三菱 PLC 程序中 PID 控制环路的设计与实现 (三菱plc程序的读取和写入)

前言

PID（比例-积分-微分）控制是一种经典的控制算法，广泛应用于工业自动化控制领域。在三菱可编程逻辑控制器（PLC）中，可以通过编程实现 PID 控制环路，从而实现对过程变量的精确控制。

PID 控制原理

PID 控制的原理如下：

• 比例作用 (P)：根据当前误差（偏差）的大小，产生一个比例控制信号。误差越大，控制信号越大。
• 积分作用 (I)：对过去的误差进行积分，产生一个积分控制信号。积分时间越长，积分控制信号对误差的响应越慢，但能消除稳态误差。
• 微分作用 (D)：根据误差变化率产生一个微分控制信号。微分时间越短，对误差变化的响应越快，但容易产生过冲和震荡。

PID 控制器的输出信号由这三个控制信号叠加而成，其公式如下：

输出 = KP 误差 + KI 积分(误差) + KD 误差变化率

其中，KP、KI、KD 分别是比例、积分、微分增益。

三菱 PLC 中的 PID 控制

三菱 PLC 提供了专门的 PID 指令，用于实现 PID 控制环路。这些指令包括：

• PID_Init：初始化 PID 控制参数。
• PID_Ctrl：执行 PID 控制运算。
• PID_Write D1000, D1001, D1002```

  在该程序中，D1000 存储的是设定值，D1003 存储的是过程变量，Y101 存储的是控制信号。

  总结

  通过在三菱 PLC 中编程实现 PID 控制环路，可以实现对过程变量的精确控制。掌握 PID 控制原理、指令的使用以及调试技巧，对于工业自动化控制系统的设计和实施至关重要。

三菱PLC实现PID控制的方法1）使用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，用户在使用时只需要设置一些参数，使用起来非常方便，一块模块可以控制几路甚至几十路闭环回路。 但是这种模块的价格昂贵，一般在大型控制系统中使用。 如三菱的A系列、Q系列PLC的PID控制模块。 2）使用PID功能指令。 现在很多中小型 PLC都提供PID控制用的功能指令，如FX2N系列PLC的PID指令。 它们实际上是用于PID控制的子程序，与A/D、D/A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，价格却便宜得多。 3）使用自编程序实现PID闭环控制。 有的PLC没有有PID过程控制模块和 PID控制指令，有时虽然有PID控制指令，但用户希望采用变型PID控制算法。 在这些情况下，都需要由用户自己编制PID控制程序。 3. 三菱FX2N的PID指令PID指令的编号为FNC88，源操作数［S1］、［S2］、[S3]和目标操作数[D]均为数据寄存器D，16位指令，占9个程序步。 ［S1］和［S2］分别用来存放给定值SV和当前测量到的反馈值PV，［S3］~[S3]＋6用来存放控制参数的值，运算结果MV存放在［D］中。 源操作数［S3］占用从［S3］开始的25个数据寄存器。 PID指令是用来调用PID运算程序，在PID运算开始之前，应使用MOV指令将参数设定值预先写入对应的数据寄存器中。 如果使用有断电保持功能的数据寄存器，不需要重复写入。 如果目标操作数[D]有断电保持功能，应使用初始化脉冲M8002的常开触点将其复位。 PID指令可以同时多次使用，但是用于运算的[S3]、[D]的数据寄存器元件号不能重复。 PID指令可以在定时中断、子程序、步进指令和转移指令内使用，但是应将［S3］＋7清零（采用脉冲执行的MOV指令）之后才能使用。 控制参数的设定和 PID运算中的数据出现错误时，“运算错误”标志M8067为 ON，错误代码存放在D8067中。 PID指令采用增量式PID算法，控制算法中还综合使用了反馈量一阶惯性数字滤波、不完全微分和反馈量微分等措施，使该指令比普通的PID算法具有更好的控制效果。 PID控制是根据“动作方向”（[S3]+1）的设定内容，进行正作用或反作用的PID运算。 PID运算公式如下：以上公式中：△MV是本次和上一次采样时PID输出量的差值，MVn是本次的PID输出量；EVn和 EVn-1分别是本次和上一次采样时的误差，SV为设定值；PVn是本次采样的反馈值，PVnf、PVnf-1和PVnf-2分别是本次、前一次和前两次滤波后的反馈值，L是惯性数字滤波的系数；Dn和Dn-l分别是本次和上一次采样时的微分部分；K p是比例增益，T S是采样周期，T I和T D分别是积分时间和微分时间，αD是不完全微分的滤波时间常数与微分时间TD的比值。 参数的整定PID控制器有4个主要的参数K p、T I、T D和T S需整定，无论哪一个参数选择得不合适都会影响控制效果。 在整定参数时应把握住PID参数与系统动态、静态性能之间的关系。 在P（比例）、I（积分）、D（微分）这三种控制作用中，比例部分与误差信号在时间上是一致的，只要误差一出现，比例部分就能及时地产生与误差成正比的调节作用，具有调节及时的特点。 比例系数K p越大，比例调节作用越强，系统的稳态精度越高；但是对于大多数系统，K p过大会使系统的输出量振荡加剧，稳定性降低。 积分作用与当前误差的大小和误差的历史情况都有关系，只要误差不为零，控制器的输出就会因积分作用而不断变化，一直要到误差消失，系统处于稳定状态时，积分部分才不再变化。 因此，积分部分可以消除稳态误差，提高控制精度，但是积分作用的动作缓慢，可能给系统的动态稳定性带来不良影响。 积分时间常数T I增大时，积分作用减弱，系统的动态性能（稳定性）可能有所改善，但是消除稳态误差的速度减慢。 微分部分是根据误差变化的速度，提前给出较大的调节作用。 微分部分反映了系统变化的趋势，它较比例调节更为及时，所以微分部分具有超前和预测的特点。 微分时间常数T D增大时，超调量减小，动态性能得到改善，但是抑制高频干扰的能力下降。 选取采样周期T S时，应使它远远小于系统阶跃响应的纯滞后时间或上升时间。 为使采样值能及时反映模拟量的变化，T S越小越好。 但是T S太小会增加CPU的运算工作量，相邻两次采样的差值几乎没有什么变化，所以也不宜将T S取得过小。