使用PID控制器实现精准控制

工业生产过程中，对于生产装置的温度、压力、流量、液位等工艺变量常常要求维持在一定的数值上，或按一定的规律变化，以满足生产工艺的要求。PID控制器是根据PID控制原理对整个控制系统进行偏差调节，从而使被控变量的实际值与工艺要求的预定值一致。不同的控制规律适用于不同的生产过程，必须合理选择相应的控制规律，否则PID控制器将达不到预期的控制效果。

PID控制器（比例-积分-微分控制器），由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。通过K_p、K_i和K_d三个参数的设定。PID参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性来确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。

（1）PID指令说明

PID运算指令可进行PID回路控制的PID运算程序。在达到采样时间后的扫描时进行PID运算，指令是将当前过程值［S2］与设定值［S1］之差送到PID环中计算，得到当前输出控制值送到目标单元中。或者说PID指令是为了接近目标值（SV）而组合P（比例动作）、I（积分动作）、D（微分动作），从测定值（PV）计算输出值（MV）的指令。PID指令的控制框图如图10-14所示。指令表现形式如图10-15所示。

图10-14 PID指令控制框图

图10-15 PID指令表形式

（2）参数设定

1）控制参数的设定：控制用参数设定值需在PID运算开始前，通过MOV指令预先写入。若使用停电保持型数据寄存器，在可编程序控制器断电后，设定值保持，就不需要再重复地写入处理了。

该指令中［S3］指定了PID运算的参数表首地址。共占用25个数据寄存器。参数设定内容如下。

D100：采样时间（Ts）设定范围为1～32767ms（若设定值比扫描周期短，则无法执行）

D101：动作方向（ACT），D101各位指定意义如下：

bit0=0正向动作bit0=1反向动作

bit1=0无输入变化量报警bit1=1输入变化量报警有效

bit2=0无输出变化量报警bit2=1输出变化量报警有效

bit3不可使用

bit4=0不执行自动调节bit4=1执行自动调节

bit5=0不设定输出值上下限bit5=1输出上下限设定有效

bit6～bit15不可使用

另外，bit2和bit5不能同时为1。

D102：输入滤波常数（α）设定范围0～99％0时无输入滤波

D103：比例增益（K_p）设定范围1～32767％

D104：积分时间（T_i）设定范围0～32767（×100ms）0时作为∞处理（无积分）

D105：微分增益（K_d）设定范围0～100％0时无积分增益

D106：微分时间（T_n）设定范围0～32767（×100ms）0时无微分处理

D107～D119：PID运算的内部处理占用，用户不能使用

D120：输入变化量（增量方向）报警设定值：0～32767（D101的bit1=1时有效）

D121：输入变化量（减量方向）报警设定值：0～32767（D101的bit1=1时有效）

D122：输出变化量（增量方向）报警设定值：0～32767（D101的bit2=1，bit5=0时有效）

另外，输出上下限设定值：-32768～32767（D101的bit2=1，bit5=1时有效）

D123：输出变化量（减量方向）报警设定值0～32767（D101的bit2=1，bit5=0时有效）

另外，输出上下限设定值－32768～32767（D101的bit2=1，bit5=1时有效）

D124：报警输出

bit0=1输入变化量（增量方向）溢出报警；bit1=1输入变化量（减量方向）溢出报警；

bit2=1输出变化量（增量方向）溢出报警；bit3=1输出变化量（减量方向）溢出报警；

注1：D101的bit1=1或bit2=1时溢出报警有效。

注2：有关D101的bit0动作方向设定意义如图10-16、图10-17所示。

正动作：D101的bit0=0为正向动作。针对目标值（SV），随着测定值（PV）的增加，输出（MV）也增加。例如：制冷正动作，如图10-16所示。

逆动作：D101的bit0=0为逆向动作。针对目标值（SV），随着测定值（PV）的减少，输出（MV）也增加。例如：加热正动作，如图10-17所示。

正动作/逆动作和测定值、输出值、目标值三者之间的关系如图10-18所示。

图10-16 正动作

图10-17 逆动作

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图10-18 正/逆动作与三值关系

2）控制参数说明：可以同时多次执行（循环次数无限制），但要注意，用于运算的源（S3）或目标（D）软元件号码不得重复。

图10-19 PID指令使用说明图

PID指令在定时器中断、子程序、步进梯形图，跳转指令中也可使用，但需在执行PID指令前清除［S3］+7单元后再使用，如图10-19所示。

采样时间T_s的最大误差为：－（1个扫描周期+1ms）～+（1个扫描周期），采样时间T_s较小时，要用恒定扫描模式，或在定时器中断程序中编程。

如果采样时间T_s小于等于1个扫描周期，则发生下述的运算错误（错误代码为K6740），并以T_s=1个扫描周期执行PID运算，在此种情况下，建议最好在定时器中断（I6□□～I8□□）中使用PID指令。

输入滤波常数具有使测定值平滑变化的效果。

微分增益具有缓和输出值剧烈变化的效果。

3）输入、输出变化量报警设定 使［S3］+1（Act）的bit1=1，bit2=1时，用户可任意检测输入/输出变化量的检测。检测按［S3］+20～［S3］+23的值进行。超出设定的输入/输出变化值时，作为报警标志［S3］+24的各位在其PID指令执行后立即为ON。

变化量：变化量=上次的值－本次的值。

（3）自动调节功能

使用自动调节功能可以得到最佳的PID控制，用阶跃反应法自动设定重要常数（动作方向（［S3］+1）的bit0）、比例增益（［S3］+3）、积分时间（［S3］+4）、微分时间（［S3］+6）。

自动调节方法：

1）传送自动调节用的（采样时间）输出值至（D）中，这个自动调节用的输出值应根据输出设备在输出可能最大值的50％～100％范围内选用。

2）设定自动调节的采样时间、输入滤波、微分增益以及目标值等。为了正确执行自动调节，目标值的设定应保证自动调节开始时的测定值与目标值之差要大于150以上。若不能满足大于150以上，可以先设定自动调节目标值，待自动调节完成后再次设定目标值。

自动调节时的采样时间必须大于1s以上。并且要远大于输出变化的周期时间。

3）设D101的bit4=1，则自动调节开始。自动调节开始时的测定值达到目标值的变化量1/3以上时自动调节结束，bit4自动为0。

注意：自动调节应在系统处于稳态时进行，如在不稳定状态开始，否则不能正确进行自动调节。

（4）PID控制器的参数整定方法

PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。一般多是先确定采样周期，再确定比例系数K_p，然后是积分常数K_i，最后是微分常数K_d。而且这些参数的选定多数靠人们的经验积累，在现场调试中具体确定。大体步骤如下：

1）选择合适的采样周期让系统工作

对于温度系统，一般为10～20s。

对于流量系统，一般为1～5s，优先考虑1～2s。

对于压力系统：一般为3～10s，优先考虑6～8s。

对于液位系统：一般为6～8s。

以上数据也仅仅是一个参考数。

2）选定合适的比例带、积分常数、微分常数使系统运行。

在实际调试中，只能先大致设定一个经验值，然后根据调节效果修改。

对于温度系统：P：20～60，Ⅰ：3～10，D：0.5～3

对于流量系统：P：40～100，Ⅰ：0.1～1

对于压系统：P：30～70，Ⅰ：0.4～3

对于液位系统：P：20～80，Ⅰ：1～5

【例10-2】温度闭环控制系统如图10-20所示。用FX2N-48MR基本单元的输出驱动电加热器给温度箱加温，由热电偶检测温度箱温度的模拟信号经模拟输入模块FX2N-4AD-TC进行模数转换，PLC执行程序，调节温度箱温度保持在+50℃。

试编制程序，控制系统稳定运行。

示例分析，首先要确定系统中PID所需的参数，本例所设定的PID参数见表10-2。确定编制参考程序如图10-21所示。

图10-20 温度闭环控制系统图

表10-2 PID参数表

图10-21 参考程序

图10-21 参考程序（续）