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1、PID 闭 环 控 制 的 实 现1 引言在工业生产中，常需要用闭环控制方式来实现温度、压力、流量等连续变化的模拟量控制。无论使用模拟控制器的模拟控制系统，还是使用计算机(包括 PLC)的数字控制系统，PID 控制都得到了广泛的应用。PID 控制器是比例积分微分控制的简称，具有(1) 不需要精确的控制系统数学模型;(2) 有较强的灵活性和适应性;(3) 结构典型、程序设计简单，工程上易于实现，参数调整方便等优点。积分控制可以消除系统的静差，微分控制可以改善系统的动态相应速度，比例、积分、微分三者有效地结合可以满足不同的控制要求。2 PLC 实现 PID 的控制方式2.1 PID 过程控制模块这
2、种模块的 PID 控制程序是 PLC 生产厂家设计的，并存放在模块中，用户使用时序要设置一些参数，使用起来非常方便，一个模块可以控制几路甚至几十路闭环回路。2.2 PID 功能指令现在很多 PLC 都有供 PID 控制用的功能指令，如 S7-200 的 PID 指令。它们实际上是用于 PID 控制的子程序，与模拟量输入/输出模块一起使用，可以得到类似于使用 PID 过程控制模块的效果。2.3 用自编的程序实现 PID 闭环控制有的 PLC 没有 PID 过程控制模块和 PID 控制用的功能指令，有时虽然可以使用 PID 控制指令，但是希望采用某种改进的 PID 控制算法。在上述情况下都需要用户
3、自己编制 PID 控制程序。3 PLC-PID 控制器的实现本文以西门子 S7-200PLC 为例，说明 PID 控制的原理及 PLC 的 PID 功能指令的使用及控制功能的实现。3.1 PID 控制器的数字化PLC 的 PID 控制器的设计是以连续系统的 PID 控制规律为基础，将其数字化写成离散形式的 PID控制方程，再跟据离散方程进行控制程序设计。在连续系统中，典型的 PID 闭环控制系统如图 1 所示。图 1 中 sp(t)是给定值，pv(t)是反馈量，c(t)是系统的输出量，PID 控制的输入输出关系式为:式中:M(t)控制器的输出量，M 0 为输出的初始值;e(t)=sp(t)-p
4、v(t)误差信号;KC 比例系数;TI积分时间常数;TD微分时间常数。 图 1 连续闭环控制系统方框图式(1)的右边前 3 项分别是比例、积分、微分部分，它们分别与误差，误差的积分和微分成正比。如果取其中的一项或两项，可以组成 P、PD 或 PI 控制器。假设采样周期为 TS，系统开始运行的时刻为 t0，用矩形积分来近似精确积分，用差分近似精确微分，将公式 1 离散化，第 n 次采样时控制器的输出为: (2)式中:en-1第 n-1 次采样时的误差值;KI积分系数;KD微分系数。基于 PLC 的闭环控制系统如图 2 所示。图中的虚线部分在 PLC 内。其中 spn、pvn、en、Mn 分别为模
5、拟量在 sp(t)、pv(t)、e(t)、M(t)在第 n 次采样时的数字量。 图 2 PLC 闭环控制系统方框图 在许多控制系统内，可能只需要 P、I、D 中的一种或两种控制类型。如可能只要求比例控制或比例与积分控制，通过设置参数可对回路进行控制类型进行选择。3.2 输入输出变量的转换PID 控制有两个输入量:给定值(sp)和过程变量(pv)。多数工艺要求给定值是固定的值，如加热炉温度的给定值。过程变量是经 A/D 转换和计算后得到的被控量的实测值，如加热炉温度的测量值。给定值与过程变量都是与被控对象有关的值，对于不同的系统，它们的大小、范围与工程单位有很大的区别。应用 PLC 的 PID 指令对这些量进行运算之前，必须将其转换成标准化的浮点数(实数)。同样，对于 PID 指令的输出，在将其送给 D/A 转化器之前，也需进行转换
