IPEmotion控制模块-PID循环应用

IPEmotion专业版、开发版支持控制模块，该模块支持函数发生器、PID控制器、路由器、序列控制、序列控制块以及参考曲线生成器。本文主要针对PID控制器的应用做出介绍。IPEmotion支持真正的PID控制器功能，最大更新速率1kHz。（P：Proportional control比例控制；I：Integral control积分控制；D：Derivative control微分控制）模拟PID回路功能，可使用为IPEmotion PID控制器专门开发的过程模拟器。过程模拟器是一个小盒子，代表过程并提供来自过程的模拟输出信号，并且还具有模拟输入以从PID控制器接收控制值。在实际过程中，控制值（例如，正在移动执行器以改变一个值的位置进而改变流入油箱的流量或控制电机的节流位置。）下图概述了软件，带IO模块的模拟测量系统、过程以及它们之间的相互关系。通常需要模拟输入测量和模拟输出信号来控制过程。

图像来源：IPEmotion用户手册

PID控制过程模拟演示

PID控制器的目标是将过程（烘箱温度、发动机转速、油箱填充水平等）保持在给定的设定值。PID控制器也应该对过程的干扰做出反应。例如，当负载增加时，当温度下降或增加电动机的节气门位置时，加热烘箱以提高温度。PID控制器需要来自过程（过程变量）的模拟输入信号和模拟输出通道，将PID的控制值（CO）反馈给过程。本例中，利用Dataforth DAQ20 IO模块为设置示例，模拟演示PID控制器的控制过程。

►        VSN	模拟量输入模块（单端）
►         VO	模拟量输出模块

采集界面->添加PID控制器

控制器创建后，在左侧树形列表控制模块中PID控制器下列出。

每个PID控制器由4个通道组成，包括三个调谐变量通道以及一个状态通道。状态通道指示PID控制器是否工作。

PID运行设置选项卡：

►      Start trigger	设置PID控制器开始触发条件
►      Stop trigger	设置PID控制器结束触发条件
►      Hold trigger	设置PID控制器保持触发条件

若未定义触发条件，则PID控制器在开始测量时直接开始运行。PID控制器运行时，状态通道从0更新为1。状态1表示PID控制器正在正常运行。

PID输入/输出设置选项卡：

输入、输出设置是使控制器正常工作的重要设置。

► 控制值通道(CO)	设置数据输出通道，控制器将控制值(CO)写入该通道。然后通过模拟量输出模块将该值发送至过程执行部件，例如用于改变流量、电机转速等的阀门。控制值(CO)必须更新对实际值通道(PV)有影响的执行机构。
► 实际值通道(PV)	实际值通道(过程变量PV)是测量当前过程输出信号的模拟量输入通道。该测量通道可以是任何类型的输入，例如(电压、温度、应变、转速等)。PID控制回路仅在控制值(CO)影响实际值(PV)时有效。例如：若测量炉内温度(PV)，控制值(CO)应影响向燃烧器释放更多或更少天然气的阀门，从而增加或降低炉膛温度。
► 参考值通道(Set Point)	参考值即为设定点。设定值对于控制过程非常重要，PID控制器必须使过程变量保持在这个设定值上。设定值可以是一个定义的炉温、油箱液位或发动机转速等。设定值可以由操作人员根据实际需求改变，例如，熔炉温度可以根据在熔炉中加工的产品而变化。

PID控制参数设置(调谐变量)

参数设置即定义放大系数(Kr)、前置时间(Tv)和后续时间(Tn)等调谐变量。调谐因子作为单独的通道，若在采集过程中需要更新参数，则可通过手动输入、滑块或函数生成器。

►    工作频率	定义PID循环计算的频率，工作频率应与测量(PV)和输出(CO)频率一致。当输入和输出以1Hz的速率更新时，PID回路以1kHz的计算速率运行是没有意义的。
►     Kr	放大默认值为1。该因子对比例增益有影响。
►     Tv	微分增益的时间常数，默认值为0。该因子增加至大于0，噪声会增加。
►     Tn	积分增益的时间常数，默认值为1。该因子增加时，系统反应时间将变慢。

在欧标和美标间，调谐因子有不同的术语表达。

IPEmotion EU-PID调谐因子	US-PID调谐因子
Kr=比例放大	Kp比例增益 Kr=Kp
Tv=先导时间	Kd微分增益 Tv=Kd/Kp(微分增益) Tv=Kd/Kr=Kd/Ki
Tn=重置事件	Ki积分增益 Tn=Kp/Ki(积分增益) Tn=Kr/Ki=Kp/Ki

示例：水箱内温度控制（视频演示请点击此链接）