3PLC程序的PID参数的设定与调节精

PID控制简介

目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重 要标志。同时，控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理 论和智能控制理论三个阶段。智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣 机等。自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。

一个控控

制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。控 制器的输出经过输出接口 、执行机构，加到被控系统上；控制系统 的被控量，经过传感器，变送器，通过输入接口送到控制器。不同的 控制系统，其传感器、变送器、执行机构是不一样的。比如压力控制 系统要采用压力传感器。电加热控制系统的传感器是温度传感器。

目

前，PID控制及其控制器或智能PID控制器(仪表)已经很多，产品 已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的

PID控制器产品，

各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器(intellig ent

regulator)，其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整 或自校正、自适

应算法来实现。有利用 PID控制实现的压力、温度、

流量、液位控制器，能实现 PID控制功能的可编程控制器(PLC)，还 有可实现PID控制的PC系统等等。可编程控制器(PLC)是利用其闭 环控制模块来实现PID控制，而可编程控制器(PLC)可以直接与Cont rolNet相连，如Rockwell的PLC-5等。还有可以实现 PID 控制功 能的控制器，如Rockwell的Logix产品系列，它可以直接与 Contro lNet相连，利用网络来实现其远程控制功能。

1、开环控制系统

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开环控制系统 (open-loop control system) 是指被控对象的输出 ( 被控制量 ) 对控制器 (controller) 的输出没有影响。 在这种控制系统 中，不依赖将被控量反送回来以形成任何闭环回路。

2、闭环控制系统

闭环控制系统 (closed-loop control system) 的特点是系统被控 对象的输出

( 被控制量 ) 会反送回来影响控制器的输出， 形成一个或多 个闭环。闭环控制系

统有正反馈和负反馈， 若反馈信号与系统给定值 信号相反，则称为负反馈

( Negative Feedback) ，若极性相同，则称 为正反馈，一般闭环控制系统均采用

负反馈，又称负反馈控制系统。 闭环控制系统的例子很多。 比如人就是一个具有负反馈的闭环控制系 统，眼睛便是传感器，充当反馈，人体系统能通过不断的修正最后作 出各种正确的动作。如果没有眼睛，就没有了反馈回路，也就成了一 个开环控制系统。 另例，当一台真正的全自动洗衣机具有能连续检查 衣物是否洗净， 并在洗净之后能自动切断电源， 它就是一个闭环控制 系统。

3、阶跃响应

阶跃响应是指将一个阶跃输入( step function )加到系统上时， 系统的输出。稳态误差是指系统的响应进入稳态后，系统的期望输出 与实际输出之差。控制系统的性能可以用稳、准、快三个字来描述。 稳是指系统的稳定性

(stability) ，一个系统要能正常工作，首先必 须是稳定的，从阶跃响应上看应该

是收敛的；准是指控制系统的准确 性、控制精度， 通常用稳态误差来 （Steady-state error） 描述， 它表 示系统输出稳态值与期望值之差 ，快是指控制系统响

应的快速性， 通 常用上升时间来定量描述。

4、PID控制的原理和特点 在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比

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例、积分、

微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有 近 70 年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而 成为工业控制的主要技术之一。 当被控对象的结构和参数不能完全掌 握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时， 系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定， 这时应用 PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象

，

或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时， 最适合用PID控制技 术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统 的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。 比例（P）控制

比例控制是一种最简单的控制方式。 其控制器的输出与输入误差 信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（ Stead y-state error ）。 积分（ I ）控制

在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关 系。对一个自动控制系统， 如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这 个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（ System with Steady-s tate Error ）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项” 。 积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。 这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控 制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例 + 积分 （PI） 控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 微分（D）控制

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在微分控制中， 控制器的输出与输入误差信号的微分 （即误差的 变化率）成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能 会 出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节） 或有滞后 （delay） 组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误 差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前” ，即在误 差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅 引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值， 而目前需要增加的是“微分项” ，它能预测误差变化的趋势，这样， 具有比例 +微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零， 甚至为负值， 从而避免了被控量的严重超调。 所以对有较大惯性或滞 后的被控对象，比例+微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动 态特性。

5、PID 控制器的参数整定

PID 控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被 控过程的

特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大 小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论 计算整定法。 它主要是依据系统的数学模型， 经过理论计算确定控制 器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用， 还必须通过工 程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验， 直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际 中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、 反应曲线法和衰减法。 三种方法各有其特点， 其共同点都是通过试验， 然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。 但无论采用哪一种方 法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。

现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行PID控制器参数的整 定步骤如

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下：（1）首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作

（2）

；

仅加入比例控制环节， 直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡， 记 下这时的比例放大系数和临界振荡周期 ； （3） 在一定的控制度下通过 公式计算得到PID控制器的参数。

PID参数的设定：是靠经验及工艺的熟悉，参考测量值跟踪与设 定值曲

线，从而调整 P\\I\\D 的大小。

PID控制器参数的工程整定，各种调节系统中P丄D参数经验数 据以下可

参照：

温度 T: P=20~60%,T=180~600s,D=3~180s 压力 P: P=30~70%,T=24~180s 液位 L: P=20~80%,T=60~300s 流量 L: P=40~100%,T=6~60s 书上的常用口诀：

参数整定找最佳，从小到大顺序查 先是比例后积分，最后再把微分加 曲线振荡很频繁，比例度盘要放大 曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳 曲线偏离回复慢，积分时间往下降 曲线波动周期长，积分时间再加长 曲线振荡频率快，先把微分降下来 动差大来波动慢。微分时间应加长 理想曲线两个波，前高后低 4比 1 一看二调多分析，调节质量不会低 这里介绍一种经验法。 这种方法实质上是一种试凑法， 它是在生 产实践中总结出来的行之有效的方法，并在现场中得到了广泛的应 用。这种方法的基本程序是先根据运行经验，确定一组调节器参数， 并将系统投入闭环运行， 然后人

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为地加入阶跃扰动 （如改变调节器的 给定值），观察被调量或调节器输出的阶跃响应曲线。若认为控制质 量不满意， 则根据各整定参数对控制过程的影响改变调节器参数。 这 样反复试验，直到满意为止。

经验法简单可靠， 但需要有一定现场运行经验， 整定时易带有主 观片面性。当采用 PID 调节器时，有多个整定参数，反复试凑的次数 增多，不易得到最佳整定参数。

下面以 PID 调节器为例，具体说明经验法的整定步骤：

⑴、让调节器参数积分系数 S0=0,实际微分系数k=0,控制系统 投入闭环运行，由小到大改变比例系数 S1，让扰动信号作阶跃变化， 观察控制过程，直到获得满意的控制过程为止。

⑵、取比例系数S1为当前的值乘以0.83，由小到大增加积分系 数SO,同样让扰动信号作阶跃变化，直至求得满意的控制过程。

(3)、积分系数SO保持不变，改变比例系数S1,观察控制过程 有无改善,如

有改善则继续调整,直到满意为止。否则,将原比例系 数S1增大一些，再调整积分系数 SO,力求改善控制过程。如此反复 试凑，直到找到满意的比例系数 S1和积分系数SO为止。

⑷引入适当的实际微分系数k和实际微分时间TD,此时可适当 增大比例系数

S1和积分系数S@和前述步骤相同，微分时间的整定 也需反复调整,直到控制过

程满意为止。

注意：仿真系统所采用的PID调节器与传统的工业PID调节器有 所不同,各个参数之间相互隔离,互不影响,因而用其观察调节规律 十分方便。

PID 参数是根据控制对象的惯量来确定的。大惯量如：大烘房 的温度控

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制，一般P可在10以上,I=3-10,D=1左右。小惯量如：一 个小电机带

一水泵进行压力闭环控制, 一般只用 PI 控制。 P=1-1O,I=O.1-1, D=0,这些要在现场调试时进行修正的。

我提供一种增量式 PID 供大家参考 △U(k)=Ae(k)-Be(k-1)+Ce(k-2)

A=Kp(1+T/Ti+Td/T) B=Kp(1+2Td/T) C=KpTd/T

T采样周期Td微分时间Ti积分时间

用上面的算法可以构造自己的 PID 算法。

U (K) =U (K-1) +△ U (K)

PID 就是比例微积分调节，具体你可以参照自动控制课程里有详 细介绍！正

作用与反作用在温控里就是当正作用时是加热， 反作用是 制冷控制。

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