对西门子PLC的PID参数整定问题分析

2018-01-24范庭超

中国设备工程 2018年1期

范庭超

（浙江盛元化纤有限公司，浙江杭州 311247）

结合我国目前实际情况可知，PID控制器已经在工业控制领域得到了较为广泛的应用。与其他控制器相比，PID控制器具有明显的计算量少、结构经典、便于参数调整等优势。作为PID控制的关键，其参数整定问题直接影响PID控制的控制质量。因此，分析西门子PLC的PLD参数整定问题具有一定的现实意义。

1 西门子PID基本控制原理

西门子PID控制器的控制原理为：参照系统误差，借助PID参数完成控制量的计算，最终实现控制功能。具体而言，输入通过微分（D）、比例（P）以及积分（I）获得输出结果，并将输出结果传递至执行机构，由执行机构负责对某一规定对象执行控制任务。从西门子PID的构成来看，其中，微分部分的作用主要是提供盘查信号的变化速率，监测偏差信号的变化状况，识别偏差信号超出正常范围的征兆，准确于偏差信号由正常值转为太大之前，引入一个有效的早期修正信号，缩短系统调节时间。而比例部分的作用则是即时完成控制系统偏差信号的反应（呈比例）。当偏差产生后，调节器将会立即进行动作，抑制偏差控制功能的发挥。此外，在西门子PID控制器中，积分部分的作用以提升系统无差度以及消除静差为主。积分的作用有效性与积分时间常数呈负相关关系，即随着积分时间常数的不断减小，积分的消除静差作用将发挥得越来越明显。

2 西门子PLC的PID参数整定

这里主要从以下几方面入手，对西门子PLC的PID参数整定进行分析和研究。

2.1 模拟量闭环控制器控制系统方面

在实际运用过程中，PID模拟量闭环控制器控制系统可产生良好的自动控制功能，其自动控制原理为：当控制系统的设定值高于反馈值参数时，系统开始产生误差，误差被输入至PID调节器中，由调节器完成微分、比例以及积分的运算，最终得出控制信号计算结果，并将该结果输出出来，传输至执行机构中。执行机构负责运用控制信号对被控对象进行控制，此时，该对象的过程量将由异常值（误差）逐渐恢复至正常值（设定值）。从西门子PID控制器的输入、输出关系来看，二者之间的关系主要与PID增益、微分时间常数以及积分时间常数有关。

2.2 数字量闭环控制系统方面

数字量闭环控制系统主要由变送器、测量元件以及PID调节器等要素构成。在系统的实际运行过程中，转速、压力等被控量具有连续变化特征，同时，这些参数也是系统的模拟量。面对变频器、可控硅调速装置等多数执行机构提出的输出模拟信号要求，西门子PLC无法满足。西门子PLC的CPU仅能完成数字量的处理任务。

具体处理流程为：变送器、测量原件将温度、压力等被控量合理转化成标准量程的直流电压信号或者直流电流信号，此时，西门子PLC借助A/D转化器将上述信号转化成数字量形式。在这一过程中，闭环负反馈控制的功能为，按照给定值参数对控制系统的反馈量（数字量）进行调整，使二者相等，或促使数字量与给定值之间处于跟随状态。

为了计算PID控制器的输出关系，可将控制器的采样周期设定为T1，同时，将模拟器闭环控制系统最初的运行时刻设定为t=0。在这种情况下，可借助矩形积分及差分完成精确微分的近似处理。根据西门子PID控制器的输入、输出关系，可将第q次采样时，控制器的输出Wq确定为：

在该公式中，rq表示系统在第q次采样时产生的误差值，rq-1则代表系统于第q-1（q次的上一次）采样时产生的误差值；ED代表微分项系数；EI代表积分项系数；EC代表西门子PID回路的增益。

由于EI=ECXTS，且ED=ECXTD/TS，从上述控制器的输出计算公式可知，积分时间与积分项、微分时间与微分项之间均呈负相关关系。

除了PID控制系统外，部分控制系统可能仅需要微分、积分、比例三种中的一种或者两种控制类型。例如，某控制系统可能仅需要通过微分及积分完成控制信号的计算，并借助设置参数的方式，实现选择不同回路控制类型的目的。

事实上，若控制系统无需比例部分功能，可直接将控制系统的回路增益参数EC设置为0.0，此时，比例部分功能将被完全去除。但由于回路增益参数还参与积分项系数及微分项系数的计算，因此，在这两个环节中，应将回路增益参数的数值有0.0调整至1.0，进而保证积分项系数、微分项系数计算的准确性；如果控制系统本身无需积分的参与，可直接按照无穷大这一指标对积分时间进行设置。

2.3 自整定方法方面

根据上述分析可知，西门子PLC的PID参数整定过程主要受到积分时间常数、微分时间常数、回路增益以及采样周期这四种要素的影响。因此，在对西门子PLC的PID参数进行整定之前，应精确确定PID参数与静态性能以及系统之间的关联性及相关关系。

从积分的功能来看，虽然积分具有优化控制精度及清除稳态误差两种功能，但由于积分作用的动作相对较慢，因此，在积分发挥上述功能的过程中，系统稳态可能受到不良影响。因此，通常会选择将积分作用与其他作用联用，共同清除系统中存在的误差。

从积分作用与积分时间常数之间的关系来看，二者呈负相关关系。随着积分时间常数的不断缩小，积分作用将变得越来越强，此时系统中的误差将被快速消除，但系统整体稳定性可能会遭到明显破坏或影响。

而比例系数则与回路增益之间呈正相关关系，即随着比例系数的增加，系统回路增益也发生增加，此时系统的误差参数相对较小。

3 西门子PLC的PID参数整定问题

这里以S7-200型号西门子PLC为例，对PID参数整定问题进行分析和研究。

3.1 自整定算法

该型号西门子PLC的PID参数整定所选用自整定方法为继电型PID自整定控制方法。与传统的ZN自整定方法相比，这种整定方法在保留整定流程简单性特征的同时，通过继电特性的非线性环节替代原整定方法中的纯比例控制器，促使系统产生极限环，实现获取所需临界值参数的目的。

3.2 PID参数整定流程

为了更好地分析西门子PLC的PID参数整定问题，这里在选用S7-200型号PLC的同时，将温度调节模块作为基础，完成PID参数整定过程的细化分析。

该型号PLC的PID温度调节模块的调节功能为：由温度变送器将0～42℃的温度转换至DC0-10伏特的电压参数，系统CPU借助模拟量输入通道将上述电压参数转化为范围为0～32000的数字量参数，最后由加热棒出漱口除数脉冲序列参数（DC24V）。

具体而言，PID参数整定流程为：选择菜单栏的工具/PID选项，选择其中的PID回路设置，分别将积分时间常数及比例系数分别设置为INF及1，将微分时间常数及采样周期分别设置为0和1。将PID回路的反馈值量程范围设定为单极性输入，缺省值范围则设定为0～32000，规定PID温度调节模块的输出类型为数字量输出。完成PID运算存储区的指定。获取符号表、PID子程序以及中断程序。

基于上述条件，回路增益的整定方法为：忽视微分与积分环节，通过重复变动回路增益参数的方式，识别系统输出不再产生振荡的临界值，并将此时的回路增益值作为手动整定值。此外，积分时间常数的整定方法为：加入积分部分，保持回路增益参数不变，忽视微分部分，向系统中引入较强的积分作用，促使系统转入振荡状态，在此基础上不断提升积分时间参数，停止标准为：系统能够消除静差，且输出不再产生振荡。最终获得积分时间常数的标准临界值参数。在西门子PLC的PID参数整定过程中，其他参数的整定过程也与上述流程基本相似。