三菱 PLC 的 PID 调节：块/指令用法、整定步骤与实战案例（HTML 版）

适配：FX/iQ-F（FX5U/FX5UC）、FX3U、Q/L、iQ-R 等系列；工程软件：GX Works2 / GX Works3

一、PID 在三菱 PLC 上的典型形态

• 指令式 PID：在早期 FX/FX3 系列常见，直接调用 PID 指令，配合数据寄存器（D）完成参数读写。
• 功能块式 PID：在 FX5U（iQ-F）、Q/L、iQ-R 平台常见，工程里插入 PID 功能块（库函数），参数以结构化方式配置，支持自整定（Auto-Tune）。

两种形态的核心思想相同：固定采样周期执行离散 PID，对输入（PV）与设定（SP）进行闭环调节，输出（CV）驱动 AO/变频器/阀门等执行器。

二、基础概念与工程值缩放

1. 采样周期（Ts）：在主程序或定时中断中以固定周期调用 PID（典型 50–200 ms，按对象特性选择）。
2. 工程值缩放：将 AI 原始量（如 0–4000）缩放为工程单位（如 0–100.0% 或物理量），AO 同理反向缩放。确保 PV、SP、CV 单位一致。
3. 输出限幅：设置 CV 的上下限（例如 0–100%），并在执行前做限幅，避免撞限引起积分饱和。

三、常见接口/参数对照（指令式/块式抽象）

参数	含义	建议
PV（Process Value）	过程值/反馈	AI→缩放→工程单位
SP（Setpoint）	设定值	与 PV 单位一致
CV（Control Value）	控制输出	工程单位 → AO/通讯输出
Kp 或 Gain	比例增益	先从较小值起步
Ti	积分时间	用于消除稳态误差
Td	微分时间	改善动态；噪声大慎用
Ts	采样周期	与调用周期一致（如 100 ms）
CV_H / CV_L	输出上/下限	典型 0–100%
MAN/AUTO	手/自动	支持平滑切换
AT（Auto-Tune）	自动整定	扰动期注意安全

四、GX Works 的基本配置流程

1. 硬件与通道

• 在 参数/模块 中启用并配置 AI/AO 通道（量程、滤波）。
• 确认通道对应的寄存器地址（如 D、SD、BFM 等）。

2. 工程值缩放（示意）

; AI 原始 0..4000 → 0..100.0%
PV_percent = (AI_raw - 0) * (100.0 / 4000)

; CV 0..100.0% → AO 原始 0..4000
AO_raw = CV_percent * (4000 / 100.0)

3. 定时中断/固定周期调用

• 在 中断程序 或 定时器 形成固定周期（如 100 ms），周期内调用 PID。
• 确保 Ts 与 PID 参数中的采样周期一致。

五、指令式 PID（以 FX/FX3U 思路为例）

思路：使用 PID 指令，参数区（D 寄存器）存放 Kp、Ti、Td、限幅等；程序每个周期读取 PV、SP，执行 PID，输出 CV。

; 1) 采样周期：100 ms（定时中断）
; 2) 读取与缩放
MOV     D100     AI_raw
FMUL    AI_raw   K1.0    PV_percent   ; 示例：先按比例换算（具体按工程缩放实现）

; 3) 设置设定值（可由 HMI 写入）
MOV     K50.0    SP_percent

; 4) PID 参数区（示意：D200..D220）
; D200: Kp（比例增益）  D201: Ti(ms)  D202: Td(ms)
; D203: 输出下限        D204: 输出上限
; 具体以项目参数区定义为准

; 5) 调用 PID（伪代码表达，实际按三菱指令格式）
PID     PV_percent, SP_percent, D200, CV_percent

; 6) 限幅与反向缩放到 AO
LIMIT   K0.0, CV_percent, K100.0
FMUL    CV_percent, K40.00, AO_raw     ; 0..100% → 0..4000
MOV     AO_raw, D110                    ; 写 AO 通道寄存器

要点：Ti、Td 的单位与指令要求保持一致（常见 ms）；若对象响应慢（温控/液位），采样周期可设 100–200 ms；如响应快（速度/压力），需更快周期。

六、功能块式 PID（以 FX5U / Q / iQ-R 思路为例）

1. 在 功能块/结构 中插入 PID 功能块实例（工程库里选择 PID 或带自整定的 PID）。
2. 在属性中填写 Ts、Kp、Ti、Td、CV 上/下限、手自动 等参数绑定的变量。
3. 在固定周期程序中调用该 FB。

; 周期任务（100 ms）
FB_PID(
  PV := PV_percent,
  SP := SP_percent,
  Kp := Kp_val,
  Ti := Ti_ms,
  Td := Td_ms,
  Ts := T#100ms,
  CV_H := 100.0,
  CV_L := 0.0,
  MAN := ManMode,
  MAN_CV := ManValue,
  AT := AutoTuneReq,
  AT_DONE := AutoTuneDone,
  CV => CV_percent
)
; 输出缩放到 AO
AO_raw = CV_percent * 40.00

自整定流程：将 AT 置位 → 等待 AT_DONE → 复位 AT，检查 Kp/Ti/Td 新值并保存；整定期间允许输出扰动，务必确认安全边界。

七、手动/自动平滑切换

进入手动时将手动输出初值设为当前 CV，实现“软移交”，避免跳变：

IF ManMode = TRUE THEN
  ManValue := CV_percent;   ; 第一次进入手动时抓取当前输出
  ; 手动下由 HMI/上位机调节 ManValue
ELSE
  ; 自动模式
END_IF

八、整定方法（现场常用）

1. 自动整定（Auto-Tune）

1. SP 设定到目标点，输出限幅设置合理（保护设备）。
2. 触发 AT，自整定期间会对对象施加阶跃扰动，测得响应特性后自动写入参数。
3. 完成后小步微调，尤其是对超调或响应时间不满意时。

2. 手动整定（经验法）

• 仅 P：增大 Kp 至出现轻微连续振荡，再回退 10–20%。
• 加 I：逐步缩短 Ti 以消除稳态误差，太小会引起振荡。
• 加 D：在超调明显或目标变化快时加入 Td，噪声大时慎用。

3. 采样与滤波

• 对象慢（温度/液位）→ 较长 Ts（100–200 ms）+ 适度输入滤波；
• 对象快（压力/速度）→ 较短 Ts（10–50 ms），尽量减少滤波延迟。

九、实战案例 1：温度控制（电加热恒温炉）

目标

将炉温保持在 200.0 ℃ ±1.0 ℃；AI 读取温度变送器，AO 输出给 SSR/可控硅驱动或给变频器限幅。

要点

• 温度对象惯性大，建议 Ts=200 ms 起步，Kp 较小、Ti 较大，Td 视超调情况添加。
• 启用输出限幅与爬升限速（Ramp），避免上电大功率冲击。

步骤摘要

1. AI→工程值（℃）；设 SP=200.0。
2. 自整定一次；若超调 > 5 ℃，适当减小 Kp 或增大 Td。
3. 启用抗积分饱和（先限幅再积分）。

十、实战案例 2：水箱液位（变频恒压/恒位）

目标

维持液位 50.0%；AI 读取液位，CV 输出给水泵 VFD 频率。

要点

• 液位为慢变量，Ts=100–200 ms，Kp 小、Ti 中等；基本不需要 Td。
• 设置空转/低液位保护，避免抽空。

步骤摘要

1. 完成缩放与限幅；SP=50.0。
2. 手动整定：Kp 到略振，Ti 缩短至误差可接受且不振荡。
3. 拔插扰动（开小阀注水/放水）验证控制品质。

十一、实战案例 3：电机速度闭环（带编码器）

目标

编码器测速为 PV，AO 给 VFD 频率为 CV，维持目标转速。

要点

• 对象较快，Ts 建议 10–50 ms，采样与滤波要协调。
• Kp/ Ti 要更激进；Td 适度可改善超调。

步骤摘要

1. 编码器脉冲→速度计算→工程单位（rpm）。
2. 功能块 PID（或高速 PID 指令）在高速周期任务中执行。
3. 关注扫描时间抖动与通讯延迟。

十二、常见问题与排查

现象	原因	处理
输出“顶格”不回	积分饱和	限幅后再积分；进入手动复位积分；增大 Ti
持续振荡	Kp 过大 / Ti 太小 / Ts 太短	减小 Kp、增大 Ti、适度延长 Ts 或加滤波
响应迟钝	Kp 偏小 / Ti 过大	增大 Kp、缩短 Ti
切手动/自动跳变	无软移交	切手动时以当前 CV 为初值；切回自动做斜坡过渡
PV 抖动大	传感器噪声 / 接地不良	检查布线与屏蔽；适度滤波；慎用 Td
SP/PV 单位不一致	缩放错误	统一单位；核对量程与线性换算

十三、工程建议与归纳

• 固定周期优先：使用定时中断/周期任务保证 Ts 稳定。
• 先缩放再调参：工程单位对齐是成功一半。
• 自整定=起点：AT 后务必人工微调以符合工艺偏好。
• 限幅与防饱和：先限幅、抗积分饱和、必要时加输出斜率限制。
• 记录与回溯：趋势曲线与参数变更日志，便于复盘与复制经验。

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