對西門子PLC的PID參數整定問題分析

范庭超

（浙江盛元化纖有限公司，浙江 杭州 311247）

結合我國目前實際情況可知，PID控制器已經在工業控制領域得到了較為廣泛的應用。與其他控制器相比，PID控制器具有明顯的計算量少、結構經典、便于參數調整等優勢。作為PID控制的關鍵，其參數整定問題直接影響PID控制的控制質量。因此，分析西門子PLC的PLD參數整定問題具有一定的現實意義。

1 西門子PID基本控制原理

西門子PID控制器的控制原理為：參照系統誤差，借助PID參數完成控制量的計算，最終實現控制功能。具體而言，輸入通過微分（D）、比例（P）以及積分（I）獲得輸出結果，并將輸出結果傳遞至執行機構，由執行機構負責對某一規定對象執行控制任務。從西門子PID的構成來看，其中，微分部分的作用主要是提供盤查信號的變化速率，監測偏差信號的變化狀況，識別偏差信號超出正常范圍的征兆，準確于偏差信號由正常值轉為太大之前，引入一個有效的早期修正信號，縮短系統調節時間。而比例部分的作用則是即時完成控制系統偏差信號的反應（呈比例）。當偏差產生后，調節器將會立即進行動作，抑制偏差控制功能的發揮。此外，在西門子PID控制器中，積分部分的作用以提升系統無差度以及消除靜差為主。積分的作用有效性與積分時間常數呈負相關關系，即隨著積分時間常數的不斷減小，積分的消除靜差作用將發揮得越來越明顯。

2 西門子PLC的PID參數整定

這里主要從以下幾方面入手，對西門子PLC的PID參數整定進行分析和研究。

2.1 模擬量閉環控制器控制系統方面

在實際運用過程中，PID模擬量閉環控制器控制系統可產生良好的自動控制功能，其自動控制原理為：當控制系統的設定值高于反饋值參數時，系統開始產生誤差，誤差被輸入至PID調節器中，由調節器完成微分、比例以及積分的運算，最終得出控制信號計算結果，并將該結果輸出出來，傳輸至執行機構中。執行機構負責運用控制信號對被控對象進行控制，此時，該對象的過程量將由異常值（誤差）逐漸恢復至正常值（設定值）。從西門子PID控制器的輸入、輸出關系來看，二者之間的關系主要與PID增益、微分時間常數以及積分時間常數有關。

2.2 數字量閉環控制系統方面

數字量閉環控制系統主要由變送器、測量元件以及PID調節器等要素構成。在系統的實際運行過程中，轉速、壓力等被控量具有連續變化特征，同時，這些參數也是系統的模擬量。面對變頻器、可控硅調速裝置等多數執行機構提出的輸出模擬信號要求，西門子PLC無法滿足。西門子PLC的CPU僅能完成數字量的處理任務。

具體處理流程為：變送器、測量原件將溫度、壓力等被控量合理轉化成標準量程的直流電壓信號或者直流電流信號，此時，西門子PLC借助A/D轉化器將上述信號轉化成數字量形式。在這一過程中，閉環負反饋控制的功能為，按照給定值參數對控制系統的反饋量（數字量）進行調整，使二者相等，或促使數字量與給定值之間處于跟隨狀態。

為了計算PID控制器的輸出關系，可將控制器的采樣周期設定為T1，同時，將模擬器閉環控制系統最初的運行時刻設定為t=0。在這種情況下，可借助矩形積分及差分完成精確微分的近似處理。根據西門子PID控制器的輸入、輸出關系，可將第q次采樣時，控制器的輸出Wq確定為：

在該公式中，rq表示系統在第q次采樣時產生的誤差值，rq-1則代表系統于第q-1（q次的上一次）采樣時產生的誤差值；ED代表微分項系數；EI代表積分項系數；EC代表西門子PID回路的增益。

由于EI=ECXTS，且ED=ECXTD/TS，從上述控制器的輸出計算公式可知，積分時間與積分項、微分時間與微分項之間均呈負相關關系。

除了PID控制系統外，部分控制系統可能僅需要微分、積分、比例三種中的一種或者兩種控制類型。例如，某控制系統可能僅需要通過微分及積分完成控制信號的計算，并借助設置參數的方式，實現選擇不同回路控制類型的目的。

事實上，若控制系統無需比例部分功能，可直接將控制系統的回路增益參數EC設置為0.0，此時，比例部分功能將被完全去除。但由于回路增益參數還參與積分項系數及微分項系數的計算，因此，在這兩個環節中，應將回路增益參數的數值有0.0調整至1.0，進而保證積分項系數、微分項系數計算的準確性；如果控制系統本身無需積分的參與，可直接按照無窮大這一指標對積分時間進行設置。

2.3 自整定方法方面

根據上述分析可知，西門子PLC的PID參數整定過程主要受到積分時間常數、微分時間常數、回路增益以及采樣周期這四種要素的影響。因此，在對西門子PLC的PID參數進行整定之前，應精確確定PID參數與靜態性能以及系統之間的關聯性及相關關系。

從積分的功能來看，雖然積分具有優化控制精度及清除穩態誤差兩種功能，但由于積分作用的動作相對較慢，因此，在積分發揮上述功能的過程中，系統穩態可能受到不良影響。因此，通常會選擇將積分作用與其他作用聯用，共同清除系統中存在的誤差。

從積分作用與積分時間常數之間的關系來看，二者呈負相關關系。隨著積分時間常數的不斷縮小，積分作用將變得越來越強，此時系統中的誤差將被快速消除，但系統整體穩定性可能會遭到明顯破壞或影響。

而比例系數則與回路增益之間呈正相關關系，即隨著比例系數的增加，系統回路增益也發生增加，此時系統的誤差參數相對較小。

3 西門子PLC的PID參數整定問題

這里以S7-200型號西門子PLC為例，對PID參數整定問題進行分析和研究。

3.1 自整定算法

該型號西門子PLC的PID參數整定所選用自整定方法為繼電型PID自整定控制方法。與傳統的ZN自整定方法相比，這種整定方法在保留整定流程簡單性特征的同時，通過繼電特性的非線性環節替代原整定方法中的純比例控制器，促使系統產生極限環，實現獲取所需臨界值參數的目的。

3.2 PID參數整定流程

為了更好地分析西門子PLC的PID參數整定問題，這里在選用S7-200型號PLC的同時，將溫度調節模塊作為基礎，完成PID參數整定過程的細化分析。

該型號PLC的PID溫度調節模塊的調節功能為：由溫度變送器將0～42℃的溫度轉換至DC0-10伏特的電壓參數，系統CPU借助模擬量輸入通道將上述電壓參數轉化為范圍為0～32000的數字量參數，最后由加熱棒出漱口除數脈沖序列參數（DC24V）。

具體而言，PID參數整定流程為：選擇菜單欄的工具/PID選項，選擇其中的PID回路設置，分別將積分時間常數及比例系數分別設置為INF及1，將微分時間常數及采樣周期分別設置為0和1。將PID回路的反饋值量程范圍設定為單極性輸入，缺省值范圍則設定為0～32000，規定PID溫度調節模塊的輸出類型為數字量輸出。完成PID運算存儲區的指定。獲取符號表、PID子程序以及中斷程序。

基于上述條件，回路增益的整定方法為：忽視微分與積分環節，通過重復變動回路增益參數的方式，識別系統輸出不再產生振蕩的臨界值，并將此時的回路增益值作為手動整定值。此外，積分時間常數的整定方法為：加入積分部分，保持回路增益參數不變，忽視微分部分，向系統中引入較強的積分作用，促使系統轉入振蕩狀態，在此基礎上不斷提升積分時間參數，停止標準為：系統能夠消除靜差，且輸出不再產生振蕩。最終獲得積分時間常數的標準臨界值參數。在西門子PLC的PID參數整定過程中，其他參數的整定過程也與上述流程基本相似。

4 結語

通過上述分析可知，西門子PLC的PID參數整定影響因素數量較多。在實際PID參數整定過程中，應結合待整定參數類型，分別選用適宜的方法完成整定任務，同時有效控制系統的振蕩，保證PID參數整定的有效性。此外，還應加強對引入干擾因素作用的重視，借助干擾的轉換系統狀態功能，幫助系統完成誤差的控制與調節。

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