黑龙江西门子S7-1500PLC模块代理（欢迎您）

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PID控制器参数整定的仿真实验

    首先打开项目“PID控制”，然后打开PLCSIM。将所有的块下载到仿真PLC，将仿真PLC切换到RUN-P模式。

    点击Windows的“开始”按钮，执行菜单命令“开始”→“所有程序”→“SIMATIC”→“STEP 7”→“PID控制参数赋值”，打开PID控制视图（见图10-19）。点击工具栏上的按钮，用单选框选中“打开”对话框中的“在线”。点击“浏览”按钮，打开已下载到仿真PLC的项目“PID控制”，选中该项目中FB 41的背景数据块DB 41。

    点击“确定”按钮，出现如图10-20所示的参数赋值对话框，显示的PID控制器的参数是在程序中设置的。可以在程序运行时用这个对话框来修改PID控制器的参数。

    点击工具栏上的曲线记录按钮，打开曲线记录对话框（见图10-21），此时还没有图中的曲线。

    点击“设置”按钮，打开“设置”对话框（见图10-22）。将曲线3由“操纵变量”（PID控制器的输出变量）改为“无”，只显示额定值（即给定值）和实际值（即被控量）的曲线。可以用“改变颜色”按钮设置各曲线的颜色，用“Y轴限制”下面的文本框修改各曲线显示的上限值和下限值，用“时间轴长度”文本框修改曲线的时间轴长度。点击“确定”按钮返回监控曲线界面。

    可以用图10-21右边的单选框设置Y轴显示哪一条曲线的坐标值。点击“开始”按钮，开始显示设置的变量的曲线。图中的方波是给定值（即额定值）曲线，由于OB1中程序的作用。给定值在20%~70%之间阶跃变化，深色曲线是被控量（即实际值）曲线。点击“停止”按钮，停止动态刷新实时曲线。图中的K，等文字是作者添加的。

    图10-23中的被控量曲线与图10-21中的相同，对应的控制器参数（初始值）见图10-20。该曲线的超调量过大，有多次震荡。将图10-20中的积分时间改为4s，点击工具栏上的下载按钮，将修改后的参数下载到仿真PLC。与图10-23中积分时间为2s的曲线相比，增大积分时间（减弱积分作用）后，图10-24中被控量曲线的超调量和震荡次数明显减小。

    图10-23    PID控制阶跃响应曲线

    图10-24    PID控制阶跃响应曲线

    将图10-20中的积分时间还原为2s，微分时间由0.8s增大为2s。与图10-23中的曲线相比，适当增大微分时间后，图10-25中响应曲线的超调量和震荡次数明显减小。

    将图10-20中的积分时间改为8s，微分时间为2s。与图10-23中的曲线相比（积分时间为2s，微分时间为0.8s），增大积分时间和适当增大微分时间后，图10-26中响应曲线的超调量几乎为0，但是付出的代价是*次上升到稳态值的时间较长。

    图10-25    PID控制阶跃响应曲线

    图10-26    PID控制阶跃响应曲线

    图10-27和图10-28的微分时间均为0（即采用PI调节），积分时间均为8s。图10-28的比例系数为1.0，与图10-27相比（比例系数为2.0），同时减弱了比例作用和积分作用。可以看出，减小比例系数能显著降低超调量。

    图10-27    PI控制阶跃响应曲线

    图10-28    PI控制阶跃响应曲线

    读者可以修改OB100中FB 100（被控对象）的参数，下载到仿真PLC后，调整PID控制器的参数，直到得到较好的响应曲线，即超调量较小，过渡过程时间较短。

    在硬件组态中修改OB35的循环周期，同时修改FB 41、FB 100中的采样周期，使之与OB35的循环周期相同，可以了解采样周期与控制效果之间的关系。通过仿真实验，可以较快地掌握PID参数的整定方法。

  PID控制程序是周期性执行的，执行的周期称为采样周期Ts。采样周期越小，采样值越能反映模拟量的变化情况。但是Ts太小会增加CPU的运算工作量，相邻两次采样的差值几乎没有什么变化，将使PID控制器输出的微分部分接近为零，所以也不宜将Ts取得过小。

    确定采样周期时，应保证在被控量迅速变化的区段（例如启动过程中的上升阶段），能有足够多的采样点数，以保证不会因为采样点过稀而丢失被采集的模拟量中的重要信息。

    表10-1给出了过程控制中采样周期的经验数据，表中的数据仅供参考。以温度控制为例，一个很小的恒温箱与一个几十立方米的加热炉的热惯性有很大的差异，它们的采样周期显然也应该有很大的差别：实际的采样周期需要经过现场调试后确定。

    表10-1    采样周期的经验数据

  如果不知道PID参数整定的方法，抱着“碰运气”的想法乱调一气，其结果可想而知。

    控制器输出的比例、积分、微分部分都有明确的物理意义，在整定PID控制器参数时，可以根据控制器的参数与系统动态性能和静态性能之间的定性关系，用实验的方法来调节控制器的参数。在调试中重要的问题是在系统性能不能令人满意时，知道应该调节哪一个参数，该参数应该增大还是减小。有经验的调试人员一般可以较快地得到较为满意的调试结果。

    PID参数整定不像有的人想象的那样神秘，可以按以下规则来整定PID控制器的参数：

    1)为了减少需要整定的参数，可以首先采用PI控制器。给系统输入一个阶跃给定信号，观察系统输出量的波形。由输出波形可以获得系统性能的信息，例如超调量和调节时间。

    2)如果阶跃响应的超调量太大，经过多次振荡才能进入稳态或者根本不稳定，应减小控制器的比例系数Kp或增大积分时间TI。

    3)如果阶跃响应没有超调量，但是被控量上升过于缓慢，过渡过程时间太长，应按相反的方向调整上述参数。

    4)如果消除误差的速度较慢，可以适当减小积分时间，增强积分作用。

    5)反复调节比例系数和积分时间，如果超调量仍然较大，可以加入微分分量。微分时间TD从0逐渐增大，反复调节Kp、TI和TD，直到满足要求。需要注意的是在改变比例系数Kp的值时，同时会影响到积分分量和微分分量的值，而不是仅仅影响到比例分量。

    总之，PID参数的整定是一个综合的、各参数相互影响的过程，实际调试过程中的多次尝试是非常重要的，也是必需的。

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