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          首頁 > 新聞中心 > 常見問題
          西門子新的S7-200 SMART CPU支持PID自整定功能
          2020/11/29 23:25:28

          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(jìn)行自整定。PID調(diào)節(jié)控制面板也可以用來手動調(diào)試?yán)习姹镜模ú恢С諴ID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(jì)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(yùn)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(dāng)前設(shè)定值指示
            顯示當(dāng)前使用的設(shè)定值
          2. 過程值指示
            顯示過程變量的值
          3. 當(dāng)前的輸出值指示
            顯示當(dāng)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)
          5. 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(shí)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
          6. 調(diào)節(jié)參數(shù)
            這里你可以:
            • 選擇PID參數(shù)的顯示:當(dāng)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(xiàng)按鈕進(jìn)入高級參數(shù)設(shè)定
          7. 當(dāng)前采樣時間
            指示當(dāng)前使用的采樣時間
          8. 時間選項(xiàng)設(shè)定
            這里你可以設(shè)定趨勢圖的時基,時基以秒為單位
          9. 當(dāng)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
          10. 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(jìn)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(dǎo)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(dāng)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(diǎn)擊進(jìn)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(diǎn)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(jìn)行,應(yīng)當(dāng)做到:

          • 使PID調(diào)節(jié)器基本穩(wěn)定,輸出、反饋?zhàn)兓骄?,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(yuǎn)離趨勢圖的上、下坐標(biāo)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(diǎn)擊高級選項(xiàng)按鈕,設(shè)定PID自整定選項(xiàng)。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(xiàng)

          在此允許你設(shè)定下列參數(shù):

          1. 你可以選中復(fù)選框,讓自整定來自動計(jì)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(fù))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(rèn)為”這個范圍內(nèi)的變化是由于自己改變輸出進(jìn)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(rèn)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(jì)算出過程系統(tǒng)的自然振動頻率。如果選用自動計(jì)算,則缺省值為2%。
            如果過程變量反饋干擾信號較強(qiáng)(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(jì)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(shí)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(dá)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(shí)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(xiàng):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(yán)重過阻尼響應(yīng)
               用戶在這里指定需要達(dá)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(diǎn)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(diǎn)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埂_@時只需耐心等待,系統(tǒng)完成自整定后會自動將計(jì)算出的PID參數(shù)顯示在e.區(qū)。當(dāng)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(dāng)前PLC中,則只需點(diǎn)擊更新PLC。

           完成PID調(diào)整后,最好下載一次整個項(xiàng)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(jìn)行位、完成位、整定結(jié)果錯誤代碼
          藍(lán)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(yùn)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(xiàng)設(shè)置(關(guān)于動態(tài)響應(yīng)的,默認(rèn)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(xì)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(jìn)行;Vv.0=0自整定沒有進(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(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(yùn)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(dāng)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(dāng) 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(dāng) 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(yùn)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(yùn)行,如下圖:

          圖6. PID 整定控制面板

          當(dāng)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(shí)現(xiàn)功能: 通過變量使能PID自整定

          注意: 該例程僅設(shè)置一路 PID 向?qū)渲?,便于調(diào)試使用了 PID 被控對象的仿真庫。

          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(fù)任何責(zé)任。使用該軟件的風(fēng)險(xiǎn)完全由用戶自行承擔(dān)。由于它是免費(fèi)的,所以不提供任何擔(dān)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(biāo)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(jì)算因?yàn)榈却答伌┰浇o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(dāng)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(jìn)行PID編程
          PID 的自動/手動切換
          PID常見問題

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