PID 控制器在工业自动化中的应用及参数调整方法

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1、引言：

在工业自动化领域中，PID（比例-积分-微分）控制器是一种常用的控制算法，它通过调节输出信号，使被控对象的实际值尽可能接近设定值。PID 控制器的应用广泛，从简单的温度控制到复杂的过程控制都可以采用 PID 算法实现。本文将介绍 PID 控制器的作用与重要性，并编写一个简单的 PID 控制代码，然后解释代码的功能。此外，还将介绍 PID 参数调整的几种常用方法，以及该代码在不同应用场景下的修改部分。

2、PID 控制器的作用与重要性

PID 控制器是一种反馈控制算法，通过不断调节输出信号，使被控对象的实际值尽可能接近设定值。它包括三个部分：比例（P）、积分（I）和微分（D）。

比例控制（P）：根据被控对象的偏差与设定值之间的差异，以一定的比例调节输出信号。比例控制的作用是快速响应系统的变化，但可能产生超调和震荡。

积分控制（I）：通过累积偏差的积分值来调节输出信号，消除系统的稳态误差。积分控制的作用是提高系统的稳定性和精确度，但过大的积分时间会导致系统的响应变慢。

微分控制（D）：根据被控对象的变化速率来调节输出信号，抑制系统的震荡。微分控制的作用是减小系统的超调和提高响应速度，但过大的微分时间会导致系统对噪声敏感。

PID 控制器的重要性在于它能够将被控对象的实际值迅速、准确地调节到设定值，提高生产过程的稳定性和效率。

3、实现 PID 控制器的代码

3.1、代码（西门子 SCL 语言）：

FUNCTION_BLOCK 'PID'
{ S7_Optimized_Access := 'TRUE' }
VERSION : 0.1
   VAR_INPUT 
      ProcessValue : Real;   // 实际值
      Setpoint : Real;   // 设定值
      Kp : Real := 1.0;   // 比例系数
      Ki : Real := 1.0;   // 积分系数
      Kd : Real := 1.0;   // 微分系数
      dt : Real := 0.1;   // 时间间隔，单位秒，需要和循环中断时间一致
   END_VAR

   VAR_OUTPUT 
      Output : Real;   // 输出信号
   END_VAR

   VAR 
      Error : Real;   // 偏差
      E_last : Real;   // 上一次误差
      E_sum : Real;   // 误差累加值
   END_VAR


BEGIN
  // 计算误差
  #Error := #Setpoint - #ProcessValue;
  // 计算误差累加值
  #E_sum := #E_sum + #Error * #dt;
  // 计算控制量
  #Output := #Kp * #Error + #Ki * #E_sum + #Kd * (#Error - #E_last) / #dt;
  // 保存误差值
  #E_last := #Error;  
END_FUNCTION_BLOCK

3.2、代码介绍：

变量定义

• ProcessValue : Real;实际值，表示被控对象的当前值。
• Setpoint : Real;设定值，表示控制器的目标值。
• Kp : Real := 1.0;比例系数，用于调节比例控制的增益。
• Ki : Real := 1.0;积分系数，用于调节积分控制的增益。
• Kd : Real := 1.0;微分系数，用于调节微分控制的增益。
• dt : Real := 0.1;时间间隔，单位为秒，表示控制器的采样时间，需要与循环中断时间一致。
• Output : Real;输出信号，表示控制器计算得出的控制量。
• Error : Real;偏差，表示目标值与实际值之间的差值。
• E_last : Real;上一次误差，用于计算微分控制的增量。
• E_sum : Real;误差累加值，用于计算积分控制的增量。

程序介绍：

• Error := Setpoint - ProcessValue;计算偏差，将目标值减去实际值，并将结果赋给变量 Error。
• E_sum := E_sum + Error * dt;计算误差累加值，将当前的误差乘以时间间隔 dt，然后加到累加变量 E_sum 中。
• Output := Kp * Error + Ki * E_sum + Kd * (Error - E_last) / dt;计算控制量，根据比例、积分和微分控制的增益以及相应的误差和累加值，计算出最终的控制量，并将结果赋给变量 Output。
• E_last := Error;保存当前的误差值到变量 E_last，供下一次计算使用。

4、PID 参数调整的方法

PID 控制器的性能与参数的选择密切相关。以下是几种常用的参数调整方法：

4.1、手动试控法（Manual Tuning）：

步骤：

1. 将积分时间（Ti）和微分时间（Td）设为零，仅保留比例增益（Kp）。
2. 逐渐增加比例增益（Kp），观察系统的响应。
3. 如果系统响应过于震荡（超调量过大）或响应速度过慢，减小比例增益（Kp）。
4. 重复步骤 3，直到系统响应符合要求。
5. 添加积分时间（Ti），逐渐增加，观察系统的响应。
6. 如果系统响应过于震荡或响应速度过慢，减小积分时间（Ti）。
7. 重复步骤 6，直到系统响应符合要求。
8. 添加微分时间（Td），逐渐增加，观察系统的响应。
9. 如果系统响应过于震荡或响应速度过慢，减小微分时间（Td）。
10. 重复步骤 9，直到系统响应符合要求。

4.2、Ziegler-Nichols 方法：

步骤：

1. 将积分时间（Ti）和微分时间（Td）设为零，仅保留比例增益（Kp）。
2. 逐渐增加比例增益（Kp），直到系统出现持续的轻微震荡。
3. 记录此时的比例增益（Ku）为临界增益。
4. 测量临界周期（Tu），即震荡周期的时间间隔。

根据 Ziegler-Nichols 方法的公式计算出适当的参数：

1. 比例增益（Kp）= 0.6 * Ku
2. 积分时间（Ti）= 0.5 * Tu
3. 微分时间（Td）= 0.125 * Tu

5、PID 代码的应用场景及修改部分

该 PID 控制器代码可以应用于各种工业自动化场景，例如温度控制、液位控制、压力控制等。根据不同的应用场景，需要针对具体的被控对象进行一些修改。

1. 修改设定值（Setpoint）：根据具体的控制要求，调整设定值以便控制器调节到所需的目标值。
2. 读取实际值（ReadProcessValue()）：根据实际应用中的传感器类型和信号采集方式，修改读取实际值的代码，确保能够准确获取被控对象的实际值。
3. 写入输出信号（WriteOutput(Output)）：根据具体的控制系统架构和执行机构的类型，修改写入输出信号的代码，确保输出信号能够正确地传递给执行机构。

6、拓展思考：

除了基本的 PID 控制器外，还有许多改进和扩展的控制算法可供选择，例如模糊控制、模型预测控制等。针对复杂的控制系统，可以考虑采用这些高级控制算法以提高控制性能和适应性。

7、总结：

PID 控制器是工业自动化中常用的控制算法，通过调节输出信号使被控对象的实际值接近设定值。本文介绍了 PID 控制器的作用与重要性，并提供了基于西门子博图平台的 SCL 语言编写的 PID 控制器代码。此外，还介绍了常用的 PID 参数调整方法等。通过合理调整参数和修改代码，可以满足不同场景下的控制需求，提高系统的稳定性和效率。尽管 PID 控制器在工业自动化中得到广泛应用，但仍有许多改进和拓展的空间，值得进一步研究和探索。