S7-200 系列 PLC 的PID功能块的实际应用

PID 参数的整定： 1、可以在软件中进行自动整定； 2、自动整定的 PID 参数可能对于系统来说不是最好的，就需要手动凭经验 来进行整定。P 参数过小，达到动态平衡的时间就会太长；P 参数过大，就容易 产生超调。 PID 功能块在梯形图（程序）中应当注意的问题： 1、最好采用 PID 向导生成 PID 功能块； 2、我要说一个最简单的也是最容易被人忽视的问题，那就是：PID 功能块 的使能控制只能采用 SM0.0或任何 1个存储器的常开触点并联该存储器的常闭触 点这样的永不断开的触点！ 笔者在以前的一个工程调试中就遇到这样的问题：PID 功能块有时间动作正 常，有时间动作不正常，而且不正常时发现 PID 功能块都没问题（PID 参数正确、 使能正确），就是没有输出。最后查了好久，突然意识到可能是使能的问题—— 我在使能端串联了启动/停止控制的保持继电器，我把它改为 SM0.0 以后，一切 正常！ 同时也明白了 PID 功能块有时间动作正常，有时间动作不正常的原因：有时 在灌入程序后保持继电器处于动作的状态才不会出现问题，一旦停止了设备就会 出现问题——PID 功能块使能一旦断开，工作就不会正常！ 把这个给大家说说，以免出现同样失误。 下面是 PID 控制器参数整定的一般方法： PID 控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特 性确定 PID 控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID 控制器参数整 定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的 数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以 直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖 工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际 中被广泛采用。PID 控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线 法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验 公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需 要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。利用该方 法进行 PID 控制器参数的整定步骤如下：(1)首先预选择一个足够短的采样周期 让系统工作；(2)仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振 荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；(3)在一定的控制度下通过公式 计算得到 PID 控制器的参数。 PID 参数的设定：是靠经验及工艺的熟悉，参考测量值跟踪与设定值曲线， 从而调整 P\I\D 的大小。 比例 I/微分 D=2，具体值可根据仪表定，再调整比例带 P，P 过头，到达稳 定的时间长，P 太短，会震荡，永远也打不到设定要求。 PID 控制器参数的工程整定,各种调节系统中 P.I.D 参数经验数据以下可参 照： 温度 T：P=20~60%，T=180~600s，D=3-180s； 压力 P： P=30~70%，T=24~180s； 液位 L： P=20~80%，T=60~300s； 流量 L： P=40~100%，T=6~60s。 书上的常用口诀： 参数整定找最佳，从小到大顺序查； 先是比例后积分，最后再把微分加； 曲线振荡很频繁，比例度盘要放大； 曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳； 曲线偏离回复慢，积分时间往下降； 曲线波动周期长，积分时间再加长； 曲线振荡频率快，先把微分降下来； 动差大来波动慢。微分时间应加长； 理想曲线两个波，前高后低 4 比 1； 一看二调多分析，调节质量不会低。 经过多年的工作经验，我个人认为 PID 参数的设置的大小，一方面是要根据 控制对象的具体情况而定；另一方面是经验。P 是解决幅值震荡，P 大了会出现 幅值震荡的幅度大，但震荡频率小，系统达到稳定时间长；I 是解决动作响应的 速度快慢的，I 大了响应速度慢，反之则快；D 是消除静态误差的，一般 D 设置 都比较小，而且对系统影响比较小。对于温度控制系统 P 在 5-10%之间；I 在 18 0-240s 之间；D 在 30 以下。对于压力控制系统 P 在 30-60%之间；I 在 30-90s 之间；D 在 30 以下。 这里介绍一种经验法。这种方法实质上是一种试凑法，它是在生产实践中总结出来的行之有效的方法，并在现场中得到了广泛的应用。  这种方法的基本程序是先根据运行经验，确定一组调节器参数，并将系统投入闭环运行，然后人为地加入阶跃扰动（如改变调节器的给定值），观察被调量或调节器输出的阶跃响应曲线。若认为控制质量不满意，则根据各整定参数对控制过程的影响改变调节器参数。这样反复试验，直到满意为止。  经验法简单可靠，但需要有一定现场运行经验，整定时易带有主观片面性。当采用 PID 调节器时，有多个整定参数，反复试凑的次数增多，不易得到最佳整定参数。  下面以 PID 调节器为例，具体说明经验法的整定步骤：  A. 让调节器参数积分系数 S0=0，实际微分系数 k=0，控制系统投入闭环运行，由小到大改变比例系数 S1，让扰动信号作阶跃变化，观察控制过程，直到获得满意的控制过程为止。  B. 取比例系数 S1 为当前的值乘以 0.83，由小到大增加积分系数 S0，同样让扰动信号作阶跃变化，直至求得满意的控制过程。  C. 积分系数 S0 保持不变，改变比例系数 S1，观察控制过程有无改善，如有改善则继续调整，直到满意为止。否则，将原比例系数 S1 增大一些，再调整积分系数 S0，力求改善控制过程。如此反复试凑，直到找到满意的比例系数 S1和积分系数 S0 为止。  D. 引入适当的实际微分系数 k 和实际微分时间 TD，此时可适当增大比例系数 S1 和积分系数 S0。和前述步骤相同，微分时间的整定也需反复调整，直到控制过程满意为止。  PID 参数是根据控制对象的惯量来确定的。大惯量如：大烘房的温度控制，一般 P 可在 10 以上，I=3-10，D=1 左右。小惯量如：一个小电机带一台水泵行压力闭环控制，一般只用 PI 控制。P=1-10，I=0.1-1，D=0，这些要在现场调 试时进行修正的。 PID 控制说明： 在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制， 简称 PID 控制，又称 PID 调节。PID 控制器问世至今已有近 70 年历史，它以其 结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当 被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的 其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确 定，这时应用 PID 控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象 ﹐或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用 PID 控制技术。PID 控制，实际中也有 PI 和 PD 控制。PID 控制器就是根据系统的误差，利用比例、 积分、微分计算出控制量进行控制的。 比例（P）控制 ：比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输 入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。 积分（I）控制 ：在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正 比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制 系统是有稳态误差的或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入 “积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。 这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出 增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以 使系统在进入稳态后无稳态误差。 微分（D）控制 ：在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即 误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现 振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后组件，具有 抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作 用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值， 而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+ 微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避 免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD) 控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。