李 鑫

（三門(mén)核電有限公司，浙江 三門(mén) 317112）

0 引言

在工程實(shí)際應(yīng)用中，PID控制以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便且不需精確的系統(tǒng)模型等優(yōu)勢(shì)，成為最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律之一。西門(mén)子PLC控制系統(tǒng)以其諸多優(yōu)點(diǎn)已在工業(yè)控制領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，可以利用它的PID控制功能，很方便的實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力、溫度、流量、液位等工藝參數(shù)的進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)控。本文簡(jiǎn)要介紹了西門(mén)子PLC的PID參數(shù)整定方法，在工程實(shí)踐中有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

當(dāng)被控對(duì)象或參數(shù)不能完全掌握、或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)、控制理論的其他技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)是最為方便的?？偟膩?lái)說(shuō)，當(dāng)用戶不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或不能采用有效的測(cè)量手段來(lái)獲取系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合采用PID控制技術(shù)。

1 PID控制原理

PID控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成。根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用PID參數(shù)計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。

圖1 PID控制原理圖

那么PID控制的輸入e(t）與輸出u(t）的關(guān)系為：

u(t)=Kp[e(t)+1/TI∫e(t)dt+TD*de(t)/dt]

式中積分的上下限分別是0和t，計(jì)算得到其傳遞函數(shù)為：

G(s)=U(s)/E(s)=Kp[1+1/(TI*s)+TD*s]

其中Kp為比例系數(shù)，TI為積分時(shí)間常數(shù)，TD為微分時(shí)間常數(shù)。

（1）比例環(huán)節(jié)：即時(shí)成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生減小偏差的控制作用。

（2）積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)TI，TI越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。

（3）微分環(huán)節(jié)：能反應(yīng)偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)(變化速率)，并能在偏差信號(hào)的值變得太 大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減小調(diào)節(jié)時(shí)間。

2 PID控制的參數(shù)整定

PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來(lái)有兩大類(lèi)：一是，理論計(jì)算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必能直接使用，還必須通過(guò)工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整。二是，經(jīng)驗(yàn)整定方法。它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡(jiǎn)單、立竿見(jiàn)影，在工程實(shí)際中被廣泛采用。

在西門(mén)子PLC控制程序設(shè)計(jì)中，只需理解PID的算法模型即可。STEP7的較高版本在標(biāo)準(zhǔn)軟件庫(kù)中提供專(zhuān)門(mén)的FB41/FB42/FB43標(biāo)準(zhǔn)PID功能塊，用戶只需要根據(jù)工藝控制要求，設(shè)定好相應(yīng)PID控制參數(shù)即可，即 CYCLE、GAIN、TI、TD 等。

以三門(mén)核電AP1000機(jī)組的輔助蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱ASS）控制PLC的FB41應(yīng)用為例來(lái)重點(diǎn)介紹PID調(diào)節(jié)。

在SIMATIC S7可編程控制器上，F(xiàn)B41用于帶有連續(xù)I/O變量的工藝控制過(guò)程。FB41的輸入/輸出參數(shù)很多，但是實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)控制要求，需要真正設(shè)定的參數(shù)實(shí)際上并不多，在ASS系統(tǒng)內(nèi)的FB41調(diào)用參數(shù)主要包括：

輸入：COM_RST （重置值初始為 0）、MAN_ON （手自動(dòng)方式）、CYCLE （采樣周期1s）、MAN （手動(dòng)設(shè)定值）、SP_INT （壓力設(shè)定值）、PV_IN（壓力值反饋）、DEADB_W（死區(qū)設(shè)定：0.00e）、GAIN（增益 2.0）、采用的調(diào)節(jié)方式 （P_SEL、I_SEL、D_SEL 默認(rèn)為 PI）、TI （積分時(shí)間20s）、TD （ 微 分 時(shí) 間 10s）、 調(diào) 節(jié) 值 上 下 限 設(shè) 定 （LMN_HLM50、LMN_LLM19.5）等等。

輸出：LMN（調(diào)節(jié)值 0，地址 72.0）等等

利用STEP7自帶的PID控制參數(shù)賦值工具進(jìn)行調(diào)試和參數(shù)設(shè)定STEP7，具體使用如下：

（1）在線監(jiān)測(cè)PID調(diào)節(jié)曲線時(shí)，可以選擇在線的數(shù)據(jù)塊。確認(rèn)此數(shù)據(jù)塊已正確下載到PLC中，并且計(jì)算機(jī)與PLC連接正常，在如圖2界面中設(shè)置參數(shù)。

圖2 參數(shù)設(shè)置界面

（2）點(diǎn)擊Settings按鈕，打開(kāi)圖3所示界面，進(jìn)行曲線設(shè)置。

圖3 參數(shù)在線設(shè)置界面

（3）在如圖4界面中觀察PID曲線的特性。通過(guò)點(diǎn)擊啟動(dòng)/停止按鈕來(lái)監(jiān)控PID曲線，通過(guò)根據(jù)控制要求更改參數(shù)設(shè)置值，直到達(dá)到滿意的控制效果。

3 結(jié)語(yǔ)

PID控制的參數(shù)整定是PID控制程序設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過(guò)程的特性確定PID控制的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。對(duì)于工程整定方法，一般需要調(diào)試人員具備一定的工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，需要耐心的進(jìn)行反復(fù)的調(diào)試，才能達(dá)到滿意的控制效果。

［1］廖常初.S7-400H PLC應(yīng)用技術(shù)[M].3版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2011.

［2］廖常初,祖正容.西門(mén)子工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)組態(tài)編程與故障診斷[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2009.