《PLC编程与应用技术》教案 第12课 掌握PID控制的应用.docx

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课题

掌握PID控制的应用

课时

2课时（90min）

教学目标

知识目标：

（1）熟悉PID控制原理

（2）掌握PID指令的基本用法

能力目标：

掌握恒压供水系统的设计方法

素质目标：

通过学习PID动态调整输出的过程，培养学生团队合作意识，增强沟通能力，不断优化团队力量

教学重难点

教学重点：PID控制原理，PID指令

教学难点：PID控制原理的理解

教学方法

问答法、讨论法、讲授法、实践法

教学用具

电脑、投影仪、多媒体课件、教材

教学过程

主要教学内容及步骤

课前任务

【教师】布置课前任务，和学生负责人取得联系，让其提醒同学通过APP或其他学习软件，完成课前任务

请同学们上网查找，在自动化控制和工业生产过程中，应用了哪些控制方法。

【学生】完成课前任务

考勤

【教师】使用APP进行签到

【学生】班干部报请假人员及原因

问题导入

【教师】讲解“任务引入”的相关内容（详见教材），并提出以下问题：

当一个控制系统和被控对象不完全被了解，或不能通过有效测量手段来获取控制系统参数时，请同学们思考如何对该系统进行控制？

【学生】思考、举手回答

传授新知

【教师】讲解PID控制原理，PID指令

在工程实际中，应用最为广泛的控制方法为PID控制。PID控制以结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当一个控制系统和被控对象不完全被了解，或不能通过有效测量手段来获取控制系统参数时，最适合用PID控制。

一、PID控制原理

?【教师】介绍PID控制的含义，PID控制的原理

PID控制即比例（P）、积分（I）、微分（D）控制，它能在控制系统中实时监测被控对象的实际值，并将其与设定值进行比较，计算出两者的偏差，利用比例、积分、微分计算输出值，进而将被控对象调整到设定值，PID控制原理图如图6-2所示（详见教材）。

比例控制是一种最简单的控制方式，其控制系统的输出与误差成比例关系。当仅有比例控制时，控制系统的输出存在稳态误差。

若控制系统在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的系统，简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分环节”，即积分控制。在积分控制中，控制系统的输出与误差的积分成正比关系。因此，比例积分（PI）控制可以使系统在进入稳态后无稳态误差。

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，主要原因是系统中存在惯性较大的组件或滞后组件，它们有抑制误差的作用，从而使系统变化落后于误差的变化，引起超调。此时需要在控制器中增加“微分环节”，即控制系统的输出与误差的微分（误差的变化率）成正比关系。微分控制能预测误差变化的趋势，比例微分（PD）的控制能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控对象严重超调，进而改善控制系统在调节过程中的动态特性。

【课堂问答】

?【教师】随机邀请学生回答以下问题

请同学们根据自己理解，用自己的话，简述PID控制原理。

?【学生】聆听、思考、回答

?【教师】总结学生的回答

二、PID指令

?【教师】介绍PID控制功能的组成，CompactPID指令集包含的具体指令、指令符号及作用

S7-1200PLC的PID控制功能主要由PID指令块、循环中断块和工艺对象组成。PID指令块定义了控制系统的控制算法，循环中断块按一定周期执行控制算法，工艺对象用于定义输入/输出、调试和监控等参数。

S7-1200PLC中的PID指令组成了CompactPID指令集，包括PID_Compact（集成了调节功能的通用PID控制器）、PID_3Step（集成了阀门调节功能的PID控制器）和PID_Temp（温度PID控制器）3个指令。

其中，PID_Compact指令用于控制工艺过程，通常通过模拟信号的输入和输出来进行控制；PID_3Step指令用于控制电机驱动的设备，如需要通过离散信号实现打开和关闭动作的阀门；PID_Temp指令是专为温度控制而设计的，它提供了具有集成调节功能的连续PID控制。

CompactPID指令集中最常用的是PID_Compact指令，其指令符号如图6-3所示（详见教材）。PID_Compact指令不仅能抗积分饱和，还能对比例环节和积分环节进行加权运算。PID_Compact指令的输入/输出引脚功能如表6-1所示（详见教材）。

【课堂讨论】

?【教师】对学生进行分组，每组选出一名组长，然后组织学生以小组为单位讨论以下问题：

PID_Compact（集成了调节功能的通用PID控制器）、PID_3Step（集成了阀门调节功能的PID控制器）和PID_Temp（温度PID控制器）3个指令的在使用时有哪些区别？

?【学生】聆听、思考、小组讨论，由小组代表