三菱FX5U PID自动调节控制案例
一、案例任务控制要求描述
三相异步马达带不同负载时，转速会产生不同的压降。比如说：两级电机的额定转速是3000rpm，但是实际上它并不能达到额定转速，这是因为在运行过程中会收到摩擦力、离心力等影响，就会产生转速压降。由于带了不同的负载，就会产生不同的速度。
现在电机想要恒速保持在1000rpm，如果不加任何负载，1000rpm是没有问题的，但是加上不同负载之后该怎么让电机恒速呢？此时就需要进行闭环控制，闭环控制就需要用到pid技术。利用编码器通过fx5u本身自带的高速脉冲接口，将电机的频率传动给plc，plc通过自身内部的pid指令控制驱动变频器提高或降低频率的输出。如图1-1所示。
图 1-1 变频器闭环控制
二、相关基础知识
任务中的案例基于三菱fx5u系列plc的应用案例，在学习本案例前请先自评下是否具备以下基础，若对相关的基础知识不熟悉，请根据下方提供的连接进行预先学习课程。
1.三菱fx5u本体模拟量模块的使用
课程观看链接：https://course.jcpeixun.com/7055/461668.html
2.三菱fx5u pid恒温控制
课程观看链接：https://course.jcpeixun.com/7055/461959.html
3.三菱fx5u pid恒速控制
课程观看链接：https://course.jcpeixun.com/7055/461960.html
4.变频器模拟量参数设置
课程观看链接：https://course.jcpeixun.com/7206/464124.html
5.三菱fx5u高速计数器使用
课程观看链接：https://course.jcpeixun.com/7055/462063.html
知识准备：
1.模拟量基本设置（见图2-1）
图 2-1 模拟量输出基本设置
（1）d/a转换允许/禁止设置:设置了d/a转换允许才会有模拟量的输出。
（2）d/a输出允许/禁止设置：设置允许输出数字输出值，设置禁止输出偏置值（hold设定值）。
2.模拟量应用设置（见图2-2）
图 2-2 模拟量输出应用设置
（1）报警输出功能：当数字输出值不在报警输出值的范围内，报警输出标志为on；
（2）比例缩放设置：对要输出的数字值进行换算如图2-3所示。
图 2-3 比例缩放设置
比例缩放值的计算方法：输出范围中使用出厂设置。
（3）移位功能：对数字输入值整体移位。
（4）模拟输出hold/clear设置：clear：清除数据为0；上次值（保持）；设置值。（将d/a转换允许/禁止设置设置为禁止时有效）。
3.高速输入基本设置（见图2-4）
图 2-4 高速输入基本设置
（1）运行模式：普通模式：作为一般的高速计数器使用；脉冲密度测定模式：测定从输入脉冲数开始到指定时间内的脉冲数；转速测定模式：测定从输入脉冲数开始到指定时间内的转速。测定单位时间跟每转的脉冲数根据模式进行单独设置。
（2）脉冲输入模式：1相1输入计数器（s/w）--受扫描周期影响如图2-5所示。
图 2-5 1相1输入计数器（s/w）
1相1输入计数器（h/w）--受硬件输入影响如图2-6所示。
图 2-6 1相1输入计数器（h/w）
1相2输入计数器如图2-7所示。
图 2-7 1相2输入计数器
2相2输入计数器[1倍频]如图2-8所示。
图 2-8 2相2输入计数器[1倍频]
2相2输入计数器[2倍频]如图2-9所示。
图 2-9 2相2输入计数器[2倍频]
2相2输入计数器[4倍频]如图2-10所示。
图 2-10 2相2输入计数器[4倍频]
内部时钟如图2-11所示。
图 2-11 内部时钟
内部时钟始终以1mhz的时钟进行计数递增/递减。不使用来自外部的输入。
（3）预置功能：通过预设值可以提前设置好对应的值。
（4）使能功能：通过使能按钮才能进行处理高速功能。
（5）环形长度设置：根据环长设置，高速计数器的形式为环形计数器。未设置时如图2-12所示，设置时如图2-13所示。
图 2-12 链接长度
图 2-13 环形长度
三、任务的实施
本案例会从电气元件选型—io地址分配—硬件接线-软件参数设置-程序设计-pid自动调试这六方面进行讲解。
1、电气元件选型
根据任务控制的描述，在本例中需要一个plc，一台变频器、一个编码器、一台电动机和两个按钮设备。如下表3-1所示。
名称 型号 数量 备注
三菱plc fx5u-32mt/es 1 自带模拟量输入输出
按钮 2 启动与停止使用
变频器 fr-e800 1 控制电动机
编码器 1
电动机 1
表3-1 bom表
2、 i/o地址分配
根据任务控制的描述，在本例中需要使用到2个输入点1个输出点，i/o分配表如下表3-2所示。
输入点 注释 输出点 注释
x0 启动按钮 y0 运行
x1 停止按钮
表3-2 i/o地址分配表
3、硬件接线图
fx5u本体plc可兼容源性和漏型的输入，当s/s跟24v短接时，输入即为漏型输入如图3-1所示；当s/s跟0v短接时，输入即为源性型输入。在本案例中需要用到两个按钮，一个是启动按钮接在x10上面，一个是停止按钮接在x11上面。由于变频器的正反转的控制是触点控制，所以直接把plc上的com0接到变频器输入公共端sd，y0接变频器上的正转端子stf。
图3-1 plc与变频器之间的接线
由于变频器模拟量给定频率有两个通道，在此我们使用“2”通道，所以plc左上方的模拟量的输出v+接到变频器2号端子上，v-接到变频器5号端子上。
给编码器供电后，a相接入x0、b相接入x1；fx5u的s/s接入到24v，说明plc输入低电平有效，如图3-2所示
图3-2 plc与编码器之间的接线
4、软件参数设置
（1）模拟量输出基本设置：将d/a转换允许/禁止设置改为允许，将d/a输出允许/禁止设置改为允许。如图3-3所示。
图3-3 模拟量输出基本设置
（2）高速计数器设置如图3-4所示。
图3-4 高速计数器设置
（3）由于使用了高速计数器功能，对应的输入响应时间改快一些，设置如图3-5所示。
图3-5 输入响应设置
5、程序设计
当plc上电的一瞬间，先把目标值赋值为1000，设置为逆动作，并且把输出范围设置为0~4000。当运行一瞬间并且不在运行模式和自整定模式下时把采样时间改为200ms，并且复位所有的输出。
自整定模式中，把采样时间改为1s，输出开始设置为3500，并开始运行pid。
按一下启动按钮，启动pid指令并启动高速计数器通道，按下停止按钮或不在自整定状态下则停止运行。把高速通道中的旋转速度传送给d501用来做pid的测定值。
图3-6 程序设计
1、启用/停止高速计数器计数功能，指令hioen
（1）高速计数器的普通模式，则s1为k0；
（2）启用ch1，则s2为2#0000 0000 0000 0001，即h0001；
（3）未使用ch16～ch2，停止功能无需设置，则s3为2#0000 0000 0000 0000，即h0000。
2、读取高速计数器的当前值，指令dhcmov
（1）将ch1的当前值sd4501、sd4500传送给d1001、d1000
（2） n的值设为为k0，则传送完成后保留s的值。
3、pid指令如下所示：
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图 1-1 变频器闭环控制
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1.模拟量基本设置（见图2-1）
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（1）d/a转换允许/禁止设置:设置了d/a转换允许才会有模拟量的输出。
（2）d/a输出允许/禁止设置：设置允许输出数字输出值，设置禁止输出偏置值（hold设定值）。
2.模拟量应用设置（见图2-2）
图 2-2 模拟量输出应用设置
（1）报警输出功能：当数字输出值不在报警输出值的范围内，报警输出标志为on；
（2）比例缩放设置：对要输出的数字值进行换算如图2-3所示。
图 2-3 比例缩放设置
比例缩放值的计算方法：输出范围中使用出厂设置。
（3）移位功能：对数字输入值整体移位。
（4）模拟输出hold/clear设置：clear：清除数据为0；上次值（保持）；设置值。（将d/a转换允许/禁止设置设置为禁止时有效）。
3.高速输入基本设置（见图2-4）
图 2-4 高速输入基本设置
（1）运行模式：普通模式：作为一般的高速计数器使用；脉冲密度测定模式：测定从输入脉冲数开始到指定时间内的脉冲数；转速测定模式：测定从输入脉冲数开始到指定时间内的转速。测定单位时间跟每转的脉冲数根据模式进行单独设置。
（2）脉冲输入模式：1相1输入计数器（s/w）--受扫描周期影响如图2-5所示。
图 2-5 1相1输入计数器（s/w）
1相1输入计数器（h/w）--受硬件输入影响如图2-6所示。
图 2-6 1相1输入计数器（h/w）
1相2输入计数器如图2-7所示。
图 2-7 1相2输入计数器
2相2输入计数器[1倍频]如图2-8所示。
图 2-8 2相2输入计数器[1倍频]
2相2输入计数器[2倍频]如图2-9所示。
图 2-9 2相2输入计数器[2倍频]
2相2输入计数器[4倍频]如图2-10所示。
图 2-10 2相2输入计数器[4倍频]
内部时钟如图2-11所示。
图 2-11 内部时钟
内部时钟始终以1mhz的时钟进行计数递增/递减。不使用来自外部的输入。
（3）预置功能：通过预设值可以提前设置好对应的值。
（4）使能功能：通过使能按钮才能进行处理高速功能。
（5）环形长度设置：根据环长设置，高速计数器的形式为环形计数器。未设置时如图2-12所示，设置时如图2-13所示。
图 2-12 链接长度
图 2-13 环形长度
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1、电气元件选型
根据任务控制的描述，在本例中需要一个plc，一台变频器、一个编码器、一台电动机和两个按钮设备。如下表3-1所示。
名称 型号 数量 备注
三菱plc fx5u-32mt/es 1 自带模拟量输入输出
按钮 2 启动与停止使用
变频器 fr-e800 1 控制电动机
编码器 1
电动机 1
表3-1 bom表
2、 i/o地址分配
根据任务控制的描述，在本例中需要使用到2个输入点1个输出点，i/o分配表如下表3-2所示。
输入点 注释 输出点 注释
x0 启动按钮 y0 运行
x1 停止按钮
表3-2 i/o地址分配表
3、硬件接线图
fx5u本体plc可兼容源性和漏型的输入，当s/s跟24v短接时，输入即为漏型输入如图3-1所示；当s/s跟0v短接时，输入即为源性型输入。在本案例中需要用到两个按钮，一个是启动按钮接在x10上面，一个是停止按钮接在x11上面。由于变频器的正反转的控制是触点控制，所以直接把plc上的com0接到变频器输入公共端sd，y0接变频器上的正转端子stf。
图3-1 plc与变频器之间的接线
由于变频器模拟量给定频率有两个通道，在此我们使用“2”通道，所以plc左上方的模拟量的输出v+接到变频器2号端子上，v-接到变频器5号端子上。
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图3-2 plc与编码器之间的接线
4、软件参数设置
（1）模拟量输出基本设置：将d/a转换允许/禁止设置改为允许，将d/a输出允许/禁止设置改为允许。如图3-3所示。
图3-3 模拟量输出基本设置
（2）高速计数器设置如图3-4所示。
图3-4 高速计数器设置
（3）由于使用了高速计数器功能，对应的输入响应时间改快一些，设置如图3-5所示。
图3-5 输入响应设置
5、程序设计
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自整定模式中，把采样时间改为1s，输出开始设置为3500，并开始运行pid。
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1、启用/停止高速计数器计数功能，指令hioen
（1）高速计数器的普通模式，则s1为k0；
（2）启用ch1，则s2为2#0000 0000 0000 0001，即h0001；
（3）未使用ch16～ch2，停止功能无需设置，则s3为2#0000 0000 0000 0000，即h0000。
2、读取高速计数器的当前值，指令dhcmov
（1）将ch1的当前值sd4501、sd4500传送给d1001、d1000
（2） n的值设为为k0，则传送完成后保留s的值。
3、pid指令如下所示：
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