CN105159059A - 一种pid控制器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及自动化控制技术领域，公开了一种PID控制器，该PID控制器包括：用于PLC平台的PID控制模块；以及与所述PID控制模块连接的以下模块：参数设置模块，用于对所述PID控制模块的PID参数进行手动设定；设定值设置模块，用于对所述PID控制模块进行PID控制所需的设定值进行手动设定或自动设定；和切换模块，用于实现手动设定和自动设定之间的无扰切换。本发明还公开了应用该PID控制器的PLC平台及海水淡化装置。本发明中的PID控制器的设定值分为手动/自动控制方式，可以实现单回路和串级回路调节，且相关PID参数采用手动设定，便于调试修改。同时，本发明还能实现手动/自动无扰切换，保证***安全运行。

Description

一种PID控制器

技术领域

本发明涉及自动化控制技术领域，具体地，涉及一种PID控制器以及应用该PID控制器的PLC平台和海水淡化装置。

背景技术

如图1所示，PID控制器(ProportionIntegrationDifferentiation.比例-积分-微分控制器)，由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成，其运动方程为：

$m\left(t\right)=K_{p}e\left(t\right)+K_I\∫e\left(t\right)dt+K_D\frac{de\left(t\right)}{dt}---\left(1\right)$

可知，通过对K_p，K_I，K_D三个参数的设定，可实现比例控制、积分控制、微分控制三种控制方法的单独或组合使用。因此，PID控制器具有控制方法灵活、参数易于调整、控制效果良好等优点，其已经成为工业控制中最为常用的一种控制器。

目前，在热工控制领域，PID控制器常以功能模块的形式，运用到相应的控制平台上，以使控制平台具有PID控制的功能，如在DCS平台上运用PID控制器，已成为一项运用成熟的技术。由此，越来越多的技术人员开始考虑在PLC平台上运用PID控制器，并已经取得了相关的技术成果。

但是，目前PLC平台上的PID功能块除了计算功能外，不具有其它的功能，当需要实现其他功能时，要通过二次开发进行功能完善，耗时费力。各个控制平台所使用的PID控制器的控制原理是相同的，均如图1所示，但PID控制器在各个平台的具体应用及功能却不同，需要符合控制平台运行要求和实际需要，才能更加方便快捷地应用PID控制解决问题。如对于海水淡化装置，其采用热法蒸馏密闭制水，要求模拟量测量准确，自动控制反应灵敏，这就需要PID控制器有手动/自动切换功能、模拟量测量值品质检测功能等。因此，在用于控制该海水淡化装置的PLC平台上，就需要配合海水淡化的实际要求，增加和完善PID控制器的功能。

发明内容

本发明的目的是提供一种PID控制器，该PID控制器用于解决目前应用于PLC平台的PID控制器功能单一的问题。

为了实现上述目的，本发明提供一种PID控制器，该PID控制器包括：用于PLC平台的PID控制模块；以及与所述PID控制模块连接的以下模块：参数设置模块，用于对所述PID控制模块的PID参数进行手动设定；设定值设置模块，用于对所述PID控制模块进行PID控制所需的设定值进行手动设定或自动设定；和切换模块，用于实现手动设定和自动设定之间的无扰切换。

本发明还提供了一种PLC平台，其包括上述的PID控制器。

本发明还提供了一种海水淡化装置，其包括上述的PLC平台。

通过上述技术方案，本发明的技术效果是：

1、本发明中，进行PID控制的设定值可通过手动设定(运行人员上位机设定)或者自动设定(经过计算后设定)完成，分为手动/自动控制方式，可以实现单回路和串级回路调节。

2、本发明中，相关PID参数采用手动设定，便于调试修改。

3、本发明还可以选择并行算法和串行算法等制定不同的控制策略。

4、本发明对控制的模拟量品质位检测，确保其与设定值偏差量准确。

5、本发明能实现手动/自动无扰切换，保证***安全运行。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是现有技术中PID控制器的结构及原理示意图。

图2是在海水淡化装置中PID控制模块的工作流程原理示意图。

图3是是现有技术的海水淡化装置中PID控制模块的原理示意图。

图4是本发明的实施方式中的PID控制器的结构示意图。

图5是本发明的实施方式中设定值设置模块的结构示意图。

图6是本发明的实施方式中PID控制器的接口的示意图。

附图标记说明

1、PID控制模块，2、参数设置模块，3、设定值设置模块，4、切换模块，5、上位机，6、测量值输入模块，7、模拟量品质位检测模块，8、算法选择模块，31、设定值方式选择模块，32、设备值处理模块。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“内、外”是指相应轮廓的内与外。

目前，在PLC平台上的PID控制模块仅具有计算功能，而需要其它功能时，往往需要通过二次开发来进行完善。

PID控制原理如图1及公式(1)所示，该控制原理在PID控制器的不同应用场合中均为一样(对于将PID控制与其他控制策略相结合的控制方法，配合其他的控制策略，有适应性的变化)，但是在不同的应用场合，需要PID控制器能满足该应用场合下***的运行要求和实际需要，因此需要对PLC控制器进行改进。本实施方式中，即是针对海水淡化装置，给出了一种PID控制器，以完善原PID控制器(即是指用于PLC平台的PID控制模块，也称PID功能块)的功能。

如图2所示，在海水淡化装置中，PLC平台上的PID控制模块根据被调节对象的模拟量控制调节门，根据设定值和测量值的偏差，通过PID参数计算，实现自动控制。根据图2可知PID控制模块是在“数据采集、数据处理、逻辑运算”的过程中把控制原理通过功能块的形式表达出来，其是海水淡化装置的控制***监控运行的核心。

如图3所示，其为用于PLC平台上的现有PID控制模块的常规结构，具有设定值输入接口、测量值输入接口、PID参数设定接口、手动/自动选择接口以及用于给出指令的输出接口。这种常规结构的PID控制模块应用在海水淡化装置中时，存在以下几个方面的缺陷。

1)该PID控制模块只适用于单回路，而不适用于串级调节回路。

对于串级调节回路，其包括主回路和幅回路，其中幅回路对主回路进行跟踪，即幅回路的参数根据主回路的参数自动变化。因此，在实现串级调节，需要对主回路的参数(如设定值)进行手动设定，而对幅回路的参数进行自动设定。而如图3所示的PID控制模块，只能在手动设定和自动设定中进行选择，而无法实现切换，即不能保证在手动设定主回路参数的同时，自动设定幅回路参数。因此，当需要实现串级调节时，通常需要配置两个PID控制模块，其中一个用于主回路，而另一个用于幅回路。

2)PID参数的修改需要在内部逻辑里设定，调试修改比较麻烦。

PID参数通常是指比例增益、积分时间和微分时间，对于这三个参数的设定，现有PID控制模块是通过其内部逻辑确定的，即为PID控制模块配置设定PID参数的控制逻辑，当需要进行PID参数设定时，修改相应的逻辑，以更改PID参数。但是，当PLC平台运行时，对PID参数进行逻辑更改具有一定的困难性，且会影响整个控制效果。

3)不能对并行算法和串行算法等进行选择，无法制定不同的控制策略。

PID控制模块中集成了多个算法模块，在PID控制策略确定后，即对应选择一个算法模块，一旦选择后即不易更改。因此，无法同时制定出不同的控制策略。

4)没有对控制模拟量品质位进行检测，一旦出现故障容易连带影响调节回路。

品质位检测主要是指检测该位上的信号是否断线或者是否与标准信号相符合。若不对模拟量进行品质位检测，在信号存在故障时，容易影响到PID调节回路。

5)没有手动/自动无扰切换，调节回路容易出现波动，影响***安全运行。

PID控制模块中可以对手动设定和自动设定进行选择，但是无法进行无扰切换。在PID控制的实际调节过程中，当手动设定方式变为自动设定方式，或者自动设定方式变为手动设定方式时，往往会发生很大的扰动，而这些扰动会影响***的安全运行。

因此，针对原PID控制模块存在的缺陷，对其进行改进，以适用海水淡化***是非常必要的。

如图4所示，本实施方式提供了一种PID控制器，该PID控制器包括：用于PLC平台的PID控制模块1；以及与所述PID控制模块连接的以下模块：参数设置模块2，用于对所述PID控制模块的PID参数进行手动设定；设定值设置模块3，用于对所述PID控制模块进行PID控制所需的设定值进行手动设定或自动设定；和切换模块4，用于实现手动设定和自动设定之间的无扰切换。

其中，所述PID控制模块1即为现有PLC平台上的PID控制模块，此处不再进行累述。

本实施方式中，所述参数设置模块2与所述PID控制模块1相连，在实质上是指：该参数设置模块2与所述PID控制模块1的PID参数设定接口连接，且该参数设置模块2的输入端口成为改进后的PID控制器的PID参数设定接口。通过该参数设置模块2，原来的通过对设定PID控制模块的内部逻辑来修改参数的方式变为通过PID参数模块外接的参数设置模块来修改参数。该参数设置模块2可以是内部集成有程序的功能模块，其内部的程序与PID控制模块内部实现参数调节的程序相一致，从而可调节PID参数。对本领域技术人员而言，可通过PID控制模块内部实现参数调节的程序相应编制参数设置模块内容的程序，以生成具有PID参数调节功能的参数设置模块，不需要进行创造性劳动。另外，也可直接采用本领域内具有参数设置功能的模块，对其进行适应性配置，以符合本实施方式的要求。

本实施方式中，设定值设置模块3用于对所述PID控制模块进行PID控制所需的设定值进行手动设定或自动设定，如图5所示，其进一步包括：设定值方式选择模块31，用于选择采用手动设定方式或自动设定方式进行设定值的设置；以及设定值处理模块32，用于对设定值进行量程处理及方法，再传输给所述PID控制模块。需说明的是，所述设定值设置模块3与所述PID控制模块1相连，在实质上是指：该设定值设置模块3与所述PID控制模块1的设定值输入接口连接，且设定值设置模块3的输入端口将作为改进后的PID控制器的设定值输入接口。

对于设定值方式选择模块31，其相当于一个选择开关，用于实现手动设定方式和自动设定方式的选择。其中，所述设定值设置模块连接有上位机5，用于通过上位机5对所述原PID控制器进行PID控制所需的设定值进行手动设定，即由运行人员通过上位机完成手动设定。而自动设定方式下，由于设定值设置模块的配置，也成为了外部设定方式，其通过计算对设定值进行自动设定，因此这里的自动设定也属于跟踪设定的一类。由于手动设定方式和自动设定方式均是相对于PID控制模块的外部设定方式，故改进后的PID控制器能实现串级回路调节，即对主回路的设定值进行手动设定，对副回路的设定值进行跟踪设定，使副回路的设定值跟踪主回路的设定值而自动变化，实现了通过一个PID控制器完成串级回路调节。

对于设定值处理模块32，其主要作用是对输入的设定值进行量程处理及放大，本实施方式中，优选为先除以量程，再将设定值信号放大100倍的处理方式。

此外，PID控制器是根据设定值和测量值的偏差进行控制的，因此除设定值设置模块外，该PID控制器还包括：测量值输入模块6，其连接所述PID控制模块，用于对所述PID控制模块进行PID控制所需的测量值进行量程处理及放大，再传输给所述PID控制模块。在量程处理及放大的过程中，优选为先除以量程，再将测量值信号放大100倍的处理方式。

本实施方式中，所述切换模块4的主要功能是实现手动设定和自动设定之间的无扰切换，该切换模块4采用现有技术中的手动/自动无扰切换回路。无论对于原PID控制模块，还是对于改进后的PID控制器，均涉及进行PID参数、设定值等的手动设定和自动设定，但是原PID控制模块缺少直接的切换机构，运行人员在手动设定和自动设定中进行变换时，易引起信号的较大波动。本实施例切换模块4的手动/自动切换主要是指是否启用PID控制器进行自动控制的问题，当手动控制相应设备时PID控制器应该能够跟踪手动控制或者说与手动控制状态一致，从而实现手动/自动切换时是无扰的，而切换开关使用很少，仅在无法监测或者匹配到PID控制器与手动控制状态同步时才进行开关操作。因此，本实施方式中，通过设置切换模块解决启用PID控制器进行自动控制的问题，当运行人员决定进行切换时，直接通过PLC控制模块外的切换模块即可实现无扰切换。

本实施方式中，所述PID控制器还包括：模拟量品质位检测模块7，其与所述PID控制模块连接，用于对输入所述PID控制模块的模拟量进行品质位检测。其中，所述模拟量品质位检测模块还可与所述切换模块相连，以保证手动设定和自动设定之间的无扰切换能正常进行。

本实施方式中，所述PID控制器还包括：算法选择模块8，其连接所述PID控制模块，用于对所述PID控制模块内集成的算法进行选择。该算法选择模块可配置为一个选择开关，以实现算法选择。

此外，上述的PID控制器配置有多个接口，且每个接口均与所述PID控制器中包括的其中一个模块相对应，以作为该相对应的模块的输入接口或输出接口。如图6所示，即给出了PID控制器的接口及接口参数的一个优选设置方式，图中方框内的字符表示为各接口定义的名称，而对应的方框外的汉字对定义的名称进行的注释。

综上所述，本实施方式中的PID控制器相对于海水淡化装置目前使用的PID控制模块，具有以下几个方面的优点：

1、进行PID控制的设定值可通过手动设定(运行人员上位机设定)或者自动设定(经过计算后设定)完成，分为手动/自动控制方式，可以实现单回路和串级回路调节。

2、相关PID参数采用手动设定，便于调试修改。

3、可以选择并行算法和串行算法等制定不同的控制策略。

4、对控制的模拟量品质位检测，确保其与设定值偏差量准确。

5、能实现手动/自动无扰切换，保证***安全运行。

采用上述PID控制器的PLC平台及海水淡化装置也具有相应的优点。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (10)

1.一种PID控制器，其特征在于，该PID控制器包括：

用于PLC平台的PID控制模块；以及

与所述PID控制模块连接的以下模块：

参数设置模块，用于对所述PID控制模块的PID参数进行手动设定；

设定值设置模块，用于对所述PID控制模块进行PID控制所需的设定值进行手动设定或自动设定；和

切换模块，用于实现手动设定和自动设定之间的无扰切换。

2.根据权利要求1所述的PID控制器，其特征在于，该PID控制器还包括：

模拟量品质位检测模块，其与所述PID控制模块连接，用于对输入所述PID控制模块的模拟量进行品质位检测。

3.根据权利要求2所述的PID控制器，其特征在于，所述模拟量品质位检测模块还连接所述切换模块，用于保证手动设定和自动设定之间的无扰切换能正常进行。

4.根据权利要求1所述的PID控制器，其特征在于，该PID控制器还包括：

算法选择模块，其连接所述PID控制模块，用于对所述PID控制模块内集成的算法进行选择。

5.根据权利要求1所述的PID控制器，其特征在于，该PID控制器还包括：

测量值输入模块，其连接所述PID控制模块，用于对所述PID控制模块进行PID控制所需的测量值进行量程处理及放大，再传输给所述PID控制模块。

6.根据权利要求1所述的PID控制器，其特征在于，所述设定值设置模块连接有上位机，用于通过上位机对所述原PID控制器进行PID控制所需的设定值进行手动设定。

7.根据权利要求6所述的PID控制器，其特征在于，所述设定值设置模块包括：

设定值方式选择模块，用于选择采用手动设定方式或自动设定方式进行设定值的设置；以及

设定值处理模块，用于对设定值进行量程处理及方法，再传输给所述PID控制模块。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的PID控制器，其特征在于，所述PID控制器配置有多个接口，且每个接口均与所述PID控制器中包括的其中一个模块相对应，以作为该相对应的模块的输入接口或输出接口。

9.一种PLC平台，其特征在于，包括权利要求1至8中任一项所述的PID控制器。

10.一种海水淡化装置，其特征在于，包括权利要求9所述的PLC平台。