用运算放大器模拟被控对象的PID闭环实验

PID控制的难点在于整定控制器的参数。为了学习整定PID控制器参数的方法，必须做闭环实验，开环运行PID程序没有任何意义。用硬件组成一个闭环需要plc的CPU模块、模拟量输入模块和模拟量输出模块，此外还需要被控对象、检测元件、变送器和执行机构。例如可以用电热水壶作为被控对象，用热电阻检测温度，用温度变送器将温度转换为标准电压，用移相控制的交流固态调压器作执行机构。

有没有比较简单的实现PID闭环控制的方法呢？

在控制理论中，用传递函数来描述被控对象、检测元件、执行机构和PID控制器。

在实验室可以用以运算放大器为核心的模拟电路（见下图）来模拟广义的被控对象（包括检测元件和执行机构）的传递函数。运算放大器应使用双电源，例如±12V的电源。设置模拟量输入、输出模块的量程为±10V。

将运算放大器电路的输出端接到PLC的模拟量输入模块的电压输入端（下图的A-D端），将PLC模拟量输出模块的电压输出端（D-A端）接到运算放大器电路的输入端，这样就组成了一个模拟的闭环控制系统。

可以用下图中的运算放大器电路来模拟一阶惯性环节、两个串连的惯性环节，或串连的惯性环节与积分环节。

我曾将这种运放电路用于S7-1200的PID参数自动调节。自调节的详细操作方法见《S7-1200 PLC编程及应用》第2版。

下图是PID参数自调节过程的趋势曲线。使用自调节得到的PID参数，得到了比较好的响应曲线。