PID控制最通俗的解釋與PID參數(shù)的整定方法及S7200PID應(yīng)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(guān)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(xué)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(zhì)，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

2、來手動控制電加熱爐的爐溫。假設(shè)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，并與爐溫給定值比較，得到溫度的誤差值。然后用手操作電位器，調(diào)節(jié)加熱的電流，使?fàn)t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(dāng)時的溫度誤差值調(diào)整控制加熱電流的電位器的轉(zhuǎn)角。爐溫小于給定值時，誤差為正，在位置L的基礎(chǔ)上順時針增大電位器的轉(zhuǎn)角，以增大加熱的電流。爐溫大于給定值時，誤差為負(fù)，在位置L的基礎(chǔ)上反時針減小電位器的轉(zhuǎn)角，并令轉(zhuǎn)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

3、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(diào)節(jié)電位器轉(zhuǎn)角后，到溫度上升到新的轉(zhuǎn)角對應(yīng)的穩(wěn)態(tài)值時有較大的時間延遲。由于延遲因素的存在，調(diào)節(jié)電位器轉(zhuǎn)角后不能馬上看到調(diào)節(jié)的效果，因此閉環(huán)控制系統(tǒng)調(diào)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(diào)節(jié)后的電位器轉(zhuǎn)角與位置L的差值太小，調(diào)節(jié)的力度不夠，使系統(tǒng)輸出量變化緩慢，調(diào)節(jié)所需的總時間過長。比例系數(shù)如果過大，即調(diào)節(jié)后電位器轉(zhuǎn)角與位置L的差值過大，調(diào)節(jié)力度太強(qiáng)，將造成調(diào)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(yīng)靈敏，調(diào)節(jié)速

4、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(diào)量增大，振蕩次數(shù)增加，調(diào)節(jié)時間加長，動態(tài)性能變壞，比例系數(shù)太大甚至?xí)归]環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。    單純的比例控制很難保證調(diào)節(jié)得恰到好處，完全消除誤差。    2積分控制    PID控制器中的積分對應(yīng)于圖1中誤差曲線 與坐標(biāo)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(jī)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(chǔ)上，增加

5、一個與當(dāng)前的誤差值ev（n）成正比的微小部分。誤差為負(fù)值時，積分的增量為負(fù)。    手動調(diào)節(jié)溫度時，積分控制相當(dāng)于根據(jù)當(dāng)時的誤差值，周期性地微調(diào)電位器的角度，每次調(diào)節(jié)的角度增量值與當(dāng)時的誤差值成正比。溫度低于設(shè)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(diào)節(jié)的“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(yīng)于上述溫度控制系統(tǒng)中電位器轉(zhuǎn)角的位置L。因此積分部分的作用是

6、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(qiáng)。    3PI控制    控制器輸出中的積分項與當(dāng)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(yán)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(shè)置得不好，其負(fù)面作用很難通過積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。

7、    PI和PID控制器既克服了單純的比例調(diào)節(jié)有穩(wěn)態(tài)誤差的缺點，又避免了單純的積分調(diào)節(jié)響應(yīng)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(diào)得小一些。    如果積分作用太強(qiáng)（即積分時間太?。喈?dāng)于每次微調(diào)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(diào)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，積分時間的值應(yīng)取得適中。    4微分作用  

8、0; 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(fù)。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(dá)到設(shè)定值時，根據(jù)溫度變化的趨勢，預(yù)感到溫度將會超過設(shè)定值，出現(xiàn)超調(diào)。于是調(diào)節(jié)電位器的轉(zhuǎn)角，提前減小加熱的電流。這相當(dāng)于士兵射擊遠(yuǎn)方的移動目標(biāo)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(yīng)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 ()

9、 - c (t)。在圖2中啟動過程的上升階段，當(dāng) 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(fù)值，減小了控制器的輸出量，相當(dāng)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(diào)量。因此微分控制具有超前和預(yù)測的特性，在超調(diào)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(yù)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(dāng)?shù)奈⒎挚刂谱饔每梢允钩{(diào)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

10、的效果不理想，可以考慮增加微分控制，以改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。如果將微分時間設(shè)置為0，微分部分將不起作用。    微分時間與微分作用的強(qiáng)弱成正比，微分時間越大，微分作用越強(qiáng)。如果微分時間太大，在誤差快速變化時，響應(yīng)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

11、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(yīng)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模擬量中的重要信息。    6PID參數(shù)的調(diào)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(guān)系，用實驗的方法來調(diào)節(jié)控制器的參數(shù)。有經(jīng)驗的調(diào)試人員一般可以較快地得到較為滿意的調(diào)試結(jié)果。在調(diào)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(yīng)該調(diào)節(jié)哪一個參數(shù)，該參數(shù)應(yīng)該增大還是減小。

12、   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(diào)試開始時應(yīng)設(shè)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(diào)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(diào)量和調(diào)節(jié)時間。應(yīng)根據(jù)PID參數(shù)與系統(tǒng)性能的關(guān)系，反復(fù)調(diào)節(jié)PID的參數(shù)。    如果階躍響應(yīng)的超調(diào)量太大，經(jīng)過多次振蕩才能穩(wěn)定或者根本不穩(wěn)定，應(yīng)減小比例系數(shù)、增大積分時間。如果階躍響應(yīng)沒有超調(diào)量，但是被控量上升過于緩慢，過渡過程時間太長，應(yīng)按相反的方向調(diào)整參數(shù)。    如果消

13、除誤差的速度較慢，可以適當(dāng)減小積分時間，增強(qiáng)積分作用。    反復(fù)調(diào)節(jié)比例系數(shù)和積分時間，如果超調(diào)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(fù)調(diào)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(diào)試是一個綜合的、各參數(shù)互相影響的過程，實際調(diào)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 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(jī)界面的趨勢圖顯示給定曲線和閉環(huán)輸出量的響

14、應(yīng)曲線。   本日志的內(nèi)容摘自作者在自動化應(yīng)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(jié)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(dāng)?shù)臅r候發(fā)布用純軟件仿真學(xué)習(xí)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(jìn)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

15、根據(jù)設(shè)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(jī)構(gòu)去影響被控對象的變化。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，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(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(jī)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(xì)的計算方法請參考S7-200系統(tǒng)手冊中PID 指令部分的相關(guān)內(nèi)容。計算

16、機(jī)化的PID 控制算法有幾個關(guān)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(dāng)時的給定、反饋、比例積分微分?jǐn)?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(diào)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)

17、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(diào)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(diào)節(jié)范圍往往被認(rèn)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(nèi)，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(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。S7-200 系統(tǒng)手冊上有詳細(xì)的介紹。S7-2

18、00 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 指令也同時會被自動調(diào)用。調(diào)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(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)觀察反饋對于給定變化的響應(yīng)曲線；而實際上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)上做的趨勢曲線監(jiān)

19、控畫面等。新版編程軟件STEP 7 - Micro/WIN V4.0 內(nèi)置了一個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，可以用于手動調(diào)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(diào)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(jī)必須按照一定的時間間隔對反饋進(jìn)行采樣，才能進(jìn)行PID 控制的計算。采樣時間就是對反饋進(jìn)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(yīng)要求高的場合。編程

20、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(dāng)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時間。如果將積分時間設(shè)為最大值，則相當(dāng)于沒有積分作用。? 微分時間（D

21、erivative 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(qiáng)。微分相當(dāng)于對反饋變化趨勢的預(yù)測性調(diào)整。如果將微分時間設(shè)置為0 就不起作用，控制器將作為PI 調(diào)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(guān)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(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，計算出的數(shù)值往往沒有什么實際意義。因此，除了實際調(diào)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

22、套看似一樣的系統(tǒng)，都可能通過實際調(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)測試。所謂開環(huán)，就是在PID 調(diào)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(chǔ)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(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

23、否增益過小、積分時間過長總之，PID 參數(shù)的調(diào)試是一個綜合的、互相影響的過程，實際調(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 細(xì)調(diào)功能。3、沒有采用積分控制時，為何反饋達(dá)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(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，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，

24、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?qū)В┚庉婸ID 控制程序。PID Wizard - PID 向?qū)icro/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閉環(huán)控制過程的PID 算法。此向?qū)Э梢酝?/p>

25、成絕大多數(shù)PID 運算的自動編程，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)。PID 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)自動調(diào)節(jié)，也支持手動參與控制。建議用戶使用此向?qū)ID 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?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。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PI

26、D 指令：圖1. 選擇PID 向?qū)г谑褂孟驅(qū)r必須先對項目進(jìn)行編譯，在隨后彈出的對話框中選擇“Yes” ，確認(rèn)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?qū)赋鲆呀?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(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）輸入域中輸入實數(shù)，缺省值為0.0 和1

27、00.0，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(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(shè)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(shè)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?qū)瓿珊?，若想要修改此?shù)，則必須返回向?qū)е行薷模豢稍诔绦蛑谢驙顟B(tài)

28、表中修改。注意：關(guān)于具體的PID 參數(shù)值，每一個項目都不一樣，需要現(xiàn)場調(diào)試來定，沒有所謂經(jīng)驗參數(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(fù)到正的范圍內(nèi)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(yīng)6400，20mA 對應(yīng)32000b.

29、反饋輸入取值范圍o 在a.設(shè)置為Unipolar 時，缺省值為0 - 32000，對應(yīng)輸入量程范圍0 - 10V 或0 - 20mA 等，輸入信號為正o 在a.設(shè)置為Bipolar 時，缺省的取值為-32000 - +32000，對應(yīng)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(shè)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(shè)備，如比例閥、變頻器等；

30、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(shè)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(fù)10V 或正負(fù)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?nèi)绻x擇了開關(guān)量輸出，需要設(shè)定此占空比的周期

31、。第四步：設(shè)定回路報警選項圖6. 設(shè)定回路報警限幅值向?qū)峁┝巳齻€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(dāng)報警條件滿足時，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.使能低值報警并設(shè)定過程值(PV)報警的低值，此值為過程值的百分?jǐn)?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(shè)為0.01，即滿量程的1%b.使能高值報警并設(shè)定過程值(PV)報警的高值，此值為過程值的百分?jǐn)?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(shè)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(shè)定模塊于CPU 連接時所處的模塊

32、位置?！?”就是第一個擴(kuò)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(jìn)行控制回路的運算工作；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(fù)使用。如果點擊“Suggest Address”，則向?qū)⒆詣訛槟阍O(shè)定當(dāng)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?qū)r編譯檢測到空閑地址。向?qū)⒆詣訛樵搮?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(dǎo)致PID 控制不執(zhí)行。第六步

33、：定義向?qū)傻腜ID 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(wù)程序名和選擇手動控制向?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. 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?qū)е袛嘤玫氖荢MB34 定時中斷，在用戶使用了PID 向?qū)Ш?，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 將停止工作。c.

34、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(shè)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，可在指令樹的Progra

35、m 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(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械脑O(shè)定0.0100.0，此處應(yīng)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(shè)過程值A(chǔ)IW0 是量程為0200 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

36、PID 的手/自動方式，當(dāng)I0.0 為1 時，為自動，經(jīng)過PID 運算從AQW0 輸出；當(dāng)I0.0 為0 時，PID 將停止計算，AQW0 輸出為ManualOutput（VD4）中的設(shè)定值，此時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(nèi)對應(yīng)此值的輸出量。此處可輸入手動設(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 之間的一個實數(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 手動功能，則此項不會出現(xiàn)f. 此處鍵入控制量的輸

37、出地址g. 當(dāng)高報警條件滿足時，相應(yīng)的輸出置位為1，若在向?qū)е袥]有使能高報警功能，則此項將不會出現(xiàn)h. 當(dāng)?shù)蛨缶瘲l件滿足時，相應(yīng)的輸出置位為1，若在向?qū)е袥]有使能低報警功能，則此項將不會出現(xiàn)i. 當(dāng)模塊出錯時，相應(yīng)的輸出置位為1，若在向?qū)е袥]有使能模塊錯誤報警功能，則此項將不會出現(xiàn)調(diào)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(guān)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(diào)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(diào)試PID參數(shù)。查看Data Block（數(shù)據(jù)塊），以及Symbol Table（符號表）相應(yīng)的PID 符號

38、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)。常問問題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（符號表)中，查看PID 向?qū)傻姆柋?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（數(shù)據(jù)塊） 中，查看PID

39、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螅绾卧谡{(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)工藝需要隨時對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)傻淖映绦颍袛喑绦蛴脩羰菬o法看到的，也不能對其進(jìn)行修改。沒有密碼能夠打開這些子程序，一般的應(yīng)用也沒有必要打開查看。5、PID 參數(shù)有經(jīng)驗值嗎？每一

40、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(diào)試獲得。6、我的PID 向?qū)傻某绦驗楹尾粓?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 定時中斷，也不要對SMB34 賦值7、如何實現(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，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，則需要增大輸出控制）。若想實現(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)。對于增益為0 的積分或微分控制來說，如果

41、指定積分時間、微分時間為負(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/自動”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(diào)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(diào)用程序段：圖1. 調(diào)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 調(diào)節(jié)器的輸

42、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(jī)操作界面（HMI）設(shè)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(yīng)于壓力值；如果是溫度，則給定也必須對應(yīng)于溫度。? 給定與反饋的數(shù)值范圍對應(yīng)如果給定直接是攝氏溫度值，則反饋必須是對應(yīng)的攝氏溫度值；如果反饋直接使用模擬量輸

43、入的對應(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，完全取決于我們在使用“PID 向?qū)А本幊虝r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。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 模擬量輸入模塊中

44、。據(jù)此，我們可以按下表設(shè)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(shè)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(zhuǎn)換為溫度值。熱電偶為J 型，其測量范圍為 -150.0°C - 1200.0 °C。則可按如下設(shè)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(shè)置圖4. 反饋范圍設(shè)置圖5. 給定范圍設(shè)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(diào)節(jié)控制面板。用戶可以使用用戶程

45、序或PID 調(diào)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(jìn)行自整定。PID 調(diào)節(jié)控制面板也可以用來手動調(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 自整定會根據(jù)響應(yīng)類型而計算出最優(yōu)化的比例、積分、微分值，并可應(yīng)用到控制中。PID 調(diào)節(jié)控制面板STEP 7-Micro/WIN V4.0 中提供了一個PID 調(diào)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(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

46、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、采樣時間、PID 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. 實際PC 時間D. 以不同顏色表示的設(shè)定值、過程變量及輸出的趨勢圖d. 調(diào)節(jié)參數(shù)這里你可以：o 選擇PID 參數(shù)的顯示：當(dāng)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Advanc

47、ed（高級）按鈕進(jìn)入高級參數(shù)設(shè)定e. 當(dāng)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(shè)定這里你可以設(shè)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(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?。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?qū)硗瓿傻诙剑捍蜷_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

48、況下，從主菜單Tools > PID Tune Control Panel 或點擊 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），可點擊Configure（配置）按鈕運行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，在d.區(qū)選擇Manual（手動），調(diào)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(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：? 使PID 調(diào)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(shè)置合適的給定值，使PID 調(diào)節(jié)器的輸出遠(yuǎn)離趨勢圖的上、下坐標(biāo)軸，以免P

49、ID 自整定開始后輸出值的變化范圍受限制參見：手動調(diào)整PID 回路參數(shù)第三步：在d.區(qū)點擊Advanced（高級）按鈕，設(shè)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(shè)置PID 自整定高級選項在此允許你設(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(shè)定值的最大（正負(fù)）范圍，過程反饋在這個范圍內(nèi)的變化不會引起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)器才會認(rèn)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(qiáng)（噪聲大）自然變化范圍就大，可能需要人為設(shè)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(guān)系。c. De