PID控制器参数整定的仿真实验

1.PID控制参数赋值工具

首先打开随书光盘中的项目“PID控制”，然后打开PLCSIM。将所有的块下载到仿真PLC，将仿真PLC切换到RUN-P模式。

单击Windows 7左下角的“开始”按钮，执行菜单命令“开始”→“所有程序”→“Siemens Automation”→“SIMATIC”→“STEP 7”→“PID Control Parameter Assignment”（PID控制参数赋值），打开“PID控制”视图（见图9-14）。单击工具栏上的 按钮，用单选框选中“打开”对话框中的“在线”。

图9-14 PID控制参数赋值工具

单击“浏览”按钮，打开已经下载到仿真PLC的项目“PID控制”，选中该项目中FB41的背景数据块DB41。单击“确定”按钮，出现图9-15所示的参数赋值对话框，其中的PID控制器的参数是在程序中设置的。可以在程序运行时用这个对话框来修改PID控制器的参数。

图9-15 PID控制参数赋值对话框

单击工具栏上的曲线记录按钮 ，打开“曲线记录”对话框（见图9-16上面的图），此时还没有图中的曲线。

图9-16 “曲线记录”对话框与曲线记录参数设置对话框

单击“设置”按钮，打开“设置”对话框（见图9-16下面的图）。将曲线3由“操纵变量”（PID控制器的输出变量）改为“无”，只显示额定值（即设定值）和实际值（即被控量）的曲线。可以用“改变颜色”按钮设置各曲线的颜色，用“Y轴限制”下面的文本框，将各曲线的下限值设置为0，用“时间轴长度”文本框修改曲线的时间轴长度。单击“确定”按钮，返回“曲线记录”对话框。

可以用曲线记录对话框右边的单选框设置Y轴显示哪一条曲线的坐标值。单击“开始”按钮，开始显示设置的变量的曲线。图中的方波是设定值（即额定值）曲线，由于OB1中程序的作用，方波设定值在20%～70%之间阶跃变化，深色曲线是被控量（即实际值）曲线。单击“停止”按钮，停止动态刷新实时曲线。图中的KP等参数值是作者添加的。

2.PID参数整定的仿真实验

图9-16中的被控量曲线的超调量过大，有多次震荡。用图9-15中的参数赋值对话框将积分时间由4s改为8s，单击工具栏上的下载按钮 ，将修改后的参数下载到仿真PLC。与图9-16中积分时间为4s的曲线相比，增大积分时间（减弱积分作用）后，图9-17中被控量曲线的超调量和震荡次数明显减小。

图9-18将积分时间还原为4s，微分时间由0.2s增大为1s。与图9-16中的曲线相比，适当增大微分时间后，图9-18中响应曲线的超调量和震荡次数明显减小。

图9-17 PID控制阶跃响应曲线

图9-18 PID控制阶跃响应曲线

微分时间也不是越大越好，保持图9-18中的增益和积分时间不变，微分时间增大到8s时（见图9-19），与图9-18相比，超调量反而增大，曲线也变得很迟缓。由此可见微分时间需要“恰到好处”，才能发挥它的正面作用。

图9-19 PID控制阶跃响应曲线

图9-20和图9-21的微分时间均为0（即采用PI调节），积分时间均为6s，比例增益分别为3.0和0.7。减小增益后，同时减弱了比例作用和积分作用。可以看出，减小增益能显著降低超调量和减小振荡次数，但是第一次到达稳态值的上升时间明显增大。(www.xing528.com)

图9-20 PI控制阶跃响应曲线

图9-21 PI控制阶跃响应曲线

将增益增大到2.0，减小了上升时间，但是超调量增大到16%。将积分时间增大到20s，超调量明显减小（见图9-22）。但是因为积分时间过大，积分作用太弱，消除误差的速度太慢。

为了加快消除误差的速度，将积分时间减小到6s，超调量为14%。为了减小超调量，引入了微分作用。反复调节微分时间，1s时效果较好，超调量很小（见图9-23），上升时间和消除误差的速度也比较理想。

图9-22 PI控制阶跃响应曲线

图9-23 PID控制阶跃响应曲线

从上面的例子可以看出，为了兼顾超调量、上升时间和消除误差的速度这些指标，有时需要多次反复地调节控制器的3个参数，直到最终获得较好的控制效果。

3.仿真系统的程序与实际的PID程序的区别

对于工程实际应用，在例程“PID控制”的基础上，PID控制程序应作下列改动：

1）删除OB100和OB35中调用FB100（过程对象）的指令，以及OB1中产生方波给定信号的程序。

2）实际的PID控制程序一般使用来自AI模块的过程变量PV_PER，后者应设为实际使用的AI模块的通道地址。用来选择输入参数的PVPER_ON应设置为TRUE（使用外设变量），不用设置浮点数过程变量输入PV_IN的实参。

3）不用设置浮点数输出LMN的实参，LMN_PER（外设输出值）设为实际使用的AO模块的通道地址。

4）如果系统需要自动/手动两种工作模式的切换，FB41的参数MAN_ON应设置为切换自动/手动的Bool变量。手动时该变量为1状态，参数MAN应为用于输入手动值的地址。

4.PID参数整定的仿真练习

读者可以利用随书光盘中的项目“PID控制”，进行下面的仿真练习：

1）运行PID仿真闭环控制系统，修改图9-15中PID控制器的增益、积分时间和微分时间，观察控制器参数与系统性能之间的关系，学习PID参数的整定方法。

2）在PID的参数固定不变的情况下，改变OB35的循环执行周期（即PID控制器的采样时间）和FB41、FB100中的参数CYCLE（三者应相同），观察采样时间对系统性能的影响，可以了解整定采样时间的方法。

3）令微分时间恒为0（即采用PI调节），调节增益和积分时间，直到得到较为满意的控制效果，即超调量较小，过渡过程时间较短。

4）修改OB100中被控对象的参数，下载到仿真PLC后，调节PID控制器的参数，直到得到较为满意的控制效果。