PID 控制器在工业自动化中的应用及参数调整方法
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
- // 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:
将积分时间(Ti)和微分时间(Td)设为零,仅保留比例增益(Kp)。
逐渐增加比例增益(Kp),观察系统的响应。
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)。
重复步骤 3,直到系统响应符合要求。
添加积分时间(Ti),逐渐增加,观察系统的响应。
如果系统响应过于震荡或响应速度过慢,减小积分时间(Ti)。
重复步骤 6,直到系统响应符合要求。
添加微分时间(Td),逐渐增加,观察系统的响应。
如果系统响应过于震荡或响应速度过慢,减小微分时间(Td)。
重复步骤 9,直到系统响应符合要求。
4.2 Ziegler-Nichols 方法:
步骤:
将积分时间(Ti)和微分时间(Td)设为零,仅保留比例增益(Kp)。
逐渐增加比例增益(Kp),直到系统出现持续的轻微震荡。
记录此时的比例增益(Ku)为临界增益。
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:
比例增益(Kp)= 0.6 * Ku
积分时间(Ti)= 0.5 * Tu
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。
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。
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。
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。
2024年05月