如何使用S7-200的PID控制功能

S7-200 能夠進(jìn)行PID 控制。S7-200 CPU最多可以支持8 個(gè)PID 控制回路（8個(gè)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 控制器根據(jù)設(shè)定值（給定）與被控對(duì)象的實(shí)際值（反饋）的差值，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)去影響被控對(duì)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(dòng)，使反饋跟隨給定變化。

根據(jù)具體項(xiàng)目的控制要求，在實(shí)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(shí)沒(méi)有微分控制部分。

1、PID 算法在S7-200 中的實(shí)現(xiàn)

PID 控制最初在模擬量控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，隨著離散控制理論的發(fā)展，PID也在計(jì)算機(jī)化控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。

計(jì)算機(jī)化的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 中PID 功能是通過(guò)PID 指令功能塊實(shí)現(xiàn)。通過(guò)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。

PID 功能塊通過(guò)一個(gè)PID 回路表交換數(shù)據(jù)，這個(gè)表是在V 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)中的開(kāi)辟，長(zhǎng)度為36 字節(jié)。因此每個(gè)PID 功能塊在調(diào)用時(shí)需要指定兩個(gè)要素：PID控制回路號(hào)，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(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(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?！禨7-200系統(tǒng)手冊(cè)》上有詳細(xì)的介紹。

S7-200 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(shí)會(huì)被自動(dòng)調(diào)用。

1.1調(diào)試PID 控制器

PID 控制的效果就是看反饋（也就是控制對(duì)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(dòng)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(duì)于給定變化的響應(yīng)曲線；而實(shí)際上PID 的參數(shù)也是通過(guò)觀察反饋波形而調(diào)試的。因此，沒(méi)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(shì)曲線監(jiān)控畫(huà)面等。

新版編程軟件STEP 7 - Micro/WIN V4.0 內(nèi)置了一個(gè)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(dòng)調(diào)試PID 參數(shù)。對(duì)于沒(méi)有“自整定PID”功能的老版CPU，也能實(shí)現(xiàn)PID 手動(dòng)調(diào)節(jié)。

PID 參數(shù)的取值，以及它們之間的配合，對(duì)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(shí)間：

計(jì)算機(jī)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(guò)短的采樣時(shí)間沒(méi)有必要，過(guò)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。

編程時(shí)指定的PID 控制器采樣時(shí)間必須與實(shí)際的采樣時(shí)間一致。S7-200中PID 的采樣時(shí)間精度用定時(shí)中斷來(lái)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(guò)大的增益會(huì)造成反饋的振蕩。

●積分時(shí)間（Integral Time）

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(guò)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(méi)有積分作用。

●微分時(shí)間（Derivative Time）

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。

1.2常見(jiàn)問(wèn)題

1．對(duì)于某個(gè)具體的PID 控制項(xiàng)目，是否可能事先得知比較合適的參數(shù)？有沒(méi)有相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)？

雖然有理論上計(jì)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(jì)算出的數(shù)值往往沒(méi)有什么實(shí)際意義。因此，除了實(shí)際調(diào)試獲得參數(shù)外，沒(méi)有什么可用的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)值存在。甚至對(duì)于兩套看似一樣的系統(tǒng)，都可能通過(guò)實(shí)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(kāi)環(huán)測(cè)試。所謂開(kāi)環(huán)，就是在PID 調(diào)節(jié)器不投入工作的時(shí)候，觀察：

●反饋通道的信號(hào)是否穩(wěn)定

●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(guò)大、積分時(shí)間過(guò)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(guò)小、積分時(shí)間過(guò)長(zhǎng)……

總之，PID參數(shù)的調(diào)試是一個(gè)綜合的、互相影響的過(guò)程，實(shí)際調(diào)試過(guò)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(méi)有采用積分控制時(shí)，為何反饋達(dá)不到給定？這是必然的。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(méi)有積

分控制的比例控制系統(tǒng)中，沒(méi)有偏差就沒(méi)有輸出量，沒(méi)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(shí)現(xiàn)PID 反作用調(diào)節(jié)？

參見(jiàn)PID 向?qū)е械某?wèn)問(wèn)題。

5．S7-200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(shuí)的PID 功能？可以根據(jù)具體情況使用。一般來(lái)說(shuō)，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(cè)》上的附錄H.14“用S7-200 實(shí)現(xiàn)PID 控制”的例子，是否可以直接使用？《S7-200系統(tǒng)手冊(cè)》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(yùn)算指令時(shí)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。

1.3 PID Wizard - PID 向?qū)?/p>

Micro/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(gè)閉環(huán)控制過(guò)程的PID 算法。此向?qū)Э梢酝瓿山^大多數(shù)PID 運(yùn)算的自動(dòng)編程，用戶只需在主程序中調(diào)用PID 向?qū)傻淖映绦颍涂梢酝瓿蒔ID 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(kāi)關(guān)量輸出；既支持連續(xù)自動(dòng)調(diào)節(jié)，也支持手動(dòng)參與控制。建議用戶使用此向?qū)?duì)PID編程，以避免不必要的錯(cuò)誤。如果用戶不能確定中文編程界面的語(yǔ)義，我們建議用戶使用英文版本的Micro/WIN，以免對(duì)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。

1.4 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