学会PID控制是自控技术入门的必要

1、PID定义

PID控制技术，PID控制，在实际中分为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。PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其输入e (t)与输出u (t)的关系为：

u(t)=kp(e(t)+1/TI∫e(t)dt+TD*de(t)/dt)，式中积分的上下限分别是0和t，

因此传递函数为：G(s)=U(s)/E(s)=kp(1+1/(TI*s)+TD*s)，其中kp为比例系数； TI为积分时间常数； TD为微分时间常数。

当今的闭环自动控制技术都是基于反馈的概念以减少不确定性。反馈理论的要素包括三个部分：测量、比较和执行。测量关心的是被控变量的实际值，与期望值相比较，用这个偏差来纠正系统的响应，执行调节控制。在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。

这个理论和应用的关键是，做出正确的测量和比较后，如何才能更好地纠正系统。

PID（比例（proportion）、积分（integration）、微分（differentiation））控制器作为最早实用化的控制器已有近百年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。

2、PID控制说明

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。

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。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 ：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。

PID 控制器框图

PID CONT_C （连续调节控制器）块图

应用程序

你可以使用控制器作为单独的PID定点控制器或在多循环控制中作为级联控制器、混合控制器和比例控制器使用。控制器的功能基于带有一个模拟信号的采样控制器的PID控制算法，如果必要的话，可以通过脉冲发送器（PULSEGEN）进行扩展，以产生脉冲宽度调制的输出信号，来控制比例执行机构的两个或三个步进控制器。

说明

除了设定点操作和过程数值操作的功能以外，SFB41/FB41（CONT_C）可以使用连续的变量输出和手动影响控制数值选项。来实现一个完整的PID控制器。下面是关于SFB41/FB41（CONT_C）详细的子功能说明：

设定点操作

设定点以浮点格式在SP_INT端输入。

实际数值操作

过程变量可以在外围设备（I/O）或者浮点数值格式输入。CRP_IN功能可以将PV_PER外围设备数值转换为一个浮点格式的数值，在-100和+100%之间，转换公式如下：CRP_IN的输出=PV_PER×100/27648。PV_NORM功能可以根据下述规则标准化CRP_IN的输出：输出PV_NORM=（CRP_IN的输出）×PV_FAC+PV_OFF，PV_FAC的缺省值为1，PV_OFF的缺省值为0。变量PV_FAC和PV_OFF为下述公式转化的结果：

PV_OFF=（PV_NORM的输出）－（CRP_IN的输出）×PV_FAC，

PV_FAC=（（PV_NORM的输出）－PV_OFF) /（CRP_IN的输出)不必转换为百分比数值。如果设定点为物理确定，实际数值还可以转换为物理数值。

复偏差计算

设定点和实际数值之间的区别便形成负值偏差。为了抑制由于被控量的量化引起的小的、恒定的振荡（例如使用PULSEGEN进行脉冲宽度调制），在死区将施加一个死区,如果DEADB_N=0，则死区将关闭。

PID算法

PID算法作为一种位置算法进行控制。比例运算（INT）和微商运算（DIF）都可进行连接，也可以单独激活或取消。这就允许组态成P、PI、PD和PID控制器。也可以是纯I和D调节器。

手动模式

可以在手动模式和自动模式之间切换。在手动模式下，被控量被修改成手动选定的数值。积分器（INT）内部设置为LMN-LMN_P-DISV，微商器（DIF）内部设置为0，并进行内部匹配。这就是说切换到自动模式时不会引起被控量的突变。

受控数值的处理

使用LMNLIMIT功能，受控数值可以被限制为一个所选择的数值。当输入变量超出极限值时，信号位将指示。LMN_NORM功能可以根据下述公式标准化LMN_LIMIT的输出：LMN=（LMNLIMIT的输出）×LMN_FAC+LMN_OFF

LMN_FAC的缺省值为1，LMN_OFF的缺省值为0。

受控数值也适用于外围设备（I/O）格式。CRP_OUT功能可以将浮点值LMN转换为一个外围设备值，转换公式如下：LMN_PER=LMN×2764/100

前馈控制

一个干扰变量被引入DISV端输入。

初始化

SFB 41/FB 41CONT_C有一个初始化程序，可以在输入参数COM_RST=TRUE置位时运行。在初始化过程中，积分器可以内部设置为初始值I_ITVAL。如果在一个循环中断优先级调用它，它将从该数值继续开始运行。所有其他输出都设置为其缺省值。

出错信息

故障输出参数RET_VAL不使用。

PID FB41 输入部分参数说明

PID FB41输出部分参数说明

3、规格化概念及方法

PID参数中重要的几个变量，给定值、反馈值和输出值都是用0.0~1.0之间的实数（实际上就是百分比）表示，而这几个变量在实际中都是来自于模拟输入或者输出控制模拟量的，因此，需要将模拟输入转换为0.0~1.0的数据，或将0.0~1.0的数据转换为模拟输出，这个过程称为规格化。

规格化的方法：即变量相对所占整个值域范围内的百分比，对应于27648数字量范围内的量。

对于输入和反馈，执行：变量*100/27648,然后将结果传送到PV_IN和SP_INT。

对于输出变量，执行：LMN*27648/100,然后将结果取整传送给PQW即可。

4、PID 参数设置及调节方法

方法一：

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.I.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。

方法二：

1、PID调试一般原则：在输出不振荡时，增大比例增益P/减小积分时间常数Ti/增大微分时间常数Td。

2、一般步骤

1）确定比例增益P

首先去掉PID的积分项和微分项，一般是令Ti=0、Td=0，使PID为纯比例调节。输入设定为系统允许的最大值的60%~70%，由0逐渐加大比例增益P，直至系统出现振荡；再反过来，从此时的比例增益P逐渐减小，直至系统振荡消失，记录此时的比例增益P，设定PID的比例增益P为当前值的60%~70%。比例增益P调试完成。

2）确定积分时间常数Ti

比例增益P确定后，设定一个较大的积分时间常数Ti的初值，然后逐渐减小Ti，直至系统出现振荡，之后在反过来，逐渐加大Ti，直至系统振荡消失。记录此时的Ti，设定PID的积分时间常数Ti为当前值的150%~180%。积分时间常数Ti调试完成。

3）确定积分时间常数Td

积分时间常数Td一般不用设定，为0即可。若要设定，与确定 P和Ti的方法相同，取不振荡时的30%。

4）系统空载、带载联调，再对PID参数进行微调，至满足要求。

方法三：

一般不用D，除非一些大功率加热控制等惯大的系统；仅使用PI即可，

一般先使 I 等于0，P从0开始往上加，知道系统出现等幅振荡为止，记下此时振荡的周期，然后设置 I 为振荡周期的0.48倍，应该就可以满足大多数的需求。