在現(xiàn)代工業(yè)控制領(lǐng)域，比例積分微分（PID）控制器是最廣泛應(yīng)用的控制技術(shù)之一。它通過比例、積分、微分三個(gè)控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的精確調(diào)節(jié)，以達(dá)到期望的控制效果。隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，PID控制器被應(yīng)用于各種工業(yè)過程，如溫度、壓力、流量和液位的控制。本文將詳細(xì)介紹聯(lián)誠科技的LicOS PLC/PAC產(chǎn)品中如何應(yīng)用PID控制技術(shù)，并提供具體的操作步驟和案例分析。
聯(lián)誠科技是國內(nèi)領(lǐng)先的自動(dòng)化控制解決方案提供商，其LicOS PLC/PAC產(chǎn)品系列在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。結(jié)合LicOS的強(qiáng)大功能和Smart Control編程調(diào)試軟件，用戶可以輕松實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的PID控制。
一、什么是PID控制？
PID控制器通過以下三個(gè)基本控制動(dòng)作來調(diào)節(jié)系統(tǒng)：
比例控制（P）：
比例控制器根據(jù)系統(tǒng)的當(dāng)前誤差（設(shè)定值與實(shí)際值之間的差異）來調(diào)節(jié)輸出。比例增益（KP）決定了控制器對誤差的響應(yīng)強(qiáng)度。然而，過高的比例增益可能導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩，甚至失去穩(wěn)定性。
積分控制（I）：
積分控制是將一段時(shí)間內(nèi)的誤差相加。即使是一個(gè)很小的誤差，也會(huì)讓積分反饋緩慢增加。積分反饋會(huì)根據(jù)積分時(shí)間（TN）持續(xù)增加，除非誤差為0。因此，積分反饋的目的在于將穩(wěn)定狀態(tài)的誤差保持在0。穩(wěn)定狀態(tài)誤差是過程變量和設(shè)定值之間的差值。
微分控制（D）：
微分控制器根據(jù)誤差變化的速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，提供對快速變化的響應(yīng)。微分時(shí)間（TV）決定了微分控制的敏感度。盡管微分控制可以增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但對噪聲敏感，可能引入不穩(wěn)定性。
圖 PID控制器
使用場景
PID控制器廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，包括工業(yè)自動(dòng)化、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療設(shè)備、農(nóng)業(yè)、科研和航天、應(yīng)急救援等。
二、如何在LicOS PLC/PAC中使用PID控制？
準(zhǔn)備工作
添加Util庫文件：
在LicOS的Smart Control軟件中，PID功能塊隸屬于Util工具庫。因此，在開始使用PID控制功能之前，需要先在庫管理器中添加Util庫。
步驟：雙擊庫管理器 -> 添加庫 -> 顯示高級庫 -> 搜索“Util” -> 確定。
圖 添加庫
圖 搜索Util庫
圖 Util庫添加完成
LicOS_PLC中調(diào)用Util庫的 PID控制器功能塊。PID控制器功能庫包含：PD (FB)、PID (FB)、PID_FIXCYCLE (FB)
圖 LicOS Util PID控制器功能庫
功能：PD (FB)為比例微分作用控制器，PID (FB)為比例積分微分作用控制器，但其循環(huán)時(shí)間會(huì)和PLC任務(wù)循環(huán)時(shí)間相關(guān)，PID _FIXCYCLE(FB)功能塊功能和PID(FB)功能塊相似，區(qū)別是其控制器循環(huán)時(shí)間為固定，按設(shè)定的CYCLE時(shí)間參數(shù)執(zhí)行。
PID_FIXCYCLE (FB)功能塊如圖所示：
圖 PID_FIXCYCLE功能塊
PID_FIXCYCLE (FB)功能塊引腳定義如圖所示。
圖 PID_FIXCYCLE功能塊引腳定義
ACTUAL: 當(dāng)前輸入值，顯示過程模擬量當(dāng)前輸入值。
SET_POINT：目標(biāo)設(shè)定值，被控制模擬量需要達(dá)到的目標(biāo)值。
KP：比例增益系數(shù)。
TN：積分時(shí)間，以秒為單位。
TV：微分時(shí)間，以秒為單位。
Y_MANUAL：控制器手動(dòng)時(shí)輸出值，當(dāng)控制器手動(dòng)輸出激活時(shí)，Y輸出等于Y_MANUAL值。
Y_OFFSET：輸出值附加偏移量。
Y_MIN：PID控制輸出值最小限值。
Y_MAX：PID控制輸出值最大限值。
MANUAL：控制器手動(dòng)控制觸發(fā)位。
RESET：PID控制器復(fù)位觸發(fā)位，觸發(fā)時(shí)僅輸出Y_OFFSET值，積分項(xiàng)累計(jì)復(fù)位清零。
CYCLE：控制器循環(huán)時(shí)間設(shè)定值，以秒為單位。
Y：PID控制器調(diào)節(jié)輸出值。
LIMITS_ACTIVE：當(dāng)Y_MIN或Y_MAX觸發(fā)輸出時(shí)，LIMITS_ACTIVE觸發(fā)TRUE。
OVERFLOW：積分累計(jì)過飽和溢出時(shí)觸發(fā)OVERFLOW為TRUE。
例如用溫度PID控制舉例說明，首先對當(dāng)前值A(chǔ)CTUAL映射好模擬量輸入，熱電偶溫度傳感器輸入值，然后設(shè)定好目標(biāo)加熱目標(biāo)溫度SET_POINT，再將比例系數(shù)KP，積分時(shí)間TN，微分時(shí)間TV根據(jù)工程調(diào)試經(jīng)驗(yàn)設(shè)定調(diào)整到合適值，MANUAL為False，Y_OFFSET設(shè)為0，Y_MIN設(shè)0 Y_MAX設(shè)100。循環(huán)時(shí)間CYCLE設(shè)0.01S。這時(shí)當(dāng)PID控制器穩(wěn)定后會(huì)輸出加熱器加熱幅度自動(dòng)調(diào)整以穩(wěn)定溫度到設(shè)定的目標(biāo)值。
溫度控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)現(xiàn)場圖片，如圖展示。
圖 PID溫控實(shí)測
LicOS聯(lián)誠產(chǎn)品配置情況，如圖所示。
圖 LicOS聯(lián)誠產(chǎn)品配置
需要注意的是PID功能塊的測試執(zhí)行最好單獨(dú)用一個(gè)Task任務(wù)，周期時(shí)間建議25ms以上。如圖所示。
圖 例程任務(wù)配置
1.定義相關(guān)變量，如圖所示。
圖 例程變量定義
2.PID功能塊調(diào)用，如圖所示。
圖 PID功能塊調(diào)用
3.在線測試，本例程測試的PLC的LAN1 IP地址為192.168.20.80，程序測試如圖。
圖 例程在線PID調(diào)試成功
本案例模擬量PID溫控曲線示意，如圖所示。
圖 PID溫控圖形曲線
可見設(shè)定的加熱溫度為38攝氏度，PID控制器功能執(zhí)行后實(shí)測溫度在37.9攝氏度，誤差約0.1攝氏度，并隨著時(shí)間延長，溫度誤差逐步降到0。
在實(shí)際調(diào)試中，可以先大致設(shè)定一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值，然后根據(jù)調(diào)節(jié)效果修改。
流量系統(tǒng)：P(%)40--100，I(S)6--60
壓力系統(tǒng)：P(%)30--70， I(S)24--180
液位系統(tǒng)：P(%)20--80， I(S)60--300
溫度系統(tǒng)：P(%)20--60， I(S)180--600，D(S)30--180
經(jīng)典的經(jīng)驗(yàn)試湊口訣:
參數(shù)整定找最佳， 從小到大順序查。
先是比例后積分， 最后再把微分加。
曲線振蕩很頻繁， 比例度盤要放大。
曲線漂浮繞大彎， 比例度盤往小扳。
曲線偏離回復(fù)慢， 積分時(shí)間往下降。
曲線波動(dòng)周期長， 積分時(shí)間再加長。
曲線振蕩頻率快， 先把微分降下來。
動(dòng)差大來波動(dòng)慢， 微分時(shí)間應(yīng)加長。
理想曲線兩個(gè)波， 前高后低四比一。
一看二調(diào)多分析， 調(diào)節(jié)質(zhì)量不會(huì)低。
PID調(diào)節(jié)各參數(shù)曲線變化如圖所示。
圖 PID調(diào)節(jié)參數(shù)變化曲線
J.G.Ziegler和N.B.Nichoks在1942年提出兩種整定PID參數(shù)的方法：
衰減比法：
目標(biāo)是使系統(tǒng)的振蕩衰減比達(dá)到4:1，即在一個(gè)周期內(nèi)振蕩幅度減小到原值的1/4。
穩(wěn)定邊界法：
增加比例增益，直到系統(tǒng)進(jìn)入臨界振蕩狀態(tài)，測量此時(shí)的臨界增益（Ku）和臨界周期（Pu），然后根據(jù)Z-N整定法表格調(diào)整PID參數(shù)。
通過本文的介紹，相信您已經(jīng)掌握了如何在聯(lián)誠科技的LicOS PLC/PAC產(chǎn)品中應(yīng)用PID控制技術(shù)。LicOS產(chǎn)品提供了強(qiáng)大的功能和靈活的配置選項(xiàng)，使得復(fù)雜的控制任務(wù)變得簡單和高效。無論是在工業(yè)、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療還是農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，LicOS都能夠提供穩(wěn)定和可靠的控制解決方案。
在全球競爭日益激烈的工業(yè)自動(dòng)化市場中，聯(lián)誠科技始終致力于技術(shù)創(chuàng)新和卓越品質(zhì)。我們不僅提供高性能的自動(dòng)化控制產(chǎn)品，更以客戶為中心，提供全方位的技術(shù)支持和服務(wù)。聯(lián)誠科技的LicOS PLC/PAC系列產(chǎn)品，通過先進(jìn)的控制技術(shù)和易用的軟件平臺(tái)，幫助客戶提升生產(chǎn)效率，優(yōu)化控制過程，實(shí)現(xiàn)智能化和數(shù)字化轉(zhuǎn)型。
如同PID控制器以精確和穩(wěn)定著稱，聯(lián)誠科技也將在科技創(chuàng)新的道路上不斷前行，我們堅(jiān)信，通過我們的努力和創(chuàng)新，必將為客戶和社會(huì)帶來更大的價(jià)值和更廣闊的未來。
