TPC1061Ti配套西門(mén)子plc用于PID控制

PID定義

當(dāng)今的閉環(huán)自動(dòng)控制技術(shù)都是基于反饋的概念以減少不確定性。反饋理論的要素包括三個(gè)部分：測(cè)量、比較和執(zhí)行。測(cè)量關(guān)心的是被控變量的實(shí)際值，與期望值相比較，用這個(gè)偏差來(lái)糾正系統(tǒng)的響應(yīng)，執(zhí)行調(diào)節(jié)控制。在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的TPC1061TI調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱(chēng)PID控制，又稱(chēng)PID調(diào)節(jié)。

2．PID基本用途

它由于用途廣泛、使用靈活，已有系列化產(chǎn)品，使用中只需設(shè)定三個(gè)參數(shù)（Kp， Ti和Td）即可。在很多情況下，并不一定需要全部三個(gè)單元，可以取其中的一到兩個(gè)單元，但比例控制單元是必不可少的。

首先，PID應(yīng)用范圍廣。雖然很多工業(yè)過(guò)程是非線(xiàn)性或時(shí)變的，但通過(guò)對(duì)其簡(jiǎn)化可以變成基本線(xiàn)性和動(dòng)態(tài)特性不隨時(shí)間變化的系統(tǒng)，這樣PID就可控制了。

其次，PID參數(shù)較易整定。也就是，PID參數(shù)Kp，Ti和Td可以根據(jù)過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性及時(shí)整定。如果過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性變化，例如可能由負(fù)載的變化引起系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性變化，PID參數(shù)就可以重新整定。

第三，PID控制器在實(shí)踐中也不斷的得到改進(jìn)，下面舉個(gè)改進(jìn)的例子。

在工廠(chǎng)，總是能看到許多回路都處于手動(dòng)狀態(tài)，原因是很難讓西門(mén)子plc控制過(guò)程在“自動(dòng)”模式下平穩(wěn)工作。由于這些不足，采用PID的工業(yè)控制系統(tǒng)總是受產(chǎn)品質(zhì)量、安全、產(chǎn)量和能源浪費(fèi)等問(wèn)題的困擾。PID參數(shù)自整定就是為了處理PID參數(shù)整定這個(gè)問(wèn)題而產(chǎn)生的。現(xiàn)在，自動(dòng)整定或自身整定的PID控制器已是工業(yè)單回路控制器和分散控制系統(tǒng)的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。

3．PID控制

①　PID是閉環(huán)控制系統(tǒng)的比例-積分-微分控制算法。

②　PID控制器根據(jù)設(shè)定值（給定）與被控對(duì)象的實(shí)際值（反饋）的差值，按照PID算法計(jì)算出控制器的輸出量，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)去影響被控對(duì)象的變化。

③　PID控制是負(fù)反饋閉環(huán)控制，能夠抑制216-2BD23-0XB8西門(mén)子plc系統(tǒng)閉環(huán)內(nèi)的各種因素所引起的擾動(dòng)，使反饋跟隨給定的變化。閉環(huán)控制必須保證系統(tǒng)的是負(fù)反饋（誤差=給定值-反饋值），而不是正反饋（誤差=給定值+反饋值）。如果TPC1061TI系統(tǒng)接成了正反饋，將會(huì)失控，被控量會(huì)往單一方向增大或減小，給系統(tǒng)的安全帶來(lái)極大的威脅。

④　PID閉環(huán)控制系統(tǒng)圖，如下：

圖1

舉個(gè)用天然氣加熱爐溫的例子來(lái)說(shuō)明PID閉環(huán)控制系統(tǒng)。天然氣加熱被控對(duì)象為溫度T，測(cè)量變送器是為熱電偶，熱電偶檢測(cè)出的模擬信號(hào)通過(guò)模擬量輸入模塊（TC模塊）變?yōu)榕c之對(duì)應(yīng)的數(shù)字量，這個(gè)數(shù)字量為我們的過(guò)程變量值PV，過(guò)程變量值PV與我們的給定值SP進(jìn)行比較，偏差e=SP-PV，PID控制器根據(jù)偏差值的大小來(lái)調(diào)節(jié)輸出，當(dāng)實(shí)際溫度值小于給定值時(shí)，PID增加輸出值，通過(guò)模擬量輸出模塊使電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)口度增加，天然氣進(jìn)入流量會(huì)加大，使溫度升高。當(dāng)實(shí)際溫度值大于給定值時(shí)，PID減小輸出值，通過(guò)模擬量輸出模塊235-0KD22-0XA8使電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)口度減小或者關(guān)閉，天然氣進(jìn)入流量會(huì)減小，使溫度降低。通過(guò)PID控制器調(diào)節(jié)，溫度最終穩(wěn)定在給定值上下。

⑤　PID在S7200西門(mén)子plc中的實(shí)現(xiàn)

在S7-200西門(mén)子plc中PID功能是通過(guò)PID指令功能塊實(shí)現(xiàn)。通過(guò)定時(shí)執(zhí)行PID功能塊，按照PID運(yùn)算規(guī)律，根據(jù)當(dāng)時(shí)的給定、反饋、比例-積分-微分?jǐn)?shù)據(jù)，計(jì)算出控制變量。PID功能塊通過(guò)一個(gè)PID回路表交換數(shù)據(jù)，這個(gè)表是在V數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)中開(kāi)辟的，長(zhǎng)度為36個(gè)字節(jié)。因此每個(gè)PID功能塊在調(diào)用是需要制定兩個(gè)要素：PID控制回路號(hào)，以及控制回路表的起始地址。

⑥　回路控制類(lèi)型的選擇

在許多控制系統(tǒng)中，只需要一種或兩種回路控制類(lèi)型。例如只需要比例回路或者比例積分回路。通過(guò)設(shè)置常量參數(shù)，可以選擇需要的回路控制類(lèi)型。

如果不想要積分動(dòng)作，可以把積分時(shí)間置為無(wú)窮大“INF”。即使沒(méi)有積分作用，積分項(xiàng)還是不為零，因?yàn)橛谐踔礛X。

如果不想要微分回路，可以把微分時(shí)間置為零。

如果不想要比例回路，但需要積分或積分微分回路，可以把增益設(shè)為0.0。系統(tǒng)會(huì)在計(jì)算積分項(xiàng)和微分項(xiàng)時(shí)，把增益當(dāng)作1.0看待。

⑦　回路輸入輸出標(biāo)準(zhǔn)化

由于PID可以控制溫度、壓力、流量等許多對(duì)象，它們各自是由工程量表示，因此有一種通用的數(shù)據(jù)表示方法才能被PID功能塊識(shí)別。西門(mén)子214-2BD23-0XB8中的PID功能使用占調(diào)節(jié)范圍的百分比的方法抽象地表示被控對(duì)象數(shù)值大小。在實(shí)際工程中，這個(gè)調(diào)節(jié)范圍往往被認(rèn)為與被控對(duì)象（反饋）的測(cè)量范圍（量程）一致。PID功能塊只接受0.0-1.0之間的實(shí)數(shù)（實(shí)際上就是百分比）作為反饋、給定與控制輸出的有效值，如果是直接使用PID功能塊編程，必須保證在這個(gè)范圍之內(nèi)，否則會(huì)出錯(cuò)。其它如增益、采樣時(shí)間、積分時(shí)間、微分時(shí)間都是實(shí)數(shù)。

⑧　PID正作用和反作用回路

如果增益為正，那么該回路為正作用回路。如果增益為負(fù)，那么是反作用回路。（對(duì)于增益值為0.0的I或者ID控制，如果指定積分時(shí)間、微分時(shí)間為正，就是正作用回路；如果指定值為負(fù)值，就是反作用回路。）

舉兩個(gè)例子來(lái)說(shuō)明PID正作用回路和反作用回路：

PID正作用回路：加熱爐的控制屬于PID正作用控制，若溫度值小于設(shè)定值，需要將PID的輸出值控制的閥的開(kāi)度增大，以增加天然氣的流量。若溫度值大于設(shè)定值，需要將PID的輸出值控制的閥的開(kāi)度減小，以減小天然氣的流量。

PID反作用回路：在夏天控制空調(diào)制冷時(shí)，若反饋溫度值低于設(shè)定溫度時(shí)，需要將PID的輸出值控制的閥的開(kāi)度減小，以減小冷水的流量。若反饋溫度值大于設(shè)定溫度時(shí)，需要將PID的輸出值控制的閥的開(kāi)度增加，以增加冷水的流量。