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自动控制分类

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PID 控制基础概念

经典模拟PID控制系统原理框图

根据给定值Yd(t)与实际输出值Y(t)构成控制偏差：

err = Yd - Y 

室温PID控制加热系统简单示例

传感器测量室温并将温度值传送给控制器。控制器将当前室温与设定值进行比较，修正被控量（室温）与输入量（传感器测量值）之间的偏差，计算加热控制的输出值（调节变量）。

如果 PID 控制器的设置正确，则会尽快达到此温度设定值，然后使其保持为常数值。输出值更改后，过程值通常仅随时间延迟而变化。控制器必须针对此响应进行补偿。

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比例、积分、微分的作用

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博途 PID 指令选择

博途 PID 功能要点：

• 3个PID指令：PID Compact、PID 3Step、PID Temp
• PID的调节回路数仅受程序大小及执行时间影响，没有具体数量限制；
• 都支持抗积分饱和功能；
• 支持不同错误的响应；
• TIA 提供调试面板；

如何选择 PID 指令：

• PID_3Step、PID_Temp支持死区；
• PID_Temp支持控制带；
• PID_Temp支持串级控制;

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死区概念

• PID 控制器的设定值减去过程变量（反馈值），便得到负反馈的误差。死区环节用来处理误差值，误差的绝对值小于设置的死区宽度时，死区的输出值为0。误差的绝对值大于设置的死区宽度时，死区的输入、输出为线性关系，按正常的 PID 规律控制。
  
• 死区的输出为0时，PID 控制器的比例部分和微分部分均为0，积分部分保持不变。虽然误差值在死区宽度设置的范围内变化，控制器的输出却保持不变。此时系统处于开环状态，虽然控制精度略为降低，却能显著地减轻机械部分的磨损，如机械阀门开度调整。
  
• 死区还可以抑制由于控制器输出量的量化造成的连续的较小的振荡，例如进行脉冲宽度调制时可能出现的振荡。
  
  
• 如果设置死区宽度为0，死区功能关闭
  

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控制带概念

控制带功能可以提高系统响应。

当反馈值进入到控制带时，PID输出正常调节，而当反馈值达到控制带上限时，PID立即输出为0，当反馈值在控制带下限时，PID立即达到最大输出。

控制带用于温度控制：

在温度控制具有明显的大滞后特性，当过程值偏离设定值较大时调节过程过于缓慢，而接近设定值时又容易出现较大超调。

存在上述两种问题，温度控制必须满足在偏差超过一定的范围时，输出最大或者最小的调节量，让温度值快速回到一个小的范围中，以缩短调节时间：在设定值附近时，越靠近设定值，调节量应越小，以防止超调。为此，控制带功能在当过程值大于设定值,且偏差绝对值超过控制带,则以输出下限作为输出值。当过程值小于设定值，且偏差绝对值超过控制带,则以输出上限作为输出值。如果偏差的绝对值小于控制带，则以实际PID的计算结果作为输出。

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串级控制

• 多个PID控制回路相互嵌套，形成了级联控制；
• 主控制器的输出值作为从控制器的设定值，最外层从控制器的输出值应用于执行机构；
• 可以迅速纠正控制系统中发生的扰动。显著降低扰动对受控变量的影响；
• 从控制器回路以线性形式发挥作用。因此，这些非线性扰动对受控变量的负面影响可得到缓解。
• 当被控对象的滞后较大，干扰较剧烈、频繁，采用简单控制不能满足要求时，可考虑采用串级控制系统。

主控制器： 

根据主参数与给定值的偏差而动作，其输出作为副调节器的给定值的调节器。

副控制器：

其给定值由主调节器的输出决定，并根据副参数与给定值(即主调节器输出)的偏差动作。

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PID Compact 指令

组态定义 Input/Output 参数

1. 可以选择反馈量是哪种信号，
2. 一种为Input，自己处理程序将模拟量信号转化成0-100%或0-某一工程量的范围，并赋给该引脚；
3. 一种为Input_PER(模拟量)，直接将模拟量的信号值连接在该引脚，并在“过程值标定”中标定工程量；

• 可以组态模拟量输出
• 可以组态PWM输出
• 可以进行自整定调节
• 可以手动进行参数设置
• 有基本视图与扩展视图

过程值设置-过程值限值

必须满足过程值下限<过程值上限。如果过程值超出限值，会出现错误 (ErrorBits = 0001h)。

过程值设置-过程值标定

1. 当且仅当在 Input/Output 中输入选择为 “Input_PER” 时，才可组态过程值标定。
2. 如果过程值与模拟量输入值成正比，则将使用上下限值对来标定 Input_PER。
3. 必须满足范围的下限<上限。

高级设置--过程值监视

1. 过程值的监视限值范围需要在过程值限值范围之内。
2. 过程值超过监视限值，会输出警告。过程值超过过程值限值，PID输出报错，切换工作模式。

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PID_3Step 三步控制

PID_3Step 可以输出两个开关量实现三步控制，常应用在控制电动阀的正反转来控制流量、压力等场合

• 可以组态模拟量输出
• 可以组态带阀位反馈三步控制
• 可以测量电机转换时间
• 支持死区控制

组态阀位反馈

执行器-电机转换时间

电机转换时间：

执行机构从下限位到上限位所需的时间，3Step支持电机转换时间自动测量，使用位置反馈或停止位信号的执行机构，才可以测量电机转换时间从最关位到最开位的运行时间，如果没有关位或开位，也没有相对应的阀门位置反馈功能，可人为估算电机转换时间并填入该值。测量期间，不考虑输出值的限值，执行器可行进至上限位或下限位。

最短接通/关断时间：

用于阀位动作保护，避免阀门频繁震荡。

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博途 PID 相关资源

S7-1200、S7-1500 PID 控制功能手册

​​https://support.industry.siemens.com/cs/document/108210036/simatic-s7-1200-s7-1500-pid-%E6%8E%A7%E5%88%B6?dti=0&lc=zh-CN​​

作 者 简 介

杨浩武

充电桩拧螺丝专家​