项目八S7-1200PLC在过程控制系统中的应用——任务准备
项目描述工业中的过程控制是指以温度、压力、流量、液位和成分等工艺参数作为被控变量的自动控制。过程控制也称实时控制，是计算机及时的采集检测数据，按最佳值迅速地对控制对象进行自动控制和自动调节，如数控机床和生产流水线的控制等。在过程控制中，按偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行控制的PID控制器（简称PID调节器）是应用最为广泛的一种自动控制器。它具有原理简单、易于实现、适用面广、控制参数相互独立、参数选定比较简单、调整方便等优点；而且它的参数整定方式简便，结构改变灵活（如可改为PI调节、PD调节等）。长期以来，PID控制器被广大科技人员及现场操作人员所采用，并积累了大量的经验。本章以S7-1200的PLC对模拟过程控制系统进行液位、压力、流量和温度的测量及控制。
知识点1PID参数的含义和整定方法一、PID简介1、比例（P）控制比例控制是一种最简单、最常用的控制方式，如放大器、减速器和弹簧等。比例控制器能够立即成比例的响应输入的变化量。但仅有比例控制时，系统输出存在着稳态误差。2、积分（I）控制在积分控制中，控制器的输出量是输入量对时间的积累。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在静态误差，则称这个控制系统是具有稳态误差的或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大，使稳态误差进一步减少，直到等于零。因此，采用比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。3、微分（D）控制在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比的关系，自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大的惯性组件（环节）或有滞后组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。
知识点1PID参数的含义和整定方法一、PID简介4、PID控制器的优点PID控制器是应用最广的闭环控制器，这是因为它具有以下优点：（1）不需要被控对象的数学模型（2）结构简单，容易实现（3）有较强的灵活性和适应性（4）使用方便5、PID参数的整定（1）是理论计算整定法。它主要依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必能够直接使用，还必须要通过工程实际进行调整和修改。（2）是工程整定法。它主要是依赖于工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中得到广泛应用。PID控制器参数的整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。这三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器的参数进行整定。
知识点2PID控制的系统结构PID闭环控制系统框图如下图所示，虚线部分在PLC内。在模拟量闭环控制系统中，被控制量c(t)（即系统的输出量，例如压力、温度、流量、转速等）是连续变化的模拟量，大多数执行机构（例如直流调速装置、电动调节阀或变频器等）要求PLC输出模拟量信号M(t)，而PLC的CPU只能处理数字量。c(t)首先被测量元件和变送器转换为标准量程（例如DC4～20mA和0～10V）的直流电流信号或直流电压信号，然后通过A/D转换后得到与被测数字量成比例的PV(n)，CPU这时将它与设定的值SP(n)进行比较，并按某种控制规律（如PID控制算法）对误差值e(n)进行运算，将运算结果通过D/A模块转换成标准量程的电流信号或电压信号M(t)，用来控制执行机构，通过执行机构来控制被控对象，实现闭环控制。
知识点2PID控制的系统结构一、PID控制算法PID控制器调节输出，保证偏差（e）为零，使系统达到稳定状态，偏差是给定值（SP）和过程变量（PV）的差。PID控制的原理基于以下公式：其中M（t）是PID回路的输出，Kc是PID回路的增益，e是PID回路的编差（给定值与过程变量的差），是PID回路输出的初始值。由于以上的算式是连续量，必须将连续量离散化才能在计算机中运算，离散处理后的算式如下
知识点2PID控制的系统结构式中，是在采样时刻n，PID回路的输出的计算值：是PID回路的增益，是积分项的比例常数，是微分项的比例常数；是采样时刻n的回路的偏差值，是采样n-1的回路的偏差值，是采样时刻x的回路的偏差值；是PID回路输出的初始值。设=0，再对以上算式进行改进和简化，得出如下计算PID输出的算式。是第n采样时刻的比例项值，是第n采样时刻的积分项的值，是第n采样时刻微分项的值。
知识点2PID控制的系统结构是第n采样时刻的比例项值；是增益；中第n次采样时刻的给