Unity Pro編程中PID調(diào)節(jié)及無(wú)擾切換淺析

潘寧 吳瓊

摘? 要：本文介紹了自動(dòng)控制中PID的含義，它在工業(yè)調(diào)節(jié)應(yīng)用中廣泛的使用。它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定程度好、工作性能可靠，在線較容易調(diào)整，并且介紹了PID手自動(dòng)無(wú)擾切換的重要性及實(shí)現(xiàn)的基本原理。舉例說明了施耐德品牌產(chǎn)品Unity Pro編程中PID及其自動(dòng)和手動(dòng)模式相互跟蹤的實(shí)現(xiàn)機(jī)制，并通過風(fēng)機(jī)應(yīng)用實(shí)例實(shí)現(xiàn)了較好的調(diào)節(jié)性能及無(wú)擾切換。

關(guān)鍵詞：PID? 無(wú)擾動(dòng)切換? 模式? Unity Pro

中圖分類號(hào)：TL421? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2020）09（a）-0001-03

Abstract： This paper introduces the meaning of PID in automatic control， which is widely used in industrial regulation. It has the advantages of simple structure， good stability， reliable performance， easy adjustment online， and introduces the importance and basic principle of automatic undisturbed switch of PID hand. An example is given to illustrate the realization mechanism of PID and its automatic and manual mode mutual tracking in the programming of Schneider brand Unity Pro. A fan application example is used to realize better adjustment performance and trouserless switching.

Key Words： PID; Undisturbed switching; Pattern; Unity Pro

1? PID簡(jiǎn)介

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科技進(jìn)步，工業(yè)產(chǎn)品以可編程控制器作為自動(dòng)化控制的核心，進(jìn)一步推進(jìn)了對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)和工藝過程的要求。PID控制，又稱 PID調(diào)節(jié)，在自動(dòng)控制領(lǐng)域中，PID 算法一般由通過測(cè)量得到的反饋信號(hào)控制其被控量，由比例、積分、 微分三個(gè)部分組成。有時(shí)又根據(jù)需要，簡(jiǎn)化為PD、PI等模型。一個(gè)閉環(huán)控制回路至少有兩個(gè)信號(hào)：過程測(cè)量值PV和PID的控制輸出?，F(xiàn)場(chǎng)信號(hào)根據(jù)測(cè)量原理和傳輸方式各不相同，都需要根據(jù)實(shí)際情況做一些預(yù)處理，如單位變換、濾波等，極端情況下，可能因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)干擾，數(shù)據(jù)經(jīng)常出現(xiàn)一些虛假的極大值或極小值，這些都可以通過信號(hào)處理功能塊去除。輸出值也會(huì)根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的特性做限位、限速等處理等。

2? 手動(dòng)自動(dòng)功能描述

工業(yè)過程控制中有時(shí)需要手動(dòng)和自動(dòng)模式的相互切換，不論哪種方式都必須保證過程無(wú)擾動(dòng)，輸出量不應(yīng)在瞬間出現(xiàn)較大波動(dòng)，應(yīng)較好的保持在一定的品質(zhì)內(nèi)。正常運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)處于自動(dòng);調(diào)試或出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)切至手動(dòng)。由于采用了積分調(diào)節(jié)規(guī)律，手動(dòng)操作時(shí)控制器輸出不確定。如果相互切換，不作任何處置，就會(huì)對(duì)調(diào)節(jié)對(duì)象造成較大的擾動(dòng)，可導(dǎo)致執(zhí)行機(jī)構(gòu)大幅度的變化，破壞原有的平衡狀態(tài)，甚至無(wú)法維持正常的生產(chǎn)過程。在串級(jí)反饋系統(tǒng)內(nèi)/外反饋回路的切除與投入之間，也會(huì)有此情況。

PID控制實(shí)現(xiàn)無(wú)擾切換，需要編寫賦值邏輯。要實(shí)現(xiàn)無(wú)擾切換，控制器應(yīng)有跟蹤措施。手動(dòng)時(shí)，SP去跟蹤PV，邏輯內(nèi)運(yùn)算增量為0，達(dá)到切至自動(dòng)時(shí)無(wú)干擾的目的;自動(dòng)時(shí)，手動(dòng)值跟蹤PID輸出，這樣，切到手動(dòng)時(shí)無(wú)干擾。

簡(jiǎn)單來說，輸出值用A表示，手動(dòng)控制對(duì)應(yīng)寄存器直接給定，給定值用B表示。當(dāng)從自動(dòng)切到手動(dòng)時(shí)，將A 賦值給B，反之亦然。在切換的時(shí)刻，可以保證 A=B 成立，從而實(shí)現(xiàn)輸出不發(fā)生劇烈波動(dòng)。

3? Unity Pro 中的無(wú)擾切換

現(xiàn)在的PLC已經(jīng)集成了各種PID功能塊，甚至一些屬于先進(jìn)過程控制（APC）的功能也都能夠?qū)崿F(xiàn)。施耐德的Quantum系列PLC命名為QPC（Quantum Process Controller），擁有很強(qiáng)的過程控制能力，支持前饋、模糊控制（Fuzzy control）等高級(jí)功能。

3.1 實(shí)際應(yīng)用中PID表

如圖1所示。

該功能塊具有以下特點(diǎn)：帶有獨(dú)立 gain、ti、td 設(shè)置、手動(dòng)、暫停和自動(dòng)操作模式。兩個(gè)參數(shù)設(shè)定引腳，一個(gè)是MODE，一個(gè)是PARA，可以通過賦值使能或禁止P＼I＼D三個(gè)功能，通過PARA設(shè)定PID參數(shù)以適應(yīng)的調(diào)節(jié)，可通過反轉(zhuǎn) gain 符號(hào)反轉(zhuǎn)控制器的行為。

如圖2所示。

3.2 操作模式，通過Mode賦值修改

（1）自動(dòng)模式Mode.man = 0：操作變量Y由PID算法、受控變量PV、引用變量SP確定，變量介于Ymax 與Ymin之間。

（2）手動(dòng)模式Mode.man=1：手動(dòng)操作值 YMAN 直接賦給操作變量 Y，保證無(wú)沖擊地由手動(dòng)切到自動(dòng)方式。在此操作模式中，D 組件自動(dòng)設(shè)置為 0。

（3）暫停模式Halt=1：控制器的輸出不變;功能塊不影響變量Y，Y為前值?？刂破骺蔁o(wú)干擾地從當(dāng)前位置繼續(xù)運(yùn)行。暫停模式對(duì)于通過外部操作設(shè)備來設(shè)置控制輸出Y也很有用，由此可以在控制器內(nèi)正確地跟蹤內(nèi)部組件。D組件設(shè)置也為0。

3.3 從自動(dòng)切換到手動(dòng)

由于輸出 Y 可取 Ymax 和 Ymin 之間的任何值且 Y 在轉(zhuǎn)換時(shí)直接轉(zhuǎn)到 YMAN，因此從自動(dòng)到手動(dòng)的轉(zhuǎn)換通常是有沖擊的。如果要求無(wú)沖擊地從自動(dòng)轉(zhuǎn)換到手動(dòng)，有兩種方法實(shí)現(xiàn)：

（1）通過 MOVE 進(jìn)行切換。

使用 MOVE 功能將 YMAN 的值設(shè)置為 Y 的值如圖3所示。

僅當(dāng) PID 控制器處于自動(dòng)模式（Mode.man = 0）中時(shí)才執(zhí)行 MOVE 功能。如果只發(fā)生一次從自動(dòng)到手動(dòng)的轉(zhuǎn)換，則由于在此循環(huán)中 YMAN 的值等于 Y 值，該轉(zhuǎn)換是無(wú)沖擊的。在手動(dòng)模式中 YMAN 的值可以緩慢地變化。

（2）通過 VLIM 進(jìn)行切換。

如果不希望更改 YMAN（例如當(dāng)它為常數(shù)時(shí)），則使用限速器（功能塊VLIM）可以實(shí)現(xiàn)以前的解決方案如圖4所示。

自動(dòng)模式中，限速器處于手動(dòng)。通過限速器手動(dòng)值YMAN可將 PID手動(dòng)值YMAN設(shè)為Y 值。如只發(fā)生一次從自動(dòng)到手動(dòng)的轉(zhuǎn)換，則由于在此循環(huán)中PID 的YMAN 值等于Y 值，因此該轉(zhuǎn)換是無(wú)沖擊的。從調(diào)整值 Para.rate開始的YMAN 值與下一循環(huán)開始的實(shí)際 VLIM 手動(dòng)值進(jìn)行比較。

4? 實(shí)際運(yùn)行效果

在實(shí)際案例中，調(diào)節(jié)量為輸送風(fēng)機(jī)閥門開度，由4～20ma送至現(xiàn)場(chǎng)西門子PS2定位器。筆者根據(jù)PID的各經(jīng)驗(yàn)參數(shù)及功能塊特點(diǎn)，編制了進(jìn)氣閥、旁路閥的控制邏輯來調(diào)節(jié)，最終整定中使用了PI功能，因?yàn)檎{(diào)節(jié)對(duì)象時(shí)間常數(shù)較小，而對(duì)象外擾的純延遲較大，微分作用效果不大。整定后能較好地完成預(yù)期目標(biāo)，并且輸出無(wú)擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了手、自動(dòng)雙向無(wú)擾切換。參數(shù)設(shè)置如圖5所示。

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