S7-200SMART與PID的應(yīng)用概述

1、PID回路控制概述

PID控制器是應(yīng)用最廣泛的閉環(huán)控制器，它根據(jù)給定值與被控實(shí)測(cè)值之間的偏差；按照PID算法計(jì)算出控制器的輸出量，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使被控量跟隨給定量變化，并使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定；自動(dòng)消除各種干擾對(duì)控制過程的影響。其中PID分別表示比例、積分和微分。

S7-200 SMART中PID功能實(shí)現(xiàn)方式有以下三種：

PID指令塊：通過一個(gè)PID回路表交換數(shù)據(jù)，只接受0.0 - 1.0之間的實(shí)數(shù)（實(shí)際上就是百分比）作為反饋、給定與控制輸出的有效數(shù)值。

PID向?qū)В悍奖愕赝瓿奢斎?輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換/標(biāo)準(zhǔn)化處理。PID指令同時(shí)會(huì)被自動(dòng)調(diào)用。

根據(jù)PID算法自己編程：S7-200 SMART CPU最多可以支持8個(gè)PID控制回路（8個(gè)PID指令功能塊）,根據(jù)PID算法自己編程沒有具體數(shù)目的限制，但是我們需要考慮PLC的存儲(chǔ)空間以及掃描周期等影響。

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(dòng)，使反饋跟隨給定變化。

PID控制算法有幾個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)Kc（Gain，增益）Ti（積分時(shí)間常數(shù)），Td（微分時(shí)間常數(shù)）Ts（采樣時(shí)間）。

在S7-200 SMART中PID功能是通過PID指令功能塊實(shí)現(xiàn)。通過定時(shí)（按照采樣時(shí)間）執(zhí)行PID功能塊，按照PID運(yùn)算規(guī)律，根據(jù)當(dāng)時(shí)的給定、反饋、比例－積分－微分?jǐn)?shù)據(jù)，計(jì)算出控制量。

由于PID可以控制溫度、壓力等等許多對(duì)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(shí)別。

S7-200 SMART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(duì)象的數(shù)值大小。在實(shí)際工程中，這個(gè)調(diào)節(jié)范圍往往被認(rèn)為與被控對(duì)象（反饋）的測(cè)量范圍（量程）一致。

PID功能塊只接受0.0 - 1.0之間的實(shí)數(shù)（實(shí)際上是0%--100%）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(gè)范圍之內(nèi)，否則會(huì)出錯(cuò)。其他如增益、采樣時(shí)間、積分時(shí)間、微分時(shí)間都是實(shí)數(shù)。因此，必須把外圍實(shí)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。

2、PID主要參數(shù)

采樣時(shí)間

CPU必須按照一定的時(shí)間間隔對(duì)反饋進(jìn)行采樣，才能進(jìn)行PID控制的計(jì)算。采樣時(shí)間就是對(duì)反饋進(jìn)行采樣的間隔。短于采樣時(shí)間間隔的信號(hào)變化是不能測(cè)量到的。過短的采樣時(shí)間沒有必要，過長(zhǎng)的采樣間隔顯然不能滿足擾動(dòng)變化比較快、或者速度響應(yīng)要求高的場(chǎng)合。

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。提高響應(yīng)速度，減少誤差，但不能消除穩(wěn)態(tài)誤差，當(dāng)比例作用過大時(shí)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。

積分時(shí)間

偏差值恒定時(shí)，積分時(shí)間決定了控制器輸出的變化速率。積分時(shí)間越短，偏差得到的修正越快。過短的積分時(shí)間有可能造成不穩(wěn)定。積分時(shí)間的長(zhǎng)度相當(dāng)于在階躍給定下，增益為“1”的時(shí)候，輸出的變化量與偏差值相等所需要的時(shí)間，也就是輸出變化到二倍于初始階躍偏差的時(shí)間。如果將積分時(shí)間設(shè)為最大值，則相當(dāng)于沒有積分作用。

微分時(shí)間

偏差值發(fā)生改變時(shí)，微分作用將增加一個(gè)尖峰到輸出中，隨著時(shí)間流逝減小。微分時(shí)間越長(zhǎng)，輸出的變化越大。微分使控制對(duì)擾動(dòng)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(duì)反饋?zhàn)兓厔?shì)的預(yù)測(cè)性調(diào)整。如果將微分時(shí)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。

比例調(diào)節(jié)

提高響應(yīng)速度，減少誤差，但不能消除穩(wěn)態(tài)誤差，當(dāng)比例作用過大時(shí)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。(由小到大單獨(dú)調(diào)節(jié)）

積分調(diào)節(jié)

消除穩(wěn)態(tài)誤差，使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢，積分時(shí)間越小，積分作用越大 ，偏差得到的修正越快，過短的積分時(shí)間有可能造成不穩(wěn)定。（將調(diào)好的比例增益調(diào)整到50%~80%后，由大到小減小積分時(shí)間）

微分調(diào)節(jié)

超前調(diào)節(jié)，能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，提前抑制誤差的控制作用，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)?？梢愿纳葡到y(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性，對(duì)噪聲干擾有放大作用，對(duì)具有滯后性質(zhì)的被控對(duì)象，應(yīng)加入微分環(huán)節(jié)。

3、PID向?qū)?/p>

1、ro/WIN SMART中的工具菜單中選擇PID向?qū)?/p>

3、S7-200 SMART CPU最多可以支持8個(gè)PID控制回路（8個(gè)PID指令功能塊）

6、增益：即比例常數(shù)積分時(shí)間：如果不想要積分作用可以將該值設(shè)置很大（比如10000.0）

微分時(shí)間：如果不想要微分回路，可以把微分時(shí)間設(shè)為0

采樣時(shí)間：是PID控制回路對(duì)反饋采樣和重新計(jì)算輸出值的時(shí)間間隔

8、單極性：0-27648；雙極性-27648到27648；

溫度x10°是PT100的熱電阻或熱電偶 的溫度值°C表示攝氏度 °F表示華氏度；

選用20%偏移：如果輸入為4－20mA則選此項(xiàng)，4mA是0－20mA信號(hào)的20%，所以選20% 偏移，即4mA對(duì)應(yīng)5530，20mA對(duì)應(yīng)27648。

11、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；數(shù)字量輸出實(shí)際上是控制輸出點(diǎn)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）。

12、范圍：為單極時(shí)，缺省值為 0 到 27648；為雙極時(shí)，取值-27648 到27648；為20%偏移量時(shí)，取值5530 - 27648 ，不可改變。

14、反饋值下限的10%時(shí)報(bào)警。

15、反饋值高于上限的90%時(shí)報(bào)警。

16、模擬量模塊錯(cuò)誤報(bào)警 ，“EM0”就是第一個(gè)擴(kuò)展模塊的位置。

18、可以選擇添加PID 手動(dòng)控制模式。

20、PID功能塊使用了一個(gè)120個(gè)字節(jié)的V區(qū)地址來進(jìn)行控制回路的運(yùn)算工作；并且PID向?qū)傻妮斎?輸出量的標(biāo)準(zhǔn)化程序也需要運(yùn)算數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)。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。

24、向?qū)瓿缮傻淖映绦颉?/p>

25、向?qū)傻臄?shù)據(jù)塊。

4、PID向?qū)?/p>

5、程序編寫

利用PID向?qū)Ь帉懗绦?、使溫度保持在給定值，并對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行整定。

6、下載并調(diào)試

1、調(diào)試說明：

（1）比例增益：提高調(diào)節(jié)速度，減小誤差，但不能消除穩(wěn)態(tài)誤差；

參考方法可由小到大單獨(dú)調(diào)節(jié)。

（2）積分作用：消除穩(wěn)態(tài)誤差，使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)相應(yīng)的變慢，積分過大會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性；

調(diào)節(jié)參考方法：將調(diào)節(jié)好的比例系數(shù)調(diào)整到50%--80%；由大到小，增加積分影響。

（3）微分作用：超前控制，減少調(diào)節(jié)時(shí)間，對(duì)干擾有放大作用；

調(diào)節(jié)方法參考：由小到大單獨(dú)調(diào)節(jié)，并相應(yīng)調(diào)整比例和積分，追求調(diào)節(jié)偏差的變化率。

（4）PID調(diào)節(jié)方法：先將積分和微分關(guān)閉，先調(diào)比例，在比例差不多時(shí)加上積分，一般情況，比例值越大輸出結(jié)果越快；積分越大，輸出結(jié)果越慢；微分在調(diào)節(jié)溫控時(shí)使用，一般情況可不用

2、可通過狀態(tài)圖表監(jiān)控并修改給定值、手自動(dòng)狀態(tài)、PWM輸出設(shè)置等；也可通過PID控制面板進(jìn)行調(diào)試，如下圖所示：

1、給定值和過程值共用圖形左側(cè)的縱軸，輸出使用圖形右側(cè)的縱軸。

2、采樣時(shí)間是PID控制回路對(duì)反饋采樣和重新計(jì)算輸出值的時(shí)間間隔（在PID向?qū)渲弥懈模?/p>

3、速率：設(shè)置圖形顯示區(qū)所有顯示值的采樣更新速率時(shí)間。

4、調(diào)節(jié)參數(shù)：增益、積分和微分的當(dāng)前值。

5、如果選擇啟用手動(dòng)調(diào)節(jié)，可在計(jì)算值中修改PID參數(shù)。

6、在自動(dòng)模式下，單擊“啟動(dòng)”按鈕，啟動(dòng)自整定，自整定完成后，單擊“更新”按鈕，可把參數(shù)寫進(jìn)CPU中。

7、單擊“選項(xiàng)”可進(jìn)入自整定參數(shù)設(shè)置（如下圖）：

7、PID常見問題

1、 PID向?qū)傻某绦驗(yàn)楹尾粓?zhí)行？

確保用SM0.0無條件調(diào)用PID0_CTRL庫(kù)；在程序的其它部分不要再使用SMB34定時(shí)中斷，也不要對(duì)SMB34賦值。

確認(rèn)當(dāng)前工作狀態(tài)：手動(dòng)還是自動(dòng)。

2、如何實(shí)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(shí)，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(shí)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(duì)于增益為0的積分或微分控制來說，如果指定積分時(shí)間、微分時(shí)間為負(fù)值，則是反作用回路。

3、如何根據(jù)工藝要求有選擇地投入PID功能？

可使用"手動(dòng)/自動(dòng)"切換的功能。PID向?qū)傻腜ID功能塊需要保證每個(gè)掃描周期都調(diào)用，所以在主程序內(nèi)使用SM0.0調(diào)用。

4、 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(cè)試。所謂開環(huán)，就是在PID調(diào)節(jié)器不投入工作的時(shí)候，觀察：（1）反饋通道的信號(hào)是否穩(wěn)定（2）輸出通道是否動(dòng)作正常

可以試著給出一些比較保守的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(shí)間不要太短，以免引起振蕩。在這個(gè)基礎(chǔ)上，可以直接投入運(yùn)行觀察反饋的波形變化。給出一個(gè)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(shí)間過短；如果反饋遲遲不能跟隨給定，上升速度很慢，應(yīng)該考慮是否增益過小、積分時(shí)間過長(zhǎng)……PID參數(shù)的調(diào)試是一個(gè)綜合的、互相影響的過程，實(shí)際調(diào)試過程中的多次嘗試是非常重要的步驟。

5、沒有采用積分控制時(shí)，為何反饋達(dá)不到給定？

因?yàn)榉e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。

6、S7-200 SMART控制變頻器，在變頻器也有PID控制功能時(shí)，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，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。

7、指令塊與向?qū)褂玫腜ID回路號(hào)是否可以重復(fù)？

不可以重復(fù)，使用PID向?qū)r(shí)，對(duì)應(yīng)回路的指令塊也會(huì)調(diào)用，所以指令塊與向?qū)褂玫腜ID回路號(hào)不能重復(fù)，否則會(huì)產(chǎn)生預(yù)想不到的結(jié)果。

8、同一個(gè)程序里既使用PID指令塊又使用向?qū)?，PID數(shù)目怎樣計(jì)算？

使用PID向?qū)r(shí)，對(duì)應(yīng)回路的指令塊也會(huì)調(diào)用，所以PID指令塊與向?qū)б还仓С?個(gè)。

9、PID指令塊可以在主程序/子程序里調(diào)用嗎？

可以，但是不推薦，主程序/子程序的循環(huán)時(shí)間每個(gè)周期都可能不同，不能保證精確的采樣，建議用定時(shí)中斷，例如SMB34/SMB35。

10、SMB34定時(shí)最大255ms，如果采樣時(shí)間是1S怎樣實(shí)現(xiàn)?

采樣時(shí)間是1S，要求PID指令塊每隔1S調(diào)用一次?？梢韵茸鲆粋€(gè)250ms的定時(shí)中斷，然后編程累加判斷每4次中斷執(zhí)行一次PID指令即可。

11、 PID指令塊怎樣實(shí)現(xiàn)手動(dòng)調(diào)節(jié)？

可以簡(jiǎn)單地使用"調(diào)用/不調(diào)用"指令的方式控制自動(dòng)/手動(dòng)模式。不調(diào)用PID指令時(shí)，可以手動(dòng)給輸出地址0.0-1.0之間的實(shí)數(shù)。

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：一文帶你了解S7-200SMART與PID的應(yīng)用！

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