论文部分内容阅读
摘要：自其有历史的近70年来，以偏差的P调节、I调节、D调节为基础而组合进行的PID控制发展为在生产过程控制中，应用最为广泛的一种自动控制器。在计算机用于生产过程之前，气动、液动和电动的PID调节器在连续过程控制系统中，几乎占据着垄断地位。它之所以至今仍然是一种最基本的控制方式，是因为它能适应大多数工业对象的控制要求，PID控制至今仍然是工程应用中首选的控制方法之一。
Abstract: since it has a history of nearly 70 years, the adjustment, I adjustment with the deviation of p, d tuning PID control based on combination product and process control in development of, the most widely used form of automatic controller. Before the computers used in the production process, PID regulator of pneumatic, hydraulic and electric control system in continuous process almost occupy a monopoly position. It is still one of the most basic controls, because it can adapt to the requirements of most industrial objects control, PID control is still one of the preferred control method in engineering application.
關键词：PID 可编程序控制器 伺服驱动器工作原理
中图分类号：O213文献标识码： A
Keywords: PID programmable controller servo drives operation principle
前言：目前， 过程控制技术已广泛应用于钢铁企业的生产过程中，唐钢在，炼铁、烧结、炼钢、余压余热发电、汽轮机鼓风机、空压机、煤气柜、放散塔、循环水、软水站的各个生产过程中已经实现了自动化控制。常见的工业控制系统有分布式控制系统 （Distributed Control System， 简称DCS）可编程序逻辑控制器（Programmable Logic Controller， 简称PLC）两大类。 一般来说， DCS适合连续过程控制， PLC适合逻辑程序控制。随着可编程序控制器在各大生产部门中的普遍应用和处理能力的不断扩展和提升， 各种仪表的数据量、过程量的调节也越来越多地由PLC来完成。西门子为我们提供了强大的标准PID功能块（S） FB41/ （S） FB42/ （S）FB43, 又为大惯量的温度控制系统提供了FB58/59功能块。 其中， （S） FB41应用得最为广泛。在实际应用过程中， 如果一个PLC系统的PID控制回路比较少， 而且都是单回路PID控制器， （S）FB41都能取得很好的控制效果。 反之， 如果PID控制回路比较多， 或是有串级控制等复杂控制策略的情况下， （S） FB41控制效果就会变得比较差。 这种现象极大地限制了PLC系统在工业过程控制领域中的应用。
一、西门子PID 控制器应用
这里介绍的主要是用FB41块作为伺服控制器功能实现对阀门的过程控制。实际生产中考虑的阀门的电气平衡点问题，比如12mA平衡点的阀门，在接收仪表4-20mA的指令时，如果指令大于12mA，阀门会打开；如果小于12mA阀门会关闭。通过试验我们建立了此阀的平衡点50%输出时对应12mA，用西门子FB41功能块在阀门建立油压后能实现。这就意味着手动操作状态下我们能够用西门子PID控制器实现对阀门的操作，接下来就是考虑自动条件下如何实现PID控制器的调节，试验发现有平衡点的阀门很难在自动条件建立平衡点，无论比例积分怎么调整，阀门总是不停开关波动，至此自动PID控制阀门没能实现。不过根据生产的需要我们设计的控制器已经满足了需求，接下来就是对阀门的稳定性、及时性、准确性进行调整，也就是PID控制器的三个重要参数的调整过程。试验中我们发现PID控制器在没有联锁工作的条件是失效模式，由于不同阀门的特性不同，当低于或高于平衡点很小的偏差（产生偏差意味着阀门动作），此时阀门联锁动作到给定值时，阀门可能关闭或开最大值，检查发现主要原因是控制器失效，当把控制器长期放在工作状态时这一现象即可就消除了。最后我们用西门子PLC的PID控制器彻底取代了伺服控制器，这不但省去了我们排查控制器故障时的维修时间，而且极大的减少了设备的成本。
二、伺服驱动器简介
伺服驱动器（servo drives）又称为“伺服控制器”、“伺服放大器”，是用来控制伺服电机的一种控制器，其作用类似于变频器作用于普通交流马达，属于伺服系统的一部分，主要应用于高精度的定位系统。目前主流的伺服驱动器均采用数字信号处理器（DSP）作为控制核心，可以实现比较复杂的控制算法，实现数字化、网络化和智能化。
三、PID 控制器的模拟化设计
计算机控制系统的设计， 是指在给定系统性能指标的条件下， 设计出数字调节器， 使系统达到要的性能指标。 控制系统的设计通常分为离散化设计、 模拟化设计、 状态空间法设计和复杂规律控制的设计。PID控制器是应用最广泛的一种传统控制模式， 其输出与输入之间的关系为：
N（t）=Kp[e(t)+1/T i ƪe(t)dt+Td de(t)/dt
如果以传递函数的形式表示：
D(s)=U(s)/E(s)=Kp(1+1/T i s)
式中：
T i 为积分时间常数；
T d 为微分时间常数。
PID控制器的模拟化设计就是在已知对象特性G （s） 的情况下， 根据对系统性能的要求， 按照连续系统的设计方法设计出模拟PID控制器的数学模型D （s） ， 再将D （s） 离散化， 就得到数字PID控制器的数学模型D （z） 。
模拟PID控制器的数学模型D（s） 离散化到数字PID控制器的数学模型D （z） 的主要方法有： 脉冲不变法、 保持器等效法、 数值积分法和零极点匹配法。 其中数值积分法有前向矩形、 后向矩形及梯形积分3种：
前向矩形积分：
S=1-z-1 /T-z-1
向矩形积分：
S=1-z-1 /T
梯形积分：
S=2 1-z-1/ T1+z-1
式中：T 为采样时间， 其中梯形积分也称为双线性变换。
由此可见， 数字PID控制器与模拟PID控制器相比， 由于采样周期的存在， 总是有大约相当于二分之一采样时间的平均时延。 评价数字PID控制器与模拟PID控制器性能的一个指标是控制度。 随着采样时间的缩短， 控制度会愈加趋向于1， 数字PID控制器会越加接近于模拟PID控制器， 但总是略次于相应的模拟PID控制器。
在工业过程控制领域， 流量、 压力、 液位、 温度和成份等对象的变化都比较缓慢， 采样时间的选择都在秒级以上。 从PLC的运算速度来看， PLC完全能够满足工业过程控制系统的要求。
四、 西门子 PID 功能块 （ S ） FB41 的功能
西门子 S7-300/400 PLC提供的PID标准功能块（S） FB41是以传递函数式 （6） 为基础。
D（s）=D(s)=U(s)/E(s)=Kp(1+1/T i s)
经过双线性变换得到S=2 1-z-1/ T1+z-1
其功能框图如图1所示。
由图1可以看出， （S） FB41具备如下功能：
（1） P、 I、 D单独控制或组合控制；
（2） 带死区的PID控制；
（3） 不完全微分PID控制；
（4） 抗積分饱和PID控制；
（5） 变量DISV可以用作前馈控制；
（6） 正作用或反作用；
（7） 手、 自动无扰切换。
五、 西门子 PID 功能块 （ S ） FB41 的使用
不同的控制对象， 需要相应的PID控制回路具有不同的采样时间和循环时间。在串级控制策略中， 副回路的采样时间和循环时间要比主回路短很多。 而在西门子的各种手册和资料中， 都要求 （S）FB41的采样时间CYCLE必须与调用它的循环中断处理程序循环时间保持一致！ 这个问题在S7-400中还比较容易处理， S7-400 PLC提供了OB30-OB38多达9个循环中断， 可以把需要不同采样时间的PID回路放到不同的循环中断中调用。 但S7-300 PLC只提供了一个循环中断处理程序OB35， 用户对于成本方面的控制， 又使得S7-300 PLC的选用越来越普遍。如何能够在S7-300 PLC中实现需要不同采样时间和循环时间的多回路PID控制， 并能达到一个很好的控制效果， 是一个需要解决的难题。西门子为用户提供了OB35作为S7-300/400 PLC的一个循环中断处理程序， 可以根据实际需要设置循环时间。 为了实现多回路PID控制器不同的采样时间和循环时间的需求， 可以通过对OB35进行分时处理来实现。 例如设置OB35的循环时间为100ms，在OB35中再编写一个计数器， 每计到10调用一次A回路的PID控制器（S）FB41, 则相当于A回路的采样时间和循环时间为1s； 每计到20调用一次B回路的PID控制器（S）FB41, 则相当于B回路的采样时间和循环时间为2s。 这样就实现了在一个循环中断处理程序OB35中处理多回路PID控制器的功能。
六、 结束语
西门子PID功能块（S）FB41具有非常强大的功能， 但只有充分理解、 消化（S） FB41的实现方法后， 才能应用（S）FB41构建智能控制策略， 完成复杂的工业过程控制。我们通过多次试验终于将所有旁通阀的伺服控制器换上了西门子PLC的PID控制块，成功完成了预想的功能，实现了低成本高质量的生产模式，实现了自动化过程控制取代硬件设备的初衷。
七、参考文献
1、 郭一楠, 常俊林, 赵峻等. 过程控制系统. 北京： 机械工业出版社， 2009.
2、胡寿松. 自动控制原理（第四版） . 北京： 科学出版社， 2001.
3、何克忠, 李伟. 计算机控制系统. 北京： 清华大学出版社， 1998
4、徐丽娜. 数字控制 — 建模与分析、 设计与实现（第二版） . 北京： 科学出版社， 2006.
5、西门子技术支持与服务部.使用SFB41/FB41，SFB42/FB42，SFB43/FB43. 实现PID控制（2004.05版） .
Abstract: since it has a history of nearly 70 years, the adjustment, I adjustment with the deviation of p, d tuning PID control based on combination product and process control in development of, the most widely used form of automatic controller. Before the computers used in the production process, PID regulator of pneumatic, hydraulic and electric control system in continuous process almost occupy a monopoly position. It is still one of the most basic controls, because it can adapt to the requirements of most industrial objects control, PID control is still one of the preferred control method in engineering application.
關键词：PID 可编程序控制器 伺服驱动器工作原理
中图分类号：O213文献标识码： A
Keywords: PID programmable controller servo drives operation principle
前言：目前， 过程控制技术已广泛应用于钢铁企业的生产过程中，唐钢在，炼铁、烧结、炼钢、余压余热发电、汽轮机鼓风机、空压机、煤气柜、放散塔、循环水、软水站的各个生产过程中已经实现了自动化控制。常见的工业控制系统有分布式控制系统 （Distributed Control System， 简称DCS）可编程序逻辑控制器（Programmable Logic Controller， 简称PLC）两大类。 一般来说， DCS适合连续过程控制， PLC适合逻辑程序控制。随着可编程序控制器在各大生产部门中的普遍应用和处理能力的不断扩展和提升， 各种仪表的数据量、过程量的调节也越来越多地由PLC来完成。西门子为我们提供了强大的标准PID功能块（S） FB41/ （S） FB42/ （S）FB43, 又为大惯量的温度控制系统提供了FB58/59功能块。 其中， （S） FB41应用得最为广泛。在实际应用过程中， 如果一个PLC系统的PID控制回路比较少， 而且都是单回路PID控制器， （S）FB41都能取得很好的控制效果。 反之， 如果PID控制回路比较多， 或是有串级控制等复杂控制策略的情况下， （S） FB41控制效果就会变得比较差。 这种现象极大地限制了PLC系统在工业过程控制领域中的应用。
一、西门子PID 控制器应用
这里介绍的主要是用FB41块作为伺服控制器功能实现对阀门的过程控制。实际生产中考虑的阀门的电气平衡点问题，比如12mA平衡点的阀门，在接收仪表4-20mA的指令时，如果指令大于12mA，阀门会打开；如果小于12mA阀门会关闭。通过试验我们建立了此阀的平衡点50%输出时对应12mA，用西门子FB41功能块在阀门建立油压后能实现。这就意味着手动操作状态下我们能够用西门子PID控制器实现对阀门的操作，接下来就是考虑自动条件下如何实现PID控制器的调节，试验发现有平衡点的阀门很难在自动条件建立平衡点，无论比例积分怎么调整，阀门总是不停开关波动，至此自动PID控制阀门没能实现。不过根据生产的需要我们设计的控制器已经满足了需求，接下来就是对阀门的稳定性、及时性、准确性进行调整，也就是PID控制器的三个重要参数的调整过程。试验中我们发现PID控制器在没有联锁工作的条件是失效模式，由于不同阀门的特性不同，当低于或高于平衡点很小的偏差（产生偏差意味着阀门动作），此时阀门联锁动作到给定值时，阀门可能关闭或开最大值，检查发现主要原因是控制器失效，当把控制器长期放在工作状态时这一现象即可就消除了。最后我们用西门子PLC的PID控制器彻底取代了伺服控制器，这不但省去了我们排查控制器故障时的维修时间，而且极大的减少了设备的成本。
二、伺服驱动器简介
伺服驱动器（servo drives）又称为“伺服控制器”、“伺服放大器”，是用来控制伺服电机的一种控制器，其作用类似于变频器作用于普通交流马达，属于伺服系统的一部分，主要应用于高精度的定位系统。目前主流的伺服驱动器均采用数字信号处理器（DSP）作为控制核心，可以实现比较复杂的控制算法，实现数字化、网络化和智能化。
三、PID 控制器的模拟化设计
计算机控制系统的设计， 是指在给定系统性能指标的条件下， 设计出数字调节器， 使系统达到要的性能指标。 控制系统的设计通常分为离散化设计、 模拟化设计、 状态空间法设计和复杂规律控制的设计。PID控制器是应用最广泛的一种传统控制模式， 其输出与输入之间的关系为：
N（t）=Kp[e(t)+1/T i ƪe(t)dt+Td de(t)/dt
如果以传递函数的形式表示：
D(s)=U(s)/E(s)=Kp(1+1/T i s)
式中：
T i 为积分时间常数；
T d 为微分时间常数。
PID控制器的模拟化设计就是在已知对象特性G （s） 的情况下， 根据对系统性能的要求， 按照连续系统的设计方法设计出模拟PID控制器的数学模型D （s） ， 再将D （s） 离散化， 就得到数字PID控制器的数学模型D （z） 。
模拟PID控制器的数学模型D（s） 离散化到数字PID控制器的数学模型D （z） 的主要方法有： 脉冲不变法、 保持器等效法、 数值积分法和零极点匹配法。 其中数值积分法有前向矩形、 后向矩形及梯形积分3种：
前向矩形积分：
S=1-z-1 /T-z-1
向矩形积分：
S=1-z-1 /T
梯形积分：
S=2 1-z-1/ T1+z-1
式中：T 为采样时间， 其中梯形积分也称为双线性变换。
由此可见， 数字PID控制器与模拟PID控制器相比， 由于采样周期的存在， 总是有大约相当于二分之一采样时间的平均时延。 评价数字PID控制器与模拟PID控制器性能的一个指标是控制度。 随着采样时间的缩短， 控制度会愈加趋向于1， 数字PID控制器会越加接近于模拟PID控制器， 但总是略次于相应的模拟PID控制器。
在工业过程控制领域， 流量、 压力、 液位、 温度和成份等对象的变化都比较缓慢， 采样时间的选择都在秒级以上。 从PLC的运算速度来看， PLC完全能够满足工业过程控制系统的要求。
四、 西门子 PID 功能块 （ S ） FB41 的功能
西门子 S7-300/400 PLC提供的PID标准功能块（S） FB41是以传递函数式 （6） 为基础。
D（s）=D(s)=U(s)/E(s)=Kp(1+1/T i s)
经过双线性变换得到S=2 1-z-1/ T1+z-1
其功能框图如图1所示。
由图1可以看出， （S） FB41具备如下功能：
（1） P、 I、 D单独控制或组合控制；
（2） 带死区的PID控制；
（3） 不完全微分PID控制；
（4） 抗積分饱和PID控制；
（5） 变量DISV可以用作前馈控制；
（6） 正作用或反作用；
（7） 手、 自动无扰切换。
五、 西门子 PID 功能块 （ S ） FB41 的使用
不同的控制对象， 需要相应的PID控制回路具有不同的采样时间和循环时间。在串级控制策略中， 副回路的采样时间和循环时间要比主回路短很多。 而在西门子的各种手册和资料中， 都要求 （S）FB41的采样时间CYCLE必须与调用它的循环中断处理程序循环时间保持一致！ 这个问题在S7-400中还比较容易处理， S7-400 PLC提供了OB30-OB38多达9个循环中断， 可以把需要不同采样时间的PID回路放到不同的循环中断中调用。 但S7-300 PLC只提供了一个循环中断处理程序OB35， 用户对于成本方面的控制， 又使得S7-300 PLC的选用越来越普遍。如何能够在S7-300 PLC中实现需要不同采样时间和循环时间的多回路PID控制， 并能达到一个很好的控制效果， 是一个需要解决的难题。西门子为用户提供了OB35作为S7-300/400 PLC的一个循环中断处理程序， 可以根据实际需要设置循环时间。 为了实现多回路PID控制器不同的采样时间和循环时间的需求， 可以通过对OB35进行分时处理来实现。 例如设置OB35的循环时间为100ms，在OB35中再编写一个计数器， 每计到10调用一次A回路的PID控制器（S）FB41, 则相当于A回路的采样时间和循环时间为1s； 每计到20调用一次B回路的PID控制器（S）FB41, 则相当于B回路的采样时间和循环时间为2s。 这样就实现了在一个循环中断处理程序OB35中处理多回路PID控制器的功能。
六、 结束语
西门子PID功能块（S）FB41具有非常强大的功能， 但只有充分理解、 消化（S） FB41的实现方法后， 才能应用（S）FB41构建智能控制策略， 完成复杂的工业过程控制。我们通过多次试验终于将所有旁通阀的伺服控制器换上了西门子PLC的PID控制块，成功完成了预想的功能，实现了低成本高质量的生产模式，实现了自动化过程控制取代硬件设备的初衷。
七、参考文献
1、 郭一楠, 常俊林, 赵峻等. 过程控制系统. 北京： 机械工业出版社， 2009.
2、胡寿松. 自动控制原理（第四版） . 北京： 科学出版社， 2001.
3、何克忠, 李伟. 计算机控制系统. 北京： 清华大学出版社， 1998
4、徐丽娜. 数字控制 — 建模与分析、 设计与实现（第二版） . 北京： 科学出版社， 2006.
5、西门子技术支持与服务部.使用SFB41/FB41，SFB42/FB42，SFB43/FB43. 实现PID控制（2004.05版） .