（已结帖）工控PLC擂台第38期－－PLC 中PID 模块指令的应用 点击：3465 | 回复：30
PID 的控制是对连续量的控制,目前它的控制算法仍然是实际工业控制系统中应用的最为广泛的一种控制算法。为了使PLC 能简单、有效、友好地进行PID 控制,世界上的各大PLC 生产商都引入了PID 控制模块,它以PLC 编程指令中的一种指令模块的形式出现,通过对这个指令模块离线的或在线的进行PID 参数修改,来对被控制的对象实施控制。
PID的基本实现过程如下图所示：
图1 PID实现过程
本期擂台：由于定标和解标我们在前面已经有所讲解，因此，在定标解标的基础上我们要求大家给出一个实现PID控制的项目或实验。要求详细介绍各步的实现过程。
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S7-200 PLC在PID闭环控制系统中的应用
1概述
工业生产中，常需要用闭环控制方式来控制温度、压力、流量等连续变化的模拟量，无论是使用模拟量控制器的模拟控制系统还是使用计算机(包括PLC)的数字控制系统，PID控制都得到了广泛应用。PID控制器是比例-积分-微分控制(Proportional-Integral-De-rivative)的简称，其优点是不需要精确的控制系统数学模型，有较强的灵活性和适应性，而且PID控制器的结构典型、程序设计简单、工程上易于实现、参数调整方便。本文以西门子公司S7-200 PLC为例介绍PLC在PID闭环控制系统中的应用。
2 PLC实现PID控制的方式
用PLC对模拟量进行PID控制大致有如下几种方法：
(1)使用PID过程控制模块：这种模块的PID控制程序是PLC厂家设计的，并放在模块中，用户使用时只需要设置一些参数，使用起来非常方便。
(2)使用PID功能指令：它是用于PID控制的子程序，与模拟量输入／输出模块一起使用，可以得到类似于使用PID过程控制的效果，但价格便宜得多。如S7-200的PID指令。
(3)用自编的程序实现PID闭环控制：在没有PID过程控制模块和功能指令的情况下，仍希望采用某种改进的PID控制算法，此时用户需要自己编制PID控制程序。
本文以西门子S7-200 PLC为例，说明PID控制的原理及PLC的PID功能指令的使用及控制功能的实现。
3 PLC PID控制器的实现
3.1 PID控制器的数字化
PLC的PID控制器的设计是以连续的PID控制规律为基础，将其数字化，写成离散形式的PID方程，再根据离散方程进行控制程序的设计。
在连续系统中，典型的PID闭环控制系统如图1所示。图1中sp(t)是给定值；pv(t)为反馈量；c(t)为系统的输出量，PID控制器的输入／输出关系如式(1)所示：
式中：M(t)为控制器输出；Mo为输出的初始值；e(t)=sp(t)-pv(t)为误差信号；Kc为比例系数；T1为积分时间常数，TD为微分时间常数。等号右边前三项分别是比例、积分、微分部分，它们分别与误差、误差的积分和微分成正比。如果取其中的1项或2项，可以组成P，PD或PI控制器。
假设采样周期为TS，系统开始运行的时刻为t=0，用矩形积分来近似精确积分，用差分近似精确微分，将式1离散化，第n次采样时控制器的输出如式(2)所示：
式中：en-1为第n-1次采样时的误差值；K1为积分系数；KD为微分系数。
基于PLC的闭环控制系统如图2所示，图中虚线部分在PLC内，spn，pvn，en，Mn分别为模拟量sp(t)，pv(t)，e(t)，M(t)在第n次采样的数字量。在许多控制系统中，可能只需要P，I，D中的1种或者2种控制类型。例如，可能只要求比例控制或比例与积分控制，通过设置参数可对回路控制类型进行选择。
3.2 输入输出变量的转换
PID控制有输入量2个：给定值sp和过程变量pv。给定值通常是固定值，过程变量通常是经过A／D转换和计算后得到的被控量的实测值。给定值和过程变量都是和被控对象有关的值，对于不同的系统，它们的大小、范围与工程单位有很大的不同。应用PLC的PID指令对这些量进行运算之前，必须将其转换成标准化的浮点数(实数)。同样，对于PID指令的输出，在将其送给D／A转换器之前，也需要进行转换。
3.2.1 回路输入的转换
首先，将给定值或A／D转换后得到的整数值由16位整数转换为浮点数，可以用下面的程序实现这种转换：
然后，将实数进一步转换成0.0～1.0之间的标准数，可用式3对给定值及过程变量进行标准化：
式中：RNorm为标准化实数值；RRaw为标准化前的值；offset为偏移量，对单极性变量为0.0，对双极性变量为0.5；Span为取值范围，等于变量的最大值减去最小值，单极性变量的典型值为32 000，双极性变量的典型值为64 000。
下面的程序将上述转换后得到的AC0中的双极性数(其中span=64 000)转换为0.0～1.0之间的实数的转换程序为：
3.2.2 回路输出的转换
回路输出即PID控制器的输出，它是标准化的0.0～1.0之间的实数。将回路输出送给D／A转换器之前，必须转换成16位二进制数，这一过程是将pv与sp转换成标准化数值的逆过程。
用下面的式(4)将回路输出转换为实数：
式中，RScal是回路输出对应的实数值；Mn是回路输出标准化的实数值。
将回路输出转换为对应的实数的程序为：
将代表回路输出的实数转化为16位整数的指令为：
4 PID指令及其回路表
S7-200的PID指令如图3所示。
指令中TBL是回路表的起始地址，LOOP是回路编号。编译时如果指令指定的回路表起始地址或回路号超出范围，CPU将生成编译错误(范围错误)，引起编译失败。PID指令对回路表中的某些输入值不进行范围检查，应保证过程变量、给定值等不超限。回路表如表1所示：
过程变量与给定值是PID运算的输入值，在回路表中他们只能被PID指令读取而不能改写。每次完成PID运算后，都要更新回路表内的输入值Mn，它被限制在0.0～1.0之间。
如果PID指令中的算术运算发生错误，特殊存储器位SM 1.1(溢出或非法数值)被置为1，并将中止PID指令的执行，想要消除这种错误，在下一次执行PID运算之前，应改变引起运算错误的输入值，而不是更新输出值。
5 PID指令编程举例
温度控制是工业生产过程中很重要的一种控制。温度控制系统一般具有大惯性、大延时的特点。在工业控制中，难以建立温度系统的精确数学模型，而应用模拟或数字式PID闭环控制往往能获得较好的控制精度。
本例采用PID控制器，温度给定值经标准化处理后为0.8，选取控制器参数初值为：Kc=0.2，Ts=0.05 s，TI=20 min，TD=10 min。控制程序如下：
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