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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調節控制面板。

用戶(hù)可以使用用戶(hù)程序或PID調節控制面板來(lái)啟動(dòng)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調節控制面板也可以用來(lái)手動(dòng)調試老版本的（不支持PID自整定）CPU的PID控制回路。

用戶(hù)可以根據工藝要求為調節回路選擇快速響應、中速響應、慢速響應或極慢速響應。PID自整定會(huì )根據響應類(lèi)型而計算出最優(yōu)化的比例、積分、微分值，并可應用到控制中。

PID調節控制面板

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

圖1. PID調節控制面板

在圖1中：

1. 當前設定值指示
   顯示當前使用的設定值
   
2. 過(guò)程值指示
   顯示過(guò)程變量的值
   
3. 當前的輸出值指示
   顯示當前的輸出值


4. 可顯示過(guò)程值、設定值及輸出值的PID趨勢圖
   
   圖2. 圖形顯示區

圖中：

1. 過(guò)程變量和設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定值、過(guò)程變量及輸出的趨勢圖
   
5. 調節參數
   這里你可以：
   
   • 選擇PID參數的顯示：當前參數、推薦參數或手動(dòng)輸入值
   • 在手動(dòng)調節模式下，可改變PID參數，并按更新PLC按鈕來(lái)更新PLC中的參數
   • 啟動(dòng)PID自整定功能
   • 選擇高級選項按鈕進(jìn)入高級參數設定
     
6. 當前采樣時(shí)間
   指示當前使用的采樣時(shí)間
   
7. 時(shí)間選項設定
   這里你可以設定趨勢圖的時(shí)基，時(shí)基以秒為單位
   
8. 當前的PID回路號
   這里你可以選擇需要監視或自整定的PID回路
   
9. 關(guān)閉PID調節面板
   

 要使用PID調節控制面板，PID編程必須使用PID向導完成。

PID自整定先決條件

啟動(dòng)自整定先決條件：

• 要進(jìn)行自整定的回路必須處于自動(dòng)模式

在開(kāi)始PID自整定調整前，整個(gè)PID控制回路必須工作在相對穩定的狀態(tài)（穩定的PID是指過(guò)程變量接近設定值，輸出不會(huì )不規則的變化，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(dòng)時(shí)，回路輸出值應該在控制范圍中心附近。 自整定過(guò)程在回路的輸出中加入一些小的階躍變化，使得控制過(guò)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(guò)程引入的階躍變化可能導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(huì )生成自整定錯誤條件，當然也會(huì )使推薦值并非最優(yōu)化。

PID自整定步驟

第一步：在PID向導中完成PID功能配置

 要想使用PID自整定功能，PID編程必須用PID向導來(lái)完成

第二步：打開(kāi)PID調節控制面板，設置PID回路調節參數
在Micro/WIN SMART在線(xiàn)的情況下，從主菜單工具中點(diǎn)擊進(jìn)入PID調節控制面板中。

在PID調節面板的h.區查看已選擇的PID回路號，在e.區啟動(dòng)手動(dòng)調節，調節PID參數并點(diǎn)擊更新，使新參數值起作用，監視其趨勢圖，根據調節狀況改變PID參數直至調節穩定。

 為了使PID自整定順利進(jìn)行，應當做到：

• 使PID調節器基本穩定，輸出、反饋變化平緩，并且使反饋比較接近給定
• 設置合適的給定值，使PID調節器的輸出遠離趨勢圖的上、下坐標軸，以免PID自整定開(kāi)始后輸出值的變化范圍受限制

 參見(jiàn)：手動(dòng)調整PID回路參數

第三步：在e.區點(diǎn)擊高級選項按鈕，設定PID自整定選項。如果不是很特殊的系統，也可以不加理會(huì )。

圖3. 設置PID自整定高級選項

在此允許你設定下列參數：

1. 你可以選中復選框，讓自整定來(lái)自動(dòng)計算滯后值和偏值
    對于一般的PID系統，建議使用自動(dòng)選擇。
   
2. 滯后：
   滯后值規定了允許過(guò)程值偏離設定值的最大（正負）范圍，過(guò)程反饋在這個(gè)范圍內的變化不會(huì )引起PID自整定調節器改變輸出，或者使PID自整定調節器“認為”這個(gè)范圍內的變化是由于自己改變輸出進(jìn)行自整定調節而引起的。PID自整定開(kāi)始后，只有過(guò)程反饋值超出了該區域，PID自整定調節器才會(huì )認為它對輸出的改變發(fā)生了效果。這個(gè)值用來(lái)減少過(guò)程變量的噪聲對自整定的干擾，從而更精確地計算出過(guò)程系統的自然振動(dòng)頻率。如果選用自動(dòng)計算，則缺省值為2％。
   如果過(guò)程變量反饋干擾信號較強（噪聲大）自然變化范圍就大，可能需要人為設置一個(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(guò)程變量偏離設定值的峰峰值。如果選擇自動(dòng)計算該值，它將是死區的4倍，即8％。
   有些非常敏感的系統不允許過(guò)程量偏離給定值很多，也可以人工設置為比較小的值，但是要和上述“死區”設置保持比例關(guān)系。這就是說(shuō)，一個(gè)精度要求高的系統，其反饋信號必須足夠穩定。
   
4. 初始輸出步：PID調節的初始輸出值
   PID自整定開(kāi)始后，PID自整定調節器將主動(dòng)改變PID的輸出值，以觀(guān)察整個(gè)系統的反應。初始步長(cháng)值就是輸出的變動(dòng)第一步變化值，以占實(shí)際輸出量程的百分比表示。
   
5. 看門(mén)狗時(shí)間：過(guò)程變量必須在此時(shí)間（時(shí)基為秒）內達到或穿越給定值，否則會(huì )產(chǎn)生看門(mén)狗超時(shí)錯誤。
   PID自整定調節器在改變輸出后，如果超過(guò)此時(shí)間還未觀(guān)察到過(guò)程反饋（從下至上或從上至下）穿越給定曲線(xiàn)，則超時(shí)。如果能夠事先確定實(shí)際系統響應非常慢，可以加長(cháng)這個(gè)時(shí)間。
   
6. 動(dòng)態(tài)響應選項：根據回路過(guò)程（工藝）的要求可選擇不同的響應類(lèi)型：快、中、慢、非常慢
   
   • 快：可能產(chǎn)生超調，屬于欠阻尼響應
   • 中：在產(chǎn)生超調的邊緣，屬于臨界阻尼響應
   • 慢：不會(huì )產(chǎn)生任何超調，屬于過(guò)阻尼響應
   • 非常慢：不會(huì )產(chǎn)生任何超調，屬于嚴重過(guò)阻尼響應
      用戶(hù)在這里指定需要達到的系統控制效果，而不是對系統本身響應快慢的判斷。
     
7. 設定完參數點(diǎn)擊OK鍵回到PID調節控制面板的主畫(huà)面

第四步：在手動(dòng)將PID調節到穩定狀態(tài)后，即過(guò)程值與設定值接近，且輸出沒(méi)有不規律的變化，并最好處于控制范圍中心附近。此時(shí)可點(diǎn)擊e.區內的啟動(dòng)按鈕啟動(dòng)PID自整定功能，這時(shí)按鈕變?yōu)橥Ｖ?。這時(shí)只需耐心等待，系統完成自整定后會(huì )自動(dòng)將計算出的PID參數顯示在e.區。當按鈕再次變?yōu)閱?dòng)時(shí)，表示系統已經(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(dòng)模式。開(kāi)始自整定后，給定值不能再改變。

第五步：如果用戶(hù)想將PID自整定的參數應用到當前PLC中，則只需點(diǎn)擊更新PLC。

 完成PID調整后，最好下載一次整個(gè)項目（包括數據塊），使新參數保存到CPU的EEPROM中。

PID 回路表中應用于自整定部分的介紹

通過(guò)查詢(xún)系統手冊中 《PID回路和整定》章節，PID 回路表占用的存儲器 V 區地址中所代表功能，見(jiàn)表1-PID 回路表：
紅色：PID 自整定使能位、進(jìn)行位、完成位、整定結果錯誤代碼
藍色：PID 自整定結束后的建議參數（含增益、積分、微分）
黃色：PID 運行時(shí)的增益積分微分，注意采樣時(shí)間僅在組態(tài)界面設置，不可隨意修改
綠色：PID 自整定高級選項設置（關(guān)于動(dòng)態(tài)響應的，默認為快速響應）

表1. PID 回路表

PID 回路表中的 AT 控制字、狀態(tài)字、配置字節詳細描述見(jiàn)表 2：
ACNTL：Vx.0=1啟動(dòng) 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(méi)有進(jìn)行
ARES ：Vm.7=1自整定完成；Vm.7=0自整定未完成。包含自整定結果代碼，方便錯誤查詢(xún)
ACNFG：Vn.2 和 3=動(dòng)態(tài)響應設置
注意：自整定完成位必須為 0，自整定才能啟動(dòng)

表2. PID 回路表控制字、狀態(tài)字、配置字節說(shuō)明

通過(guò)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，若直接運用自整定部分控制字，具體地址可參考數據塊 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(jiǎn)略如下:
在觸摸屏上按鈕直接連接（如 M1.0），當按鍵按下時(shí)置位 PID 自整定使能位，啟動(dòng)自整定。
只有 Vm.7=0 時(shí)才能啟動(dòng)自整定功能，當 Vx.0=1 啟動(dòng)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(guò)程。
通過(guò)程序中判定當 Vm.7=1 時(shí)表示 PID 整定已完成，將整定建議的參數傳送（move）到 PID 運行參數里。
取出 PID 整定結果字節后七位，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(jiàn)表 2。

圖5. PID 整定部分編程思路

通過(guò)程序啟動(dòng) PID 自整定（Vx.0=1）后，可以使用 PID 整定控制面板監視 PID 回路的運行，如下圖：

圖6. PID 整定控制面板

當自整定完成（Vm.7=1）后，程序執行將整定后的參數更新到 PID 參數中。為保證參數斷電后仍保持，建議在系統塊-〉CPU屬性-〉保持范圍中設置屬性，如下圖所示：

圖7. 系統塊中的保持范圍設置

為了更好地理解 PID 參數設置的編程，可參考下面的例程。

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

實(shí)現功能： 通過(guò)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任何責任。使用該軟件的風(fēng)險完全由用戶(hù)自行承擔。由于它是免費的，所以不提供任何擔保，錯誤糾正和熱線(xiàn)支持，用戶(hù)不必為此聯(lián)系西門(mén)子技術(shù)支持與服務(wù)部門(mén)。

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(xiàn)接觸到坐標軸）
   
   解決方法：降低PID初始輸出步長(cháng)值
   
2. 經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，PID自整定面板顯示如下信息：“ 自整定計算因為等待反饋穿越給定值的看門(mén)狗超時(shí)而失敗” 。
   解決方法： 確定在啟動(dòng)PID自整定前，過(guò)程變量和輸出值已經(jīng)穩定。并檢查看門(mén)狗時(shí)間的值，將其適當增大。
    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指令向導進(jìn)行PID編程
PID 的自動(dòng)/手動(dòng)切換
PID常見(jiàn)問(wèn)題