训教学中完成PID项目实习实训。利用电动机现有配备的编码器，配合一附加的电子电路板，可以将编码器模拟成直流发电机，用其分压后输出电压做反馈信号以代替传感器，用模拟负载电位器等效调节负载的变化，配合实训台上现有的西门子MM420变频器和180W三相交流异步电动机，从而实现了低成本、体积小、重量轻的PID实训装置，达成了实训教学目标。
【关键词】模拟发电机；PID控制；F/V转换；变频器；PLC
1.引言
PID控制是工业上最常用的定值控制方式，常常使用变频器或者PLC与拖动装置及传感器组合起来构成闭环反馈系统实现。简单的拖动装置如打气泵、水泵水箱构成水位控制系统，或者由电动机拖动发电机构成PID电压控制系统，这些装置体积庞大、成本较高，导致在教学中难以实现。
PID控制是闭环控制中的一种常见形式。反馈信号取自拖动系统的输出端，当输出量偏离所要求的给定值时，反馈信号成比例变化。在输入端，给定信号与反馈信号相比较，存在一个偏差值。对该偏差值，经过P、I、D调节，变频器通过改变输出频率，迅速、准确地消除拖动系统的偏差，回复到给定值，振荡和误差都比较小，适用于压力、温度、流量控制等。[1]
如果用变频器-电动机-直流发电机可以构成PID闭环控制系统，但是需要这种方法一方面需要配置合适的发电机和负载，另一方面需要自己加工相应的传动装置。
现在高职院校配备的实训台上的电动机多带有编码器，编码器输出的脉冲频率与电动机的转速成正比。利用这一特点，制作的F/V转换电路板构成模拟发电机，配合实训台上西门子MM420变频器及S7-200PLC。MM420变频器内部有PID调节器，利用MM420变频器很方便构成PID闭环控制，就可以实现PID控制。如图4所示，这种方法成本低、体积小，适合用于PID控制项目实训。
2.基本思路
2.1 编码器输出脉冲的特点
电机转动时，编码器输出频率随电动机转速变化的方波信号，以24V供电为例，输出脉冲幅度接近24V。如果将频率转化成电压信号输出，在接有负载 情况下，在负载变化情况下要维持输出电压不变，电动机输出频率必须随之升高。
F/V转换
以每周输出400个脉冲的编码器为例，电动机转速在0～50Hz变化时，编码器输出脉冲频率在0～2000之间变化，脉冲周期在∞～0.5ms之间变化。合理选择R1、R2、C1很重要，使得输出电压要在0～10V之间变化，以符合变频器或者PLC模拟量输入模块的要求。
3.电路分析与计算
3.1 电路结构组成
图1 由编码器输出脉冲转化的电压输出电路
如图1所示的电路分为电源电路、输入脉冲处理、脉冲/电压转换电路、有源滤波电路、模拟负载及反馈信号输出部分组成。电源电路采用变压器降压获得24交流安全电压，然后经整流、滤波、稳压产生24V的直流稳定电压输出。
脉冲电压转换电路由三极管V1、V2，电容C1、C3及二极管D5、D6组成。用于将输入不同频率的方波脉冲转换成为与脉冲频率成正比的直流电压输出。三极管V3、电阻R3、电容C4、C6组成有源滤波电路，滤除电压C3两端电压波动。电路中串联的毫安表用于指示等效负载情况，电流大表示负载重，反之表示负载轻。
电位器RP1用于对模拟负载的调节，半可变电阻RP2为输出调节。
3.2电路的工作原理
编码器输出的为负脉冲，在无脉冲输出时为高电平，有脉冲输出时为方波。当编码器输出高电平时，三极管V1导通V2截止，经电容C1、二极管D6给电容C3充电，选取C3的容量远远大于C1，而且C3的放电时间常数很大，可视为其两端电压不变等效为恒压源E。
编码器输出低电平时，三极管V1截止V2导通，电容C1经过二极管D5和三极管V2放电，电路中C1放电时间常数很小，因此放电很快，但是放电后C1两端有一定的残余电压。电路中电阻R1用于对编码器输出进行保护，其阻值在1K左右，也可用一小电感取代。
图2 C1充电等效电路
在编码器输出脉冲频率一定时，如果调节RP1使其两端电阻减小，C1的放电电流增大，其两端电压降减小，RP2的滑动端输出电压随之减小。反之RP1两端阻值增大，则C1两端电压升高，RP2的滑動端输出电压随之增大。
3.3 分析计算
脉冲作用期间，设C2容量较大，因此其两端电压视为不变。电路达到稳定状态后，C2充电电量和释放电量相等。
充电电量：充电过程分为两个阶段，第1阶段时间很短，S1、S2同时导通，C1电量电量由0增到C1（Um-E）（其中Um是编码器输出脉冲的幅值），与负载取用电量相等。
当S1断开后，S3导通，C1经过D1和S3快速放电，为C1下次充电做准备。
负载电阻最大为：
，且
，
只有C1RL时间常数很大时，才有接近的线性关系，但是满足了此条件，电路输出E将接近Um，不能实现本电路的功能。
如输入脉冲幅度24V，满足反馈信号最大10V时，E=15V，RP1、RP2、R3分别取20K、10K、100K。
0.5ms放电电流为：2.5×10-7库伦
C1的容量应为：
由于C1与RL具有反比例关系，因此如RL减小10倍，则C1增大10倍。流过RP1与RP2的电流之和是流过电阻R3电流的β+1倍，这样输出电压与C1两端的电压E具有线性关系。RP1的阻值远大于RP2的阻值时，RP1两端的电压U为： 3.4电路的整定
先将模拟负载的电位器RP1调到最大位置，调节变频器输出频率达到30Hz时，调节RP2使其输出电压达到10V即可。
4.模拟负载与变频器的连接
图4 系统结构示意图
如图4所示反馈信号的输出端与变频器的模拟量输入端连接，模拟地与该电路的接地端连接。
5.变频器参数设置
图3 MM420变频器的PID控制原理图
MM440变频器PID控制原理如图3所示。PID给定源和反馈源分别见表2、3。
设定 P2253=225通过BOP面板改变P2240的目标值，设定P2264=755.0，选择反馈信号从通道1输入。[2]
（1）按要求接线
图4为面板设定目标值时PID控制端子接线图，模拟输入端AIN1接入反馈信号0～10V（DIP SW2置OFF），BOP面板控制变频器启停，给定目标值由BOP面板（▲▼）鍵设定。
（2）参数设置
首先将参数恢复到出厂默认值，继而进行快速调试设置电动机参数和斜坡函数发生器。然后设置控制参数、目标参数、反馈参数和PID参数。其控制参数设置如表1所示。
表1 控制参数表
参数号 出厂值 设置值 说明
P0003 1 2 用户访问级为扩展级
P0004 0 0 参数过滤显示全部参数
P0700 2 1 由BOP控制（选择命令源）
P1000 2 1 频率设定由BOP（▲▼）设置
*P1080 0 20 电动机运行的最低频率（下限频率）（HZ）
*P1082 50 50 电动机运行的最高频率（上限频率）（HZ）
P2200 0 1 PID控制功能有效
表2 目标参数表
参数号 出厂值 设置值 说明
P0003 1 3 用户访问级为专家级
P0004 0 0 参数过滤显示全部参数
P2253 0 2250 已激活的PID设定值（PID设定值信号源）
*P2240 10 60 由面板BOP（▲▼）设定的目标值（%）
*P2254 0 0 无PID微调信号源
*P2255 100 100 PID设定值的增益系数
*P2256 100 0 PID微调信号增益系数
*P2257 1 1 PID设定值斜坡上升时间
*P2258 1 1 PID设定值的斜坡下降时间
*P2261 0 0 PID设定值无滤波
当P2232=0允许反向时，可以用面板BOP键盘上的（▲▼）键设定P2240值为负值。
表3 反馈参数表
参数号 出厂值 设置值 说明
P0003 1 3 用户访问级为专家级
P0004 0 0 参数过滤显示全部参数
P2264 755.0 755.1 PID反馈信号由AIN2+（即模拟输入2）设定
*P2265 0 0 PID反馈信号无滤波
*P2267 100 100 PID反馈信号的上限值（%）
*P2268 0 0 PID反馈信号的下限值（%）
*P2269 100 100 PID反馈信号的增益（%）
*P2270 0 0 不用PID反馈器的数学模型
*P2271 0 0 PID传感器的反馈型式为正常
表4 PID参数表
参数号 出厂值 设置值 说明
P0003 1 3 用户访问级为专家级
P0004 0 0 参数过滤显示全部参数
*P2280 3 25 PID比例增益系数
*P2285 0 5 PID积分时间
*P2291 100 100 PID输出上限（%）
*P2292 0 0 PID输出下限（%）
*P2293 1 1 PID限幅的斜坡上升/下降时间（S）
（3）变频器运行操作
按下操作面板上的启动键，变频器启动电动机。当转动电位器RP1时，反馈的电流信号发生改变时，将会引起电动机速度发生变化。
若反馈的电流信号小于目标值（即P2240值），变频器将驱动电动机升速；电动机速度上升又会引起反馈的电流信号变大。当反馈的电流信号大于目标值时，变频器又将驱动电动机降速，从而又使反馈的电流信号变小；当反馈的电流信号小于目标值时，变频器又将驱动电动机升速。如此反复，能使变频器达到一种动态平衡装态，变频器将驱动电动机以一个动态稳定的速度运行。
按下操作面板上的停止键，电动机停止运行。
6.西门子S7-200PLC及模拟量模块和变频器构成的PID控制
电路结构如图5所示 ，与图4相比增加了模拟量输入输出模块EM235。
6.1 控制模式
用模拟量模块EM235的模拟量输出去控制变频器的转速，用模拟量输入与该模拟负载的输出端连接，模拟量输入选择0～+10V单极性模拟量输入。模拟量模块DIP开关设置为：
SW1=OFF、SW2=ON、SW3=OFF、SW4=OFF、SW5=OFF、SW6=IN。[3]
6.2 变频器的参数设置
设置变频器的参数P0700=2，P0701=1，P1000=2即可，选择端子DIN1控制变频器运行状态，选择模拟量调速方式。
6.3PLC编程
可以使用PID变成向导，也可以使用功能指令直接编程。使用指令编程，有利于对PID控制的理解，采用主程序、子程序、中断服务程序的结构形式，可优化程序结构，缩短扫描时间。
在子程序中，先进行编程的初始化操作，将5个固定参数（设定值SPn、增益Kc、采样时间Ts、积分时间TI、微分时间TD）填入回路表，然后再设置定时中断，以便于周期性的执行PID指令。一般温度和压力控制采用PI控制，TD设定为0。
在中断服务程序中，先将模拟量提供的过程变量PVn转化成为标准实数（纯小数）并填入回路表，并设置手动自动控制方式。然后将PID运算输出的标化后实数转换成有符号整数后从模拟量输出模块输出，以实现对模拟负载的控制。[4]
图5 系统结构示意图
7.实验效果
采用变频器、编码器、模拟负载等构成的PID控制中，调节模拟负载旋钮，电流表（万用表的10mA直流电流档）指针有明显变化，而且变频器的输出频率随电流增大而增大，用电压表测量RP2两端电压基本不变。
采用PLC、EM235模拟量模块、变频器和模拟负载等构成的PID控制系统，与前面的情况基本相同。都取得两良好的实训效果。
参考资料：
[1] 微型计算机控制技术使用教程 潘新民 王燕芳 编著 电子工业出版社2006年1月第一版230～233页.
[2] 变频器应用与维修技术 刘美俊 编著 中国电力出版社 2008年1月第一版 247～260页.
[3] 电气控制与PLC综合应用技术 张伟林 主编 人民邮电出版社 2009年5月 第一版.
[4] S7-200PLC原理及应用 田淑珍 编著 2010年7月第一版 166～170页.
【关键词】模拟发电机；PID控制；F/V转换；变频器；PLC
1.引言
PID控制是工业上最常用的定值控制方式，常常使用变频器或者PLC与拖动装置及传感器组合起来构成闭环反馈系统实现。简单的拖动装置如打气泵、水泵水箱构成水位控制系统，或者由电动机拖动发电机构成PID电压控制系统，这些装置体积庞大、成本较高，导致在教学中难以实现。
PID控制是闭环控制中的一种常见形式。反馈信号取自拖动系统的输出端，当输出量偏离所要求的给定值时，反馈信号成比例变化。在输入端，给定信号与反馈信号相比较，存在一个偏差值。对该偏差值，经过P、I、D调节，变频器通过改变输出频率，迅速、准确地消除拖动系统的偏差，回复到给定值，振荡和误差都比较小，适用于压力、温度、流量控制等。[1]
如果用变频器-电动机-直流发电机可以构成PID闭环控制系统，但是需要这种方法一方面需要配置合适的发电机和负载，另一方面需要自己加工相应的传动装置。
现在高职院校配备的实训台上的电动机多带有编码器，编码器输出的脉冲频率与电动机的转速成正比。利用这一特点，制作的F/V转换电路板构成模拟发电机，配合实训台上西门子MM420变频器及S7-200PLC。MM420变频器内部有PID调节器，利用MM420变频器很方便构成PID闭环控制，就可以实现PID控制。如图4所示，这种方法成本低、体积小，适合用于PID控制项目实训。
2.基本思路
2.1 编码器输出脉冲的特点
电机转动时，编码器输出频率随电动机转速变化的方波信号，以24V供电为例，输出脉冲幅度接近24V。如果将频率转化成电压信号输出，在接有负载 情况下，在负载变化情况下要维持输出电压不变，电动机输出频率必须随之升高。
F/V转换
以每周输出400个脉冲的编码器为例，电动机转速在0～50Hz变化时，编码器输出脉冲频率在0～2000之间变化，脉冲周期在∞～0.5ms之间变化。合理选择R1、R2、C1很重要，使得输出电压要在0～10V之间变化，以符合变频器或者PLC模拟量输入模块的要求。
3.电路分析与计算
3.1 电路结构组成
图1 由编码器输出脉冲转化的电压输出电路
如图1所示的电路分为电源电路、输入脉冲处理、脉冲/电压转换电路、有源滤波电路、模拟负载及反馈信号输出部分组成。电源电路采用变压器降压获得24交流安全电压，然后经整流、滤波、稳压产生24V的直流稳定电压输出。
脉冲电压转换电路由三极管V1、V2，电容C1、C3及二极管D5、D6组成。用于将输入不同频率的方波脉冲转换成为与脉冲频率成正比的直流电压输出。三极管V3、电阻R3、电容C4、C6组成有源滤波电路，滤除电压C3两端电压波动。电路中串联的毫安表用于指示等效负载情况，电流大表示负载重，反之表示负载轻。
电位器RP1用于对模拟负载的调节，半可变电阻RP2为输出调节。
3.2电路的工作原理
编码器输出的为负脉冲，在无脉冲输出时为高电平，有脉冲输出时为方波。当编码器输出高电平时，三极管V1导通V2截止，经电容C1、二极管D6给电容C3充电，选取C3的容量远远大于C1，而且C3的放电时间常数很大，可视为其两端电压不变等效为恒压源E。
编码器输出低电平时，三极管V1截止V2导通，电容C1经过二极管D5和三极管V2放电，电路中C1放电时间常数很小，因此放电很快，但是放电后C1两端有一定的残余电压。电路中电阻R1用于对编码器输出进行保护，其阻值在1K左右，也可用一小电感取代。
图2 C1充电等效电路
在编码器输出脉冲频率一定时，如果调节RP1使其两端电阻减小，C1的放电电流增大，其两端电压降减小，RP2的滑动端输出电压随之减小。反之RP1两端阻值增大，则C1两端电压升高，RP2的滑動端输出电压随之增大。
3.3 分析计算
脉冲作用期间，设C2容量较大，因此其两端电压视为不变。电路达到稳定状态后，C2充电电量和释放电量相等。
充电电量：充电过程分为两个阶段，第1阶段时间很短，S1、S2同时导通，C1电量电量由0增到C1（Um-E）（其中Um是编码器输出脉冲的幅值），与负载取用电量相等。
当S1断开后，S3导通，C1经过D1和S3快速放电，为C1下次充电做准备。
负载电阻最大为：
，且
，
只有C1RL时间常数很大时，才有接近的线性关系，但是满足了此条件，电路输出E将接近Um，不能实现本电路的功能。
如输入脉冲幅度24V，满足反馈信号最大10V时，E=15V，RP1、RP2、R3分别取20K、10K、100K。
0.5ms放电电流为：2.5×10-7库伦
C1的容量应为：
由于C1与RL具有反比例关系，因此如RL减小10倍，则C1增大10倍。流过RP1与RP2的电流之和是流过电阻R3电流的β+1倍，这样输出电压与C1两端的电压E具有线性关系。RP1的阻值远大于RP2的阻值时，RP1两端的电压U为： 3.4电路的整定
先将模拟负载的电位器RP1调到最大位置，调节变频器输出频率达到30Hz时，调节RP2使其输出电压达到10V即可。
4.模拟负载与变频器的连接
图4 系统结构示意图
如图4所示反馈信号的输出端与变频器的模拟量输入端连接，模拟地与该电路的接地端连接。
5.变频器参数设置
图3 MM420变频器的PID控制原理图
MM440变频器PID控制原理如图3所示。PID给定源和反馈源分别见表2、3。
设定 P2253=225通过BOP面板改变P2240的目标值，设定P2264=755.0，选择反馈信号从通道1输入。[2]
（1）按要求接线
图4为面板设定目标值时PID控制端子接线图，模拟输入端AIN1接入反馈信号0～10V（DIP SW2置OFF），BOP面板控制变频器启停，给定目标值由BOP面板（▲▼）鍵设定。
（2）参数设置
首先将参数恢复到出厂默认值，继而进行快速调试设置电动机参数和斜坡函数发生器。然后设置控制参数、目标参数、反馈参数和PID参数。其控制参数设置如表1所示。
表1 控制参数表
参数号 出厂值 设置值 说明
P0003 1 2 用户访问级为扩展级
P0004 0 0 参数过滤显示全部参数
P0700 2 1 由BOP控制（选择命令源）
P1000 2 1 频率设定由BOP（▲▼）设置
*P1080 0 20 电动机运行的最低频率（下限频率）（HZ）
*P1082 50 50 电动机运行的最高频率（上限频率）（HZ）
P2200 0 1 PID控制功能有效
表2 目标参数表
参数号 出厂值 设置值 说明
P0003 1 3 用户访问级为专家级
P0004 0 0 参数过滤显示全部参数
P2253 0 2250 已激活的PID设定值（PID设定值信号源）
*P2240 10 60 由面板BOP（▲▼）设定的目标值（%）
*P2254 0 0 无PID微调信号源
*P2255 100 100 PID设定值的增益系数
*P2256 100 0 PID微调信号增益系数
*P2257 1 1 PID设定值斜坡上升时间
*P2258 1 1 PID设定值的斜坡下降时间
*P2261 0 0 PID设定值无滤波
当P2232=0允许反向时，可以用面板BOP键盘上的（▲▼）键设定P2240值为负值。
表3 反馈参数表
参数号 出厂值 设置值 说明
P0003 1 3 用户访问级为专家级
P0004 0 0 参数过滤显示全部参数
P2264 755.0 755.1 PID反馈信号由AIN2+（即模拟输入2）设定
*P2265 0 0 PID反馈信号无滤波
*P2267 100 100 PID反馈信号的上限值（%）
*P2268 0 0 PID反馈信号的下限值（%）
*P2269 100 100 PID反馈信号的增益（%）
*P2270 0 0 不用PID反馈器的数学模型
*P2271 0 0 PID传感器的反馈型式为正常
表4 PID参数表
参数号 出厂值 设置值 说明
P0003 1 3 用户访问级为专家级
P0004 0 0 参数过滤显示全部参数
*P2280 3 25 PID比例增益系数
*P2285 0 5 PID积分时间
*P2291 100 100 PID输出上限（%）
*P2292 0 0 PID输出下限（%）
*P2293 1 1 PID限幅的斜坡上升/下降时间（S）
（3）变频器运行操作
按下操作面板上的启动键，变频器启动电动机。当转动电位器RP1时，反馈的电流信号发生改变时，将会引起电动机速度发生变化。
若反馈的电流信号小于目标值（即P2240值），变频器将驱动电动机升速；电动机速度上升又会引起反馈的电流信号变大。当反馈的电流信号大于目标值时，变频器又将驱动电动机降速，从而又使反馈的电流信号变小；当反馈的电流信号小于目标值时，变频器又将驱动电动机升速。如此反复，能使变频器达到一种动态平衡装态，变频器将驱动电动机以一个动态稳定的速度运行。
按下操作面板上的停止键，电动机停止运行。
6.西门子S7-200PLC及模拟量模块和变频器构成的PID控制
电路结构如图5所示 ，与图4相比增加了模拟量输入输出模块EM235。
6.1 控制模式
用模拟量模块EM235的模拟量输出去控制变频器的转速，用模拟量输入与该模拟负载的输出端连接，模拟量输入选择0～+10V单极性模拟量输入。模拟量模块DIP开关设置为：
SW1=OFF、SW2=ON、SW3=OFF、SW4=OFF、SW5=OFF、SW6=IN。[3]
6.2 变频器的参数设置
设置变频器的参数P0700=2，P0701=1，P1000=2即可，选择端子DIN1控制变频器运行状态，选择模拟量调速方式。
6.3PLC编程
可以使用PID变成向导，也可以使用功能指令直接编程。使用指令编程，有利于对PID控制的理解，采用主程序、子程序、中断服务程序的结构形式，可优化程序结构，缩短扫描时间。
在子程序中，先进行编程的初始化操作，将5个固定参数（设定值SPn、增益Kc、采样时间Ts、积分时间TI、微分时间TD）填入回路表，然后再设置定时中断，以便于周期性的执行PID指令。一般温度和压力控制采用PI控制，TD设定为0。
在中断服务程序中，先将模拟量提供的过程变量PVn转化成为标准实数（纯小数）并填入回路表，并设置手动自动控制方式。然后将PID运算输出的标化后实数转换成有符号整数后从模拟量输出模块输出，以实现对模拟负载的控制。[4]
图5 系统结构示意图
7.实验效果
采用变频器、编码器、模拟负载等构成的PID控制中，调节模拟负载旋钮，电流表（万用表的10mA直流电流档）指针有明显变化，而且变频器的输出频率随电流增大而增大，用电压表测量RP2两端电压基本不变。
采用PLC、EM235模拟量模块、变频器和模拟负载等构成的PID控制系统，与前面的情况基本相同。都取得两良好的实训效果。
参考资料：
[1] 微型计算机控制技术使用教程 潘新民 王燕芳 编著 电子工业出版社2006年1月第一版230～233页.
[2] 变频器应用与维修技术 刘美俊 编著 中国电力出版社 2008年1月第一版 247～260页.
[3] 电气控制与PLC综合应用技术 张伟林 主编 人民邮电出版社 2009年5月 第一版.
[4] S7-200PLC原理及应用 田淑珍 编著 2010年7月第一版 166～170页.