5.4 PID控制原理与应用
本节将介绍PID控制的原理和PLC实现方法，PID是工业控制中最重要的闭环控制算法
学习目标
- 理解PID控制的基本原理
- 掌握P、I、D各参数的作用
- 学会PID参数的整定方法
- 能够在PLC中实现PID控制
- 掌握温度PID控制系统设计
1. PID控制原理
1.1 开环控制与闭环控制
开环控制（无反馈）：
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ │
│ 设定值 ──→ 控制器 ──→ 执行器 ──→ 被控对象 ──→ 输出 │
│ │
│ 特点：简单，但无法补偿干扰 │
│ 例如：定时器控制加热时间 │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘
闭环控制（有反馈）：
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ │
│ 设定值 ──→⊕──→ 控制器 ──→ 执行器 ──→ 被控对象 ──→ 输出 │
│ ↑- │ │
│ │ │ │
│ └──────── 传感器 ←────────────────────┘ │
│ 反馈 │
│ │
│ 特点：能自动补偿干扰，保持输出稳定 │
│ 例如：温度PID控制 │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘1.2 PID控制器概念
PID = Proportional（比例）+ Integral（积分）+ Derivative（微分）
PID控制器结构：
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ │
│ ┌─────────────┐ │
│ ┌───→│ P（比例） │───┐ │
│ │ └─────────────┘ │ │
│ │ ┌─────────────┐ │ ┌─────┐ │
│ 误差 ──┼───→│ I（积分） │───┼───→│ Σ │──→ 输出 │
│ e(t) │ └─────────────┘ │ └─────┘ │
│ │ ┌─────────────┐ │ │
│ └───→│ D（微分） │───┘ │
│ └─────────────┘ │
│ │
│ 误差 e(t) = 设定值(SP) - 测量值(PV) │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘1.3 PID数学公式
PID控制公式：
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ │
│ 连续形式： │
│ 1 t de(t) │
│ u(t) = Kp × [e(t) + ─── ∫ e(τ)dτ + Td × ────] │
│ Ti 0 dt │
│ │
│ 离散形式（PLC实现）： │
│ T k Td │
│ u(k) = Kp × [e(k) + ─── × Σ e(j) + ─── × (e(k)-e(k-1))] │
│ Ti j=0 T │
│ │
│ 参数说明： │
│ Kp - 比例增益 │
│ Ti - 积分时间 │
│ Td - 微分时间 │
│ T - 采样周期 │
│ e - 误差 │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘【停顿总结1】 已完成约500字，介绍了：
- 开环控制与闭环控制的区别
- PID控制器的基本概念（比例+积分+微分）
- PID控制器的结构框图
- PID数学公式（连续形式和离散形式）
继续填充P、I、D各部分的详细作用：
2. 比例控制（P）
2.1 比例控制原理
比例控制特性：
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ │
│ 公式：P输出 = Kp × e(t) │
│ │
│ 输出与误差成正比： │
│ • 误差大 → 输出大 → 快速调节 │
│ • 误差小 → 输出小 → 缓慢调节 │
│ │
│ 响应曲线： │
│ 输出 │
│ ↑ 设定值 │
│ │ ──────────────────────── │
│ │ ╱ │
│ │ ╱ ← 纯P控制响应 │
│ │ ╱ │
│ │╱ 稳态误差（无法消除） │
│ └────────────────────────────→ 时间 │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘2.2 Kp参数影响
| Kp值 | 响应速度 | 超调量 | 稳态误差 | 稳定性 |
|---|---|---|---|---|
| 过小 | 慢 | 小 | 大 | 稳定 |
| 适中 | 适中 | 适中 | 存在 | 稳定 |
| 过大 | 快 | 大 | 小 | 可能振荡 |
不同Kp值的响应对比：
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ │
│ 输出 │
│ ↑ 设定值 │
│ │ ────────────────────────────── │
│ │ ╭──╮ │
│ │ ╱ ╲ ╭─╮ │
│ │ ╱ ╲╯ ╲──── Kp大（快速但振荡） │
│ │ ╱ ────── Kp适中（较好） │
│ │╱ ─────────── Kp小（慢，误差大） │
│ └────────────────────────────────→ 时间 │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘3. 积分控制（I）
3.1 积分控制原理
积分控制特性：
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ │
│ 公式：I输出 = (Kp/Ti) × ∫e(t)dt │
│ │
│ 积分作用： │
│ • 累积误差，消除稳态偏差 │
│ • 只要有误差存在，积分项就会增长 │
│ • 直到误差为零，积分停止变化 │
│ │
│ 积分消除稳态误差： │
│ 输出 │
│ ↑ 设定值 │
│ │ ────────────────────────────── │
│ │ ╭─────────────────────── PI控制（无稳态误差） │
│ │ ╱ │
│ │ ╱ ─────────────────────── P控制（有稳态误差） │
│ │ ╱ │
│ │ ╱ │
│ └────────────────────────────────→ 时间 │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘3.2 Ti参数影响
| Ti值 | 积分作用 | 消除误差速度 | 超调量 | 稳定性 |
|---|---|---|---|---|
| 过小 | 太强 | 快 | 大 | 易振荡 |
| 适中 | 适中 | 适中 | 适中 | 稳定 |
| 过大 | 太弱 | 慢 | 小 | 稳定 |
| ∞ | 无 | 不消除 | - | - |
3.3 积分饱和问题
积分饱和（Windup）现象：
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ │
│ 当执行器饱和时，积分项继续累积，导致： │
│ │
│ 输出 │
│ ↑ 执行器上限 │
│ │ ═══════════════════════════════ │
│ │ 积分累积区域 │
│ │ ╱─────────────╲ │
│ │ ╱ ╲ │
│ │ ╱ ╲ ← 超调严重 │
│ │ ╱ ╲ │
│ └──────────────────────────────→ 时间 │
│ │
│ 解决方法： │
│ 1. 积分限幅：限制积分项的最大值 │
│ 2. 条件积分：误差小于阈值时才积分 │
│ 3. 积分分离：误差大时停止积分 │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘【停顿总结2】 已完成约1000字，新增内容：
- 比例控制（P）的原理和Kp参数影响
- 积分控制（I）的作用——消除稳态误差
- Ti参数对系统的影响
- 积分饱和问题及解决方法
继续填充微分控制和PID参数整定：
4. 微分控制（D）
4.1 微分控制原理
微分控制特性：
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ │
│ 公式：D输出 = Kp × Td × de(t)/dt │
│ │
│ 微分作用： │
│ • 根据误差变化率进行调节 │
│ • 预测误差趋势，提前调节 │
│ • 抑制超调，加快稳定 │
│ │
│ 微分的"预测"作用： │
│ │
│ 误差 │
│ ↑ │
│ │ ╲ │
│ │ ╲ ← 误差正在减小 │
│ │ ╲ 微分输出为负 │
│ │ ╲ 提前减小控制量 │
│ │ ╲ │
│ └──────────────────────────→ 时间 │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘4.2 Td参数影响
| Td值 | 微分作用 | 抑制超调 | 抗干扰 | 稳定性 |
|---|---|---|---|---|
| 0 | 无 | 无 | 差 | - |
| 适中 | 适中 | 好 | 好 | 稳定 |
| 过大 | 太强 | 过度 | 放大噪声 | 可能振荡 |
4.3 微分的局限性
微分对噪声敏感：
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ │
│ 真实信号（含噪声）： │
│ ╭╮ ╭╮ │
│ ╱╲╱╲╱╲───── │
│ ╱ │
│ ╱ │
│ │
│ 微分后（噪声被放大）： │
│ │ │ │ │
│ │ │ │ │ ← 噪声被放大 │
│ ──┼─┼─┼─┼──── │
│ │ │ │ │
│ │
│ 解决方法： │
│ 1. 对测量值先滤波再微分 │
│ 2. 使用不完全微分 │
│ 3. 对设定值微分而非误差微分 │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘4.4 PID各项作用总结
| 参数 | 主要作用 | 副作用 | 调节方向 |
|---|---|---|---|
| Kp | 加快响应 | 产生稳态误差 | 大→快响应 |
| Ti | 消除稳态误差 | 增加超调 | 小→快消除 |
| Td | 抑制超调 | 放大噪声 | 大→强抑制 |
5. PID参数整定方法
5.1 试凑法
试凑法步骤：
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ │
│ 步骤1：先整定P │
│ ├─设Ti=∞，Td=0（只用P） │
│ ├─从小到大调Kp，直到响应较快但不振荡 │
│ └─记录此时的Kp值 │
│ │
│ 步骤2：加入I │
│ ├─保持Kp，设Td=0 │
│ ├─从大到小调Ti，观察稳态误差消除速度 │
│ ├─Ti太小会振荡，太大消除误差慢 │
│ └─选择合适的Ti值 │
│ │
│ 步骤3：加入D（如需要） │
│ ├─保持Kp、Ti │
│ ├─从小到大调Td，观察超调抑制效果 │
│ ├─Td太大会放大噪声 │
│ └─选择合适的Td值 │
│ │
│ 步骤4：微调 │
│ └─根据实际效果微调各参数 │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘5.2 Ziegler-Nichols临界比例法
Z-N临界比例法步骤：
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ │
│ 步骤1：设Ti=∞，Td=0，只用P控制 │
│ │
│ 步骤2：逐渐增大Kp，直到系统出现等幅振荡 │
│ 记录此时的Kp为Ku（临界增益） │
│ 记录振荡周期为Tu（临界周期） │
│ │
│ 步骤3：根据下表计算PID参数 │
│ │
│ ┌─────────┬──────────┬──────────┬──────────┐ │
│ │ 控制器 │ Kp │ Ti │ Td │ │
│ ├─────────┼──────────┼──────────┼──────────┤ │
│ │ P │ 0.5×Ku │ ∞ │ 0 │ │
│ │ PI │ 0.45×Ku │ Tu/1.2 │ 0 │ │
│ │ PID │ 0.6×Ku │ Tu/2 │ Tu/8 │ │
│ └─────────┴──────────┴──────────┴──────────┘ │
│ │
│ 示例：Ku=2.0，Tu=10秒 │
│ PID参数：Kp=1.2，Ti=5秒，Td=1.25秒 │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘5.3 阶跃响应法
阶跃响应法（适用于一阶惯性+纯滞后系统）：
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ │
│ 步骤1：给系统施加阶跃输入，记录响应曲线 │
│ │
│ 输出 │
│ ↑ ────────────────────── 稳态值K │
│ │ ╱ │
│ │ ╱ │ │
│ │ ╱ │← 最大斜率点 │
│ │ ╱ │ │
│ ─┼─────┼──────────────────→ 时间 │
│ │←L→│←──── T ────→│ │
│ 滞后时间 时间常数 │
│ │
│ 步骤2：测量参数 │
│ K - 稳态增益（输出变化/输入变化） │
│ L - 纯滞后时间 │
│ T - 时间常数 │
│ │
│ 步骤3：计算PID参数 │
│ ┌─────────┬───────────┬──────────┬──────────┐ │
│ │ 控制器 │ Kp │ Ti │ Td │ │
│ ├─────────┼───────────┼──────────┼──────────┤ │
│ │ PI │ 0.9T/(KL) │ 3.3L │ 0 │ │
│ │ PID │ 1.2T/(KL) │ 2L │ 0.5L │ │
│ └─────────┴───────────┴──────────┴──────────┘ │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘【停顿总结3】 已完成约1500字，新增内容：
- 微分控制（D）的原理和"预测"作用
- Td参数影响及微分对噪声敏感的问题
- PID各项作用的综合对比表
- 试凑法整定步骤
- Ziegler-Nichols临界比例法
- 阶跃响应法
继续填充PLC中的PID功能块和温度控制实例：
6. PLC中的PID功能块
6.1 西门子PID_Compact功能块
西门子S7-1200/1500 PID_Compact：
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ │
│ ┌─────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ PID_Compact │ │
│ │ │ │
│ │ Setpoint ────→ SP OUT ────→ 输出 │
│ │ Input ───────→ PV │ │
│ │ ManualEnable ─→ Mode ───→ 模式 │
│ │ ManualValue ──→ Error ──→ 故障 │
│ │ │ │
│ │ 参数（在功能块属性中设置）： │ │
│ │ • Gain (Kp) │ │
│ │ • Ti (积分时间) │ │
│ │ • Td (微分时间) │ │
│ │ • Cycle (采样周期) │ │
│ │ • OutputUpperLimit (输出上限) │ │
│ │ • OutputLowerLimit (输出下限) │ │
│ │ │ │
│ └─────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘6.2 西门子PID调用程序
pascal
// 西门子S7-1200 PID_Compact调用示例
// 在循环中断OB（如OB35，100ms）中调用
// 数据块实例
"PID_Temperature"(
Setpoint := "DB_Temp".SP_Temperature, // 设定值
Input := "DB_Temp".PV_Temperature, // 测量值
ManualEnable := "DB_Temp".ManualMode, // 手动使能
ManualValue := "DB_Temp".ManualOutput, // 手动输出值
Output => "DB_Temp".PID_Output, // 控制输出
OutputLimitActive => "DB_Temp".Limit_Active // 限幅激活
);
// PID参数配置（在功能块属性中）：
// Gain = 2.0 （比例增益）
// Ti = 30.0s （积分时间）
// Td = 5.0s （微分时间）
// Cycle = 0.1s （采样周期100ms）
// OutputUpperLimit = 100.0
// OutputLowerLimit = 0.0
// 输出到模拟量
"DB_Temp".AO_Raw := REAL_TO_INT("DB_Temp".PID_Output / 100.0 * 27648.0);
%QW96 := "DB_Temp".AO_Raw;6.3 三菱PID指令
三菱FX系列PID指令：
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ │
│ 指令格式：PID S1 S2 S3 D │
│ │
│ 参数说明： │
│ S1 - 设定值（SV）所在寄存器 │
│ S2 - 测量值（PV）所在寄存器 │
│ S3 - 参数表起始地址（连续25个寄存器） │
│ D - 输出值（MV）所在寄存器 │
│ │
│ 参数表结构（S3起始）： │
│ ┌───────┬─────────────────────────────────┐ │
│ │ 偏移 │ 说明 │ │
│ ├───────┼─────────────────────────────────┤ │
│ │ +0 │ 动作方向（0=正作用，1=反作用） │ │
│ │ +1 │ 输入滤波系数 │ │
│ │ +2 │ Kp×100（如Kp=2.5则填250） │ │
│ │ +3 │ Ti×100ms（如Ti=30s则填30000） │ │
│ │ +4 │ Td×10ms（如Td=5s则填5000） │ │
│ │ +5 │ 采样周期Ts（单位10ms） │ │
│ │ +6 │ 输出上限 │ │
│ │ +7 │ 输出下限 │ │
│ │ +8~+24│ 内部工作区（自动使用） │ │
│ └───────┴─────────────────────────────────┘ │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘6.4 三菱PID程序示例
三菱FX PID温度控制程序：
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ │
│ // 变量定义： │
│ // D0 = 温度设定值（0~1000，代表0~100.0°C） │
│ // D10 = 温度测量值 │
│ // D100 = PID参数表起始（D100~D124） │
│ // D200 = PID输出值（0~1000） │
│ │
│ // ============================================ │
│ // 初始化PID参数（首次扫描执行） │
│ // ============================================ │
│ LD M8002 // 首次扫描脉冲 │
│ MOV K0 D100 // 动作方向：正作用 │
│ MOV K50 D101 // 输入滤波系数 │
│ MOV K200 D102 // Kp=2.0（200/100） │
│ MOV K30000 D103 // Ti=30s（30000×100ms） │
│ MOV K5000 D104 // Td=5s（5000×10ms） │
│ MOV K10 D105 // 采样周期100ms（10×10ms） │
│ MOV K1000 D106 // 输出上限1000 │
│ MOV K0 D107 // 输出下限0 │
│ │
│ // ============================================ │
│ // PID运算（周期性执行） │
│ // ============================================ │
│ LD M8000 // 常ON │
│ PID D0 D10 D100 D200 // 执行PID运算 │
│ // D200为输出（0~1000） │
│ │
│ // ============================================ │
│ // 输出到DA模块（0~1000 → 0~4000） │
│ // ============================================ │
│ MUL D200 K4 D210 // ×4 │
│ TO K1 K0 D210 K1 // 输出到1号DA模块 │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘【停顿总结4】 已完成约2000字，新增内容：
- 西门子PID_Compact功能块介绍
- 西门子PID调用程序示例
- 三菱PID指令格式和参数表结构
- 三菱PID程序示例
继续填充自编PID算法和温度控制实例：
7. 自编PID算法
7.1 位置式PID算法
pascal
// 位置式PID算法
// 输出 = Kp×e + Ki×∑e + Kd×(e-e_last)
FUNCTION_BLOCK "FB_PID_Position"
VERSION : 0.1
VAR_INPUT
SetPoint : REAL; // 设定值
ProcessVar : REAL; // 测量值
Kp : REAL; // 比例增益
Ki : REAL; // 积分增益（Kp/Ti）
Kd : REAL; // 微分增益（Kp×Td）
OutMax : REAL; // 输出上限
OutMin : REAL; // 输出下限
Enable : BOOL; // 使能
Reset : BOOL; // 复位
END_VAR
VAR_OUTPUT
Output : REAL; // 控制输出
Error : REAL; // 当前误差
END_VAR
VAR
Integral : REAL := 0.0; // 积分累加
LastError : REAL := 0.0; // 上次误差
P_Term : REAL; // P项
I_Term : REAL; // I项
D_Term : REAL; // D项
END_VAR
BEGIN
IF #Reset THEN
#Integral := 0.0;
#LastError := 0.0;
#Output := 0.0;
ELSIF #Enable THEN
// 计算误差
#Error := #SetPoint - #ProcessVar;
// P项
#P_Term := #Kp * #Error;
// I项（带抗积分饱和）
#Integral := #Integral + #Error;
// 积分限幅
IF #Integral > #OutMax / #Ki THEN
#Integral := #OutMax / #Ki;
ELSIF #Integral < #OutMin / #Ki THEN
#Integral := #OutMin / #Ki;
END_IF;
#I_Term := #Ki * #Integral;
// D项
#D_Term := #Kd * (#Error - #LastError);
#LastError := #Error;
// 计算输出
#Output := #P_Term + #I_Term + #D_Term;
// 输出限幅
IF #Output > #OutMax THEN
#Output := #OutMax;
ELSIF #Output < #OutMin THEN
#Output := #OutMin;
END_IF;
END_IF;
END_FUNCTION_BLOCK7.2 增量式PID算法
pascal
// 增量式PID算法
// Δu = Kp×(e-e1) + Ki×e + Kd×(e-2e1+e2)
// u = u_last + Δu
FUNCTION_BLOCK "FB_PID_Incremental"
VERSION : 0.1
VAR_INPUT
SetPoint : REAL; // 设定值
ProcessVar : REAL; // 测量值
Kp : REAL; // 比例增益
Ki : REAL; // 积分增益
Kd : REAL; // 微分增益
OutMax : REAL; // 输出上限
OutMin : REAL; // 输出下限
Enable : BOOL; // 使能
Reset : BOOL; // 复位
END_VAR
VAR_OUTPUT
Output : REAL; // 控制输出
Error : REAL; // 当前误差
END_VAR
VAR
Error_1 : REAL := 0.0; // 上次误差e(k-1)
Error_2 : REAL := 0.0; // 上上次误差e(k-2)
LastOutput : REAL := 0.0; // 上次输出
DeltaOut : REAL; // 输出增量
END_VAR
BEGIN
IF #Reset THEN
#Error_1 := 0.0;
#Error_2 := 0.0;
#LastOutput := 0.0;
#Output := 0.0;
ELSIF #Enable THEN
// 计算误差
#Error := #SetPoint - #ProcessVar;
// 计算增量
// Δu = Kp×(e-e1) + Ki×e + Kd×(e-2e1+e2)
#DeltaOut := #Kp * (#Error - #Error_1) +
#Ki * #Error +
#Kd * (#Error - 2.0 * #Error_1 + #Error_2);
// 更新输出
#Output := #LastOutput + #DeltaOut;
// 输出限幅
IF #Output > #OutMax THEN
#Output := #OutMax;
ELSIF #Output < #OutMin THEN
#Output := #OutMin;
END_IF;
// 保存历史值
#Error_2 := #Error_1;
#Error_1 := #Error;
#LastOutput := #Output;
END_IF;
END_FUNCTION_BLOCK7.3 位置式与增量式对比
| 特性 | 位置式PID | 增量式PID |
|---|---|---|
| 输出 | 绝对值 | 增量值 |
| 积分累加 | 需要 | 不需要 |
| 手/自切换 | 需要无扰切换处理 | 自然无扰 |
| 积分饱和 | 需要处理 | 不易饱和 |
| 适用场合 | 一般控制 | 步进/伺服控制 |
8. 应用实例：温度PID控制系统
8.1 系统需求
烘箱温度PID控制系统：
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ │
│ 控制对象：电加热烘箱 │
│ 控制目标：恒温控制，精度±1°C │
│ │
│ 硬件配置： │
│ • PLC：西门子S7-1200 │
│ • 温度传感器：PT100（0~300°C） │
│ • 执行器：固态继电器（SSR）控制加热 │
│ • 控制方式：PWM输出（周期1秒） │
│ │
│ 控制要求： │
│ • 设定范围：室温~250°C │
│ • 升温时间：室温到200°C < 30分钟 │
│ • 稳态精度：±1°C │
│ • 无超调或超调<5°C │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘8.2 系统架构
温度PID控制系统架构：
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ │
│ ┌─────┐ ┌─────┐ ┌─────┐ ┌─────┐ ┌─────┐ │
│ │ HMI │───→│ PLC │───→│ SSR │───→│加热器│───→│烘箱 │ │
│ │设定值│ │ PID │ │ │ │ │ │ │ │
│ └─────┘ └──┬──┘ └─────┘ └─────┘ └──┬──┘ │
│ │ │ │
│ │ ┌─────────────────────┘ │
│ │ │ │
│ │ ↓ │
│ │ ┌─────────┐ │
│ └────│ PT100 │ │
│ │温度传感器│ │
│ └─────────┘ │
│ │
│ 信号流： │
│ 设定值(SP) ──┐ │
│ ⊕──→ PID ──→ 0~100% ──→ PWM ──→ SSR开关 │
│ 测量值(PV) ──┘ 输出 │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘8.3 完整控制程序
数据块定义：
pascal
// DB_TempPID - 温度PID控制数据块
DATA_BLOCK "DB_TempPID"
VERSION : 0.1
STRUCT
// 设定值与测量值
SP_Temp : REAL := 150.0; // 温度设定值（°C）
PV_Temp : REAL; // 温度测量值（°C）
// PID参数
PID_Kp : REAL := 3.0; // 比例增益
PID_Ti : REAL := 120.0; // 积分时间（秒）
PID_Td : REAL := 30.0; // 微分时间（秒）
// PID输出
PID_Output : REAL; // PID输出（0~100%）
// PWM参数
PWM_Period : INT := 1000; // PWM周期（ms）
PWM_Counter : INT; // PWM计数器
PWM_Output : BOOL; // PWM输出
// 状态与报警
Enable : BOOL; // PID使能
Manual_Mode : BOOL; // 手动模式
Manual_Output : REAL; // 手动输出值
Alarm_High : BOOL; // 高温报警
Alarm_Low : BOOL; // 低温报警
Alarm_Break : BOOL; // 断线报警
// 内部变量
AI_Raw : INT; // 模拟量原始值
END_STRUCT;
END_DATA_BLOCKOB35循环中断（100ms）- PID运算：
pascal
// OB35 - 100ms循环中断，PID运算
ORGANIZATION_BLOCK "PID_Cyclic"
VERSION : 0.1
BEGIN
// ========================================
// 温度PID控制程序
// 采样周期：100ms
// ========================================
// 1. 读取温度（PT100模块）
"DB_TempPID".AI_Raw := %IW64;
// 断线检测
IF ("DB_TempPID".AI_Raw > 32000) OR ("DB_TempPID".AI_Raw < -500) THEN
"DB_TempPID".Alarm_Break := TRUE;
"DB_TempPID".PV_Temp := 0.0;
ELSE
"DB_TempPID".Alarm_Break := FALSE;
// 转换为温度值（假设原始值直接为温度×10）
"DB_TempPID".PV_Temp := INT_TO_REAL("DB_TempPID".AI_Raw) / 10.0;
END_IF;
// 2. 高低温报警
IF "DB_TempPID".PV_Temp > 260.0 THEN
"DB_TempPID".Alarm_High := TRUE;
ELSE
"DB_TempPID".Alarm_High := FALSE;
END_IF;
IF "DB_TempPID".PV_Temp < 30.0 AND "DB_TempPID".Enable THEN
"DB_TempPID".Alarm_Low := TRUE;
ELSE
"DB_TempPID".Alarm_Low := FALSE;
END_IF;
// 3. PID控制
IF "DB_TempPID".Enable AND NOT "DB_TempPID".Alarm_Break THEN
IF "DB_TempPID".Manual_Mode THEN
// 手动模式
"DB_TempPID".PID_Output := "DB_TempPID".Manual_Output;
ELSE
// 自动模式 - 调用PID功能块
"PID_Temp_Instance"(
Setpoint := "DB_TempPID".SP_Temp,
Input := "DB_TempPID".PV_Temp,
Output => "DB_TempPID".PID_Output
);
END_IF;
ELSE
// 停止时输出为0
"DB_TempPID".PID_Output := 0.0;
END_IF;
// 输出限幅
IF "DB_TempPID".PID_Output > 100.0 THEN
"DB_TempPID".PID_Output := 100.0;
ELSIF "DB_TempPID".PID_Output < 0.0 THEN
"DB_TempPID".PID_Output := 0.0;
END_IF;
// 高温保护
IF "DB_TempPID".Alarm_High THEN
"DB_TempPID".PID_Output := 0.0;
END_IF;
END_ORGANIZATION_BLOCKOB1主程序 - PWM输出：
pascal
// OB1 - 主程序，PWM生成
ORGANIZATION_BLOCK "Main"
VERSION : 0.1
VAR_TEMP
PWM_OnTime : INT; // PWM导通时间
END_VAR
BEGIN
// ========================================
// PWM输出生成
// 周期1000ms，在主程序中计数
// ========================================
// 计算导通时间（输出百分比 × 周期）
#PWM_OnTime := REAL_TO_INT("DB_TempPID".PID_Output / 100.0 *
INT_TO_REAL("DB_TempPID".PWM_Period));
// PWM计数器（每个扫描周期约10ms）
"DB_TempPID".PWM_Counter := "DB_TempPID".PWM_Counter + 10;
IF "DB_TempPID".PWM_Counter >= "DB_TempPID".PWM_Period THEN
"DB_TempPID".PWM_Counter := 0;
END_IF;
// PWM输出判断
IF "DB_TempPID".PWM_Counter < #PWM_OnTime THEN
"DB_TempPID".PWM_Output := TRUE;
ELSE
"DB_TempPID".PWM_Output := FALSE;
END_IF;
// 输出到DO点（控制SSR）
%Q0.0 := "DB_TempPID".PWM_Output AND "DB_TempPID".Enable;
// 状态指示
%Q0.1 := "DB_TempPID".Enable; // 运行指示
%Q0.2 := "DB_TempPID".Alarm_High; // 高温报警
%Q0.3 := "DB_TempPID".Alarm_Break; // 断线报警
END_ORGANIZATION_BLOCK【停顿总结5】 已完成约2800字，新增内容：
- 自编位置式PID算法（带抗积分饱和）
- 自编增量式PID算法
- 位置式与增量式PID对比
- 温度PID控制系统需求和架构
- 完整控制程序（数据块、PID运算、PWM输出）
继续完成PID调试和本节总结：
9. PID调试与优化
9.1 调试步骤
PID调试实践步骤：
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ │
│ 步骤1：系统检查 │
│ ├─确认传感器工作正常，测量值准确 │
│ ├─确认执行器动作正确（手动测试） │
│ └─确认PID输出能正常控制执行器 │
│ │
│ 步骤2：确定控制方向 │
│ ├─正作用：PV上升时输出应下降（如制冷） │
│ └─反作用：PV上升时输出应上升（如加热） │
│ │
│ 步骤3：初始参数设置 │
│ ├─Kp = 1.0（起始值） │
│ ├─Ti = 9999（先关闭积分） │
│ └─Td = 0（先关闭微分） │
│ │
│ 步骤4：调整Kp │
│ ├─逐步增大Kp，观察响应 │
│ ├─直到响应较快但不振荡 │
│ └─记录此时Kp值 │
│ │
│ 步骤5：加入Ti │
│ ├─设置Ti，从大值开始（如120秒） │
│ ├─逐步减小Ti，直到稳态误差消除 │
│ └─Ti太小会引起振荡 │
│ │
│ 步骤6：加入Td（如需要） │
│ ├─从小值开始（如Ti/4） │
│ ├─观察超调是否减小 │
│ └─Td太大会放大噪声 │
│ │
│ 步骤7：整体优化 │
│ └─根据实际响应微调各参数 │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘9.2 常见问题与解决
| 现象 | 可能原因 | 解决方法 |
|---|---|---|
| 响应慢 | Kp太小 | 增大Kp |
| 持续振荡 | Kp太大或Ti太小 | 减小Kp或增大Ti |
| 有稳态误差 | 无积分或Ti太大 | 加入或减小Ti |
| 超调大 | Ti太小或无微分 | 增大Ti或加入Td |
| 输出抖动 | Td太大/噪声 | 减小Td或加滤波 |
| 单向偏差 | 传感器误差 | 校准传感器 |
9.3 参数记录表
PID参数记录表（建议保存）：
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ │
│ 项目名称：烘箱温度控制 │
│ 调试日期：2024-XX-XX │
│ 调试人员： │
│ │
│ 最终参数： │
│ ┌────────────┬────────────┬────────────────────────┐ │
│ │ 参数 │ 值 │ 备注 │ │
│ ├────────────┼────────────┼────────────────────────┤ │
│ │ Kp │ 3.0 │ │ │
│ │ Ti │ 120s │ 积分时间 │ │
│ │ Td │ 30s │ 微分时间 │ │
│ │ 采样周期 │ 100ms │ OB35周期 │ │
│ │ 输出上限 │ 100% │ │ │
│ │ 输出下限 │ 0% │ │ │
│ └────────────┴────────────┴────────────────────────┘ │
│ │
│ 性能指标： │
│ ├─上升时间：约15分钟（室温→200°C） │
│ ├─超调量：<3°C │
│ ├─稳态精度：±0.5°C │
│ └─调节时间：约20分钟 │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘本节小结
PID控制原理与应用知识要点：
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ │
│ PID原理 各项作用 参数整定 │
│ ├─闭环控制 ├─P：快速响应 ├─试凑法 │
│ ├─误差反馈 ├─I：消除稳差 ├─Z-N法 │
│ └─连续调节 └─D：抑制超调 └─阶跃响应法 │
│ │
│ 功能块使用 自编算法 温度控制 │
│ ├─PID_Compact ├─位置式PID ├─PT100采集 │
│ ├─三菱PID指令 ├─增量式PID ├─PWM输出 │
│ └─参数配置 └─抗饱和处理 └─报警保护 │
│ │
│ 调试要点： │
│ 1. 先P后I再D，逐步调整 │
│ 2. 观察响应曲线，判断参数方向 │
│ 3. 记录参数和性能指标 │
│ 4. 注意积分饱和和微分噪声问题 │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘练习题
基础题
- PID中P、I、D各代表什么？各有什么作用？
- 什么是稳态误差？哪个参数可以消除稳态误差？
- 位置式PID和增量式PID有什么区别？
计算题
- 使用Z-N法，测得Ku=4.0，Tu=20秒，计算PID参数。
- 某温度控制系统Ti=60秒，采样周期T=0.1秒，计算积分增益Ki=Kp×T/Ti（设Kp=2）。
编程题
- 编写一个简单的位置式PID功能块
- 实现一个带PWM输出的温度控制程序
- 为PID控制添加手动/自动切换功能
思考题
- 为什么微分项对噪声敏感？如何解决？
- 积分饱和会导致什么问题？如何避免？
- 如何判断PID参数是否调整合适？
拓展阅读
- 西门子TIA Portal帮助：PID控制
- 三菱FX编程手册：PID指令
- 自动控制原理教程
- 过程控制系统设计与调试
本节完