1、PID 控制最通俗的解释与 PID 参数的整定方法 2010/6/18 15:15:45 | Author: 廖老师 PID 是比例、积分、微分的简称，PID 控制的难点不是编程，而是控制器的参数整定。参数整定的关键是正确地理解各参数的物理意义，PID 控制的原理可以用人对炉温的手动控制来理解。阅读本文不需要高深的数学知识。 1比例控制 有经验的操作人员手动控制电加热炉的炉温，可以获得非常好的控制品质，PID 控制与人工控制的控制策略有很多相似的地方。 下面介绍操作人员怎样用比例控制的思想来手动控制电加热炉的炉温。假设用热电偶检测炉温，用数字仪表显示温度值。在控制过程中，操作人员用眼睛读取炉温
2、，并与炉温给定值比较，得到温度的误差值。然后用手操作电位器，调节加热的电流，使炉温保持在给定值附近。 操作人员知道炉温稳定在给定值时电位器的大致位置（我们将它称为位置 L） ，并根据当时的温度误差值调整控制加热电流的电位器的转角。炉温小于给定值时，误差为正，在位置 L 的基础上顺时针增大电位器的转角，以增大加热的电流。炉温大于给定值时，误差为负，在位置 L 的基础上反时针减小电位器的转角，并令转角与位置 L 的差值与误差成正比。上述控制策略就是比例控制，即 PID 控制器输出中的比例部分与误差成正比。 闭环中存在着各种各样的延迟作用。例如调节电位器转角后，到温度上升到新的转角对应的稳态值时有较
3、大的时间延迟。由于延迟因素的存在，调节电位器转角后不能马上看到调节的效果，因此闭环控制系统调节困难的主要原因是系统中的延迟作用。 比例控制的比例系数如果太小，即调节后的电位器转角与位置 L 的差值太小，调节的力度不够，使系统输出量变化缓慢，调节所需的总时间过长。比例系数如果过大，即调节后电位器转角与位置 L 的差值过大，调节力度太强，将造成调节过头，甚至使温度忽高忽低，来回震荡。 增大比例系数使系统反应灵敏，调节速度加快，并且可以减小稳态误差。但是比例系数过大会使超调量增大，振荡次数增加，调节时间加长，动态性能变坏，比例系数太大甚至会使闭环系统不稳定。 单纯的比例控制很难保证调节得恰到好处，完
4、全消除误差。 2积分控制 PID 控制器中的积分对应于图 1 中误差曲线 与坐标轴包围的面积（图中的灰色部分）。PID 控制程序是周期性执行的，执行的周期称为采样周期。计算机的程序用图 1 中各矩形面积之和来近似精确的积分，图中的 TS 就是采样周期。图 1 积分运算示意图每次 PID 运算时，在原来的积分值的基础上，增加一个与当前的误差值 ev（n）成正比的微小部分。误差为负值时，积分的增量为负。 手动调节温度时，积分控制相当于根据当时的误差值，周期性地微调电位器的角度，每次调节的角度增量值与当时的误差值成正比。温度低于设定值时误差为正，积分项增大，使加热电流逐渐增大，反之积分项减小。因此只
5、要误差不为零，控制器的输出就会因为积分作用而不断变化。积分调节的“大方向”是正确的，积分项有减小误差的作用。一直要到系统处于稳定状态，这时误差恒为零，比例部分和微分部分均为零，积分部分才不再变化，并且刚好等于稳态时需要的控制器的输出值，对应于上述温度控制系统中电位器转角的位置 L。因此积分部分的作用是消除稳态误差，提高控制精度，积分作用一般是必须的。 PID 控制器输出中的积分部分与误差的积分成正比。因为积分时间 TI 在积分项的分母中，TI 越小，积分项变化的速度越快，积分作用越强。 3PI 控制 控制器输出中的积分项与当前的误差值和过去历次误差值的累加值成正比，因此积分作用本身具有严重的滞
6、后特性，对系统的稳定性不利。如果积分项的系数设置得不好，其负面作用很难通过积分作用本身迅速地修正。而比例项没有延迟，只要误差一出现，比例部分就会立即起作用。因此积分作用很少单独使用，它一般与比例和微分联合使用，组成 PI或 PID 控制器。 PI 和 PID 控制器既克服了单纯的比例调节有稳态误差的缺点，又避免了单纯的积分调节响应慢、动态性能不好的缺点，因此被广泛使用。 如果控制器有积分作用（例如采用 PI 或 PID 控制） ，积分能消除阶跃输入的稳态误差，这时可以将比例系数调得小一些。 如果积分作用太强（即积分时间太小） ，相当于每次微调电位器的角度值过大，其累积的作用会使系统输出的动态性
7、能变差，超调量增大，甚至使系统不稳定。积分作用太弱（即积分时间太大） ，则消除稳态误差的速度太慢，积分时间的值应取得适中。 4微分作用 误差的微分就是误差的变化速率，误差变化越快，其微分绝对值越大。误差增大时，其微分为正；误差减小时，其微分为负。控制器输出量的微分部分与误差的微分成正比，反映了被控量变化的趋势。 有经验的操作人员在温度上升过快，但是尚未达到设定值时，根据温度变化的趋势，预感到温度将会超过设定值，出现超调。于是调节电位器的转角，提前减小加热的电流。这相当于士兵射击远方的移动目标时，考虑到子弹运动的时间，需要一定的提前量一样。 图 2 阶跃响应曲线图 2 中的 c ()为被控量 c
8、 (t)的稳态值或被控量的期望值，误差 e(t) = c () - c (t)。在图 2中启动过程的上升阶段，当 时，被控量尚未超过其稳态值。但是因为误差 e(t)不断减小，误差的微分和控制器输出的微分部分为负值，减小了控制器的输出量，相当于提前给出了制动作用，以阻碍被控量的上升，所以可以减少超调量。因此微分控制具有超前和预测的特性，在超调尚未出现之前，就能提前给出控制作用。 闭环控制系统的振荡甚至不稳定的根本原因在于有较大的滞后因素。因为微分项能预测误差变化的趋势，这种“超前”的作用可以抵消滞后因素的影响。适当的微分控制作用可以使超调量减小，增加系统的稳定性。 对于有较大的滞后特性的被控对象
9、，如果 PI 控制的效果不理想，可以考虑增加微分控制，以改善系统在调节过程中的动态特性。如果将微分时间设置为 0，微分部分将不起作用。 微分时间与微分作用的强弱成正比，微分时间越大，微分作用越强。如果微分时间太大，在误差快速变化时，响应曲线上可能会出现“毛刺”。 微分控制的缺点是对干扰噪声敏感，使系统抑制干扰的能力降低。为此可在微分部分增加惯性滤波环节。 5采样周期 PID 控制程序是周期性执行的，执行的周期称为采样周期。采样周期越小，采样值越能反映模拟量的变化情况。但是太小会增加 CPU 的运算工作量，相邻两次采样的差值几乎没有什么变化，将使 PID 控制器输出的微分部分接近为零，所以也不宜
10、将采样周期取得过小。 应保证在被控量迅速变化时（例如启动过程中的上升阶段） ，能有足够多的采样点数，不致因为采样点数过少而丢失被采集的模拟量中的重要信息。 6PID 参数的调整方法 在整定 PID 控制器参数时，可以根据控制器的参数与系统动态性能和稳态性能之间的定性关系，用实验的方法来调节控制器的参数。有经验的调试人员一般可以较快地得到较为满意的调试结果。在调试中最重要的问题是在系统性能不能令人满意时，知道应该调节哪一个参数，该参数应该增大还是减小。 为了减少需要整定的参数，首先可以采用 PI 控制器。为了保证系统的安全，在调试开始时应设置比较保守的参数，例如比例系数不要太大，积分时间不要太小
11、，以避免出现系统不稳定或超调量过大的异常情况。给出一个阶跃给定信号，根据被控量的输出波形可以获得系统性能的信息，例如超调量和调节时间。应根据 PID 参数与系统性能的关系，反复调节 PID 的参数。 如果阶跃响应的超调量太大，经过多次振荡才能稳定或者根本不稳定，应减小比例系数、增大积分时间。如果阶跃响应没有超调量，但是被控量上升过于缓慢，过渡过程时间太长，应按相反的方向调整参数。 如果消除误差的速度较慢，可以适当减小积分时间，增强积分作用。 反复调节比例系数和积分时间，如果超调量仍然较大，可以加入微分控制，微分时间从0 逐渐增大，反复调节控制器的比例、积分和微分部分的参数。 总之，PID 参数
12、的调试是一个综合的、各参数互相影响的过程，实际调试过程中的多次尝试是非常重要的，也是必须的。 7实验验证 实验使用 S7-300 PLC 的 PID 控制功能块 FB 41，被控对象由两个串联的惯性环节组成，其时间常数分别为 2s 和 5s，比例系数为 3.0。用人机界面的趋势图显示给定曲线和闭环输出量的响应曲线。本日志的内容摘自作者在自动化应用杂志 2010 年第 5 期发表的PID参数的意义与整定方法（见附件），该论文给出的实验结果验证了本文提出的 PID 控制器参数的整定方法。 作者将在适当的时候发布用纯软件仿真学习 PID 参数整定方法的 STEP 7项目。1诊断的必要条件下载到 CP
13、U 的项目文件必须与计算机中的项目文件完全相同，才能用 STEP 7 对控制系统进行监控和故障诊断。如果下载的项目没有加密，可以用 STEP 7 上载 CPU 中的用户程序和组态信息。2用快速视图诊断故障选中 SIMATIC 管理器中要检查的 PLC 站点，执行菜单命令“PLC”“诊断/设置”“硬件诊断”，打开快速视图，将看到该站的 CPU、有故障的模块和 DP 从站。选中某个 DP 从站，点击“ 模块信息” 按钮，可以查看它的故障信息。3用 CPU 的诊断缓冲区诊断故障选中快速视图中的 CPU，点击“模块信息” 按钮，打开 CPU 的模块信息。在“诊断缓冲区”选项卡可以看到各种诊断事件，包括
14、模块故障、过程写错误、CPU 中的系统错误、操作模式的切换、用户程序的错误等。选中某一事件，下面“关于事件的详细资料”窗口将显示该事件的详细信息。点击 “事件帮助” 按钮，可得到帮助信息。4用诊断视图进行诊断诊断视图实际上就是在线的硬件组态视图。点击快速视图中的“打开在线站点”按钮，打开诊断视图，可以看到该站点和 DP 从站中所有的模块。双击有故障符号的模块，打开其“模块信息” 对话框，可以看到该模块具体准确的故障信息。什么情况允许双线圈输出？ 2010/6/10 8:08:28 | Author: 廖老师 在用户程序中，同一个编程元件的线圈使用了两次或多次，称为双线圈输出。图 a 中有输出继
15、电器 Y0 的两个线圈，在同一个扫描周期，两个线圈的逻辑运算结果可能刚好相反，即 Y0 的线圈一个“通电”，一个“断电”。对于 Y0控制的外部负载来说，真正起作用的是最后一个 Y0 的线圈的状态。Y0 的线圈的通断状态除了对外部负载起作用外，通过它的触点，还可能对程序中别的元件的状态产生影响。如果图 a 中两个线圈的通断状态相反，B 区域与其它区域中 Y0 触点的状态也是相反的，可能使程序运行异常。作者曾遇到因双线圈引起的物理输出继电器快速振荡的异常现象。所以一般应避免出现双线圈输出现象，例如将图 a 改为图 b。只要能保证在同一扫描周期内只执行其中一个线圈对应的逻辑运算，这样的双线圈输出是允
16、许的。下列 3 种情况允许双线圈输出：1）在跳步条件相反的两个程序段(例如自动程序和手动程序)中，允许出现双线圈输出，即同一元件的线圈可以在两个程序段中分别出现一次。实际上 CPU 只执行正在处理的程序段中双线圈元件的一个线圈输出指令。2）在调用条件相反的两个子程序(例如自动程序和手动程序)中，允许出现双线圈现象，即同一元件的线圈可以在两个子程序中分别出现一次。子程序中的指令只是在该子程序被调用时才执行，没有调用时不执行。3）三菱的不同时闭合的 STL 触点可以分别驱动同一编程元件的一个线圈。可以用编程软件来检查是否有双线圈输出。PLC 一般并不将双线圈输出作为错误，只是作为警告。有双线圈输出
17、时，用户程序仍然可以执行。一般对同一编程元件可以多次使用 SET 和 RST 指令。烧电焊为什么烧毁了通信接口板？ 2010/5/22 18:35:16 | Author: 廖老师 有一个企业的朋友告诉我，由于维修人员在操作台底部焊接电缆管，导致烧毁了两台调速装置的 DP 连接器、DP 接口板，和触摸屏 TP 270 的 DP 接口电路。上述事故的产生与设备的接地有很大的关系。控制设备有两种地：1）安全保护地（或称大地，电磁兼容性地），将设备的金属外壳连接到安全保护地，可以保证操作人员的安全。2）信号地（电子设备的电位参考点，有人称为仪表地），下图中 PLC 和变频器的通信除了 RS-485
18、的 A、B 线外，还必须连接双方标有 0V 的端子，图中的 0V点就是信号地。信号地不能与设备的安全保护地相连，否则可能毁坏通信接口。烧电焊烧毁通信接口或模块的原因如下：1）电焊机的接地线的接地点远离焊接点。2）设备的信号地没有实现一点接地，而是就近接到安全保护地网络上。电焊机的副边电压很低，但是焊接电流很大。上述两个条件同时满足时，强大的电焊电流可能通过安全接地网络流过通信接口。下面是消除上述事故的措施：1）烧电焊时必须保证电焊机副边的地线的接地点尽量靠近焊接点。2）保证控制系统的信号地一点接地。所谓一点接地，是指首先连接好控制屏内部的信号地，然后分别用规定面积的导线统一引到接地网络上的某一
19、点，信号地最好采用单独的接地装置。如果将各控制屏的信号地就近连接到当地的安全保护地网络上，强电设备的接地电流可能在两个接地点之间产生较大的电位差，干扰控制系统的工作，严重时可能烧毁设备。PLC 输出电路硬件互锁的漏洞与可怕的后果 2010/5/19 18:16:25 | Author: 廖老师 在异步电动机的正反转控制的主电路中，两台接触器的主触点如果同时闭合，将会造成三相电源相间短路的事故，使熔断器熔断。梯形图中的软件互锁电路并不保险，在电动机改变旋转方向的过程中，可能原来接通的接触器的主触点的电弧还没有熄灭，另一个接触器的主触点已经闭合了， 由此造成瞬时的电源相间短路，使熔断器熔断。此外，
20、如果因为主电路电流过大或接触器质量不好，某一接触器的主触点被断电时产生的电弧熔焊而被粘结，其线圈断电后主触点仍然是接通的，这时如果另一接触器的线圈通电，也会造成三相电源短路的事故。为了防止出现这种情况，应在 PLC 外部设置由 KM2 和 KM3 的辅助常闭触点组成的硬件互锁电路(见图 1)，假设 KM3 的主触点被电弧熔焊，这时它的与 KM2 线圈串联的辅助常闭触点处于断开状态，因此 KM2 的线圈不可能得电。为了保证在变频器出现故障时设备的正常运行，很多设备要求设置工频运行和变频运行两种模式。在工频/变频切换控制的主电路中（见图 2） ，接触器 KM2 动作时为变频运行，KM3 动作时工频
21、电源直接接到电动机。工频电源如果接到变频器的输出端，将会损坏变频器，所以 KM2 和 KM3 绝对不能同时动作。应在 PLC 的输出电路中，设置与图 1 相同的硬件互锁电路。上述的硬件互锁电路在一般情况下是可靠的，但是还有一个漏洞。现场的电气维修人员在检查接触器的动作时，可能用手按接触器的活动部分，使接触器的主触点接通。这一操作与接触器的硬件互锁电路无关，如果由此造成异步电动机正反转控制电路两个接触器的主触点同时接通，顶多使熔断器熔断。如果这种操作使图 2 中 KM2 和 KM3 的主触点同时接通，将会烧毁变频器的功率模块！当你在检修时按接触器的活动部分时，一定要想一下是否会造成灾难性的后果！
