模拟量PID温度控制系统设计(人机界面)

可编程控制器应用技术模拟量（温度）PID控制系统一.闭环控制系统组成一般来说，一个闭环控制系统主要有以下基本元件或装置组成：（1）被控对象自动控制系统需要进行控制的机器、设备或生产过程。（2）被控变量被控对象内要求实现自动控制的物理量。（3）检测元件对系统输出量进行测量的装置。（4）比较元件对系统的输出量和输入量（给定值）进行比较，给出偏差信号。（5）控制器将偏差信号进行控制运算的部件，产生控制信号操纵执行元件改善系统性能。是闭环控制系统的核心。（6）放大元件对微弱偏差信号或控制器的输出信号进行放大，使之可输出足够的功率。（7）执行元件根据控制器的输出，改变被控变量的大小，使被控制的输出量与给定的输入量一致。典型闭环控制系统的基本组成如下图。控制器输入量（给定值）放大器执行器被控对象检测装置扰动输出量1.1S7-200PLC的PID

回路控制指令二.闭环控制系统性能指标一般说来，对闭环控制系统性能指标的基本要求可以归纳为三个字：稳、准、快。

稳：是指系统的稳定性。即系统从一种平衡状态到新的平衡状态时，具有较小的超调和振荡性；稳定性是系统重新恢复平衡状态的能力。任何一个能够正常工作的控制系统，首先必须是稳定的。准：是指系统的准确性，是对系统稳态（静态）性能的要求。对一个稳定的系统而言，过渡过程结束后，系统输出量的实际值与期望值之差称为稳态误差，它是衡量系统控制精度的重要指标。稳态误差越小，表示系统的准确性越好，控制精度越高。

快：是指系统反应的快速性，是对系统动态性能（过渡过程性能）的要求。快速指系统运动到新的平衡状态所需要的调节时间较短。动态性能是衡量系统质量高低的重要指标。同一个系统，上述三项性能指标之间往往是相互制约的。比如提高过渡过程的快速性，可能会引起系统强烈振荡；改善了平稳性，控制过程又可能很迟缓，甚至使最终精度也很差。1.1

S7-200PLC的PID

回路控制指令闭环控制系统动态性能指标tOc（t）trtpts0.05或0.02Cmaxσ1.1

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回路控制指令三.PID算法在工程实际中，应用最为广泛的控制器控制规律为比例控制、积分控制、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID是比例（Proportional）+积分（Integral）+微分（Derivative）首字母的缩写，PID控制是自动控制系统中技术最成熟、应用最广泛的控制方式。

PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、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。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控制算法运行PID控制指令，S7-200将根据参数表中的输入测量值、控制设定值及PID参数，进行PID运算，求得输出控制值。S7-200的PID控制由PID控制回路参数表设定。该表中有9个参数，全部为32位的实数，占用36个字节。典型的PID算法包括三项：比例项、积分项和微分项。即：输出=比例项+积分项+微分项。计算机在周期性地采样并离散化后进行PID运算，算法如下：Mn=Kc*（SPn-PVn）+Kc*（Ts/Ti）*（SPn-PVn）+Mx+Kc*（Td/Ts）*（PVn-1-PVn）其中各参数的含义如下表中描述。

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回路控制指令三、PID控制算法地址偏移量参数数据格式参数类型说明0过程变量当前值PVn双字

，实数输入必须在0.0至1.0范围内。4给定值SPn双字

，实数输入必须在0.0至1.0范围内8输出值Mn双字

，实数输入/输出在0.0至1.0范围内12增益Kc双字

，实数输入比例常量，可为正数或负数16采样时间Ts双字

，实数输入以秒为单位，必须为正数20积分时间Ti双字

，实数输入以分钟为单位，必须为正数。24微分时间Td双字

，实数输入以分钟为单位，必须为正数。28上一次的积分值Mx双字

，实数输入/输出0.0和1.0之间（根据PID运算结果更新）32上一次过程变量PVn-1双字

，实数输入/输出最近一次PID运算值1.1S7-200PLC的PID

回路控制指令三、PID控制算法比例项Kc*（SPn-PVn）：能及时地产生与偏差（SPn-PVn）成正比的调节作用，比例系数Kc越大，比例调节作用越强，系统的稳态精度越高，但Kc过大会使系统的输出量振荡加剧，稳定性降低。积分项Kc*（Ts/Ti）*（SPn-PVn）+Mx：与偏差有关，只要偏差不为0，PID控制的输出就会因积分作用而不断变化，直到偏差消失，所以积分的作用是消除稳态误差，提高控制精度。但积分动作缓慢，给系统的动态稳定带来不良影响，很少单独使用。从式中可以看出：积分时间常数增大，积分作用减弱，消除稳态误差的速度减慢。微分项Kc*（Td/Ts）*（PVn-1-PVn）：根据误差变化的速度（即误差的微分）进行调节，具有超前和预测的特点。微分时间常数Td增大时，超调量减少，动态性能得到改善但，如果Td过大，系统输出量在接近稳态时可能上升缓慢。

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回路控制指令四、S7-200PID控制回路选项在很多控制系统中，有时只采用一种或两种控制回路。例如，可能只要求比例控制回路或比例和积分控制回路，S7-200的PID算法通过设置常量参数值来选择所需的控制回路。（1）如果不需要积分回路（即在PID计算中无“I”），则应将积分时间Ti设为无限大。由于积分项Mx的初始值，虽然没有积分运算，积分项的数值也可能不为零。（2）如果不需要微分运算（即在PID计算中无“D”），则应将微分时间Td设定为0.0。（3）如果不需要比例运算（即在PID计算中无“P”），但需要I或ID控制，则应将比例增益值Kc指定为0.0。因为Kc是计算积分和微分项公式中的系数，将比例增益设为0.0会导致在积分和微分项计算中使用的比例增益值Kc为1.0。1.1S7-200PLC的PID

回路控制指令五、回路输入量的转换和标准化

每个回路的给定值和过程变量都是实际数值，其大小、范围和工程单位可能不同。在PLC进行PID控制之前，必须将其转换成标准化浮点表示法。步骤如下：（1）将实际16位整数转换成32位浮点数或实数。程序如下。

XORDAC0,AC0//将AC0清0ITD AIW0,AC0 //将输入数值转换成双字

DTRAC0,AC0 //将32位整数转换成实数（2）将实数转换成0.0至1.0之间的标准化数值。用下式：实际数值的标准化数值=实际数值的非标准化数值或原始实数/取值范围+偏移量其中：取值范围=最大可能数值-最小可能数值=32000（单极性数值）或64000（双极性数值）偏移量：对单极性数值取0.0，对双极数值取0.51.1S7-200PLC的PID

回路控制指令五、回路输入量的转换和标准化

如将上述AC0中的双极数值（取值范围为64,000）标准化，程序如下：/R 64000.0,AC0 //使累加器中的数值标准化+R 0.5,AC0 //加偏移量0.5MOVR AC0,VD100 //将标准化数值写入PID回路参数表中。1.1S7-200PLC的PID

回路控制指令六、

PID回路输出转换为成比例的整数

程序执行后，PID回路输出0.0和1.0之间的标准化实数数值，必须被转换成16位成比例整数数值，才能驱动模拟输出。PID回路输出成比例实数数值=（PID回路输出标准化实数值-偏移量）*取值范围其中的偏移量和取值范围含义与“回路输入量的转换和标准化”相同。程序如下：MOVR VD108,AC0 //将PID回路输出送入AC0。-R 0.5,AC0 //双极数值减偏移量0.5*R64000.0,AC0//AC0的值乘以取值范围，变为成比例实数数值ROUNDAC0，AC0 //将实数四舍五入取整，变为32位整数DTI AC0,AC0//32位整数转换成16位整数MOVW AC0,AQW0//16位整数写入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可以通过两种方式使用PID指令设置回路参数表后，直接在程序中调用PID指令通过STEP-7Micro/WIN的指令向导使用PID指令。1）PID指令PID指令格式如表6-9所示。使能输入有效时，根据回路参数表（TBL）中的输入测量值、控制设定值及PID参数进行PID计算。表6-9PID指令格式

表6-9PID指令格式LADSTL说明PIDTBL，LOOPTBL：参数表起始地址VB，数据类型：字节。如VB100LOOP：回路号，常量（0-7），数据类型：字节1.1S7-200PLC的PID

回路控制指令【特别提示】（1）程序中可使用八条PID指令，分别编号0-7，不能重复使用。（2）使PID指令的ENO=0的错误条件：0006（间接地址），SM1.1（溢出，参数表起始地址或指令中指定的PID回路指令号码操作数超出范围）。（3）PID指令不对参数表输入值进行范围检查。必须保证过程变量和给定值积分项前值和过程变量前值在0.0和1.0之间。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指令向导

选择PID向导选择需要配置的PID回路号设定PID回路参数设定回路输入输出参数设定回路报警选项分配PID运算数据存储区定义向导所生成的PID初使化子程序和中断程序名及手/自动模式生成PID子程序、中断程序及符号表等配置完PID向导，在程序中调用向导生成的PID子程序实际运行并调试PID参数七、

S7-200的PID回路控制指令的使用

举例：1.控制任务一恒压供水水箱，通过变频器驱动的水泵供水，维持水位在满水位的70%。过程变量PVn为水箱的水位（由水位检测计提供），设定值为70%，PID输出控制变频器，即控制水箱注水调速电机的转速。要求开机后，先手动控制电机，水位上升到70%时，转换到PID自动调节。2.PID回路参数表地址参数数值VD100过程变量当前值PVn水位传感器提供的模拟量经A/D转换后的标准化数值VD104给定值SPn0.7VD108输出值MnPID回路的输出值（标准化数值）VD112增益Kc0.3VD116采样时间Ts0.1VD120积分时间Ti0.3VD124微分时间Td0（关闭微分作用）VD128上一次积分值Mx根据PID运算结果更新,0.0～1.0之间VD132上一次过程变量PVn-1最近一次PID的变量值,0.0～1.0之间1.1S7-200PLC的PID

回路控制指令1.2温度PID控制系统计1.2温度PID控制系统计1.2温度PID控制系统计PLC程序设计调用初始化程序初始化相关PID参数等为了加