S7-200 PLC的PID參數(shù)自整定功能及其應(yīng)用

S7-200PLC的PID參數(shù)自整定功能及其應(yīng)用介紹了西門子新一代小型PLCS7-200的PID參數(shù)自整定的基本思想和PID整定控制面板的使用方法。PID控制回路的參數(shù)整定是模擬量閉環(huán)控制中的一個(gè)難點(diǎn)，如果初始參數(shù)選擇不當(dāng)，可能會(huì)出現(xiàn)很大的超調(diào)量，甚至使系統(tǒng)不穩(wěn)定。西門子公司的新一代小型S7-200PLC具有PID參數(shù)自整定功能，V4.0版的編程軟件STEP7-Micro/WIN增加了PID整定控制面板。這兩項(xiàng)功能相結(jié)合，使用戶能輕松地實(shí)現(xiàn)PID的參數(shù)自整定，同時(shí)可以對(duì)最多8個(gè)回路進(jìn)行自整定。自整定能提供一組近似最優(yōu)的整定參數(shù)。自整定的基本方法S7-200使用的自整定算法基于K.J.?str?m和T.H?gglund在1984年提出的繼電反饋算法，該算法在一個(gè)穩(wěn)定的控制過(guò)程中產(chǎn)生一個(gè)小幅度的持續(xù)振蕩。根據(jù)過(guò)程變量振蕩的周期和幅度的變化，確定最終的頻率和增益，并用它們來(lái)求出PID控制器的增益、積分時(shí)間常數(shù)和微分時(shí)間常數(shù)的推薦值。自整定能用于正作用和反作用的P、PI、PD、PID回路的整定。自動(dòng)確定滯后和偏差自整定除了推薦整定值外，還可以自動(dòng)確定滯后(hysteresis)值和過(guò)程變量峰值偏差(deviation)值。在限制由PID自整定建立的持續(xù)振蕩的幅值時(shí)，這些參數(shù)用于減少過(guò)程噪聲的影響，從而更精確地計(jì)算出過(guò)程的自然振蕩頻率。自整定過(guò)程在確定了滯后值和偏差值之后，將初始階躍施加到回路的輸出量，開始執(zhí)行自整定過(guò)程。輸出值的階躍變化會(huì)使過(guò)程變量值產(chǎn)生相應(yīng)的變化。當(dāng)輸出值的變化使過(guò)程變量超出滯后區(qū)范圍時(shí)，檢測(cè)到一個(gè)過(guò)零(zero-crossing)事件。在發(fā)生過(guò)零事件時(shí)，自整定將向相反方向改變輸出值。自整定繼續(xù)對(duì)過(guò)程變量進(jìn)行采樣，并等待下一個(gè)過(guò)零事件，該過(guò)程總共需要12次過(guò)零才能完成。過(guò)程變量的峰-峰值（峰值誤差）和過(guò)零事件產(chǎn)生的速率都與控制過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性直接相關(guān)。在自整定過(guò)程初期，會(huì)適當(dāng)調(diào)節(jié)輸出階躍值，從而使過(guò)程變量的峰■峰值更接近希望的偏差值。如果兩次過(guò)零之間的時(shí)間超出過(guò)零看門狗間隔時(shí)間，自整定過(guò)程將以錯(cuò)誤告終，過(guò)零看門狗間隔時(shí)間的默認(rèn)值為2h。過(guò)程變量振蕩的頻率和幅度代表了控制過(guò)程的增益和自然頻率。根據(jù)在自整定過(guò)程中采集的控制過(guò)程的增益和自然頻率的相關(guān)信息，計(jì)算出最終的增益和頻率值，由此可以計(jì)算出推薦的增益值、積分時(shí)間和微分時(shí)間。自整定過(guò)程完成后，回路的輸出將恢復(fù)到初始值，在下一周期將開始正常的PID計(jì)算。PID整定控制面板S7-200的V4.0版編程軟件STEP7-Micro/WIN中的PID整定控制面板用圖形方式監(jiān)視PID回路。該面板還可用來(lái)起動(dòng)或取消自整定過(guò)程，設(shè)置自整定的參數(shù)，并將推薦的整定值或用戶設(shè)置的整定值應(yīng)用到實(shí)際控制中。圖中給出了在自整定過(guò)程中PID控制器的給定值SP、輸出MV和過(guò)程變量PV的變化情況。使用控制面板時(shí)，編程軟件應(yīng)與S7-200建立通信連接，將至少有一個(gè)PID回路的用戶程序下載到PLC，并將PLC切換到運(yùn)行模式。圖形顯示區(qū)用不同的顏色顯示SP、PV和MV的波形圖（如圖）。左側(cè)縱軸的刻度是用百分?jǐn)?shù)表示的各變量的相對(duì)值，右側(cè)縱軸的刻度是PV和SP的實(shí)際值?？梢杂闷聊蛔笙路降膯芜x框選擇參數(shù)的當(dāng)前值、推薦值或手動(dòng)值，選擇手動(dòng)值可以手工修改參數(shù)。點(diǎn)擊“更新PLC”按鈕，將顯示的參數(shù)傳送到被監(jiān)視的PID回路中?！伴_始自動(dòng)調(diào)諧”按鈕用來(lái)啟動(dòng)和停止自整定過(guò)程。通過(guò)圖形顯示下方的“當(dāng)前PID”選擇框，用下拉式菜單選擇希望在控制面板中監(jiān)視的PID回路。在“采樣速率”區(qū)，可以選擇圖形顯示的采樣時(shí)間間隔（1?480s），用“設(shè)置時(shí)間”按鈕來(lái)使修改后的采樣速率生效。可以用“暫?！卑粹o凍結(jié)和恢復(fù)曲線圖的顯示。在圖形區(qū)單擊鼠標(biāo)右鍵，然后執(zhí)行“clear”（清除）命令，可以清除圖形。PID參數(shù)自整定實(shí)例為了觀察自整定的效果，將自整定用于一個(gè)微型溫度控制系統(tǒng)，溫度變送器將0°C?60°C的溫度轉(zhuǎn)換為DC0?10V的電壓，CPU224XP的模擬量輸入通道A（AIW0）將它轉(zhuǎn)換為0?32000的數(shù)字量。加熱用的電阻絲用Q0.0輸出的DC24VPWM脈沖來(lái)控制。1.第1次實(shí)驗(yàn)點(diǎn)擊編程軟件指令樹中的“'向?qū)PID”圖標(biāo)，在出現(xiàn)的對(duì)話框中，設(shè)置PID回路0的設(shè)定值范圍為0.0%?100.0%，增益為1.0，采樣周期為1.0s，積分時(shí)間為1.0min，微分時(shí)間為0.05min。如果設(shè)置微分時(shí)間為0，向?qū)?huì)認(rèn)為用戶選擇的是PI控制器。設(shè)置PID控制器的輸入、輸出量均為單極性，變化范圍均為0?32000。回路不使用報(bào)警功能，占用VB0~VB119。完成了向?qū)е械脑O(shè)置工作后，將會(huì)自動(dòng)生成子程序PID0_INIT和中斷程序PID_EXE。在編程時(shí)，將指令樹的“'指令'調(diào)用子程序”文件夾中的PID0_INIT圖標(biāo)“拖放”到主程序的梯形圖編輯區(qū)中，設(shè)置PID0_INIT的輸入過(guò)程變量PV_I的地址為AIW0，實(shí)數(shù)設(shè)定值Setpoint_R（即波形圖中的SP）為80.0%,PID控制器的輸出變量Output（即波形圖中的MV）的地址為VW200。主程序中使用的V區(qū)地址不能與回路0占用的VB0?VB119沖突。每個(gè)掃描周期都應(yīng)執(zhí)行PID0_INIT,因此用一直閉合的SM0.0的常開觸點(diǎn)來(lái)控制它的使能輸入端（EN）。雙擊指令樹中的“'向?qū)PTO/PWM”圖標(biāo)，在出現(xiàn)的向?qū)?duì)話框中，設(shè)置Q0.0輸出的PWM脈沖以微秒為單位，設(shè)置完成后將會(huì)生成子程序PWM0_RUN。在主程序中，它的EN輸入端和RUN輸入端均用SM0.0的常開觸點(diǎn)控制。設(shè)置PWM脈沖的周期Cycle為32000Ms，用VW200中的PID的輸出值作為PWM脈沖的寬度，VW200為0?32000時(shí)，對(duì)應(yīng)的PWM的脈沖占空比為0?1。將程序塊和數(shù)據(jù)塊下載到CPU后，將CPU切換到RUN模式，執(zhí)行菜單命令“工具一PID調(diào)諧控制面板”，用PID整定控制面板監(jiān)視PID回路的運(yùn)行情況。在PID整定控制面板中點(diǎn)擊“高級(jí)”按鈕，在打開的對(duì)話框中使用系統(tǒng)預(yù)置的參數(shù)。手動(dòng)設(shè)置的滯后值和偏差值分別為0.02和0.08，動(dòng)態(tài)響應(yīng)的類型為快速。點(diǎn)擊“開始自動(dòng)調(diào)諧”按鈕，啟動(dòng)自整定過(guò)程。自整定過(guò)程的曲線如圖所示，回路的設(shè)定值為縱坐標(biāo)80.00處的水平線，PV是過(guò)程變量（溫度值），MV是控制器的輸出值。自整定過(guò)程是從穩(wěn)態(tài)開始的，在自整定過(guò)程中，當(dāng)誤差超出滯后區(qū)范圍時(shí)，自動(dòng)切換MV的方向，因此MV的波形近似為方波。自整定結(jié)束后，圖1中的“調(diào)諧參數(shù)”區(qū)給出了推薦的控制器參數(shù)（如表1中第二行的參數(shù)）。點(diǎn)擊左下方的“更新PLC”按鈕，將推薦的參數(shù)寫入CPU。2.第2次實(shí)驗(yàn)第2次實(shí)驗(yàn)為了檢查自整定功能對(duì)不同初始參數(shù)的適應(yīng)性，將前述的初始參數(shù)中的增益值由1.0改為10.0，微分時(shí)間由0.05min減至0.01min，表1給出了兩次試驗(yàn)的初始參數(shù)和推薦參數(shù)。由表1可知兩次實(shí)驗(yàn)的