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S7-200PLC 的PID控制模块的使用方法.pdf

发布时间：2022-06-14 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.58M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    如何使用 S7-200CPU 的 PID 控制 第一部分、PID 控制 S7-200 能够进行 PID 控制。S7-200 CPU 最多可以支持 8 个 PID 控制回路（8 个 PID 指 令功能块）。 PID 是闭环控制系统的比例－积分－微分控制算法。 PID 控制器根据设定值（给定）与被控对象的实际值（反馈）的差值，按照 PID 算法 计算出控制器的输出量，控制执行机构去影响被控对象的变化。 PID 控制是负反馈闭环控制，能够抑制系统闭环内的各种因素所引起的扰动，使反馈 跟随给定变化。 根据具体项目的控制要求，在实际应用中有可能用到其中的一部分，比如常用的是 PI （比例－积分）控制，这时没有微分控制部分。 PID 算法在 S7-200 中的实现 PID 控制最初在模拟量控制系统中实现，随着离散控制理论的发展，PID 也在计算机化 控制系统中实现。 为便于实现，S7-200 中的 PID 控制采用了迭代算法。详细的计算方法请参考《S7-200 系统手册》中 PID 指令部分的相关内容。 计算机化的 PID 控制算法有几个关键的参数 Kc（Gain，增益），Ti（积分时间常 数），Td（微分时间常数），Ts（采样时间）。 在 S7-200 中 PID 功能是通过 PID 指令功能块实现。通过定时（按照采样时间）执行 PID 功能块，按照 PID 运算规律，根据当时的给定、反馈、比例－积分－微分数据， 计算出控制量。 PID 功能块通过一个 PID 回路表交换数据，这个表是在 V 数据存储区中的开辟，长度 为 36 字节。因此每个 PID 功能块在调用时需要指定两个要素：PID 控制回路号，以及 控制回路表的起始地址（以 VB 表示）。 由于 PID 可以控制温度、压力等等许多对象，它们各自都是由工程量表示，因此有一 种通用的数据表示方法才能被 PID 功能块识别。S7-200 中的 PID 功能使用占调节范围 的百分比的方法抽象地表示被控对象的数值大小。在实际工程中，这个调节范围往往 被认为与被控对象（反馈）的测量范围（量程）一致。 1
    PID 功能块只接受 0.0 - 1.0 之间的实数（实际上就是百分比）作为反馈、给定与控 制输出的有效数值，如果是直接使用 PID 功能块编程，必须保证数据在这个范围之 内，否则会出错。其他如增益、采样时间、积分时间、微分时间都是实数。 因此，必须把外围实际的物理量与 PID 功能块需要的（或者输出的）数据之间进行转 换。这就是所谓输入/输出的转换与标准化处理。《S7-200 系统手册》上有详细的介 绍。 S7-200 的编程软件 Micro/WIN 提供了 PID 指令向导，以方便地完成这些转换/ 标准化处理。除此之外，PID 指令也同时会被自动调用。 调试 PID 控制器 PID 控制的效果就是看反馈（也就是控制对象）是否跟随设定值（给定），是否响应 快速、稳定，是否能够抑制闭环中的各种扰动而回复稳定。 要衡量 PID 参数是否合适，必须能够连续观察反馈对于给定变化的响应曲线；而实际 上 PID 的参数也是通过观察反馈波形而调试的。因此，没有能够观察反馈的连续变化 波形曲线的有效手段，就谈不上调试 PID 参数。 观察反馈量的连续波形，可以使用带慢扫描记忆功能的示波器（如数字示波器），波 形记录仪，或者在 PC 机上做的趋势曲线监控画面等。 新版编程软件 STEP 7 - Micro/WIN V4.0 内置了一个 PID 调试控制面板工具，具有 图形化的给定、反馈、调节器输出波形显示，可以用于手动调试 PID 参数。对于没有 “自整定 PID”功能的老版 CPU，也能实现 PID 手动调节。 PID 参数的取值，以及它们之间的配合，对 PID 控制是否稳定具有重要的意义。这些 主要参数是： • 采样时间： 计算机必须按照一定的时间间隔对反馈进行采样，才能进行 PID 控制的计算。采样时 间就是对反馈进行采样的间隔。短于采样时间间隔的信号变化是不能测量到的。过短 的采样时间没有必要，过长的采样间隔显然不能满足扰动变化比较快、或者速度响应 要求高的场合。 编程时指定的 PID 控制器采样时间必须与实际的采样时间一致。S7-200 中 PID 的采 样时间精度用定时中断来保证。 • 增益（Gain，放大系数，比例常数） 增益与偏差（给定与反馈的差值）的乘积作为控制器输出中的比例部分。过大的增益 会造成反馈的振荡。 2
    • 积分时间（Integral Time） 偏差值恒定时，积分时间决定了控制器输出的变化速率。积分时间越短，偏差得到的 修正越快。过短的积分时间有可能造成不稳定。 积分时间的长度相当于在阶跃给定下，增益为“1”的时候，输出的变化量与偏差值相 等所需要的时间，也就是输出变化到二倍于初始阶跃偏差的时间。 如果将积分时间设为最大值，则相当于没有积分作用。 • 微分时间（Derivative Time） 偏差值发生改变时，微分作用将增加一个尖峰到输出中，随着时间流逝减小。微分时 间越长，输出的变化越大。微分使控制对扰动的敏感度增加，也就是偏差的变化率越 大，微分控制作用越强。微分相当于对反馈变化趋势的预测性调整。 如果将微分时间设置为 0 就不起作用，控制器将作为 PI 调节器工作。 常问问题 1、对于某个具体的 PID 控制项目，是否可能事先得知比较合适的参数？有没有相关 的经验数据？ 虽然有理论上计算 PID 参数的方法，但由于闭环调节的影响因素很多而不能全部在数 学上精确地描述，计算出的数值往往没有什么实际意义。因此，除了实际调试获得参 数外，没有什么可用的经验参数值存在。甚至对于两套看似一样的系统，都可能通过 实际调试得到完全不同的参数值。 2、PID 控制不稳定怎么办？如何调试 PID？ 闭环系统的调试，首先应当做开环测试。所谓开环，就是在 PID 调节器不投入工作的 时候，观察： • 反馈通道的信号是否稳定 • 输出通道是否动作正常 可以试着给出一些比较保守的 PID 参数，比如放大倍数（增益）不要太大，可以小于 1，积分时间不要太短，以免引起振荡。在这个基础上，可以直接投入运行观察反馈的 波形变化。给出一个阶跃给定，观察系统的响应是最好的方法。 如果反馈达到给定值之后，历经多次振荡才能稳定或者根本不稳定，应该考虑是否增 益过大、积分时间过短；如果反馈迟迟不能跟随给定，上升速度很慢，应该考虑是否 增益过小、积分时间过长…… 总之，PID 参数的调试是一个综合的、互相影响的过程，实际调试过程中的多次尝试 是非常重要的步骤，也是必须的。 S7-200 的新一代产品提供了自整定的 PID 细调功能。 3
    3、没有采用积分控制时，为何反馈达不到给定？ 这是必然的。因为积分控制的作用在于消除纯比例调节系统固有的“静差”。没有积 分控制的比例控制系统中，没有偏差就没有输出量，没有输出就不能维持反馈值与给 定值相等。所以永远不能做到没有偏差。 4、如何实现 PID 反作用调节？ 参见 PID 向导中的常问问题。 5、S7-200 控制变频器，在变频器也有 PID 控制功能时，应当使用谁的 PID 功能？ 可以根据具体情况使用。一般来说，如果需要控制的变量直接与变频器直接有关，比 如变频水泵控制水压等，可以优先考虑使用变频器的 PID 功能。 6、《S7-200 系统手册》上的附录 H.14“用 S7-200 实现 PID 控制”的例子，是否可 以直接使用？ 《S7-200 系统手册》中的附录 H 在英文原版中并不存在。 H.14 的 PID 例子是在第一代产品还不支持 PID 运算指令时的产物。现在用户可以使用 PID 指令块，或者 PID Wizard（PID 向导）编辑 PID 控制程序。 PID Wizard - PID 向导 Micro/WIN 提供了 PID Wizard（PID 指令向导），可以帮助用户方便地生成一个闭环 控制过程的 PID 算法。此向导可以完成绝大多数 PID 运算的自动编程，用户只需在主 程序中调用 PID 向导生成的子程序，就可以完成 PID 控制任务。 PID 向导既可以生成模拟量输出 PID 控制算法，也支持开关量输出；既支持连续自动 调节，也支持手动参与控制。建议用户使用此向导对 PID 编程，以避免不必要的错 误。如果用户不能确定中文编程界面的语义，我们建议用户使用英文版本的 Micro/WIN，以免对向导中相关概念发生误解。 建议用户使用较新的编程软件版本。在新版本中的 PID 向导获得了改善。 PID 向导编程步骤 在 Micro/WIN 中的命令菜单中选择 Tools > Instruction Wizard，然后在指令向导窗 口中选择 PID 指令： 4
    图 1. 选择 PID 向导 在使用向导时必须先对项目进行编译，在随后弹出的对话框中选择“Yes” ，确认编 译。如果已有的程序中存在错误，或者有没有编完的指令，编译不能通过。 如果你的项目中已经配置了一个 PID 回路，则向导会指出已经存在的 PID 回路，并让 你选择是配置修改已有的回路，还是配置一个新的回路： 图 2. 选择需要配置的回路 5
    第一步：定义需要配置的 PID 回路号 图 3. 选择 PID 回路号 第二步：设定 PID 回路参数 图 4. 设置 PID 参数 6
    图 4 中: a. 定义回路设定值（SP，即给定）的范围： 在低限（Low Range）和高限（High Range）输入域中输入实数，缺省值为 0.0 和 100.0，表示给定值的取值范围占过程反馈量程的百分比。 这个范围是给定值的取值范围。它也可以用实际的工程单位数值表示。参见：设置 给定－反馈的量程范围。 以下定义 PID 回路参数，这些参数都应当是实数： Derivative Time（微分时间）：如果不想要微分回路，可以把微分时间设为 Gain（增益）： 即比例常数。 Integral Time（积分时间）：如果不想要积分作用，可以把积分时间设为无 b. c. 穷大：9999.99 d. 0 。 e. Sample Time（采样时间）：是 PID 控制回路对反馈采样和重新计算输出值的时 间间隔。在向导完成后，若想要修改此数，则必须返回向导中修改，不可在程序中或 状态表中修改。 注意：关于具体的 PID 参数值，每一个项目都不一样，需要现场调试来定，没有所 谓经验参数。 第三步：设定回路输入输出值 图 5. 设定 PID 输入输出参数 7
    在图 5 中，首先 设定过程变量的范围： Unipolar： 单极性，即输入的信号为正，如 0－10V 或 0－20mA 等 Bipolar：双极性，输入信号在从负到正的范围内变化。如输入信号为±10V、 a. 指定输入类型 o o ±5V 等时选用 o －20mA 信号的 20%，所以选 20% 偏移，即 4mA 对应 6400，20mA 对应 32000 20% Offset：选用 20%偏移。如果输入为 4－20mA 则选单极性及此项，4mA 是 0 在 a.设置为 Unipolar 时，缺省值为 0 - 32000，对应输入量程范围 0 - 10V 或 在 a.设置为 Bipolar 时，缺省的取值为-32000 - +32000，对应的输入范围根 b. 反馈输入取值范围 o 0 - 20mA 等，输入信号为正 o 据量程不同可以是±10V、±5V 等 o 在 a.选中 20% Offset 时，取值范围为 6400 - 32000，不可改变 此反馈输入也可以是工程单位数值，参见：设置给定－反馈的量程范围。 然后定义输出类型 c. Output Type（输出类型） 可以选择模拟量输出或数字量输出。模拟量输出用来控制一些需要模拟量给定的设 备，如比例阀、变频器等；数字量输出实际上是控制输出点的通、断状态按照一定的 占空比变化，可以控制固态继电器（加热棒等） d. 选择模拟量则需设定回路输出变量值的范围，可以选择： o Unipolar：单极性输出，可为 0－10V 或 0－20mA 等 o Bipolar：双极性输出，可为正负 10V 或正负 5V 等 o 20% Offset：如果选中 20% 偏移，使输出为 4 - 20mA e. 取值范围： o o o d 为 Unipolar 时，缺省值为 0 到 32000 d 为 Bipolar 时，取值-32000 到 32000 d 为 20% Offset 时，取值 6400 - 32000，不可改变 如果选择了开关量输出，需要设定此占空比的周期。 8
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