李 鑫

（三門核電有限公司，浙江 三門 317112）

0 引言

在工程實際應用中，PID控制以其結(jié)構(gòu)簡單、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，成為最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律之一。西門子PLC控制系統(tǒng)以其諸多優(yōu)點已在工業(yè)控制領(lǐng)域得到廣泛的應用，可以利用它的PID控制功能，很方便的實現(xiàn)對壓力、溫度、流量、液位等工藝參數(shù)的進行自動化監(jiān)控。本文簡要介紹了西門子PLC的PID參數(shù)整定方法，在工程實踐中有廣泛的應用價值。

當被控對象或參數(shù)不能完全掌握、或得不到精確的數(shù)學模型時、控制理論的其他技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應用PID控制技術(shù)是最為方便的?？偟膩碚f，當用戶不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象，或不能采用有效的測量手段來獲取系統(tǒng)參數(shù)時，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)計算出控制量進行控制的。

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為積分時間常數(shù)，TD為微分時間常數(shù)。

（1）比例環(huán)節(jié)：即時成比例地反應控制系統(tǒng)的偏差信號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)的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)TI，TI越大，積分作用越弱，反之則越強。

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

2 PID控制的參數(shù)整定

PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是，理論計算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學模型，經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計算數(shù)據(jù)未必能直接使用，還必須通過工程實際進行調(diào)整。二是，經(jīng)驗整定方法。它主要依賴工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進行，且方法簡單、立竿見影，在工程實際中被廣泛采用。

在西門子PLC控制程序設(shè)計中，只需理解PID的算法模型即可。STEP7的較高版本在標準軟件庫中提供專門的FB41/FB42/FB43標準PID功能塊，用戶只需要根據(jù)工藝控制要求，設(shè)定好相應PID控制參數(shù)即可，即 CYCLE、GAIN、TI、TD 等。

以三門核電AP1000機組的輔助蒸汽供應系統(tǒng)（以下簡稱ASS）控制PLC的FB41應用為例來重點介紹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變量的工藝控制過程。FB41的輸入/輸出參數(shù)很多，但是實際應用中根據(jù)控制要求，需要真正設(shè)定的參數(shù)實際上并不多，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 （手自動方式）、CYCLE （采樣周期1s）、MAN （手動設(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 默認為 PI）、TI （積分時間20s）、TD （ 微 分 時 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)賦值工具進行調(diào)試和參數(shù)設(shè)定STEP7，具體使用如下：

（1）在線監(jiān)測PID調(diào)節(jié)曲線時，可以選擇在線的數(shù)據(jù)塊。確認此數(shù)據(jù)塊已正確下載到PLC中，并且計算機與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）點擊Settings按鈕，打開圖3所示界面，進行曲線設(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。通過點擊啟動/停止按鈕來監(jiān)控PID曲線，通過根據(jù)控制要求更改參數(shù)設(shè)置值，直到達到滿意的控制效果。

3 結(jié)語

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

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

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