如何使用S7-200CPU 的PID控制

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1、如何使用S7-200CPU 的PID控制 S7-200 能夠進(jìn)行PID 控制。S7-200 CPU最多可以支持8 個(gè)PID 控制回路（8個(gè)PID 指令功能塊）。 PID 是閉環(huán)控制系統(tǒng)的比例－積分－微分控制算法。 PID 控制器根據(jù)設(shè)定值（給定）與被控對(duì)象的實(shí)際值（反饋）的差值，按照PID 算法計(jì)算出控制器的輸出量，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)去影響被控對(duì)象的變化。 PID 控制是負(fù)反饋閉環(huán)控制，能夠抑制系統(tǒng)閉環(huán)內(nèi)的各種因素所引起的擾動(dòng)，使反饋跟隨給定變化。 根據(jù)具體項(xiàng)目的控制要求，在實(shí)際應(yīng)用中有可能用到其中的一部分，比如常用的是PI（比例－積分）控制，這時(shí)沒有微分控制部分。

2、 1、PID 算法在S7-200 中的實(shí)現(xiàn) PID 控制最初在模擬量控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，隨著離散控制理論的發(fā)展，PID也在計(jì)算機(jī)化控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。 計(jì)算機(jī)化的PID 控制算法有幾個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)： ●Kc：Gain，增益 ●Ti：積分時(shí)間常數(shù) ●Td：微分時(shí)間常數(shù) ●Ts：采樣時(shí)間 在S7-200 中PID 功能是通過PID 指令功能塊實(shí)現(xiàn)。通過定時(shí)（按照采樣時(shí)間）執(zhí)行PID 功能塊，按照PID 運(yùn)算規(guī)律，根據(jù)當(dāng)時(shí)的給定、反饋、比例－積分－微分?jǐn)?shù)據(jù)，計(jì)算出控制量。 PID 功能塊通過一個(gè)PID 回路表交換數(shù)據(jù)，這個(gè)表是在V 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)中的開辟，長度為36 字節(jié)。因

3、此每個(gè)PID 功能塊在調(diào)用時(shí)需要指定兩個(gè)要素：PID控制回路號(hào)，以及控制回路表的起始地址（以VB 表示）。 由于PID 可以控制溫度、壓力等等許多對(duì)象，它們各自都是由工程量表示，因此有一種通用的數(shù)據(jù)表示方法才能被PID 功能塊識(shí)別。S7-200中的PID 功能使用占調(diào)節(jié)范圍的百分比的方法抽象地表示被控對(duì)象的數(shù)值大小。在實(shí)際工程中，這個(gè)調(diào)節(jié)范圍往往被認(rèn)為與被控對(duì)象（反饋）的測(cè)量范圍（量程）一致。 PID 功能塊只接受0.0 - 1.0 之間的實(shí)數(shù)（實(shí)際上就是百分比）作為反饋、給定與控制輸出的有效數(shù)值，如果是直接使用PID 功能塊編程，必須保證數(shù)據(jù)在這個(gè)范圍之內(nèi)，否則會(huì)出錯(cuò)。其他如增益、采樣

4、時(shí)間、積分時(shí)間、微分時(shí)間都是實(shí)數(shù)。 因此，必須把外圍實(shí)際的物理量與PID 功能塊需要的（或者輸出的）數(shù)據(jù)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。這就是所謂輸入/輸出的轉(zhuǎn)換與標(biāo)準(zhǔn)化處理?！禨7-200系統(tǒng)手冊(cè)》上有詳細(xì)的介紹。 S7-200 的編程軟件Micro/WIN 提供了PID 指令向?qū)?，以方便地完成這些轉(zhuǎn)換/標(biāo)準(zhǔn)化處理。除此之外，PID指令也同時(shí)會(huì)被自動(dòng)調(diào)用。 1.1調(diào)試PID 控制器 PID 控制的效果就是看反饋（也就是控制對(duì)象）是否跟隨設(shè)定值（給定），是否響應(yīng)快速、穩(wěn)定，是否能夠抑制閉環(huán)中的各種擾動(dòng)而回復(fù)穩(wěn)定。 要衡量PID 參數(shù)是否合適，必須能夠連續(xù)觀察反饋對(duì)于給定變化的響應(yīng)曲

5、線；而實(shí)際上PID 的參數(shù)也是通過觀察反饋波形而調(diào)試的。因此，沒有能夠觀察反饋的連續(xù)變化波形曲線的有效手段，就談不上調(diào)試PID 參數(shù)。 觀察反饋量的連續(xù)波形，可以使用帶慢掃描記憶功能的示波器（如數(shù)字示波器），波形記錄儀，或者在PC 機(jī)上做的趨勢(shì)曲線監(jiān)控畫面等。 新版編程軟件STEP 7 - Micro/WIN V4.0 內(nèi)置了一個(gè)PID 調(diào)試控制面板工具，具有圖形化的給定、反饋、調(diào)節(jié)器輸出波形顯示，可以用于手動(dòng)調(diào)試PID 參數(shù)。對(duì)于沒有“自整定PID”功能的老版CPU，也能實(shí)現(xiàn)PID 手動(dòng)調(diào)節(jié)。 PID 參數(shù)的取值，以及它們之間的配合，對(duì)PID 控制是否穩(wěn)定具有重要的意義。這

6、些主要參數(shù)是： ●采樣時(shí)間： 計(jì)算機(jī)必須按照一定的時(shí)間間隔對(duì)反饋進(jìn)行采樣，才能進(jìn)行PID 控制的計(jì)算。采樣時(shí)間就是對(duì)反饋進(jìn)行采樣的間隔。短于采樣時(shí)間間隔的信號(hào)變化是不能測(cè)量到的。過短的采樣時(shí)間沒有必要，過長的采樣間隔顯然不能滿足擾動(dòng)變化比較快、或者速度響應(yīng)要求高的場(chǎng)合。 編程時(shí)指定的PID 控制器采樣時(shí)間必須與實(shí)際的采樣時(shí)間一致。S7-200中PID 的采樣時(shí)間精度用定時(shí)中斷來保證。 ●增益（Gain，放大系數(shù)，比例常數(shù)） 增益與偏差（給定與反饋的差值）的乘積作為控制器輸出中的比例部分。過大的增益會(huì)造成反饋的振蕩。 ●積分時(shí)間（Integral Time）

7、 偏差值恒定時(shí)，積分時(shí)間決定了控制器輸出的變化速率。積分時(shí)間越短，偏差得到的修正越快。過短的積分時(shí)間有可能造成不穩(wěn)定。 積分時(shí)間的長度相當(dāng)于在階躍給定下，增益為“1”的時(shí)候，輸出的變化量與偏差值相等所需要的時(shí)間，也就是輸出變化到二倍于初始階躍偏差的時(shí)間。 如果將積分時(shí)間設(shè)為最大值，則相當(dāng)于沒有積分作用。 ●微分時(shí)間（Derivative Time） 偏差值發(fā)生改變時(shí)，微分作用將增加一個(gè)尖峰到輸出中，隨著時(shí)間流逝減小。微分時(shí)間越長，輸出的變化越大。微分使控制對(duì)擾動(dòng)的敏感度增加，也就是偏差的變化率越大，微分控制作用越強(qiáng)。微分相當(dāng)于對(duì)反饋?zhàn)兓厔?shì)的預(yù)測(cè)性調(diào)整。 如果將微分時(shí)間設(shè)置為0 就

8、不起作用，控制器將作為PI 調(diào)節(jié)器工作。 1.2常見問題 1．對(duì)于某個(gè)具體的PID 控制項(xiàng)目，是否可能事先得知比較合適的參數(shù)？有沒有相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)？ 雖然有理論上計(jì)算PID 參數(shù)的方法，但由于閉環(huán)調(diào)節(jié)的影響因素很多而不能全部在數(shù)學(xué)上精確地描述，計(jì)算出的數(shù)值往往沒有什么實(shí)際意義。因此，除了實(shí)際調(diào)試獲得參數(shù)外，沒有什么可用的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)值存在。甚至對(duì)于兩套看似一樣的系統(tǒng)，都可能通過實(shí)際調(diào)試得到完全不同的參數(shù)值。 2．PID控制不穩(wěn)定怎么辦？如何調(diào)試PID？ 閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)試，首先應(yīng)當(dāng)做開環(huán)測(cè)試。所謂開環(huán)，就是在PID 調(diào)節(jié)器不投入工作的時(shí)候，觀察： ●反饋通道的信號(hào)是否穩(wěn)定

9、 ●輸出通道是否動(dòng)作正常 可以試著給出一些比較保守的PID 參數(shù)，比如放大倍數(shù)（增益）不要太大，可以小于1，積分時(shí)間不要太短，以免引起振蕩。在這個(gè)基礎(chǔ)上，可以直接投入運(yùn)行觀察反饋的波形變化。給出一個(gè)階躍給定，觀察系統(tǒng)的響應(yīng)是最好的方法。 如果反饋達(dá)到給定值之后，歷經(jīng)多次振蕩才能穩(wěn)定或者根本不穩(wěn)定，應(yīng)該考慮是否增益過大、積分時(shí)間過短；如果反饋遲遲不能跟隨給定，上升速度很慢，應(yīng)該考慮是否增益過小、積分時(shí)間過長…… 總之，PID參數(shù)的調(diào)試是一個(gè)綜合的、互相影響的過程，實(shí)際調(diào)試過程中的多次嘗試是非常重要的步驟，也是必須的。 S7-200 的新一代產(chǎn)品提供了自整定的PID

10、細(xì)調(diào)功能。 3．沒有采用積分控制時(shí)，為何反饋達(dá)不到給定？這是必然的。因?yàn)榉e分控制的作用在于消除純比例調(diào)節(jié)系統(tǒng)固有的“靜差”。沒有積分控制的比例控制系統(tǒng)中，沒有偏差就沒有輸出量，沒有輸出就不能維持反饋值與給定值相等。所以永遠(yuǎn)不能做到?jīng)]有偏差。 4．如何實(shí)現(xiàn)PID 反作用調(diào)節(jié)？ 參見PID 向?qū)е械某枂栴}。 5．S7-200控制變頻器，在變頻器也有PID 控制功能時(shí)，應(yīng)當(dāng)使用誰的PID 功能？可以根據(jù)具體情況使用。一般來說，如果需要控制的變量直接與變頻器直接有關(guān)，比如變頻水泵控制水壓等，可以優(yōu)先考慮使用變頻器的PID 功能。 6、《S7-200系統(tǒng)手冊(cè)》上的附錄H.14“用

11、S7-200 實(shí)現(xiàn)PID 控制”的例子，是否可以直接使用？《S7-200系統(tǒng)手冊(cè)》中的附錄H 在英文原版中并不存在。 H.14 的PID 例子是在第一代產(chǎn)品還不支持PID 運(yùn)算指令時(shí)的產(chǎn)物?，F(xiàn)在用戶可以使用PID 指令塊，或者PID Wizard（PID 向?qū)В┚庉婸ID 控制程序。 1.3 PID Wizard - PID 向?qū)? Micro/WIN 提供了PID Wizard（PID 指令向?qū)В?，可以幫助用戶方便地生成一個(gè)閉環(huán)控制過程的PID 算法。此向?qū)Э梢酝瓿山^大多數(shù)PID 運(yùn)算的自動(dòng)編程，用戶只需在主程序中調(diào)用PID 向?qū)傻淖映绦?，就可以完成PID 控制任務(wù)。 PI

12、D 向?qū)Ъ瓤梢陨赡M量輸出PID 控制算法，也支持開關(guān)量輸出；既支持連續(xù)自動(dòng)調(diào)節(jié)，也支持手動(dòng)參與控制。建議用戶使用此向?qū)?duì)PID編程，以避免不必要的錯(cuò)誤。如果用戶不能確定中文編程界面的語義，我們建議用戶使用英文版本的Micro/WIN，以免對(duì)向?qū)е邢嚓P(guān)概念發(fā)生誤解。 建議用戶使用較新的編程軟件版本。在新版本中的PID 向?qū)Й@得了改善。 1.4 PID 向?qū)Ь幊滩襟E 在Micro/WIN 中的命令菜單中選擇Tools > Instruction Wizard，然后在指令向?qū)Т翱谥羞x擇PID 指令： 圖1. 選擇PID 向?qū)? 在使用向?qū)r(shí)必須先對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行編譯，

13、在隨后彈出的對(duì)話框中選擇“Yes” ，確認(rèn)編譯。如果已有的程序中存在錯(cuò)誤，或者有沒有編完的指令，編譯不能通過。 如果你的項(xiàng)目中已經(jīng)配置了一個(gè)PID 回路，則向?qū)?huì)指出已經(jīng)存在的PID 回路，并讓你選擇是配置修改已有的回路，還是配置一個(gè)新的回路： 圖2. 選擇需要配置的回路 第一步：定義需要配置的PID 回路號(hào) 圖3. 選擇PID 回路號(hào) 第二步：設(shè)定PID 回路參數(shù) 圖4. 設(shè)置PID 參數(shù) 圖4 中: a. 定義回路設(shè)定值（SP，即給定）的范圍： 在低限（Low Range）和高限（High Range）輸入域中輸入實(shí)數(shù)，缺省值為0.

14、0 和100.0，表示給定值的取值范圍占過程反饋量程的百分比。 這個(gè)范圍是給定值的取值范圍。它也可以用實(shí)際的工程單位數(shù)值表示。參見：設(shè)置給定－反饋的量程范圍。 以下定義PID 回路參數(shù)，這些參數(shù)都應(yīng)當(dāng)是實(shí)數(shù)： b. Gain（增益）： 即比例常數(shù)。 c. Integral Time（積分時(shí)間）：如果不想要積分作用，可以把積分時(shí)間設(shè)為無 窮大：9999.99 d. Derivative Time（微分時(shí)間）：如果不想要微分回路，可以把微分時(shí)間設(shè)為0 。 e. Sample Time（采樣時(shí)間）：是PID 控制回路對(duì)反饋采樣和重新計(jì)算輸出值的時(shí)間間隔。在向?qū)瓿珊?，?/p>

15、想要修改此數(shù)，則必須返回向?qū)е行薷模豢稍诔绦蛑谢驙顟B(tài)表中修改。 注意：關(guān)于具體的PID 參數(shù)值，每一個(gè)項(xiàng)目都不一樣，需要現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來定，沒有所謂經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。 第三步：設(shè)定回路輸入輸出值 圖5. 設(shè)定PID 輸入輸出參數(shù) 在圖5 中，首先 設(shè)定過程變量的范圍： a. 指定輸入類型 ●Unipolar： 單極性，即輸入的信號(hào)為正，如0－10V 或0－20mA 等 ● Bipolar：雙極性，輸入信號(hào)在從負(fù)到正的范圍內(nèi)變化。如輸入信號(hào)為±10V、±5V 等時(shí)選用 ● 20% Offset：選用20%偏移。如果輸入為4－20mA 則選單極性及此項(xiàng)，

16、4mA是0－20mA 信號(hào)的20%，所以選20% 偏移，即4mA 對(duì)應(yīng)6400，20mA 對(duì)應(yīng)32000 b. 反饋輸入取值范圍 ● 在a.設(shè)置為Unipolar 時(shí)，缺省值為0 - 32000，對(duì)應(yīng)輸入量程范圍0 - 10V 或0 - 20mA 等，輸入信號(hào)為正 ●在a.設(shè)置為Bipolar 時(shí)，缺省的取值為-32000 - +32000，對(duì)應(yīng)的輸入范圍根據(jù)量程不同可以是±10V、±5V等 ●在a.選中20% Offset 時(shí)，取值范圍為6400 - 32000，不可改變 此反饋輸入也可以是工程單位數(shù)值，參見：設(shè)置給定－反饋的量程范圍。 然后定義輸出類

17、型 c. Output Type（輸出類型） 可以選擇模擬量輸出或數(shù)字量輸出。模擬量輸出用來控制一些需要模擬量給定的設(shè)備，如比例閥、變頻器等；數(shù)字量輸出實(shí)際上是控制輸出點(diǎn)的通、斷狀態(tài)按照一定的占空比變化，可以控制固態(tài)繼電器（加熱棒等） d. 選擇模擬量則需設(shè)定回路輸出變量值的范圍，可以選擇： ●Unipolar：?jiǎn)螛O性輸出，可為0－10V 或0－20mA 等 ● Bipolar：雙極性輸出，可為正負(fù)10V 或正負(fù)5V 等 ● 20% Offset：如果選中20% 偏移，使輸出為4 - 20mA e. 取值范圍： ●d 為Unipolar 時(shí)，缺省

18、值為 0 到 32000 ●d 為Bipolar 時(shí)，取值-32000到32000 ●d 為20% Offset 時(shí)，取值6400 - 32000，不可改變 如果選擇了開關(guān)量輸出，需要設(shè)定此占空比的周期。 第四步：設(shè)定回路報(bào)警選項(xiàng) 圖6. 設(shè)定回路報(bào)警限幅值 向?qū)峁┝巳齻€(gè)輸出來反映過程值(PV)的低值報(bào)警、高值報(bào)警及過程值模擬量模塊錯(cuò)誤狀態(tài)。當(dāng)報(bào)警條件滿足時(shí)，輸出置位為1。這些功能在選中了相應(yīng)的選擇框之后起作用。 a.使能低值報(bào)警并設(shè)定過程值(PV)報(bào)警的低值，此值為過程值的百分?jǐn)?shù)，缺省值為 0.10，即報(bào)警的低值為過程值的10％。此值最低

19、可設(shè)為0.01，即滿量程的1% b.使能高值報(bào)警并設(shè)定過程值(PV)報(bào)警的高值，此值為過程值的百分?jǐn)?shù)，缺省值為 0.90，即報(bào)警的高值為過程值的90％。此值最高可設(shè)為1.00，即滿量程的100% c. 使能過程值(PV)模擬量模塊錯(cuò)誤報(bào)警并設(shè)定模塊于CPU 連接時(shí)所處的模塊位置?！?”就是第一個(gè)擴(kuò)展模塊的位置第 第五步：指定PID 運(yùn)算數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū) 圖7. 分配運(yùn)算數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū) PID 指令（功能塊）使用了一個(gè)120 個(gè)字節(jié)的V 區(qū)參數(shù)表來進(jìn)行控制回路的運(yùn)算工作；除此之外，PID向?qū)傻妮斎?輸出量的標(biāo)準(zhǔn)化程序也需要運(yùn)算數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)。需要為它們定義一個(gè)起始地址

20、，要保證該地址起始的若干字節(jié)在程序的其它地方?jīng)]有被重復(fù)使用。如果點(diǎn)擊“Suggest Address”，則向?qū)⒆詣?dòng)為你設(shè)定當(dāng)前程序中沒有用過的V 區(qū)地址。 自動(dòng)分配的地址只是在執(zhí)行PID 向?qū)r(shí)編譯檢測(cè)到空閑地址。向?qū)⒆詣?dòng)為該參數(shù)表分配符號(hào)名，用戶不要再自己為這些參數(shù)分配符號(hào)名，否則將導(dǎo)致PID 控制不執(zhí)行。 第六步：定義向?qū)傻腜ID 初使化子程序和中斷程序名及手/自動(dòng)模式 圖8. 指定子程序、中斷服務(wù)程序名和選擇手動(dòng)控制 向?qū)б呀?jīng)為初使化子程序和中斷子程序定義了缺省名，你也可以修改成自己起的名字。 a. 指定PID 初使化子程序的名字。 b

21、. 指定PID 中斷子程序的名字 注意： ①如果你的項(xiàng)目中已經(jīng)存在一個(gè)PID 配置，則中斷程序名為只讀，不可更改。因 為一個(gè)項(xiàng)目中所有PID 共用一個(gè)中斷程序，它的名字不會(huì)被任何新的PID 所更改。 ②PID 向?qū)е袛嘤玫氖荢MB34 定時(shí)中斷，在用戶使用了PID 向?qū)Ш?，注意在其它編程時(shí)不要再用此中斷，也不要向SMB34 中寫入新的數(shù)值，否則PID 將停止工作。 c. 此處可以選擇添加PID 手動(dòng)控制模式。在PID 手動(dòng)控制模式下，回路輸出由手動(dòng)輸出設(shè)定控制，此時(shí)需要寫入手動(dòng)控制輸出參數(shù)一個(gè)0.0－1.0 的實(shí)數(shù)，代表輸出的0％－100％而不是直接去改變輸出值。

22、 此功能提供了PID 控制的手動(dòng)和自動(dòng)之間的無擾切換能力。 第七步：生成PID 子程序、中斷程序及符號(hào)表等 一旦點(diǎn)擊完成按鈕，將在你的項(xiàng)目中生成上述PID 子程序、中斷程序及符號(hào)表等。 圖9. 生成PID 子程序、中斷程序和符號(hào)表等 第八步：配置完P(guān)ID 向?qū)? 需要在程序中調(diào)用向?qū)傻腜ID 子程序（如下圖） 圖10. PID 子程序 圖11. 調(diào)用PID 子程序 在用戶程序中調(diào)用PID 子程序時(shí)，可在指令樹的Program Block（程序塊）中用鼠標(biāo)雙擊由向?qū)傻腜ID 子程序，在局部變量表中，可以看到有關(guān)形式參數(shù)的解釋

23、和取值范圍。 a. 必須用SM0.0 來使能PID，以保證它的正常運(yùn)行 b. 此處輸入過程值（反饋）的模擬量輸入地址 c. 此處輸入設(shè)定值變量地址（VDxx），或者直接輸入設(shè)定值常數(shù)，根據(jù)向?qū)е? 的設(shè)定0.0－100.0，此處應(yīng)輸入一個(gè)0.0－100.0 的實(shí)數(shù)，例：若輸入20，即為過程值的20％，假設(shè)過程值A(chǔ)IW0 是量程為0－200 度的溫度值，則此處的設(shè)定值20 代表40 度（即200 度的20％）；如果在向?qū)е性O(shè)定給定范圍為0.0 - 200.0，則此處的20相當(dāng)于20 度。 d. 此處用I0.0 控制PID 的手/自動(dòng)方式，當(dāng)I0.0 為1 時(shí)，為自動(dòng)，經(jīng)過PID

24、 運(yùn)算從AQW0 輸出；當(dāng)I0.0 為0 時(shí)，PID 將停止計(jì)算，AQW0 輸出為ManualOutput（VD4）中的設(shè)定值，此時(shí)不要另外編程或直接給AQW0 賦值。若在向?qū)е袥]有選擇PID 手動(dòng)功能，則此項(xiàng)不會(huì)出現(xiàn)。 e. 定義PID 手動(dòng)狀態(tài)下的輸出，從AQW0 輸出一個(gè)滿值范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)此值的輸出量。此處可輸入手動(dòng)設(shè)定值的變量地址（VDxx），或直接輸入數(shù)。數(shù)值范圍為0.0-1.0 之間的一個(gè)實(shí)數(shù)，代表輸出范圍的百分比。例：如輸入0.5，則設(shè)定為輸出的50％。若在向?qū)е袥]有選擇PID 手動(dòng)功能，則此項(xiàng)不會(huì)出現(xiàn)。 f. 此處鍵入控制量的輸出地址。 g. 當(dāng)高報(bào)警條件滿足時(shí)，相應(yīng)的

25、輸出置位為1，若在向?qū)е袥]有使能高報(bào)警功能，則此項(xiàng)將不會(huì)出現(xiàn)。 h. 當(dāng)?shù)蛨?bào)警條件滿足時(shí)，相應(yīng)的輸出置位為1，若在向?qū)е袥]有使能低報(bào)警功能，則此項(xiàng)將不會(huì)出現(xiàn)。 i. 當(dāng)模塊出錯(cuò)時(shí)，相應(yīng)的輸出置位為1，若在向?qū)е袥]有使能模塊錯(cuò)誤報(bào)警功能，則此項(xiàng)將不會(huì)出現(xiàn)。 調(diào)用PID 子程序時(shí)，不用考慮中斷程序。子程序會(huì)自動(dòng)初始化相關(guān)的定時(shí)中斷處理事項(xiàng)，然后中斷程序會(huì)自動(dòng)執(zhí)行。 第九步：實(shí)際運(yùn)行并調(diào)試PID 參數(shù) 沒有一個(gè)PID 項(xiàng)目的參數(shù)不需要修改而能直接運(yùn)行，因此需要在實(shí)際運(yùn)行時(shí)調(diào)試PID參數(shù)。 查看Data Block（數(shù)據(jù)塊），以及Symbol Table（符號(hào)表）相應(yīng)的PID

26、符號(hào)標(biāo)簽的內(nèi)容，可以找到包括PID 核心指令所用的控制回路表，包括比例系數(shù)、積分時(shí)間等等。將此表的地址復(fù)制到Status Chart（狀態(tài)表）中，可以在監(jiān)控模式下在線修改PID 參數(shù)，而不必停機(jī)再次做組態(tài)。參數(shù)調(diào)試合適后，用戶可以在數(shù)據(jù)塊中寫入，也可以再做一次向?qū)?，或者編程向相?yīng)的數(shù)據(jù)區(qū)傳送參數(shù)。 1.5常見問題 1．做完P(guān)ID 向?qū)Ш?，如何知道向?qū)е性O(shè)定值，過程值及PID 等參數(shù)所用的地址？ 做完P(guān)ID 向?qū)Ш罂稍赟ymbol Table（符號(hào)表） 中，查看PID 向?qū)傻姆?hào)表(上例中為PID0_SYM)?，可看到各參數(shù)所用的詳細(xì)地址，及數(shù)值范圍。 在Data Block（

27、數(shù)據(jù)塊） 中，查看PID 指令回路表的相關(guān)參數(shù)。如圖所示： 圖12. PID 數(shù)據(jù)塊 2、做完P(guān)ID 向?qū)Ш?，如何在調(diào)試中修改PID參數(shù)？ 可以在Status Chart（狀態(tài)表） 中，輸入相應(yīng)的參數(shù)地址，然后在線寫入用戶需要的PID 參數(shù)數(shù)值，這樣用戶就可根據(jù)工藝需要隨時(shí)對(duì)PID 參數(shù)、設(shè)定值等進(jìn)行調(diào)整。 3、PID已經(jīng)調(diào)整合適，如何正式確定參數(shù)？ 可以在Data Block（數(shù)據(jù)塊）中直接寫入?yún)?shù)。 4、做完P(guān)ID 向?qū)Ш?，能否查看PID 生成的子程序，中斷程序？ PID 向?qū)傻淖映绦?，中斷程序用戶是無法看到的，也不能對(duì)其進(jìn)行修改。沒有密碼能夠

28、打開這些子程序，一般的應(yīng)用也沒有必要打開查看。 5、PID參數(shù)有經(jīng)驗(yàn)值嗎？ 每一個(gè)項(xiàng)目的PID 參數(shù)都不一樣，沒有經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，只能現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試獲得。 6、PID 向?qū)傻某绦驗(yàn)楹尾粓?zhí)行？ 　●必須保證用SM0.0 無條件調(diào)用PID0_INIT程序 　●在程序的其它部分不要再使用SMB34 定時(shí)中斷，也不要對(duì)SMB34 賦值 7、如何實(shí)現(xiàn)PID 反作用調(diào)節(jié)？ 在有些控制中需要PID 反作用調(diào)節(jié)。例如：在夏天控制空調(diào)制冷時(shí)，若反饋溫度（過程值）低于設(shè)定溫度，需要關(guān)閥，減小輸出控制（減少冷水流量等），這就是PID 反作用調(diào)節(jié)（在PID 正作用中若過程值小于設(shè)定值，則需要

29、增大輸出控制）。 若想實(shí)現(xiàn)PID 反作用調(diào)節(jié)，需要把PID 回路的增益設(shè)為負(fù)數(shù)。對(duì)于增益為0 的積分或微分控制來說，如果指定積分時(shí)間、微分時(shí)間為負(fù)值，則是反作用回路。 8、如何根據(jù)工藝要求有選擇地投入PID 功能？ 可使用“手動(dòng)/自動(dòng)”切換的功能。PID向?qū)傻腜ID 功能塊只能使用SM0.0 的條件調(diào)用。 PID Wizard 中的給定－反饋設(shè)置完成PID Wizard 組態(tài)后，會(huì)為每個(gè)PID 回路生成一個(gè)子程序PIDx_INIT （x = 0 - 7）。在用戶程序中，必須使用SM0.0 始終調(diào)用這個(gè)子程序才能實(shí)現(xiàn)PID 功能。 下圖是一個(gè)最簡(jiǎn)單的PID 子程序調(diào)用程序段：

30、 圖1. 調(diào)用PID 子程序（圖形質(zhì)量不好） 其中： PV_I： 過程反饋參數(shù)值的入口 Setpoint： 給定參數(shù)值的入口 Output： PID 調(diào)節(jié)器的輸出值 在這里，給定、反饋的入口參數(shù)不是PID 指令功能塊所需要的0.0 - 1.0 之間的實(shí)數(shù)，而可以是實(shí)際的反饋地址，或是其他變量。例如，PV_I可以是模擬量輸入地址AIW0，也可以是存儲(chǔ)器地址VW100 等；Setpoint則往往來自V 變量存儲(chǔ)區(qū)，這樣可以從人機(jī)操作界面（HMI）設(shè)備輸入給定值。 注意： 對(duì)于PID 控制系統(tǒng)來說，必須保證給定與過程反饋的一致性： ●給定與反饋的物理

31、意義一致 這取決于被控制的對(duì)象，如果是壓力，則給定也必須對(duì)應(yīng)于壓力值；如果是溫度，則給定也必須對(duì)應(yīng)于溫度。 ●給定與反饋的數(shù)值范圍對(duì)應(yīng) 如果給定直接是攝氏溫度值，則反饋必須是對(duì)應(yīng)的攝氏溫度值；如果反饋直接使用模擬量輸入的對(duì)應(yīng)數(shù)值，則給定也必須向反饋的數(shù)值范圍換算。 如果給定與反饋的換算有特定的比例關(guān)系也可以。如給定也可以表示為以反饋的數(shù)值范圍的百分比數(shù)值。 給定與反饋的數(shù)值具體是什么數(shù)值，其取值范圍究竟如何，完全取決于我們?cè)谑褂谩癙ID 向?qū)А本幊虝r(shí)指定的給定與反饋的數(shù)值范圍。其中，反饋量的數(shù)值范圍不能隨便自己定義，而要取決于具體應(yīng)用的模擬量輸入模塊。

32、 圖2. 在圖中a.處設(shè)置給定范圍 圖3. 在圖中b.處設(shè)置反饋范圍 1.6 PID應(yīng)用實(shí)例 假定一個(gè)PID 控制系統(tǒng)的控制對(duì)象是壓力，反饋元件的測(cè)量范圍為0 - 16MPa。反饋器件的信號(hào)經(jīng)過變換，以0 - 20mA（或4 - 20mA）電流信號(hào)的形式輸入到EM231 模擬量輸入模塊中。據(jù)此，我們可以按下表設(shè)置給定、反饋的范圍。 表1. 反饋（單極性） 給定 實(shí)際物力量 模擬量輸入值 百分比 物理工程單位形式 高限 16MPa 32000 100.0 n×16.0 低限 0MPa 0（0-20m

33、A） 0.0 0.0 6400(4-20mA) n 為比例系數(shù)，為了精度高些可以設(shè)置n=10 等等 在上面的例子中，反饋和給定可以按照如下方法設(shè)置 圖4. 反饋范圍設(shè)置 圖5. 給定范圍設(shè)置 2 PID自整定 2.1 PID 自整定概念 新的S7-200 CPU 支持PID 自整定功能，在STEP 7-Micro/WIN V4.0 中也添加了PID 調(diào)節(jié)控制面板。 用戶可以使用用戶程序或PID 調(diào)節(jié)控制面板來啟動(dòng)自整定功能。在同一時(shí)間最多可以有8 個(gè)PID 回路同時(shí)進(jìn)行自整定。PID調(diào)節(jié)控制面板也可以用

34、來手動(dòng)調(diào)試?yán)习姹镜模ú恢С諴ID 自整定）CPU的PID 控制回路。 用戶可以根據(jù)工藝要求為調(diào)節(jié)回路選擇快速響應(yīng)、中速響應(yīng)、慢速響應(yīng)或極慢速響應(yīng)。PID自整定會(huì)根據(jù)響應(yīng)類型而計(jì)算出最優(yōu)化的比例、積分、微分值，并可應(yīng)用到控制中。 2.2 PID 調(diào)節(jié)控制面板 STEP 7-Micro/WIN V4.0 中提供了一個(gè)PID 調(diào)節(jié)控制面板，可以用圖形方式監(jiān)視PID回路的運(yùn)行，另外從面板中還可以啟動(dòng)、停止自整定功能。 圖1. PID 調(diào)節(jié)控制面板 在圖1 中： a.過程值指示 顯示過程變量的值及其棒圖 b.當(dāng)前的輸出值指示 顯示當(dāng)前使用的設(shè)定值、采樣時(shí)間、PID

35、 參數(shù)值及顯示當(dāng)前的輸出值和棒圖 c.可顯示過程值、設(shè)定值及輸出值的PID 趨勢(shì)圖 圖2. 圖形顯示區(qū) 圖中： A. 過程變量和設(shè)定值的取值范圍及刻度 B. PID 輸出的取值范圍及刻度 C. 實(shí)際PC時(shí)間 D. 以不同顏色表示的設(shè)定值、過程變量及輸出的趨勢(shì)圖 d.調(diào)節(jié)參數(shù) 這里你可以： ●選擇PID 參數(shù)的顯示：當(dāng)前參數(shù)（Current）、推薦參數(shù)（Suggested）、手動(dòng)輸入（Manual) ●在Manual 模式下，可改變PID 參數(shù)，并按Update PLC 按鈕來更新PLC 中的參數(shù) ●啟動(dòng)PID 自整定功

36、能 ●選擇Advanced（高級(jí)）按鈕進(jìn)入高級(jí)參數(shù)設(shè)定 e.當(dāng)前的PID 回路號(hào) 這里你可以選擇需要監(jiān)視或自整定的PID 回路 f.時(shí)間選項(xiàng)設(shè)定 這里你可以設(shè)定趨勢(shì)圖的時(shí)基，時(shí)基以分為單位 g.圖例顏色 這里你可以看到趨勢(shì)圖中不同的顏色代表不同的值的趨勢(shì) h.幫助按鈕 i.PID 信息顯示窗口 j.關(guān)閉PID 調(diào)節(jié)面板 要使用PID 調(diào)節(jié)控制面板，PID編程必須使用PID 向?qū)瓿伞? 2.3 PID 自整定步驟 第一步： 在PID Wizard (向?qū)В┲型瓿蒔ID 功能組態(tài) 要想使用PID 自整定功能，PID編程必須用PID 向

37、導(dǎo)來完成 第二步： 打開PID 調(diào)節(jié)控制面板，設(shè)置PID 回路調(diào)節(jié)參數(shù) 在Micro/WIN V4.0 在線的情況下，從主菜單Tools > PID Tune Control Panel 或點(diǎn) 擊 進(jìn)入PID 調(diào)節(jié)控制面板中，如果面板沒有被激活（所有地方都是灰色），可點(diǎn)擊Configure（配置）按鈕運(yùn)行CPU。 在PID 調(diào)節(jié)面板的e.區(qū)選擇要調(diào)節(jié)的PID 回路號(hào)，在d.區(qū)選擇Manual（手動(dòng)），調(diào)節(jié)PID 參數(shù)并點(diǎn)擊Update（更新），使新參數(shù)值起作用，監(jiān)視其趨勢(shì)圖，根據(jù)調(diào)節(jié)狀況改變PID 參數(shù)直至調(diào)節(jié)穩(wěn)定。 為了使PID 自整定順利進(jìn)行，應(yīng)當(dāng)做到：

38、 ●使PID 調(diào)節(jié)器基本穩(wěn)定，輸出、反饋?zhàn)兓骄?，并且使反饋比較接近給定 ●設(shè)置合適的給定值，使PID 調(diào)節(jié)器的輸出遠(yuǎn)離趨勢(shì)圖的上、下坐標(biāo)軸，以免PID 自整定開始后輸出值的變化范圍受限制 。 參見：手動(dòng)調(diào)整PID 回路參數(shù) 第三步： 在d.區(qū)點(diǎn)擊Advanced（高級(jí)）按鈕，設(shè)定PID 自整定選項(xiàng)。如果不是很特殊的系統(tǒng)，也可以不加理會(huì)。 圖3. 設(shè)置PID 自整定高級(jí)選項(xiàng) 在此允許設(shè)定下列參數(shù)： a. 你可以選中復(fù)選框，讓自整定來自動(dòng)計(jì)算死區(qū)值和偏移值 對(duì)于一般的PID 系統(tǒng)，建議使用自動(dòng)選擇。 b. Hysteresis（滯回死區(qū)）

39、： 死區(qū)值規(guī)定了允許過程值偏離設(shè)定值的最大（正負(fù)）范圍，過程反饋在這個(gè)范圍內(nèi)的變化不會(huì)引起PID 自整定調(diào)節(jié)器改變輸出，或者使PID 自整定調(diào)節(jié)器“認(rèn)為”這個(gè)范圍內(nèi)的變化是由于自己改變輸出進(jìn)行自整定調(diào)節(jié)而引起的。PID自整定開始后，只有過程反饋值超出了該區(qū)域，PID自整定調(diào)節(jié)器才會(huì)認(rèn)為它對(duì)輸出的改變發(fā)生了效果。這個(gè)值用來減少過程變量的噪聲對(duì)自整定的干擾，從而更精確地計(jì)算出過程系統(tǒng)的自然振動(dòng)頻率。如果選用自動(dòng)計(jì)算，則缺省值為2％。 如果過程變量反饋干擾信號(hào)較強(qiáng)（噪聲大）自然變化范圍就大，可能需要人為設(shè)置一個(gè)較大的值。但這個(gè)值的改變要與下面的偏差值保持1:4 的關(guān)系。 c. Deviat

40、ion（偏差）： 偏差值決定了允許過程變量偏離設(shè)定值的峰峰值。如果選擇自動(dòng)計(jì)算該值，它將是死區(qū)的4 倍，即8％。 有些非常敏感的系統(tǒng)不允許過程量偏離給定值很多，也可以人工設(shè)置為比較小的值，但是要和上述“死區(qū)”設(shè)置保持比例關(guān)系。這就是說，一個(gè)精度要求高的系統(tǒng)，其反饋信號(hào)必須足夠穩(wěn)定。 d. Initial Output Step（初始步長值）：PID調(diào)節(jié)的初始輸出值 PID 自整定開始后，PID自整定調(diào)節(jié)器將主動(dòng)改變PID 的輸出值，以觀察整個(gè)系統(tǒng)的反應(yīng)。初始步長值就是輸出的變動(dòng)第一步變化值，以占實(shí)際輸出量程的百分比表示。 e. Watchdog Time（看門狗時(shí)

41、間）：過程變量必須在此時(shí)間（時(shí)基為秒）內(nèi)達(dá)到或穿越給定值，否則會(huì)產(chǎn)生看門狗超時(shí)錯(cuò)誤。 PID 自整定調(diào)節(jié)器在改變輸出后，如果超過此時(shí)間還未觀察到過程反饋（從下至上或從上至下）穿越給定曲線，則超時(shí)。如果能夠事先確定實(shí)際系統(tǒng)響應(yīng)非常慢，可以加長這個(gè)時(shí)間。 f. 動(dòng)態(tài)響應(yīng)選項(xiàng)：根據(jù)回路過程（工藝）的要求可選擇不同的響應(yīng)類型：快速、中速、慢速、極慢速 ●快速：可能產(chǎn)生超調(diào)，屬于欠阻尼響應(yīng) ●中速：在產(chǎn)生超調(diào)的邊緣，屬于臨界阻尼響應(yīng) ●慢速：不會(huì)產(chǎn)生任何超調(diào)，屬于過阻尼響應(yīng) ●極慢速：不會(huì)產(chǎn)生任何超調(diào)，屬于嚴(yán)重過阻尼響應(yīng) 用戶在這里指定需要達(dá)到的系統(tǒng)控制效果，而

42、不是對(duì)系統(tǒng)本身響應(yīng)快慢的判斷。 g. 設(shè)定完參數(shù)點(diǎn)擊OK 鍵回到PID 調(diào)節(jié)控制面板的主畫面 第四步： 在手動(dòng)將PID 調(diào)節(jié)到穩(wěn)定狀態(tài)后，即過程值與設(shè)定值接近，且輸出沒有不規(guī)律的變化，并最好處于控制范圍中心附近。此時(shí)可點(diǎn)擊d.區(qū)內(nèi)的Start Auto Tune 按鈕啟動(dòng)PID 自整定功能，這時(shí)按鈕變?yōu)镾top Auto Tune。這時(shí)只需耐心等待，系統(tǒng)完成自整定后會(huì)自動(dòng)將計(jì)算出的PID 參數(shù)顯示在d.區(qū)。當(dāng)按鈕再次變?yōu)镾tart Auto Tune 時(shí)，表示系統(tǒng)已經(jīng)完成了PID 自整定。 要使用自整定功能，必須保證PID 回路處于自動(dòng)模式。開始自整定后，給定值不能再改變。

43、 第五步： 如果用戶想將PID 自整定的參數(shù)應(yīng)用到當(dāng)前PLC 中，則只需點(diǎn)擊Update PLC。 完成PID 調(diào)整后，最好下載一次整個(gè)項(xiàng)目（包括數(shù)據(jù)塊），使新參數(shù)保存到CPU 的EEPROM 中。 2.4 PID 自整定失敗的原因 1.PID 輸出在最大值與最小值之間振蕩（曲線接觸到坐標(biāo)軸） 解決方法：降低PID 初始輸出步長值（initial output step） 2.經(jīng)過一段時(shí)間后，PID自整定面板顯示如下信息：“ The Auto Tune algorithm was aborted due to a zero-crossing watc

44、hdog timeout.” 即自整定計(jì)算因?yàn)榈却答伌┰浇o定值的看門狗超時(shí)而失敗。 解決方法： 確定在啟動(dòng)PID 自整定前，過程變量和輸出值已經(jīng)穩(wěn)定。并檢查Watchdog Time 的值，將其適當(dāng)增大。 對(duì)于其它錯(cuò)誤，可參考手冊(cè)中表15－3 中的錯(cuò)誤代碼的描述。 2.5如何獲得一個(gè)穩(wěn)定的PID 回路 在開始PID 自整定調(diào)整前，整個(gè)PID 控制回路必須工作在相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。 穩(wěn)定的PID 是指過程變量接近設(shè)定值，輸出不會(huì)不規(guī)則的變化，且回路的輸出值在控制范圍中心附近變化。 問題與解決方法： 1.PID 輸出總是輸出很大的值，并在這一區(qū)間內(nèi)調(diào)節(jié)變化

45、 產(chǎn)生原因： ●增益（Gain）值太高 ● PID 掃描時(shí)間（sample time）太長（對(duì)于快速響應(yīng)PID 的回路） 解決方法：降低增益（Gain）值并且/或選擇短一些的掃描時(shí)間 2.過程變量超過設(shè)定值很多（超調(diào)很大） 產(chǎn)生原因：積分時(shí)間（Integral time)可能太高 解決方法：降低積分時(shí)間 3.得到一個(gè)非常不穩(wěn)定的PID 產(chǎn)生原因： ● 如果用了微分，可能是微分參數(shù)有問題 ●沒有微分，可能是增益（Gain）值太高 解決方法： ●調(diào)整微分參數(shù)到0－1 的范圍內(nèi) ●根據(jù)回路調(diào)節(jié)特性將增益值降低，最低可從0.x 開始逐漸增大往上調(diào)，直到獲得穩(wěn)定的PID。