发布时间 : 星期六 文章PID参数整定仿真实（李林海 何金立）现更新完毕开始阅读f94f3bfbaa00b52acfc7cab8
PID参数整定仿真 李林海 何金立
（吉化集团吉林市锦江油化厂仪表车间）
摘要：本文首先对现代工控系统中比较常用的PID 调节器原理作了详细的阐述，然后应用西门子工程软件（STEEP 7及WINCC）根据不同参数（温度、压力、流量、液位）特点进行程序编写，实现了不同参数仿真，并可作为PID参数整定教学的辅助工具，并能对不同参数下的控制性能曲线进行对比分析。 关键词： PID；STEEP 7；WINCC；仿真
一、引 言
随着控制理论与计算机技术的发展,出现了很多先进的PID控制算法和自整定技术,但在石油化工等过程控制中,应用最广泛的仍然是基本型PID控制,且没有配备自整定软件,控制器的参数是由人工整定的。现场很多PID控制器的参数是在装置开工时整定或根据经验设置以后,长期无人问津,大量PID控制回路的控制参数整定不合理,很多PID控制回路的运行状态不是很乐观。吉化集团吉林市锦江油化厂7个生产装置进行了调查,发现在已安装的过程控制器中超过30%的自动控制回路存在由于控制器参数整定不佳,导致过程波动竟然大于手动控制的问题,还有一些PID控制回路因找不到合适的PID参数而无法投用闭环。目前这种状况国内较为普遍,使得各生产装置的操作运行和自动控制水平有很大的潜力可挖。由于PID控制器使用很多,量大面广,增加PID控制回路投用率,提高PID控制回路的运行效果,将会为整个石油化工等过程工业带来可观的经济效益。 在工业现场,
PID控制器本身很简单,但其被控对象千变万化,工艺过程各种各样,同一个工艺过程其动态特性还可能经常变化,即被控对象通常是非线性时变的,因而需要针对具体的工艺及生产运行情况及时调整PID参数。在各种复杂情况下,工艺、仪表维护人员或生产操作人员很难整定PID参数,现场技术人员对PID控制器参数解和认识程度直接影响PID控制器的应用效果,进而影响生产装置运行的经济效益。因此,为提高现场技术人员整定PID控制器参数的水平,改善PID控制的现状,有针对性地研究开发一套PID仿真培训软件(以下简称“仿真软件”)是很有必要的。 二、PID调节器原理
在工程实际中，应用最为广泛的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的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，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，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。
随着工业自动化的不断发展，人们对于生产过程的要求越来越高，这就促使人们在生产实践中不断探求新的控制方案。而在控制方案的选择中，控制规律的选择尤为重要。控制规律的恰当与否将直接决定生产线的安全、产品的质量以及生产的效率等。据不完全统计，目前在各种工业控制中，PID 调节或基于PID 调节的控制方式占90%。 （一）比例环节
比例环节对控制性能的影响比例增益Kp 能及时地反映控制系统的偏差信号，系统一旦出现了偏差，比例环节立即产生调节作用，使系统偏差快速向减小的趋势变化。当比例增益
Kp 越大，PID 控制器调节速度越快。但Kp 不能太大，过大的比例增益会加大调节过程的超调量，从而降低系统的稳定性，甚至可能造成系统的不稳定。 （二）积分环节
积分环节对控制性能的影响积分环节可以消除系统稳态误差，提高系统的无差度，以保证实现对设定值的无静差跟踪。假设系统己经达到闭环稳定状态，当且仅当e (t ) = 0时，控制器的输出才为常数。由此可见，只要被控系统存在动态误差，积分环节就产生作用。直到系统无差时，积分环节的输出为一个常值，积分作用停止。积分作用的强弱取决于积分时间常数i T 的大小， i T 越小，积分作用越强，反之则积分作用弱。积分作用的引入会使系统稳定性下降，动态响应变慢。在实际过程中，尤其对大滞后、慢时变对象，积分作用对超调量的贡献是很重要的。 （三）微分环节
微分环节对控制性能的影响微分环节的引入，主要是为了改善控制系统的响应速度和稳定性。微分作用反映的是系统偏差的变化律，它可以预见偏差变化的趋势，具有超前的控制作用。换言之，微分作用能在偏差还没有形成之前，就将其消除。因此，微分作用可以改善系统的动态性能。微分作用反映的是变化率，当偏差没有变化时，微分环节的输出为零。微分作用的强弱取决于微分时间d T 的大小， d T 越大，微分作用越强，反之则越弱。在微分作用合适的情况下，系统的超调量和调节时间可以被有效的减小。微分作用对噪声干扰有放大作用，所以我们不能过强地增加微分调节，否则会对控制系统抗干扰产生不利的影响。 当然，PID 调节电路也存在一定的局限性。常规PID 控制是建立在知道被控对象精确的数学模型的基础之上，只要调试整定好控制器参数p K ， i K ， d K 后，便可投入生产运行，具有结构简单、稳定性能好、可靠性高、其控制原理与控制技术己完善成熟，且为现场工作人员和设计工程师们所熟悉等优点，但在实际工业过程控制中确存在这样的情况
（1）许多被控过程机理较复杂，具有非线性、慢时变、纯滞后等特点，这样就很难得到确切的描述这些过程的传递函数或状态方程。
（2）在噪声、负载扰动和其他一些环境条件变化的影响下，过程参数会发生变化。采用常规PID 控制器，以一组固定不变的PID 参数去适应参数变化、干扰等众多的变化因素，显然难以获得满意的控制效果。当参数变化超过一定的范围时，系统性能就会明显变差，致使PID 控制难以发挥作用而无法适用。
数字 PID 调节器在计算机直接数字控制系统中，PID 控制器是通过计算机PID 控制算法程序实现的。进入计算机的连续时间信号，必须经过采样和量化后，变成数字量，才能进入计算机的存储器和寄存器，而在数字计算机中的计算和处理，不论是积分还是微分，只能用数值计算去逼近。
控制规律在计算机中的实现，也是用数值逼近的方法。当采样周期T 足够短时，用求和代替积分，用差商代替微商，使PID 算法离散化，即可作如下近似变换≈∫ ≈ Σ = Σ≈式中T—采样周期。
将描述连续PID 算法的微分方程，变为描述离散时间PID 算法的差分，为书写
方便，将e(kT )简化表示成e(k )，即为数字PID 位置型控制算法,如式所示Σ式中k-采样序号，k=0, 1, 2,?； u (k ) -第k 次采样时刻的计算机输出值； e(k ) -第k 次采样时刻输入的偏差值；第(k-1)次采样时刻输入的偏差值； i K -积分系数，；微分系数， d pd K = K T T 。
即为增量式PID控制算法，由第1次采计算得到的控制量输出增量。可以看出，由于一般计算机控制系统采用恒定的采样周期T，一旦确定了只要使用前3 次的测量值偏差，即可求出控制量的增量。
调节规律作为应用时间最长、生命力最强的控制方式，主要有以下优点：（1）原理简单，使用方便（2）适应性强。既然PID 调节在工业控制中的地位如此重要，那么，PID 的参数整定问题就显得颇为重要了，但往往操作人员及仪表维护人员不能在现场很好地将参数整定好，本文介绍了一种应用西门子软件编写的PID参数整定仿真,可使大多数人可以不用在现场进行参数整定学习。 三、安装软件
（一）本仿真软件需安装如下软件
1.1 STEEP 7 V5.4 1.2 S7-PLCSIM V5.4 1.3 SIMATIC_SQL_SP3a 1.4 WinCCV6SP2_ASIA
（二）本仿真软件需安装如下相应软件授权
2.1 SIFLA171040504 2.2 SIFA1PLCS0504 2.3 A9WC2540 2.4 A9WC1912 2.5 A9WC L612 2.6 A9WC 1812 2.7 A9WC 1712 2.8 A9WSEC30 2.9 A9WRC460 四、仿真程序设计 （一）仿真方框图
本文应用西门子S7-300工程软件中调节器模块FB41及相应数据处理，制成模拟器，方框图如下图4－1。
图4－1 仿真方处理框图
（二）延时处理
任何一个参数测量都有一定的滞后，只不过滞后时间的长短，从调节器输出变化到调节阀阀位变化，再到测量参数变化，都需要一定时间，这个时间即为纯滞后时间，本程序中的延时处理就是模仿这个纯滞后时间，延时时间的长短可以调整，例如：流量测量一般最小，大多数在几秒内；压力测量次之，一般在十几秒到几十秒之间，而液位与压力相近，滞后时间最长的是温度对象，往往滞后时在几十秒到几分钟。 2.1延时程序：
2.1.1 在程序中加入DB背景数据模块，例如DB310如下图4－2：
图4－2 延时程序中的背景数据模块
2.1.2 在程序中加入OB组织模块，例如OB32,并设置OB32扫描周期为1秒，OB32中
程序如下图4－3：
图4－3 组织模块OB32程序
（三）调节模块FB41说明： 3.1 FB41方框图图4－4：