安徽西门子S7-1500PLC模块代理（欢迎您）

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PID控制器的优点

    PID是比例、微分、积分的缩写，目前各种控制产品（例如PLC、DCS、RTU、工控机和的控制器）几乎都使用PID控制器，因此PID控制器是应用较广的闭环控制器。这是因为PID控制具有以下的优点：

    (1)不需要被控对象的数学模型

    大学的电类专业有一门课程叫做自动控制理论，它专门研究闭环控制中的理论问题。这门课程的分析和设计方法主要建立在被控对象的线性定常数学模型的基础上。该模型忽略了实际系统中的非线性和时变性，与实际系统有较大的差距，实际上很难建立大多数被控对象较为准确的数学模型。此外自动控制理论采用频率法和根轨迹法，它们属于间接的研究方法。由于上述原因，自动控制理论中的控制器设计方法很少直接用于实际的工业控制。

    PID控制采用*不同的控制思路，它不需要被控对象的数学模型，通过调节控制器少量的参数就可以得到较为理想的控制效果。

    (2)结构简单，容易实现

    PLC厂家提供了实现PID控制功能的多种硬件软件产品，例如PID闭环控制模块、PID控制指令或PID控制功能块等，它们使用简单方便，编程工作量少，只需要调节少量参数就可以获得较好的控制效果，各参数有明确的物理意义。

    (3)有较强的灵活性和适应性

    可以用PID控制器实现多回路控制、串级控制等复杂的控制。根据被控对象的具体情况，可以采用PID控制器的多种变种和改进的控制方式，例如PI、PD、带死区的PID、被控量微分PID和积分分离PID等。随着智能控制技术的发展，PID控制与现代控制方法结合，可以实现PID控制器的参数自整定，使PID控制器具有经久不衰的生命力。

    使用闭环控制后，并不能保证得到良好的动静态性能，这主要是系统中的滞后因素造成的。以调节洗澡水的温度为例，我们用皮肤检测水的温度，人的大脑是闭环控制器。假设水温偏低，因为从阀门到出水口有一段距离，往热水方向扳动阀门后，需要经过一定的时间延迟，才能感觉到水温的变化。如果调节阀门的角度太大，将会造成水温忽高忽低，来回震荡。如果没有滞后，调节阀门后马上就能感觉到水温的变化，那就很好调节了。

    闭环中的滞后因素主要来源于被控对象。如果PID控制器的参数整定得不好，阶跃响应曲线将会产生很大的超调量，系统甚至会不稳定，响应曲线出现等幅震荡（见图10-5）或振幅越来越大的发散震荡。

    图10-4和图10-5中的方波是给定曲线，其幅值为70%和20%。pv(t)是过程变量曲线，mv(t)是PID控制的输出量曲线。图10-4中的pv(t)曲线的超调量小，调节时间短，mv(t)的调节作用恰到好处，是比较理想的曲线。图10-5中的pv(t)曲线后处于等幅震荡状态，其主要原因是mv(t)的变化幅度过大，调节过量。

  闭环控制必须保证系统是负反馈（误差=给定值一反馈值），而不是正反馈（误差：给定值+反馈值）。如果系统接成了正反馈，将会失控，被控量会往单一方向增大或减小，给系统的安全带来*的威胁。

    闭环控制系统的反馈极性与很多因素有关，例如因为接线改变了变送器输出电流或输出电压的极性，或改变了式位置传感器的安装方向，都会改变反馈的极性。

    可以用下述的方法来判断反馈的极性：在调试时断开模拟量输出模块与执行机构之间的连线，在开环状态下运行PID控制程序。如果控制器中有积分环节，因为反馈被断开了，不能消除误差，模拟量输出模块的输出电压或电流会向一个方向变化。这时如果假设接上执行机构，能减小误差，则为负反馈，反之为正反馈。

    以温度控制系统为例，假设开环运行时给定值大于反馈值，若模拟量输出模块的输出值不断增大，如果形成闭环，将使电动调节阀的开度增大，闭环后温度反馈值将会增大，使误差减小，由此可以判定系统是负反馈。

由于给定输入信号或扰动输入信号的变化，系统的输出量达到稳态值之前的过程称为过渡过程或动态过程。系统的动态性能常用阶跃响应（阶跃输入时输出量的变化）曲线的参数来描述。阶跃输入信号在t=0之前为0，t>0时为某一恒定值。

    系统输出量*次达到稳态值的时间tr称为上升时间（见图10-3），上升时间反映了系统在响应初期的快速性。

    阶跃响应曲线进入并停留在稳态值c(∞)上下±5%（或2%）的误差带内的时间ts称为调节时间，到达调节时间表示过渡过程已基本结束。

    设动态过程中输出量的大值为cmax(t)，如果它大于输出量的稳态值c(∞)，定义超调量为

超调量反映了系统的相对稳定性，它越小动态稳定性越好，一般希望超调量小于10%。

    系统的稳态误差是进入稳态后输出量的期望值与实际值之差，它反映了系统的稳态精度。

变送器用于将传感器提供的电量或非电量转换为标准量程的直流电流信号或直流电压信号，例如DC 0～10V和4~20 mA的信号。变送器分为电流输出型和电压输出型，电压输出型变送器具有恒压源的性质，PLC模拟量输入模块的电压输入端的输入阻抗很高，例如100 kΩ~ 10 MΩ。如果变送器距离PLC较远，线路间的分布电容和分布电感产生的干扰信号电流在模块的输入阻抗上将产生较高的干扰电压。例如1μA干扰电流在10 MΩ输入阻抗上将产生10 V的干扰电压信号，所以远程传送模拟量电压信号时抗*力很差。

    电流输出具有恒流源的性质，恒流源的内阻很大。PLC的模拟量输入模块输入电流时，输入阻抗较低（例如250Ω）。线路上的干扰信号在模块的输入阻抗上产生的干扰电压很低，所以模拟量电流信号适于远程传送。电流传送比电压传送的传送距离远得多，S7 - 300/400的模拟量输入模块使用屏蔽电缆信号线时，允许的大距离为200 m。

    变送器分为二线制和四线制两种，四线制变送器有两根信号线和两根电源线。二线制变送器只有两根外部接线（见图10-2），它们既是电源线，也是信号线，输出4~ 20 mA的信号电流，DC24V电源串接在回路中，有的二线制变送器通过隔离式安全栅供电。通过调试，在被检测信号量程的下*输出电流为4 mA，被检测信号满量程时输出电流为20 mA。二线制变送器的接线少，信号可以远传，在工业中得到了广泛的应用。

 典型的PLC模拟量闭环控制系统如图10-1所示，点画线中的部分是用PLC实现的。

    在模拟量闭环控制系统中，被控量c(t)（例如压力、温度、流量、转速等）是连续变化的模拟量，大多数执行机构（例如电动调节阀等）要求PLC输出模拟量信号mv(t)，而PLC的CPU只能处理二进制数字值。c(t)首先被测量元件（传感器）和变送器转换为标准量程的直流电流信号或直流电压信号pv(t)，PLC用模拟量输入模块中的A/D转换器将它们转换为时间上离散的数字值pv(n)。

    图10-1    PLC模拟量闭环控制系统框图

    模拟量与数字值之间的相互转换和PID程序的执行都是周期性的操作，其间隔时间称为采样周期Ts。各数字值括号中的n表示该变量是第n次采样计算时的数字值。

    图10-1中的sp(n)是给定值，pv(n)为A/D转换后的过程值（即反馈值），误差ev(n)=sp(n)-pv(n)。模拟量输出模块的D/A转换器将PID控制器输出的数字值mv(n)转换为模拟量（直流电压或直流电流）mv(t)，再去控制执行机构。

    例如在加热炉温度闭环控制系统中，被控对象为加热炉，被控制的物理量为温度c(t)。用热电偶检测炉温，温度变送器将热电偶输出的微弱的电压信号转换为标准量程的电流或电压，然后送给模拟量输入模块，经A/D转换后得到与温度成比例的数字值，CPU将它与温度设定值比较，并按某种控制规律（例如PID控制算法）对误差值进行运算，将运算结果（数字值）送给模拟量输出模块，经D/A转换后变为电流信号或电压信号，用来控制电动调节阀的开度，通过它控制加热用的天然气的流量，实现对温度的闭环控制。

    闭环负反馈控制可以使控制系统的反馈值pv(n)等于或跟随给定值sp(n)。以炉温控制系统为例，假设被控量温度值c(t)低于给定的温度值，反馈值pv(n)小于给定值sp(n)，误差ev(n)为正，控制器的输出量mv(t)将增大，使执行机构（电动调节阀）的开度增大，进入加热炉的天然气流量增加，加热炉的温度升高，终使实际温度接近或等于给定值。

    天然气压力的波动、工件进入加热炉，这些因素称为扰动量，它们会破坏炉温的稳定，有的扰动量很难检测和补偿。闭环控制具有自动减小和消除误差的功能，可以有效地抑制闭环中各种扰动对被控量的影响，使控制系统的反馈值pv(n)）等于或跟随给定值sp(n)。

    闭环控制系统的结构简单，容易实现自动控制，因此在各个领域得到了广泛的应用。

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