PID控制最通俗的解釋及PID參數(shù)的整定方法及S7200PID應用

1、PID控制最通俗的解釋與PID參數(shù)的整定方法 2010/6/18 15:15:45 | Author: 廖老師 PID是比例、積分、微分的簡稱，PID控制的難點不是編程，而是控制器的參數(shù)整定。參數(shù)整定的關鍵是正確地理解各參數(shù)的物理意義，PID控制的原理可以用人對爐溫的手動控制來理解。閱讀本文不需要高深的數(shù)學知識。 1比例控制 有經(jīng)驗的操作人員手動控制電加熱爐的爐溫，可以獲得非常好的控制品質，PID控制與人工控制的控制策略有很多相似的地方。 下面介紹操作人員怎樣用比例控制的思想來手動控制電加熱爐的爐溫。假設用熱電偶檢測爐溫，用數(shù)字儀表顯示溫度值。在控制過程中，操作人員用眼睛讀取爐溫，并與爐溫給定

2、值比較，得到溫度的誤差值。然后用手操作電位器，調節(jié)加熱的電流，使爐溫保持在給定值附近。 操作人員知道爐溫穩(wěn)定在給定值時電位器的大致位置（我們將它稱為位置L），并根據(jù)當時的溫度誤差值調整控制加熱電流的電位器的轉角。爐溫小于給定值時，誤差為正，在位置L的基礎上順時針增大電位器的轉角，以增大加熱的電流。爐溫大于給定值時，誤差為負，在位置L的基礎上反時針減小電位器的轉角，并令轉角與位置L的差值與誤差成正比。上述控制策略就是比例控制，即PID控制器輸出中的比例部分與誤差成正比。 閉環(huán)中存在著各種各樣的延遲作用。例如調節(jié)電位器轉角后，到溫度上升到新的轉角對應的穩(wěn)態(tài)值時有較大的時間延遲。由于延遲因素的存在，

3、調節(jié)電位器轉角后不能馬上看到調節(jié)的效果，因此閉環(huán)控制系統(tǒng)調節(jié)困難的主要原因是系統(tǒng)中的延遲作用。 比例控制的比例系數(shù)如果太小，即調節(jié)后的電位器轉角與位置L的差值太小，調節(jié)的力度不夠，使系統(tǒng)輸出量變化緩慢，調節(jié)所需的總時間過長。比例系數(shù)如果過大，即調節(jié)后電位器轉角與位置L的差值過大，調節(jié)力度太強，將造成調節(jié)過頭，甚至使溫度忽高忽低，來回震蕩。 增大比例系數(shù)使系統(tǒng)反應靈敏，調節(jié)速度加快，并且可以減小穩(wěn)態(tài)誤差。但是比例系數(shù)過大會使超調量增大，振蕩次數(shù)增加，調節(jié)時間加長，動態(tài)性能變壞，比例系數(shù)太大甚至會使閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。 單純的比例控制很難保證調節(jié)得恰到好處，完全消除誤差。 2積分控制 PID控制器中的

4、積分對應于圖1中誤差曲線 與坐標軸包圍的面積（圖中的灰色部分）。PID控制程序是周期性執(zhí)行的，執(zhí)行的周期稱為采樣周期。計算機的程序用圖1中各矩形面積之和來近似精確的積分，圖中的TS就是采樣周期。圖1 積分運算示意圖 每次PID運算時，在原來的積分值的基礎上，增加一個與當前的誤差值ev（n）成正比的微小部分。誤差為負值時，積分的增量為負。 手動調節(jié)溫度時，積分控制相當于根據(jù)當時的誤差值，周期性地微調電位器的角度，每次調節(jié)的角度增量值與當時的誤差值成正比。溫度低于設定值時誤差為正，積分項增大，使加熱電流逐漸增大，反之積分項減小。因此只要誤差不為零，控制器的輸出就會因為積分作用而不斷變化。積分調節(jié)的

5、“大方向”是正確的，積分項有減小誤差的作用。一直要到系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，這時誤差恒為零，比例部分和微分部分均為零，積分部分才不再變化，并且剛好等于穩(wěn)態(tài)時需要的控制器的輸出值，對應于上述溫度控制系統(tǒng)中電位器轉角的位置L。因此積分部分的作用是消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度，積分作用一般是必須的。 PID控制器輸出中的積分部分與誤差的積分成正比。因為積分時間TI在積分項的分母中，TI越小，積分項變化的速度越快，積分作用越強。 3PI控制 控制器輸出中的積分項與當前的誤差值和過去歷次誤差值的累加值成正比，因此積分作用本身具有嚴重的滯后特性，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性不利。如果積分項的系數(shù)設置得不好，其負面作用很難通過積

6、分作用本身迅速地修正。而比例項沒有延遲，只要誤差一出現(xiàn)，比例部分就會立即起作用。因此積分作用很少單獨使用，它一般與比例和微分聯(lián)合使用，組成PI或PID控制器。 PI和PID控制器既克服了單純的比例調節(jié)有穩(wěn)態(tài)誤差的缺點，又避免了單純的積分調節(jié)響應慢、動態(tài)性能不好的缺點，因此被廣泛使用。 如果控制器有積分作用（例如采用PI或PID控制），積分能消除階躍輸入的穩(wěn)態(tài)誤差，這時可以將比例系數(shù)調得小一些。 如果積分作用太強（即積分時間太?。?，相當于每次微調電位器的角度值過大，其累積的作用會使系統(tǒng)輸出的動態(tài)性能變差，超調量增大，甚至使系統(tǒng)不穩(wěn)定。積分作用太弱（即積分時間太大），則消除穩(wěn)態(tài)誤差的速度太慢，積分

7、時間的值應取得適中。 4微分作用 誤差的微分就是誤差的變化速率，誤差變化越快，其微分絕對值越大。誤差增大時，其微分為正；誤差減小時，其微分為負。控制器輸出量的微分部分與誤差的微分成正比，反映了被控量變化的趨勢。 有經(jīng)驗的操作人員在溫度上升過快，但是尚未達到設定值時，根據(jù)溫度變化的趨勢，預感到溫度將會超過設定值，出現(xiàn)超調。于是調節(jié)電位器的轉角，提前減小加熱的電流。這相當于士兵射擊遠方的移動目標時，考慮到子彈運動的時間，需要一定的提前量一樣。 圖2 階躍響應曲線 圖2中的c ()為被控量c (t)的穩(wěn)態(tài)值或被控量的期望值，誤差e(t) = c () - c (t)。在圖2中啟動過程的上升階段，當

8、時，被控量尚未超過其穩(wěn)態(tài)值。但是因為誤差e(t)不斷減小，誤差的微分和控制器輸出的微分部分為負值，減小了控制器的輸出量，相當于提前給出了制動作用，以阻礙被控量的上升，所以可以減少超調量。因此微分控制具有超前和預測的特性，在超調尚未出現(xiàn)之前，就能提前給出控制作用。 閉環(huán)控制系統(tǒng)的振蕩甚至不穩(wěn)定的根本原因在于有較大的滯后因素。因為微分項能預測誤差變化的趨勢，這種“超前”的作用可以抵消滯后因素的影響。適當?shù)奈⒎挚刂谱饔每梢允钩{量減小，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 對于有較大的滯后特性的被控對象，如果PI控制的效果不理想，可以考慮增加微分控制，以改善系統(tǒng)在調節(jié)過程中的動態(tài)特性。如果將微分時間設置為0，微分部分

9、將不起作用。 微分時間與微分作用的強弱成正比，微分時間越大，微分作用越強。如果微分時間太大，在誤差快速變化時，響應曲線上可能會出現(xiàn)“毛刺”。 微分控制的缺點是對干擾噪聲敏感，使系統(tǒng)抑制干擾的能力降低。為此可在微分部分增加慣性濾波環(huán)節(jié)。 5采樣周期 PID控制程序是周期性執(zhí)行的，執(zhí)行的周期稱為采樣周期。采樣周期越小，采樣值越能反映模擬量的變化情況。但是太小會增加CPU的運算工作量，相鄰兩次采樣的差值幾乎沒有什么變化，將使PID控制器輸出的微分部分接近為零，所以也不宜將采樣周期取得過小。 應保證在被控量迅速變化時（例如啟動過程中的上升階段），能有足夠多的采樣點數(shù)，不致因為采樣點數(shù)過少而丟失被采集的

10、模擬量中的重要信息。 6PID參數(shù)的調整方法 在整定PID控制器參數(shù)時，可以根據(jù)控制器的參數(shù)與系統(tǒng)動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能之間的定性關系，用實驗的方法來調節(jié)控制器的參數(shù)。有經(jīng)驗的調試人員一般可以較快地得到較為滿意的調試結果。在調試中最重要的問題是在系統(tǒng)性能不能令人滿意時，知道應該調節(jié)哪一個參數(shù)，該參數(shù)應該增大還是減小。 為了減少需要整定的參數(shù)，首先可以采用PI控制器。為了保證系統(tǒng)的安全，在調試開始時應設置比較保守的參數(shù)，例如比例系數(shù)不要太大，積分時間不要太小，以避免出現(xiàn)系統(tǒng)不穩(wěn)定或超調量過大的異常情況。給出一個階躍給定信號，根據(jù)被控量的輸出波形可以獲得系統(tǒng)性能的信息，例如超調量和調節(jié)時間。應根據(jù)PI

11、D參數(shù)與系統(tǒng)性能的關系，反復調節(jié)PID的參數(shù)。 如果階躍響應的超調量太大，經(jīng)過多次振蕩才能穩(wěn)定或者根本不穩(wěn)定，應減小比例系數(shù)、增大積分時間。如果階躍響應沒有超調量，但是被控量上升過于緩慢，過渡過程時間太長，應按相反的方向調整參數(shù)。 如果消除誤差的速度較慢，可以適當減小積分時間，增強積分作用。 反復調節(jié)比例系數(shù)和積分時間，如果超調量仍然較大，可以加入微分控制，微分時間從0逐漸增大，反復調節(jié)控制器的比例、積分和微分部分的參數(shù)。 總之，PID參數(shù)的調試是一個綜合的、各參數(shù)互相影響的過程，實際調試過程中的多次嘗試是非常重要的，也是必須的。 7實驗驗證 實驗使用S7-300 PLC的PID控制功能塊FB

12、 41，被控對象由兩個串聯(lián)的慣性環(huán)節(jié)組成，其時間常數(shù)分別為2s和5s，比例系數(shù)為3.0。用人機界面的趨勢圖顯示給定曲線和閉環(huán)輸出量的響應曲線。 本日志的內容摘自作者在自動化應用雜志2010年第5期發(fā)表的PID參數(shù)的意義與整定方法（見附件），該論文給出的實驗結果驗證了本文提出的PID控制器參數(shù)的整定方法。 作者將在適當?shù)臅r候發(fā)布用純軟件仿真學習PID參數(shù)整定方法的STEP 7項目。如何使用S7-200CPU 的PID 控制如何使用S7-200CPU 的PID 控制第一部分、PID 控制S7-200 能夠進行PID 控制。S7-200 CPU 最多可以支持8 個PID 控制回路（8 個PID 指令

13、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)設定值（給定）與被控對象的實際值（反饋）的差值，按照PID 算法計算出控制器的輸出量，控制執(zhí)行機構去影響被控對象的變化。PID 控制是負反饋閉環(huán)控制，能夠抑制系統(tǒng)閉環(huán)內的各種因素所引起的擾動，使反饋跟隨給定變化。根據(jù)具體項目的控制要求，在實際應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，這時沒有微分控制部分。PID 算法在S7-200 中的實現(xiàn)PID 控制最初在模擬量控制系統(tǒng)中實現(xiàn)，隨著離散控制理論的發(fā)展，PID 也在計算機化控制系統(tǒng)中實現(xiàn)。為便于實現(xiàn)，S7-200 中的PID 控制采用了迭代算法。詳細

14、的計算方法請參考S7-200系統(tǒng)手冊中PID 指令部分的相關內容。計算機化的PID 控制算法有幾個關鍵的參數(shù)Kc（Gain，增益），Ti（積分時間常數(shù)），Td（微分時間常數(shù)），Ts（采樣時間）。在S7-200 中PID 功能是通過PID 指令功能塊實現(xiàn)。通過定時（按照采樣時間）執(zhí)行PID 功能塊，按照PID 運算規(guī)律，根據(jù)當時的給定、反饋、比例積分微分數(shù)據(jù)，計算出控制量。PID 功能塊通過一個PID 回路表交換數(shù)據(jù)，這個表是在V 數(shù)據(jù)存儲區(qū)中的開辟，長度為36 字節(jié)。因此每個PID 功能塊在調用時需要指定兩個要素：PID 控制回路號，以及控制回路表的起始地址（以VB 表示）。由于PID 可以控

15、制溫度、壓力等等許多對象，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 功能塊識別。S7-200 中的PID 功能使用占調節(jié)范圍的百分比的方法抽象地表示被控對象的數(shù)值大小。在實際工程中，這個調節(jié)范圍往往被認為與被控對象（反饋）的測量范圍（量程）一致。PID 功能塊只接受0.0 - 1.0 之間的實數(shù)（實際上就是百分比）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)在這個范圍之內，否則會出錯。其他如增益、采樣時間、積分時間、微分時間都是實數(shù)。因此，必須把外圍實際的物理量與PID 功能塊需要的（或者輸出的）數(shù)據(jù)之間進行轉換。這就是所謂輸入/

16、輸出的轉換與標準化處理。S7-200 系統(tǒng)手冊上有詳細的介紹。S7-200 的編程軟件Micro/WIN 提供了PID 指令向導，以方便地完成這些轉換/標準化處理。除此之外，PID 指令也同時會被自動調用。調試PID 控制器PID 控制的效果就是看反饋（也就是控制對象）是否跟隨設定值（給定），是否響應快速、穩(wěn)定，是否能夠抑制閉環(huán)中的各種擾動而回復穩(wěn)定。要衡量PID 參數(shù)是否合適，必須能夠連續(xù)觀察反饋對于給定變化的響應曲線；而實際上PID 的參數(shù)也是通過觀察反饋波形而調試的。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

17、能的示波器（如數(shù)字示波器），波形記錄儀，或者在PC 機上做的趨勢曲線監(jiān)控畫面等。新版編程軟件STEP 7 - Micro/WIN V4.0 內置了一個PID 調試控制面板工具，具有圖形化的給定、反饋、調節(jié)器輸出波形顯示，可以用于手動調試PID 參數(shù)。對于沒有“自整定PID”功能的老版CPU，也能實現(xiàn)PID 手動調節(jié)。PID 參數(shù)的取值，以及它們之間的配合，對PID 控制是否穩(wěn)定具有重要的意義。這些主要參數(shù)是：? 采樣時間：計算機必須按照一定的時間間隔對反饋進行采樣，才能進行PID 控制的計算。采樣時間就是對反饋進行采樣的間隔。短于采樣時間間隔的信號變化是不能測量到的。過短的采樣時間沒有必要，過

18、長的采樣間隔顯然不能滿足擾動變化比較快、或者速度響應要求高的場合。編程時指定的PID 控制器采樣時間必須與實際的采樣時間一致。S7-200 中PID 的采樣時間精度用定時中斷來保證。? 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。過大的增益會造成反饋的振蕩。? 積分時間（Integral Time）偏差值恒定時，積分時間決定了控制器輸出的變化速率。積分時間越短，偏差得到的修正越快。過短的積分時間有可能造成不穩(wěn)定。積分時間的長度相當于在階躍給定下，增益為“1”的時候，輸出的變化量與偏差值相等所需要的時間，也就是輸出變化到二倍于初始階躍偏差的

19、時間。如果將積分時間設為最大值，則相當于沒有積分作用。? 微分時間（Derivative Time）偏差值發(fā)生改變時，微分作用將增加一個尖峰到輸出中，隨著時間流逝減小。微分時間越長，輸出的變化越大。微分使控制對擾動的敏感度增加，也就是偏差的變化率越大，微分控制作用越強。微分相當于對反饋變化趨勢的預測性調整。如果將微分時間設置為0 就不起作用，控制器將作為PI 調節(jié)器工作。常問問題1、對于某個具體的PID 控制項目，是否可能事先得知比較合適的參數(shù)？有沒有相關的經(jīng)驗數(shù)據(jù)？雖然有理論上計算PID 參數(shù)的方法，但由于閉環(huán)調節(jié)的影響因素很多而不能全部在數(shù)學上精確地描述，計算出的數(shù)值往往沒有什么實際意義。

20、因此，除了實際調試獲得參數(shù)外，沒有什么可用的經(jīng)驗參數(shù)值存在。甚至對于兩套看似一樣的系統(tǒng)，都可能通過實際調試得到完全不同的參數(shù)值。2、PID 控制不穩(wěn)定怎么辦？如何調試PID？閉環(huán)系統(tǒng)的調試，首先應當做開環(huán)測試。所謂開環(huán)，就是在PID 調節(jié)器不投入工作的時候，觀察：? 反饋通道的信號是否穩(wěn)定? 輸出通道是否動作正?？梢栽囍o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，積分時間不要太短，以免引起振蕩。在這個基礎上，可以直接投入運行觀察反饋的波形變化。給出一個階躍給定，觀察系統(tǒng)的響應是最好的方法。如果反饋達到給定值之后，歷經(jīng)多次振蕩才能穩(wěn)定或者根本不穩(wěn)定，應該考慮是否增益

21、過大、積分時間過短；如果反饋遲遲不能跟隨給定，上升速度很慢，應該考慮是否增益過小、積分時間過長總之，PID 參數(shù)的調試是一個綜合的、互相影響的過程，實際調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 細調功能。3、沒有采用積分控制時，為何反饋達不到給定？這是必然的。因為積分控制的作用在于消除純比例調節(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。所以永遠不能做到?jīng)]有偏差。4、如何實現(xiàn)PID 反作用調節(jié)？參見PID 向導中的常問問題。5、S7-200 控制變頻器，在變頻器也有PID

22、控制功能時，應當使用誰的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，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)手冊上的附錄H.14“用S7-200 實現(xiàn)PID 控制”的例子，是否可以直接使用？S7-200 系統(tǒng)手冊中的附錄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 運算指令時的產(chǎn)物?，F(xiàn)在用戶可以使用PID 指令塊，或者PID Wizard（PID 向導）編輯PID 控制程序。PID Wizard - PID 向導Micro/WIN 提供了PID Wizard（PID 指令向導

23、），可以幫助用戶方便地生成一個閉環(huán)控制過程的PID 算法。此向導可以完成絕大多數(shù)PID 運算的自動編程，用戶只需在主程序中調用PID 向導生成的子程序，就可以完成PID 控制任務。PID 向導既可以生成模擬量輸出PID 控制算法，也支持開關量輸出；既支持連續(xù)自動調節(jié)，也支持手動參與控制。建議用戶使用此向導對PID 編程，以避免不必要的錯誤。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，以免對向導中相關概念發(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 向導獲得了改善。PID 向導編程步驟在Micro/WIN 中的命令菜單中選擇Tools Ins

24、truction Wizard，然后在指令向導窗口中選擇PID 指令：圖1. 選擇PID 向導在使用向導時必須先對項目進行編譯，在隨后彈出的對話框中選擇“Yes” ，確認編譯。如果已有的程序中存在錯誤，或者有沒有編完的指令，編譯不能通過。如果你的項目中已經(jīng)配置了一個PID 回路，則向導會指出已經(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 回路號圖3. 選擇PID 回路號第二步：設定PID 回路參數(shù)圖4. 設置PID 參數(shù)圖4 中:a. 定義回路設定值（SP，即給定）的范圍：在低限（Low Range）和高限（

25、High Range）輸入域中輸入實數(shù)，缺省值為0.0 和100.0，表示給定值的取值范圍占過程反饋量程的百分比。這個范圍是給定值的取值范圍。它也可以用實際的工程單位數(shù)值表示。參見：設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)都應當是實數(shù)：b. Gain（增益）： 即比例常數(shù)。c. Integral Time（積分時間）：如果不想要積分作用，可以把積分時間設為無窮大：9999.99d. Derivative Time（微分時間）：如果不想要微分回路，可以把微分時間設為0 。e. Sample Time（采樣時間）：是PID 控制回路對反饋采樣和重新計算輸出值的時間間隔。在向導完成

26、后，若想要修改此數(shù)，則必須返回向導中修改，不可在程序中或狀態(tài)表中修改。注意：關于具體的PID 參數(shù)值，每一個項目都不一樣，需要現(xiàn)場調試來定，沒有所謂經(jīng)驗參數(shù)。第三步：設定回路輸入輸出值圖5. 設定PID 輸入輸出參數(shù)在圖5 中，首先 設定過程變量的范圍：a. 指定輸入類型o Unipolar： 單極性，即輸入的信號為正，如010V 或020mA 等o Bipolar：雙極性，輸入信號在從負到正的范圍內變化。如輸入信號為10V、5V 等時選用o 20% Offset：選用20%偏移。如果輸入為420mA 則選單極性及此項，4mA 是020mA 信號的20%，所以選20% 偏移，即4mA 對應64

27、00，20mA 對應32000b. 反饋輸入取值范圍o 在a.設置為Unipolar 時，缺省值為0 - 32000，對應輸入量程范圍0 - 10V 或0 - 20mA 等，輸入信號為正o 在a.設置為Bipolar 時，缺省的取值為-32000 - +32000，對應的輸入范圍根據(jù)量程不同可以是10V、5V 等o 在a.選中20% Offset 時，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：設置給定反饋的量程范圍。然后定義輸出類型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備，如比例閥

28、、變頻器等；數(shù)字量輸出實際上是控制輸出點的通、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. 選擇模擬量則需設定回路輸出變量值的范圍，可以選擇：o Unipolar：單極性輸出，可為010V 或020mA 等o Bipolar：雙極性輸出，可為正負10V 或正負5V 等o 20% Offset：如果選中20% 偏移，使輸出為4 - 20mAe. 取值范圍：o d 為Unipolar 時，缺省值為 0 到 32000o d 為Bipolar 時，取值-32000 到32000o d 為20% Offset 時，取值6400 - 32000，不可改變如果選擇了開關量輸出，需要設定此

29、占空比的周期。第四步：設定回路報警選項圖6. 設定回路報警限幅值向導提供了三個輸出來反映過程值(PV)的低值報警、高值報警及過程值模擬量模塊錯誤狀態(tài)。當報警條件滿足時，輸出置位為1。這些功能在選中了相應的選擇框之后起作用。a.使能低值報警并設定過程值(PV)報警的低值，此值為過程值的百分數(shù)，缺省值為0.10，即報警的低值為過程值的10。此值最低可設為0.01，即滿量程的1%b.使能高值報警并設定過程值(PV)報警的高值，此值為過程值的百分數(shù)，缺省值為0.90，即報警的高值為過程值的90。此值最高可設為1.00，即滿量程的100%c. 使能過程值(PV)模擬量模塊錯誤報警并設定模塊于CPU 連接

30、時所處的模塊位置?！?”就是第一個擴展模塊的位置第五步：指定PID 運算數(shù)據(jù)存儲區(qū)圖7. 分配運算數(shù)據(jù)存儲區(qū)PID 指令（功能塊）使用了一個120 個字節(jié)的V 區(qū)參數(shù)表來進行控制回路的運算工作；除此之外，PID 向導生成的輸入/輸出量的標準化程序也需要運算數(shù)據(jù)存儲區(qū)。需要為它們定義一個起始地址，要保證該地址起始的若干字節(jié)在程序的其它地方?jīng)]有被重復使用。如果點擊“Suggest Address”，則向導將自動為你設定當前程序中沒有用過的V 區(qū)地址。自動分配的地址只是在執(zhí)行PID 向導時編譯檢測到空閑地址。向導將自動為該參數(shù)表分配符號名，用戶不要再自己為這些參數(shù)分配符號名，否則將導致PID 控制不

31、執(zhí)行。第六步：定義向導所生成的PID 初使化子程序和中斷程序名及手/自動模式圖8. 指定子程序、中斷服務程序名和選擇手動控制向導已經(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. 指定PID 中斷子程序的名字注意：1. 如果你的項目中已經(jīng)存在一個PID 配置，則中斷程序名為只讀，不可更改。因為一個項目中所有PID 共用一個中斷程序，它的名字不會被任何新的PID 所更改。2. PID 向導中斷用的是SMB34 定時中斷，在用戶使用了PID 向導后，注意在其它編程時不要再用此中斷，也不要向SMB34 中寫入新的數(shù)值，否則PID 將停止

32、工作。c. 此處可以選擇添加PID 手動控制模式。在PID 手動控制模式下，回路輸出由手動輸出設定控制，此時需要寫入手動控制輸出參數(shù)一個0.01.0 的實數(shù)，代表輸出的0100而不是直接去改變輸出值。此功能提供了PID 控制的手動和自動之間的無擾切換能力。第七步：生成PID 子程序、中斷程序及符號表等一旦點擊完成按鈕，將在你的項目中生成上述PID 子程序、中斷程序及符號表等。圖9. 生成PID 子程序、中斷程序和符號表等第八步：配置完PID 向導，需要在程序中調用向導生成的PID 子程序（如下圖）圖10. PID 子程序圖11. 調用PID 子程序在用戶程序中調用PID 子程序時，可在指令樹的

33、Program Block（程序塊）中用鼠標雙擊由向導生成的PID 子程序，在局部變量表中，可以看到有關形式參數(shù)的解釋和取值范圍。a. 必須用SM0.0 來使能PID，以保證它的正常運行b. 此處輸入過程值（反饋）的模擬量輸入地址c. 此處輸入設定值變量地址（VDxx），或者直接輸入設定值常數(shù)，根據(jù)向導中的設定0.0100.0，此處應輸入一個0.0100.0 的實數(shù)，例：若輸入20，即為過程值的20，假設過程值AIW0 是量程為0200 度的溫度值，則此處的設定值20 代表40 度（即200 度的20）；如果在向導中設定給定范圍為0.0 - 200.0，則此處的20相當于20 度d. 此處用I

34、0.0 控制PID 的手/自動方式，當I0.0 為1 時，為自動，經(jīng)過PID 運算從AQW0 輸出；當I0.0 為0 時，PID 將停止計算，AQW0 輸出為ManualOutput（VD4）中的設定值，此時不要另外編程或直接給AQW0 賦值。若在向導中沒有選擇PID 手動功能，則此項不會出現(xiàn)e. 定義PID 手動狀態(tài)下的輸出，從AQW0 輸出一個滿值范圍內對應此值的輸出量。此處可輸入手動設定值的變量地址（VDxx），或直接輸入數(shù)。數(shù)值范圍為0.0-1.0 之間的一個實數(shù)，代表輸出范圍的百分比。例：如輸入0.5，則設定為輸出的50。若在向導中沒有選擇PID 手動功能，則此項不會出現(xiàn)f. 此處鍵

35、入控制量的輸出地址g. 當高報警條件滿足時，相應的輸出置位為1，若在向導中沒有使能高報警功能，則此項將不會出現(xiàn)h. 當?shù)蛨缶瘲l件滿足時，相應的輸出置位為1，若在向導中沒有使能低報警功能，則此項將不會出現(xiàn)i. 當模塊出錯時，相應的輸出置位為1，若在向導中沒有使能模塊錯誤報警功能，則此項將不會出現(xiàn)調用PID 子程序時，不用考慮中斷程序。子程序會自動初始化相關的定時中斷處理事項，然后中斷程序會自動執(zhí)行。第九步：實際運行并調試PID 參數(shù)沒有一個PID 項目的參數(shù)不需要修改而能直接運行，因此需要在實際運行時調試PID參數(shù)。查看Data Block（數(shù)據(jù)塊），以及Symbol Table（符號表）相應的

36、PID 符號標簽的內容，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)、積分時間等等。將此表的地址復制到Status Chart（狀態(tài)表）中，可以在監(jiān)控模式下在線修改PID 參數(shù)，而不必停機再次做組態(tài)。參數(shù)調試合適后，用戶可以在數(shù)據(jù)塊中寫入，也可以再做一次向導，或者編程向相應的數(shù)據(jù)區(qū)傳送參數(shù)。常問問題1、做完PID 向導后，如何知道向導中設定值，過程值及PID 等參數(shù)所用的地址？? 做完PID 向導后可在Symbol Table（符號表)中，查看PID 向導所生成的符號表(上例中為PID0_SYM)，可看到各參數(shù)所用的詳細地址，及數(shù)值范圍。? 在Data Block（數(shù)據(jù)塊） 中，

37、查看PID 指令回路表的相關參數(shù)。如圖所示：圖12. PID 數(shù)據(jù)塊2、做完PID 向導后，如何在調試中修改PID 參數(shù)？可以在Status Chart（狀態(tài)表） 中，輸入相應的參數(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)工藝需要隨時對PID 參數(shù)、設定值等進行調整。3、PID 已經(jīng)調整合適，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PID 向導后，能否查看PID 生成的子程序，中斷程序？PID 向導生成的子程序，中斷程序用戶是無法看到的，也不能對其進行修改。沒有密碼能夠打開這些子程序，一般的應用也沒有必要打開查看。5、PID 參數(shù)有經(jīng)

38、驗值嗎？每一個項目的PID 參數(shù)都不一樣，沒有經(jīng)驗參數(shù)，只能現(xiàn)場調試獲得。6、我的PID 向導生成的程序為何不執(zhí)行？? 必須保證用SM0.0 無條件調用PID0_INIT 程序? 在程序的其它部分不要再使用SMB34 定時中斷，也不要對SMB34 賦值7、如何實現(xiàn)PID 反作用調節(jié)？在有些控制中需要PID 反作用調節(jié)。例如：在夏天控制空調制冷時，若反饋溫度（過程值）低于設定溫度，需要關閥，減小輸出控制（減少冷水流量等），這就是PID 反作用調節(jié)（在PID 正作用中若過程值小于設定值，則需要增大輸出控制）。若想實現(xiàn)PID 反作用調節(jié)，需要把PID 回路的增益設為負數(shù)。對于增益為0 的積分或微分控

39、制來說，如果指定積分時間、微分時間為負值，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/自動”切換的功能。PID 向導生成的PID 功能塊只能使用SM0.0 的條件調用。PID Wizard 中的給定反饋設置完成PID Wizard 組態(tài)后，會為每個PID 回路生成一個子程序PIDx_INIT（x = 0 - 7）。在用戶程序中，必須使用SM0.0 始終調用這個子程序才能實現(xiàn)PID 功能。下圖是一個最簡單的PID 子程序調用程序段：圖1. 調用PID 子程序其中：? 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

40、 調節(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 之間的實數(shù)，而可以是實際的反饋地址，或是其他變量。例如，PV_I 可以是模擬量輸入地址AIW0，也可以是存儲器地址VW100 等；Setpoint 則往往來自V 變量存儲區(qū)，這樣可以從人機操作界面（HMI）設備輸入給定值。注意：對于PID 控制系統(tǒng)來說，必須保證給定與過程反饋的一致性：? 給定與反饋的物理意義一致這取決于被控制的對象，如果是壓力，則給定也必須對應于壓力值；如果是溫度，則給定也必須對應于溫度。? 給定與反饋的數(shù)值范圍對應如果給定直接是攝氏溫度值，則反饋必須是對應的攝氏溫度值；如果反饋直接

41、使用模擬量輸入的對應數(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，完全取決于我們在使用“PID 向導”編程時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，而要取決于具體應用的模擬量輸入模塊。圖2. 在圖中a.處設置給定范圍圖3. 在圖中b.處設置反饋范圍實例假定一個PID 控制系統(tǒng)的控制對象是壓力，反饋元件的測量范圍為0 - 16MPa。反饋器件的信號經(jīng)過變換，以0 - 20mA（或4 - 20mA）電流信號的形式輸入到EM231 模擬

42、量輸入模塊中。據(jù)此，我們可以按下表設置給定、反饋的范圍。表1.n 為比例系數(shù)，為了精度高些可以設置n=10 等等又如一個溫度控制的PID 系統(tǒng)，溫度值直接由熱電偶測量，輸入到EM231 TC（熱電偶）模塊轉換為溫度值。熱電偶為J 型，其測量范圍為 -150.0C - 1200.0 C。則可按如下設置給定的范圍。表2.在上面的例子中，反饋和給定可以按照如下方法設置圖4. 反饋范圍設置圖5. 給定范圍設置第二部分、PID 自整定PID 自整定新的S7-200 CPU 支持PID 自整定功能，在STEP 7-Micro/WIN V4.0 中也添加了PID 調節(jié)控制面板。用戶可以使用用戶程序或PID

43、調節(jié)控制面板來啟動自整定功能。在同一時間最多可以有8 個PID 回路同時進行自整定。PID 調節(jié)控制面板也可以用來手動調試老版本的（不支持PID 自整定）CPU 的PID 控制回路。用戶可以根據(jù)工藝要求為調節(jié)回路選擇快速響應、中速響應、慢速響應或極慢速響應。PID 自整定會根據(jù)響應類型而計算出最優(yōu)化的比例、積分、微分值，并可應用到控制中。PID 調節(jié)控制面板STEP 7-Micro/WIN V4.0 中提供了一個PID 調節(jié)控制面板，可以用圖形方式監(jiān)視PID回路的運行，另外從面板中還可以啟動、停止自整定功能。圖1. PID 調節(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.

44、當前的輸出值指示顯示當前使用的設定值、采樣時間、PID 參數(shù)值及顯示當前的輸出值和棒圖c. 可顯示過程值、設定值及輸出值的PID 趨勢圖圖2. 圖形顯示區(qū)圖中：A. 過程變量和設定值的取值范圍及刻度B. PID 輸出的取值范圍及刻度C. 實際PC 時間D. 以不同顏色表示的設定值、過程變量及輸出的趨勢圖d. 調節(jié)參數(shù)這里你可以：o 選擇PID 參數(shù)的顯示：當前參數(shù)（Current）、推薦參數(shù)（Suggested）、手動輸入（Manual)o 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)o 啟動PID 自整定功能o 選擇Advanced（高級）

45、按鈕進入高級參數(shù)設定e. 當前的PID 回路號這里你可以選擇需要監(jiān)視或自整定的PID 回路f. 時間選項設定這里你可以設定趨勢圖的時基，時基以分為單位g. 圖例顏色這里你可以看到趨勢圖中不同的顏色代表不同的值的趨勢h. 幫助按鈕i. PID 信息顯示窗口j. 關閉PID 調節(jié)面板要使用PID 調節(jié)控制面板，PID 編程必須使用PID 向導完成。PID 自整定步驟第一步：在PID Wizard (向導）中完成PID 功能組態(tài)要想使用PID 自整定功能，PID 編程必須用PID 向導來完成第二步：打開PID 調節(jié)控制面板，設置PID 回路調節(jié)參數(shù)在Micro/WIN V4.0 在線的情況下，從主菜

46、單Tools PID Tune Control Panel 或點擊 進入PID 調節(jié)控制面板中，如果面板沒有被激活（所有地方都是灰色），可點擊Configure（配置）按鈕運行CPU。在PID 調節(jié)面板的e.區(qū)選擇要調節(jié)的PID 回路號，在d.區(qū)選擇Manual（手動），調節(jié)PID 參數(shù)并點擊Update（更新），使新參數(shù)值起作用，監(jiān)視其趨勢圖，根據(jù)調節(jié)狀況改變PID 參數(shù)直至調節(jié)穩(wěn)定。為了使PID 自整定順利進行，應當做到：? 使PID 調節(jié)器基本穩(wěn)定，輸出、反饋變化平緩，并且使反饋比較接近給定? 設置合適的給定值，使PID 調節(jié)器的輸出遠離趨勢圖的上、下坐標軸，以免PID 自整定開始后輸出

47、值的變化范圍受限制參見：手動調整PID 回路參數(shù)第三步：在d.區(qū)點擊Advanced（高級）按鈕，設定PID 自整定選項。如果不是很特殊的系統(tǒng)，也可以不加理會。圖3. 設置PID 自整定高級選項在此允許你設定下列參數(shù)：a. 你可以選中復選框，讓自整定來自動計算死區(qū)值和偏移值對于一般的PID 系統(tǒng)，建議使用自動選擇。b. Hysteresis（滯回死區(qū)）：死區(qū)值規(guī)定了允許過程值偏離設定值的最大（正負）范圍，過程反饋在這個范圍內的變化不會引起PID 自整定調節(jié)器改變輸出，或者使PID 自整定調節(jié)器“認為”這個范圍內的變化是由于自己改變輸出進行自整定調節(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 自整定調節(jié)器才會認為它對輸出的改變發(fā)生了效果。這個值用來減少過程變量的噪聲對自整定的干擾，從而更精確地計算出過程系統(tǒng)的自然振動頻率。如果選用自動計算，則缺省值為2。如果過程變量反饋干擾信號較強（噪聲大）自然變化范圍就大，可能需要人為設置一個較大的值。但這個值的改變要與下面的偏差值保持1:4 的關系。c. Deviation（偏差）：偏差值決定了允許過程變量偏離設定值的峰峰值。如果選擇自動計算該值，它將是死區(qū)的4 倍，即8。有些非