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朝陽西門子S7-1500代理商

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為了達到 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事項。下面分別就直接使用 PID 指令編程，和使用 PID 向導編程兩種情況作一介紹。

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“調用/不調用”指令的方式控制自動/手動模式。因為 PID 指令本身已經具有實現(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，我們認為是自動控制模式；EN 輸入端未使能（為“0”）時，我們認為是手動控制模式。

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)?rdquo;“1”時，PID 指令認為這是從“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：

使設定值（ SPn） = 當前過程反饋變量（PVn）
設置上次采樣過程變量（PVn-1） = 當前過程反饋變量（PVn）
設置積分偏差和（或所謂積分前項）（Mx） = 當前輸出值（Mn）

使設定值等于當前反饋值可以避免出現(xiàn)偏差，使之不存在調整的要求；當然如果有工藝要求，也可以后續(xù)調整設定值。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容（見數(shù)據(jù)塊或系統(tǒng)手冊的相關部分內容）。如果有必要，操作人員的操作可能要進行一些標準化換算。
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 回路表中設定值的更新，以便切換時 PID 指令用當前過程反饋值替代設定值。切換完成后，操作人員可以調整設定值。

2.使用 PID 向導編程時的 PID 自動/手動無擾切換

使用 PID 指令向導編程時，指令向導會自動調用 PID 指令，并且編寫外圍的控制變量標準化換算、定時采樣等功能。用戶在使用 PID 指令向導時，需要在用戶程序中用 SM0.0 調用指令向導生成的子程序（如 PIDx_INIT 子程序）。PID 向導可以生成帶自動/手動切換功能的子程序，這個子程序使用一個數(shù)字量點為“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 向導生成的子程序時，由于用戶程序不能直接使用 PID 指令，它的無擾切換能力因為隔了外殼子程序，所以受到了局限。如果對無擾切換要求比較嚴格，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 向導生成的指令

圖中：

過程反饋量
設定值，實數(shù)
自動/手動控制，“1”=自動，“0”=手動
手動控制輸出值，0.0 - 1.0 之間的一個實數(shù)
PID 控制輸出值

要實現(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）等于當前的實際控制輸出值；
在從手動向自動切換使，使設定值相當于當前的過程反饋值。

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：

自動/手動切換控制點
從自動向手動切換時，使手動輸出值等于實際當前值
從手動向自動切換時，把當前反饋量換算為相應的給定值

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，如果在實際項目中使用，上述程序未必一定適用。用戶需要根據(jù)實際工藝決定自己的編程思路。

4.2. PID調節(jié)步驟簡介

建議PID參數(shù)調節(jié)步驟：

（1）前提條件：反饋信號是否穩(wěn)定，執(zhí)行機構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；將微分時間設置為0.0，此時微分作用為0 。然后開始調節(jié)比例作用，逐步增大比例增益

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

PID調節(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)實際情況靈活調節(jié)，同時可以參考反饋與給定的曲線圖

用戶經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前系統(tǒng)。采樣時間就是對反饋進行采樣的間隔。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，兩次實測值的變化量太小，也不合適，而且增加PLC的運算負擔；采樣間隔過長，將會引起有用信號的丟失，使系統(tǒng)品質變差，不能滿足擾動變化比較快、或者速度響應要求高的場合。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)間內調節(jié)變化。

產生原因：增益（Gain）值太高
PID掃描時間（sample time）太長（對于快速響應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

2. 過程變量超過設定值很多（超調很大）

產生原因：積分時間（Integral time)可能太高。

解決方法：降低積分時間 3. 得到一個非常不穩(wěn)定的PID。

如果用了微分，可能是微分參數(shù)有問題
沒有微分，可能是增益（Gain）值太高

解決方法：

調整微分參數(shù)到0－1的范圍內
根據(jù)回路調節(jié)特性將增益值降低，低可從0.x 開始逐漸增大往上調，直到獲得穩(wěn)定的PID。

如何獲取一組合適的參數(shù)，實現(xiàn)快速并穩(wěn)定的PID控制？

PID調節(jié)過程中，用戶通常需要做多次的參數(shù)調節(jié)才能獲得的控制效果。從下面反饋（過程變量）與給定之間的曲線圖中，可以看到黃色曲線較理想。用戶可以將調節(jié)的PID反饋與給定曲線與下圖中對比，并修改相關參數(shù)（但是因為現(xiàn)場情況不一樣，用戶還需具體問題具體對待，下圖中的建議僅供參考：

圖 4.3.4 反饋與給定曲線

1.超調過大，減小比例，增大積分時間

2.迅速變化，存在小超調

3.實際值緩慢接近設定值，并且無超調的達到設定值

4.增益系數(shù)太小和/或微分時間太長

5.益系數(shù)太小和/或積分時間太長

常見問題

沒有采用積分控制時，為何反饋達不到給定？

這是必然的。因為積分控制的作用在于消除純比例調節(jié)系統(tǒng)固有的“靜差”。沒有積分控制的比例控制系統(tǒng)中，沒有偏差就沒有輸出量，沒有輸出就不能維持反饋值與給定值相等。所以永遠不能做到沒有偏差。

對于某個具體的PID控制項目，是否可能事先得知比較合適的參數(shù)？有沒有相關的經驗數(shù)據(jù)？

雖然有理論上計算PID參數(shù)的方法，但由于閉環(huán)調節(jié)的影響因素很多而不能全部在數(shù)學上地描述，計算出的數(shù)值往往沒有什么實際意義。因此，除了實際調試獲得參數(shù)外，沒有什么可用的經驗參數(shù)值存在。甚至對于兩套看似一樣的系統(tǒng)，都可能通過實際調試得到*不同的參數(shù)值。

PID控制不穩(wěn)定怎么辦？如何調試PID？

閉環(huán)系統(tǒng)的調試，首先應當做開環(huán)測試。所謂開環(huán)，就是在PID調節(jié)器不投入工作的時候，觀察：

反饋通道的信號是否穩(wěn)定
輸出通道是否動作正常

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，積分時間不要太短，以免引起振蕩。在這個基礎上，可以直接投入運行觀察反饋的波形變化。給出一個階躍給定，觀察系統(tǒng)的響應是的方法。

如果反饋達到給定值之后，歷經多次振蕩才能穩(wěn)定或者根本不穩(wěn)定，應該考慮是否增益過大、積分時間過短；如果反饋遲遲不能跟隨給定，上升速度很慢，應該考慮是否增益過小、積分時間過長……

總之，PID參數(shù)的調試是一個綜合的、互相影響的過程，實際調試過程中的多次嘗試是非常重要的步驟，也是必須的。

5.PID自整定

S7-200 中使用的自整定算法是基于 K.J.?str?m 和 T. H?gglund 在 1984 年提出的延時反饋算法。經過這二十年，繼電反饋算法已被應用于工業(yè)控制的各個領域?？梢允褂貌僮鲉T面板中的用戶程序或者 PID 整定控制面板來啟動自整定功能。在同一時間，不僅僅只有一個 PID 回路可以進行自整定，如果需要的話，所有 8 個 PID 回路可以同時進行自整定。PID自整定算法向您推薦增益值、積分時間值和微分時間值。您也可以為您的調節(jié)回路選擇快速響應、中速響應、慢速響應或者極慢速響應等調節(jié)類型。

5.1. PID自整定先決條件

啟動自整定先決條件：

要進行自整定的回路必須處于自動模式

在開始PID自整定調整前，整個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，回路輸出值應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致輸出值超出小或范圍限值。如果發(fā)生這種情況，可能會生成自整定錯誤條件，當然也會使推薦值并非化。

為什么啟動自整定之前，需要PID控制回路工作在相對穩(wěn)定狀態(tài)？

啟動自整定后,回路計算自滯后序列時，不能執(zhí)行正常的 PID 計算，此時回路輸出時一個定值，不會根據(jù)偏差變化。因此，在啟動自整定序列之前，控制過程應處于穩(wěn)定狀態(tài)。這樣可以得到更好的滯后值結果，同時也可以保證自滯后序列期間控制過程不會失控。

5.2. PID自整定參數(shù)介紹

S7-200 中的 PID自整定參數(shù)是回路表40-80字節(jié)，見下圖：