PID控制设计方法1

1、9.3 PID控制设计方法一、 PID的控制原理和特点在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据

2、系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。比例（P）调节作用：是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。积分（I）调节作用：是使系统消除稳态误差，提高无差度。因为有误差，积分调节就进行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决与积分时间常数Ti，Ti越小，积分作用就越强。反之Ti大则积分作用弱，加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。积分作用常与另两种调节

3、规律结合，组成PI调节器或PID调节器。微分（D）调节作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。因此，可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下，可以减少超调，减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的加微分调节，对系统抗干扰不利。此外，微分反应的是变化率，而当输入没有变化时，微分作用输出为零。微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合，组成PD或PID控制器。模拟PID控制系统原理框图如下图9-56所示，系统由模拟PID控制器和受控对象组成。其输入e(t)与输出u

4、(t)的关系为因此它的传递函数为：二、PID控制器的参数整定对于一个采用数字PID控制的系统来说，其控制效果的好坏与数字控制器的参数紧密相关，正确选择数字PID的有关参数是提高控制效果的一项重要技术措施。确定控制器结构数字PID控制器控制参数的选择，可按连续时间PID参数整定方法进行。在选择数字PID参数之前，首先应该确定控制器结构。对允许有静差（或稳态误差）的系统，可以适当选择P或PD控制器，使稳态误差在允许的范围内。对必须消除稳态误差的系统，应选择包含积分控制的PI或PID控制器。一般来说，PI、PID和P控制器应用较多。对于有滞后的对象，往往都加入微分控制。选择参数控制器结构确定后，即可

5、以开始选择参数。参数的选择，要根据受控对象的具体特性和对控制系统的性能要求进行。工程上，一般要求整个闭环系统是稳定的，对给定量的变化能迅速响应并平滑跟踪，超调量小；在不同干扰作用下，能保证被控量在给定值；当环境参数发生变化时，整个系统能保持稳定，等等。这些要求，对控制系统自身性能来说，有些是矛盾的。我们必须满足主要的方面的要求，兼顾其他方面，适当地折中处理。采样周期的选择数字PID控制是建立在用计算机对连续PID控制进行数字模拟基础上的，它是一种准连续控制。显然，采样周期越小，数字模拟越精确，控制效果越接近连续控制。采样周期的选择应该考虑以下一些因素：给定值的变化频率、被控对象的特性、使用的算

6、式和执行机构的类型、控制的回路数。调节PID的参数PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。如何选择控制算法的参数，要根据具体过程的要求来考虑。一般来说，要求被控过程是稳定的，能迅速和准确地跟踪给定值的变化，超调量小，在不同干扰下系统输出应能保持在给定值，操作变量不宜过大，在系统与环境阐述发生变化时控制应保持稳定。显然，要同时满足上述各项要求是困难的，必须根据具体过程的要求，满足主要方面，并兼顾其它方面。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算

7、确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有扩充临界比例法、扩充响应曲线法和归一依参数整定法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是扩充临界比例法。利用该方法进行 PID控制器参数的整定步骤如下：1首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作，具体的说就是选择采样周期

8、为被控对象纯滞后时间的十分之一以下。 2曲调积分作用和微分作用，仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期。3在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。所谓控制度就是以模拟调节器为基准，将DDC的控制效果与模拟调节器的控制效果相比较。三、PID调节口诀1. PID常用口诀: 参数整定找最佳，从小到大顺序查，先是比例后积分，最后再把微分加，曲线振荡很频繁，比例度盘要放大，曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳，曲线偏离回复慢，积分时间往下降，曲线波动周期长，积分时间再加长，曲线振荡频率快，先把微分降下来，动差大来波动慢，微分时间应加长，理想曲

9、线两个波，前高后低4比1。 2. 一看二调多分析，调节质量不会低 PID控制器参数的工程整定,各种调节系统中P.I.D参数经验数据以下可参照：温度T: P=2060%,T=180600s,D=3180s压力P: P=3070%,T=24180s, 液位L: P=2080%,T=60300s, 流量L: P=40100%,T=660s。 a、比例控制（P）：比例控制是最常用的控制手段之一，比方说我们控制一个加热器的恒温100度，当开始加热时，离目标温度相差比较远，这时我们通常会加大加热，使温度快速上升，当温度超过100度时，我们则关闭输出，通常我们会使用这样一个函数e(t) = SP y(t)-

10、u(t) = e(t)*PSP设定值e(t)误差值y(t)反馈值u(t)输出值P比例系数滞后性不是很大的控制对象使用比例控制方式就可以满足控制要求，但很多被控对象中因为有滞后性。也就是如果设定温度是200度，当采用比例方式控制时，如果P选择比较大，则会出现当温度达到200度输出为0后，温度仍然会止不住的向上爬升，比方说升至230度，当温度超过200度太多后又开始回落，尽管这时输出开始出力加热，但温度仍然会向下跌落一定的温度才会止跌回升，比方说降至170度，最后整个系统会稳定在一定的范围内进行振荡。如果这个振荡的幅度是允许的比方说家用电器的控制，那则可以选用比例控制。b、比例积分控制（PI）：积

11、分的存在是针对比例控制要不就是有差值要不就是振荡的这种特点提出的改进，它常与比例一块进行控制，也就是PI控制。其公式有很多种，但大多差别不大，标准公式如下：u(t) = Kp*e(t) + Kie(t) +u0u(t)输出Kp比例放大系数Ki积分放大系数e(t)误差u0控制量基准值（基础偏差）大家可以看到积分项是一个历史误差的累积值，如果光用比例控制时，我们知道要不就是达不到设定值要不就是振荡，在使用了积分项后就可以解决达不到设定值的静态误差问题，比方说一个控制中使用了PI控制后，如果存在静态误差，输出始终达不到设定值，这时积分项的误差累积值会越来越大，这个累积值乘上Ki后会在输出的比重中越占

12、越多，使输出u(t)越来越大，最终达到消除静态误差的目的PI两个结合使用的情况下，我们的调整方式如下：1、先将I值设为0，将P值放至比较大，当出现稳定振荡时，我们再减小P值直到P值不振荡或者振荡很小为止（术语叫临界振荡状态），在有些情况下，我们还可以在些P值的基础上再加大一点。2、加大I值，直到输出达到设定值为止。3、等系统冷却后，再重上电，看看系统的超调是否过大，加热速度是否太慢。通过上面的这个调试过程，我们可以看到P值主要可以用来调整系统的响应速度，但太大会增大超调量和稳定时间；而I值主要用来减小静态误差。因为PI系统中的I的存在会使整个控制系统的响应速度受到影响，为了解决这个问题，我们在

13、控制中增加了D微分项，微分项主要用来解决系统的响应速度问题，其完整的公式如下：u(t) = Kp*e(t) + Kie(t) + Kde(t) e(t-1)+u0在PID的调试过程中，我们应注意以下步骤：1、 关闭I和D，也就是设为0.加大P，使其产生振荡；2、 减小P，找到临界振荡点；3、 加大I，使其达到目标值；4、重新上电看超调、振荡和稳定时间是否吻合要求；5、 针对超调和振荡的情况适当的增加一些微分项；6、 注意所有调试均应在最大争载的情况下调试，这样才能保证调试完的结果可以在全工作范围内均有效。四、西门子PLC1 S7-200 PID指令格式 其梯形图格式为（图9-57）这里，TBL

14、为PID控制参数存储区的开始字节地址，这参数区共36个字节，存9个参数，包括过程值、设定值、输出值、增益、采样时间、积分时间、微分时间以及积分前项和过程前值，LOOP为PID回路编号，可在07间取值，在一个程序不能用相同编号，这意味着在一个S7-200的程序中，PID指令最多只能用8次，但此指令也可在子程序、中断程序中执行；EN、ENO为西门子PLC指令调用输入、输出机制。输入端EN逻辑条件ON，则执行本指令，OFF不执行；本指令正确执行，则输出ENO ON，否则OFF。指令中TBL是回路表的起始地址，LOOP是回路编号。编译时如果指令指定的回路表起始地址或回路号超出范围，CPU将生成编译错误

15、(范围错误)，引起编译失败。PID指令对回路表中的某些输入值不进行范围检查，应保证过程变量、给定值等不超限。回路表见表8-l。过程变量与给定值址PID运算的输入值，在回路表中它们只能被PID指令读取而不能改写。每次完成PID运算后，都要更新回路表内的输出值Mn，它被限制在0.01.0。 如果PID指令中的算术运算发生错误，特殊存储器位SM1.1(溢出或非法数值)被置1，并将终止 PID指令的执行。要想消除这种错误，在F一次执行PID运算之前，应改变引起运算错误的输入值，而不是更新输出值。 西门子给出的PID计算公式为 Mn=MPn+MIn+MDn 输出；比例项+积分项+微分项式中 Mn-第n采

16、样时刻的计算值；MPn-第n采样时刻的比例项值； MIn-第n采样时刻的积分项值； MDn-第n采样时刻的微分项值。 而 MPn=Kc(SPn一PVn)式中Kc-增益； SPn-第n采样时刻的设定值； PVn-第n采样时刻的过程值。而 MIn= Kc TsTI (SPn一PVn)+MX式中Kc-增益； Ts-采样时间间隔； TI -积分时问； SPn -第n采样时捌的给定值； PVn-第n采样时刻的过程值； MX-第n一1采样时刻的积分前值，也称积分或偏置。 积分和MX是所有积分前值之和。在每次计算出MIn之后，都要用MIn去更新MX。其中MIn可以被调整或限定。MX的初值通常在第一次计算输出

17、以前被设置为Minitial。(初值)。积分项还包括其它几个常数；增益Kc，采样时间间隔Ts和积分时间TI，其中采样时间是重新计算输出的时间间隔，而积分时间控制积分项在整个输出结果中影响的大小。 MDn=Kc TDTs (SPn一PVn)一(SPn-1PVn-1) 为了避免给定值变化的微分作用而引起的跳变，假定给定值不变(SPn=SPn-1)，这样，可以用过程值的变化替代偏差的变化，计算算式可改进为： MDn =Kc TDTs (PVn-1 PVn)式中 Kc-回路增益； Ts-回路采样时间； TD-微分时问 SPn- 第n采样时刻的给定值； SPn-1-第n一1采样时刻的给定值； PVn-第

18、n采样时刻的过程变量值； PVn-1-第n一 1采样时刻的过程变置值。 为了下一次计算微分项值，必须保存过程值，而不是偏差。在第一采样时刻。初始化为： PVn-1= PVn2 S7-200 PID指令要点 使用PID指令要注意如下几个要点： (1)回路控制类型的选择在许多控制系统中，只需要一种或两种回路控制类型。例如只需要比例回路或者比例积分回路。通过设置常量参数，可先选中想要的回路控制类型。 如果不想要积分回路，可以把积分时间设为无穷大。即使没有积分作用，积分项还是不为零，因为有初值MX。 如果不想要微分回路，可以把微分时问置为零。 如果不想要比例回路，但需要积分或积分微分回路，可以把增益设

19、为0.0，系统会在计算积分项和微分项时，把增益当作1. 0看待。 (2)采样时间间隔 为了让PID运算以预想的采样频率工作。PID指令必须用在定时发生的中断程序中或者用在主程序中被定时器所控制以一定频率执行。采样时间必须通过回路表输入到PID运算中。 (3)回路输入的转换和标准化 每个PID同路有两个输入星，设定值(SP)和过程值(PV)。设定值通常是一个固定的值，比如是设定的汽车速度。过程值是与PID回路输出有关，可以衡量输出对控制系统作用的大小。在汽车速度控制系统中，过程值可以是测速仪的输入(衡量车轮转速高低)。 设定值和过程值都可能是现实世界的值，它们的大小、范围和工程单位都可能不一样。

20、PID指令在对这些量进行运算以前，必须把它们转换成标准的浮点型实数。 转换的第一步是把16位整数值转成浮点型实数值。下面的指令序列提供了实现这种转换的方法。 XORD AC0，AC0 清空累加器 M0VW AIW0，AC0 把待变换的模拟量存入累加器 LDW= AC0，0 如果模拟量为正 JMP 0 则直接转成实数 NOT 否则 ORD 16#FFFF0000，AC0 先对AC0中值进行符号扩展 LBL 0 DTR AC0，AC0 把32位整数转成实数 转换的下一步是把实数值进一步标准化为0.01.0之间的实数，下面的算式可以用来标准化给定值或过程变量； Rnorm=(RRawSpan)+Of

21、fset式中Rnorm-标准化的实数值； RRaw-没有标准化的实数值或原值； Offset-单极性0.0，双极性为0.5； Span-值域大小，可能最大值减去可能最小使，单极性为32000(典型值)；双极性为 64000(典型值)。 下面的指令把双极性实数标准化为0.01.0之间的实数。通常用在第一步转换之后： R 64000.0，AC0 累加器中的标准化值 +R 0. 5，AC0 加上偏置，使其落在0.0l.0之间 MOVR AC0，VDl00 标准化的值存人回路表 (4)回路输出值转换成刻度整数值 同路输出值般是控制变量，比如，在汽车速度控制中，可以是油阀开度的设置。同时，输出是0.0l

22、 .0之间标准化了的实数值，在回路输出驱动模拟输出之前，必须把回路输出转换成相应的16位整数。这一过程，是给定值或过程变量的标准化转换的反过程。该过程的第一步把回路输出转换成相应的实数值，公式如下： Rscal=(Mn一Offset)Span 式中 Rscal-回路输出的刻度实数值； Mn-回路输出的标准化实数值； Offset-单极性为0.0，双极性为0.5； Span-值域大小，可能最大值减去可能最小值，单极性为32000(典型值)；双极性为 64000(典型值)。 这一过程可以用下面的指令序列完成： MOVR VDl08 ，AC0 把回路输出值移人累加器 R 0.5，AC0 仅双极性有此

23、句 *R 64000.0，AC0 在累加器中得到刻度值 下一步是把回路输出的刻度转换成16位整数，可通过下面的指令序列来完成： ROUND AC0，AC0 把实数转换为32位整数 MOVW AC0，AQW0 把16位整数写人模拟输出寄存器 (5)正作用或反作用回路如果增益为正，那么该回路为正作用回路。如果增益为负，那么是反作用回路。对于增益为零的积分或微分控制来说，如果指定积分时间、微分时间为正，就是正作用回路；指定为负值，则是反作用回路。 (6)变量范围控制过程变量和给定值是PID运算的输入值，因此在同路表中，这些值只能被回路指令读而不能改写。 输出变量是由PID运算产生的，所以在每一次PI

24、D运算完成之后，需更新回路表中的输出值，输出值被限定在0.01.0之间。当PID指令从手动方式转变到自动方式时，同路表中的输出值可以用来初始化输出值。 如果使用积分控制，积分项前值要根据PID运算结果更新。这个更新了的值用作下一次PID运算的输入，当输出值超过范围(大于1.0或小于0.0)，那么积分项前值必须根据下列公式进行调整： MX=1.0 (MPn+MDn) 当计算输出Mn1.0或 MX=(MPn+MDn) 当计算输出Mn0.0式中MX-经过调整了的积分和(积分项前值)； MPn-第n采样时刻的比例项值； MDn-第n采样时刻的微分项值； Mn-第n采样时刻的输出值。 这样调整积分前值，

25、一旦输出回到范围后，可以提高系统的响应性能。而且积分项前值也要限制在0.01.0之间，然后在每次PID运算结束之后，把积分项前值写入回路表，以备在下次PID运算中使用。 用户可以在执行PID指令以前修改回路表中积分项前值。在实际运用中，这样做的目的是找到由于积分项前值引起的问题。手工调整积分项前值时，必须小心谨慎，还应保证写入的值在0.01.0之间。 回路表中的给定值与过程变量的差值e是用于PID运算中的差分运算，用户最好不要去修改此值。 (7)自动、手动切换S7-200的PID回路没有设置控制方式，只要PID块有效，就可以执行PID运算。在这种意义上说，PID运算存在一种“自动”运行方式，当

26、PID运算不被执行时，称之为“手动”方式。 从手动方式无扰动地切换到自动方式，为了达到无扰动切换，在转变到自动控制前，必须用手动方式把当前输出值填人回路表中的Mn栏。(8)使用PID向导STEP7-MicroWIN 32提供PID向导，为模拟量控制程序定义PTD算法子程序。选择菜单命令工具的指令向导，并从指令向导窗口选择PID，即可一步步按提示操作。具体操作步骤是 1)指定回路编号：只能在07间选择，且不能重复。 2)设定回路参数：指定表的首地址、回路参数及输入设定值地址。参数有采样时间、增益、积分时间、微分时问。 3)设定回路输入、输出：指定输入和输出地址、极性(单向还是双向)及高、低限。

27、单极(可编辑默认范围032000) 双极(可编辑默认范围 -32000+32000) 4)设定报警：指定回路警报选项，有过程值(PV)低报警、过程值(PV)高报警及模拟输入模块出错报警，以及这些报警的输出位。同时，要指明该输入模块安放在PLC的位置。 5)为计算指定内存区：使用PID指令，除了要用V内存中的一个36个字节的参数表，还要求一个“暂存区”，用于存储临时计算结果。在此需指定该计算区开始的V内存字节地址。还可以选择增加PID的手动控制。如选用也可手动控制，则还要指定使用的控制输入点。 6)指定初始化子程序和中断例行程序名称。以上选项全部作完，回答完成，即开始生成代码。当生成代码完成，将

28、在子程序中增加所名命的初始化子程序项及中断子程序项。要使用它，在主程序中调用此初始化子程序就可以了。4 PID指令编程举例 某一水箱坐的水以变化的速度流出，一台变频器驱动的水泵给水箱供水，以保证水箱水位维持在满水位的75。过程变量由浮在水面上的水位测量仪提供，PID控制器的输出置作为变频器的速度给定值。过程变量与回路输出均为单极性模拟量，取值范围为0.01.0。本例采用PI控制器，给定值为0.75，选取控制器参数的初值为Kc=0.25，Ts=0.1sTi=30min。控制程序如下：主程序(OB1)LD SM0.1 前次扫描时CALL 0 调片初始化子程序子程序0LD SM0.0 MOVR 0.

29、75 VDl04 装入给定值75 MOVR 0.25 VD112 装入回路增益0.25 MOVR 0.10 VDll6 装人采样时间0.1 s MOVR 30.0 VDl20 装入积分时间30min MOVR 0.0 VDl24 关闭微分作用 MOVB 100 ，SMB34 设置定时中断0的时间间隔为100ms ATCH 0，10 设置定时中断以执行PID指令 ENI 允计中断，子程序0结束 中断程序0 LD SM0.0 LTD AIW0， AC0 单极性模拟量经AD转换后存入累加器 DTR AC0 ，AC0 32位整数转换为实数 R 32000.0， AC0 标准化累加器中的实数 MOVR

30、AC0，VD100 存入回路表 LD I0.0 在自动方式下，执行PID指令 PID VB100.0 回路表的起始地址为VB100，回路号为0 LD SM0.0 MOVR VD108，AC0 PID控制器的输出值送入累加器 *R 32000.0 ，AC0 将累加器中的数标准化 ROUND AC0，AC0 实数转换为32位整数DTI AC0， AOW0 将16位整数写入模拟量输出(DA)寄存器 由于PID具有诸多优点，所以它在工业控制中得到了极为广泛的应用。现在，大多数PLC都有专门用于控制的指令。PLC实现PID控制的方法有多种，直接应用PID指令来实现基于PLC的PID控制器，是一种易于实现

31、且经济实用的方法。 本例针对PLC闭环控制系统中PID控制器的实现，介绍了PID数字控制器的原理、实现方法和编程实现。需要指出的是，PID控制算法具有很强的灵活性，根据被控对象特点的不同，可以使用PI控制、PD控制、PID控制等多种方式，从而达到更好的控制效果，在PLC PID数字控制器的程序设计中，也应充分考虑到这一点，保持PID控制算法的灵活性。 随着智能控制技术的发展，PID控制与模糊控制、神经网络控制等现代控制方法相结合，可以实现PID控制器的参数自整定，使PID控制器具有经久不衰的生命力。3 S7-200 PID指令使用 1使用要点 如同使用向导所介绍的那样，使用PID指令关键有4点

32、： (1)参数设定要指定回路编号(LOOP)及参数表(TBL)首地址。并设定好采样时间、增益、积分时间、微分时间。 (2)预处理 编写程序把模拟量输入转换为PID计算对应格式(处于0.1之间的实数)的过程值(PV)及设定值转换为PID计算对应格式(处于01之间的实数)的设定值(SV)。并专送到参数表的相应地址中，为PID运算做好前处理。 (3)指令调用 为PID指令执行指定输入条件，调用PID指令。最好编写定时中断程序，在中断程序中调用PID指令。 (4)后处理 编写程序把PID计算的控制输出Mn，处于01之间的实数)转换为对应格#(十六进制宇，并选择好有效位)，并传送到指定的模拟量输出模块的

33、相应地址中，为PID运行结果执行提供条件。 2使用实例 以下用一个实例，进行PID指令使用说明。 图9-58a为主程序，当程序运行第一扫描周期，它调用子程序SBR-0，即初始化程序。图9-58b为SBR-0子程序，用以定时PID参数表设定及中断初始化。图9-58c为中断子程序。执行PID指令的前处理、调用及后处理程序全在其中。该图加有注解，可对照阅读。PID指令向导的应用 PID指令(见图8 7)中的TBL是回路表的起始地址，LOOP是回路的编号(07)。不同的PID指令不能使用相同的回路编号。 s7-200的PID指令没有设置控制方式，执行PID指令时为自动方式；不执行PID指令时为手动方式

34、。 s7-200的PID指令与回路表配合使用，新版CPU的回路表(见表8-1)有23个变量。编写PID控制程序时首先要把过程变量(pv)转换为0.001.00的标准化实数。PID运算结束后，需要将回路输出(0.001.00的标准化实数)转换为可以送给模拟量输出模块的整数。为了让PID指令以稳定的采样周期工作，应在定时中断程序中使用PID指令。综上所述，如果直接使用PID指令，编程的工作量和难度都较大。 为了喊小编写PID控制程序的难度，s7-200的编程软件设置了PID指令向导。单击编程软件指令树中的“向导PID”图标，或者执行菜单命令“工具”“指令向导”，在出现的对话框中选择“PID”，单击

35、“下一步”按钮。然后存依次出现的对活框中设置以下内容。 1)PID同路的编号(07)。 2)PID回路给定位的范围(默认范围为0.0100.0，可修改)。 3)比例增益、采样时间(s)、积分时间(min)和微分时间(min)。如果设置微分时间为0，则为PI控制器。如果不需要积分作用，可将积分时间设为无穷大(“INF”)。因为有积分的初值MX，即使没有积分运算，积分项的数值也可能不为零。 4)回路输入量(反馈值pv)的极性与范围：根据变送器的量程范围，可以选择单极性(默认范围为032 000，可修改)、双极性(默认范围-32 000，+32 000，可修改)或20偏移量(默认范围为6 40032

36、 000，不可修改)。后者适用于输出为420mA的变送器。应为s7-200的模拟量输入模块只有020mA的量程。 5)回路输出量的类型：如果选择模拟量输出，需要设置输出量的极性和范围，设置的方法与设置回路输入量相同。如果选择数字量输出，需要设置以秒为单位的“占空比周期”。 6)确定是否启用过程变量(pv)低限报警、高限报警功能，是否启用模拟量输入模块错误报警功能。如果启用，需要设置相应的参数 7)PID指令的参数表占用的V存储区起始地址。 完成了向导中的设置工作后，将会自动生成笫x号回路的初始化子程序PIDx-INIT(x=07)、中断程序PID-EXE、符号表PIDx-SYM和数据块PIDx

37、-DATA。应在主程序中用SM0. 0调用PIDx-INIT(见图8-8)，初始化PID控制中使用的变量，启动PID 中断程序。以后CPU根据在向导中设置的PID采样时间，周期件地调用中断程序PID-EXE，在PID-EXE中执行PID运算。 PIDx-INIT指令中的PV-I是模拟量输入模块提供的反馈值的地址，Set point-R是以百分比为单位的实数给定值(sp)，假设AIW0对应的是0400C的温度值，如果在向导中设置给定范围为0.0200.0(400对应于200.0)，则给定值80.0()相当于160C。 BOOL变量Auto-Manual为1时，该回路为自动模式(PID闭环控制)，

38、反之为手动模式。Manual Output是手动模式时标准化的实数输入值(0.001.00)。 Output是PID控制器的INT型输出值的地址，High Alarm和Low Alarm分别是pv超过上限和下限的报警信号输出，ModuleErr是模拟量模块的故障输出信号。 PIDx-INIT中的输入、输出参数的个数与向导中的选项设置有关。例如没有选择上限报警，则没有输出变量High Alarm。8 1 5 PID参数的整定方法 PID控制器有4个主要的参数Ts、Kc、Ti和TD需要整定，如果使用PI控制器，也有3个主要的参数Ts、Kc、Ti。需要整定。参数如果整定得不好，系统的动态、静态性能达

39、不到要求，甚至会使系统不能稳定运行。PID的参数与系统动态、静态性能之间的关系是参数整定的基础。8 2 3 PID调节控制面板 s7-200的V4.0版编程软件STEP7-Micre/WIN中的PID调节控制面板用图形方式监视PID回路。该面板还用来启动或停止自整定过程，设置自整定的参数，并将推荐的整定值或用户设置的整定值应用到实际控制中。图8-10给出了在自整定过程中PID控制器的给定值SP、输出MV和过程变量PV的变化情况。 使用控制面板时，首先应将至少有一个PID回路的用户程序下载到CPU。为了显示PID回路的操作，STEP7-MictoWIN应与s7-200建立起通信连接，PLC必须处

40、于运行(RUN)模式。执行菜单命令“工具”“PID调节控制面板”，打开控制面板后，可以观察到过程变量PV、控制器输出MV和设定值SP的变化曲线和当前的数值。 控制面板屏幕左上角显示连接的PLC的站地址(远程地址)，右上角显示PLC的型号和版本号。远程地址下面是过程变量的条形图，条形图下面是过程变量的实际值和用百分数表示的相对值。 条形图右侧的“当前值”区显示了设定值、采样时间、增益、积分时间、微分时间的数值。控制器的输出值用带数字值的水平条形图来表示。 “当前值”区右边的图形显示区用不同的颜色显示过程变量PV、给定值SP和PID输出量MV相对于时间的曲线。左侧纵轴的刻度是用百分数表示的各变量的

41、相对值，右侧纵轴的刻度是PID输出和过程变量的实际值。 屏幕的左下方是“调节参数”区，在这一区域显示和修改增益、积分时间和微分时间。用单选框选择显示参数当前值、建议值或手动值三者之一。如果要修改整定参数，应选择“手动”。 单击“更新PLC”按钮，将显示的增益、积分时间和微分时间传送入PLC被监视的PID回路中。可以用“开始自动调节”按钮来启动自整定序列。 图形显示下方的“当前PID”下拉列表框用下拉式菜单选择希望在控制面板中监视的PID回路，在“采样率”区，可以选择图形显示的采样时间间隔(1480 s)，用“设置时标”按钮来使修改后的采样速率生效。可以用“恢复”按钮冻结和恢复曲线图的显示。在图

42、形区单击鼠标右键，然后执行“clear”(清除)命令，可以清除图形。 图形区的右下侧是图例，标出了过程量、给定值和输出值曲线的颜色。 单击“调节参数”区内的“高级”按钮，在弹出的对话框中可以选择是否自动计算滞后值和偏移值(见图8-11)。为了尽量减少自整定过程对控制系统的干扰，用户也可以自己设置滞后值和偏移值。在“其他选项”区可以指定起始输出步长和看门狗时间。 PID参数的推荐值与用“动态响应选项”区中的单选框选择的响应速度有关(见图8-11)。“快速”响应可能产生超调，对应于欠阻尼整定状态；“中速”响应可能处于超调的边沿，对应于临界阻尼整定状态；“慢速”响应和“很慢”响应可能没有超调，分别对

43、应于过阻尼和严重过阻尼整定状态。 设置好参数后，单击“确定”按钮，返回图8-10中的PID调爷控制面板的主窗口。 在完成自整定序列且已将建议的整定参数传输至PLC后，可以用控制面板来监视回路对阶跃变化的给定值的响应。8 2 4 PID参数自整定实例 为了观察自整定的效果，将自整定用于一个微型温度控制系统，温度变送器将060的温度转换为DC 010V的电压，CPU224的模拟量输入通道A(AIW0)将它转换为032 000的数字量。加热用的电阻丝用Q0.0输出的DC 24V PWM脉冲来控制。 1第一次实验 单击编程软件指令树中的“向导PID”图标，在出现的对话框中，设置PID回路0的设定值范围

44、为0. 0100.0，增益为l .0，采样周期为l .0 s，积分时间为l 0min，微分时间为0 5min。设置PID控制器的输入、输出量均为单极性，变化范围均为032 000，回路不使用报警功能，占用VB0VB119。完成了向导中的设置工作后，将会自动生成子程序PID0_INIT和中断程序PID- EXE。在编程时，将指令树的“指令调用子程序”文件夹中的PID0_INIT图标“拖放”到主程序的梯形图编辑区中(见图8-12)，设置PID0-INIT的输入过程变量PV_I的地址为AIW0，实数没定值SetPotm-R(即波形图8-13中的SP)为80 .0，PID控制器的输出变量OutPut(

45、即波形图中的MV)的地址为VW200。 主程序中使用的V区地址不能与同路0占用的VB0V119冲突。每个扫描周期都应执行PID0_INIT，因此，用一直闭合的SM0. 0的常开触点来控制它的使能输入端(EN)。 双击指令树中的“向导PTOPWM”图标，在出现的向导对话框中，设置Q0. 0输出的PWM脉冲以s为单位，设置完成后将会生成子程序PWM0-RUN。在主程序中，它的EN输入端和RUN输入端均用SM0. 0的常开触点控制(见图8-12)。设置PWM脉冲的周期Cycle为32 000s，用VW200中的PID的输出值作为PWM脉冲的宽度，VW200为032000时，对应的PWM的脉冲占空比为

46、01。 将程序块和数据块下载到CPU后，将CPU切换到RUN模式，执行菜单命令“工具”“PID调节控制面板”，用PID调节控制面板监视PID同路的运行情况，回路的阶跃响应曲线如图8-13所示。可以看出过渡过程过于缓慢，需要对回路参数进行自整定。 在PID调制空制面板中单击“高级”按钮，在打开的对话框中使用系统预置的参数(见图8-11)。滞后值和偏差值分别为0. 02和0. 08，动态响应的类型为快速。 单击图8-l0中的“开始自动调节”按钮，启动自整定过程。自整定过程的曲线如图8-14所示，回路的设定值SP为纵坐标80.00处的水平线，PV是过程变量(温度值)，MY是控制器的输出值。自整定过程

47、是从稳态开始的，在自整定过程中，当误差超出滞后区范围时，自动切换MV的方向，因此MV的波形近似为方波。自整定结束后，图8-10中的“调节参数”区给出了推荐的控制器参数(见表8-5中的参数)。单击左下方的“更新PLC”按钮，将推荐的参数写入CPU。 图8-14是使用自整定推荐的参数得到给定值从50跳变到80的阶跃响应曲线，可以看出，与图8-13中的PV曲线相比，过程变量的快速性有了很大的改善，超调量也很小，动态响应曲线非常理想。 2第二次实验 为检查自整定功能对不同初始参数的适应性，将前述的初始参数中的增益值由1. 0改为10.0，微分时间由0.5min减至0.01min，表8-5给出了两次试验

48、的初始参数和推荐参数。图8-15是第二次实验中自整定之前的曲线，虽然在响应初期系统的快速性比图8-14中的好很多，但是在接近稳态值时过程变量的变化相当缓慢。 由表8-5可知，两次实验的初始参数虽然相差较远，自整定得到的推荐参数却相差很小。自整定过程的曲线和使用推荐参数得到的阶跃响应曲线与第一次实验的基本上相同。由此可见，即使初始参数在较大范围变化，自整定都能给出接近最优的推荐参数。 一旦有了一组较好的参数，可以用控制面板来微调有关的参数，并监视回路对给定值变化的响应，以获得最优的响应。8 2 5水储罐保持恒定水压的PID控制实例 水储罐用于保持恒定水压。水以变化的速率不断地从水储罐取出。变速泵

49、用于以保持充足水压的速率添加水到水储罐，并且也防止水储罐空。此系统的设定值等于水储罐达到充满75水位的设置。过程变量由浮点型测量器提供，它提供水储罐充满程度的相同读数，可以从0(或空)到100(或全部满)变化。输出是泵速的数值，允许泵从最大速度的0到100运行。 该实例水箱水位控制的梯形图和语句表程序如图8-16所示。 本系统的设定值为75时的水位，是预先确定的，直接输入循环表。进程变量作为来自浮点型测量器的单极、模拟数值提供。环路输出写入用于控制泵速的单极、模拟输出。模拟输入和模拟输出的span(扩展)都是32 000。只有比例和积分控制可应用于此例。循环增益和时间常量从工程计算中确定，可以根据