摘要：目前各種PID控制器儀表常用於簡單的設定點（Set Point）和斜坡（Ramp）程序控制，但對於複雜的正弦波等周期性變量的控制則無能為力。為了採用標準PID控制器便捷和低成本的實現對正弦波等周期性變量的自動控制，本文介紹相應的解決方案。解決方案的主要內容一是採用具有遠程設定點功能的PID控制器，二是採用外置信號發生器，發生器輸出的周期信號作為PID控制器周期性改變的設定值，從而實現周期性變量的自動控制。

1. 問題的提出

在各種科研生產中經常會設計一些周期性的溫度、濕度、真空壓力和振動等交變環境或邊界條件來進行各種特定的測試和考核，這些周期性邊界條件或環境所呈現出的常見形式往往會是方波、正弦波，三角波和梯形波等，這在各種物理參數的動態測試和產品構件的性能考核試驗過程中體現的尤為明顯，由此就要求相應的自動化系統能提供這些不同波形環境變量的準確控制，從而保證實際環境的變化與測試及試驗數學模型對邊界條件的描述儘可能的吻合，最終保證物理變量測試以及考核試驗的準確性和可靠性。

在各種溫度、濕度、真空壓力和振動等環境的形成和自動化控制過程中，基本都是採用各種小巧的工業級PID控制器和PLC可編程邏輯控制器，這些控制器非常適用於定點或變化速度較慢的線性變化控制，圖1(a)所示就是這樣一個非常典型溫度控制變化過程曲線。

對於圖1(a)所示的典型溫度變化過程，採用普通的PID程序控制器進行編程設計就可以實現，並且還可以編輯多條這樣的多折線控制程序進行存儲和調用運行。但對於如圖1(b)所示的正弦波形式的溫度控制和線性升溫加正弦波調製的溫度控制，目前還未看到可進行這種周期性變量控制的標準化PID控制器。為了在實際應用中實現這種周期性變量的PID控制，往往需要採用計算機和PLC並進行複雜的控制程序編寫才能實現這種複雜功能，但這具有較高的技術門檻。

為了解決上述PID控制器對於複雜正弦波等周期性變量控制的無能為力，並能採用標準PID控制器便捷和低成本的實現對正弦波等周期性變量的自動控制，本文將提出以下解決方案。

2. 解決方案

PID調節器進行自動控制的基本原理是根據設定值與被控對象測量值之間的控制偏差，將偏差按比例、積分和微分通過線性組合形成控制輸出量，對被控對象進行控制。這裡的設定值是一種泛指，實際上包括了不隨時間變化的固定設定值和隨時間變化的設定曲線。

由此可見，對於PID控制器要實現自動控制的必要前提是要已知被控對象的變化要求，並將此要求按照設定值曲線輸入給PID控制器。通常的設定曲線如圖1(a）所示，它可以通過設定不同的爬升速率構成控制程序曲線。如果採用此方式來進行如圖1(b）所示正弦波那樣的周期性被控對象，則需要設計很多個小折線才能準確代表波形曲線，而在實際應用中還需能不斷調整被動對象的波幅和頻率，由此可見採用這種折線方式來對正弦波類周期性變化被動對象進行設定值近似無可操作性。總之，這種問題最終可以歸結到如何使得PID控制器的設定值變得符合周期性函數特徵，並可以很方便的進行波形、波幅和頻率的更改。

為了可以很方便的將PID控制器設定值按照所需的函數波形進行設置，本文提出的解決方案具體內容如下：

（1）採用具有外部設定點功能的PID控制器，即PID控制器所接收到的外部任意波形信號都可以作為設定值。

（2）外置一個函數信號發生器，給PID控制器傳輸所需的波形信號。

依據上述方案所確定的PID控制裝置及其接線如圖2所示。

2.1 具有遠程設定點功能的PID控制器

所用的具有遠程設定值功能的PID控制器一般配置有兩個輸入通道，第一主輸入通道作為測量被控對象的傳感器輸入，第二輔助輸入通道用來作為遠程設定點輸入。與主輸入信號一樣，輔助輸入的遠程設定點同樣可接受47種類型的輸入信號，其中包括10種熱電偶溫度傳感器、9種電阻型溫度傳感器、3種純電阻、10種熱敏電阻、3種模擬電流和12種模擬電壓，即任何信號源只要能轉換為上述47種類型型號，都可以直接接入第二輔助輸入通道作為遠程設定點源。需要注意的是，遠程設定點功能只能在單點設定控制模式下有效，在程序控制模式下無此功能。

2.2 函數信號發生器

對於所有被控對象而言，相應的傳感器測量輸出無外乎就是電壓和電阻這兩類信號輸出。因此，為了實現被控對象周期性變化的控制，可以採用各種相應的函數信號發生器輸出周期性設定值，對於熱電偶和熱電阻的周期信號輸出，可以採用專門的過程校驗儀輸出相應的溫度設定值。

2.3 接線、參數設置和操作

在如圖2所示的周期性變量PID控制系統中，在主輸入通道上連接過程傳感器，在主控輸出通道連接的是執行機構，由此傳感器、執行機構和PID調節器組成標準的閉環控制迴路，在一般情況下可以通過內部設定點進行PID自動控制。

如果要對被控對象進行周期性變化的控制，則使用遠程設定點功能，此時需要在輔助輸入通道接入遠程設定點源，即函數信號發生器或過程校驗儀。

完成外部接線後，在運行使用遠程設定值功能之前，需要對PID控制器的輔助輸入通道相關參數進行設置，需要滿足以下幾方面要求：

（1） 輔助通道上接入的遠程設定點信號類型要與主輸入通道完全一致。

（2） 輔助通道的顯示上下限也要與主輸入通道完全一致。

（3） 顯示輔助通道接入的遠程設定點信號大小的小數點位數要與主輸入通道保持一致。

完成上述輔助輸入通道參數的設置後，開始使用遠程設定點功能時，還需要激活遠程設定值功能。遠程設定值功能的激活可以採用以下兩種方式：

（1） 內部參數激活方式：在PID控制器中，設置輔助輸入通道2的功能為「遠程SV」，相應數字為3。

（2）外部開關切換激活：如圖2所示可連接一個外部開關進行切換來選擇遠程設定點功能。同時，還需在PID控制器中，設置輔助輸入通道2的功能為 「禁止」，相應數字為0。然後設置外部開關量輸入功能DI1為「遙控設定」，相應數字為2。通過這種外部開關量輸入功能的設置，就可以採用圖2中所示的紐子開關實現遠程設定點和本地設定點之間的切換，開關閉合時為遠程設定點功能，開關斷開時為本地設定點功能。

需要注意的是，無論採用哪種遠程設定點激活和切換方式，在輸入信號類型、顯示上下限範圍和小數點位數這三個參數選項上，輔助輸入通道始終要與主輸入通道保持一致。

3. 總結

綜上所述，本文提出的解決方案，可以徹底解決正弦波等周期性變量的PID控制問題，而且使用簡便和門檻較低，無需再進行複雜的程序編寫。

另外，本解決方案還可以進行多種拓展，如可實現被控對象周期性調製波的加載，非常便於實現更複雜的第二類和第三類邊界條件的精密PID控制。