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1、引言：
在工业自动化领域中，PID（比例-积分-微分）控制器是一种常用的控制算法，它通过调节输出信号，使被控对象的实际值尽可能接近设定值。PID 控制器的应用广泛，从简单的温度控制到复杂的过程控制都可以采用 PID 算法实现。本文将介绍 PID 控制器的作用与重要性，并编写一个简单的 PID 控制代码，然后解释代码的功能。此外，还将介绍 PID 参数调整的几种常用方法，以及该代码在不同应用场景下的修改部分。
2、PID 控制器的作用与重要性
PID 控制器是一种反馈控制算法，通过不断调节输出信号，使被控对象的实际值尽可能接近设定值。它包括三个部分：比例（P）、积分（I）和微分（D）。
比例控制（P）：根据被控对象的偏差与设定值之间的差异，以一定的比例调节输出信号。比例控制的作用是快速响应系统的变化，但可能产生超调和震荡。
积分控制（I）：通过累积偏差的积分值来调节输出信号，消除系统的稳态误差。积分控制的作用是提高系统的稳定性和精确度，但过大的积分时间会导致系统的响应变慢。
微分控制（D）：根据被控对象的变化速率来调节输出信号，抑制系统的震荡。微分控制的作用是减小系统的超调和提高响应速度，但过大的微分时间会导致系统对噪声敏感。
PID 控制器的重要性在于它能够将被控对象的实际值迅速、准确地调节到设定值，提高生产过程的稳定性和效率。
3、实现 PID 控制器的代码
3.1、代码（西门子 SCL 语言）：
代码语言：javascript复制FUNCTION_BLOCK 'PID'
{ S7_Optimized_Access := 'TRUE' }
VERSION : 0.1
VAR_INPUT
ProcessValue : Real; // 实际值
Setpoint : Real; // 设定值
Kp : Real := 1.0; // 比例系数
Ki : Real := 1.0; // 积分系数
Kd : Real := 1.0; // 微分系数
dt : Real := 0.1; // 时间间隔，单位秒，需要和循环中断时间一致
END_VAR
VAR_OUTPUT
Output : Real; // 输出信号
END_VAR
VAR
Error : Real; // 偏差
E_last : Real; // 上一次误差
E_sum : Real; // 误差累加值
END_VAR
BEGIN
// 计算误差
#Error := #Setpoint - #ProcessValue;
// 计算误差累加值
#E_sum := #E_sum #Error * #dt;
// 计算控制量
#Output := #Kp * #Error #Ki * #E_sum #Kd * (#Error - #E_last) / #dt;
// 保存误差值
#E_last := #Error;
END_FUNCTION_BLOCK
3.2、代码介绍：
变量定义
- ProcessValue : Real;实际值，表示被控对象的当前值。
- Setpoint : Real;设定值，表示控制器的目标值。
- Kp : Real := 1.0;比例系数，用于调节比例控制的增益。
- Ki : Real := 1.0;积分系数，用于调节积分控制的增益。
- Kd : Real := 1.0;微分系数，用于调节微分控制的增益。
- dt : Real := 0.1;时间间隔，单位为秒，表示控制器的采样时间，需要与循环中断时间一致。
- Output : Real;输出信号，表示控制器计算得出的控制量。
- Error : Real;偏差，表示目标值与实际值之间的差值。
- E_last : Real;上一次误差，用于计算微分控制的增量。
- E_sum : Real;误差累加值，用于计算积分控制的增量。
程序介绍：
- Error := Setpoint - ProcessValue;计算偏差，将目标值减去实际值，并将结果赋给变量 Error。
- E_sum := E_sum Error * dt;计算误差累加值，将当前的误差乘以时间间隔 dt，然后加到累加变量 E_sum 中。
- Output := Kp * Error Ki * E_sum Kd * (Error - E_last) / dt;计算控制量，根据比例、积分和微分控制的增益以及相应的误差和累加值，计算出最终的控制量，并将结果赋给变量 Output。
- E_last := Error;保存当前的误差值到变量 E_last，供下一次计算使用。
4、PID 参数调整的方法
PID 控制器的性能与参数的选择密切相关。以下是几种常用的参数调整方法：
4.1、手动试控法（Manual Tuning）：
步骤：
- 将积分时间（Ti）和微分时间（Td）设为零，仅保留比例增益（Kp）。
- 逐渐增加比例增益（Kp），观察系统的响应。
- 如果系统响应过于震荡（超调量过大）或响应速度过慢，减小比例增益（Kp）。
- 重复步骤 3，直到系统响应符合要求。
- 添加积分时间（Ti），逐渐增加，观察系统的响应。
- 如果系统响应过于震荡或响应速度过慢，减小积分时间（Ti）。
- 重复步骤 6，直到系统响应符合要求。
- 添加微分时间（Td），逐渐增加，观察系统的响应。
- 如果系统响应过于震荡或响应速度过慢，减小微分时间（Td）。
- 重复步骤 9，直到系统响应符合要求。
4.2、Ziegler-Nichols 方法：
步骤：
- 将积分时间（Ti）和微分时间（Td）设为零，仅保留比例增益（Kp）。
- 逐渐增加比例增益（Kp），直到系统出现持续的轻微震荡。
- 记录此时的比例增益（Ku）为临界增益。
- 测量临界周期（Tu），即震荡周期的时间间隔。
根据 Ziegler-Nichols 方法的公式计算出适当的参数：
- 比例增益（Kp）= 0.6 * Ku
- 积分时间（Ti）= 0.5 * Tu
- 微分时间（Td）= 0.125 * Tu
5、PID 代码的应用场景及修改部分
该 PID 控制器代码可以应用于各种工业自动化场景，例如温度控制、液位控制、压力控制等。根据不同的应用场景，需要针对具体的被控对象进行一些修改。
- 修改设定值（Setpoint）：根据具体的控制要求，调整设定值以便控制器调节到所需的目标值。
- 读取实际值（ReadProcessValue()）：根据实际应用中的传感器类型和信号采集方式，修改读取实际值的代码，确保能够准确获取被控对象的实际值。
- 写入输出信号（WriteOutput(Output)）：根据具体的控制系统架构和执行机构的类型，修改写入输出信号的代码，确保输出信号能够正确地传递给执行机构。
6、拓展思考：
除了基本的 PID 控制器外，还有许多改进和扩展的控制算法可供选择，例如模糊控制、模型预测控制等。针对复杂的控制系统，可以考虑采用这些高级控制算法以提高控制性能和适应性。
7、总结：
PID 控制器是工业自动化中常用的控制算法，通过调节输出信号使被控对象的实际值接近设定值。本文介绍了 PID 控制器的作用与重要性，并提供了基于西门子博图平台的 SCL 语言编写的 PID 控制器代码。此外，还介绍了常用的 PID 参数调整方法等。通过合理调整参数和修改代码，可以满足不同场景下的控制需求，提高系统的稳定性和效率。尽管 PID 控制器在工业自动化中得到广泛应用，但仍有许多改进和拓展的空间，值得进一步研究和探索。
