辽宁西门子S7-1500PLC模块（代理商）

辽宁西门子S7-1500PLC模块（代理商）

4.1. PID调节手/自动无扰动切换

有些工程项目中可能需要根据工艺要求在不同的时刻投入、或者退出 PID 自动控制；退出 PID 自动控制时，控制器的输出部分可以由操作人员直接手动控制。这就是所谓的 PID 手动/自动切换。

• PID 控制处于自动方式时，PID 控制器（S7-200 中的 PID 调节功能）会按照 PID 算法，自动通过输出的作用使过程反馈值跟随给定值变化，并保持稳定。这是一个自动的闭环控制系统。操作人员可以根据现场工艺的要求，改变给定（即设定值）的值。
• PID 控制处于手动方式时，PID 控制器不再起自动计算的作用。这时，控制回路的输出是由操作人员手动控制、调整，由操作人员观察现场的控制效果，从而构成人工闭环控制。
•  

有些控制系统的执行机构不能承受较大的冲击，这就要求在进行 PID 自动/手动切换时，保持控制输出的稳定。这就是要求无扰动切换。

为了达到 PID 自动/手动控制的无扰动切换，需要在编程时注意一些相关事项。下面分别就直接使用 PID 指令编程，和使用 PID 向导编程两种情况作一介绍。

1.直接使用 PID 指令编程时的 PID 自动/手动无扰切换

直接使用 PID 指令块编写 PID 控制程序时，可以简单地使用“调用/不调用”指令的方式控制自动/手动模式。因为 PID 指令本身已经具有实现无扰动切换的能力，此时在 PID 指令控制环节之外编程没有多大必要。

PID 指令的 EN 输入端使能（为“1”）时，我们认为是自动控制模式；EN 输入端未使能（为“0”）时，我们认为是手动控制模式。

PID 指令本身有一个“能流历史状态位”，以记录指令的状态切换。在 EN 端从“0”变为”“1”时，PID 指令认为这是从“手动”模式向“自动”模式切换。PID 指令此时会自动执行一系列动作，以配合无扰动切换：

• 使设定值（ SPn） = 当前过程反馈变量（PVn）
• 设置上次采样过程变量（PVn-1） = 当前过程反馈变量（PVn）
• 设置积分偏差和（或所谓积分前项）（Mx） = 当前输出值（Mn）

使设定值等于当前反馈值可以避免出现偏差，使之不存在调整的要求；当然如果有工艺要求，也可以后续调整设定值。其他的动作都是为了使 PID 在后续的操作中不改变输出的值。

在编程时要注意：

• 从自动模式向手动模式切换时，PID 指令的 EN 端不再有能流，计算停止，输出值 Mn 不再变化。此时如果需要操作人员人工观察控制的结果，手动控制输出量，就可以通过用户程序直接改变回路表中的输出值存储单元内容（见数据块或系统手册的相关部分内容）。如果有必要，操作人员的操作可能要进行一些标准化换算。
• 为保证从手动模式向自动模式的切换无扰动，需要在手动控制时，或在切换过程中，禁止对 PID 回路表中设定值的更新，以便切换时 PID 指令用当前过程反馈值替代设定值。切换完成后，操作人员可以调整设定值。

2.使用 PID 向导编程时的 PID 自动/手动无扰切换

使用 PID 指令向导编程时，指令向导会自动调用 PID 指令，并且编写外围的控制变量标准化换算、定时采样等功能。用户在使用 PID 指令向导时，需要在用户程序中用 SM0.0 调用指令向导生成的子程序（如 PIDx_INIT 子程序）。PID 向导可以生成带自动/手动切换功能的子程序，这个子程序使用一个数字量点为“1”、“0”的状态来控制是否投入 PID 自动控制。

到目前为止（STEP 7-Micro/WIN V4.0 SP5），使用 PID 向导生成的子程序时，由于用户程序不能直接使用 PID 指令，它的无扰切换能力因为隔了外壳子程序，所以受到了局限。如果对无扰切换要求比较严格，需要另外编一些程序加以处理。

考察如下 PID 控制子程序。

图 4.1.1. PID 向导生成的指令

图中：

1. 过程反馈量
2. 设定值，实数
3. 自动/手动控制，“1”=自动，“0”=手动
4. 手动控制输出值，0.0 - 1.0 之间的一个实数
5. PID 控制输出值

要实现无扰动切换，必须：

• 在从自动向手动切换时，使手动输出值（VD2004）等于当前的实际控制输出值；
• 在从手动向自动切换使，使设定值相当于当前的过程反馈值。

为此，可编写类似下图所示的程序，放在 PID 控制子程序之前：

4.1.2. 无扰切换处理程序

图中：

1. 自动/手动切换控制点
2. 从自动向手动切换时，使手动输出值等于实际当前值
3. 从手动向自动切换时，把当前反馈量换算为相应的给定值

上述程序中的 Scale_I_to_R 就是量程变换指令库中的子程序。这是为了解决过程反馈与设定值之间的换算问题。用户也可以自己编程换算，或者根据反馈与给定的取值范围决定是否需要换算。

此段程序适用于 STEP 7-Micro/WIN V4.0 SP5 及以前版本，仅供参考，如果在实际项目中使用，上述程序未必一定适用。用户需要根据实际工艺决定自己的编程思路。

4.2. PID调节步骤简介

建议PID参数调节步骤：

（1）前提条件：反馈信号是否稳定，执行机构是否正常以及控制器的正反作用。（确保PID在自动模式下）

（2）积分时间设置为无穷大INF（或9999.9），此时积分作用近似为0；将微分时间设置为0.0，此时微分作用为0 。然后开始调节比例作用，逐步增大比例增益

（3）当过程变量达到给定值且在给定值上下波动，将调好的比例系数调整到50%~80%后，由大到小减小积分时间，直到过程值与设定值相等或无限接近

PID调节有很多种方法，以上仅是建议步骤，也并未考虑微分作用，客户依据实际情况灵活调节，同时可以参考反馈与给定的曲线图

用户经常会遇到这样的问题：尝试了很多组PID参数，都无法满足控制器的要求， 此时需要考虑PID的采样时间是否适合当前系统。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。采样时间过短，两次实测值的变化量太小，也不合适，而且增加PLC的运算负担；采样间隔过长，将会引起有用信号的丢失，使系统品质变差，不能满足扰动变化比较快、或者速度响应要求高的场合。除此以外，也有可能是系统自身的问题，无法调节到稳定，例如， 不规律的干扰，或者反馈信号不稳定。

4.3. 手动调节PID至稳定问题与解决方法：

1. PID输出总是输出很大的值，并在这一区间内调节变化。

产生原因：增益（Gain）值太高
PID扫描时间（sample time）太长（对于快速响应PID的回路）

解决方法：降低增益（Gain）值并且/或选择短一些的扫描时间

2. 过程变量超过设定值很多（超调很大）

产生原因：积分时间（Integral time)可能太高。

解决方法：降低积分时间 3. 得到一个非常不稳定的PID。

• 如果用了微分，可能是微分参数有问题
• 没有微分，可能是增益（Gain）值太高

解决方法：

• 调整微分参数到0－1的范围内
• 根据回路调节特性将增益值降低，低可从0.x 开始逐渐增大往上调，直到获得稳定的PID。

如何获取一组合适的参数，实现快速并稳定的PID控制？

PID调节过程中，用户通常需要做多次的参数调节才能获得的控制效果。从下面反馈（过程变量）与给定之间的曲线图中，可以看到黄色曲线较理想。用户可以将调节的PID反馈与给定曲线与下图中对比，并修改相关参数（但是因为现场情况不一样，用户还需具体问题具体对待，下图中的建议仅供参考：

图 4.3.4 反馈与给定曲线

1.超调过大，减小比例，增大积分时间

2.迅速变化，存在小超调

3.实际值缓慢接近设定值，并且无超调的达到设定值

4.增益系数太小和/或微分时间太长

5.益系数太小和/或积分时间太长

常见问题

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。

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*不同的参数值。

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。

5.PID自整定

S7-200 中使用的自整定算法是基于 K.J.?str?m 和 T. H?gglund 在 1984 年提出的延时反馈算法。经过这二十年，继电反馈算法已被应用于工业控制的各个领域。可以使用操作员面板中的用户程序或者 PID 整定控制面板来启动自整定功能。在同一时间，不仅仅只有一个 PID 回路可以进行自整定，如果需要的话，所有 8 个 PID 回路可以同时进行自整定。PID自整定算法向您*增益值、积分时间值和微分时间值。您也可以为您的调节回路选择快速响应、中速响应、慢速响应或者极慢速响应等调节类型。

5.1. PID自整定先决条件

启动自整定先决条件：

要进行自整定的回路必须处于自动模式

在开始PID自整定调整前，整个PID控制回路必须工作在相对稳定的状态（稳定的PID是指过程变量接近设定值，输出不会不规则的变化，且回路的输出值在控制范围中心附近变化。）

理想状态下，自整定启动时，回路输出值应该在控制范围中心附近。 自整定过程在回路的输出中加入一些小的阶跃变化，使得控制过程产生振荡。 如果回路输出接近其控制范围的任一限值，自整定过程引入的阶跃变化可能导致输出值超出小或大范围限值。 如果发生这种情况，可能会生成自整定错误条件，当然也会使*值并非化。

为什么启动自整定之前，需要PID控制回路工作在相对稳定状态？

启动自整定后,回路计算自滞后序列时，不能执行正常的 PID 计算，此时回路输出时一个定值，不会根据偏差变化。 因此，在启动自整定序列之前，控制过程应处于稳定状态。 这样可以得到更好的滞后值结果，同时也可以保证自滞后序列期间控制过程不会失控。

5.2. PID自整定参数介绍

S7-200 中的 PID自整定参数是回路表40-80字节，见下图：

PID扩展回路表

a. AT控制（ACNTL）： 启动/中止自整定

b.AT状态（ASTAT）：自整定的输出状态字节，PID控制面板自整定时的相关状态也是根据由该字节判断。

图 5.2.3. PID自整定AT状态字节

c.AT结果（ARES）：PID自整定结果，需要注意，启动PID自整定之前需要确保该字节0位为0，尤其是自己编程启动自整定，可能需要手动设置为0。

图 5.2.4. PID自整定AT结果字节

d.AT配置（ACNFG）： 自整定之前先对响应模式、偏差、滞后等做相关设置。

图 5.2.5. PID自整定AT配置字节

e.偏移（DEV）~ h.看门狗时间（WDOG）： 参考PID自整定高级参数设置。

i.*增益（AT_Kc）~ k.*微分时间（AT_Td：PID自整定完成后，整定所得*参数放置在该地址。

l.实际输出阶跃幅度（ASTEP）：调节开始后，PID计算出的新的输出阶跃值。

m.实际滞后（AHYS）： 重新计算得到的实际滞后值。

 5.3. 通过PID控制面板启动自整定

S7-200的PID自整定实现方式有两种，一种是通过控制面板，另一种是自己编程。

需要注意：

通过控制面板实现PID自整定，PID必须是向导生成

自己编程实现PID自整定，向导或者PID指令块实现PID均可，具体步骤可以查看：如何编程启动自整定

下面介绍通过PID控制面板实现自整定：

*步：在PID Wizard (向导）中完成PID功能配置，正确调用PID子程序 。

第二步：打开PID调节控制面板，设置PID回路调节参数。

在Micro/WIN V4.0在线的情况下，从主菜单Tools（工具） > PID Tune Control Panel（PID调节控制面板）进入PID调节控制面板中，如果面板没有被激活（所有地方都是灰色），可点击Configure（配置）按钮运行CPU。

在PID调节面板图3.4.1的e.区选择要调节的PID回路号，在d.区选择Manual（手动），调节PID参数并点击Update（更新），使新参数值起作用，监视其趋势图，根据调节状况改变PID参数直至调节稳定。

为了使PID自整定顺利进行，应当做到：

• 使PID调节器基本稳定，输出、反馈变化平缓，并且使反馈比较接近给定
• 设置合适的给定值，使PID调节器的输出远离趋势图的上、下坐标轴，以免PID自整定开始后输出值的变化范围受限制

第三步：在图3.4.1的d.区点击Advanced（高级）按钮，设定PID自整定选项。如果不是很特殊的系统，也可以不加理会。

在此允许你设定下列参数：

1.你可以选中复选框，让自整定来自动计算死区值和偏移值   对于一般的PID系统，建议使用自动选择。

2.Hysteresis（滞回死区）： 死区值规定了允许过程值偏离设定值的大（正负）范围，过程反馈在这个范围内的变化不会引起PID自整定调节器改变输出，或者使PID自整定调节器“认为”这个范围内的变化是由于自己改变输出进行自整定调节而引起的。PID自整定开始后，只有过程反馈值超出了该区域，PID自整定调节器才会认为它对输出的改变发生了效果。这个值用来减少过程变量的噪声对自整定的干扰，从而更精确地计算出过程系统的自然振动频率。如果选用自动计算，则缺省值为2％。

如果过程变量反馈干扰信号较强（噪声大）自然变化范围就大，可能需要人为设置一个较大的值。但这个值的改变要与下面的偏差值保持1:4的关系。

3.Deviation（偏差）： 偏差值决定了允许过程变量偏离设定值的峰峰值。如果选择自动计算该值，它将是死区的4倍，即8％。 有些非常敏感的系统不允许过程量偏离给定值很多，也可以人工设置为比较小的值，但是要和上述“死区”设置保持比例关系。这就是说，一个精度要求高的系统，其反馈信号必须足够稳定。

4.Initial Output Step（初始步长值）：PID调节的初始输出值。 PID自整定开始后，PID自整定调节器将主动改变PID的输出值，以观察整个系统的反应。初始步长值就是输出的变动*步变化值，以占实际输出量程的百分比表示。

5.Watchdog Time（看门狗时间）：过程变量必须在此时间（时基为秒）内达到或穿越给定值，否则会产生看门狗超时错误。 PID自整定调节器在改变输出后，如果超过此时间还未观察到过程反馈（从下*或从上至下）穿越给定曲线，则超时。如果能够事先确定实际系统响应非常慢，可以加长这个时间。

6.动态响应选项：根据回路过程（工艺）的要求可选择不同的响应类型：快速、中速、慢速、极慢速。

快速：可能产生超调，属于欠阻尼响应

中速：在产生超调的边缘，属于临界阻尼响应

慢速：不会产生任何超调，属于过阻尼响应

极慢速：不会产生任何超调，属于严重过阻尼响应

用户在这里需要达到的系统控制效果，而不是对系统本身响应快慢的判断。

7.设定完参数点击OK键回到PID调节控制面板的主画面。

第四步：在手动将PID调节到稳定状态后，即过程值与设定值接近，且输出没有不规律的变化，并处于控制范围中心附近。此时可点击图3.4.1的d.区内的Start Auto Tune按钮启动PID自整定功能，这时按钮变为Stop Auto Tune。这时只需耐心等待，系统完成自整定后会自动将计算出的PID参数显示在图3.4.1的d.区。当按钮再次变为Start Auto Tune时，表示系统已经完成了PID自整定。

要使用自整定功能，必须保证PID回路处于自动模式。开始自整定后，给定值不能再改变。

第五步：如果用户想将PID自整定的参数应用到当前PLC中，则只需点击Update PLC，将整定后*参数更新到PID的增益、积分时间、微分时间内。

完成PID调整后，下载一次整个项目（包括数据块），使新参数保存到CPU的EEPROM中。

控制面板上会显示当前自整定的状态吗？

可以，在控制面板右下方空白处会显示当前的自整定所处阶段，见下图：

图5.3.2. PID自整定状态

图中错误是因为在手动状态下启动自整定。

PID自整定具体是怎样实现的？

1. 回路满足条件，启动PID自整定。

2. 计算自滞后和自偏移：如果选择自动确定滞后值/偏移值，PID 自整定器将进入滞后确定序列。该序列包含一段时间内的过程变量采样值（为了得到具有统计意义的采样数据，至少要有100个采样值。如果回路的采样时间为200毫秒，则采集100个样本需要20秒。采样时间较长的回路需要更多时间。即使回路的采样时间小于 200毫秒，从而采样100次的时间不需要20秒，滞后确定序列仍然需要至少20秒的采样时间。计算自滞后序列时，不能执行正常的PID计算，输出保持上一周期PID计算值。），然后根据采样结果计算出标准偏移。滞后参数了相对于设定值的偏移（正或负），PV（过程变量）在此偏移范围内时，不会导致控制器改变输出值。 偏移用于减小 PV 信号中噪声的影响，从而更精确地计算出过程的固有振动频率。

3. 自整定序列：在得到滞后值和偏移值之后开始执行自整定序列（输出值的上述变化会导致过程变量值产生相应的变化。 当输出的变化使 PV 远离设定值以至于超出滞后区范围时，自整定器就会检测到过零事件。 每次发生过零事件时，自整定器将反方向改变输出。整定器会继续对 PV 进行采样，并等待下一个过零事件。要完成序列，整定器总共需要12次过零事件。过程变量的PV振动幅度和频率代表着控制过程增益和自然频率。），根据自整定过程期间采集到的过程的频率和增益的相关信息，能够计算出终增益和频率值。通过这些值可以计算出增益（回路增益）、复位（积分时间）和速率（微分时间）的建议值。

4. 自整定序列完成后，回路输出会恢复到初始值。 下一次执行回路时，将执行正常的 PID 计算。

想要了解PID自整定的详细过程，请查看S7-200系统手册第15章 PID自整定和PID控制面板 。

5.4. 通过编程启动自整定

*步：在数据块定设置自整定相关参数：偏差、滞后、初始输出阶跃响应、看门狗时间、动态响应。

第二步：确认PID自整定的2个先决条件是否满足：PID指令块正常调用，同时被控系统处于相对稳定状态。

第三步：确认自整定AT结果字节0位为0，设置AT控制字节为1，(M3.1)启动自整定。

第四步：整定过程中如果想要暂停自整定，可以设AT控制为0，并手动(M3.2) 将AT结果清零，复位启动按钮。

第四步：自整定成功（VB142=128）后，选择(M3.3)是否将整定后的*参数送至PID参数并复位相关自整定参数。

以上步骤仅供参考，需要根据实际情况，做不同的变换。

 5.5. PID自整定失败的原因

1. PID输出在大值与小值之间振荡（曲线接触到坐标轴）

解决方法：降低PID初始输出步长值（initial output step）

2. 经过一段时间后，PID自整定面板显示如下信息：“The Auto Tune algorithm was aborted due to a zero-crossing watchdog timeout.” 即自整定计算因为等待反馈穿越给定值的看门狗超时而失败。

解决方法： 确定在启动PID自整定前，过程变量和输出值已经稳定。并检查Watchdog Time的值，将其适当增大。

表5.5.1. PID自整定错误代码

辽宁西门子S7-1500PLC模块（代理商）