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PID控制器參數(shù)整定的仿真實驗

    首先打開項目“PID控制”，然后打開PLCSIM。將所有的塊下載到仿真PLC，將仿真PLC切換到RUN-P模式。

    點擊Windows的“開始”按鈕，執(zhí)行菜單命令“開始”→“所有程序”→“SIMATIC”→“STEP 7”→“PID控制參數(shù)賦值”，打開PID控制視圖（見圖10-19）。點擊工具欄上的按鈕，用單選框選中“打開”對話框中的“在線”。點擊“瀏覽”按鈕，打開已下載到仿真PLC的項目“PID控制”，選中該項目中FB 41的背景數(shù)據(jù)塊DB 41。

    點擊“確定”按鈕，出現(xiàn)如圖10-20所示的參數(shù)賦值對話框，顯示的PID控制器的參數(shù)是在程序中設(shè)置的。可以在程序運行時用這個對話框來修改PID控制器的參數(shù)。

    點擊工具欄上的曲線記錄按鈕，打開曲線記錄對話框（見圖10-21），此時還沒有圖中的曲線。

    點擊“設(shè)置”按鈕，打開“設(shè)置”對話框（見圖10-22）。將曲線3由“操縱變量”（PID控制器的輸出變量）改為“無”，只顯示額定值（即給定值）和實際值（即被控量）的曲線?？梢杂?ldquo;改變顏色”按鈕設(shè)置各曲線的顏色，用“Y軸限制”下面的文本框修改各曲線顯示的上限值和下限值，用“時間軸長度”文本框修改曲線的時間軸長度。點擊“確定”按鈕返回監(jiān)控曲線界面。

    可以用圖10-21右邊的單選框設(shè)置Y軸顯示哪一條曲線的坐標值。點擊“開始”按鈕，開始顯示設(shè)置的變量的曲線。圖中的方波是給定值（即額定值）曲線，由于OB1中程序的作用。給定值在20%~70%之間階躍變化，深色曲線是被控量（即實際值）曲線。點擊“停止”按鈕，停止動態(tài)刷新實時曲線。圖中的K，等文字是作者添加的。

    圖10-23中的被控量曲線與圖10-21中的相同，對應(yīng)的控制器參數(shù)（初始值）見圖10-20。該曲線的超調(diào)量過大，有多次震蕩。將圖10-20中的積分時間改為4s，點擊工具欄上的下載按鈕，將修改后的參數(shù)下載到仿真PLC。與圖10-23中積分時間為2s的曲線相比，增大積分時間（減弱積分作用）后，圖10-24中被控量曲線的超調(diào)量和震蕩次數(shù)明顯減小。

    圖10-23    PID控制階躍響應(yīng)曲線

    圖10-24    PID控制階躍響應(yīng)曲線

    將圖10-20中的積分時間還原為2s，微分時間由0.8s增大為2s。與圖10-23中的曲線相比，適當(dāng)增大微分時間后，圖10-25中響應(yīng)曲線的超調(diào)量和震蕩次數(shù)明顯減小。

    將圖10-20中的積分時間改為8s，微分時間為2s。與圖10-23中的曲線相比（積分時間為2s，微分時間為0.8s），增大積分時間和適當(dāng)增大微分時間后，圖10-26中響應(yīng)曲線的超調(diào)量幾乎為0，但是付出的代價是*次上升到穩(wěn)態(tài)值的時間較長。

    圖10-25    PID控制階躍響應(yīng)曲線

    圖10-26    PID控制階躍響應(yīng)曲線

    圖10-27和圖10-28的微分時間均為0（即采用PI調(diào)節(jié)），積分時間均為8s。圖10-28的比例系數(shù)為1.0，與圖10-27相比（比例系數(shù)為2.0），同時減弱了比例作用和積分作用。可以看出，減小比例系數(shù)能顯著降低超調(diào)量。

    圖10-27    PI控制階躍響應(yīng)曲線

    圖10-28    PI控制階躍響應(yīng)曲線

    讀者可以修改OB100中FB 100（被控對象）的參數(shù)，下載到仿真PLC后，調(diào)整PID控制器的參數(shù)，直到得到較好的響應(yīng)曲線，即超調(diào)量較小，過渡過程時間較短。

    在硬件組態(tài)中修改OB35的循環(huán)周期，同時修改FB 41、FB 100中的采樣周期，使之與OB35的循環(huán)周期相同，可以了解采樣周期與控制效果之間的關(guān)系。通過仿真實驗，可以較快地掌握PID參數(shù)的整定方法。

  PID控制程序是周期性執(zhí)行的，執(zhí)行的周期稱為采樣周期Ts。采樣周期越小，采樣值越能反映模擬量的變化情況。但是Ts太小會增加CPU的運算工作量，相鄰兩次采樣的差值幾乎沒有什么變化，將使PID控制器輸出的微分部分接近為零，所以也不宜將Ts取得過小。

    確定采樣周期時，應(yīng)保證在被控量迅速變化的區(qū)段（例如啟動過程中的上升階段），能有足夠多的采樣點數(shù)，以保證不會因為采樣點過稀而丟失被采集的模擬量中的重要信息。

    表10-1給出了過程控制中采樣周期的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，表中的數(shù)據(jù)僅供參考。以溫度控制為例，一個很小的恒溫箱與一個幾十立方米的加熱爐的熱慣性有很大的差異，它們的采樣周期顯然也應(yīng)該有很大的差別：實際的采樣周期需要經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試后確定。

    表10-1    采樣周期的經(jīng)驗數(shù)據(jù)

  如果不知道PID參數(shù)整定的方法，抱著“碰運氣”的想法亂調(diào)一氣，其結(jié)果可想而知。

    控制器輸出的比例、積分、微分部分都有明確的物理意義，在整定PID控制器參數(shù)時，可以根據(jù)控制器的參數(shù)與系統(tǒng)動態(tài)性能和靜態(tài)性能之間的定性關(guān)系，用實驗的方法來調(diào)節(jié)控制器的參數(shù)。在調(diào)試中重要的問題是在系統(tǒng)性能不能令人滿意時，知道應(yīng)該調(diào)節(jié)哪一個參數(shù)，該參數(shù)應(yīng)該增大還是減小。有經(jīng)驗的調(diào)試人員一般可以較快地得到較為滿意的調(diào)試結(jié)果。

    PID參數(shù)整定不像有的人想象的那樣神秘，可以按以下規(guī)則來整定PID控制器的參數(shù)：

    1)為了減少需要整定的參數(shù)，可以首先采用PI控制器。給系統(tǒng)輸入一個階躍給定信號，觀察系統(tǒng)輸出量的波形。由輸出波形可以獲得系統(tǒng)性能的信息，例如超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間。

    2)如果階躍響應(yīng)的超調(diào)量太大，經(jīng)過多次振蕩才能進入穩(wěn)態(tài)或者根本不穩(wěn)定，應(yīng)減小控制器的比例系數(shù)Kp或增大積分時間TI。

    3)如果階躍響應(yīng)沒有超調(diào)量，但是被控量上升過于緩慢，過渡過程時間太長，應(yīng)按相反的方向調(diào)整上述參數(shù)。

    4)如果消除誤差的速度較慢，可以適當(dāng)減小積分時間，增強積分作用。

    5)反復(fù)調(diào)節(jié)比例系數(shù)和積分時間，如果超調(diào)量仍然較大，可以加入微分分量。微分時間TD從0逐漸增大，反復(fù)調(diào)節(jié)Kp、TI和TD，直到滿足要求。需要注意的是在改變比例系數(shù)Kp的值時，同時會影響到積分分量和微分分量的值，而不是僅僅影響到比例分量。

    總之，PID參數(shù)的整定是一個綜合的、各參數(shù)相互影響的過程，實際調(diào)試過程中的多次嘗試是非常重要的，也是必需的。

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