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PLC的PID功能
日期:2014-7-24 17:52:15 点击:
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1. PID控制
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   在工业控制中,PID控制(比例-积分-微分控制)得到了广泛的应用,这是因为PID控制具有以下优点:
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   1)不需要知道被控对象的数学模型。实际上大多数工业对象准确的数学模型是无法获得的,对于这一类系统,使用PID控制可以得到比较满意的效果。据日本统计,目前PID及变型PID 约占总控制回路数的90%左右。
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   2)PID控制器具有典型的结构,程序设计简单,参数调整方便。
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   3)有较强的灵活性和适应性,根据被控对象的具体情况,可以采用各种PID控制的变种和改进的控制方式,如 PI、PD、带死区的PID、积分分离式PID、变速积分PID等。随着智能控制技术的发展,PID控制与模糊控制、神经网络控制等现代控制方法相结合,可以实现PID控制器的参数自整定,使PID控制器具有经久不衰的生命力。
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2. PLC实现PID控制的方法
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如图1所示为采用PLC对模拟量实行PID控制的系统结构框图。用PLC对模拟量进行PID控制时,可以采用以下几种方法:
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图1  用PLC实现模拟量PID控制的系统结构框图
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   1)使用PID过程控制模块。这种模块的PID控制程序是PLC生产厂家设计的,并存放在模块中,用户在使用时只需要设置一些参数,使用起来非常方便,一块模块可以控制几路甚至几十路闭环回路。但是这种模块的价格昂贵,一般在大型控制系统中使用。如三菱的A系列、Q系列PLC的PID控制模块。
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   2)使用PID功能指令。现在很多中小型 PLC都提供PID控制用的功能指令,如FX2N系列PLC的PID指令。它们实际上是用于PID控制的子程序,与A/D、D/A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,价格却便宜得多。
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3)使用自编程序实现PID闭环控制。有的PLC没有有PID过程控制模块和 PID控制指令,有时虽然有PID控制指令,但用户希望采用变型PID控制算法。在这些情况下,都需要由用户自己编制PID控制程序。
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   3. FX2N的PID指令
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PID指令的编号为FNC88,如图2所示源操作数[S1]、[S2]、[S3]和目标操作数[D]均为数据寄存器D,16位指令,占9个程序步。[S1]和[S2]分别用来存放给定值SV和当前测量到的反馈值PV,[S3]~[S3]+6用来存放控制参数的值,运算结果MV存放在[D]中。源操作数[S3]占用从[S3]开始的25个数据寄存器。
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图2    PID指令
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PID指令是用来调用PID运算程序,在PID运算开始之前,应使用MOV指令将参数(见表)设定值预先写入对应的数据寄存器中。如果使用有断电保持功能的数据寄存器,不需要重复写入。如果目标操作数[D]有断电保持功能,应使用初始化脉冲M8002的常开触点将其复位。
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表  PID控制参数及设定
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源操作数
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参   数
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设定范围或说明
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备    注
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[S3]
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采样周期(Ts)
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1~32767ms
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不能小于扫描周期
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[S3] 1
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动作方向(ACT)
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Bit0: 0为正作用、1为反作用
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Bit1: 0为无输入变化量报警
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1为有输入变化量报警
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Bit2: 0为无输出变化量报警
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1为有输出变化量报警
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Bit3 ~ Bit15不用
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[S3] 2
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输入滤波常数(L)
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0~99(%)
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对反馈量的一阶惯性数字滤波环节
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[S3] 3
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比例增益(K p)
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1~32767(%)
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[S3] 4
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积分时间(T I)
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0~32767(100ms)
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0与∝作同样处理
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[S3] 5
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微分增益 (K D)
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0~100(%)
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[S3] 6
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微分时间(T D)
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0~32767(10ms)
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0为无微分
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[S3] 7
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~ [S3] 19
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PID运算占用
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[S3] 20
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输入变化量(增方)警报设定值
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0~32767
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由用户设定ACT([S3] 1)为K2~K7时有效,即ACT的Bit1 和Bit2至少有一个为1时才有效;
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当ACT的Bit1 和Bit2都为0时,[S3] 20 ~[S3] 24无效
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[S3] 21
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输入变化量(减方)警报设定值
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0~32767
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[S3] 22
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输出变化量(增方)警报设定值
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0~32767
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[S3] 23
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输出变化量(减方)警报设定值
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0~32767
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[S3] 24
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警报输出
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Bit0: 输入变化量(增方)超出
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Bit1: 输入变化量(减方)超出
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Bit2: 输出变化量(增方)超出
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Bit3: 输出变化量(减方)超出
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PID指令可以同时多次使用,但是用于运算的[S3]、[D]的数据寄存器元件号不能重复。
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   PID指令可以在定时中断、子程序、步进指令和转移指令内使用,但是应将[S3]+7清零(采用脉冲执行的MOV指令)之后才能使用。
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   控制参数的设定和 PID运算中的数据出现错误时,“运算错误”标志M8067为 ON,错误代码存放在D8067中。
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   PID指令采用增量式PID算法,控制算法中还综合使用了反馈量一阶惯性数字滤波、不完全微分和反馈量微分等措施,使该指令比普通的PID算法具有更好的控制效果。
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   PID控制是根据“动作方向”([S3] 1)的设定内容,进行正作用或反作用的PID运算。PID运算公式如下:
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   以上公式中:△MV是本次和上一次采样时PID输出量的差值,MVn是本次的PID输出量;EVn和 EVn-1分别是本次和上一次采样时的误差,SV为设定值;PVn是本次采样的反馈值,PVnf、PVnf-1和PVnf-2分别是本次、前一次和前两次滤波后的反馈值,L是惯性数字滤波的系数;Dn和Dn-l分别是本次和上一次采样时的微分部分;K p是比例增益,T S是采样周期,T I和T D分别是积分时间和微分时间,αD是不完全微分的滤波时间常数与微分时间TD的比值。
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   4.PID参数的整定
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   PID控制器有4个主要的参数K p、T I、T D和T S需整定,无论哪一个参数选择得不合适都会影响控制效果。在整定参数时应把握住PID参数与系统动态、静态性能之间的关系。
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   在P(比例)、I(积分)、D(微分)这三种控制作用中,比例部分与误差信号在时间上是一致的,只要误差一出现,比例部分就能及时地产生与误差成正比的调节作用,具有调节及时的特点。比例系数K p越大,比例调节作用越强,系统的稳态精度越高;但是对于大多数系统,K p过大会使系统的输出量振荡加剧,稳定性降低。
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   积分作用与当前误差的大小和误差的历史情况都有关系,只要误差不为零,控制器的输出就会因积分作用而不断变化,一直要到误差消失,系统处于稳定状态时,积分部分才不再变化。因此,积分部分可以消除稳态误差,提高控制精度,但是积分作用的动作缓慢,可能给系统的动态稳定性带来不良影响。积分时间常数T I增大时,积分作用减弱,系统的动态性能(稳定性)可能有所改善,但是消除稳态误差的速度减慢。

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