PID算法在西门子PLC模拟量闭环控制中的实现
浅谈西门子PLC的PID参数整定
浅谈西门子PLC的PID参数整定作者：李鑫来源：《科技视界》 2014年第14期李鑫（三门核电有限公司，浙江三门 317112）【摘要】PID控制是目前应用最广泛的工业控制器，它可以快速准确的对压力、温度、流量、液位等工艺参数的进行自动化监控。
同时PLC可直接与工业以太网相连，利用网络来实现远程自动监控功能。
西门子PLC利用其闭环控制模块FB41进行PID调整，来实现PID控制。
本文简要介绍了西门子PLC的PID参数整定方法，以及在三门核电AP1000项目中辅助蒸汽供应系统自动控制方面的工程应用实践。
【关键词】西门子PLC；PID；STEP7０引言在工程实际应用中，PID控制以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便且不需精确的系统模型等优势，成为最为广泛的调节器控制规律之一。
西门子PLC控制系统以其诸多优点已在工业控制领域得到广泛的应用，可以利用它的PID控制功能，很方便的实现对压力、温度、流量、液位等工艺参数的进行自动化监控。
本文简要介绍了西门子PLC的PID参数整定方法，在工程实践中有广泛的应用价值。
当被控对象或参数不能完全掌握、或得不到精确的数学模型时、控制理论的其他技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术是最为方便的。
总的来说，当用户不完全了解一个系统和被控对象，或不能采用有效的测量手段来获取系统参数时，最适合采用PID控制技术。
1 PID控制原理PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。
根据系统的误差，利用PID参数计算出控制量进行控制的。
那么PID控制的输入e(t）与输出u(t）的关系为：u(t)=Kp[e(t)+1/TI∫e(t)dt+TD*de(t)/dt]式中积分的上下限分别是0和t，计算得到其传递函数为：G(s)=U(s)/E(s)=Kp[1+1/(TI*s)+TD*s]其中Kp为比例系数，TI为积分时间常数，TD为微分时间常数。
【步骤详解】西门子PLCPID组态设置及PID常见问题解答
【步骤详解】西门⼦PLCPID组态设置及PID常见问题解答1PID控制知识讲解S7-200 SMART能够进⾏PID控制。
S7-200 SMART CPU最多可以⽀持8个PID控制回路（8个PID指令功能块）PID是闭环控制系统的（⽐例－积分－微分）PID控制器根据设定值（给定）与被控对象的实际值（反馈）的差值，按照PID算法计算出控制器的输出量，控制执⾏机构去影响被控对象的变化。
PID控制是负反馈闭环控制，能够抑制系统闭环内的各种因素所引起的扰动，使反馈跟随给定变化。
根据具体项⽬的控制要求，在实际应⽤中有可能⽤到其中的⼀部分，⽐如常⽤的是PI（⽐例－积分）控制，这时没有微分控制部分。
PID算法在S7-200 SMART中的实现PID控制最初在模拟量控制系统中实现，随着离散控制理论的发展，PID也在计算机化控制系统中实现。
2PID向导组态设置Micro/WIN SMART提供了PID Wizard（PID指令向导），可以帮助⽤户⽅便地⽣成⼀个闭环控制过程的PID算法。
此向导可以完成绝⼤多数PID运算的⾃动编程，⽤户只需在主程序中调⽤PID向导⽣成的⼦程序，就可以完成PID控制任务。
PID向导既可以⽣成模拟量输出PID控制算法，也⽀持开关量输出；既⽀持连续⾃动调节，也⽀持⼿动参与控制。
建议⽤户使⽤此向导对PID编程，以避免不必要的错误。
PID向导编程组态步骤：1.在Micro/WIN SMART中的⼯具菜单中选择PID向导：图1. 在⼯具栏中选择PID向导图2.在项⽬树中打开'向导'⽂件夹，然后双击'PID'，或选择'PID'并按回车键。
定义需要配置的PID回路号图3.在此对话框中选择要组态的回路图4.最多可组态 8 个回路。
在此对话框上选择回路时，PID 向导左侧的树视图随组态该回路所需的所有节点⼀起更新。
2.为回路组态命名图5.可为回路组态⾃定义名称。
一种基于PLC控制的变频器PID闭环调速系统
一种基于PLC控制的变频器PID闭环调速系统作者：陈科来源：《科学与财富》2015年第36期【摘要】本文介绍了一种基于西门子S7-200 PLC的变频器PID闭环调速系统。
其中，变频器采用西门子MM420，速度反馈采用光电编码器实现，速度采集利用PLC的高速脉冲采集功能实现，电机转速观测与显示通过组态软件实现。
通过实验电机速度趋于稳定，误差很小，达到了满意的控制效果。
【关键词】PLC；变频器；PID一、引言调速系统的快速性、稳定性、动态性能好是工业自动化生产中的基本要求。
在工业控制领域，调速控制系统的工艺过程复杂多变，具有不确定性，因此对系统要求更为先进的控制技术和控制理论。
就当前的控制策略而言，占统治地位的仍旧是常规的PID控制。
PID结构简单、稳定性好、工作可靠、使用中不必弄清系统的数学模型，为快速搭建合适的参数控制系统提供了方便。
目前，变频调速已被公认为最理想的调速方式之一，在实际应用中用户可根据自己的实际工艺要求和运用场合选择不同类型的变频器。
本设计就基于S7-200 PLC的PID调节模块实现变频器的闭环调速，最后通过上位机组态软件观测电机转速。
二、系统设计该系统主要由三个部分构成，即可编程逻辑控制器件S7-200、变频器MM420和电机。
首先通过设置给定输入给PLC，再通过PLC控制变频器，再经由变频器来控制电机，随后将电机的转速反馈给PLC，经比较后输出给变频器从而实现无静差调速。
速度的测量可以通过光电编码器和PLC来实现。
速度采集可利用S7-200的高速脉冲采集功能，采集频率可以达到30KHz，共有6个高速计数器（HSC0～HSC5），工作模式有12种。
在固定时间间隔内采集脉冲差值，通过计算即可以获得电动机的当前转速。
例如：设采样周期为100ms 即是每隔100ms采集脉冲一次，光电开关每转发出8个脉冲，那么就可以得到速度为。
其中，？驻m为采样周期内接受到的脉冲数。
转速的单位为r/min。
4.5 西门子S7-200PLC中的PID指令介绍[13页]
![4.5 西门子S7-200PLC中的PID指令介绍[13页]](https://img.taocdn.com/s3/m/a50cf6550b4c2e3f57276373.png)
4.5 西门子S7-200PLC中的PID指令介绍
二、PID回路表的格式及初始化 2 PID回路表初始化
为执行PID指令，要对PID回路表进行初始化处理， 即将PID回路表中有关的参数（给定值SPn、增益KC、采 样时间TS、积分时间TI、微分时间TD），按照地址偏移 量写入到变量寄存器V中。一般是调用一个子程序，在 子程序中，对PID回路表进行初始化处理。在采用人机 界面的系统中，初始化参数通过人机界面直接输入。 相关的程序在“5.2.2 基于PLC、变频器的闭环调速系 统的设计”一节中详细叙述，此处不做赘述。”
西安航空职业技术学院自动化工程学院 《自动控制技术及应用》电子课件
4.5 西门子S7-200PLC中的PID指令介绍
一、PID调节指令格式及功能
梯形图
语句表
功能
PID TBL，LOOP
PID 指令：当使能端 EN 为 1 时， PID 调节指令对 TBL 为起始地址 的 PID 参数表中的数据进行 PID 运算
西安航空职业技术学院自动化工程学院 《自动控制技术及应用》电子课件
4.5 西门子S7-200PLC中的PID指令介绍
表4-15 PID回路表
偏移地址（VB）变量名
数据格式输入输出类 取值范围
型
T+0
反馈量（PVn） 双字实数输入
应在0.0～1.0之间
T+4
给定值（SPn） 双字实数输入
应在0.0～1.0之间
西安航空职业技术学院自动化工程学院 《自动控制技术及应用》电子课件
4.5 西门子S7-200PLC中的PID指令介绍
二、PID回路表的格式及初始化 1 PID回路表
基于PLC的闭环控制系统PID控制器的实现[1]
![基于PLC的闭环控制系统PID控制器的实现[1]](https://img.taocdn.com/s3/m/545845370b4c2e3f5727634c.png)
【20】第３１卷第４期２００９－０４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（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。
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。
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。
西门子S7-200PLC第6章 PLC模拟量采集及闭环控制系统
模拟执行部件之前，必须将标准化的实数值转换成一个16位的标定整
数值。
• 3. PID回路表
•
用PID运算的参数，每个PID控制回路都 有一个确定起始地址（TBL）的回路表。
PID回路表
• 4. PID回路指令
• PID运算通过PID回路指令来实现。
化处理后写入回路表首单元VD200 ； • 5）执行PID回路运算指令； • 6）对PID回路运算的输出结果单元VD208进行数据转换后送入模拟
量输出。
• 参看教材图6-9 PID回路表及定时0中断初始化子程序实例
• 本章小结： • 作业：
•
谢谢收看！！
该电流通过250 电阻将其转换为1~5V电压，作为A/D转换 器的模拟量输入信号，A/D转换器输出的数字量信号可以直接 输入给计算机进行处理。
• 2 计算机闭环控制系统
被控设备（对象）输出的物理量（即被控参数或称系统输出参 数），经传感器、变送器、 A/D转换后反馈到输入端，与期望 值（即给定值或称系统输入参数）进行比较，当二者产生偏差 时，对该偏差进行决策或PID运算处理，其处理后的信号经D/A 转换器转换为模拟量输出，控制执行器进行调节，从而使输出 参数按输入给定的条件或规律变化。由于系统是闭和的，输出 量的变化经变送器反馈到输入端与输入量进行比较，由于反馈 的输出量与输入量相位相反，所以也称闭环控制负反馈系统。
• （2） 回路输入转换及标准化数据
• 每个PID回路有两个输入量，给定值（SP）和过程变量（PV）。 在PID指令对这些物理量进行运算之前，必须对它们及其它输入量进 行标准化处理，即通过程序将它们转换成标准的浮点型表达形式。
• （3） 回路输出值转换成标定数据
•
PID回路输出的是0.0~1.0之间标准化的实数值，回路输出在驱动
PID算法在西门子PLC模拟量闭环控制中的实现
PID算法在西门子PLC模拟量闭环控制中的实现摘要：本文主要针对PID算法在西门子PLC模拟量闭环控制中的实现展开分析，明确了如何在PLC模拟量闭环控制中更好的应用PID算法，提出了实现的思路和具体的实现方法，可供今后参考。
关键词：PID算法，西门子，PLC，模拟量，闭环控制前言PID算法在西门子PLC模拟量闭环控制中的实现是十分关键的技术工作，一定要采取更好的实现技术和方法，才能提高其实现的质量和效率，对于其中的关键环节和技术必须要更加重视。
1、PID控制概述PID控制是连续系统控制中广泛应用的一种控制方法，由于它结构改变灵活，可根据系统的要求，在常规PID调节的基础上进行多种PID变型控制，如PI、PD控制，比例PID控制，不完全微分控制，带死区的PID控制等。
而且不需要建立精确的控制系统数学模型，有较强的适应性和灵活性。
我们都知道模拟量是指一些连续变化的物理量。
而PLC是由继电器控制电路引进微处理器技术后发展而来，可以方便、可靠地进行开关量的控制。
PLC进行模拟量控制，需要将模拟量转换成数字量，数字量的本质也就是开关量。
经转换后的模拟量，对有较强信息处理的PLC并不难。
2、PID算法的实现在模拟量闭环过程控制领域内，扩展模拟量处理模块，如EM231、EM232、EM235，根据PLC提供的PID编程功能模块，只需设定好PID参数，运行PID控制指令，就能求得输出控制值，实现模拟量闭环控制。
2.1PID算法在模拟量的控制中，经常用到PID运算来执行PID回路的功能，PID回路指令使这一任务的编程和实现变得非常容易[。
如果一个PID回路的输出M(t)是时间的函数，则可以看作是比例项、积分项和微分项三部分之和。
即:M(t)=Kc*e+Kc∫t00tedt+M0+Kc*de/dt以上各量都是连续量，第一项为比例项，最后一项为微分项，中间两项为积分项。
其中e是给定值与被控制变量之差，即回路偏差。
Kc为回路的增益。
对西门子PLC的PID参数整定问题分析
120研究与探索Research and Exploration ·工艺与技术中国设备工程 2017.01 (上)结合我国目前实际情况可知，PID 控制器已经在工业控制领域得到了较为广泛的应用。
与其他控制器相比，PID 控制器具有明显的计算量少、结构经典、便于参数调整等优势。
作为PID 控制的关键，其参数整定问题直接影响PID 控制的控制质量。
因此，分析西门子PLC 的PLD 参数整定问题具有一定的现实意义。
1 西门子PID 基本控制原理西门子PID 控制器的控制原理为：参照系统误差，借助PID 参数完成控制量的计算，最终实现控制功能。
具体而言，输入通过微分（D）、比例（P）以及积分（I）获得输出结果，并将输出结果传递至执行机构，由执行机构负责对某一规定对象执行控制任务。
从西门子PID 的构成来看，其中，微分部分的作用主要是提供盘查信号的变化速率，监测偏差信号的变化状况，识别偏差信号超出正常范围的征兆，准确于偏差信号由正常值转为太大之前，引入一个有效的早期修正信号，缩短系统调节时间。
而比例部分的作用则是即时完成控制系统偏差信号的反应（呈比例）。
当偏差产生后，调节器将会立即进行动作，抑制偏差控制功能的发挥。
此外，在西门子PID 控制器中，积分部分的作用以提升系统无差度以及消除静差为主。
积分的作用有效性与积分时间常数呈负相关关系，即随着积分时间常数的不断减小，积分的消除静差作用将发挥得越来越明显。
2 西门子PLC 的PID 参数整定这里主要从以下几方面入手，对西门子PLC 的PID 参数整定进行分析和研究。
2.1 模拟量闭环控制器控制系统方面在实际运用过程中，PID 模拟量闭环控制器控制系统可产生良好的自动控制功能，其自动控制原理为：当控制系统的设定值高于反馈值参数时，系统开始产生误差，误差被输入至PID 调节器中，由调节器完成微分、比例以及积分的运算，最终得出控制信号计算结果，并将该结果输出出来，传输至执行机构中。
PLC实现PID控制的方法
1 PID过程控制模块
这种模块的PID控制程序是PLC生产厂家设计的，并存放在模块中，用户使用时序要设置一些参数，使用起来非常方便，一个模块可以控制几路甚至几十路闭环回路。
2 PID功能指令
现在很多PLC都有供PID控制用的功能指令，如S7-200的PID指令。
它们实际上是用于PID控制的子程序，与模拟量输入/输出模块一起使用，可以得到类似于使用PID过程控制模块的效果。
3 用自编的程序实现PID闭环控制
有的PLC没有PID过程控制模块和PID控制用的功能指令，有时虽然可以使用PID控制指令，但是希望采用某种改进的PID控制算法。
在上述情况下都需要用户自己编制PID控制程序。
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PID算法在PLC模拟量闭环控制中的实现
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前言
控制值， 而厂家一般只提供标准 9&: 算法， 灵活性和 适应性较差， 如根据被控对象的具体情况不同， 采用 各种 9&: 控制的变种， 如积分分离 9&:、 不完全微分 这时用户可根据控制的 9&: 等则操作上有些困难， 算法， 自行设计梯形图程序。
在工业生产过程控制中， 模拟量的 9&: （比例、 积分、 微分） 调节是常见的一种控制方式， 这是由于 至今为 9&: 调节不需要求出控制系统的数学模型， 止， 很难求出许多控制对象准确的数学模型， 对于这 一类系统， 使用 9&: 控制可以取得比较令人满意的 效果， 同时 9&: 调节器又具有典型的结构， 可以根据 被控对象的具体情况， 采用各种 9&: 的变种， 有较强 的灵活性和适用性。 在科研、 生 91/ 作为一种新型的工业控制装置， 产、 社会生活的诸多领域得到了越来越广泛的应用。 大型的可编程序控制器配备过程控制模块可同时对 几十路模拟量进行闭环控制， 但造价昂贵。一般中 小型 91/ 控制系统只对一路或几路模拟量进行闭 环控制。硬件上只需配备 ,^: 及 :^, 转换模块， 软 件可购买相应厂家提供的 9&: 编程功能模块， 只需 设定好 9&: 参数， 运行 9&: 控制指令， 就能求得输出 万方数据
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9&: 调节器的特点及数字化
标准的 9&: 控制系统中， 由于系统的执行结构
线性范围受到限制， 当偏差信号较大时， 如系统启 动、 停止、 或大幅度波动， 由于积分的作用会产生较 大的超调量， 造成系统性能变差， 这种现象对慢过程 如湿度、 液位等调节更为严重。如能在系统偏差大 时将积分的作用减弱， 偏差小时将积分的作用加强， 这样可以大大提高系统的调节品质， 采用变速积分
基于PLC的模拟量闭环控制系统PID的实现
基于PLC的模拟量闭环控制系统PID的实现作者：张晓霞来源：《无线互联科技》2020年第06期摘 ; 要：文章对模拟闭环控制系统的原理、变送器的选择方法及闭环控制系统主要性能指标进行了描述，介绍了PID控制器的数字化过程及PID指令向导生成PID程序的步骤，通过S7-200 SMART PLC编程实现该控制过程，并进行了参数整定，达到了控制效果。
关键词：模拟量闭环控制系统;比例—积分—微分控制器;S7-200 SMART PLC在工业生产中，对于一些连续变化的模拟量通常采用闭环控制如温度、压力、流量等，最常用的是比例—积分—微分（Proportion Integral Derivative，PID）控制方式，程序设计简单，参数容易调整，即使没有控制系统的数学模型，也能满足控制效果;对控制对象可以采用P，PI，PD和PID方式，具有较强的灵活性和适应性[1]。
1 ; ;闭环控制与PID控制器1.1 ;模拟闭环控制系统模拟闭环控制系统中的虚线框部分可由PLC控制。
PV（t）是标准量程的直流电流或电压信号，由控制量c（t）经传感器和变送器转换而来;过程变量PVn是多位二进制数，其由AI模块中的A-D转换器将PV（t）转换得到。
给定量为SPn，则误差en=SPn-PVn。
PID控制器的数字量输出值Mn是通过AO模块的D-A转换器转换为模拟量M（t）的，然后通过M（t）去控制执行机构动作，进而控制被控对象模拟量闭环控制系统如图1所示。
1.2 ;闭环控制的工作原理闭环控制必须确保系统是负反馈，如果系统接成了正反馈，将会失控。
在闭环负反馈控制当中，过程变量PVn可等于或跟踪给定值SPn的变化。
若以炉温度闭环控制系统为例，当实际值c（t）的温度低于给定的温度时，误差en为正，M（t）将增加，使执行机构电动调节阀门开度增大，进入炉内的气流量增加，提高了加热炉的温度，最终使实际温度靠近或等于设定值[2]。
1.3 ;变送器的选取变送器是将电信号或非电信号变为标准范围的电流或电压，然后将其发送到模拟输入系统，分为电压输出型和电流输出型。
探讨PID控制算法在西门子PLC中编程及实现
探讨PID控制算法在西门子PLC中编程及实现摘要：PLC编程过程中采用不同的改进型PID控制器，更能够适应特定的工艺环境和要求，本文探讨了积分分离型PID、不完全微分型PID控制器的原理和特点，介绍了改进型PID控制器在PLC编程中的应用。
关键词：PID控制器；应用原理引言在工业自动化控制的实际应用中，PID控制器是应用最广泛的一种控制策略，因为设计算法和控制结构简单、鲁棒性好和可靠性高，至今在全世界过程控制中依然是最常用控制策略，在很多PLC和DCS系统中，厂商都内置了PID控制模块，这样PLC和DCS编程变得相当简单，但是实际工业生产过程往往具有非线性、时变不确定性、大滞后性等特点，PLC和DCS所集成的标准PID控制器有时难以达到理想的控制效果，所以我们在编程过程中经常需要对标准PID控制器进行改进使用，以适应复杂的工况和高指标的控制要求。
一、PID控制原理和特点工程实际中，应用最为广泛调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。
PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制主要技术之一。
当被控对象结构和参数不能完全掌握，或不到精确数学模型时，控制理论其它技术难以采用时，系统控制器结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。
即当我们不完全了解一个系统和被控对象﹐或不能有效测量手段来获系统参数时，最适合用PID控制技术。
PID控制，实际中也有PI和PD控制。
PID控制器就是系统误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制。
PID控制框图1.1、比例控制（P）：比例控制是最常用的控制手段之一，比方说我们控制一个加热器的恒温100度，当开始加热时，离目标温度相差比较远，这时我们通常会加大加热，使温度快速上升，当温度超过100度时，我们则关闭输出，通常我们会使用这样一个函数e（t）= SP–y（t）-u（t）= e（t）*PSP——设定值e（t）——误差值y（t）——反馈值u（t）——输出值P——比例系数滞后性不是很大的控制对象使用比例控制方式就可以满足控制要求，但很多被控对象中因为有滞后性。
PLC闭环控制系统中PID控制器的实现
PLC闭环控制系统中PID控制器的实现PLC闭环控制系统中PID控制器的实现1引言在工业生产中，常需要用闭环控制方式来实现温度、压力、流量等连续变化的模拟量控制。
无论使用模拟控制器的模拟控制系统，还是使用计算机(包括PLC)的数字控制系统，PID控制都得到了广泛的应用。
PID控制器是比例－积分－微分控制的简称，具有(1)不需要精确的控制系统数学模型;(2)有较强的灵活性和适应性;(3)结构典型、程序设计简单，工程上易于实现，参数调整方便等优点。
积分控制可以消除系统的静差，微分控制可以改善系统的动态相应速度，比例、积分、微分三者有效地结合可以满足不同的控制要求。
2PLC实现PID的控制方式2.1PID过程控制模块这种模块的PID控制程序是PLC生产厂家设计的，并存放在模块中，用户使用时序要设置一些参数，使用起来非常方便，一个模块可以控制几路甚至几十路闭环回路。
2.2PID功能指令现在很多PLC都有供PID控制用的功能指令，如S7-200的PID指令。
它们实际上是用于PID控制的子程序，与模拟量输入/输出模块一起使用，可以得到类似于使用PID过程控制模块的效果。
2.3用自编的程序实现PID闭环控制有的PLC没有PID过程控制模块和PID控制用的功能指令，有时虽然可以使用PID控制指令，但是希望采用某种改进的PID控制算法。
在上述情况下都需要用户自己编制PID控制程序。
3PLC-PID控制器的实现本文以西门子S7-200PLC为例，说明PID控制的原理及PLC的PID功能指令的使用及控制功能的实现。
3.1PID控制器的数字化PLC的PID控制器的设计是以连续系统的PID控制规律为基础，将其数字化写成离散形式的PID控制方程，再跟据离散方程进行控制程序设计。
在连续系统中，典型的PID闭环控制系统如图1所示。
图1中sp(t)是给定值，pv(t)是反馈量，c(t)是系统的输出量，PID控制的输入输出关系式为:式中:为输出的初始值;M(t)—控制器的输出量，M0e(t)=sp(t)-pv(t)－误差信号;K C比例系数;T I－积分时间常数;T D－微分时间常数。
S7-200SMARTPLC在模拟量闭环控制中的应用
2．第一次PID参数自整定实验演示 增益为2.0、积分时间为0.025min，微分时间为0.005min。 用I0.3外接的小开关使设定值SP从0.0%跳变到70.0%，过程变量PV曲线的超 调量太大，衰减震荡的时间太长。在过程变量曲线PV沿设定值SP曲线上下小 幅波动，这两条曲线几乎重合时，单击“开始自动调节”按钮，启动自动整 定过程。 显示“调节算法正常完成。按下更新 CPU 按钮接受建议的调节参数”时， 进入正常的PID控制，“调节参数”区的“计算值”列给出了PID参数的建议 值。 单击“更新 CPU ”按钮，将“计算值”列的推荐参数写入 CPU 。令 I0.3 为 OFF，PV曲线下降到0后，再令I0.3为ON，设定值阶跃变化到70%，超调量减 小。为了进一步减小超调量，可切换到手动调节，增大积分时间。 3．第二次PID参数自整定实验演示 增益为0.5，积分时间为0.5min，微分时间为0.1min。没有超调，但是响应过 于迟缓。自整定过程与第一次相同。 两次实验的初始参数相差甚远，参数整定前的响应曲线也是天差地别。自 整定得到的推荐参数值却相差很小。
7.2 PID控制器的参数整定方法 7.2.1 PID参数的物理意义
1．对比例控制作用的理解 PID控制器输出中的比例部分与误差成正比。如果增益太小，调节的力度 不够，使调节时间过长。如果增益过大，调节力度太强，造成调节过头，使 被控量来回震荡，超调量过大。如果闭环系统没有积分作用，单纯的比例控 制的稳态误差与增益成反比，很难兼顾动态性能和静态性能。 2．对积分控制作用的理解 积分控制根据当时的误差值，每个采样周期都要微调PID的输出。只要误 差不为零，控制器的输出就会因为积分作用而不断变化。积分部分的作用是 消除稳态误差，提高控制精度。积分有滞后特性，积分作用太强，会使系统 的动态性能变差，超调量增大。积分作用太弱，消除稳态误差的速度太慢。 3．对微分控制作用的理解 微分项与误差的变化速率成正比，微分部分反映了被控量变化的趋势。
第5章 西门子S7-200系列PLC模拟量,PID指令及应用
输入端子 工作电源
增益电位器 DIP开关
单极性模拟量 SW1 ON SW2 OFF ON SW3 ON OFF
满量程输入
分辨率
0～10V 0～5V 0～20mA
2.5mV 1.25mV 5μA 分辨率
双极性模拟量 SW1 OFF SW2 OFF ON SW3 ON OFF
满量程输入
±5V ±2.5V
M X 1.0 MPn MDn
当 M n 1 .0 时
当 M n 0 .0 时
M X ( MPn MDn )
、
第N次采样 时的比例项
第N次采样 时的微分项
为了实现平滑切换，系统会作下列调整：
SPn PV n
Mx Mn
//给定值=过程变量
PVn 1 PVn //过程变量前值=过程变量当前值
●从输入通 道 AIW0对 单极性模拟 量进行采样、 转换，并填 入回路参数 表程序。
标准化实数 16位有符号整数 ● 回路输出转化的步骤： 计算公式： R 浮点型 M n offset Span
控制对象不同，对特性要求不同，选择的 PID回路类型也不同。必须根据系统对动态品 质、稳态精度和调节速度的要求来合理选择P、 I、D回路中的一种或多种控制类型。
2.5mV 1.25mV
◆ 模拟量输出模块 EM232的特性
● 模拟量输出模块 EM232 的D/A 转换精度: 提供 12位的D/A转换器 。
（EM232）
输出端子 工作电源
※ 每个输出模块有二路输出（3个端子一组） ※ 可以输出±10V电压或0～20mA电流信号； ◎ 电压负载时：V0端接负载正极、 M0 接负 载负极。 ◎ 电流负载时：I0端接负载正极、 M0 接负 载负极。 ※ 模块需要直流24V工作电源。
西门子200PID
如何使用S7-200CPU 的PID控制S7-200 能够进行PID 控制。
S7-200 CPU最多可以支持8 个PID 控制回路（8个PID 指令功能块）。
PID 是闭环控制系统的比例－积分－微分控制算法。
PID 控制器根据设定值（给定）与被控对象的实际值（反馈）的差值，按照PID 算法计算出控制器的输出量，控制执行机构去影响被控对象的变化。
PID 控制是负反馈闭环控制，能够抑制系统闭环内的各种因素所引起的扰动，使反馈跟随给定变化。
根据具体项目的控制要求，在实际应用中有可能用到其中的一部分，比如常用的是PI （比例－积分）控制，这时没有微分控制部分。
1、PID 算法在S7-200 中的实现PID 控制最初在模拟量控制系统中实现，随着离散控制理论的发展，PID也在计算机化控制系统中实现。
计算机化的PID 控制算法有几个关键的参数：●Kc：Gain，增益●Ti：积分时间常数●Td：微分时间常数●Ts：采样时间在S7-200 中PID 功能是通过PID 指令功能块实现。
通过定时（按照采样时间）执行PID 功能块，按照PID 运算规律，根据当时的给定、反馈、比例－积分－微分数据，计算出控制量。
PID 功能块通过一个PID 回路表交换数据，这个表是在V 数据存储区中的开辟，长度为36 字节。
因此每个PID 功能块在调用时需要指定两个要素：PID控制回路号，以及控制回路表的起始地址（以VB 表示）。
由于PID 可以控制温度、压力等等许多对象，它们各自都是由工程量表示，因此有一种通用的数据表示方法才能被PID 功能块识别。
S7-200中的PID 功能使用占调节范围的百分比的方法抽象地表示被控对象的数值大小。
在实际工程中，这个调节范围往往被认为与被控对象（反馈）的测量范围（量程）一致。
PID 功能块只接受0.0 - 1.0 之间的实数（实际上就是百分比）作为反馈、给定与控制输出的有效数值，如果是直接使用PID 功能块编程，必须保证数据在这个范围之内，否则会出错。
基于S7-300PLC和Wincc的PID参数整定研究
基于S7-300PLC和Wincc的PID参数整定研究郑尚磊;傅迎华;周代仝【摘要】在Wincc中开发的趋势图具有直观性和易操作性的基础上,采用SIMATIC和Wincc软件通信的方法,使用S7-300PLC软件自带的FB41功能块和通过编程设计的FB100功能块对整个闭环控制系统进行模拟.在Wincc中开发出用于PID参数整定的趋势图画面,调节趋势图中I0域的参数,根据生成的跟随信号的波形对PID控制器的参数进行整定.通过对闭环控制系统的仿真实验,得到了在方波给定信号输入下准确稳定的跟随信号,其中比例系数为2.00,积分时间和微分时间分别为10 000 ms和2 000 ms.【期刊名称】《电子科技》【年(卷),期】2016(029)011【总页数】4页(P97-100)【关键词】Wincc;S7-300PLC;PID控制器;闭环控制系统【作者】郑尚磊;傅迎华;周代仝【作者单位】上海理工大学光电信息与计算机工程学院,上海200093;上海理工大学光电信息与计算机工程学院,上海200093;上海交通大学自动化系,上海200240;上海煊荣自动化科技有限公司,上海201106【正文语种】中文【中图分类】TN277PID控制器是自动控制领域应用广泛、易于实现的闭环控制器[1]。
西门子PLC控制系统以其稳定、快速等优点在工业控制领域得到了广泛应用。
西门子S7-300PLC的编程软件中提供了PID连续控制模块FB41，可直接调用该模块，对设定值、反馈值和控制器的输出进行计算处理。
在功能模块FB100中编写被控对象的仿真程序来模拟实际的执行机构和被控对象，与功能块FB41组成闭环控制系统。
无需任何PLC硬件和PLC的外部执行机构、检测元件和被控对象，便可模拟闭环控制系统。
通过Wincc监控界面可以实时采集到设定值、输出值的参数，并以曲线趋势显示出设定值和输出值的动态曲线，便于对PID控制器的参数进行整定。
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PID算法在西门子PLC模拟量闭环控制中的实现
摘要：本文主要针对PID算法在西门子PLC模拟量闭环控制中的实现展开分析，明确了如何在PLC模拟量闭环控制中更好的应用PID算法，提出了实现的思路和
具体的实现方法，可供今后参考。
关键词：PID算法，西门子，PLC，模拟量，闭环控制
前言
PID算法在西门子PLC模拟量闭环控制中的实现是十分关键的技术工作，一
定要采取更好的实现技术和方法，才能提高其实现的质量和效率，对于其中的关
键环节和技术必须要更加重视。
1、PID控制概述
PID控制是连续系统控制中广泛应用的一种控制方法，由于它结构改变灵活，可根据系统的要求，在常规PID调节的基础上进行多种PID变型控制，如PI、PD
控制，比例PID控制，不完全微分控制，带死区的PID控制等。
而且不需要建立
精确的控制系统数学模型，有较强的适应性和灵活性。
我们都知道模拟量是指一些连续变化的物理量。
而PLC是由继电器控制电路
引进微处理器技术后发展而来，可以方便、可靠地进行开关量的控制。
PLC进行
模拟量控制，需要将模拟量转换成数字量，数字量的本质也就是开关量。
经转换
后的模拟量，对有较强信息处理的PLC并不难。
2、PID算法的实现
在模拟量闭环过程控制领域内，扩展模拟量处理模块，如EM231、EM232、EM235，根据PLC提供的PID编程功能模块，只需设定好PID参数，运行PID控
制指令，就能求得输出控制值，实现模拟量闭环控制。
2.1PID算法
在模拟量的控制中，经常用到PID运算来执行PID回路的功能，PID回路指令使这一任务的编程和实现变得非常容易[。
如果一个PID回路的输出M(t)是时间的函数，则可以看作是比例项、积分项
和微分项三部分之和。
即:
M(t)=Kc*e+Kc∫t00tedt+M0+Kc*de/dt
以上各量都是连续量，第一项为比例项，最后一项为微分项，中间两项为积
分项。
其中e是给定值与被控制变量之差，即回路偏差。
Kc为回路的增益。
用数
字计算机处理这样的控制算式，连续的算式必须周期采样进行离散化，同时各信
号也要离散化，公式如下:
MPn=Kc*(SPn-PVn)+Kc*Ts/Ti*(SPn-PVn)+MX+Kc*Td/Ts•(PVn-1-PVn) 公式中包含9个用来控制和监视PID运算的参数，在PID指令使用时构成回
路表，。
2.2PID指令
使能输入有效时，该指令利用回路表中的输入信息和组态信息，进行PID运算。
梯形图的指令盒中有2个数据输入端:TBL，回路表的起始地址，是由VB指定的字节型数据;指令LOOP，回路号，是0～7的常数。
指令格式:PIDTBL，LOOP
2.2.1PID回路号
用户程序中最多可有8条PID回路，不同的PID回路指令不能使用相同的回
路号，否则会产生意外的后果。
2.2.2数值转换及标准化
用可编程序控制器控制PID回路时，要把实际测量输入量、设定值和回路表中的其他输入参数进行标准化处理，即用程序转化为PLC能够识别和处理的数据的标准，例如把从AIW采集来的16位整数转化为0.0～1.0之间的标准化实数。
标准化实数又分为双极性(围绕0.5上下变化)和单极性(以0.0为起点在0.0和1.0之间的范围内变化)两种。
程序执行时把各个标准化实数量用离散化PID算式进行处理，产生一个标准化的实数运算结果，这一结果同样也要用程序将其转化为相应的16位整数，然后周期性将其传送到指定的AQW，用以驱动模拟量的输出负载，实现控制。
转换方法如下:应用实例中断程序中的程序片断。
2.2.3选择PID回路类型
在大部分模拟量的控制中，使用的回路控制类型并不是比例、积分和微分三者俱全。
例如只需要比例回路或只需要比例积分回路，通过对常量参数的设置，可以关闭不需要的控制类型。
关闭积分回路:把积分时间TI设置为无穷大，此时虽然由于有初值MX使积分项不为零，但积分作用可以忽略。
关闭微分回路:把微分时间TD设置为0，微分作用即可关闭。
关闭比例回路:把比例增益Kc设置为0，则可以只保留积分和微分项。
2.3PID参数
S7-200CPU提供PID回路指令，进行PID计算。
PID回路的操作取决于存储在36字节回路表内的9个参数。
PID回路表见表1。
2.4PID的编程步骤
2.4.1设定回路输入及输出选项。
2.4.2设定回路参数在PID指令中，必须指定内存区内的36个字节参数表的首地址。
其中要选定过程变量、设定值、回路增益、采样时间、积分时间和微分时间，并转换成标准值存入回路表中。
2.4.3设定循环警报选项。
2.4.4为计算指定内存区域，PID计算需要一定的存储空间，存储暂时结果。
需要指定此计算区域的起始V内存字节地址。
2.4.5指定初始化子程序及中断程序。
2.4.6生成PID程序。
图1
3、应用实例
有一水箱有一条进水管和一条出水管，进水管的水流量随时间不断变化，要求控制出水管阀门的开度，使水箱内的液位始终保持在水满时液位的一半。
系统使用比例积分微分控制，假设采用下列控制参数值:Kc为0.25，Ts为0.1秒，Ti为30分钟。
本供水系统的设定值是水箱满水位的75%时的水位，过程变量是由漂浮在水面的水位测量仪给出。
输出值是进水泵的速度，可以从允许最大值的0%变到100%。
设定值可以预先设定后直接输入回路表中，过程变量是来自水位表的单极性模拟量，回路输出值也是一个单极性模拟量，用来控制水泵速度。
这个模拟量的范围是0.0～1.0，分辨率为1/32000(标准化)。
本工程的特点是在系统中，水泵的机械惯性比较大，故系统仅采用比例和积分控制。
其增益和时间常数可以通过工程计算初步确定。
实际上还需要进一步调
整，以达到最优控制效果。
系统启动时，关闭出水口，用手动控制进水泵速度，使水位达到满水位的75%，然后打开出水口，同时水泵控制由手动方式切换到自动方式。
这种切换由一个输入的开关量控制，具体描述如下:I0.0位控制手动到自动方式的切换，0代表手动，1代表自动。
当工作在手动方式下，可以把水泵的速度(0.0～1.0之间的实数)直接写入回路表中的输出寄存器(VD108)。
应用PID指令控制系统时，要注意积分作用引起的超调问题。
为了避免这一现象，可以加一些保护。
比如当过程变量达到甚至超过设定值时，可以限制输出值在某一定范围之内。
本例中的程序仅有自动控制方式的设计。
其中主程序OB1的功能是PLC首次运行时利用SM0.1调用初始化程序SBR0。
子程序SBR0的功能是形成PID的回路表，建立100ms的定时中断，并且开中断。
程序如图1所示。
中断程序INT0的功能是输入水箱的水面高度AIW0的值，并送入回路表。
I0.1=1时进行PID“自动”控制，把PID运算的输出值送到AQW0中，从而控制进水泵的速度，以保持水箱的水面高度。
总之，近年来，PLC的结构和性能不断改进，随着PLC的性能价格比不断提高，许多小型PLC具备了过去大型机才具有的运算速度和高级功能，西门子PLC 扩展模拟量处理模块，应用PID运算指令，可以方便的实现对模拟量的控制。
4、结束语
综上所述，PID算法在西门子PLC模拟量闭环控制中的实现是十分重要的工作，本文总结了PID算法在西门子PLC模拟量闭环控制中的实现的方法和措施，可供今后参考和借鉴。
参考文献
[1]台方主编可编程控制器应用教程[M].北京:中国水利出版社,2017. 186-187.
[2]钟肇新,王灏编可编程控制器入门教程(SIMATICS7-200)[M].广州:华南理工大学出版社,2016.43-44.。