pLcpid控制原理理与应用

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2019-01-11 02:53 标签： 控制原理

基于PLC的智能PID控制

三菱 P C实现智能 P L l D控淛及其应用 徐华军 (锡商业职业技术学院f .￣系，苏无锡 24 5)无 gf r -_江 1 13 【要1摘以三菱 P C为核心的温度控制系统 L采用了专家智能 PD控制方法， I利用专家系統知识库输出修正 PD参数以厦 I 改变 PD控制方式实践表明该方法简单易行、 I适应性好、鲁棒性强。

【关键词】L智能 PD; P C; I专家系统：温度控制 t中图分類号1 P 1 T 3 5【文献标识码】 A【文章编号】10— 73 20 )5 06— 2 07 72 (0 50— 0 1 0 利用上述数据构成有关的知识库，实知识的构成简单事 而无相交集因此任何情况都能找到唯┅的匹配条件.发相触应的控制规则。控制规则及依据如下：

常规的 PD调节具有结构简单 I稳定性好，靠性高可易于工程实现等优点，主要問题是参数整定问题旦整定计其一

算好后，整个控制过程中都是固定不变的 .在实际系统在而中于系统状态和参数等发生变化，由控制過程具有大滞后、 非线性、变性用常规 P D控制较难获得最佳的控制效时采 I

果。本文提出一种用 P E实现的智能 P D控制方法 .对其 I I并在高精度控温中嘚应用进行了探讨 一

智能 Pl D控制的基本原理

智能 P D控制就是将智能控制( tlgn o t 1 I i e ie t nr ) n l c o与传统的 P D控制相结合，自适应的控制器参数可以实时地 I是其在线自動词整，依赖系统精确数学模型系统参数变化具不对有较好的适应性，有较强的鲁棒性和抗干扰能力能 PD具智 I控制主要有模糊 P D控制、家 PD控制和基于神经网络的 I专 I P D控制等，文主

要讨论专家 PD控制 l本 I 专家 PD控制是在常规 PD控制基础上。 I I引入专家及操作者的经验即专家系统(x et ytm)其内部具囿某个领域 EprSs e, 中大量专家水平的知识与经验能够利用人类专家的知识和解决问题的方法来解决该领域的问题。因此它的核心是知识库的建竝模仿人的经验和知识，确定和修正控制规律来使控制规律更适合于控制对象 .制效果更好。控 专家 P D控制的结构图如图 1示： I所

1实值制量明显减小，控应增加较大的控制量.尽快减小偏差 —

1表为止过冲，当减小控制量应适

上述 KI K、 3、 4为系数.、2 K K它们直接影响控制性能.根 据控淛趋势，应有 K1 K> 3 - .≥0当 K=> 2 K>0K4 - 4 0时，不考虑提前减小控制量： l=当 ( 0时 3不考虑增加控制量 .上述系数根据系统实际确定。 对控制规律进行了以上的分段处悝后可在实际温度与

由于产生式规则库结构简单，于修改.合于 P E实现

.易适 I 故控制器中的知识规则采用产生式规则基本形式为：其

设定温喥偏差较大时 .以较大的速度平缓的升温或降温。在接近恒温时又不会因太大的惯性而引起振荡从而减少了过渡 过程的时间。

二、高精度溫度控制系统的设计 在工业生产中经常需要高稳定度的恒温环境统的模传拟式仪表温度控制 .以简单的 P D来实现，类仪表对环境 I此条件和控淛参数较敏感难达到理想的波动度，较即使能达到要求的波动度时也需要较长的过渡时间。我们采用智能 PD I

【稿日期 l0 5 0 - 5收 20 - 2 1【作者简介】华軍(99 )男苏盐城人，徐 17一江无锡商业职业技术学院助教。 一

PID调节器与PLC的PID功能的区别及特点

应鼡的工程师调侃PID调节器认为PLC的PID已经可以完全替代PID调节器，事实真相果真如此昌晖仪表对比分析PID调节器的PID和PLC的PID在设置、编程和应用方面嘚异同和特点，让大家客观认知PID调节器和PLC的应用

PLC是一种基于微处理器的控制模块，用于设备控制PLC特别适用于逻辑控制的应用场合，一般使用“梯形图”来编程PLC是一种更加现代化的工具。目前的PLC具有基本的PID控制功能

PID调节器用于生产过程控制，随着控制技术的发展调節器PID控制算法突飞猛进，在复杂过程控制中效果优异PID调节器在制造领域中确保有效的过程控制、实现稳定的质量以及最大限度减少用户夨误方面拥有类似的功效。

尽管PLC的PID和调节器的PID有众多类似之处它们在设置、编程和应用方面仍有显著不同，而综合这些不同来看PID调节器有自己独特的优势。


1、PID调节器成本低于PLC

相对而言PLC设计用于控制多任务，适用于多回路逻辑控制和过程控制的应用对于单回路或者少數回路过程控制的应用，PLC强大的功能仅用到PID功能大马拉小车的感觉，故成本显得高昂用专门针对过程控制设计的PID调节器才是最经济选擇。

如前所述PLC设计用于多任务环境，因此需要工程技术人员掌握专业编程技能、丰富的控制经验及大量的时间来打造符合特定应用需偠的解决方案。而PID调节器则可以相对快速地安装、设置和优化工程技术人员所需经验极少。

PID调节器大多安装在控制柜面板上少数安装茬导轨上许多，安装迅速PID调节器面板上通常都有LED或LCD显示器和操作按钮，工程技术人员只要具备基本的工程知识即可在数分钟内完成调节器参数设置PLC通常安装在控制柜内的机架上，不带显示屏且需要单独的

显示测量值和参数值，因此在参数设置上有明显劣势


3、PID调节器控制功能更优

PID调节器专门设计用于处理各种工业过程，有与这些过程直接相关的特点、输出和控制功能能在各种复杂工况环境中获得高質量的控制效果。例如针对需要阀门电机正反转控制的应用提供专门的控制算法PLC需要具备适合广泛制造和自动化功能的特点，因此针对控制系统存在时滞时间长、响应慢、响应性发生变化、存在积分性的过程、多个回路间相互耦合、无超调、外部干扰大等特点时PLC的PID控制就鈈理想无论怎样整定PID参数都无法得到满意效果。比如PLC的PID可以执行基本的温度控制任务但不如专门的温度控制器优势明显。此外由于需要处理模拟信号，温度控制系统对微处理器的要求和PID控制算法非常严苛温度控制器（温控仪）是专为处理这些需求而设计的，而PLC必须茬系统经过测试后才能判定能否满足这些过程要求如不符合要求，PLC将无法快速响应过程中的各种变化并导致超前或滞后，从而影响产品质量

PID调节器有多种规格以及复杂控制程序，操作员通过仪表自带显示器即可轻松查看过程信息及需要注意的警报信息PLC通常没有直接顯示界面，而是需要一个单独的HMI(且HMI需要单独设置)来显示必要的过程信息但HMI通常还会显示与PLC所管理的其他任务相关的各种数据。这意味着PID調节器优势非常明显显示界面更方便查看所有相关的信息，并可通过按键进行快速进行调节许多带记录功能调节器还额外提供数据记錄功能，可以用于查看先前历史数据以及标记潜在问题

调节器是闭合反馈回路的一部分，该回路主动追踪过程值与设定值的偏差并根據需要调节输出，先进的PID算法容易实现自动调节功能可以实现快速设置，并保持最小的过程值与设定值偏差其中就包括针对意外过程變化或控制中断的调节。这对于维持稳定的高产品质量以及减少不良产品批次是非常必要的

PLC的PID与调节器不同，PLC的PID功能通常是有限的或者需要工程师手动调节这使得编程时间更长，并带来了人为错误的风险如前所述，温度控制对处理器的要求可能是非常高的PLC同时处理眾多其他任务可能导致对过程变化的响应更慢，因而精度会低于专用温控仪所能达到的水平

在过程控制应用中，PID调节器相对于PLC有多个优勢它们安装和设置更快，操作更迅速且简单其控制算法是针对控制系统存在时滞时间长、响应慢、响应性发生变化、存在积分性的过程、多个回路间相互耦合、无超调、外部干扰大等工况的设计的，可以满足过程控制对PID调节系统高质量的要求

如果系统要求PID调节器所无法实现的更高自动化水平，则PLC是更为合理的解决方案然而仍建议使用PID调节器来弥补PLC在复杂过程控制方面的不足。这样既能利用PID调节器特點又能减少对PLC的要求，从而达到高精度、高可靠性和高质量的控制效果

PIDpid控制原理理：看完这三个故事你僦明白了

小明接到这样一个任务：有一个水缸点漏水(而且漏水的速度还不一定固定不变)要求水面高度维持在某个位置，一旦发现水面高喥低于要求位置就要往水缸里加水。

小明接到任务后就一直守在水缸旁边时间长就觉得无聊，就跑到房里看小说了每30分钟来检查一佽水面高度。水漏得太快每次小明来检查时，水都快漏完了离要求的高度相差很远，小明改为每3分钟来检查一次结果每次来水都没怎么漏，不需要加水来得太频繁做的是无用功。几次试验后确定每10分钟来检查一次。这个检查时间就称为采样周期

开始小明用瓢加沝，水龙头离水缸有十几米的距离经常要跑好几趟才加够水，于是小明又改为用桶加一加就是一桶，跑的次数少了加水的速度也快叻，但好几次将缸给加溢出了不小心弄湿了几次鞋，小明又动脑筋我不用瓢也不用桶，老子用盆几次下来，发现刚刚好不用跑太哆次，也不会让水溢出这个加水工具的大小就称为比例系数。

小明又发现水虽然不会加过量溢出了有时会高过要求位置比较多，还是囿打湿鞋的危险他又想了个办法，在水缸上装一个漏斗每次加水不直接倒进水缸，而是倒进漏斗让它慢慢加这样溢出的问题解决了，但加水的速度又慢了有时还赶不上漏水的速度。于是他试着变换不同大小口径的漏斗来控制加水的速度最后终于找到了满意的漏斗。漏斗的时间就称为积分时间

小明终于喘了一口，但任务的要求突然严了水位控制的及时性要求大大提高，一旦水位过低必须立即將水加到要求位置，而且不能高出太多否则不给工钱。小明又为难了！于是他又开努脑筋终于让它想到一个办法，常放一盆备用水在旁边一发现水位低了，不经过漏斗就是一盆水下去这样及时性是保证了，但水位有时会高多了他又在要求水面位置上面一点将水凿┅孔，再接一根管子到下面的备用桶里这样多出的水会从上面的孔里漏出来这个水漏出的快慢就称为微分时间。

看到几个问采样周期的帖子临时想了这么个故事。微分的比喻一点牵强不过能帮助理解就行了，呵呵入门级的，如能帮助新手理解下PID于愿足矣。故事中尛明的试验是一步步独立做但实际加水工具、漏斗口径、溢水孔的大小同时都会影响加水的速度，水位超调量的大小做了后面的实验後，往往还要修改改前面实验的结果

人以PID控制的方式用水壶往水杯里倒印有刻度的半杯水后停下；


设定值：水杯的半杯刻度；

实际值：沝杯的实际水量；


输出值：水壶的倒处数量和水杯舀出水量；
1、P 比例控制，就是人看到水杯里水量没有达到水杯的半杯刻度就按照一定沝量从水壶里王水杯里倒水或者水杯的水量多过刻度，就以一定水量从水杯里舀水出来这个一个动作可能会造成不到半杯或者多了半杯僦停下来。
说明：P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誤差（Steady-state error）
2、PI 积分控制，就是按照一定水量往水杯里倒如果发现杯里的水量没有刻度就一直倒，后来发现水量超过了半杯就从杯里往外面舀水，然后反复不够就倒水多了就舀水，直到水量达到刻度
说明：在积分I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-state 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會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，可以使系统在进叺稳态后无稳态误差
3、PID 微分控制，就是人的眼睛看着杯里水量和刻度的距离当差距很大的时候，就用水壶大水量得倒水当人看到水量快要接近刻度的时候，就减少水壶的得出水量慢慢的逼近刻度，直到停留在杯中的刻度如果最后能精确停在刻度的位置，就是无静差控制；如果停在刻度附近就是有静差控制。
说明：在微分控制D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。
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。PID控制器问世至今已有近70年历史它鉯其结构简单、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嘚数学模型时，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控淛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
比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出與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（Steady-state error）。
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關系。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-state 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，积分项吔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穩态后无稳态误差。
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節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誤差的变化。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，在控制器中僅引入“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滯后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性
在PID参数进行整定时如果能够有理论的方法确定PID参数当然是最理想嘚方法，但是在实际的应用中更多的是通过凑试法来确定PID的参数。
增大比例系数P一般将加快系统的响应在有静差的情况下有利于减小靜差，但是过大的比例系数会使系统有比较大的超调并产生振荡，使稳定性变坏
增大积分时间I有利于减小超调，减小振荡使系统的穩定性增加，但是系统静差消除时间变长
增大微分时间D有利于加快系统的响应速度，使系统超调量减小稳定性增加，但系统对扰动的抑制能力减弱
在凑试时，可参考以上参数对系统控制过程的影响趋势对参数调整实行先比例、后积分，再微分的整定步骤
PID控制器参數整定的一般方法：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、积分时间和微分时間的大小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淛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仳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蹤与设定值曲线，从而调整P、I、D的大小
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長；
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鈈会低。
个人认为PID参数的设置的大小一方面是要根据控制对象的具体情况而定；另一方面是经验。P是解决幅值震荡P大了会出现幅值震蕩的幅度大，但震荡频率小系统达到稳定时间长；I是解决动作响应的速度快慢的，I大了响应速度慢反之则快；D是消除静态误差的，一般D设置都比较小而且对系统影响比较小。
PID参数怎样调整最佳（1）整定比例控制
将比例控制作用由小变到大观察各次响应，直至得到反應快、超调小的响应曲线
若在比例控制下稳态误差不能满足要求，需加入积分控制
先将步骤（1）中选择的比例系数减小为原来的50～80％，再将积分时间置一个较大值观测响应曲线。然后减小积分时间加大积分作用，并相应调整比例系数反复试凑至得到较满意的响应，确定比例和积分的参数
若经过步骤（2），PI控制只能消除稳态误差而动态过程不能令人满意，则应加入微分控制构成PID控制。先置微汾时间TD=0逐渐加大TD，同时相应地改变比例系数和积分时间反复试凑至获得满意的控制效果和PID控制参数。

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