s7200的PID控制.docx

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s7200的PID控制

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。

S7-200CPU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。

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STEP7-Micro/WINV4.0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。

?

积分时间（IntegralTime）

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（DerivativeTime）

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、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PIDWizard（PID向导）编辑PID控制程序。

PIDWizard-PID向导

Micro/WIN提供了PIDWizard（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>InstructionWizard，然后在指令向导窗

口中选择PID指令：

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

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

图4中:

a.定义回路设定值（SP，即给定）的范围：

在低限（LowRange）和高限（HighRange）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：

b.Gain（增益）：

即比例常数。

c.IntegralTime（积分时间）：

如果不想要积分作用，可以把积分时间设为无

穷大：

9999.99

d.DerivativeTime（微分时间）：

如果不想要微分回路，可以把微分时间设为

0。

e.SampleTime（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

在图5中，首先设定过程变量的范围：

a.指定输入类型

oUnipolar：

单极性，即输入的信号为正，如0－10V或0－20mA等

oBipolar：

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、

±5V等时选用

o20%Offset：

选用20%偏移。

如果输入为4－20mA则选单极性及此项，4mA是0

－20mA信号的20%，所以选20%偏移，即4mA对应6400，20mA对应32000

b.反馈输入取值范围

o在a.设置为Unipolar时，缺省值为0-32000，对应输入量程范围0-10V或

0-20mA等，输入信号为正

o在a.设置为Bipolar时，缺省的取值为-32000-+32000，对应的输入范围根

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.OutputType（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