1.1 模擬量與模擬量控制

1.1.1 模擬量與數字量

在工業生產控制過程中，特別是在連續型的生產過程中，經常會要求對一些物理量如溫度、壓力、流量等進行控制。這些物理量都是隨時間而連續變化的。在控制領域，把這些隨時間連續變化的物理量稱為模擬量。

與模擬量相對的是數字量。數字量又稱為開關量。在數字量中，只有兩種狀態，相對于開和關一樣。而開關隨時間的變化是不連續的，像是一個一個的脈沖波形，所以又稱為脈沖量，圖1-1所示為模擬量和開關量隨時間而變化的圖示。

模擬量和開關量是完全不同的物理量，它們之間沒有多大關聯，研究的方法和應用領域也都不相同。但是通過對二進制數和十進制數的研究卻把它們聯系了起來。二進制數只有兩個數碼：0或1，正好用開關量的開和關來表示。一個二進制數由多個0或1組成，也可以用一組開關的開和關來表示。在數字技術中，存儲器的狀態不是通就是斷，相當于開關的開和關。因此，一個多位存儲器組（如16位存儲器）就可以用于表示一個16位二進制數。模擬量雖然是連續變化的，但在某個確定的時刻，其值是一定的。如果按照一定的時間來測量模擬量的大小，并想辦法把這個模擬量（十進制數）轉換成相應的二進制數，送到存儲器中，便把這個由二進制數所表示的量稱為數字量，這樣模擬量就和數字量有了聯系。圖1-2所示為模擬量如何變成數字量。

由圖1-2可以看出，數字量的幅值變化與模擬量的變化是大致相同的。因此，用數字量的幅值（它們已被寄存在存儲器中）來處理模擬量，可以得到與模擬量直接被處理時的相同效果。但是也可以看出，模擬量在時間上和取值上都是連續的；而數字量在時間上和取值上都是不連續的（稱為離散的）。因此，數字量僅是在某些時間點上等于模擬量的值。

1.1.2 模擬量控制介紹

模擬量控制是指對模擬量所進行的控制。模擬量控制大都出現在生產過程中，所以又稱為過程控制。

1. 模擬量控制系統組成

從信息的角度來看，所有的控制系統都是一個信息的采集和處理的過程，如圖1-3所示。

對模擬量控制來說，圖中的信息輸出就是控制系統的被控制模擬量，稱為被控制量或被控制值。而信息采集則包含兩部分：一部分是控制系統為控制需要的輸入信息，稱為控制量或控制值，它可以是開關量、模擬量或事先設定的值；另一部分是不請自來的各種干擾信息，簡稱干擾。其來源神秘，成分復雜，對控制系統起到干擾破壞的作用。

在模擬量控制系統中，被控制模擬量總要有一個載體，如溫度控制，是電爐溫度還是房間空調的溫度，這個載體（電爐，房間）叫做被控對象。在工業生產過程中，被控對象是指各種裝置和設備。作為被控對象，其本身并不具備控制被控制量的能力，而是由某個元器件來執行的。電爐的溫度是由電爐內的電阻絲通電發熱而引起上升的，房間的溫度是由空調器工作來完成溫度的上升或下降的。其中，電阻絲、空調器起到了執行控制輸出模擬量的功能，稱為執行器。輸入信息控制量經過信息處理向執行器發出控制信號，指揮執行器工作對被控對象進行調節，使被控制量達到所期望的變化。這個進行信息處理的環節就稱為控制器。這樣，對模擬量控制系統來說就有了如圖1-4所示的系統組成框圖。

圖1-4中，僅示意性地把干擾信息畫在被控對象上。實際上在整個系統的組成中，每個部分（包括控制器，執行器）都會產生干擾信息。

從數學角度來分析圖中的關系，則被控制值Y是控制值X和干擾M的函數：

Y = f (X, M)

在沒有干擾的情況下，Y是X的函數，控制系統就是按照這個關系進行控制的。當發生干擾后，被控制值就會受到 M的影響而偏離原來的期望值。而且，干擾常常是隨機的，也不便檢測。圖1-4所示的控制系統能否對干擾進行自動調節呢？顯然是不可能的，因為這個系統不對被控制值進行檢測，只根據控制值進行控制，發生干擾后，只能聽任被控制值偏離期望值，使控制質量下降，干擾嚴重時系統甚至不能正常工作。這就是圖1-4所示的控制系統的嚴重缺陷。

在實際生產中，干擾是不可避免的。所以必須找到一種辦法使干擾發生后，控制系統本身能對被控制值進行自動調節，使之回到正常的期望值上來。

通過對圖1-3所示控制系統進行人工調節的啟發（詳見1.1.3節），只要把被控制值的變化送到控制系統的輸入端，與控制值 X 比較，根據比較的結果來修改控制器的輸入值，使已經偏離的被控制值朝期望值的方向變化，經過一定時間后，又回到期望值。這就形成了如圖1-5所示的模擬量閉環控制系統組成框圖。

圖1-5中，傳感器是一種檢測元件，其主要功能是將非電物理量（溫度、壓力、流量等）轉換成電量（電流，電壓），送到由電子電路構成的控制器中。而變送器則用于將傳感器所轉換的電量轉化成統一的標準電壓、電流再送到控制器中（關于傳感器變送器的知識，見第2章）。

觀察一下圖中的信號流向：信號從輸出被控制值Y通過傳感器、變送器又回到輸入端。這種輸出返回到輸入端而影響到控制器的輸入的做法稱為反饋，其信號通路稱為反饋通路，而把從輸入到輸出的信號通路稱為正向通路。由信號正向通路和反饋通路構成了一個閉合的環，閉環控制由此而來。圖1-4所示的沒有反饋的控制系統稱為開環控制。

閉環控制是將輸出量直接或間接反饋到輸入端形成閉環，所以又稱為反饋控制系統。反饋控制是自動控制的主要形式，在工程上常把在運行中使輸出量和期望值保持一致的反饋控制系統稱為自動調節系統，而把用于精確地跟隨或復現某種過程的反饋控制系統稱為伺服系統或隨動系統。

閉環控制系統由控制器、受控對象和反饋通路組成。在閉環控制系統中，只要被控制量偏離規定值，就會產生相應的控制作用消除偏差。因此，它具有抑制干擾的能力，對元件特性變化不敏感，并能改善系統的響應特性。閉環控制具有較強的抗干擾能力。

2. 模擬量控制系統分類

模擬量控制分類的方法很多，不同的角度有不同的分類。下面僅從輸出值的變化對模擬量控制分類做簡要介紹。

1）定值控制系統

若系統輸入量為一定值，要求系統的輸出量也保持恒定，此類系統稱為定值控制系統。這類控制系統的任務是保證在擾動作用下被控制量始終保持在給定值上，生產過程中的恒轉速控制、恒溫控制、恒壓控制、恒流量控制、恒液位高度控制等大量的控制系統都屬于這一類系統。

定值控制系統比較容易理解，不再舉制說明。

對于定值控制系統，著重研究各種擾動對輸出量的影響，以及如何抑制擾動對輸出量的影響，使輸出量保持在預期值上。

2）隨動控制系統

若系統的輸入量的變化規律是未知的時間函數（通常是隨機的），要求輸出量能夠準確、迅速跟隨輸入量的變化，此類系統稱為隨動控制系統，如雷達自動跟蹤系統、刀架跟蹤系統、輪舵控制系統等。隨動控制系統可以是開環系統，也可以是閉環系統。

圖1-6所示是在工業生產中經常用到的隨動比例控制原理圖。生產上要求將物料 QB與物料 QA配成一定比例送往下一工序。物料 QA代表生產負荷，經常發生變化。如果 QA發生變化，要求 QB也需隨之按比例發生變化，使 QA/QB之值保持不變。圖1-6（a）所示為開環控制系統。當 QA發生變化時，經傳感變送，以一定的比例 K 放大后，作為 QB的輸出值，控制 QB調節閥。圖1-6（b）所示為閉環控制系統。QA經傳感器變送比例放大后，作為 QB控制器的設定值。如果QA發生變化，則QB的設定值也發生變化，控制器會隨之動作，改變QB輸出使之保持 QA/QB的比例不變；若如果 QA不變，QB本身發生變化，由傳感變送后送至控制器，同樣控制器動作，使QB的輸出恢復原值而且保持此值不變。

對于隨動控制系統，由于系統的輸入量是隨時變化的，所以研究的重點是系統輸出量跟隨輸入量的準確性和快速性。

3）程序控制系統

若系統的輸入量不為常值，但其變化規律是預先知道和確定的，要求輸出量與給定量的變化規律相同，此類系統稱為程序控制系統。例如，熱處理爐溫度控制系統的升溫、保溫、降溫過程都是按照預先設定的規律進行控制的，所以該系統屬于程序控制系統。此外數控機床的工作臺移動系統、自動生產線等都屬于程序控制系統。程序控制系統可以是開環系統，也可以是閉環系統。

除了以上的分類方法外，還有其他一些方法，如按照系統輸出量和輸入量間的關系分為線性控制系統、非線性控制系統；按照系統中的參數變化對時間的變化情況分為定常系統、時變系統；按系統主要組成元件的類型分為電氣控制系統、機械控制系統、液壓控制系統、氣動控制系統；按控制方式分為開環控制系統、閉環控制系統、無靜差控制系統及復合控制系統；按控制方法分為單回路反饋控制、串級控制、前饋控制、比值控制等。

對PLC模擬量控制應用來說，大多數是線性定常定值控制。

3. 模擬量控制系統要求與性能指標

模擬量控制是自動控制的一種。因此，對自動控制系統的要求和性能指標分析也適用于模擬量控制系統。

1）模擬量控制要求

模擬量控制系統不管是屬于哪種類型，其控制要求都是一樣的，即穩定性、準確性和快速性，簡稱穩、準、快。

（1）穩定性。所謂穩定性，是指系統的被控制量一旦受到某種干擾而偏離控制要求的期望值時，能夠在一定時間后利用系統的自身調節作用波動較小地恢復到期望值。對定值控制系統，就要回到設定值所對應的期望值。對于隨動系統，輸出值應隨著設定值的變化而變化。對于程序控制系統。其輸出必須按照預定設計的規律進行輸出。

穩定性對控制系統的重要性是不言而喻的。它是首要指標，是決定系統正常工作的先決條件。一個系統不穩定，精度再高、響應再快都沒有用。

（2）準確性。準確性實際上是系統的精度。一個系統由于受到各種因素的影響，如結構、所用硬件誤差或機械、氣動、液動等元件的損耗、精度誤差等，在偏離期望值后再回到穩態值，總會和期望值有誤差。這種穩態誤差在實際中是必定存在的，完全消除是不可能的。而系統準確性的要求是這個誤差應盡可能小一些。越小，則表示系統的精度越高。和穩定性不同的是，穩定性是越穩定越好，在連續生產的控制線上，甚至會花費巨大代價去求得控制系統的穩定。但準確性并不是越精越好，一般情況下，以滿足生產產品質量和產量要求為度。超過這個度，必須要考慮經濟成本和性價比。

（3）快速性。快速性是指控制系統的響應速度，即當控制系統受到某種原因而使輸出偏離期望值時，系統的自動調節作用在多長時間里、以什么樣的方式回到期望值。快速性要求是系統能很快且又非常平穩的回到期望值。響應速度快是很多模擬量控制系統所追求的。特別是隨動系統中，如果輸入值變化很快，而輸出值不能及時跟上，變成馬后炮，那會影響到系統的控制質量。當然，平穩地過渡到期望值，也是所要求的，在回到期望值的過程中，如果波動太大（振蕩幅度很大）、波動時間太長（振蕩時間長），對系統的穩定性會產生影響。

快速性雖然重要，但也和準確性一樣，以滿足控制要求為度，在經濟成本及其他方面相同時，當然是越快越好。

2）模擬量控制系統性能指標

衡量一個模擬量控制系統的性能可以從靜態和動態兩方面特性來考慮。

（1）靜態特性。以定值系統為例，當輸入設定值不變時，控制系統能夠有穩定的輸出期望值。這時，就說系統處于穩定狀態，也叫靜態。這時，輸入和輸出之間的關系稱為系統的靜態特性。當然必須說明，靜態只是系統對外所呈現的狀態，而在系統內部仍然處于運動的狀態，靜態也可以說是一種動態平衡狀態。

系統的靜態特性是模擬量控制系統的重要品質指標。它涉及如何確定控制方案、設計控制裝置、進行擾動分析。

（2）動態特性。一個系統原本處于靜態，但是當出現了干擾，使輸出發生變化時，系統原來的平衡就受到破壞。這時，系統的調節作用就會動作，克服干擾，力圖使系統恢復原有的平衡或建立新的平衡。這種從一種靜態到另一種新的靜態的過程稱為過渡過程，也叫動態。這時，系統的輸出隨時間而變化的關系稱為系統的動態特性。

在控制系統中，了解動態特性比靜態特性更重要。靜態特性可以說是動態特性的一種極限情況。例如在定值控制中，干擾是不斷地產生的，控制系統在不斷地自我調節，整個系統總是處于動態過程中。

動態特性對系統的穩定性特別重要。如圖1-7所示是定值控制系統加入階躍信號后的可能出現的幾種動態特性。圖1-7（b）所示是發散振蕩，輸出值越來越大，顯然這是一種不穩定的動態特征，結果只能是控制停止。圖1-7（c）所示是衰減振蕩其輸出值慢慢變小，經過一段時間后，最后趨于一種平衡穩定狀態。這種過渡過程正是控制系統所需要的動態特性。圖1-7（d）所示為單調發散，雖然沒有振蕩，但是輸出越來越大，和發散振蕩一樣，是一種不穩定的動態特征。圖1-7（e）所示為等幅振蕩，是一種介于圖1-7（b）、（c）之間的動態特性，處于穩定和不穩定狀態的臨界點，如果輸出的這種擺動并不影響生產過程和產品的質量，還可以勉強采用，特別是振蕩的幅度很小時。但一般情況下，若發生了這種情況，必須對系統進行改進，使其動態特性變至圖1-7（c）所示情況。

關于控制系統動態特征的一些性能指標，這里不再介紹，讀者可參看4.2.1節或相關資料。

1.1.3 開環控制和閉環控制

如前所述，模擬量控制系統可以用不同的分類方法進行分類研究，而按照控制方式分類來了解模擬量控制的原理和算法比較適合說明在生產實際中應用較多的定值控制的控制過程。這一節中，就按照開環和閉環兩種方式對模擬量控制的原理和算法進行簡單的介紹。

1. 開環控制（無反饋控制）

一個開環控制系統如圖1-8所示。

由圖可見，開環控制結構簡單，被控制值Y與控制值R存在一定的量化關系，在不考慮干擾的情況下，其靜態特性和動態特性是穩定的。但實際上，一個控制系統不受到種種干擾是不可能的，這些干擾可以是控制值的變化、控制器參數的變化，也可以是系統所處環境的變化或輸出負載的變化等，而這些變化都會影響到被控制值Y的變化。而開環系統本身對這些干擾束手無策，無能為力。如果控制輸出是一個定值，開環控制就很難獲得較好的定值效果。這也是在模擬量控制中，開環控制用得較少的主要原因。但由于其結構簡單，在某些控制要求不高的場合，并采用某些補償措施（人工的或程序）的情況下，仍然得到應用。

開環控制雖然在模擬量控制中應用較少，但在數字量控制中（繼電控制、邏輯控制、順序控制、程序控制等）得到了廣泛地應用。在這些應用中，被控制值都是按照預定的控制要求進行的，所涉及的都是抗干擾能力很強的開關量信號。例如，自動機床、仿型機床、數控機床和PLC的邏輯順序控制應用都屬于開環控制系統。

2. 偏差控制（有反饋控制）

在開環控制系統中，如果控制輸出值 Y 受到干擾 M 的影響而產生變化時，這種變化是不能通過系統本身來進行自動調節的。因此，必須找到一個方法，要求控制系統本身能對這種變化自動進行調節，使之回到正常輸出值。偏差控制基本上解決了這個問題。

很多自動調節的方法實現，都是由人對開環控制進行人工調節啟發而得到的，偏差控制就是如此。

在工業生產中，經常要進行恒溫控制，早期的恒溫控制是由工人人工操作進行的，其人工調節的具體過程如下：

（1）人工觀察溫控儀顯示的爐溫。

（2）與要求的恒溫值進行比較，得出偏差，并根據偏差情況進行手動調節。如果偏差為正（實際爐溫＞要求爐溫），則正向轉動調壓器，朝減小加熱電流方向轉動；如果偏差為負（實際爐溫＜要求爐溫），則反向轉動調壓器；如果偏差為0（或在某個范圍內），則不轉動調壓器。

總結一下人工調節的過程，就會得出如下結論：

（1）必須有一個測量元件溫控儀，它顯示實際被控制值。還必須有一個設定值（要求的恒溫值），它在工人的記憶中。

（2）必須有一個比較器，它來比較實際值和設定值的大小，得出偏差，它由工人大腦完成。

（3）必須有一個能夠控制被控對象的執行器調壓器，它根據偏差來控制執行器動作，以控制被控對象電阻絲的通電電流大小，從而使所產生的被控制值溫度得到調節。

根據上述偏差控制過程，畫出控制原理圖如圖1-9所示。

對比一下開環控制系統，可以發現，在偏差控制中，被控制值Y被引入到控制器的輸入端，與設定值比較后所產生的偏差值才是控制器的輸入控制值。開環系統是一個無反饋的控制系統，而偏差控制是一個有反饋的控制系統。

偏差控制從應用角度又可分為位式控制、負反饋控制和偏差控制，下面分別進行介紹。介紹中的一些算法，既可以通過硬件電路實現，也可以通過在PLC中編制算法程序實現。

1）負反饋控制

偏差控制的最早應用是負反饋閉環控制，如圖1-10所示，被控制值通過反饋元件（傳感器或變送器）被送至輸入端，F為反饋值，它可以是被控制值的部分或全部。反饋值與設定值比較，偏差作為新的控制值送入控制器。

負反饋控制有自動調節被控制值Y的作用。例如，當某種干擾引起Y增大變化時，Y↑→F↑→E↓→Y↓，經過系統自身調節，使 Y↑得到控制，實際上是使干擾的作用減弱了。這種能自動穩定輸出的調節系統在PID控制普及應用前已在模擬量控制中獲得了廣泛的應用。

負反饋控制是利用偏差來控制和調節輸出值。在負反饋中，控制器一般都是一個比例放大器。對調節效果來說，總希望在穩定狀態下，輸出值與設定值的偏差越小越好，最好為0，但是負反饋控制做不到。從圖1-10所示可以看出，輸出值Y與偏差E成比例關系，如果輸出值與設定值相等則偏差也為0，則 Y=0，系統將沒有輸出。顯然，這是不能出現的情況。因此，系統必定要有偏差，才能保持穩定工作，這也是負反饋系統始終存在偏差的原因。這種穩定狀態下的偏差稱為靜差。負反饋系統不能消除靜差，其輸出值永遠不能達到設定值。雖然不能消除靜差，但仍然希望偏差越小越好。很小的偏差要保持一定的輸出值，只有加大控制器的比例放大倍數；而若放大倍數過大，偏差稍微大一點，輸出就會產生很大變化。由于系統都具有慣性，又會產生波動，形成超調或振蕩，所以放大倍數也不能隨意加大。以上兩點，就是負反饋控制系統的不足之處。盡管存在這些缺點，但負反饋控制在一些要求不高的場合還是得到了廣泛應用。

2）偏差控制

對負反饋控制的一個改進算法如圖1-11所示。為區別上面的負反饋控制算法，稱為偏差控制。偏差控制實質仍然是負反饋控制。不同的是，這里控制值用 R 代替了偏差，R = X + E。當偏差為0時，R=X，這時輸出就為設定值所對應的輸出實際值，這就解決了偏差為0時沒有輸出的情況。如果因干擾使輸出值發生了變化，使E≠0，此時，E的出現會使控制值 R 增大或減少（由實際輸出值與設定值大小關系決定），又使輸出值增大或減小而接近設定值。其控制過程與負反饋控制類似。

偏差控制僅解決了偏差為0的情況，但它并不能夠解決靜差和穩定性問題。如果受到干擾，產生偏差，輸出值就不可能再回到設定值所對應的輸出實際值。道理和負反饋控制一樣，偏差控制也是靠偏差來進行自動調節的。沒有了偏差，其糾正輸出值的控制量也沒有了。輸出值就不會得到糾正。同樣，如果為了減小靜差而加大放大倍數，一樣會引起不穩定問題。

3. 無靜差控制

在實際控制中，不管發生了什么干擾，引起輸出值的變化后，總是希望通過系統自身調節能回到設定值相對應的輸出控制值上，即最后偏差為0，圖1-12所示為一種無靜差控制的算法框圖。

與偏差控制不同的是，這里的控制值是控制值自身與偏差E相加成為新的控制值；公式為 Rn+1=Rn+E，其中 Rn為上一次運算時的 R 值，而 Rn+1為本次運算后的 R 值。其含義是每次的控制值是上次控制值與偏差的和。這種控制為什么能消除靜差呢？其原因是控制值R已經脫離了在偏差控制中控制值的范圍。在偏差控制中控制值R始終在設定值X的偏差范圍內10擺動，而在這里隨著一次一次地累加，控制值R越來越接近設定值，直到控制值變化到等于輸出值相應的設定值為止。這時，偏差為0，控制值也保持不變。這也實現了設定值的無靜差控制。

從上述的無靜差控制過程可以看出，由于控制方法中采取逐步累加（或累減）的算法，才能達到無靜差，而累加相當于加入了積分環節，即使累加停止（偏差消失），但其積分的量已經存在，而正是這個量，使系統仍然產生輸出。下面通過一個例子來說明無靜差控制實際工作過程。無靜差控制可以消除所有由于干擾而產生的誤差，但同樣存在系統能否穩定工作的問題。在工業控制中被大量應用的PID控制就是一個既能消除靜差又能進一步解決穩定性、快速性較好的控制方式。有關PID控制方式的介紹與應用將在第4章中進行詳盡的討論。

下面通過一個例子來說明無靜差控制需要哪些控制環節。圖1-13所示是一個直流電動機無靜差控制的原理圖。

在圖1-13中，控制要求為電動機轉速穩定。電動機通過測速電動機把轉速變成一個成比例變化的電壓Uf反饋到輸入端。Ur是設定電壓，反饋電壓Uf和設定電壓Ur正好是方向相反，這兩個電壓疊加后為偏差電壓ΔU=Ur - Uf。把它送到伺服電動機控制器的輸入口通過控制器控制伺服電動機的轉動。伺服電動機是一個隨控制電壓而轉動角度的電動機，控制電壓存在它就轉動相應的角度，控制電壓消失它就停止轉動。伺服電動機通過傳動機構帶動電位器W旋轉，電位器旋轉之后，直流電動機的控制電路輸入電壓Uk就發生改變，電動機的控制電壓Ud發生改變，相應的轉速也發生改變。假定電動機轉速穩定時，其反饋電壓Uf=Ur，ΔU = 0，不存在偏差電壓，伺服電動機和電位器W都處于穩定位置。如果電動機因為負載變化而轉速變小，n↓，Uf↓；Uf↓，產生了偏差電壓ΔU。進而使伺服電動機轉動一個角度，帶動電位器轉動一個角度。結果 Uk↑，Ud↑，n↑。如果轉速上升之后，其反饋電壓Uf與Ur相加，還是有偏差，就還會繼續調節，直到Uf與Ur相等，即ΔU等于零為止。伺服電動機就停止轉動，注意這時電位器W是停在一個新的位置上，電動機轉速回到穩定轉速。如果情況相反，某種干擾使電動機轉速上升，這時 Uf↑，其大于 Ur，所產生的偏差電壓極性與圖中相反，會控制伺服電動機反向轉動一個角度，調節過程和上面一樣，直到ΔU=0為止。因此，該控制系統是一個無靜差控制系統。

這個系統的關鍵是伺服電動機，伺服電動機轉動的角度θ與輸入電壓ΔU成積分關系，而電位器W位置與角度θ成正比，電動機的控制電壓 Uk 又與電位器W位置來決定，這樣，便有

U k =K∫ΔUdt

式中，K為積分系數。電位器W的自動調節作用不是由偏差電壓ΔU來維持的，而是通過調節過程中的誤差積累來產生的。因此，無靜差控制系統中必須有積分環節。

1.1.4 PLC模擬量控制系統

1. PLC模擬量控制系統組成

可編程控制器（PLC）是基于計算器技術發展而產生的數字控制型產品。它本身只能處理開關量信號，可方便可靠地進行邏輯關系的開關量控制，不能直接處理模擬量。但其內部的存儲單元是一個多位開關量的組合，可以表示為一個多位的二進制數，稱為數字量。在1.1.1節中，曾敘述過模擬量和數字量之間的關系。只要能進行適當的轉換，可以把一個連續變化的模擬量轉換成在時間上是離散的，但取值上卻可以表示模擬量變化的一連串的數字量，那么PLC就可以通過對這些數字量的處理來進行模擬量控制了。同樣，經過PLC處理的數字量也不能直接送到執行器中，必須經過轉換變成模擬量后才能控制執行器動作。這種把模擬量轉換成數字量的電路叫做“模/數轉換器”，簡稱A/D轉換器；把數字量轉換成模擬量的電路叫做“數/模轉換器”，簡稱D/A轉換器（關于A/D和D/A轉換原理可參看1.2節內容）。PLC模擬量控制系統組成框圖如圖1-14所示。

和圖1-5所示相比，PLC在模擬量控制系統中的功能相當于比較器和控制器的組合。

為方便PLC在模擬量控制中的運用，許多PLC生產商都開發了與PLC配套使用的模擬量控制模塊。三菱FX2N PLC模擬量模塊有輸入模塊、輸出模塊、輸入/輸出混合模塊及溫度控制模塊。本書將在第3章中進行詳細介紹。

2. PLC模擬量控制系統特點

PLC是一個數字控制設備，用它來處理模擬量是否能滿足模擬量控制的穩定、準確、快速的要求呢？要回答這個問題還必須了解一下PLC處理模擬量的過程和特點。

在1.1.1節中，已經說明了一個在時間和取值上都是連續的模擬量可以用一個在時間和取值上都是離散的數字量來代替，這個數字量僅僅是在某些時間點上等于模擬量的值。前面也說明了在PLC模擬量控制系統中是通過A/D轉換器來完成轉換功能的。這個轉換過程由兩部分組成：一是在指定時間點上向模擬量取值，這個過程叫采樣（關于采樣的知識見1.3節）；二是取出模擬量后，通過A/D轉換器轉換成相應的二進制數字量，這個過程叫量化。采樣和量化是所有數字控制設備處理模擬量所必需的過程。

采樣和量化使得PLC處理模擬量時存在著如下特點。

（1）經過量化后的數字量與采樣的模擬量的原值一定存在誤差，而且這個誤差的大小可以通過A/D轉換后的二進制位數進行控制。也就是說，A/D轉換模塊的位數決定了轉換的精度，位數越多，分辨率越高，精度也越高，與模擬量原值的誤差就越小。模擬電路控制實際上也是存在誤差的，但它的誤差比較難于控制。可以說，PLC的量化誤差可以控制是PLC模擬量控制一個優點。它可以通過增加A/D轉換的位數來控制精度，數控機床的精度要高于普通機床就是這個道理。PLC處理模擬量的這個特點影響到控制系統的準確性。

（2）采樣是一個時間上不連續的控制動作。它受到PLC工作原理的約束，僅當PLC在對I/O點進行刷新時才把采樣值數字量讀入PLC，把上次采樣值運算處理結果通過D/A模塊作為控制信號送給系統。PLC模擬量控制的這個特點所帶來的問題是如何才能保證所采樣的不連續的取值能夠較少失真地恢復原來的模擬量信號。只有失真較少，才能保證控制的穩定性和準確性。

（3）PLC模擬量控制中，不論是采樣、量化、信息處理（程序運行），還是控制輸出，都需要一定的時間。一個采樣后的量不能像模擬電路那樣馬上通過電路作用將輸出送到系統，而是要延遲一定時間才能將輸出送至系統。這種延時作用的特點是PLC模擬量控制的不足之處。在響應速度要求非常好的系統中，PLC控制不能夠擔當重任。PLC的響應速度與其程序掃描時間關系很大。因此，確定控制算法、設計控制程序和選擇合適的控制參數就顯得非常重要。

（4）PLC的一個優點就是采取了一系列硬件和軟件抗干擾措施，具有很強的抗干擾能力，控制的可靠性也得到極大提高，這對控制系統的穩定性是極其重要的。

綜上所述，PLC模擬量控制的穩定性和準確性基本上是可以保證的，能滿足大部分模擬量控制系統的要求。但它的控制響應滯后性也是明顯的，這一點在掃描時間較長和通信控制中比較突出。可以說，PLC控制的穩定性和準確性是用其響應滯后得到的。

3. PLC模擬量輸入/輸出方式

1）PLC控制模擬量輸入方式

目前大部分PLC是采用模擬量輸入（A/D）轉換模塊進行模擬量輸入。用模擬量輸入模塊進行模擬量輸入一般都要先把模擬量通過相應的傳感器和變送器變換為標準的電壓（0～10V，-10～10V等）和電流（0～20mA，4～20mA）才能接入模塊通道。模擬量輸入轉換模塊不僅能完成對模擬量的轉換，還可以做多種數字量的處理，如濾波、求平均值、標定的變換（指模擬量輸入和數字量輸入之間的關系曲線，詳見1.4節標定和標定變換）等。

PLC也可以用采集脈沖方式輸入模擬量信號，但必須先通過壓頻變送器把電壓轉換成頻率可調的脈沖序列送入PLC。這時，輸入脈沖序列的頻率表示所輸入模擬量信號的大小。在模擬量控制中這種方法用得較少。

2）PLC控制模擬量輸出方式

在PLC控制模擬量輸出方面，用得最多的仍然是通過模擬量輸出模塊（D/A）輸出，一般D/A模塊都具有兩路以上通道，可以同時輸出兩個以上模擬量控制兩個以上的執行器。而且，模擬量輸出模塊輸出的模擬量信號能連續地、無波動地變化，其精度也可以通過轉換的二進制位數的多少進行控制。同樣，它也具有某些特殊功能，如限定、報警等。

在很多情況下，模擬量輸出還可以采用占空比可調的脈沖序列信號輸出。如圖1-15所示為一周期為T的脈沖序列信號。

設T為脈沖周期，ton為一個周期內脈沖導通時間，則其占空比D為D=ton/T。而脈沖序列平均值VL為

可見，調節占空比D可調節輸出平均值VL，且與D成正比例。這種模擬量輸出方法經常用于調節電爐溫度，設定一個脈沖序列周期T和給定溫度值電壓，由測溫傳感器檢測到的爐溫通過A/D模塊送入PLC，與給定溫度值進行比較，其偏差在PLC內進行PID控制運算，運算的結果作為脈沖序列輸出的 ton控制占空比，從而控制電阻絲的加熱電壓平均值，也可以說是控制其加熱時間與停止加熱時間之比來達到控制爐溫的目的。當爐溫溫升高時，則 ton會變小，這樣，其加熱時間變短，而停止加熱時間變長，爐溫會回落。也可以說輸出平均值VL變小，平均電流變小，爐溫回落。