PID控制及温度调节程序举例

PID控制及温度调节程序举例

一、PID控制的定义

在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、 积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。

当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。 即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量 进行控制的。

1、比例（P）控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。

2、在积分（I）控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。 为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。

3、在微分（D）控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是 不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例 + 微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零， 甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。

二、 PID控制器的参数整定

PID控制器的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确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：

一、是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。

二 、是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试 验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用 。

三、PID控制在S7-300中的实现

利用S7-300所具有的PID功能，可以方便的进行调试， 得到各个参数的设定，大大节省工程时间。下面我们依然 以314C-2PN/DP为例，来看一下PID控制在S7-300中的实现。

1、PID函数的调用
由于对积分微分时间的精确计算，PID函数必须在循环中断中调用。为此，在博途界面，首先在项目树中点击“添加新块”，选择“组织块”中的“CYC_INT5”，即OB35。

OB35是一个循环中断组织块，每隔一定时间其会自动调用执行一次，该间隔时间的设置方法如图，在项目树中双击“设备组态”，再双击CPU模块，找到下方“常规”项的“中断”， 点选其中的“循环中断”，OB35所对应的执行时间，就是这个间隔时间，这里我们设置为200ms。

OB35块添加后，打开OB35块的程序编写界面，在该界面下我们就可以调用PID函数了。依次选择右侧“指令”中的“工艺 ”、“PID控制”、“PID基本函数”，将“CONT_C”添加 到编程界面。

2、PID函数说明
常用的PID函数为 CONT_C，即“连 续控制器”函数 ，控制具有连续输入和输出变量 的工艺过程，实现了一个完整的 PID 控制器。

该函数虽然具有众多参数，但是其中很多参数并不需要修改， 使用默认设置即可，下面我们结合参数说明，强调一下那些常用和重要的参数，首先是梯形图左侧的输入参数部分。

COM_RST: BOOL型，重新启动PID，当为TURE时，PID 执行重启动功能；
MAN_ON： BOOL型，当为TURE时，PID功能块直接将 MAN的值输出到LMN，也就是说，这个位是PID的手动/ 自动切换位；

CYCLE ： TIME型，PID采样周期，该值需与OB35的 调用时间相匹配；
SP_INT：REAL型,是PID的给定值；
PV_IN ： REAL型，是PID的反馈值（也称过程变量） ；
MAN ： REAL型，手动值，由MAN-ON选择有效；
GAIN ： REAL型，比例增益，即PID的P；
TI ： TIME型，积分时间，即PID的I；

DEADB_W： REAL型，死区宽度，如果输出在平衡点附近微 小幅度振荡，可以考虑用死区来降低灵敏度；
LMN_HLM： REAL型，PID上极限，一般是100%； LMN_LLM： REAL型，PID下极限；一般为0%，如果需要双 极性调节，则需设置为-100%；
再看一下梯形图右侧的输出参数部分：

LMN ：REAL型，PID输出，不可直接与控制器输出互连；
LMN_PER：WORD型，PID输出，可直接与控制器输出互连；

3、使用仿真器PLCSIM查看PID函数工作况

（1）参数设置：

（2）程序编写： 在OB35中编写如下梯形图程序

（3）开始仿真：打开仿真器PLCSIM，下载硬件组态和程序块，并监视程序运行。

使用PLCSIM设置MD30为50.0，如果M0.0为0，可以看到，当 M0.1为1时，50.0被直接送到MD40；而如果M0.0为1，则MD40 被复位为0。

初始状态下，使用PLCSIM设置MD10为60.0，MD20为55.0， 则会看到MD40中的数值从0开始逐渐增大直至100.0。

MD10为60.0不变，将MD20设为62.0，则会看到MD40中的数值开始逐渐减小直至0。

（4）打开组态或调试窗口：我们可以通过图示两处打开组态或调试窗口。


组态窗口用于参数的设置，如果要修改参数，可 以直接在该窗口修改，而无需再回到梯形图中修改。

调试窗口用来观察PID的控制效果，以及参数状态，非常直观。

二、温度调节程序举例

一、控制要求
通过实验箱搭建一个温度控制系统，自行编写程序，实现温度的控制，使温度保持在40℃。 这是一个典型的恒温闭环控制，可以使用S7-300的PID功能实现。

二、设备介绍
下面介绍一下所用到的设备。除了PLC依然使用314C-2PN/DP 外，还要用到ACT-WK实验箱。 ACT-WK是温度检测与控制实验箱，实验箱上包含温度变送及脉宽调制加热执行单元。
温度传感器信号类型为电压型，测量信号量程为0~10v， 表示范围为0~100℃；
加热执行单元信 号类型为电压型，输出信号量程为0~10V，加热效果为 0~100%。

接着，来讲一下如何接线，搭建起这个系统。如图所示。

温度变送单元接在模拟量输入上，脉宽调制加热执行单元接在 模拟量输出上。为了能够监测到当前的温度状况，将电压表接 在温度变送单元上。由于温度变送的对应关系是0~100℃对应 了0~10V的电压，所以可以通过电压表的示数知道当前的温度 ，比如电压表示数为4.00伏，对应的温度就是40 ℃。

三、PID控制实现
现在大家知道如何接线了，下面我们演示一下如何在博途中 使用PID功能完成程序设计，实现所要求的恒温控制。
1、新建TIA工程项目，取名为温度控制。
2、进行硬件组态和相关设置。设置DI/DO的地址，设置 AI/AO的地址，设置AI/AO的信号类型及量程范围，设置循环 中断OB35的间隔执行时间为500ms。
3、编写程序。 添加需要的变量，IW3用于模拟量输入，M0.0用于保证定标 正极性，MW5保存出错信息，MD10用于模拟量输入定标后的 保存，I0.0用于重启PID，I0.1用于PID手动/自动切换，QW2 用于模拟量输出。

在OB1中编写模拟量定标程序，将输入模拟值定标至 0.0~100.0，定标后的值保存至MD10。 添加新块OB35，并在其中编写PID控制程序。将COM_RST设为 I0.0，MAN_ON设为I0.1，CYCLE设为T#500ms，SP_INT设为 40.0，PV_IN设为MD10，LMN_PER设为QW2。其他参数可采用默认设置。 4、将硬件组态和程序块下载到PLC。

四、运行调试

下载完成后，可以点击“监视”图标，监视程序的运行情况 。为了进行PID控制的调试，可以打开PID控制函数的组态或 调试窗口。在组态窗口可以修改程序中所设置的PID参数； 在调试窗口，可以看到PID控制的效果，在其中可以修改PID 参数，以调节控制效果，修改后的参数可以点击闪电图标直 接发送至CPU运行，这时候调试所用参数与程序中设置的参 数可能有所不同。

观察过程值PV与调节变量LMN的曲线变化，是否达到PID的控 制要求，这需要花费几分钟的时间。在本例子中，可以看到 ，经过一段时间，PV与LMN的变化趋近一条直线，满足要求 。这时，在系统中的反映为电压表示数基本保持在4.00伏， 也就是说温度基本保持在40 ℃。

这就是用，S7-300的PID控制功能来完成温度调节的例子。