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第一部分、PID 控制 Micro/WIN 提供了PID Wizard（PID 指令向导），可以帮助我们方便地生成一个闭环控制过程的 PID 算法。此向导可以完成绝大多数PID 运算的自动编程，只需在主程序中调用PID 向导生成的子程 序，就可以完成PID 控制任务。 PID 向导既可以生成模拟量输出PID 控制算法，也支持开关量输出；既支持连续自动调节，也支持 手动参与控制。 PID 向导编程步骤 在Micro/WIN 中的命令菜单中选择：工具 > 指令向导，然后在指令向导窗口中选择PID 指令： 图1. 选择PID 向导 在使用向导时必须先对项目进行编译，在随后弹出的对话框中选择“Yes” ，确认编译。如果已有的程 序中存在错误，或者有没有编完的指令，编译不能通过。 如果项目中已经配置了一个PID 回路，则向导会指出已经存在的PID 回路，并让你选择是配置修改已有 的回路，还是配置一个新的回路： 图2. 选择需要配置的回路 ----------------------- Page 2----------------------- 第一步：定义需要配置的PID 回路号 第二步：设定PID 回路参数 图3. 设置PID 参数 定义回路设定值（SP，即给定）的范围： 在低限（Low Range）和高限（High Range）输入域中输入实数，缺省值为0.0 和100.0，表示给定值的 取值范围占过程反馈量程的百分比。 这个范围是给定值的取值范围。它也可以用实际的工程单位数值表示，接下来会和过程输入量一起总 结。 比例增益： 即比例常数。 积分时间：如果不想要积分作用，可以把积分时间设为无穷大：9999.99 微分时间：如果不想要微分回路，可以把微分时间设为0 。 采样时间：是PID 控制回路对反馈采样和重新计算输出值的时间间隔。在向导完成后，若想要修改此 数，则必须返回向导中修改，不可在程序中或状态表中修改。 ----------------------- Page 3----------------------- 第三步：设定回路输入输出值 图4. 设定PID 输入输出参数 标定： 指定输入类型 单极性：即输入的信号为正，如0－10V 或0－20mA 等 双极性：输入信号在从负到正的范围内变化。如输入信号为±10V、±5V 等时选用 选用20%偏移：如果输入为4－20mA 则选单极性及此项，4mA 是0－20mA 信号的20%，所以选20% 偏移， 即4mA 对应6400，20mA 对应32000 反馈输入取值范围 设置为单极性时 ：缺省值为0 - 32000，对应输入量程范围0 - 10V 或0 - 20mA 等，输入信号为正 设置为双极性时： 缺省的取值为-32000 - +32000，对应的输入范围根据量程不同可以是±10V、±5V 等 ----------------------- Page 4----------------------- 选中20% Offset 时，取值范围为6400 - 32000，不可改变 此反馈输入也可以是工程单位数值。 输出类型 可以选择模拟量输出或数字量输出。模拟量输出用来控制一些需要模拟量给定的设 备，如比例阀、变频器等；数字量输出实际上是控制输出点的通、断状态按照一定的 占空比变化，可以控制固态继电器（加热棒等） 选择模拟量则需设定回路输出变量值的范围，可以选择： 单极性输出：可为0－10V 或0－20mA 等 双极性输出：可为正负10V 或正负5V 等 如果选中20% 偏移，使输出为4 - 20mA 取值范围： 为单极性时，缺省值为 0 到 32000 为双极性时，取值-32000 到32000 为20% 偏移量时，取值6400 - 32000，不可改变 如果选择了开关量输出，需要设定此占空比的周期。 重点： 实例： 假定一个PID 控制系统的控制对象是压力，反馈元件的测量范围为0 - 16MPa。反馈器件的信号经过变 换，以0 - 20mA（或4 - 20mA）电流信号的形式输入到EM231 模拟量输入模块中。据此，我们可以按下 表设置给定、反馈的范围。 若给定范围是0到100，则设定值就是实际物理量的百分比，如设为30.0，则设定值就等于 16*0.3=4.8Mpa。 若给定范围是一物理工程单位形式0到160（当n=10时），则设定值直接对应物理量，如设定100.0则设定 值为10Mpa。 ----------------------- Page 5----------------------- 其中这些值的给定是和模拟量输入范围仅仅相关的。其实是先对应模拟量然后再转换成实际物理量。 又比如我在做水箱pid调节时，当水位最低为0时，通过EM235传送给plc的值为3225，水位最高值17cm时 的值为10000，那么我在第三步：设定回路输入输出值时就选择是3225到10000，设置回路给定值范围为0 到100.那么在指令当中的setpiont设的参数即为0到17cm的高度的百分比。如我设为50.0.则我想要的液 位高度即为：17*0.5=8.5cm。 当然我也可以将回路给定值设为物理工程单位如0到170，对应关系则不再复述。 第四步：设定回路报警选项 图5. 设定回路报警限幅值 向导提供了三个输出来反映过程值(PV)的低值报警、高值报警及过程值模拟量模块错误状态。当报警条件满足时，输出 置位为1。这些功能在选中了相应的选择框之后起作用。 ? 使能低值报警并设定过程值(PV)报警的低值，此值为过程值的百分数，缺省值为0.10，即报警的低值为过程值的 10％。此值最低可设为0.01，即满量程的1% ? 使能高值报警并设定过程值(PV)报警的高值，此值为过程值的百分数，缺省值为0.90，即报警的高值为过程值的 90％。此值最高可设为1.00，即满量程的100% ? 使能过程值(PV)模拟量模块错误报警并设定模块于CPU 连接时所处的模块位置。“0”就是第一个扩展模块的位置 第五步：指定PID 运算数据存储区 ----------------------- Page 6----------------------- 图6. 分配运算数据存储区 PID 指令（功能块）使用了一个120个字节的V 区参数表来进行控制回路的运算工作；除此之外，PID 向导生成的输入/ 输出量的标准化程序也需要运算数据存储区。需要为它们定义一个起始地址，要保证该地址起始的若干字节在程序的其 它地方没有被重复使用。如果点击“Suggest Address”，则向导将自动为你设定当前程序中没有用过的V 区地址。 自动分配的地址只是在执行PID 向导时编译检测到空闲地址。向导将自动为该参数表分配符号名，用户不要再自己 为这些参数分配符号名，否则将导致PID 控制不执行。 第六步：定义向导所生成的PID 初使化子程序和中断程序名及手/ 自动模式 ----------------------- Page 7----------------------- 图7. 指定子程序、中断服务程序名和选择手动控制 向导已经为初使化子程序和中断子程序定义了缺省名，你也可以修改成自己起的名字。 注意： 1，如果项目中已经存在一个PID 配置，则中断程序名为只读，不可更改。因为一个项目中所有PID 共用一个中断程 序，它的名字不会被任何新的PID 所更改。 2，PID 向导中断用的是SMB34定时中断，在用户使用了PID 向导后，注意在其它编程时不要再用此中断，也不要向 SMB34中写入新的数值，否则PID 将停止工作。 3，此处可以选择添加PID 手动控制模式。在PID 手动控制模式下，回路输出由手动输出设定控制，此时需要写入手动 控制输出参数一个0.0－1.0的实数，代表输出的0％－100％而不是直接去改变输出值。 此功能提供了PID 控制的手动和自动之间的无扰切换能力。 第七步：生成PID 子程序、中断程序及符号表等 一旦点击完成按钮，将在你的项目中生成上述PID 子程序、中断程序及符号表等。 ----------------------- Page 8----------------------- 图8. 生成PID 子程序、中断程序和符号表等 第八步：配置完PID 向导，需要在程序中调用向导生成的PID 子程序（如下图） ----------------------- Page 9----------------------- 图9. 调用PID 子程序 在用户程序中调用PID 子程序时，可在指令树的Program Block （程序块）中用鼠标双击由向导生成的PID 子程序，在 局部变量表中，可以看到有关形式参数的解释和取值范围。 在这里，给定、反馈的入口参数不是PID 指令功能块所需要的0.0 - 1.0之间的实数，而可以是实际的反馈地址，或是其 他变量。例如，PV_I 可以是模拟量输入地址AIW0，也可以是存储器地址VW100等；Setpoint 则往往来自V 变量存储 区，这样可以从人机操作界面（HMI ）设备输入给定值。 必须用SM0.0来使能PID，以保证它的正常运行 此处输入过程值（反馈）的模拟量输入地址 此处输入设定值变量地址（VDxx ），或者直接输入设定值常数，根据向导中的设定0.0－100.0，此处应输入一个0.0 －100.0的实数，例：若输入20，即为过程值的20 ％，假设过程值AIW0是量程为0－200度的温度值，则此处的设定 值20代表40度（即200度的20 ％）；如果在向导中设定给定范围为0.0 - 200.0，则此处的20相当于20度 此处用I0.0控制PID 的手/ 自动方式，当I0.0为1时，为自动，经过PID 运算从AQW0输出；当I0.0为0时，PID 将停 止计算，AQW0输出为ManualOutput （VD4 ）中的设定值，此时不要另外编程或直接给AQW0赋值。若在向导中没 有选择PID 手动功能，则此项不会出现 ----------------------- Page 10----------------------- 定义PID 手动状态下的输出，从AQW0输出一个满值范围内对应此值的输出量。此处可输入手动设定值的变量地址 （VDxx ），或直接输入数。数值范围为0.0-1.0之间的一个实数，代表输出范围的百分比。例：如输入0.5，则设定为 输出的50％。若在向导中没有选择PID 手动功能，则此项不会出现 此处键入控制量的输出地址 当高报警条件满足时，相应的输出置位为1，若在向导中没有使能高报警功能，则此项将不会出现 当低报警条件满足时，相应的输出置位为1，若在向导中没有使能低报警功能，则此项将不会出现 当模块出错时，相应的输出置位为1，若在向导中没有使能模块错误报警功能，则此项将不会出现 调用PID 子程序时，不用考虑中断程序。子程序会自动初始化相关的定时中断处理事项，然后中断程序会自动执 行。 第九步：实际运行并调试PID 参数 没有一个PID 项目的参数不需要修改而能直接运行，因此需要在实际运行时调试PID 参数。 查看Data Block （数据块），以及Symbol Table （符号表）相应的PID 符号标签的内容，可以找到包括PID 核心指令所 用的控制回路表，包括比例系数、积分时间等等。将此表的地址复制到Status Chart （状态表）中，可以在监控模式下在 线修改PID 参数，而不必停机再次做配置。 参数调试合适后，用户可以在数据块中写入，也可以再做一次向导，或者编程向相应的数据区传送参数。 ? 在Data Block （数据块）中，查看PID 指令回路表的相关参数。如图所示： 图10. PID 数据块 还有一个更简单的调试方法： 通过pid 调节控制面板（需要将程序下载到plc 当中，在线调试） ----------------------- Page 11----------------------- 图11. PID 调节控制面板 先选择手动调节，输入调节参数，然后点击更新PLC 即可。 如何实现PID反作用调节？ 在有些控制中需要PID 反作用调节。例如：在夏天控制空调制冷时，若反馈温度（过程值）低于设定温度，需要关阀， 减小输出控制（减少冷水流量等），这就是PID 反作用调节（在PID 正作用中若过程值小于设定值，则需要增大输出控 制）。 若想实现PID 反作用调节，需要把PID 回路的增益设为负数。对于增益为0的积分或微分控制来说，如果指定积分时 间、微分时间为负值，则是反作用回路。 第二部分 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 调节控制面板。 用户可以使用用户程序或PID 调节控制面板来启动自整定功能。在同一时间最多可以有8 个PID 回路同 时进行自整定。PID 调节控制面板也可以用来手动调试老版本的（不支持PID 自整定）CPU 的PID 控制 回路。 用户可以根据工艺要求为调节回路选择快速响应、中速响应、慢速响应或极慢速响应。PID 自整定会根 ----------------------- Page 12----------------------- 据响应类型而计算出最优化的比例、积分、微分值，并可应用到控制中。 PID 调节控制面板 STEP 7-Micro/WIN V4.0 中提供了一个PID 调节控制面板，可以用图形方式监视PID回路的运行，另外从 面板中还可以启动、停止自整定功能。 PID 自整定步骤 第一步：在PID Wizard (向导）中完成PID 功能组态，要想使用PID 自整定功能，PID 编程必须用PID 向导来完成 第二步：打开PID 调节控制面板，设置PID 回路调节参数 在Micro/WIN V4.0 在线的情况下，从主菜单Tools > PID Tune Control Panel 或点击进入PID 调节控 制面板中，如果面板没有被激活（所有地方都是灰色），可点击Configure（配置）按钮运行CPU。 为了使PID 自整定顺利进行，应当做到： * 使 PID 调节器基本稳定，输出、反馈变化平缓，并且使反馈比较接近给定 * 设置合适的给定值，使 PID 调节器的输出远离趋势图的上、下坐标轴，以免PID 自 整定开始后输出值的变化范围受限制 第三步：在d.区点击高级按钮，设定PID 自整定选项。如果不是很特殊的系统，也可以不加理会。 ----------------------- Page 13----------------------- 图12. 设置PID 自整定高级选项 在此允许设定下列参数： 可以选中复选框，让自整定来自动计算死区值和偏移值 对于一般的PID 系统，建议使用自动选择。 Hysteresis（滞回死区）： 死区值规定了允许过程值偏离设定值的最大（正负）范围，过程反馈在这个范围内的变化不会引起PID 自整定调节器改变输出，或者使PID 自整定调节器“认为”这个范围内的变化是由于自己改变输出进行 自整定调节而引起的。PID 自整定开始后，只有过程反馈值超出了该区域，PID 自整定调节器才会认为 它对输出的改变发生了效果。这个值用来减少过程变量的噪声对自整定的干扰，从而更精确地计算出过 程系统的自然振动频率。如果选用自动计算，则缺省值为2％。 Deviation（偏差）： 偏差值决定了允许过程变量偏离设定值的峰峰值。如果选择自动计算该值，它将是死区的4 倍，即8％。 有些非常敏感的系统不允许过程量偏离给定值很多，也可以人工设置为比较小的值，但是要和上述“死 区”设置保持比例关系。这就是说，一个精度要求高的系统，其反馈信号必须足够稳定。 Initial Output Step（初始步长值）：PID 调节的初始输出值 ----------------------- Page 14----------------------- PID 自整定开始后，PID 自整定调节器将主动改变PID 的输出值，以观察整个系统的反应。初始步长值 就是输出的变动第一步变化值，以占实际输出量程的百分比表示。 Watchdog Time（看门狗时间）：过程变量必须在此时间（时基为秒）内达到或穿越给定值，否则会产 生看门狗超时错误。 PID 自整定调节器在改变输出后，如果超过此时间还未观察到过程反馈（从下至上或从上至下）穿越给 定曲线，则超时。如果能够事先确定实际系统响应非常慢，可以加长这个时间。 动态响应选项：根据回路过程（工艺）的要求可选择不同的响应类型：快速、中速、慢速、极慢速 o 快速：可能产生超调，属于欠阻尼响应 o 中速：在产生超调的边缘，属于临界阻尼响应 o 慢速：不会产生任何超调，属于过阻尼响应 o 极慢速：不会产生任何超调，属于严重过阻尼响应 用户在这里指定需要达到的系统控制效果，而不是对系统本身响应快慢的判断。 g. 设定完参数点击 OK 键回到PID 调节控制面板的主画面 第四步：在手动将PID 调节到稳定状态后，即过程值与设定值接近，且输出没有不规律的变化，并最好 处于控制范围中心附近。此时可点击开始自动调节 按钮启动PID 自整定功能，这时按钮变为停止自动调 节。这时只需耐心等待，系统完成自整定后会自动将计算出的PID 参数显示出来。当按钮再次变为开始 自动调节时，表示系统已经完成了PID 自整定。 要使用自整定功能，必须保证PID 回路处于自动模式。开始自整定后，给定值不能再改变。 第五步：如果用户想将PID 自整定的参数应用到当前PLC 中，则只需点击更新PLC。 完成PID 调整后，最好下载一次整个项目（包括数据块），使新参数保存到CPU 的EEPROM 中。 以下是我做的自动调节时的截图，仅供参考： ----------------------- Page 15----------------------- ----------------------- Page 16----------------------- ----------------------- Page 17----------------------- PID 自整定失败的原因: 1. PID 输出在最大值与最小值之间振荡（曲线接触到坐标轴） 解决方法：降低PID 初始输出步长值（initial output step） 2.经过一段时间后，PID 自整定面板显示如下信息：“ The Auto Tune algorithm was aborted due to a zero-crossing watchdog timeout.” 即自整定计算因为等待 反馈穿越给定值的看门狗超时而失败。 解决方法： 确定在启动PID 自整定前，过程变量和输出值已经稳定。并检查 Watchdog Time 的值，将其适当增大。 对于其它错误，可参考手册中表15－3 中的错误代码的描述。 其他错误： ----------------------- Page 18----------------------- 如何获得一个稳定的PID 回路 在开始PID 自整定调整前，整个PID 控制回路必须工作在相对稳定的状态。 稳定的PID 是指过程变量接近设定值，输出不会不规则的变化，且回路的输出值在控 制范围中心附近变化。 问题与解决方法： 1. PID 输出总是输出很大的值，并在这一区间内调节变化 产生原因： o 增益（Gain）值太高 o PID 扫描时间（sample time）太长（对于快速响应PID 的回路） 解决方法：降低增益（Gain）值并且/或选择短一些的扫描时间 2. 过程变量超过设定值很多（超调很大） 产生原因：积分时间（Integral time)可能太高 解决方法：降低积分时间 3. 得到一个非常不稳定的PID 产生原因： o 如果用了微分，可能是微分参数有问题 ----------------------- Page 19----------------------- o 没有微分，可能是增益（Gain）值太高 解决方法： o 调整微分参数到 0－1 的范围内 o 根据回路调节特性将增益值降低，最低可从 0.x 开始逐渐增大往上调，直到 获得稳定的PID。 |
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