可編程控制器應用技術模擬量（溫度）PID控制系統(tǒng)一.閉環(huán)控制系統(tǒng)組成一般來說，一個閉環(huán)控制系統(tǒng)主要有以下基本元件或裝置組成：（1）被控對象自動控制系統(tǒng)需要進行控制的機器、設備或生產(chǎn)過程。（2）被控變量被控對象內要求實現(xiàn)自動控制的物理量。（3）檢測元件對系統(tǒng)輸出量進行測量的裝置。（4）比較元件對系統(tǒng)的輸出量和輸入量（給定值）進行比較，給出偏差信號。（5）控制器將偏差信號進行控制運算的部件，產(chǎn)生控制信號操縱執(zhí)行元件改善系統(tǒng)性能。是閉環(huán)控制系統(tǒng)的核心。（6）放大元件對微弱偏差信號或控制器的輸出信號進行放大，使之可輸出足夠的功率。（7）執(zhí)行元件根據(jù)控制器的輸出，改變被控變量的大小，使被控制的輸出量與給定的輸入量一致。典型閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成如下圖。控制器輸入量（給定值）放大器執(zhí)行器被控對象檢測裝置擾動輸出量1.1S7-200PLC的PID

回路控制指令二.閉環(huán)控制系統(tǒng)性能指標一般說來，對閉環(huán)控制系統(tǒng)性能指標的基本要求可以歸納為三個字：穩(wěn)、準、快。

穩(wěn)：是指系統(tǒng)的穩(wěn)定性。即系統(tǒng)從一種平衡狀態(tài)到新的平衡狀態(tài)時，具有較小的超調和振蕩性；穩(wěn)定性是系統(tǒng)重新恢復平衡狀態(tài)的能力。任何一個能夠正常工作的控制系統(tǒng)，首先必須是穩(wěn)定的。準：是指系統(tǒng)的準確性，是對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)（靜態(tài)）性能的要求。對一個穩(wěn)定的系統(tǒng)而言，過渡過程結束后，系統(tǒng)輸出量的實際值與期望值之差稱為穩(wěn)態(tài)誤差，它是衡量系統(tǒng)控制精度的重要指標。穩(wěn)態(tài)誤差越小，表示系統(tǒng)的準確性越好，控制精度越高。

快：是指系統(tǒng)反應的快速性，是對系統(tǒng)動態(tài)性能（過渡過程性能）的要求。快速指系統(tǒng)運動到新的平衡狀態(tài)所需要的調節(jié)時間較短。動態(tài)性能是衡量系統(tǒng)質量高低的重要指標。同一個系統(tǒng)，上述三項性能指標之間往往是相互制約的。比如提高過渡過程的快速性，可能會引起系統(tǒng)強烈振蕩；改善了平穩(wěn)性，控制過程又可能很遲緩，甚至使最終精度也很差。1.1

S7-200PLC的PID

回路控制指令閉環(huán)控制系統(tǒng)動態(tài)性能指標tOc（t）trtpts0.05或0.02Cmaxσ1.1

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回路控制指令三.PID算法在工程實際中，應用最為廣泛的控制器控制規(guī)律為比例控制、積分控制、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調節(jié)。PID是比例（Proportional）+積分（Integral）+微分（Derivative）首字母的縮寫，PID控制是自動控制系統(tǒng)中技術最成熟、應用最廣泛的控制方式。

PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結構簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調整方便而成為工業(yè)控制的主要技術之一。1.1

S7-200PLC的PID

回路控制指令1.1S7-200PLC的PID

回路控制指令三、PID控制算法運行PID控制指令，S7-200將根據(jù)參數(shù)表中的輸入測量值、控制設定值及PID參數(shù)，進行PID運算，求得輸出控制值。S7-200的PID控制由PID控制回路參數(shù)表設定。該表中有9個參數(shù)，全部為32位的實數(shù)，占用36個字節(jié)。典型的PID算法包括三項：比例項、積分項和微分項。即：輸出=比例項+積分項+微分項。計算機在周期性地采樣并離散化后進行PID運算，算法如下：Mn=Kc*（SPn-PVn）+Kc*（Ts/Ti）*（SPn-PVn）+Mx+Kc*（Td/Ts）*（PVn-1-PVn）其中各參數(shù)的含義如下表中描述。

1.1S7-200PLC的PID

回路控制指令三、PID控制算法地址偏移量參數(shù)數(shù)據(jù)格式參數(shù)類型說明0過程變量當前值PVn雙字

，實數(shù)輸入必須在0.0至1.0范圍內。4給定值SPn雙字

，實數(shù)輸入必須在0.0至1.0范圍內8輸出值Mn雙字

，實數(shù)輸入/輸出在0.0至1.0范圍內12增益Kc雙字

，實數(shù)輸入比例常量，可為正數(shù)或負數(shù)16采樣時間Ts雙字

，實數(shù)輸入以秒為單位，必須為正數(shù)20積分時間Ti雙字

，實數(shù)輸入以分鐘為單位，必須為正數(shù)。24微分時間Td雙字

，實數(shù)輸入以分鐘為單位，必須為正數(shù)。28上一次的積分值Mx雙字

，實數(shù)輸入/輸出0.0和1.0之間（根據(jù)PID運算結果更新）32上一次過程變量PVn-1雙字

，實數(shù)輸入/輸出最近一次PID運算值1.1S7-200PLC的PID

回路控制指令三、PID控制算法比例項Kc*（SPn-PVn）：能及時地產(chǎn)生與偏差（SPn-PVn）成正比的調節(jié)作用，比例系數(shù)Kc越大，比例調節(jié)作用越強，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度越高，但Kc過大會使系統(tǒng)的輸出量振蕩加劇，穩(wěn)定性降低。積分項Kc*（Ts/Ti）*（SPn-PVn）+Mx：與偏差有關，只要偏差不為0，PID控制的輸出就會因積分作用而不斷變化，直到偏差消失，所以積分的作用是消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度。但積分動作緩慢，給系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定帶來不良影響，很少單獨使用。從式中可以看出：積分時間常數(shù)增大，積分作用減弱，消除穩(wěn)態(tài)誤差的速度減慢。微分項Kc*（Td/Ts）*（PVn-1-PVn）：根據(jù)誤差變化的速度（即誤差的微分）進行調節(jié)，具有超前和預測的特點。微分時間常數(shù)Td增大時，超調量減少，動態(tài)性能得到改善但，如果Td過大，系統(tǒng)輸出量在接近穩(wěn)態(tài)時可能上升緩慢。

1.1S7-200PLC的PID

回路控制指令四、S7-200PID控制回路選項在很多控制系統(tǒng)中，有時只采用一種或兩種控制回路。例如，可能只要求比例控制回路或比例和積分控制回路，S7-200的PID算法通過設置常量參數(shù)值來選擇所需的控制回路。（1）如果不需要積分回路（即在PID計算中無“I”），則應將積分時間Ti設為無限大。由于積分項Mx的初始值，雖然沒有積分運算，積分項的數(shù)值也可能不為零。（2）如果不需要微分運算（即在PID計算中無“D”），則應將微分時間Td設定為0.0。（3）如果不需要比例運算（即在PID計算中無“P”），但需要I或ID控制，則應將比例增益值Kc指定為0.0。因為Kc是計算積分和微分項公式中的系數(shù)，將比例增益設為0.0會導致在積分和微分項計算中使用的比例增益值Kc為1.0。1.1S7-200PLC的PID

回路控制指令五、回路輸入量的轉換和標準化

每個回路的給定值和過程變量都是實際數(shù)值，其大小、范圍和工程單位可能不同。在PLC進行PID控制之前，必須將其轉換成標準化浮點表示法。步驟如下：（1）將實際16位整數(shù)轉換成32位浮點數(shù)或實數(shù)。程序如下。

XORDAC0,AC0//將AC0清0ITD AIW0,AC0 //將輸入數(shù)值轉換成雙字

DTRAC0,AC0 //將32位整數(shù)轉換成實數(shù)（2）將實數(shù)轉換成0.0至1.0之間的標準化數(shù)值。用下式：實際數(shù)值的標準化數(shù)值=實際數(shù)值的非標準化數(shù)值或原始實數(shù)/取值范圍+偏移量其中：取值范圍=最大可能數(shù)值-最小可能數(shù)值=32000（單極性數(shù)值）或64000（雙極性數(shù)值）偏移量：對單極性數(shù)值取0.0，對雙極數(shù)值取0.51.1S7-200PLC的PID

回路控制指令五、回路輸入量的轉換和標準化

如將上述AC0中的雙極數(shù)值（取值范圍為64,000）標準化，程序如下：/R 64000.0,AC0 //使累加器中的數(shù)值標準化+R 0.5,AC0 //加偏移量0.5MOVR AC0,VD100 //將標準化數(shù)值寫入PID回路參數(shù)表中。1.1S7-200PLC的PID

回路控制指令六、

PID回路輸出轉換為成比例的整數(shù)

程序執(zhí)行后，PID回路輸出0.0和1.0之間的標準化實數(shù)數(shù)值，必須被轉換成16位成比例整數(shù)數(shù)值，才能驅動模擬輸出。PID回路輸出成比例實數(shù)數(shù)值=（PID回路輸出標準化實數(shù)值-偏移量）*取值范圍其中的偏移量和取值范圍含義與“回路輸入量的轉換和標準化”相同。程序如下：MOVR VD108,AC0 //將PID回路輸出送入AC0。-R 0.5,AC0 //雙極數(shù)值減偏移量0.5*R64000.0,AC0//AC0的值乘以取值范圍，變?yōu)槌杀壤龑崝?shù)數(shù)值ROUNDAC0，AC0 //將實數(shù)四舍五入取整，變?yōu)?2位整數(shù)DTI AC0,AC0//32位整數(shù)轉換成16位整數(shù)MOVW AC0,AQW0//16位整數(shù)寫入AQW01.1S7-200PLC的PID

回路控制指令七、

S7-200的PID回路控制指令的使用

S7-200可以通過兩種方式使用PID指令設置回路參數(shù)表后，直接在程序中調用PID指令通過STEP-7Micro/WIN的指令向導使用PID指令。1）PID指令PID指令格式如表6-9所示。使能輸入有效時，根據(jù)回路參數(shù)表（TBL）中的輸入測量值、控制設定值及PID參數(shù)進行PID計算。表6-9PID指令格式

表6-9PID指令格式LADSTL說明PIDTBL，LOOPTBL：參數(shù)表起始地址VB，數(shù)據(jù)類型：字節(jié)。如VB100LOOP：回路號，常量（0-7），數(shù)據(jù)類型：字節(jié)1.1S7-200PLC的PID

回路控制指令【特別提示】（1）程序中可使用八條PID指令，分別編號0-7，不能重復使用。（2）使PID指令的ENO=0的錯誤條件：0006（間接地址），SM1.1（溢出，參數(shù)表起始地址或指令中指定的PID回路指令號碼操作數(shù)超出范圍）。（3）PID指令不對參數(shù)表輸入值進行范圍檢查。必須保證過程變量和給定值積分項前值和過程變量前值在0.0和1.0之間。七、

S7-200的PID回路控制指令的使用

1.1S7-200PLC的PID

回路控制指令2）PID指令向導

選擇PID向導選擇需要配置的PID回路號設定PID回路參數(shù)設定回路輸入輸出參數(shù)設定回路報警選項分配PID運算數(shù)據(jù)存儲區(qū)定義向導所生成的PID初使化子程序和中斷程序名及手/自動模式生成PID子程序、中斷程序及符號表等配置完PID向導，在程序中調用向導生成的PID子程序實際運行并調試PID參數(shù)七、

S7-200的PID回路控制指令的使用

舉例：1.控制任務一恒壓供水水箱，通過變頻器驅動的水泵供水，維持水位在滿水位的70%。過程變量PVn為水箱的水位（由水位檢測計提供），設定值為70%，PID輸出控制變頻器，即控制水箱注水調速電機的轉速。要求開機后，先手動控制電機，水位上升到70%時，轉換到PID自動調節(jié)。2.PID回路參數(shù)表地址參數(shù)數(shù)值VD100過程變量當前值PVn水位傳感器提供的模擬量經(jīng)A/D轉換后的標準化數(shù)值VD104給定值SPn0.7VD108輸出值MnPID回路的輸出值（標準化數(shù)值）VD112增益Kc0.3VD116采樣時間Ts0.1VD120積分時間Ti0.3VD124微分時間Td0（關閉微分作用）VD128上一次積分值Mx根據(jù)PID運算結果更新,0.0～1.0之間VD132上一次過程變量PVn-1最近一次PID的變量值,0.0～1.0之間1.1S7-200PLC的PID

回路控制指令1.2溫度PID控制系統(tǒng)計1.2溫度PID控制系統(tǒng)計1.2溫度PID控制系統(tǒng)計PLC程序設計調用初始化程序初始化相關PID參數(shù)等為了加