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1. PID控制
2 U2 z0 i# r' Z/ g3 n6 U3 D( t+ q8 t4 |, Y: v+ E; {
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:- b- j) R. @& L# T+ f8 c
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。! u3 Q9 Z' ~( Y2 Q% A& x3 ?1 G
2)PID控制器具有典型的结构,程序设计简单,参数调整方便。
5 G* W l: @- F9 G- n 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。
( ~3 `3 _+ j' I2. PLC实现PID控制的方法, f' Y0 i; T+ n, ~' E& q$ w
如图6-35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:% X8 ~0 l, _6 u7 ^) {
: Z# B0 C2 X9 d9 Q& x0 C+ q; {图6-35 用PLC实现模拟量PID控制的系统结构框图
* A1 {5 k) m% `6 f 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。# j' L) n: N( `4 y, w: l7 M
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。
; Z4 ^" ^* t% {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。
1 Q& G# N6 I) @! }7 ~4 O 3. FX2N的PID指令. k: Y$ X: k5 F2 ~* c1 F
PID指令的编号为FNC88,如图6-36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。, _0 Y$ e- y- @' ^% i
9 }* ? n; c: ^; O# P3 v, a: e) Q
. U( l/ H( j0 h' h9 E$ h& `图6-36 PID指令4 t! G$ g2 W0 T8 Q
- k! \8 n" `& Q1 Q: C
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6-3)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。
7 M1 e" ?/ h$ z/ S7 F" d) r' `6 M表6-3 PID控制参数及设定- p- ]; I( Q( k9 m2 W6 C
源操作数 参 数 设定范围或说明 备 注
" k/ W) u! R0 n[S3] 采样周期(Ts) 1~32767ms 不能小于扫描周期
. v+ a: i% i* U* [$ m* j: _[S3]+ 1 动作方向(ACT) Bit0: 0为正作用、1为反作用/ C2 r# u8 g2 z; D! y4 W9 Z
Bit1: 0为无输入变化量报警3 K5 \9 `9 ^( R _" J& r
1为有输入变化量报警# H6 h0 B; ^3 m0 m1 N: G/ n
Bit2: 0为无输出变化量报警
# M$ u; I0 A( U4 o) X* H1为有输出变化量报警 Bit3 ~ Bit15不用 & h0 B: C# o% n+ f
[S3]+ 2 输入滤波常数(L) 0~99(%) 对反馈量的一阶惯性数字滤波环节 % p/ b5 \- a4 n" q0 }# o
[S3]+ 3 比例增益(K p) 1~32767(%)
: j' x2 l; i/ K! Y& |[S3]+ 4 积分时间(T I) 0~32767(×100ms) 0与∝作同样处理
; H/ z0 T: ^- Q4 d4 m- @/ o[S3]+ 5 微分增益 (K D) 0~100(%)
$ @: w5 [, W, u- \" A& |[S3]+ 6 微分时间(T D) 0~32767(×10ms) 0为无微分
, A9 x9 Y" [8 i. j* G! _' o5 j[S3]+ 7. P6 K2 C8 t% e$ Q4 j* A
~ [S3]+ 19 — — PID运算占用
* n0 I6 X6 W% y' {; S, m[S3]+ 20 输入变化量(增方)警报设定值 0~32767 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;
$ K+ U( E9 F. l/ s. m" e7 d, D当ACT的Bit1 和Bit2都为0时,[S3]+ 20 ~[S3]+ 24无效 ! ?3 T4 `, Y" S F& I) b
[S3]+ 21 输入变化量(减方)警报设定值 0~32767
( Z& H2 J+ P( {# \[S3]+ 22 输出变化量(增方)警报设定值 0~32767 0 K: s7 I+ ]. X/ O" h" U
[S3]+ 23 输出变化量(减方)警报设定值 0~32767 , A2 _( b, M% _% G3 G
[S3]+ 24 警报输出 Bit0: 输入变化量(增方)超出, I( U v; s! t6 E+ }, v2 W
Bit1: 输入变化量(减方)超出& D; V( d& x9 ?8 _5 l
Bit2: 输出变化量(增方)超出3 i2 L) ~+ K; r9 V+ I0 D
Bit3: 输出变化量(减方)超出 9 O( Q. h/ [) S6 c" e* E% T% S+ p
/ G# Z% y3 v/ O* O2 S3 _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。) W6 g }( q a) M# g, J2 J! b
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& z1 C4 F' n4 U2 L: z* f4 y$ K" u1 \+ d
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。6 L: I# D( K. t5 s8 b- B
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。
3 n) s0 ]9 Q' M. d+ Q! _, ` 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。
) h8 j! ]5 k9 H2 o 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:$ z! p+ F3 S- J4 n( L. w
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。
+ T; i9 x% r, y' V H+ @. f 4.PID参数的整定
4 U. J1 i: K4 g" E8 {, s7 x8 g 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。' k9 u, w1 C7 m
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。
: i* L: e6 c. ^5 ~5 H3 D 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。9 R; W2 }% u. n% S2 }! O, D. q6 a9 C
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。
! X! d& E8 R6 W: `) E5 ^ 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。; v4 ?8 Z, A$ f( k, j
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