倍福PID软件库使用手册

BECKHOFF 公司TwinCAT PLC Control PID 软件库使用手册2003 年 11 月 03 日目录1. 简介 (3)1.1 概念 (3)1.2 基本原理 (3)2. 功能块说明 (4)2.1 概貌 (4)2.2 CtrlStandardPID (5)2.3 Ctrl3PointPID (9)2.4 PwmOutput (13)2.5 Ctrl2PointWithHysteresis (16)2.6 Ctrl3PointWithHysteresis (19)3. 示例程序 (22)3.1 PC 示例程序 (22)3.2 BCxxxx示例程序 (24)1. 简介该软件库包含 TwinCAT PLC中实现 PID 控制器功能的功能块，以及脉宽调制信号生成和2 点及 3 点特性曲线功能。

为了适应实际的 PID 调节任务，考虑了一些技术保护，如反复位浪涌和控制值限幅，这些都是实际过程中不可或缺的操作。

控制器的状态由标志指示。

在 3 点特性的 PID 控制器中，模拟量控制值在输出端又增加了正向和反向设定信号的数字输出。

1.1 概念控制器的核心由一个实际的 PID 控制器(PID-T1)组成。

任何控制器都遵循调节原理，并在正向或反向调节带中起调节作用。

因此，对于容器中充满水的水位控制器可作为入口调节器或出口调节器。

限制控制值是可能的，这正如实际的过程情况一样，当控制设备达到其正向或反向限幅值时，应关闭数字控制器的输出。

在控制设备达到其极限位置时触发幅值限制，ARW (反复位浪涌) 测量值被引入到控制器的积分分量。

该 ARW 测量值可以保证调节误差保持为常数，以防止控制器的积分分量继续积分。

否则，当误差信号极性再次发生改变时，控制值要花费很长的时间才能向反方向变化。

控制器的手动启动切换可通过使用一个特殊的初始化程序完成(同步标志)，它可保证控制变量的平稳过渡。

当关闭 PID 控制器块的积分分量和跟踪功能(示波器)时，它也是 TwinCAT PLC 软件的成员，在此应特别强调。

通过控制器和测量值之间的智能化相互作用，控制器可以进行调节，并在最短的时间内按照预定准则进行优化，并且不需借助辅助硬件进行数据采集和显示，因为，即使是内部的控制器幅值如P, I 和 D 分量也可以进行显示。

该控制器方案的另一基本优点是，控制器的值是保持的，没有误差，具备自身的物理单位，而不象通常所做的那样，要将其标准化到某一指定的数值范围。

1.2 基本原理PID 控制器的数学方程简要说明如下。

A. 连续型 PID 控制器A.1 乘积形式表达的实际连续型 PID 控制器(零极点形式)：A.2 代数和形式表达的实际连续型 PID 控制器：其中：A.3 不规则四边形表达的、代数和形式的实际 PID 控制器传递函数(步响应)：B. 离散型 PID 控制器B.1 不规则四边形表达的、乘积形式的实际 PID 控制器(零极点形式)：B.2 具有不规则四边形表达的、代数和形式的实际 PID 控制器：2. 功能块说明2.1 概貌下表是 TcPlcCtrl.lib 软件库中功能块列表。

功能块说明CtrlStandardPID标准 PID 控制器Ctrl3PointPID3-点 PID 控制器PwmOutput脉冲宽度调制信号发生器块Ctrl2PointWithHysteresis2-点特性曲线发生器块Ctrl3PointWithHysteresis3-点特性曲线发生器块2.2 CtrlStandardPID PID 控制器功能框图传递函数功能块接口VAR_INPUTbInit : BOOL; (* 第一个周期初始化标志*)bSync : BOOL; (* 无冲击同步初始化 *)(* 控制器输入(偏差) *)fCtrlInput : REAL; (* 控制器输入(偏差=误差) *)fMinOutput : REAL; (* 控制器最小输出(最小极限) *)fMaxOutput : REAL; (* 控制器最大输出(最大极限) *)fSyncValue : REAL; (* 无冲击初始同步值 *)(* 控制器值 *)fCtrlCycleTime : REAL; (* 控制器周期时间，以秒为单位[s] *)fKp : REAL; (* 比例增益 Kp (P) *)fTn : REAL; (* 积分增益Tn (I) [s] *)fTv : REAL; (* 微分增益Tv (D-T1) [s] *)fTd : REAL; (* 微分阻尼时间 Td (D-T1) [s] *)fInnerWindow : REAL; (* 减少积分分量的内部窗口 (dE-窗口) *)fOuterWindow : REAL; (* 禁止积分分量的外部窗口 (dE-窗口) *)END_VARVAR_OUTPUTnErrorStatus : DINT; (* 控制器错误状态 (0: 无错误; >0:出错) *) fCtrlOutput : REAL; (* 控制器输出 *)bMinLimit : BOOL := FALSE; (* 最小值激活? [TRUE/FALSE] -> ARW *)bMaxLimit : BOOL := FALSE; (* 最大值激活? [TRUE/FALSE] -> ARW *)bARWActive : BOOL := FALSE; (* ARW 激活? [TRUE/FALSE] -> 释放I-分量 *) END_VAR输入名称单位值范围说明fCtrlInput ±∞控制器输入幅值?(误差值 e(t) ) fMinOutput ±∞最小输出极限(控制变量最小边界值) fMaxOutput ±∞最大输出极限(控制变量最大边界值) fCtrlCycleTime s > 0 离散时间实现的控制器周期时间fKp ≥0比例放大因子 Kp (P 分量)fTn s ≥0积分时间常数 Tn (I 分量)fTv s ≥0微分时间常数 Tv (D T1 分量)fTd s ≥0阻尼时间 Td (D T1 分量)fInnerWindow ≥0用于控制器输入幅值的内部窗口(误差值e(t) )，使积分分量可以线性减小到零。

fOuterWindow ≥0用于控制器输入幅值的内部窗口(误差值e(t) )，如果控制器输入幅值在该窗口之外，则使积分分量禁止(冻结)。

如果不需要该功能，该参数应设置为bInit 1 [TRUE,FALSE] 初始标志，当调用控制器时，第一个周期必须激活(TRUE)。

bSync 1 [TRUE,FALSE] 同步标志，用于控制器的手动切换启动。

可以和初始标志一起使用，并只在一个周期中激活(TRUE)。

该手动切换启动同步仅当控制器具备积分和微分分量时使用，否则，没有效果。

fSyncValue ±∞用于同步的控制器输出值(最近一次设置的幅值，只在一次周期中作为设置幅值使用)。

输出名称单位值范围说明fCtrlOutput ±∞控制器输出值(控制变量 y(t) )nErrorStatus ≥0控制器错误状态/错误代码。

零值表示没有错误，大于零的值表示指定的错误代码(参见代码表)。

bARWActive [TRUE,FALSE] ARW (反复位浪涌) 激活/非激活。

ARW 测量值在下面的情况下有效，例如：控制值限幅激活，积分分量在一个方向上被阻截，但积分分量可以在任何时间改变到相反的方向。

它对控制器的动态性能有正向效应。

bMinLimit 1 [TRUE,FALSE] 最小输出幅值限幅激活/非激活(最小设定限幅)。

bMaxLimit 1 [TRUE,FALSE] 最大输出幅值限幅激活/非激活(最大设定限幅)。

错误代码名称说明nERR_NOERROR无错误nERR_NOINIT 没有对控制器进行初始化。

控制器必须使用初始化标志对其初始化一次。

当控制器被第一次调用时，该标志只在一个周期中为激活。

当第一个周期结束后，该位必须复位。

如果控制器的参数被调整，则应重新进行初始化。

nERR_INVALIDPARAM 无效的控制器常数。

一个或多个控制器参数值无效。

比例放大系数Kp，积分时间常数 Tn，微分时间常数 Tv 和阻尼时间常数Td 必须大于或等于零。

nERR_INVALIDCYCLETIME 无效的周期时间 / 采样时间。

控制器周期必须大于 0.0 s 并且小于 60.0 s。

周期时间的物理单位为秒。

2.3 Ctrl3PointPID3-点 PID 控制器功能块框图功能块接口VAR_INPUTbInit : BOOL; (*首次扫描初始化标志*)bSync : BOOL; (* 无冲击同步初始化 *)(* 控制器输入(偏差) *)fCtrlInput : REAL; (* 控制器输入(偏差=误差) *)bLimitSwitchMinus : BOOL; (* 新：数字量限幅开关- (用于最小) *)bLimitSwitchPlus : BOOL; (* 新：数字量限幅开关+ (用于最大) *)fSyncValue : REAL; (* 无冲击初始同步值 *)(* 控制器值 *)fCtrlCycleTime : REAL; (* 控制器周期时间，以秒为单位[s] *)fKp : REAL; (* 比例增益 Kp (P) *)fTn : REAL; (* 积分增益Tn (I) [s] *)fTv : REAL; (* 微分增益Tv (D-T1) [s] *)fTd : REAL; (* 微分阻尼时间 Td (D-T1) [s] *)fDeadBand : REAL; (* 新：死区/零输出中心带*)fInnerWindow : REAL; (* 减少积分分量的内部窗口 (dE-窗口) *)fOuterWindow : REAL; (* 禁止积分分量的外部窗口 (dE-窗口) *)END_VARVAR_OUTPUT(* 主输出 *)nErrorStatus : DINT; (* 控制器错误状态 (0: 无错误; >0:出错) *)fCtrlOutput : REAL; (* 控制器输出 *)bCtrlOutputMinus : BOOL := FALSE; (* 新：数字控制器输出- *)bCtrlOutputPlus : BOOL := FALSE; (* 新：数字控制器输出 + *)(* 辅助输出 *)bMinLimit : BOOL := FALSE; (* 最小极限激活? [TRUE/FALSE] -> ARW *) bMaxLimit : BOOL := FALSE; (* 最大极限激活? [TRUE/FALSE] -> ARW *) bARWActive : BOOL := FALSE; (* ARW 激活? [TRUE/FALSE] -> 释放I-分量 *) END_V AR输入名称单位值范围说明fCtrlInput ±∞控制器输入幅值?(误差值 e(t) ) bLimitSwitchMinus 1 [TRUE,FALSE] 用于控制设备限幅位置(最小控制值)的限幅开关- bLimitSwitchPlus 1 [TRUE,FALSE] 用于控制设备限幅位置(最大控制值)的限幅开关+ fCtrlCycleTime s > 0 离散型控制器周期时间fKp ≥0比例放大系数Kp (P 分量)fTn s ≥0积分时间常数 Tn (I 分量)fTv s ≥0微分时间常数 Tv (D T1 分量)fTd s ≥0阻尼时间常数 Td (D T1 分量)fDeadBand ≥0和数字控制值相关的死区，以防止在一定范围内从- 到+ 地连续切换（“颤动”）。