Unity Pro編程中PID調節(jié)及無擾切換淺析

潘寧 吳瓊

摘? 要：本文介紹了自動控制中PID的含義，它在工業(yè)調節(jié)應用中廣泛的使用。它的結構簡單、穩(wěn)定程度好、工作性能可靠，在線較容易調整，并且介紹了PID手自動無擾切換的重要性及實現的基本原理。舉例說明了施耐德品牌產品Unity Pro編程中PID及其自動和手動模式相互跟蹤的實現機制，并通過風機應用實例實現了較好的調節(jié)性能及無擾切換。

關鍵詞：PID? 無擾動切換? 模式? Unity Pro

中圖分類號：TL421? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）09（a）-0001-03

Abstract： This paper introduces the meaning of PID in automatic control， which is widely used in industrial regulation. It has the advantages of simple structure， good stability， reliable performance， easy adjustment online， and introduces the importance and basic principle of automatic undisturbed switch of PID hand. An example is given to illustrate the realization mechanism of PID and its automatic and manual mode mutual tracking in the programming of Schneider brand Unity Pro. A fan application example is used to realize better adjustment performance and trouserless switching.

Key Words： PID; Undisturbed switching; Pattern; Unity Pro

1? PID簡介

隨著社會經濟發(fā)展和科技進步，工業(yè)產品以可編程控制器作為自動化控制的核心，進一步推進了對產品品質和工藝過程的要求。PID控制，又稱 PID調節(jié)，在自動控制領域中，PID 算法一般由通過測量得到的反饋信號控制其被控量，由比例、積分、 微分三個部分組成。有時又根據需要，簡化為PD、PI等模型。一個閉環(huán)控制回路至少有兩個信號：過程測量值PV和PID的控制輸出。現場信號根據測量原理和傳輸方式各不相同，都需要根據實際情況做一些預處理，如單位變換、濾波等，極端情況下，可能因為現場干擾，數據經常出現一些虛假的極大值或極小值，這些都可以通過信號處理功能塊去除。輸出值也會根據執(zhí)行機構的特性做限位、限速等處理等。

2? 手動自動功能描述

工業(yè)過程控制中有時需要手動和自動模式的相互切換，不論哪種方式都必須保證過程無擾動，輸出量不應在瞬間出現較大波動，應較好的保持在一定的品質內。正常運行時，系統(tǒng)處于自動;調試或出現故障時，系統(tǒng)切至手動。由于采用了積分調節(jié)規(guī)律，手動操作時控制器輸出不確定。如果相互切換，不作任何處置，就會對調節(jié)對象造成較大的擾動，可導致執(zhí)行機構大幅度的變化，破壞原有的平衡狀態(tài)，甚至無法維持正常的生產過程。在串級反饋系統(tǒng)內/外反饋回路的切除與投入之間，也會有此情況。

PID控制實現無擾切換，需要編寫賦值邏輯。要實現無擾切換，控制器應有跟蹤措施。手動時，SP去跟蹤PV，邏輯內運算增量為0，達到切至自動時無干擾的目的;自動時，手動值跟蹤PID輸出，這樣，切到手動時無干擾。

簡單來說，輸出值用A表示，手動控制對應寄存器直接給定，給定值用B表示。當從自動切到手動時，將A 賦值給B，反之亦然。在切換的時刻，可以保證 A=B 成立，從而實現輸出不發(fā)生劇烈波動。

3? Unity Pro 中的無擾切換

現在的PLC已經集成了各種PID功能塊，甚至一些屬于先進過程控制（APC）的功能也都能夠實現。施耐德的Quantum系列PLC命名為QPC（Quantum Process Controller），擁有很強的過程控制能力，支持前饋、模糊控制（Fuzzy control）等高級功能。

3.1 實際應用中PID表

如圖1所示。

該功能塊具有以下特點：帶有獨立 gain、ti、td 設置、手動、暫停和自動操作模式。兩個參數設定引腳，一個是MODE，一個是PARA，可以通過賦值使能或禁止P＼I＼D三個功能，通過PARA設定PID參數以適應的調節(jié)，可通過反轉 gain 符號反轉控制器的行為。

如圖2所示。

3.2 操作模式，通過Mode賦值修改

（1）自動模式Mode.man = 0：操作變量Y由PID算法、受控變量PV、引用變量SP確定，變量介于Ymax 與Ymin之間。

（2）手動模式Mode.man=1：手動操作值 YMAN 直接賦給操作變量 Y，保證無沖擊地由手動切到自動方式。在此操作模式中，D 組件自動設置為 0。

（3）暫停模式Halt=1：控制器的輸出不變;功能塊不影響變量Y，Y為前值。控制器可無干擾地從當前位置繼續(xù)運行。暫停模式對于通過外部操作設備來設置控制輸出Y也很有用，由此可以在控制器內正確地跟蹤內部組件。D組件設置也為0。

3.3 從自動切換到手動

由于輸出 Y 可取 Ymax 和 Ymin 之間的任何值且 Y 在轉換時直接轉到 YMAN，因此從自動到手動的轉換通常是有沖擊的。如果要求無沖擊地從自動轉換到手動，有兩種方法實現：

（1）通過 MOVE 進行切換。

使用 MOVE 功能將 YMAN 的值設置為 Y 的值如圖3所示。

僅當 PID 控制器處于自動模式（Mode.man = 0）中時才執(zhí)行 MOVE 功能。如果只發(fā)生一次從自動到手動的轉換，則由于在此循環(huán)中 YMAN 的值等于 Y 值，該轉換是無沖擊的。在手動模式中 YMAN 的值可以緩慢地變化。

（2）通過 VLIM 進行切換。

如果不希望更改 YMAN（例如當它為常數時），則使用限速器（功能塊VLIM）可以實現以前的解決方案如圖4所示。

自動模式中，限速器處于手動。通過限速器手動值YMAN可將 PID手動值YMAN設為Y 值。如只發(fā)生一次從自動到手動的轉換，則由于在此循環(huán)中PID 的YMAN 值等于Y 值，因此該轉換是無沖擊的。從調整值 Para.rate開始的YMAN 值與下一循環(huán)開始的實際 VLIM 手動值進行比較。

4? 實際運行效果

在實際案例中，調節(jié)量為輸送風機閥門開度，由4～20ma送至現場西門子PS2定位器。筆者根據PID的各經驗參數及功能塊特點，編制了進氣閥、旁路閥的控制邏輯來調節(jié)，最終整定中使用了PI功能，因為調節(jié)對象時間常數較小，而對象外擾的純延遲較大，微分作用效果不大。整定后能較好地完成預期目標，并且輸出無擾動，實現了手、自動雙向無擾切換。參數設置如圖5所示。

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