仿真实验：PID控制器参数整定优化

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8-17）。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8-17 打开DB41

单击“浏览”按钮，打开已下载到仿真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8-18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。

单击工具栏上的曲线记录按钮 ，打开“曲线记录”对话框（见图8-19上面的图），此时还没有图中的曲线。

单击“设置”按钮，打开“设置”对话框（见图8-19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。

图8-18 PID控制参数赋值对话框

图8-19 “曲线记录”对话框与曲线记录参数设置对话框

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K_P等参数值是作者添加的。

图8-19中的被控量曲线的超调量过大，有多次震荡。用图8-18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8-19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8-20中被控量曲线的超调量和震荡次数明显减小。

将图8-20中的积分时间还原为4s，微分时间由0.2s增大为1s。与图8-19中的曲线相比，适当增大微分时间后，图8-21中响应曲线的超调量和震荡次数明显减小。

图8-20 PID控制阶跃响应曲线

图8-21 PID控制阶跃响应曲线(www.xing528.com)

微分时间也不是越大越好，保持图8-21中的增益和积分时间不变，微分时间增大到8s时（见图8-22），与图8-21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8-23和图8-24的微分时间均为0（即采用PI控制），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。

图8-22 PID控制阶跃响应曲线

图8-23 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20 s，超调量明显减小（见图8-25）。但是因为积分作用太弱，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8-26），上升时间和消除误差的速度也比较理想。

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。

图8-24 PI控制阶跃响应曲线

图8-25 PI控制阶跃响应曲线

图8-26 PID控制阶跃响应曲线

读者可以修改OB100中FB100（被控对象）的参数，下载到仿真PLC后，调整PID控制器的参数，直到得到较好的响应曲线，即超调量较小，过渡过程时间较短。

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。