基于PLC的闭环控制系统PID控制器的实现

式中，常数 Ｋ１ 和 Ｋ２ 根据输入值的极性 ＢＩＰＯ－ ＬＡＲ 设置。单极性时，Ｋ１＝０．０，Ｋ２＝＋２７６４８．０；双 极性时，Ｋ１＝－２７６４８．０，Ｋ２＝＋２７６４８．０。 ２．４．２ 输出操作值量程转换
输出操作值量程转换由 Ｓ７３００ 所提供的功能程 序块 ＦＣ１０６ “ＵＮＳＣＡＬＥ”实现，如图 ５ 所示。
经 ＰＬＣ 的 ＡＯ 模块进行 Ｄ／Ａ 转换，转换后的信号 （１Ｖ～５Ｖ 电压信号或 ４ｍＡ～２０ｍＡ 电流信号）用于
驱动执行结构，实现对被控对象的控制。
图 １ ＰＬＣ 闭环控制系统构成
２．２ ＰＩＤ 控制功能块的算法原理
Ｓ７－３００ＰＬＣ 的编程组态软件 ＳＴＥＰ７ 提供了一个 ＰＩＤ 控制软件包，软件包包括 ３４２“ＣＯＮＴ＿Ｓ”实现 步进控制、ＦＢ４３“ＰＵＬＳＥＧＥＮ”用于脉宽调制生成 脉冲。下面将讨论 ＦＢ４１ 程序块所提供的算法功能。
ＵＮＳＣＡＬＥ 功能接收一个以工程单位表示、且 标定于下限和上限（ＬＯ＿ＬＩＭ 和 ＨＩ＿ＬＩＭ）之间的实型 输入值（ Ｉ Ｎ ） ，并将其转换为一个整型值数字量。 ＵＮＳＣＡＬＥ 功能使用式（４）计算出数字量并写入 ＯＵＴ。
ＯＵＴ ＝ ［（（ＩＮ－ＬＯ＿ＬＩＭ）／（ＨＩ＿ＬＩＭ－ＬＯ＿ＬＩＭ）） ×（Ｋ２－Ｋ１）］＋Ｋ１ （４）
（２） 式（２）为离散化的ＰＩＤ位置式控制算法表达式， 功能块 ＦＢ４１ 就是实现了该式所表示的 ＰＩＤ 算法。
２．３ ＰＩＤ 控制功能块 ＦＢ４１ 及主要参数
（北京联合大学 自动化学院，北京 １００１０１）
摘 要：介绍了 ＰＬＣ 实现 ＰＩＤ 控制的几种方法。以 Ｓ７－３００ＰＬＣ 为例，说明 ＰＩＤ 控制器的组成原理、ＰＩＤ
控制功能块的算法原理、ＰＩＤ 控制功能块的结构和主要参数及控制功能的实现方法。给出了水箱
水位 ＰＩＤ 控制的应用实例。应用 ＰＩＤ 程序块来进行 ＰＬＣ 的 ＰＩＤ 控制，方法简单实用。不足之处
设采样周期为 Ｔ，将式（１）离散化，第 ｋ 次采 样时控制器的输出为：
图 ２ ＰＩＤ 控制功能块 ＦＢ４１ 的结构框图
功能块 ＦＢ４１ 调用时的梯形图，如图 ３ 所示，块 的左侧为输入参数，右侧为输出参数。表 １ 给出了 ＦＢ４１ 的主要参数说明。
表 １ ＦＢ４１ 主要参数说明
２．４ 输入输出变量的量程转换
基于 PLC 的闭环控制系统 PID 控制器的实现
The realization of PID controller in closed-loop control system based on PLC
任俊杰，李永霞，李 媛，李红星
ＲＥＮ Ｊｕｎ－ｊｉｅ ， ＬＩ Ｙｏｎｇ－ｘｉａ， ＬＩ Ｙｕａｎ， ＬＩ Ｈｏｎｇ－ｘｉｎｇ
本例中，水位设定值为 ２００ｍｍ，选取控制器参 数初始值为：ＧＡＩＮ＝１０，ＴＩ＝１０ｓ，ＴＤ＝５ｓ。
控制程序包括主程序（Ｏ Ｂ １ ）、初始化程序 （ＯＢ１００）、循环中断程序（ＯＢ３５），如图 ６ 所示。
图 ６ 水箱水位的 ＰＩＤ 控制程序
图 ５ 输出量程转换功能程序块 ＦＣ１０６ “ＵＮＳＣＡＬＥ”
主程序 ＯＢ１ 实现输入、输出量程转换。调用 ＦＣ１０５“ＳＣＡＬＥ”，将输入 Ａ／Ｄ 转换后的数字量（放 于 ＰＩＷ７５２ 中）转换为 ０ｍｍ～５００ｍｍ 之间的一个水 位值，结果放在ＭＤ３０中；调用ＦＣ１０６“ＵＮＳＣＡＬＥ”， 将 ＰＩＤ 输出的操作值（放于 ＭＤ１００ 中）转换为 ０～２７６４８ 之间的一个数字量，结果输出给模拟量输 出存储器 ＰＱＷ７５２。
式中，常数 Ｋ１ 和 Ｋ２ 的设置同 ＦＣ１０５。
３ ＰＩＤ 控制应用举例
某一水箱通过水泵给水箱上水，水位下限为 ０ｍｍ，上限为 ５００ｍｍ，水通过出水阀流出，通过调 节阀的开度控制进水量，以保持水位在 ２００ｍｍ。过 程变量（实际水位）通过压力变送器测量，变送成 ４ｍＡ～２０ｍＡ 直流信号，接至 Ｓ７－３００ 的 ＡＩ 模块，经 Ａ／Ｄ 转换输入到 Ｓ７－３００ 中，经输入量程转换为实际 的水位值，该值和设定值比较，进行 ＰＩＤ 控制运算 得到操作量（调节阀开度），再经过输出量程转换和 Ｄ／Ａ 转换得到 ４ｍＡ～２０ｍＡ 直流信号，以该信号去 控制调节阀开度，最终实现水位的闭环控制。过程 变量和控制输出均为单极性模拟量。
功能块 ＦＢ４１ 提供了一种位置式 ＰＩＤ 算法，ＰＩＤ 控制器的输出 ｕ（ｔ）与输入 ｅ（ｔ）的关系式为：
（ １）
式中：Ｋｐ —比例系数；ＴＩ —积分时间常数；ＴＤ —微分时间常数
式（１）的右边前 ３ 项分别是比例作用、积分作 用和微分作用分量，它们分别与偏差、偏差的积分 和微分成正比。根据所采用的作用不同，也可以组 成 Ｐ、ＰＩ 或 ＰＤ 控制器。
ＰＬＣ 作为一种新型的工业控制装置，在工业控 制、生产生活的诸多领域得到了越来越广泛的应用。 利用 ＰＬＣ 实现对模拟量 ＰＩＤ 的闭环控制，具有用户 使用方便、可靠性高、抗干扰能力强等优点。
１ ＰＬＣ 实现 ＰＩＤ 控制的方法
用 ＰＬＣ 实现 ＰＩＤ 控制可以有几种方法： １）利用 ＰＩＤ 指令实现 许多 ＰＬＣ 提供了 ＰＩＤ 指令，如 Ｓ７－２００ ＰＬＣ 的 ＰＩＤ 指令，该指令需要指定一个以 Ｖ 变量存储区地 址开始的 ＰＩＤ 回路表，以及 ＰＩＤ 回路号。ＰＩＤ 回路 表提供了给定值、过程变量以及 ＰＩＤ 参数等数据入 口，ＰＩＤ 运算的结果也通过回路表输出。 ２）利用 ＰＩＤ 控制功能块实现 ＰＩＤ 控制功能块相当于生产厂家事先编好的带 有形式参数的子程序，包含有给定值、过程值、ＰＩＤ 参数、输出操作值等参数，用户在使用时可以调用 这些程序块，并赋给实参，来实现 ＰＩＤ 算法。比如
图 ４ 输入量程转换功能程序块 ＦＣ１０５“ＳＣＡＬＥ”
ＳＣＡＬＥ 功能接受一个整型值（ＩＮ），并将其转换 为以工程单位表示的介于下限和上限（ＬＯ＿ＬＩＭ 和 ＨＩ＿ＬＩＭ）之间的实型值。ＳＣＡＬＥ 功能使用式（３）计 算出过程实际值并写入 ＯＵＴ。
ＯＵＴ＝［（（ＦＬＯＡＴ（ＩＮ）－Ｋ１）／（Ｋ２－Ｋ１））×（ＨＩ＿ＬＩＭ－ ＬＯ＿ＬＩＭ）］＋ＬＯ＿ＬＩＭ （３）
２ ＰＬＣ 中 ＰＩＤ 控制器的实现
下面将以 Ｓ７－３００ＰＬＣ 为例，说明 ＰＩＤ 控制器的 组成原理、ＰＩＤ 控制功能块的算法原理及控制功能 的实现。
２．１ ＰＩＤ 控制器的组成原理
以 ＰＬＣ 作为控制器构成的闭环控制系统，如图 １ 所示。图中的虚线部分由 ＰＬＣ 来实现。检测元件 将被控量实际值 ｐｖ 测量转换为 １Ｖ～５Ｖ 电压信号 或 ４ｍＡ～２０ｍＡ 电流信号，该模拟信号接至 ＰＬＣ 的 ＡＩ 模块，进行 Ａ／Ｄ 转换，根据用户编写的 ＰＩＤ 控 制程序，将测量值与给定值ｓｐ 比较，通过二者的偏 差 ｅ（ｔ）进行ＰＩＤ 算法的运算得到输出操作信号ｕ（ｔ），
４ 结论
ＰＬＣ 实现 ＰＩＤ 控制的方式有多种，应用 ＰＩＤ 标 准程序块来进行 ＰＬＣ 的 ＰＩＤ 控制，方法简单实用。 不足之处为 ＦＢ４１ 所采用的是标准位置式 ＰＩＤ 算法， 算法是固定的。如果希望采用其他改进型ＰＩＤ算法，
还需要用户自己编程实现。
参考文献：
［１］ 祁鸿芳，王淑红．ＰＩＤ 算法在西门子 ＰＬＣ 模拟量闭环控制 中的实现［Ｊ］．机床电器，２００５（１）．
［２］ 吴海燕．ＰＬＣ 闭环控制系统中 ＰＩＤ 控制器的实现［Ｊ］．ＰＬＣ＆ ＦＡ，２００６（８）．
［３］ 万鸾飞，李康．浅谈 ＰＬＣ 中 ＰＩＤ 功能的实现方法［Ｊ］．芜湖职 业技术学院学报，２００６（３）．
［４］ 廖常初．大中型 ＰＬＣ 应用教程［Ｍ］．北京：机械工业出版社， ２００７，１．
为所采用的 ＰＩＤ 算法是固定的。如果希望采用其他改进型 ＰＩＤ 算法，还需要用户自己编程实现。
关键词：ＰＬＣ ；闭环控制；ＰＩＤ
中图分类号：ＴＭ５７１
文献标识码：Ｂ
文章编号：１００９－０１３４（２００９）０４－００２０－０３
０ 引言
在工业生产过程控制中，常需要用闭环控制方 式来实现温度、液位、压力、流量等模拟量控制。因 为 ＰＩＤ（比例、积分、微分）调节不需要精确的控 制系统数学模型而且易于实现，所以模拟量的 ＰＩＤ 调节是常见的一种闭环控制方式，工程上易于实现。 积分作用可以消除系统的静差，微分作用有助于减 小超调，克服震荡。比例、积分、微分三者有效地 结合可以满足不同的控制要求。
Ｓ７－３００ 和 Ｓ７－４００ ＰＬＣ 就提供了标准程序功能块 ＦＢ４１“ＣＯＮＴ＿Ｃ”可以实现连续 ＰＩＤ 控制。
３）利用程序设计实现 ＰＩＤ 功能 上述两种 ＰＩＤ 控制算法一般是固定的，常采用 标准位置式ＰＩＤ。如果希望采用其他改进的ＰＩＤ控制 算法，就需要用户自己编写程序实现。利用 ＰＬＣ 的 常用指令，自编程序实现 ＰＩＤ 功能也是容易做到的。 ４）利用 ＰＩＤ 硬件模块实现 随着 ＰＬＣ 用于模拟量控制的增加，多数 ＰＬＣ 厂 家都开发有专用于模拟量控制的模块，如 ＯＭＲＯＮ ２００ 系列 ＰＬＣ 用的 Ｃ２００Ｈ－ＰＩＤ 模块、温度控制模块 等。这些模块带有自己的 ＣＰＵ 和内存，ＰＩＤ 控制程 序存放于模块的内存中。用户使用时非常方便，一 个模块可以控制几路甚至几十路闭环控制。
ＰＩＤ控制有两个输入量：给 定值（ｓｐ）和过程值 （ｐｖ）。在调 用 Ｐ Ｉ Ｄ 功能块时，给定值 （ＳＰ＿ＩＮＴ）通过所指定的地址由 内部给出。过程值（ＰＶ＿ＩＮＴ）是 被控量的实际值，要得到过程 实际值，首先应从外围设备（ＡＩ 模块）读取Ａ／Ｄ转换后的数字量 （范围为 ０～２７６４８ 或 －２７６４８～ ２７６４８），然后将其进行处理转 换为过程值（实数）。
收稿日期：２００８－１１－１７ 基金项目：北京教委科技发展计划项目（ｋｍ２００６１１４１７００７）； 国家自然科学基金项目（６０７７３１５７ ） 作者简介：任俊杰（１９７２ －），女，河北省石家庄市人，讲师，工学硕士，主要从事自动控制、控制工程的教学与研究。