【文章內(nèi)容簡介】 系統(tǒng)工作； (2)僅加入比例控制環(huán)節(jié) ,直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩 ,記下這時的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期； (3)在一定的控制度下通過公式計(jì)算得到 PID控制器的參數(shù) 。 ● 4． 3． 3 PID控制器的參數(shù)整定 連續(xù)系統(tǒng) PID控制器的輸出為： U(s)=K.(1+1/T1s+TDs)E(s) 增量式數(shù)字 PID控制算式為： 其中 ， ， 為采樣周期 。 比例調(diào)節(jié)器對于偏差是及時反應(yīng)的 ， 一旦偏差產(chǎn)生 ， 調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用 ， 使被控量朝著減小偏差的方向變化 ， 控制作用的強(qiáng)弱取決于比例系數(shù) 。 比例調(diào)節(jié)器雖然簡單快速 ， 但是對于具有自平衡性的控制對象存在靜差 。 加大比例系數(shù)可以減小靜差 ， 但過大的比例系數(shù)可能導(dǎo)致系統(tǒng)動蕩而處于閉環(huán)不穩(wěn)定狀態(tài) 。 為了消除比例調(diào)節(jié)器中的殘存的靜差 ， 可以在比例調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上加入積分調(diào)節(jié) 。 積分時間大 ， 則積分作用弱 ， 反之積分作用強(qiáng) 。積分時間越大 ， 消除靜差越慢 ， 但可以減小超調(diào) ， 提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性 。 但它的不足之處在于積分作用存在滯后特性 ， 積分控制作用太強(qiáng)會使控制的動態(tài)性能變差 ， 以至于使系統(tǒng)不穩(wěn)定 。 ● 4． 3． 3 PID控制器的參數(shù)整定 加入積分調(diào)節(jié)環(huán)節(jié) ， 雖然減小了靜差 ， 但是降低了系統(tǒng)的響應(yīng)速度 。 加入微分環(huán)節(jié) ， 能敏感出誤差的變化趨勢 ， 將有助于減小超調(diào) ， 克服系統(tǒng)震蕩 ， 使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定 ， 能改善系統(tǒng)的動態(tài)性能 。 它的缺點(diǎn)是對干擾同樣敏感 ， 使系統(tǒng)抑制干擾的能力降低 。 根據(jù)不同的控制對象適當(dāng)?shù)卣≒ID的三個參數(shù) ， 可以獲得比較滿意的控制效果 。 實(shí)踐證明 ， 這種參數(shù)整定的過程 ， 實(shí)際上是對比例 、 積分 、 微分三部分控制作用的折衷 。 但是 ，PID本質(zhì)上是一種線性控制器 ， 并且上面討論時是忽略了純滯后時間的 ，實(shí)際系統(tǒng)中 ， 如果 （ 是純滯后時間 ， 是系統(tǒng)總的慣性時間常數(shù) ） ， 用 PID控制器的效果就不理想了 。 而實(shí)際工業(yè)對象具有較大的慣性和純滯后特性 ， 以及其動力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)部不確定性和外部干擾的不確定性 ， 所有這些都給 PID控制帶來了困難和復(fù)雜性 。 一般來說 ， 要獲得滿意的控制性能 ， 單純采用線性控制方式還是不夠的 ，還必須引進(jìn)一些非線性控制方式 ， 采取靈活有效的手段 ， 如變增益 、 智能積分 、 智能采樣等多種途徑 ， 主要依靠專家經(jīng)驗(yàn) 、 啟發(fā)式直觀判斷 、直覺推理等智能控制方法 ， 有利于解決系統(tǒng)控制中的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性的矛盾 。 可以說智能 PID賦予傳統(tǒng) PID以新的生命 。 ● 4． 3． 5 PID控制器的主要優(yōu)點(diǎn) PID控制器成為應(yīng)用最廣泛的控制器 ， 它具有以下優(yōu)點(diǎn)： （ 1） PID算法蘊(yùn)涵了動態(tài)控制過程中過去 、 現(xiàn)在 、 將來的主要信息 ， 而且其配置幾乎最優(yōu) 。 其中 ， 比例 （ P） 代表了當(dāng)前的信息 ， 起糾正偏差的作用 ， 使過程反應(yīng)迅速 。 微分 （ D） 在信號變化時有超前控制作用 ， 代表將來的信息 。 在過程開始時強(qiáng)迫過程進(jìn)行 ， 過程結(jié)束時減小超調(diào) ， 克服振蕩 ， 提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性 ，加快系統(tǒng)的過渡過程 。 積分 （ I） 代表了過去積累的信息 ， 它能消除靜差 ， 改善系統(tǒng)的靜態(tài)特性 。 此三種作用配合得當(dāng) ， 可使動態(tài)過程快速 、 平穩(wěn) 、 準(zhǔn)確 ， 收到良好的效果 。 （ 2） PID控制適應(yīng)性好 ， 有較強(qiáng)的魯棒性 ， 對各種工業(yè)應(yīng)用場合 ， 都可在不同的程度上應(yīng)用 。 特別適于 “ 一階慣性環(huán)節(jié) +純滯后 ” 和 “ 二階慣性環(huán)節(jié) +純滯后 ” 的過程控制對象 。 （ 3） PID算法簡單明了 ， 各個控制參數(shù)相對較為獨(dú)立 ， 參數(shù)的選定較為簡單 ， 形成了完整的設(shè)計(jì)和參數(shù)調(diào)整方法 ， 很容易為工程技術(shù)人員所掌握 。 ● 4． 3． 5 PID控制器的主要優(yōu)點(diǎn) （ 4） PID控制根據(jù)不同的要求 ， 針對自身的缺陷進(jìn)行了不少改進(jìn) ， 形成了一系列改進(jìn)的 PID算法 。 例如 ， 為了克服微分帶來的高頻干擾的濾波 PID控制 ， 為克服大偏差時出現(xiàn)飽和超調(diào)的 PID積分分離控制 ， 為補(bǔ)償控制對象非線性因素的可變增益 PID控制 ，等 。 這些改進(jìn)算法在一些應(yīng)用場合取得了很好的效果 。 同時當(dāng)今智能控制理論的發(fā)展 ， 又形成了許多智能 PID控制方法 。 ● 4． 4 PID指令及應(yīng)用 S7300及 400提供有 PID控制功能塊來實(shí)現(xiàn) PID控制 。 STEP7提供了系統(tǒng)功能塊 SFB4 SFB4 SFB43實(shí)現(xiàn) PID閉環(huán)控制 ， 其中SFB41“CONT_C”用于連續(xù)控制 ， SFB42“CONT_S”用于步進(jìn)控制 ，SFB43“PULSEGEN”用 于 脈 沖 寬 度 調(diào) 制 ， 它 們 位 于 文 件 夾“ \Libraries\Standard Library\PID Controller”中 。 位于文件夾 “ \Libraries\Standard Library\PID Controller”的 FB4FB4 FB43與 SFB4 SFB4 SFB43兼容 ， FB5 FB59則用于PID溫度控制 。 它們是系統(tǒng)固化的 純軟件控制器 ， 運(yùn)行過程中循環(huán)掃描 、 計(jì)算所需的全部數(shù)據(jù)存儲在分配給 FB或 SFB的背景數(shù)據(jù)塊里 ， 因此可以無限次調(diào)用 。 本章以連續(xù) PID控制器 SFB41模塊為例進(jìn)行詳細(xì)介紹 。 其它 PID模塊的應(yīng)用是相類似的 。 STEP 7的在線幫助文檔提供了各種 PID功能塊應(yīng)用的幫助信息 。 ● 4． 4． 1 PID指令主要參數(shù)的意義 SFB41的輸入?yún)?shù)和輸出參數(shù)及其意義說明分別在表 41 412中列出 ● 表 411 SFB41輸入?yún)?shù) ● 表 4112 SFB41輸入?yún)?shù) ● 表 4113 SFB41輸入?yún)?shù) ● 表 412 SFB41輸出參數(shù) ● 4． 4． 2 SFB41原理框圖 SFC41 CONT_C的控制原理框圖如圖 419所示。 ● 4． 4． 3 PID指令的使用注意事項(xiàng) 1． PID控制器的選取 PID控制器的性能和處理速度只與所采用的 CPU的性能有關(guān) 。 對于任意給定的 CPU， 控制器的數(shù)量和每個控制器被調(diào)用的頻率是相互矛盾的 。 控制環(huán)執(zhí)行的速度 ， 也即在每個時間單元內(nèi)操作值必須被更新的頻率決定了可以安裝的控制器的數(shù)量 。 對要控制的過程類型沒有限制 ，遲延系統(tǒng) （ 溫度 、 液位等 ） 和快速系統(tǒng) （ 流量 、 電機(jī)轉(zhuǎn)速等 ） 都可以作為被控對象 。 過程分析時應(yīng)注意：控制過程的靜態(tài)性能 （ 比例 ） 和動態(tài)性能 （ 時間延遲 、 死區(qū)和重設(shè)時間等 ） 對被控過程控制器的構(gòu)造和設(shè)計(jì)以及靜態(tài)（ 比例 ） 和動態(tài)參量 （ 積分和微分 ） 的維數(shù)選取有著很大的影響 。 準(zhǔn)確地了解控制過程的類型和特性數(shù)據(jù)是非常必要的 。 控制器選取時應(yīng)注意：控制環(huán)的特性由被控過程或被控機(jī)械的物理特性決定 ， 并且設(shè)計(jì)中可以改變的程度不是很大 。 只有選用了最適合被控對象的控制器并使其適應(yīng)過程的響應(yīng)時間 ， 才能得到較高的控制質(zhì)量 。 不用通過編程就可以生成控制器的大部分功能 （ 構(gòu)造 、 參數(shù)設(shè)置和在程序中的調(diào)用等 ） ， 前提是必須已經(jīng)掌握 STEP 7的編程基礎(chǔ)知識 。 ● 4． 4． 3 PID指令的使用注意事項(xiàng) 2． SFB41各子功能的詳細(xì)描述 （ 1） 設(shè)定值的輸入 如圖 419， 設(shè)定點(diǎn)的值以浮點(diǎn)數(shù)格式在 SP_INT（ 內(nèi)部設(shè)定值 ）處輸入 。 （ 2） 過程變量的輸入過程變量即反饋值可以用兩種方法輸入： 一種中用 PVIN浮點(diǎn)數(shù)格式輸入過程變量 ， 這時控 制 I/O輸入過程變量的開關(guān)量 PVPER_ON應(yīng)處于 Off狀態(tài) 。 另一種是從外設(shè)直接輸入 I/O量到 PV_PER， 功能 CRP_IN將從外設(shè)來的模擬量輸入模塊采樣的數(shù)字值 PV_PER轉(zhuǎn)化成范圍在 100%～ 100%之間的浮點(diǎn)數(shù)格式 。 這時控制 I/O輸入過程變量的開關(guān)量 PVPER_ON應(yīng)處于 On狀態(tài) 。 ● 4． 4． 3 PID指令的使用注意事項(xiàng) （ 3） 外設(shè)輸入過程變量的值轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù)格式 模擬量輸入模塊采樣的數(shù)字值的最大值為 27648（ 十六進(jìn)制表示為6C00H） ， 功能 CRP_IN根據(jù)下面的公式將 PV_PER轉(zhuǎn)換為 100%～ 100%之間的浮點(diǎn)數(shù)格式數(shù)值： CRP_IN的輸出 = PV_PER*100/27648 （ 4） 外設(shè)輸入過程變量值的標(biāo)準(zhǔn)化 功能 PV_NORM根據(jù)下面的公式使 CRP_IN的輸出標(biāo)準(zhǔn)化： PV_NORM的輸出 = ( CRP_IN的輸出 ) * PV_FAC + PV_OFF 式中 ， PV_FAC為過程變量的系數(shù) ， PV_OFF為過程變量的偏移量 ，默認(rèn)值分別為 0。 它們用來調(diào)節(jié)過程輸入的范圍 。 如果內(nèi)部設(shè)定值 SP_INT是有物理意義的 ， 則通過上面的轉(zhuǎn)換就可將外設(shè)輸入過程變量 （ 即反饋值 ） 的值轉(zhuǎn)換為該物理值 。 圖 4