PLC的PID指令
1. PID算法
在工業(yè)生產(chǎn)過程控制中，模擬信號(hào)PID（由比例、積分、微分構(gòu)成的閉合回路）調(diào)節(jié)是常見的一種控制方法。運(yùn)行PID控制指令，S7-200西門子plc將根據(jù)參數(shù)表中的輸入測(cè)量值、控制設(shè)定值及PID參數(shù)，進(jìn)行PID運(yùn)算，求得輸出控制值。參數(shù)表中有9個(gè)參數(shù)，全部為32位的實(shí)數(shù)，共占用36個(gè)字節(jié)。PID控制回路的參數(shù)表如表6-15所示。
 
表6-15  PID控制回路的參數(shù)表

地址偏移量	參數(shù)	數(shù)據(jù)格式	參數(shù)類型	說明
0	過程變量當(dāng)前值PVn	雙字 nbsp;，實(shí)數(shù)	輸入	必須在0.0至1.0范圍內(nèi)。
4	給定值SPn	雙字 ，實(shí)數(shù)	輸入	必須在0.0至1.0范圍內(nèi)
8	輸出值Mn	雙字 ，實(shí)數(shù)	輸入/輸出	在0.0至1.0范圍內(nèi)
12	增益Kc	雙字 ，實(shí)數(shù)	輸入	比例常量，可為正數(shù)或負(fù)數(shù)
16	采樣時(shí)間Ts	雙字 ，實(shí)數(shù)	輸入	以秒為單位，必須為正數(shù)
20	積分時(shí)間Ti	雙字 ，實(shí)數(shù)	輸入	以分鐘為單位，必須為正數(shù)。
24	微分時(shí)間Td	雙字 ，實(shí)數(shù)	輸入	以分鐘為單位，必須為正數(shù)。
28	上一次的積分值Mx	雙字 ，實(shí)數(shù)	輸入/輸出	0.0和1.0之間（根據(jù)PID運(yùn)算結(jié)果更新）
32	上一次過程變量PVn-1	雙字 ，實(shí)數(shù)	輸入/輸出	最近一次PID運(yùn)算值

典型的PID算法包括三項(xiàng)：比例項(xiàng)、積分項(xiàng)和微分項(xiàng)。即：輸出=比例項(xiàng)+積分項(xiàng)+微分項(xiàng)。計(jì)算機(jī)在周期性地采樣并離散化后進(jìn)行PID運(yùn)算，算法如下：
Mn=Kc*（SPn-PVn）+Kc*（Ts/Ti）*（SPn-PVn）+Mx+Kc*（Td/Ts）*（PVn-1-PVn）
其中各參數(shù)的含義已在表6-15中描述。
比例項(xiàng)Kc*（SPn-PVn）：能及時(shí)地產(chǎn)生與偏差（SPn-PVn）成正比的調(diào)節(jié)作用，比例系數(shù)Kc越大，比例調(diào)節(jié)作用越強(qiáng)，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度越高，但Kc過大會(huì)使系統(tǒng)的輸出量振蕩加劇，穩(wěn)定性降低。
積分項(xiàng)Kc*（Ts/Ti）*（SPn-PVn）+Mx：與偏差有關(guān)，只要偏差不為0，PID控制的輸出就會(huì)因積分作用而不斷變化，直到偏差消失，系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，所以積分的作用是消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度，但積分的動(dòng)作緩慢，給系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定帶來不良影響，很少單獨(dú)使用。從式中可以看出：積分時(shí)間常數(shù)增大，積分作用減弱，消除穩(wěn)態(tài)誤差的速度減慢。
微分項(xiàng)Kc*（Td/Ts）*（PVn-1-PVn）：根據(jù)誤差變化的速度（既誤差的微分）進(jìn)行調(diào)節(jié)具有超前和預(yù)測(cè)的特點(diǎn)。微分時(shí)間常數(shù)Td增大時(shí)，超調(diào)量減少，動(dòng)態(tài)性能得到改善，如Td過大，系統(tǒng)輸出量在接近穩(wěn)態(tài)時(shí)可能上升緩慢。
2. PID控制回路選項(xiàng)
在很多控制系統(tǒng)中，有時(shí)只采用一種或兩種控制回路。例如，可能只要求比例控制回路或比例和積分控制回路。通過設(shè)置常量參數(shù)值選擇所需的控制回路。
（1）如果不需要積分回路（即在PID計(jì)算中無“I”），則應(yīng)將積分時(shí)間Ti設(shè)為無限大。由于積分項(xiàng)Mx的初始值，雖然沒有積分運(yùn)算，積分項(xiàng)的數(shù)值也可能不為零。
（2）如果不需要微分運(yùn)算（即在PID計(jì)算中無“D”），則應(yīng)將微分時(shí)間Td設(shè)定為0.0。
（3）如果不需要比例運(yùn)算（即在PID計(jì)算中無“P”），但需要I或ID控制，則應(yīng)將增益值Kc指定為0.0。因?yàn)镵c是計(jì)算積分和微分項(xiàng)公式中的系數(shù)，將循環(huán)增益設(shè)為0.0會(huì)導(dǎo)致在積分和微分項(xiàng)計(jì)算中使用的循環(huán)增益值為1.0。
3. 回路輸入量的轉(zhuǎn)換和標(biāo)準(zhǔn)化
每個(gè)回路的給定值和過程變量都是實(shí)際數(shù)值，其大小、范圍和工程單位可能不同。在PLC進(jìn)行PID控制之前，必須將其轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)化浮點(diǎn)表示法。步驟如下：
（1）將實(shí)際從16位整數(shù)轉(zhuǎn)換成32位浮點(diǎn)數(shù)或?qū)崝?shù)。下列指令說明如何將整數(shù)數(shù)值轉(zhuǎn)換成實(shí)數(shù)。
XORD AC0,AC0  //將AC0清0 www.simpaso.com
ITD AIW0, AC0 //將輸入數(shù)值轉(zhuǎn)換成雙字
DTR AC0, AC0 //將32位整數(shù)轉(zhuǎn)換成實(shí)數(shù)
（2）將實(shí)數(shù)轉(zhuǎn)換成0.0至1.0之間的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值。用下式：
實(shí)際數(shù)值的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值=實(shí)際數(shù)值的非標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值或原始實(shí)數(shù)/取值范圍 +偏移量
其中：取值范圍=最大可能數(shù)值-最小可能數(shù)值=32 000（單極數(shù)值）或64 000（雙極數(shù)值）
偏移量：對(duì)單極數(shù)值取0.0，對(duì)雙極數(shù)值取0.5
單極（0～32000），雙極（-32000～32000）
如將上述AC0中的雙極數(shù)值（間距為64,000）標(biāo)準(zhǔn)化：
/R 64000.0, AC0  //使累加器中的數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)化
+R 0.5, AC0     //加偏移量0.5
MOVR AC0, VD100 //將標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值寫入PID回路參數(shù)表中。
4. PID回路輸出轉(zhuǎn)換為成比例的整數(shù)
程序執(zhí)行后，PID回路輸出0.0和1.0之間的標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)數(shù)數(shù)值，必須被轉(zhuǎn)換成16位成比例整數(shù)數(shù)值，才能驅(qū)動(dòng)模擬輸出。
PID回路輸出成比例實(shí)數(shù)數(shù)值=（PID回路輸出標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)數(shù)值-偏移量）*取值范圍
程序如下：
MOVR VD108, AC0 //將PID回路輸出送入AC0。
-R 0.5, AC0         //雙極數(shù)值減偏移量0.5
*R 64000.0, AC0  //AC0的值*取值范圍，變?yōu)槌杀壤龑?shí)數(shù)數(shù)值
ROUND AC0，AC0  //將實(shí)數(shù)四舍五入取整，變?yōu)?2位整數(shù)
DTI    AC0, AC0    //32位整數(shù)轉(zhuǎn)換成16位整數(shù)
MOVW AC0, AQW0 //16位整數(shù)寫入AQW0
5. PID指令
PID指令：使能有效時(shí)，根據(jù)回路參數(shù)表（TBL）中的輸入測(cè)量值、控制設(shè)定值及PID參數(shù)進(jìn)行PID計(jì)算。格式如表6-16所示。
說明：
（1）程序中可使用八條PID指令，分別編號(hào)0-7，不能重復(fù)使用。
（2）使ENO = 0的錯(cuò)誤條件：0006（間接地址），SM1.1（溢出，參數(shù)表起始地址或指令中指定的PID回路指令號(hào)碼操作數(shù)超出范圍）。
（3）PID指令不對(duì)參數(shù)表輸入值進(jìn)行范圍檢查。必須保證過程變量和給定值積分項(xiàng)前值和過程變量前值在0.0和1.0之間。
表6-16  PID指令格式

LAD	STL	說明
	PID TBL，LOOP	TBL：參數(shù)表起始地址VB， 數(shù)據(jù)類型：字節(jié) LOOP：回路號(hào)，常量（0-7）， 數(shù)據(jù)類型：字節(jié)