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PID自整定

新的S7-200 SMART CPU支持PID自整定功能，在STEP 7-Micro/WIN SMART中也添加了PID調(diào)節(jié)控制面板。

用戶可以使用用戶程序或PID調(diào)節(jié)控制面板來啟動自整定功能。在同一時(shí)間最多可以有8個(gè)PID回路同時(shí)進(jìn)行自整定。PID調(diào)節(jié)控制面板也可以用來手動調(diào)試?yán)习姹镜模ú恢С諴ID自整定）CPU的PID控制回路。

用戶可以根據(jù)工藝要求為調(diào)節(jié)回路選擇快速響應(yīng)、中速響應(yīng)、慢速響應(yīng)或極慢速響應(yīng)。PID自整定會根據(jù)響應(yīng)類型而計(jì)算出最優(yōu)化的比例、積分、微分值，并可應(yīng)用到控制中。

PID調(diào)節(jié)控制面板

STEP 7-Micro/WIN SMART中提供了一個(gè)PID控制面板，可以用圖形方式監(jiān)視PID回路的運(yùn)行，另外從面板中還可以啟動、停止自整定功能。

圖1. PID調(diào)節(jié)控制面板

在圖1中：

1. 當(dāng)前設(shè)定值指示
   顯示當(dāng)前使用的設(shè)定值
   
2. 過程值指示
   顯示過程變量的值
   
3. 當(dāng)前的輸出值指示
   顯示當(dāng)前的輸出值


4. 可顯示過程值、設(shè)定值及輸出值的PID趨勢圖
   
   圖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(shí)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
   
5. 調(diào)節(jié)參數(shù)
   這里你可以：
   
   • 選擇PID參數(shù)的顯示：當(dāng)前參數(shù)、推薦參數(shù)或手動輸入值
   • 在手動調(diào)節(jié)模式下，可改變PID參數(shù)，并按更新PLC按鈕來更新PLC中的參數(shù)
   • 啟動PID自整定功能
   • 選擇高級選項(xiàng)按鈕進(jìn)入高級參數(shù)設(shè)定
     
6. 當(dāng)前采樣時(shí)間
   指示當(dāng)前使用的采樣時(shí)間
   
7. 時(shí)間選項(xiàng)設(shè)定
   這里你可以設(shè)定趨勢圖的時(shí)基，時(shí)基以秒為單位
   
8. 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
   
9. 關(guān)閉PID調(diào)節(jié)面板
   

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

PID自整定先決條件

啟動自整定先決條件：

• 要進(jìn)行自整定的回路必須處于自動模式

在開始PID自整定調(diào)整前，整個(gè)PID控制回路必須工作在相對穩(wěn)定的狀態(tài)（穩(wěn)定的PID是指過程變量接近設(shè)定值，輸出不會不規(guī)則的變化，且回路的輸出值在控制范圍中心附近變化。）

理想狀態(tài)下，自整定啟動時(shí)，回路輸出值應(yīng)該在控制范圍中心附近。 自整定過程在回路的輸出中加入一些小的階躍變化，使得控制過程產(chǎn)生振蕩。 如果回路輸出接近其控制范圍的任一限值，自整定過程引入的階躍變化可能導(dǎo)致輸出值超出最小或最大范圍限值。 如果發(fā)生這種情況，可能會生成自整定錯誤條件，當(dāng)然也會使推薦值并非最優(yōu)化。

PID自整定步驟

第一步：在PID向?qū)е型瓿蒔ID功能配置

 要想使用PID自整定功能，PID編程必須用PID向?qū)硗瓿?

第二步：打開PID調(diào)節(jié)控制面板，設(shè)置PID回路調(diào)節(jié)參數(shù)
在Micro/WIN SMART在線的情況下，從主菜單工具中點(diǎn)擊進(jìn)入PID調(diào)節(jié)控制面板中。

在PID調(diào)節(jié)面板的h.區(qū)查看已選擇的PID回路號，在e.區(qū)啟動手動調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)PID參數(shù)并點(diǎn)擊更新，使新參數(shù)值起作用，監(jiān)視其趨勢圖，根據(jù)調(diào)節(jié)狀況改變PID參數(shù)直至調(diào)節(jié)穩(wěn)定。

 為了使PID自整定順利進(jìn)行，應(yīng)當(dāng)做到：

• 使PID調(diào)節(jié)器基本穩(wěn)定，輸出、反饋?zhàn)兓骄彛⑶沂狗答伇容^接近給定
• 設(shè)置合適的給定值，使PID調(diào)節(jié)器的輸出遠(yuǎn)離趨勢圖的上、下坐標(biāo)軸，以免PID自整定開始后輸出值的變化范圍受限制

 參見：手動調(diào)整PID回路參數(shù)

第三步：在e.區(qū)點(diǎn)擊高級選項(xiàng)按鈕，設(shè)定PID自整定選項(xiàng)。如果不是很特殊的系統(tǒng)，也可以不加理會。

圖3. 設(shè)置PID自整定高級選項(xiàng)

在此允許你設(shè)定下列參數(shù)：

1. 你可以選中復(fù)選框，讓自整定來自動計(jì)算滯后值和偏值
    對于一般的PID系統(tǒng)，建議使用自動選擇。
   
2. 滯后：
   滯后值規(guī)定了允許過程值偏離設(shè)定值的最大（正負(fù)）范圍，過程反饋在這個(gè)范圍內(nèi)的變化不會引起PID自整定調(diào)節(jié)器改變輸出，或者使PID自整定調(diào)節(jié)器“認(rèn)為”這個(gè)范圍內(nèi)的變化是由于自己改變輸出進(jìn)行自整定調(diào)節(jié)而引起的。PID自整定開始后，只有過程反饋值超出了該區(qū)域，PID自整定調(diào)節(jié)器才會認(rèn)為它對輸出的改變發(fā)生了效果。這個(gè)值用來減少過程變量的噪聲對自整定的干擾，從而更精確地計(jì)算出過程系統(tǒng)的自然振動頻率。如果選用自動計(jì)算，則缺省值為2％。
   如果過程變量反饋干擾信號較強(qiáng)（噪聲大）自然變化范圍就大，可能需要人為設(shè)置一個(gè)較大的值。但這個(gè)值的改變要與下面的偏差值保持1:4的關(guān)系。
   
3. 偏差：
   偏差值決定了允許過程變量偏離設(shè)定值的峰峰值。如果選擇自動計(jì)算該值，它將是死區(qū)的4倍，即8％。
   有些非常敏感的系統(tǒng)不允許過程量偏離給定值很多，也可以人工設(shè)置為比較小的值，但是要和上述“死區(qū)”設(shè)置保持比例關(guān)系。這就是說，一個(gè)精度要求高的系統(tǒng)，其反饋信號必須足夠穩(wěn)定。
   
4. 初始輸出步：PID調(diào)節(jié)的初始輸出值
   PID自整定開始后，PID自整定調(diào)節(jié)器將主動改變PID的輸出值，以觀察整個(gè)系統(tǒng)的反應(yīng)。初始步長值就是輸出的變動第一步變化值，以占實(shí)際輸出量程的百分比表示。
   
5. 看門狗時(shí)間：過程變量必須在此時(shí)間（時(shí)基為秒）內(nèi)達(dá)到或穿越給定值，否則會產(chǎn)生看門狗超時(shí)錯誤。
   PID自整定調(diào)節(jié)器在改變輸出后，如果超過此時(shí)間還未觀察到過程反饋（從下至上或從上至下）穿越給定曲線，則超時(shí)。如果能夠事先確定實(shí)際系統(tǒng)響應(yīng)非常慢，可以加長這個(gè)時(shí)間。
   
6. 動態(tài)響應(yīng)選項(xiàng)：根據(jù)回路過程（工藝）的要求可選擇不同的響應(yīng)類型：快、中、慢、非常慢
   
   • 快：可能產(chǎn)生超調(diào)，屬于欠阻尼響應(yīng)
   • 中：在產(chǎn)生超調(diào)的邊緣，屬于臨界阻尼響應(yīng)
   • 慢：不會產(chǎn)生任何超調(diào)，屬于過阻尼響應(yīng)
   • 非常慢：不會產(chǎn)生任何超調(diào)，屬于嚴(yán)重過阻尼響應(yīng)
      用戶在這里指定需要達(dá)到的系統(tǒng)控制效果，而不是對系統(tǒng)本身響應(yīng)快慢的判斷。
     
7. 設(shè)定完參數(shù)點(diǎn)擊OK鍵回到PID調(diào)節(jié)控制面板的主畫面

第四步：在手動將PID調(diào)節(jié)到穩(wěn)定狀態(tài)后，即過程值與設(shè)定值接近，且輸出沒有不規(guī)律的變化，并最好處于控制范圍中心附近。此時(shí)可點(diǎn)擊e.區(qū)內(nèi)的啟動按鈕啟動PID自整定功能，這時(shí)按鈕變?yōu)橥Ｖ埂＿@時(shí)只需耐心等待，系統(tǒng)完成自整定后會自動將計(jì)算出的PID參數(shù)顯示在e.區(qū)。當(dāng)按鈕再次變?yōu)閱訒r(shí)，表示系統(tǒng)已經(jīng)完成了PID自整定。

 要使用自整定功能，必須保證PID回路處于自動模式。開始自整定后，給定值不能再改變。

第五步：如果用戶想將PID自整定的參數(shù)應(yīng)用到當(dāng)前PLC中，則只需點(diǎn)擊更新PLC。

 完成PID調(diào)整后，最好下載一次整個(gè)項(xiàng)目（包括數(shù)據(jù)塊），使新參數(shù)保存到CPU的EEPROM中。

PID 回路表中應(yīng)用于自整定部分的介紹

通過查詢系統(tǒng)手冊中 《PID回路和整定》章節(jié)，PID 回路表占用的存儲器 V 區(qū)地址中所代表功能，見表1-PID 回路表：
紅色：PID 自整定使能位、進(jìn)行位、完成位、整定結(jié)果錯誤代碼
藍(lán)色：PID 自整定結(jié)束后的建議參數(shù)（含增益、積分、微分）
黃色：PID 運(yùn)行時(shí)的增益積分微分，注意采樣時(shí)間僅在組態(tài)界面設(shè)置，不可隨意修改
綠色：PID 自整定高級選項(xiàng)設(shè)置（關(guān)于動態(tài)響應(yīng)的，默認(rèn)為快速響應(yīng)）

表1. PID 回路表

PID 回路表中的 AT 控制字、狀態(tài)字、配置字節(jié)詳細(xì)描述見表 2：
ACNTL：Vx.0=1啟動 PID 自整定；Vx.0=0停止 PID 自整定
ASTAT：Vv.0=1自整定正在進(jìn)行；Vv.0=0自整定沒有進(jìn)行
ARES ：Vm.7=1自整定完成；Vm.7=0自整定未完成。包含自整定結(jié)果代碼，方便錯誤查詢
ACNFG：Vn.2 和 3=動態(tài)響應(yīng)設(shè)置
注意：自整定完成位必須為 0，自整定才能啟動

表2. PID 回路表控制字、狀態(tài)字、配置字節(jié)說明

通過外部使能 PID 自整定

PID 回路表中是針對于 PID 存儲器分配的首地址偏移量，若直接運(yùn)用自整定部分控制字，具體地址可參考數(shù)據(jù)塊 PIDx_DATA，如下圖 4：

圖4. PID 回路符號表

對于 PID 自整定部分的編程思路簡略如下:
在觸摸屏上按鈕直接連接（如 M1.0），當(dāng)按鍵按下時(shí)置位 PID 自整定使能位，啟動自整定。
只有 Vm.7=0 時(shí)才能啟動自整定功能，當(dāng) Vx.0=1 啟動自整定后，Vm.7=1 表示自整定完成，期間可以使用 Vx.0=0 隨時(shí)中止自整定過程。
通過程序中判定當(dāng) Vm.7=1 時(shí)表示 PID 整定已完成，將整定建議的參數(shù)傳送（move）到 PID 運(yùn)行參數(shù)里。
取出 PID 整定結(jié)果字節(jié)后七位，作為自整定狀態(tài)和錯誤信息，如有錯誤可依此分析錯誤原因。具體代碼表示含義參見表 2。

圖5. PID 整定部分編程思路

通過程序啟動 PID 自整定（Vx.0=1）后，可以使用 PID 整定控制面板監(jiān)視 PID 回路的運(yùn)行，如下圖：

圖6. PID 整定控制面板

當(dāng)自整定完成（Vm.7=1）后，程序執(zhí)行將整定后的參數(shù)更新到 PID 參數(shù)中。為保證參數(shù)斷電后仍保持，建議在系統(tǒng)塊-〉CPU屬性-〉保持范圍中設(shè)置屬性，如下圖所示：

圖7. 系統(tǒng)塊中的保持范圍設(shè)置

為了更好地理解 PID 參數(shù)設(shè)置的編程，可參考下面的例程。

使用環(huán)境： STEP 7 Micro/WIN SMART V2.2

實(shí)現(xiàn)功能： 通過變量使能PID自整定

PID_SIM.smart例程

 注意：此指令庫/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(xiǎn)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。

PID自整定失敗的原因

1. PID輸出在最大值與最小值之間振蕩（曲線接觸到坐標(biāo)軸）
   
   解決方法：降低PID初始輸出步長值
   
2. 經(jīng)過一段時(shí)間后，PID自整定面板顯示如下信息：“ 自整定計(jì)算因?yàn)榈却答伌┰浇o定值的看門狗超時(shí)而失敗” 。
   解決方法： 確定在啟動PID自整定前，過程變量和輸出值已經(jīng)穩(wěn)定。并檢查看門狗時(shí)間的值，將其適當(dāng)增大。
    對于其它錯誤，可參考手冊中表格11－3中的錯誤代碼的描述。

參考鏈接

用PID指令向?qū)нM(jìn)行PID編程
PID 的自動/手動切換
PID常見問題