01、PID控制知識講解

S7-200 SMART能夠進行PID控制。S7-200 SMART CPU最多可以支持8個PID控制回路（8個PID指令功能塊）
PID是閉環(huán)控制系統(tǒng)的（比例－積分－微分）
PID控制器根據(jù)設(shè)定值（給定）與被控對象的實際值（反饋）的差值，按照PID算法計算出控制器的輸出量，控制執(zhí)行機構(gòu)去影響被控對象的變化。
PID控制是負反饋閉環(huán)控制，能夠抑制系統(tǒng)閉環(huán)內(nèi)的各種因素所引起的擾動，使反饋跟隨給定變化。
根據(jù)具體項目的控制要求，在實際應(yīng)用中有可能用到其中的一部分，比如常用的是PI（比例－積分）控制，這時沒有微分控制部分。
PID算法在S7-200 SMART中的實現(xiàn)PID控制最初在模擬量控制系統(tǒng)中實現(xiàn)，隨著離散控制理論的發(fā)展，PID也在計算機化控制系統(tǒng)中實現(xiàn)。

02、PID向?qū)ЫM態(tài)設(shè)置

Micro/WIN SMART提供了PID Wizard（PID指令向?qū)В�，可以幫助用戶方便地生成一個閉環(huán)控制過程的PID算法。此向?qū)Э梢酝瓿山^大多數(shù)PID運算的自動編程，用戶只需在主程序中調(diào)用PID向?qū)�生成的子程序，就可以完成PID控制任務(wù)。
PID向?qū)Ъ瓤梢陨�成模擬量輸出PID控制算法，也支持開關(guān)量輸出；既支持連續(xù)自動調(diào)節(jié)，也支持手動參與控制。建議用戶使用此向?qū)�對PID編程，以避免不必要的錯誤。
PID向?qū)Ь幊探M態(tài)步驟：1.在Micro/WIN SMART中的工具菜單中選擇PID向?qū)В?BR> 

圖1. 在工具欄中選擇PID向?qū)?/P>

 
圖2.在項目樹中打開'向?qū)?文件夾，然后雙擊'PID'，或選擇'PID'并按回車鍵。

定義需要配置的PID回路號
 

圖3.在此對話框中選擇要組態(tài)的回路? 

 

圖4.最多可組態(tài) 8 個回路。在此對話框上選擇回路時，PID 向?qū)ё髠?cè)的樹視圖隨組態(tài)該回路所需的所有節(jié)點一起更新。

2.為回路組態(tài)命名
圖5.可為回路組態(tài)自定義名稱。此部分的默認名稱是'回路 x'，其中'x'等于回路編號
 
3.設(shè)定PID回路參數(shù)
圖6.設(shè)置PID參數(shù)中定義了PID回路參數(shù)，這些參數(shù)都應(yīng)當是實數(shù)：
 
增益：即比例常數(shù)，默認值=1.00。
1積分時間：如果不想要積分作用可以將該值設(shè)置很大（比如10000.0），默認值=10.00。
2微分時間：如果不想要微分回路，可以把微分時間設(shè)為0 ，默認值=0.00。
3采樣時間：是PID控制回路對反饋采樣和重新計算輸出值的時間間隔,，默認值=1.00。在向?qū)�完成后，若想要修改此�?shù)，則必須返回向?qū)е行薷模�不可在程序中或狀態(tài)表中修改。
注意：關(guān)于具體的PID參數(shù)值，每一個項目都不一樣，需要現(xiàn)場調(diào)試來定，沒有所謂經(jīng)驗參數(shù)。
4.設(shè)定回路過程變量
圖7. 設(shè)定PID輸入過程變量

 
指定回路過程變量 (PV) 如何標定。可以從以下選項中選擇：1.單極性:即輸入的信號為正，如0－10V或0－20mA等2.雙極性：輸入信號在從負到正的范圍內(nèi)變化。如輸入信號為±10V、±5V等時選用3.選用20%偏移：如果輸入為4－20mA則選單極性及此項，4mA是0－20mA信號的20%，所以選20% 偏移，即4mA對應(yīng)5530，20mA對應(yīng)27648。4.溫度 x 10 °C5溫度 x 10 °F
反饋輸入取值范圍1在a.設(shè)置為單極時，缺省值為0 - 27648，對應(yīng)輸入量程范圍0 - 10V或0 - 20mA等，輸入信號為正2在a.設(shè)置為雙極時，缺省的取值為-27648 - +27648，對應(yīng)的輸入范圍根據(jù)量程不同可以是±10V、±5V等3在a.選中20% 偏移量時，取值范圍為5530 - 27648，不可改變在'標定'(Scaling) 參數(shù)中，指定回路設(shè)定值 (SP) 如何標定。默認值是 0.0 和 100.0 之間的一個實數(shù)。此反饋輸入也可以是工程單位數(shù)值，參見：設(shè)置給定－反饋的量程范圍。
5.設(shè)定輸入回路輸出選項
圖8. 設(shè)定PID輸出選項

 
1輸出類型可以選擇模擬量輸出或數(shù)字量輸出。模擬量輸出用來控制一些需要模擬量給定的設(shè)備，如比例閥、變頻器等；數(shù)字量輸出實際上是控制輸出點的通、斷狀態(tài)按照一定的占空比變化，可以控制固態(tài)繼電器（加熱棒等）
選擇模擬量則需設(shè)定回路輸出變量值的范圍，可以選擇：1. 單極：單極性輸出，可為0－10V或0－20mA等2. 雙極：雙極性輸出，可為正負10V或正負5V等3. 單極20% 偏移量：如果選中20% 偏移，使輸出為4 - 20mA4. 取值范圍：0. c為單極時，缺省值為 0 到 276480. c為雙極時，取值-27648 到276480. c為20%偏移量時，取值5530 - 27648 ，不可改變?nèi)绻�選擇了開關(guān)量輸出，需要設(shè)定此循環(huán)周期
圖9. 設(shè)定PID輸出為數(shù)字量
 
6.設(shè)定回路報警選項
圖10. 設(shè)定回路報警限幅值

 
向?qū)�提供了三個輸出來反映過程值(PV)的低值報警、高值報警及過程值模擬量模塊錯誤狀態(tài)。當報警條件滿足時，輸出置位為1。這些功能在選中了相應(yīng)的選擇框之后起作用。
1. 使能低值報警并設(shè)定過程值(PV)報警的低值，此值為過程值的百分數(shù)，缺省值為0.10，即報警的低值為過程值的10％。此值最低可設(shè)為0.01，即滿量程的1%2. 使能高值報警并設(shè)定過程值(PV)報警的高值，此值為過程值的百分數(shù)，缺省值為0.90，即報警的高值為過程值的90％。此值最高可設(shè)為1.00，即滿量程的100%3. 使能過程值(PV)模擬量模塊錯誤報警并設(shè)定模塊于CPU連接時所處的模塊位置。'EM0'就是第一個擴展模塊的位置
7.定義向?qū)�所生成的PID初始化子程序和中斷程序名及手/自動模式
圖11. 指定子程序、中斷服務(wù)程序名和選擇手動控制

 
向?qū)б呀?jīng)為初始化子程序和中斷子程序定義了缺省名，你也可以修改成自己起的名字。
1. 指定PID初始化子程序的名字。
2. 指定PID中斷子程序的名字注意：
1. 如果你的項目中已經(jīng)存在一個PID配置，則中斷程序名為只讀，不可更改。因為一個項目中所有PID共用一個中斷程序，它的名字不會被任何新的PID所更改。2. PID向?qū)е袛嘤玫氖荢MB34定時中斷，在用戶使用了PID向?qū)Ш螅�注意在其它編程時不要再用此中斷，也不要向SMB34中寫入新的數(shù)值，否則PID將停止工作。3. 此處可以選擇添加PID 手動控制模式。在PID手動控制模式下，回路輸出由手動輸出設(shè)定控制，此時需要寫入手動控制輸出參數(shù)一個0.0－1.0的實數(shù)，代表輸出的0％－100％而不是直接去改變輸出值。PID控制的自動/手動之間的無擾動切換
8.指定PID運算數(shù)據(jù)存儲區(qū)
圖12. 分配運算數(shù)據(jù)存儲區(qū)

 
PID指令（功能塊）使用了一個120個字節(jié)的V區(qū)參數(shù)表來進行控制回路的運算工作；除此之外，PID向?qū)�生成的輸�?輸出量的標準化程序也需要運算數(shù)據(jù)存儲區(qū)。需要為它們定義一個起始地址，要保證該地址起始的若干字節(jié)在程序的其它地方?jīng)]有被重復使用。如果點擊'建議'，則向?qū)�將自動為你設(shè)定當前程序中沒有用過的V區(qū)地址。
自動分配的地址只是在執(zhí)行PID向?qū)�時編譯檢測到空閑地址。向?qū)�將自動為該參�?shù)表分配符號名，用戶不要再自己為這些參數(shù)分配符號名，否則將導致PID控制不執(zhí)行。
9.生成PID子程序、中斷程序及符號表等
一旦點擊完成按鈕，將在你的項目中生成上述PID子程序、中斷程序及符號表等。 
圖13. 生成PID子程序、中斷程序和符號表等
 
10.配置完P(guān)ID向?qū)В�需要在程序中調(diào)用向?qū)�生成的PID子程序程
 
圖14. PID子程序
 

 

調(diào)用PID子程序
在用戶程序中調(diào)用PID子程序時，可在指令樹的程序塊中用鼠標雙擊由向?qū)�生成的PID子程序，在局部變量表中，可以看到有關(guān)形式參數(shù)的解釋和取值范圍。
1. 必須用SM0.0來使能 PIDx_CTRL 子程序，SM0.0 后不能串聯(lián)任何其他條件，而且也不能有越過它的跳轉(zhuǎn)；如果在子程序中調(diào)用 PIDx_CTRL 子程序，則調(diào)用它的子程序也必須僅使用 SM0.0 調(diào)用，以保證它的正常運行2. 此處輸入過程值（反饋）的模擬量輸入地址3. 此處輸入設(shè)定值變量地址（VDxx），或者直接輸入設(shè)定值常數(shù)，根據(jù)向?qū)е械脑O(shè)定0.0－100.0，此處應(yīng)輸入一個0.0－100.0的實數(shù)，例：若輸入20，即為過程值的20％，假設(shè)過程值A(chǔ)IW0是量程為0－200度的溫度值，則此處的設(shè)定值20代表40度（即200度的20％）；如果在向?qū)е性O(shè)定給定范圍為0.0 - 200.0，則此處的20相當于20度
4. 此處用I0.0控制PID的手/自動方式，當I0.0為1時，為自動，經(jīng)過PID運算從AQW0輸出；當I0.0為0時，PID將停止計算，AQW0輸出為ManualOutput（VD4）中的設(shè)定值，此時不要另外編程或直接給AQW0賦值。若在向?qū)е袥]有選擇PID手動功能，則此項不會出現(xiàn)
5. 定義PID手動狀態(tài)下的輸出，從AQW0輸出一個滿值范圍內(nèi)對應(yīng)此值的輸出量。此處可輸入手動設(shè)定值的變量地址（VDxx），或直接輸入數(shù)。數(shù)值范圍為0.0-1.0之間的一個實數(shù)，代表輸出范圍的百分比。例：如輸入0.5，則設(shè)定為輸出的50％。若在向?qū)е袥]有選擇PID手動功能，則此項不會出現(xiàn)
6. 此處鍵入控制量的輸出地址7. 當高報警條件滿足時，相應(yīng)的輸出置位為1，若在向?qū)е袥]有使能高報警功能，則此項將不會出現(xiàn)8. 當?shù)蛨缶瘲l件滿足時，相應(yīng)的輸出置位為1，若在向?qū)е袥]有使能低報警功能，則此項將不會出現(xiàn)9. 當模塊出錯時，相應(yīng)的輸出置位為1，若在向?qū)е袥]有使能模塊錯誤報警功能，則此項將不會出現(xiàn)調(diào)用PID子程序時，不用考慮中斷程序。子程序會自動初始化相關(guān)的定時中斷處理事項，然后中斷程序會自動執(zhí)行。
11.實際運行并調(diào)試PID參數(shù)
沒有一個PID項目的參數(shù)不需要修改而能直接運行，因此需要在實際運行時調(diào)試PID參數(shù)。
查看數(shù)據(jù)塊以及符號表相應(yīng)的PID符號標簽的內(nèi)容，可以找到包括PID核心指令所用的控制回路表，包括比例系數(shù)、積分時間等等。將此表的地址復制到狀態(tài)表中，可以在監(jiān)控模式下在線修改PID參數(shù)，而不必停機再次做配置。
參數(shù)調(diào)試合適后，用戶可以在數(shù)據(jù)塊中寫入，也可以再做一次向?qū)В�或者編程向相�?yīng)的數(shù)據(jù)區(qū)傳送參數(shù)。

03PID組態(tài)設(shè)置中常問問題

做完P(guān)ID向?qū)Ш螅�如何知道向�(qū)е性O(shè)定值，過程值及PID等參數(shù)所用的地址？
做完P(guān)ID向?qū)Ш罂稍诜�號表中，查看PID向?qū)�所生成的符號�?上例中為PID0_SYM)，可看到各參數(shù)所用的詳細地址，及數(shù)值范圍。在數(shù)據(jù)塊中，查看PID指令回路表的相關(guān)參數(shù)。如圖所示：
1. 做完P(guān)ID向?qū)Ш螅�如何在調(diào)試中修改PID參數(shù)？答：可以在狀態(tài)表中，輸入相應(yīng)的參數(shù)地址，然后在線寫入用戶需要的PID參數(shù)數(shù)值，這樣用戶就可根據(jù)工藝需要隨時對PID參數(shù)、設(shè)定值等進行調(diào)整。
2.PID已經(jīng)調(diào)整合適，如何正式確定參數(shù)？答：可以在數(shù)據(jù)塊中直接寫入?yún)��?shù)。
3.做完P(guān)ID向?qū)Ш螅�能否查看PID生成的子程序，中斷程序？ 答：PID向?qū)�生成的子程序，中斷程序用戶是無法看到的，也不能對其進行修改。沒有密碼能夠打開這些子程序，一般的應(yīng)用也沒有必要打開查看。

4.PID參數(shù)有經(jīng)驗值嗎？ 答：每一個項目的PID 參數(shù)都不一樣，沒有經(jīng)驗參數(shù)，只能現(xiàn)場調(diào)試獲得。
5.我的PID向?qū)�生成的程序為何不�?zhí)行？答：必須保證用SM0.0無條件調(diào)用PID0_CTRL程序在程序的其它部分不要再使用SMB34定時中斷，也不要對SMB34賦值
6.如何實現(xiàn)PID反作用調(diào)節(jié)？答：在有些控制中需要PID反作用調(diào)節(jié)。例如：在夏天控制空調(diào)制冷時，若反饋溫度（過程值）低于設(shè)定溫度，需要關(guān)閥，減小輸出控制（減少冷水流量等），這就是PID反作用調(diào)節(jié)（在PID正作用中若過程值小于設(shè)定值，則需要增大輸出控制）。若想實現(xiàn)PID反作用調(diào)節(jié)，需要把PID回路的增益設(shè)為負數(shù)。對于增益為0的積分或微分控制來說，如果指定積分時間、微分時間為負值，則是反作用回路。
7.如何根據(jù)工藝要求有選擇地投入PID功能？答：可使用'手動/自動'切換的功能。PID向?qū)�生成的PID功能塊只能使用SM0.0的條件調(diào)用。

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