关于西门子PLC的PID自整定的墓本方法与自整定过程

Clintony 2022-02-09

展开全文

新型S7-200 PLC具有PID参数自整定功能，编程软件STEP 7 Micro/WIN V4.O版本增加了PID调节控制面板。这两项功能相结合，使用户能轻松地实现PID的参数自整定。PID自整定算法推荐接近最优的增益、积分时间和微分时间。

用PID调节控制面板可以启动、中止自整定过程。控制面板用图形方式监视整定的结果，还可以显示可能产生的错误或警告。

1．自整定的墓本方法与自整定过程

(1)基本方法

S7-200 PLC使用的自整定算法基于K．J．Astrom和T．Hagglund在1984年提出的继电反馈算法，该算法在一个稳定的控制过程中产生一个小幅度的持续振荡，根据过程变量振荡的周期和幅度的变化，确定最终的频率和增益，并用它们来求出PID控制器的增益、积分时间和微分时间的推荐值。自整定能用于正作用和反作用的P、PI、PD、PID回路的整定。

(2)自整定的条件

要进行自整定的回路必须处于自动模式，回路的输出必须由PID指令来控制。如果回路处于手动模式，自整定会失败。

在启动自整定之前，控制过程应处于一种稳定状态。这种稳定状态是指过程变量已经达到或接近设定值，对于比例控制回路来说，过程变量与设定值之间的差值应恒定，并且输出不会不规律的变化。开始自整定时，理想的情况是回路输出值在控制范围的中点附近。

自整定过程在回路输出中加入一些小的阶跃变化，使控制过程产生振荡。如果回路输出值接近其控制范围的任何一端，自整定过程引入的阶跃变化可能使输出值超出上限或下限。如果出现这种情况，将使自整定产生错误，不能得到理想的推荐值。

(3)自动确定滞后和偏差

参数“滞后”( Hysteresis)揩定了过程变量相对于给定值的正负偏移量，过程变量在这个偏移范围内时，不会使继电控制器改变输出值。

参数“偏差”( Deviation)指定了希望的过程变量围绕给定值的峰一峰值波动量。如果选择自动计算该值，它将是滞后值的4.5倍。在自整定过程中，将按比例地调节输出，以减少振荡的幅值。

自整定除了推荐整定值外，还可以自动确定滞后值和过程变量峰值偏差值。在限制由PID自整定建立的持续振荡的幅值时，这些参数用于减少过程噪声的影响，从而更精确地计算出过程的自然振荡频率。

如果选择自动计算滞后值，PID自整定会启动一个滞后运算序列，在一段时间内对过程变量值采样，然后根据采样结果计算出标准差。滞后运算序列至少需要20s采样时间。得到足够的采样值后，就可以计算出标准偏差，滞后值被定义为标准偏差的两倍。

在自动滞后计算过程中不会进行正常的PID计算。因此，在启动自整定之前，控制过程处于稳定状态是至关重要的。这样可以使滞后值计算得到更好的结果，同时也可以确保在自动滞后运算过程中，控制过程不会失控。

(4)自整定过程

在确定了滞后值和偏差值之后，将初始阶跃施加到PID的输出量，开始执行自整定过程。PID输出值的阶跃变化会使过程变量值产生相应的变化。当输出值的变化使过程变量超出滞后区范围时，检测到一个过零( Zero-Crossing)事件。在发生过零事件时，自整定将向相反方向改变输出值。自整定过程的波形图如图8-43所示。

自整定继续对过程变量进行采样，并等待下一个过零事件，该过程总共需要12次过零才能完成。过程变量的峰．峰值（峰值偏差）和过零事件产生的速率都与控制过程的动态特性直接相关。在自整定过程初期，会适当调节输出阶跃值，从而使过程变量的峰一峰值更接

近希望的偏差值。如果两次过零之间的时间超出过零看门狗间隔时间，自整定过程将以错误告终，过零看门狗间隔时间的默认值为2h。

过程变量振荡的频率和幅度代表了控制过程的增益和自然频率。根据在自整定过程中采集的控制过程的增益和自然频率的相关信息，计算出最终的增益和频率值，由此可以计算出推荐的增益值、积分时间和微分时间。

自整定过程完成后，回路的输出将恢复到初始值，在下一扫描周期开始正常的PID计算。

(5)错误报警

在自整定执行过程中会产生三种警告。用回路表的ASTAT域中的三位来表示这三种警告，并且一旦被置位，将会一直保持到下一次自整定序列启动。

1)当偏移设定没有超过滞后设定的4倍时产生警告O。该项检测在自滞后已经计算出实际滞后值之后执行。

2)在自整定过程最开始的2.5个循环周期内，如果两次峰值误差超出8倍，产生警告1。

3)如果测量到的平均峰值误差没有超过滞后值的4倍，产生警告2。

除此之外，还有几种错误情况，见表8-3。

过程变量超限的说明（结果代码3）如下：

①如果过程变量值在0．O—1.0之间，表示在范围之内。