「PLC」PID控制、指令及应用
PID英文全称为Proportion Integration Differentiation，意为比例积分微分PID控制，是一种闭环控制。下面以图1所示的恒压供水系统来说明PID控制原理。
电动机驱动水泵将水抽入水池，水池中的水除了经出水口提供用水外，还经阀门送到压力传感器，传感器将水压大小转换成相应的电信号Xf，Xf反馈到比较器与给定信号Xi进行比较，得到偏差信号ΔX（ΔX＝Xi-Xf）。
若ΔX>0，表明水压小于给定值，偏差信号经PID运算得到控制信号，控制变频器，使之输出频率上升，电动机转速加快，水泵抽水量增多，水压增大。
若ΔX<0，表明水压大于给定值，偏差信号经PID运算得到控制信号，控制变频器，使之输出频率下降，电动机转速变慢，水泵抽水量减少，水压下降。
若ΔX＝0，表明水压等于给定值，偏差信号经PID运算得到控制信号，控制变频器，使之输出频率不变，电动机转速不变，水泵抽水量不变，水压不变。
由于控制回路的滞后性，会使水压值总与给定值有偏差。例如当用水量增多水压下降时，ΔX>0，控制电动机转速变快，提高水泵抽水量，从压力传感器检测到水压下降到控制电动机转速加快，提高抽水量，恢复水压需要一定时间。通过提高电动机转速恢复水压后，系统又要将电动机转速调回正常值，这也要一定时间，在这段回调时间内水泵抽水量会偏多，导致水压又增大，又需进行反调。这样的结果是水池水压会在给定值上下波动（振荡），即水压不稳定。
采用了PID运算可以有效减小控制环路滞后和过调问题（无法彻底消除）。PID运算包括P运算、I运算和D运算。P（比例）运算是将偏差信号ΔX按比例放大，提高控制的灵敏度；I（积分）运算是对偏差信号进行积分运算，消除P运算比例引起的误差和提高控制精度，但积分运算使控制具有滞后性；D（微分）运算是对偏差信号进行微分运算，使控制具有超前性和预测性。
PID指令说明
PID控制回路参数表
PID运算由P（比例）、I（积分）和D（微分）三项运算组成，PID运算公式如下：
Mn=[Kc×(SPn-PVn)]+[Kc×(Ts/TI)×(SPn-PVn)+Mx]+[Kc×(TD/Ts)×(SPn-PVn)]
在上式中，Mn为PID运算输出值，[Kc×(SPn-PVn)]为比例运算项，[Kc×(Ts/TI)×(SPn-PVn)+Mx]为积分运算项，[Kc×(TD/Ts)×(SPn-PVn)]为微分运算项。
要进行PID运算，需先在PID控制回路参数表中设置运算公式中的变量值。PID控制回路参数表见表1。在表中，过程变量（PVn）相当于图1中的反馈信号，设定值（SPn）相当于图1中的给定信号，输出值（Mn）为PID运算结果值，相当于图1中的控制信号，如果将过程变量（PVn）值存放在VD200双字单元，那么设定值（SPn）、输出值（Mn）则要分别存放在VD204、VD208单元。
PID运算项的选择
PID运算由P（比例）、I（积分）和D（微分）三项运算组成，可以根据需要选择其中的一项或两项运算。
1）如果不需要积分运算，应在参数表中将积分时间(TI)设为无限大，这样(Ts/TI)值接近0，虽然没有积分运算，但由于有上一次的积分值Mx，积分项的值也不为0。
2）如果不需要微分运算，应将微分时间(TD)设为0.0。
3）如果不需要比例运算，但需要积分或微分回路，可以把增益(Kc)设为0.0，系统会在计算积分项和微分项时，把增益(Kc)当作1.0看待。
PID输入量的转换与标准化
PID控制电路有两个输入量：设定值和过程变量。设定值通常是人为设定的参照值，如设置的水压值；过程变量值来自受控对象，如压力传感器检测到的水压值。由于现实中的设定值和过程变量值的大小、范围和工程单位可能不一样，在执行PID指令进行PID运算前，必须先把输入量转换成标准的浮点型数值。
PID输入量的转换与标准化过程如下：
1）将输入量从16位整数值转换成32位实数（浮点数）。该转换程序如图2所示。
2）将实数转换成0.0～1.0之间的标准化数值。转换表达式为：输入量的标准化值＝输入量的实数值/跨度+偏移量。跨度值通常取32000（针对0～32000单极性数值）或64000（针对-32000～+32000双极性数值）；偏移量取0.0（单极性数值）或0.5（双极性数值）。该转换程序如图3所示。
PID输出量的转换
在PID运算前，需要将实际输入量转换成0.0～1.0之间的标准值，然后进行PID运算，PID运算后得到的输出量也是0.0～1.0之间的标准值，这样的数值无法直接驱动PID的控制对象，因此需要将PID运算输出的0.0～1.0标准值按比例转换成16位整数，再送到模拟量输出单元，通过模拟量输出端子输出。
PID输出量的转换表达式为
PID输出量整数值＝（PID运算输出量标准值-偏移量）×跨度
PID输出量的转换程序如图4所示。
下面以图1所示的恒压供水控制为例来说明PID指令的应用。
（1）确定PID控制回路参数表的内容
在编写PID控制程序前，首先要确定PID控制回路参数表的内容，参数表中的给定值SPn、增益值Kc、采样时间Ts、积分时间TI、微分时间TD需要在PID指令执行前输入，来自压力传感器的过程变量值需要在PID指令执行前转换成标准化数值并存入过程变量单元。参数表中的变量值要根据具体情况来确定，还要在实际控制时反复调试以达到最佳控制效果。本例中的PID控制回路参数表的值见表2，因为希望水箱水压维持在满水压的70%，故将给定值SPn设为0.7，不需要微分运算，将微分时间设为0。
（2）PID控制程序
恒压供水PID控制程序如图5所示。
在程序中，网络1用于设置PID控制回路的参数表，包括设置给定值SPn、增益值Kc、采样时间Ts、积分时间TI和微分时间TD；网络2用于将模拟量输入AIW0单元中的整数值转换成0.0～1.0之间的标准化数值，再作为过程变量值PVn存入参数表的VD100单元，AIW0单元中的整数值由压力传感器产生的模拟信号经PLC的A-D(模-数)转换模块转换而来；网络3用于启动系统从参数表取变量值进行PID运算，运算输出值Mn存入参数表的VD108单元；网络4用于将VD108中的标准化输出值(0.0～1.0)按比例转换成相应的整数值（0～32000），再存入模拟量输出AQW0单元， AQW0单元的整数经D-A(数-模)转换模块转换成模拟信号，去控制变频器工作频率，进而控制水泵电机的转速来调节水压。
来源：《学PLC技术超简单》
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