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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。在同一時間最多可以有8個PID回路同時進行自整定。PID調(diào)節(jié)控制面板也可以用來手動調(diào)試老版本的（不支持PID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PID控制面板，可以用圖形方式監(jiān)視PID回路的運行，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. 當前設(shè)定值指示
   顯示當前使用的設(shè)定值
   
2. 過程值指示
   顯示過程變量的值
   
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. 實際PC時間
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
   • 選擇高級選項按鈕進入高級參數(shù)設(shè)定
     
6. 當前采樣時間
   指示當前使用的采樣時間
   
7. 時間選項設(shè)定
   這里你可以設(shè)定趨勢圖的時基，時基以秒為單位
   
8. 當前的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，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，從主菜單工具中點擊進入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自整定順利進行，應(yīng)當做到：

• 使PID調(diào)節(jié)器基本穩(wěn)定，輸出、反饋變化平緩，并且使反饋比較接近給定
• 設(shè)置合適的給定值，使PID調(diào)節(jié)器的輸出遠離趨勢圖的上、下坐標軸，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)點擊高級選項按鈕，設(shè)定PID自整定選項。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

在此允許你設(shè)定下列參數(shù)：

1. 你可以選中復選框，讓自整定來自動計算滯后值和偏值
    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）范圍，過程反饋在這個范圍內(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“認為”這個范圍內(nèi)的變化是由于自己改變輸出進行自整定調(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)器才會認為它對輸出的改變發(fā)生了效果。這個值用來減少過程變量的噪聲對自整定的干擾，從而更精確地計算出過程系統(tǒng)的自然振動頻率。如果選用自動計算，則缺省值為2％。
   如果過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(shè)置一個較大的值。但這個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，以占實際輸出量程的百分比表示。
   
5. 看門狗時間：過程變量必須在此時間（時基為秒）內(nèi)達到或穿越給定值，否則會產(chǎn)生看門狗超時錯誤。
   PID自整定調(diào)節(jié)器在改變輸出后，如果超過此時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。如果能夠事先確定實際系統(tǒng)響應(yīng)非常慢，可以加長這個時間。
   
6. 動態(tài)響應(yīng)選項：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)，屬于嚴重過阻尼響應(yīng)
      用戶在這里指定需要達到的系統(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。此時可點擊e.區(qū)內(nèi)的啟動按鈕啟動PID自整定功能，這時按鈕變?yōu)橥Ｖ?。這時只需耐心等待，系統(tǒng)完成自整定后會自動將計算出的PID參數(shù)顯示在e.區(qū)。當按鈕再次變?yōu)閱訒r，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)用到當前PLC中，則只需點擊更新PLC。

 完成PID調(diào)整后，最好下載一次整個項目（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、進行位、完成位、整定結(jié)果錯誤代碼
藍色：PID 自整定結(jié)束后的建議參數(shù)（含增益、積分、微分）
黃色：PID 運行時的增益積分微分，注意采樣時間僅在組態(tài)界面設(shè)置，不可隨意修改
綠色：PID 自整定高級選項設(shè)置（關(guān)于動態(tài)響應(yīng)的，默認為快速響應(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自整定正在進行；Vv.0=0自整定沒有進行
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），當按鍵按下時置位 PID 自整定使能位，啟動自整定。
只有 Vm.7=0 時才能啟動自整定功能，當 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 隨時中止自整定過程。
通過程序中判定當 Vm.7=1 時表示 PID 整定已完成，將整定建議的參數(shù)傳送（move）到 PID 運行參數(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(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任何責任。使用該軟件的風險完全由用戶自行承擔。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（曲線接觸到坐標軸）
   
   解決方法：降低PID初始輸出步長值
   
2. 經(jīng)過一段時間后，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狗超時而失敗” 。
   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?qū)нM行PID編程
PID 的自動/手動切換
PID常見問題