PLC增量式PID控制算法

最新推荐文章于 2025-06-13 09:13:36 发布
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文章标签： 人工智能 算法
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本文深入探讨了PLC增量式PID控制算法的原理，介绍了如何根据误差变化率调节控制器输出。并提供了一段使用PLC编程语言实现的示例代码，帮助理解如何在实际应用中实施增量式PID算法。

增量式PID（Proportional-Integral-Derivative）控制算法是一种常用于自动控制系统中的经典算法。它通过测量误差的比例、积分和微分来调节控制系统的输出，以实现对系统的精确控制。在PLC（可编程逻辑控制器）应用中，增量式PID算法被广泛用于各种工业自动化系统，例如温度控制、压力控制和流量控制等。本文将详细介绍PLC增量式PID控制算法的原理和实现，并提供相应的源代码示例。

  1. 增量式PID控制算法原理

增量式PID控制算法基于系统的误差变化来计算控制输出的增量值。它将PID控制器的输出分解为比例增量、积分增量和微分增量三部分，然后将它们相加得到最终的增量输出。该算法的核心思想是根据误差的变化率来调节控制器的输出，从而实现对系统的精确控制。

具体而言，增量式PID控制算法的计算公式如下：

增量输出 = Kp * (当前误差 - 上次误差) + Ki * 当前误差 + Kd * (当前误差 - 2 * 上次误差 + 上上次误差)

其中，Kp、Ki和Kd分别表示比例、积分和微分系数。当前误差是指当前时刻系统输出与期望输出之间的差异，上次误差和上上次误差分别是前一时刻和前两个时刻的误差。

  1. PLC增量式PID控制算法实现

下面是一个使用PLC编程语言（如Ladder Diagram）实现增量式PID控制算法的示例代码：

-- 初始化变量
VAR
    Setpoint: REAL; -- 设定值
    ProcessValue: REAL; -- 过程值
    Error: REAL; -- 误差
    LastError: REA
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西门子PLC自带的PID指令是基于位置型的PID，位置型PID的算法公式和详细介绍，大家可以参看《PID专栏》的其它文章，这里不再赘述。本篇博文直接给出代码部分的讲解，不设计太多公式和理论的推导。限于本人能力，文中难免出现错误和不足之处，诚恳欢迎大家的批评和指正。同时感谢大家的订阅和关注。SMART200 PLC系统自带的PID指令解析，可以参看下面这篇文章：SMART PLC PID算法基本解析（附公式）_RXXW_Dor的博客-优快云博客_plc的pid算法在态运行中，控制器调节输出值，使偏差 (e
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SMART200PLC增量式PID可以参看下面这篇博文，文章里有完整的增量式PID算法公式，这里不在赘述西门子SMARTPLC增量式PID算法（梯形图）_RXXW_Dor的博客-优快云博客西门子PLC自带的PID指令是基于位置型的PID，位置型PID的算法公式和详细介绍，大家可以参看《PID专栏》的其它文章，这里不再赘述。本篇博文直接给出代码部分的讲解，不设计太多公式和理论的推导。限于本人能力，文中难免出现错误和不足之处，诚恳欢迎大家的批评和指正。...
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首先，我们需要定义模糊化输入和输出变量。接下来，我们可以定义一组模糊化的语言变量，如"冷"、“适中"和"热"来描述温度误差的模糊集合，以及"减少”、"保持"和"增加"来描述控制信号的模糊集合。通过定义模糊集合和模糊规则，我们可以根据输入变量的值来推断输出变量的模糊集合，并通过解模糊化方法（最大值法）得到具体的控制信号值。然后，我们需要定义一组模糊化的规则，用于根据输入变量的模糊集合来推断输出变量的模糊集合。通过合理地设计模糊化变量、模糊集合和模糊规则，以及选择适当的解模糊化方法，可以实现精确而稳定的控制。
增量式PID控制算法
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### 增量式PID控制算法的工作原理 增量式PID（Proportional-Integral-Derivative）控制算法的核心在于计算每次调节所需的控制增量，而不是直接给出绝对的控制量。这种算法特别适合于需要逐步调整输出的应用场景[^1]。 其基本公式如下： \[ u(k) = u(k-1) + K_p \cdot e(k) + K_i \cdot T_s \cdot \sum_{i=0}^{k}e(i) + K_d \cdot (e(k)-e(k-1))/T_s \] 其中： - \(K_p\) 是比例系数， - \(K_i\) 是积分时间常数， - \(K_d\) 是微分时间常数， - \(T_s\) 是采样周期， - \(e(k)\) 表示当前时刻的偏差值。 此公式的优点是可以减少累计误差的影响，并且便于实现对执行机构的精确控制[^3]。 --- ### PLC中的增量式PID控制算法实现方法 在PLC中实现增量式PID控制算法通常采用梯形图或结构化文本的方式编写程序。以下是基于结构化文本的一个简单实现示例： ```pascal PROGRAM Incremental_PID VAR KP : REAL := 1.0; (* 比例增益 *) KI : REAL := 0.1; (* 积分增益 *) KD : REAL := 0.5; (* 微分增益 *) Ts : REAL := 0.1; (* 采样时间 *) Error, LastError, SumError : REAL; Output, DeltaOutput : REAL; END_VAR (* 计算偏差 *) Error := SetPoint - ProcessValue; (* 更新累积误差 *) SumError := SumError + Error * Ts; (* 计算本次增量 *) DeltaOutput := KP * (Error - LastError) + KI * Error * Ts + KD / Ts * (Error - 2*LastError); (* 输出更新 *) Output := Output + DeltaOutput; (* 存储上次误差 *) LastError := Error; END_PROGRAM ``` 上述代码展示了如何利用变量存储历史数据并动态计算新的控制增量。这种方法可以有效降低内存占用和运算复杂度。 --- ### STM32上的增量式PID算法实现 对于嵌入式平台如STM32，可以通过C语言实现类似的增量式PID控制逻辑。以下是一个简单的例子[^2]： ```c #include <stdio.h> typedef struct { float kp, ki, kd; // PID参数 float error_prev; // 上次误差 float sum_error; // 累积误差 float output; // 当前输出 } PID_Controller; void pid_update(PID_Controller *pid, float setpoint, float process_value, float dt) { float error = setpoint - process_value; // 计算误差 pid->sum_error += error * dt; // 累加误差 float delta_output = pid->kp * (error - pid->error_prev) + pid->ki * error * dt + pid->kd / dt * (error - 2 * pid->error_prev); // 增量计算 pid->output += delta_output; // 更新输出 pid->error_prev = error; // 更新上次误差 } int main() { PID_Controller controller = {1.0f, 0.1f, 0.5f, 0.0f, 0.0f, 0.0f}; while(1) { float setpoint = 10.0f; // 设定目标值 float process_value = /* 获取实际值 */ ;// 替换为传感器读取的实际值 pid_update(&controller, setpoint, process_value, 0.1); printf("Control Output: %f\n", controller.output); } } ``` 这段代码定义了一个`PID_Controller`结构体用于保存状态信息，并提供了`pid_update`函数来实时更新控制输出。 --- ### § 1. 如何选择合适的PID参数以优化系统性能？ 2. 在哪些应用场景下更适合使用位置式PID而非增量式PID？ 3. 如果遇到积分饱和现象，应该如何修改增量式PID算法加以解决？ 4. 使用MATLAB仿真工具能否验证增量式PID的效果？如果可以，具体步骤是什么？ 5. 对于非线性系统，是否可以直接应用标准的增量式PID算法？如果不可以，有哪些改进措施？
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