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  S7-200 PID

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• PID指令塊：參數(shù)地址采樣時間塊使用
• PID向?qū)В?/span>步驟參數(shù)地址量程設(shè)置控制面板沒有輸出例程
• PID指令塊：無擾切換調(diào)節(jié)步驟手動至穩(wěn)定經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)
• PID向?qū)В?/span>條件面板自整定編程自整定整定失敗

簡介：

在S7-200中PID功能是通過PID指令功能塊實(shí)現(xiàn)。通過定時（按照采樣時間）執(zhí)行PID功能塊，按照PID運(yùn)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。本文詳細(xì)介紹了S7-200的PID類型和各參數(shù)作用、通過PID指令功能塊和PID向?qū)煞N方式實(shí)現(xiàn)PID編程，同時給出了PID的調(diào)節(jié)步驟、手自動無擾切換的實(shí)現(xiàn)方式，此外還對通過自整定方式進(jìn)行PID調(diào)節(jié)給出了控制面板啟動和編程啟動兩種詳細(xì)方案。如果想要了解更詳細(xì)的PID算法，請參考《S7-200系統(tǒng)手冊》中PID指令部分的相關(guān)內(nèi)容。

 

目錄
1 概覽1.1 PID的實(shí)現(xiàn)方式及數(shù)目1.2 PID輸入/輸出支持的信號類型1.3 PID實(shí)現(xiàn)反作用1.4 PID各參數(shù)作用2 PID指令塊實(shí)現(xiàn)PID2.1 介紹PID回路表2.2 通過PID指令塊實(shí)現(xiàn)PID3 向?qū)?shí)現(xiàn)PID3.1 PID向?qū)гO(shè)置步驟3.2 PID向?qū)傻慕M件介紹3.3 PID設(shè)定值與過程變量 量程設(shè)置3.4 PID調(diào)節(jié)控制面板使用
4 PID調(diào)節(jié)4.1 PID調(diào)節(jié)手/自動無擾動切換4.2 PID調(diào)節(jié)步驟4.3 手動調(diào)節(jié)PID至穩(wěn)定5 PID自整定5.1 PID自整定先決條件5.2 PID自整定參數(shù)介紹5.3 通過PID控制面板啟動自整定5.2 通過編程啟動自整定5.3 PID自整定失敗原因6 擴(kuò)展閱讀

1概覽

PID是閉環(huán)控制系統(tǒng)的比例－積分－微分控制算法?？刂破鞲鶕?jù)設(shè)定值（給定）與被控對象的實(shí)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。

S7-200PID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。

1.1 PID的實(shí)現(xiàn)方式及數(shù)目

1.S7-200中PID功能實(shí)現(xiàn)方式有以下三種：

1. PID指令塊：通過一個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。
2. PID向?qū)?/strong>：方便地完成輸入/輸出信號轉(zhuǎn)換/標(biāo)準(zhǔn)化處理。PID指令同時會被自動調(diào)用。
3. 根據(jù)PID算法自己編程（該文檔不涉及）

2.S7-200 CPU最多可以支持8個PID控制回路（8個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，但是需要考慮PLC的存儲空間以及掃描周期等影響。

常見問題

 同一個程序里既使用PID指令塊又使用向?qū)В琍ID數(shù)目怎樣計算？

使用PID向?qū)r，對應(yīng)回路的指令塊也會調(diào)用，所以PID指令塊與向?qū)б还仓С?個。

 指令塊與向?qū)褂玫腜ID回路號是否可以重復(fù)？

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

 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，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。

1.2. PID輸入/輸出支持的信號類型

	信號類型
輸入	電壓、電流、熱電阻、熱電偶或經(jīng)過變換的實(shí)際工程量
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）

表1.2.1. PID輸入/輸出支持的信號類型

 S7-200的PID借助相關(guān)庫文件，可以實(shí)現(xiàn)三步控制 例如：使用混合閥門實(shí)現(xiàn)水溫的三步控制 ，具體參考以下鏈接：

https://support.industry.siemens.com/ cs/document/18748232?dti=0&lc=zh-CN

1.3. PID實(shí)現(xiàn)反作用

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

1.4 PID各參數(shù)作用

計算機(jī)化的PID控制算法有幾個關(guān)鍵的參數(shù)T_s（采樣時間），K_c（Gain，增益），T_i（積分時間常數(shù)），T_d（微分時間常數(shù)）。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：

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。

 編程時指定的PID控制器采樣時間必須與實(shí)際的采樣時間一致。S7-200中PID的采樣時間精度用定時中斷（PID向?qū)в肧MB34）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。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，系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。

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（Derivative 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?zhàn)兓厔莸念A(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。

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，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)的動態(tài)響應(yīng)變慢，積分時間越小，積分作用越大 ，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。（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間）

微分調(diào)節(jié)

超前調(diào)節(jié)，能預(yù)測誤差變化的趨勢，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，對噪聲干擾有放大作用，對具有滯后性質(zhì)的被控對象，應(yīng)加入微分環(huán)節(jié)。

2PID指令塊實(shí)現(xiàn)PID

2.1 介紹PID回路表/T96

在S7-200中PID功能是通過PID指令功能塊實(shí)現(xiàn)。通過定時（按照采樣時間）執(zhí)行PID指令塊，按照PID運(yùn)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指令塊通過一個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80字節(jié)（Micro/WIN4.0之前老版本，未增加PID自整定時回路表長度為36字節(jié)）。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。

偏移量	域	格式	類型	描述
0	過程變量（PVn）	REAL	輸入	過程變量，必須在0.0~1.0之間
4	設(shè)定值（SPn）	REAL	輸入	設(shè)定值，必須在0.0~1.0之間
8	輸出（Mn）	REAL	輸入/輸出	輸出值，必須在0.0~1.0之間
12	增益（Kc）	REAL	輸入	增益是比例常數(shù)，可正可負(fù)
16	采樣時間（Ts）	REAL	輸入	采樣時間，單位為秒，必須是正數(shù)
20	積分時間或復(fù)位（Ti）	REAL	輸入	積分時間或復(fù)位，單位是分鐘
24	微分時間或速率（Td）	REAL	輸入	微分時間或速率，單位為分鐘
28	偏差（MX）	REAL	輸入/輸出	積分項(xiàng)前項(xiàng)，必須在0.0~1.0之間
32	過程變量前值（PVn-1）	REAL	輸入/輸出	包含最后一次執(zhí)行PID指令時存儲的過程變量值
36~79 保留給自整定變量

表2.1.1. PID回路表

2.2 通過PID指令塊實(shí)現(xiàn)PID/35

通過指令塊實(shí)現(xiàn)PID，需要自己編程實(shí)現(xiàn)采樣，較復(fù)雜，容易出錯，也不能用PID控制面板進(jìn)行調(diào)節(jié)，不建議使用，如果沒有特殊要求，盡量使用PID向?qū)А?/strong>

由于PID指令塊只接受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。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。
《S7-200系統(tǒng)手冊》上有詳細(xì)的介紹。

下面簡單做一個采樣時間為250ms的PID例程：

第一步，主程序內(nèi)實(shí)現(xiàn)250ms的定時中斷，如圖2.2.1


圖2.2.1. 定時中斷

第二步，在定時中斷INT_0內(nèi)調(diào)用PID指令塊。


圖2.2.2. 調(diào)用PID指令塊

圖2.2.2中

1. TBL:控制回路表的起始地址 （VB100表示 VB100~VB180地址用于該回路PID，具體地址含義以回路表為準(zhǔn)）。
2. LOOP： PID控制回路號（0~7）。

第三步，根據(jù)PID回路表，設(shè)置參數(shù)，在數(shù)據(jù)塊設(shè)置各參數(shù)的初始值


圖2.2.3. 數(shù)據(jù)塊設(shè)置參數(shù)

第四步，程序下載后根據(jù)反饋VD0與給定VD4觀察輸出VD8（直接通過狀態(tài)表修改給定反饋即可，真正應(yīng)用時需要將外圍物理量做轉(zhuǎn)換）。

 模擬量換算可以參考庫文件量程變換指令庫 scale，使用方法：
http://support.automation.siemens. com/CN/view/zh/27043396
常見問題



 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)時間每個周期都可能不同，不能保證精確的采樣，建議用定時中斷，例如SMB34/SMB35。

SMB34定時最大255ms，如果采樣時間是1S怎樣實(shí)現(xiàn)? 
采樣時間是1S，要求PID指令塊每隔1S調(diào)用一次?？梢韵茸鲆粋€250ms的定時中斷，然后編程累加判斷每4次中斷執(zhí)行一次PID指令即可。

 PID指令塊怎樣實(shí)現(xiàn)手動調(diào)節(jié)？
可以簡單地使用“調(diào)用/不調(diào)用”指令的方式控制自動/手動模式。不調(diào)用PID指令時，可以手動給輸出地址0.0-1.0之間的實(shí)數(shù)。

 PID指令塊實(shí)現(xiàn)數(shù)字量輸出？

1.通過PWM指令，將PID輸出值轉(zhuǎn)換為所需時間基準(zhǔn)的整數(shù)，送到PWM的Pulse，控制脈寬（該法簡單易用，但是要求輸出點(diǎn)只能是Q0.0或Q0.1）。

2.自己編程實(shí)現(xiàn)類似于PWM的輸出。（雖然不限制Q點(diǎn)，但編程較復(fù)雜，不建議使用，可以直接考慮用PID向?qū)В?

3 向?qū)?shí)現(xiàn)PID

在Micro/WIN中的命令菜單中選擇工具 >指令向?qū)?/strong>，然后在指令向?qū)Т翱谥羞x擇PID指令：




圖3.1. 選擇PID向?qū)?




在使用向?qū)r必須先對項(xiàng)目進(jìn)行編譯，在隨后彈出的對話框中選擇“是” ，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(xiàng)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3.2. 選擇需要配置的回路

3.1. PID向?qū)гO(shè)置步驟

第一步：定義需要配置的PID回路號


圖3.1.1. 選擇PID回路號




第二步：設(shè)定PID回路參數(shù)


圖3.1.2. 設(shè)置PID參數(shù)




圖3.1.2中:

1. 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(shí)數(shù)，缺省值為0.0和100.0，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(shí)際的工程單位數(shù)值表示。參見：PID給定-反饋量程設(shè)置
   以下定義PID回路參數(shù)，這些參數(shù)都應(yīng)當(dāng)是實(shí)數(shù)：
2. Gain（增益）： 即比例常數(shù)。
3. 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：輸入“INF”。
4. 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 。
5. 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?，不可在程序中或狀態(tài)表中修改。

注意：關(guān)于具體的PID參數(shù)值，每一個項(xiàng)目都不一樣，需要現(xiàn)場調(diào)試來定，沒有所謂經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。




第三步：設(shè)定回路輸入輸出值



圖3.1.3. 設(shè)定PID輸入輸出參數(shù)




在圖3.1.3中，首先設(shè)定過程變量的范圍：

1. 指定輸入類型
   • Unipolar： 單極性，即輸入的信號為正，如0－10V或0－20mA等
   • 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
   • 20% Offset：使用20%偏移。如果輸入為4－20mA則選單極性及此項(xiàng)，4mA是0－20mA信號的20%，所以選20% 偏移，即4mA對應(yīng)6400，20mA對應(yīng)32000
     
2. 反饋輸入取值范圍
   • 在a.設(shè)置為單極性時，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
   • 在a.設(shè)置為雙極性時，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
   • 在a.使用20%偏移時，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：PID給定-反饋量程設(shè)置 然后定義輸出類型
3. 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；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）
4. 選擇模擬量則需設(shè)定回路輸出變量值的范圍，可以選擇：
   • Unipolar：單極性輸出，可為0－10V或0－20mA等
   • Bipolar：雙極性輸出，可為正負(fù)10V或正負(fù)5V等
   • 20% Offset：如果選中20% 偏移，使輸出為4 - 20mA
5. 取值范圍：
   • d為Unipolar時，缺省值為 0 到 32000
   • d為Bipolar時，取值-32000到32000
   • d為20% Offset時，取值6400 - 32000，不可改變

如果選擇了開關(guān)量輸出，需要設(shè)定此占空比的周期。




第四步：設(shè)定回路報警選項(xiàng)


圖3.1.4. 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。

1. 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%
2. 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%
3. 使能過程值(PV)模擬量模塊錯誤報警并設(shè)定模塊于CPU連接時所處的模塊位置?！?”就是第一個擴(kuò)展模塊的位置




第五步：指定PID運(yùn)算數(shù)據(jù)存儲區(qū)


圖3.1.5. 分配運(yùn)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(yùn)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(yùn)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(diǎn)擊“建議地址”，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：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3.1.6. 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。

1. 指定PID初使化子程序的名字。
2. 指定PID中斷子程序的名字
   注意：
   1. 如果你的項(xiàng)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?yàn)橐粋€項(xiàng)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?strong>SMB34定時中斷，在用戶使用了PID向?qū)Ш螅⒁庠谄渌幊虝r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。
3. 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0.0－1.0的實(shí)數(shù)，代表輸出的0％－100％而不是直接去改變輸出值。
   PID調(diào)節(jié)手/自動無擾動切換




第七步：生成PID子程序、中斷程序及符號表等

一旦點(diǎn)擊完成按鈕，將在你的項(xiàng)目中生成上述PID子程序、中斷程序及符號表等。


圖3.1.7. 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3.1.8. PID子程序


圖3.1.9. 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Program 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。

1. 必須用SM0.0來使能 PIDx_INIT 子程序，SM0.0 后不能串聯(lián)任何其他條件，而且也不能有越過它的跳轉(zhuǎn)；如果在子程序中調(diào)用 PIDx_INIT 子程序，則調(diào)用它的子程序也必須僅使用 SM0.0 調(diào)用，以保證它的正常運(yùn)行
2. 此處輸入過程值（反饋）的模擬量輸入地址
3. 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0.0－100.0，此處應(yīng)輸入一個0.0－100.0的實(shí)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0－200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
4. 此處用I0.0控制PID的手/自動方式，當(dāng)I0.0為1時，為自動，經(jīng)過PID運(yùn)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(xiàng)不會出現(xiàn)
5. 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(shí)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(xiàng)不會出現(xiàn)
6. 此處鍵入控制量的輸出地址
7. 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(xiàng)將不會出現(xiàn)
8. 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(xiàng)將不會出現(xiàn)
9. 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(xiàng)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(xiàng)，然后中斷程序會自動執(zhí)行。




第九步：實(shí)際運(yùn)行并調(diào)試PID參數(shù)

沒有一個PID項(xiàng)目的參數(shù)不需要修改而能直接運(yùn)行，因此需要在實(shí)際運(yùn)行時調(diào)試PID參數(shù)。具體調(diào)節(jié)過程可以參考 PID調(diào)節(jié)




為了更好地理解 PID向?qū)У木幊?，可參考下面的例程?/strong>

通過上述向?qū)Р襟E實(shí)現(xiàn)PID，為求程序簡單可讀，未設(shè)置回路報警選項(xiàng)，僅簡單常用配置，具體參見例程，關(guān)注程序注釋以及符號表內(nèi)容可幫助更快理解程序。




例程：S7-200 PID

注意：此指令程序的作者和擁有者對于該軟件的功能性和兼容性不負(fù)任何責(zé)任。使用該軟件的風(fēng)險完全由用戶自行承擔(dān)。由于它是免費(fèi)的，所以不提供任何擔(dān)保，錯誤糾正和熱線支持，用戶不必為 此聯(lián)系西門子技術(shù)支持與服務(wù)部門

3.2. PID向?qū)傻慕M件介紹

PID向?qū)瓿珊螅詣由傻某齈ID子程序（上一節(jié)已經(jīng)介紹）以外還有數(shù)據(jù)塊、符號表以及中斷程序等組件。




1.數(shù)據(jù)塊


圖3.2.1. PID向?qū)蓴?shù)據(jù)塊


完成PID Wizard配置后，會為每個PID回路生成一個數(shù)據(jù)塊PIDx_DATA(x=0-7)。圖中可以看出數(shù)據(jù)塊的內(nèi)容實(shí)際就是PID回路表以及報警的高/低限位。實(shí)際也說明PID向?qū)腔赑ID指令塊編程經(jīng)過調(diào)整后呈現(xiàn)給用戶。




2.符號表


圖3.2.2. PID向?qū)煞柋?


完成PID Wizard配置后，會為每個PID回路生成一個數(shù)據(jù)塊PIDx_SYM(x=0-7)。圖中可以看出符號表內(nèi)容也是回路表相關(guān)參數(shù)。




3.中斷程序 PID向?qū)傻闹袛喑绦騊ID_EXE自動加密，相關(guān)功能已經(jīng)附在向?qū)傻淖映绦騼?nèi)，這里不涉及。




查看Data Block（數(shù)據(jù)塊），以及Symbol Table（符號表）相應(yīng)的PID符號標(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)再次做配置。




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)。


常見問題



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指令回路表的相關(guān)參數(shù)。




 怎樣在上位機(jī)或觸摸屏上修改PID參數(shù)？




圖3.2.1/3.2.2中均能查到對應(yīng)參數(shù)地址，在上位機(jī)獲觸摸屏中修改即可，注意數(shù)據(jù)類型。




 數(shù)據(jù)塊內(nèi)設(shè)定值與過程變量以及輸出的范圍是多少？




數(shù)據(jù)塊內(nèi)的變量范圍完全與回路表內(nèi)變量范圍一致，即都是0.0-1.0之間的浮點(diǎn)數(shù)，如果向?qū)Ю镞@些變量是模擬量，或者實(shí)際工程量，向?qū)詣訐Q算成0.0-1.0的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值。通過這些變量也可以確認(rèn)向?qū)?nèi)設(shè)置的設(shè)定值與過程變量量程是否正確。

3.3. PID設(shè)定值與過程變量 量程設(shè)置

下圖是PID向?qū)傻淖映绦颍?


圖3.3.1. 調(diào)用PID子程序




各參數(shù)在3.1章節(jié)中已經(jīng)介紹，這里對以下幾個參數(shù)著重解釋：

• PV_I： 過程反饋參數(shù)值的入口
• Setpoint_R： 給定參數(shù)值的入口
• Output： PID調(diào)節(jié)器的輸出值

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(shí)數(shù)，而可以是實(shí)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（過程變量）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（過程變量）的的數(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3.3.2. 在圖中a.處設(shè)置給定范圍


圖3.3.3. 在圖中b.處設(shè)置反饋范圍




實(shí)例




1. 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。據(jù)此，我們可以按下表設(shè)置給定、反饋（過程變量）的的范圍。

	反饋（單極性）		給定
	實(shí)際物理量	模擬量輸入數(shù)值	百分比形式（占0 - 16MPa的百分比）	物理工程單位形式
高限	16 MPa	32000	100.0	n×16.0
低限	0 MPa	0 （0 - 20mA）	0.0	0.0
		6400 （4 - 20mA）

表3.3.1.反饋/給定設(shè)置 


n 為比例系數(shù)，為了精度高些可以設(shè)置n=10等等




2. 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。

	反饋（雙極性）		給定
	實(shí)際物理量	模擬量輸入數(shù)值	百分比形式（占-150°C - 1200.0°C的百分比）	物理工程單位形式
高限	1200.0 °C	12000	100.0	1200
低限	-150.0 °C	-1500	0.0	-150

表3.3.2.反饋/給定設(shè)置




在表3.3.2的例子中，給定和反饋可以按照如下方法設(shè)置


圖3.3.4. 給定范圍設(shè)置


圖3.3.5. 反饋范圍設(shè)置

3.4. PID調(diào)節(jié)控制面板使用

STEP 7-Micro/WIN V4.0中提供了一個PID調(diào)節(jié)控制面板，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)。另外從面板中還可以啟動、停止自整定功能，對于沒有“自整定PID”功能的老版CPU，也能實(shí)現(xiàn)PID手動調(diào)節(jié)。




 要使用PID調(diào)節(jié)控制面板，PID編程必須使用PID向?qū)瓿伞?


圖3.4.1. PID調(diào)節(jié)控制面板

在圖3.4.1中：

1. 過程值指示
   顯示過程變量的值及其棒圖
2. 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
3. 可顯示過程值、設(shè)定值及輸出值的PID趨勢圖
   
   圖3.4.2. 圖形顯示區(qū)

圖中：

1. 過程變量和設(shè)定值的取值范圍及刻度
2. PID輸出的取值范圍及刻度
3. 實(shí)際PC時間
4. 以不同顏色表示的設(shè)定值、過程變量及輸出的趨勢圖
4. 調(diào)節(jié)參數(shù)
   這里你可以： 
   
   1. 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)
   2. 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)
   3. 啟動PID自整定功能
   4. 選擇Advanced（高級）按鈕進(jìn)入高級參數(shù)設(shè)定 
      
5. 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
6. 時間選項(xiàng)設(shè)定
   這里你可以設(shè)定趨勢圖的時基，時基以分為單位
7. 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
8. 幫助按鈕
9. PID信息顯示窗口 
   
10. 關(guān)閉PID調(diào)節(jié)面板


常見問題

 使用PID調(diào)節(jié)面板手動調(diào)整增益、積分時間、微分時間參數(shù)，修改的數(shù)值能否進(jìn)入到PLC？

可以,但是需要在參數(shù)設(shè)置完以后手動點(diǎn)擊調(diào)節(jié)面板的Update PLC（更新PLC）按鈕，來更新PLC中的參數(shù)。




 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)。




做完P(guān)ID向?qū)Ш螅芊癫榭碢ID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。




PID向?qū)傻某绦驗(yàn)楹尾粓?zhí)行或沒有輸出？




• 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
• 確認(rèn)當(dāng)前工作狀態(tài)：手動還是自動




 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。

4PID調(diào)節(jié)

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(shí)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)控畫面等。

4.1. PID調(diào)節(jié)手/自動無擾動切換

有些工程項(xiàng)目中可能需要根據(jù)工藝要求在不同的時刻投入、或者退出 PID 自動控制；退出 PID 自動控制時，控制器的輸出部分可以由操作人員直接手動控制。這就是所謂的 PID 手動/自動切換。

• PID 控制處于自動方式時，PID 控制器（S7-200 中的 PID 調(diào)節(jié)功能）會按照 PID 算法，自動通過輸出的作用使過程反饋值跟隨給定值變化，并保持穩(wěn)定。這是一個自動的閉環(huán)控制系統(tǒng)。操作人員可以根據(jù)現(xiàn)場工藝的要求，改變給定（即設(shè)定值）的值。
• PID 控制處于手動方式時，PID 控制器不再起自動計算的作用。這時，控制回路的輸出是由操作人員手動控制、調(diào)整，由操作人員觀察現(xiàn)場的控制效果，從而構(gòu)成人工閉環(huán)控制。

有些控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)不能承受較大的沖擊，這就要求在進(jìn)行 PID 自動/手動切換時，保持控制輸出的穩(wěn)定。這就是要求無擾動切換。




為了達(dá)到 PID 自動/手動控制的無擾動切換，需要在編程時注意一些相關(guān)事項(xiàng)。下面分別就直接使用 PID 指令編程，和使用 PID 向?qū)Ь幊虄煞N情況作一介紹。




1.直接使用 PID 指令編程時的 PID 自動/手動無擾切換




直接使用 PID 指令塊編寫 PID 控制程序時，可以簡單地使用“調(diào)用/不調(diào)用”指令的方式控制自動/手動模式。因?yàn)?PID 指令本身已經(jīng)具有實(shí)現(xiàn)無擾動切換的能力，此時在 PID 指令控制環(huán)節(jié)之外編程沒有多大必要。




PID 指令的 EN 輸入端使能（為“1”）時，我們認(rèn)為是自動控制模式；EN 輸入端未使能（為“0”）時，我們認(rèn)為是手動控制模式。




PID 指令本身有一個“能流歷史狀態(tài)位”，以記錄指令的狀態(tài)切換。在 EN 端從“0”變?yōu)椤薄?”時，PID 指令認(rèn)為這是從“手動”模式向“自動”模式切換。PID 指令此時會自動執(zhí)行一系列動作，以配合無擾動切換：

• 使設(shè)定值（ SPn） = 當(dāng)前過程反饋?zhàn)兞浚≒Vn）
• 設(shè)置上次采樣過程變量（PVn-1） = 當(dāng)前過程反饋?zhàn)兞浚≒Vn）
• 設(shè)置積分偏差和（或所謂積分前項(xiàng)）（Mx） = 當(dāng)前輸出值（Mn）




使設(shè)定值等于當(dāng)前反饋值可以避免出現(xiàn)偏差，使之不存在調(diào)整的要求；當(dāng)然如果有工藝要求，也可以后續(xù)調(diào)整設(shè)定值。其他的動作都是為了使 PID 在后續(xù)的操作中不改變輸出的值。




在編程時要注意：

• 從自動模式向手動模式切換時，PID 指令的 EN 端不再有能流，計算停止，輸出值 Mn 不再變化。此時如果需要操作人員人工觀察控制的結(jié)果，手動控制輸出量，就可以通過用戶程序直接改變回路表中的輸出值存儲單元內(nèi)容（見數(shù)據(jù)塊或系統(tǒng)手冊的相關(guān)部分內(nèi)容）。如果有必要，操作人員的操作可能要進(jìn)行一些標(biāo)準(zhǔn)化換算。
• 為保證從手動模式向自動模式的切換無擾動，需要在手動控制時，或在切換過程中，禁止對 PID 回路表中設(shè)定值的更新，以便切換時 PID 指令用當(dāng)前過程反饋值替代設(shè)定值。切換完成后，操作人員可以調(diào)整設(shè)定值。




2.使用 PID 向?qū)Ь幊虝r的 PID 自動/手動無擾切換




使用 PID 指令向?qū)Ь幊虝r，指令向?qū)詣诱{(diào)用 PID 指令，并且編寫外圍的控制變量標(biāo)準(zhǔn)化換算、定時采樣等功能。用戶在使用 PID 指令向?qū)r，需要在用戶程序中用 SM0.0 調(diào)用指令向?qū)傻淖映绦颍ㄈ?PIDx_INIT 子程序）。PID 向?qū)Э梢陨蓭ё詣?手動切換功能的子程序，這個子程序使用一個數(shù)字量點(diǎn)為“1”、“0”的狀態(tài)來控制是否投入 PID 自動控制。




 到目前為止（STEP 7-Micro/WIN V4.0 SP5），使用 PID 向?qū)傻淖映绦驎r，由于用戶程序不能直接使用 PID 指令，它的無擾切換能力因?yàn)楦袅送鈿ぷ映绦?，所以受到了局限。如果對無擾切換要求比較嚴(yán)格，需要另外編一些程序加以處理。

考察如下 PID 控制子程序。


圖 4.1.1. PID 向?qū)傻闹噶?

圖中：

1. 過程反饋量
2. 設(shè)定值，實(shí)數(shù)
3. 自動/手動控制，“1”=自動，“0”=手動
4. 手動控制輸出值，0.0 - 1.0 之間的一個實(shí)數(shù)
5. PID 控制輸出值

要實(shí)現(xiàn)無擾動切換，必須：

• 在從自動向手動切換時，使手動輸出值（VD2004）等于當(dāng)前的實(shí)際控制輸出值；
• 在從手動向自動切換使，使設(shè)定值相當(dāng)于當(dāng)前的過程反饋值。

為此，可編寫類似下圖所示的程序，放在 PID 控制子程序之前：



4.1.2. 無擾切換處理程序

圖中：

1. 自動/手動切換控制點(diǎn)
2. 從自動向手動切換時，使手動輸出值等于實(shí)際當(dāng)前值
3. 從手動向自動切換時，把當(dāng)前反饋量換算為相應(yīng)的給定值



 上述程序中的 Scale_I_to_R 就是量程變換指令庫中的子程序。這是為了解決過程反饋與設(shè)定值之間的換算問題。用戶也可以自己編程換算，或者根據(jù)反饋與給定的取值范圍決定是否需要換算。




 此段程序適用于 STEP 7-Micro/WIN V4.0 SP5 及以前版本，僅供參考，如果在實(shí)際項(xiàng)目中使用，上述程序未必一定適用。用戶需要根據(jù)實(shí)際工藝決定自己的編程思路。




4.2. PID調(diào)節(jié)步驟簡介

建議PID參數(shù)調(diào)節(jié)步驟：




（1）前提條件：反饋信號是否穩(wěn)定，執(zhí)行機(jī)構(gòu)是否正常以及控制器的正反作用。（確保PID在自動模式下）




（2）積分時間設(shè)置為無窮大INF（或9999.9），此時積分作用近似為0；將微分時間設(shè)置為0.0，此時微分作用為0 。然后開始調(diào)節(jié)比例作用，逐步增大比例增益




（3）當(dāng)過程變量達(dá)到給定值且在給定值上下波動，將調(diào)好的比例系數(shù)調(diào)整到50%~80%后，由大到小減小積分時間，直到過程值與設(shè)定值相等或無限接近




PID調(diào)節(jié)有很多種方法，以上僅是建議步驟，也并未考慮微分作用，客戶依據(jù)實(shí)際情況靈活調(diào)節(jié)，同時可以參考反饋與給定的曲線圖




用戶經(jīng)常會遇到這樣的問題：嘗試了很多組PID參數(shù)，都無法滿足控制器的要求， 此時需要考慮PID的采樣時間是否適合當(dāng)前系統(tǒng)。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。采樣時間過短，兩次實(shí)測值的變化量太小，也不合適，而且增加PLC的運(yùn)算負(fù)擔(dān)；采樣間隔過長，將會引起有用信號的丟失，使系統(tǒng)品質(zhì)變差，不能滿足擾動變化比較快、或者速度響應(yīng)要求高的場合。除此以外，也有可能是系統(tǒng)自身的問題，無法調(diào)節(jié)到穩(wěn)定，例如， 不規(guī)律的干擾，或者反饋信號不穩(wěn)定。

4.3. 手動調(diào)節(jié)PID至穩(wěn)定

問題與解決方法：

1. PID輸出總是輸出很大的值，并在這一區(qū)間內(nèi)調(diào)節(jié)變化
 
圖 4.3.1

產(chǎn)生原因：

• 增益（Gain）值太高
• PID掃描時間（sample time）太長（對于快速響應(yīng)PID的回路）
  

解決方法：降低增益（Gain）值并且/或選擇短一些的掃描時間