深入探析PID控制器的运作机理

1.怎样实现PID控制

PID是比例、微分、积分的缩写，PID控制器是应用最广的闭环控制器。

S7-300/400的闭环控制模块为FM335和FM335-2，它们集成了闭环控制需要的I/O点和软件，可选用PID控制器或自整定模糊控制器。

一般使用普通的信号模块和专用的功能块（FB）来实现PID控制。所有型号的CPU可以使用FB41～FB43和用于温度控制的FB58和FB59。CPU 31xC还可以使用集成在CPU中的SFB41～SFB43，本章介绍应用最广的FB41的使用方法和仿真实验。

FB41“CONT_C”（连续控制器）的输出为连续的模拟量。可以用FB41作为单独的PID控制器，也可以用脉冲发生器FB43进行扩展，产生脉冲宽度调制的开关量输出信号，来控制比例执行机构。

用于PID控制的功能块的参数很多，建议结合功能块的方框图来学习和理解这些参数。

2.PID控制器输出的表达式

模拟量PID控制器的输出表达式为

式中控制器的输入量（误差信号）为

ev（t）=sp（t）-pv（t）

sp（t）为设定值，pv（t）为过程变量（反馈值）；mv（t）是控制器的输出信号，K_P为比例系数（或称为增益），T_I和T_D分别是积分时间和微分时间，M是积分部分的初始值。(www.xing528.com)

式（9-1）中等号右边的前3项分别是比例、积分、微分部分，它们分别与误差ev（t）、误差的积分和误差的微分成正比。如果取其中的一项或两项，可以组成P、PI或PD调节器。需要较好的动态品质和较高的稳态精度时，可以选用PI控制方式；控制对象的惯性滞后较大时，应选择PID控制方式。

3.闭环控制的主要性能指标

由于给定输入信号或扰动输入信号的变化，系统的输出量达到稳态值之前的过程称为过渡过程或动态过程。系统的动态性能常用阶跃响应曲线（见图9-2）的参数来描述。阶跃输入信号在t=0之前为0，t＞0时为某一恒定值。

图9-2 被控对象的阶跃响应曲线

输出量第一次达到稳态值的时间t_r称为上升时间，上升时间反映了系统在响应初期的快速性。

系统进入并停留在稳态值c（∞）上下±5%（或2%）的误差带内的时间t_s称为调节时间，到达调节时间表示过渡过程已基本结束。

设动态过程中输出量的最大值为c_max（t），如果它大于输出量的稳态值c（∞），定义超调量为

超调量反映了系统的相对稳定性，它越小动态稳定性越好，一般希望超调量小于10%。

系统的稳态误差是进入稳态后的期望值与实际值之差，它反映了系统的稳态精度。