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1. PID控制

    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：

    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。

    2）PID控制器具有典型的结构，程序设计简单，参数调整方便。

    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。

2. plc实现PID控制的方法

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：

图1  用PLC实现模拟量PID控制的系统结构框图

    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。

    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。

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。

    3. FX2N的PID指令

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。

图2    PID指令

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。

    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。

    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。

    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。

    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：

    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。

    4.PID参数的整定

    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。

    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。

    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，**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。

    微分部分是根据误差变化的速度，提前给出较大的调节作用。微分部分反映了系统变化的趋势，它较比例调节更为及时，所以微分部分具有超前和预测的特点。微分时间常数T D增大时，超调量减小，动态性能得到改善，但是抑制高频干扰的能力下降。

    选取采样周期T S时，应使它远远小于系统阶跃响应的纯滞后时间或上升时间。为使采样值能及时反映模拟量的变化，T S越小越好。但是T S太小会增加CPU的运算工作量，相邻两次采样的差值几乎没有什么变化，所以也不宜将T S取得过小。

plc虽然是在开关量控制的基础上发展起来的工业控制装置，但为了适应现代工业控制系统的需要，其功能在不断增强，第二代PLC就能实现模拟量控制。当今第四代PLC已增加了许多模拟量处理的功能，完全能胜任各种较为复杂的模拟控制，除具有较强的PID控制外，还具有各种各样专用的过程控制模块等。近年来PLC在模拟量控制系统中的应用也越来越广泛，已成功地应用于冶金、化工、机械等行业的模拟量控制系统中。

   一、PLC模拟量闭环控制系统的基本原理

  输入信号和输出信号均为模拟量的控制系统称为模拟量控制系统。过程控制系统是指被控制量为温度、压力、**、液位、成份等这一类慢连续变化的模拟量控制系统。

   如图所示为典型的模拟量闭环控制系统结构框图。图中，虚线部分可由PLC的基本单元加上模拟量输入/输出扩展单元来承担。即由PLC自动采样来自检测元件或变送器的模拟输入信号，同时将采样的信号转换为数字量，存在指定的数据寄存器中，经过PLC运算处理后输出给执行机构去执行。

        图 典型模拟量闭环控制系统的结构框图

因此，要将PLC应用于模拟量闭环控制系统中，首先要求PLC必须具有A/D和D/A转换功能，能对现场的模拟量信号与PLC内部的数字量信号进行转换；其次PLC必须具有数据处理能力，特别是应具有较强的算术运算功能，能根据控制算法对数据进行处理，以实现控制目的；同时还要求PLC有较高的运行速度和较大的用户程序存储容量。现在的PLC一般都有A/D和D/A模块，许多PLC还设有PID功能指令，在大、中型PLC中还配有专门的PID过程控制模块。

  二、PLC与其它模拟量控制装置的比较

  传统的模拟量控制系统主要采用电动组合仪表，常用的有DDZ-Ⅱ型和DDZ-Ⅲ型仪表。其特点是结构简单、价格便宜，但体积大、功耗大、安装复杂、通用性和灵活性较差、控制精度和稳定性较差。另外，其控制运算功能简单，不能实现复杂的过程控制。随着电子技术的发展，新型的过程控制计算机不断涌现，较为流行的有工业控制计算机（IPC）、可编程调节器（PSC）、集散控制系统（dcs）。

   1. PLC与PSC

  可编程调节器（PSC）是在DDZ-Ⅲ型仪表的基础上，采用微处理器技术发展起来的第四代仪表。它的强大功能、灵活性、可靠性、控制精度、数字通讯能力是传统的电动组合仪表无法比拟的。PSC与PLC都是智能化的工业装置，各有特色。PLC以开关量控制为主，模拟量控制为辅；而PSC则以闭环模拟量控制为主，开关量控制为辅，并能进行显示、报警和手动操作。因此，在模拟量控制系统中采用PSC更适合于各种过程控制的要求。而PLC的可靠性、灵活性、强大的开关量控制能力和通讯联网能力，在模拟量控制上也富有特色。特别在开关量、模拟量混合控制系统中更显示出其独特的优越性。

  2. PLC与DCS

    集散控制系统（DCS）是1975年问世的，它的是3C（computer、communications、control）技术的产物，它将顺序控制装置、数据采集装置、过程控制的模拟量仪表、过程监控装置有机地结合在一起，产生了满足各种不同要求的DCS。而的PLC加强了模拟量控制功能，多数配备了各种智能模块，具有了PID调节功能和构成网络、组成分级控制的功能，也实现了DCS所能完成的功能。到目前为止，PLC与DCS的发展越来越近。就发展趋势来看，控制系统将综合PLC和DCS各自的优势，并把两者有机地结合起来，形成一种新型的全分布式计算机控制系统。

   3. PLC与IPC

工业控制计算机（IPC）是由通用微机的推广应用而发展起来的，其硬件结构和总线的标准化程度高，品种兼容性强，软件资源丰富，特别是有实时操作系统的支持，在要求实时性强、系统模型复杂的领域占有优势。而PLC的标准化程度较差，产品不能兼容，故开发较为困难。但PLC的梯形图编程很受不熟悉计算机的电气技术人员欢迎，同时PLC专为工业现场环境设计的，可靠性非常高，被认为是不会损坏的设备，而IPC在可靠性上还不夠理想。