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.2. PID調(diào)節(jié)步驟簡介

建議PID參數(shù)調(diào)節(jié)步驟：

（1）前提條件：反饋信號是否穩(wěn)定，執(zhí)行機構(gòu)是否正常以及控制器的正反作用。（確保PID在自動模式下）

（2）積分時間設置為無窮大INF（或9999.9），此時積分作用近似為0；將微分時間設置為0.0，此時微分作用為0 。然后開始調(diào)節(jié)比例作用，逐步增大比例增益

（3）當過程變量達到給定值且在給定值上下波動，將調(diào)好的比例系數(shù)調(diào)整到50%~80%后，由大到小減小積分時間，直到過程值與設定值相等或無限接近

PID調(diào)節(jié)有很多種方法，以上僅是建議步驟，也并未考慮微分作用，客戶依據(jù)實際情況靈活調(diào)節(jié)，同時可以參考反饋與給定的曲線圖

用戶經(jīng)常會遇到這樣的問題：嘗試了很多組PID參數(shù)，都無法滿足控制器的要求， 此時需要考慮PID的采樣時間是否適合當前系統(tǒng)。采樣時間就是對反饋進行采樣的間隔。短于采樣時間間隔的信號變化是不能測量到的。采樣時間過短，兩次實測值的變化量太小，也不合適，而且增加PLC的運算負擔；采樣間隔過長，將會引起有用信號的丟失，使系統(tǒng)品質(zhì)變差，不能滿足擾動變化比較快、或者速度響應要求高的場合。除此以外，也有可能是系統(tǒng)自身的問題，無法調(diào)節(jié)到穩(wěn)定，例如， 不規(guī)律的干擾，或者反饋信號不穩(wěn)定。

4.3. 手動調(diào)節(jié)PID至穩(wěn)定問題與解決方法：

1. PID輸出總是輸出很大的值，并在這一區(qū)間內(nèi)調(diào)節(jié)變化。

產(chǎn)生原因：增益（Gain）值太高
PID掃描時間（sample time）太長（對于快速響應PID的回路）

解決方法：降低增益（Gain）值并且/或選擇短一些的掃描時間

2. 過程變量超過設定值很多（超調(diào)很大）

產(chǎn)生原因：積分時間（Integral time)可能太高。

解決方法：降低積分時間 3. 得到一個非常不穩(wěn)定的PID。

• 如果用了微分，可能是微分參數(shù)有問題
• 沒有微分，可能是增益（Gain）值太高

解決方法：

• 調(diào)整微分參數(shù)到0－1的范圍內(nèi)
• 根據(jù)回路調(diào)節(jié)特性將增益值降低，低可從0.x 開始逐漸增大往上調(diào)，直到獲得穩(wěn)定的PID。

如何獲取一組合適的參數(shù)，實現(xiàn)快速并穩(wěn)定的PID控制？

PID調(diào)節(jié)過程中，用戶通常需要做多次的參數(shù)調(diào)節(jié)才能獲得的控制效果。從下面反饋（過程變量）與給定之間的曲線圖中，可以看到黃色曲線較理想。用戶可以將調(diào)節(jié)的PID反饋與給定曲線與下圖中對比，并修改相關參數(shù)（但是因為現(xiàn)場情況不一樣，用戶還需具體問題具體對待，下圖中的建議僅供參考：

圖 4.3.4 反饋與給定曲線

1.超調(diào)過大，減小比例，增大積分時間

2.迅速變化，存在小超調(diào)

3.實際值緩慢接近設定值，并且無超調(diào)的達到設定值

4.增益系數(shù)太小和/或微分時間太長

5.益系數(shù)太小和/或積分時間太長

常見問題

沒有采用積分控制時，為何反饋達不到給定？

這是必然的。因為積分控制的作用在于消除純比例調(diào)節(jié)系統(tǒng)固有的“靜差”。沒有積分控制的比例控制系統(tǒng)中，沒有偏差就沒有輸出量，沒有輸出就不能維持反饋值與給定值相等。所以永遠不能做到?jīng)]有偏差。

對于某個具體的PID控制項目，是否可能事先得知比較合適的參數(shù)？有沒有相關的經(jīng)驗數(shù)據(jù)？

雖然有理論上計算PID參數(shù)的方法，但由于閉環(huán)調(diào)節(jié)的影響因素很多而不能全部在數(shù)學上描述，計算出的數(shù)值往往沒有什么實際意義。因此，除了實際調(diào)試獲得參數(shù)外，沒有什么可用的經(jīng)驗參數(shù)值存在。甚至對于兩套看似一樣的系統(tǒng)，都可能通過實際調(diào)試得到*不同的參數(shù)值。

PID控制不穩(wěn)定怎么辦？如何調(diào)試PID？

閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)試，首先應當做開環(huán)測試。所謂開環(huán)，就是在PID調(diào)節(jié)器不投入工作的時候，觀察：

• 反饋通道的信號是否穩(wěn)定
• 輸出通道是否動作正常

可以試著給出一些比較保守的PID參數(shù)，比如放大倍數(shù)（增益）不要太大，可以小于1，積分時間不要太短，以免引起振蕩。在這個基礎上，可以直接投入運行觀察反饋的波形變化。給出一個階躍給定，觀察系統(tǒng)的響應是的方法。

如果反饋達到給定值之后，歷經(jīng)多次振蕩才能穩(wěn)定或者根本不穩(wěn)定，應該考慮是否增益過大、積分時間過短；如果反饋遲遲不能跟隨給定，上升速度很慢，應該考慮是否增益過小、積分時間過長……

總之，PID參數(shù)的調(diào)試是一個綜合的、互相影響的過程，實際調(diào)試過程中的多次嘗試是非常重要的步驟，也是必須的。

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 年提出的延時反饋算法。經(jīng)過這二十年，繼電反饋算法已被應用于工業(yè)控制的各個領域。可以使用操作員面板中的用戶程序或者 PID 整定控制面板來啟動自整定功能。在同一時間，不僅僅只有一個 PID 回路可以進行自整定，如果需要的話，所有 8 個 PID 回路可以同時進行自整定。PID自整定算法向您推薦增益值、積分時間值和微分時間值。您也可以為您的調(diào)節(jié)回路選擇快速響應、中速響應、慢速響應或者極慢速響應等調(diào)節(jié)類型。

5.1. PID自整定先決條件

啟動自整定先決條件：

要進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致輸出值超出小或大范圍限值。 如果發(fā)生這種情況，可能會生成自整定錯誤條件，當然也會使推薦值并非化。

為什么啟動自整定之前，需要PID控制回路工作在相對穩(wěn)定狀態(tài)？

啟動自整定后,回路計算自滯后序列時，不能執(zhí)行正常的 PID 計算，此時回路輸出時一個定值，不會根據(jù)偏差變化。 因此，在啟動自整定序列之前，控制過程應處于穩(wěn)定狀態(tài)。 這樣可以得到更好的滯后值結(jié)果，同時也可以保證自滯后序列期間控制過程不會失控。

5.2. PID自整定參數(shù)介紹

S7-200 中的 PID自整定參數(shù)是回路表40-80字節(jié)，見下圖：

PID擴展回路表

a. AT控制（ACNTL）： 啟動/中止自整定

b.AT狀態(tài)（ASTAT）：自整定的輸出狀態(tài)字節(jié)，PID控制面板自整定時的相關狀態(tài)也是根據(jù)由該字節(jié)判斷。

圖 5.2.3. PID自整定AT狀態(tài)字節(jié)

c.AT結(jié)果（ARES）：PID自整定結(jié)果，需要注意，啟動PID自整定之前需要確保該字節(jié)0位為0，尤其是自己編程啟動自整定，可能需要手動設置為0。

圖 5.2.4. PID自整定AT結(jié)果字節(jié)

d.AT配置（ACNFG）： 自整定之前先對響應模式、偏差、滯后等做相關設置。

圖 5.2.5. PID自整定AT配置字節(jié)

e.偏移（DEV）~ h.看門狗時間（WDOG）： 參考PID自整定高級參數(shù)設置。

i.推薦增益（AT_Kc）~ k.推薦微分時間（AT_Td：PID自整定完成后，整定所得推薦參數(shù)放置在該地址。

l.實際輸出階躍幅度（ASTEP）：調(diào)節(jié)開始后，PID計算出的新的輸出階躍值。

m.實際滯后（AHYS）： 重新計算得到的實際滯后值。

 5.3. 通過PID控制面板啟動自整定

S7-200的PID自整定實現(xiàn)方式有兩種，一種是通過控制面板，另一種是自己編程。

需要注意：

通過控制面板實現(xiàn)PID自整定，PID必須是向?qū)?/p>

自己編程實現(xiàn)PID自整定，向?qū)Щ蛘逷ID指令塊實現(xiàn)PID均可，具體步驟可以查看：如何編程啟動自整定

下面介紹通過PID控制面板實現(xiàn)自整定：

*步：在PID Wizard (向?qū)В┲型瓿蒔ID功能配置，正確調(diào)用PID子程序 。

第二步：打開PID調(diào)節(jié)控制面板，設置PID回路調(diào)節(jié)參數(shù)。

在Micro/WIN V4.0在線的情況下，從主菜單Tools（工具） > PID Tune Control Panel（PID調(diào)節(jié)控制面板）進入PID調(diào)節(jié)控制面板中，如果面板沒有被激活（所有地方都是灰色），可點擊Configure（配置）按鈕運行CPU。

在PID調(diào)節(jié)面板圖3.4.1的e.區(qū)選擇要調(diào)節(jié)的PID回路號，在d.區(qū)選擇Manual（手動），調(diào)節(jié)PID參數(shù)并點擊Update（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自整定順利進行，應當做到：

• 使PID調(diào)節(jié)器基本穩(wěn)定，輸出、反饋變化平緩，并且使反饋比較接近給定
• 設置合適的給定值，使PID調(diào)節(jié)器的輸出遠離趨勢圖的上、下坐標軸，以免PID自整定開始后輸出值的變化范圍受限制

第三步：在圖3.4.1的d.區(qū)點擊Advanced（高級）按鈕，設定PID自整定選項。如果不是很特殊的系統(tǒng)，也可以不加理會。

在此允許你設定下列參數(shù)：

1.你可以選中復選框，讓自整定來自動計算死區(qū)值和偏移值   對于一般的PID系統(tǒng)，建議使用自動選擇。

2.Hysteresis（滯回死區(qū)）： 死區(qū)值規(guī)定了允許過程值偏離設定值的大（正負）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“認為”這個范圍內(nèi)的變化是由于自己改變輸出進行自整定調(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，從而更地計算出過程系統(tǒng)的自然振動頻率。如果選用自動計算，則缺省值為2％。

如果過程變量反饋干擾信號較強（噪聲大）自然變化范圍就大，可能需要人為設置一個較大的值。但這個值的改變要與下面的偏差值保持1:4的關系。

3.Deviation（偏差）： 偏差值決定了允許過程變量偏離設定值的峰峰值。如果選擇自動計算該值，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，也可以人工設置為比較小的值，但是要和上述“死區(qū)”設置保持比例關系。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.Initial Output Step（初始步長值）：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。初始步長值就是輸出的變動*步變化值，以占實際輸出量程的百分比表示。

5.Watchdog Time（看門狗時間）：過程變量必須在此時間（時基為秒）內(nèi)達到或穿越給定值，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際系統(tǒng)響應非常慢，可以加長這個時間。

6.動態(tài)響應選項：根據(jù)回路過程（工藝）的要求可選擇不同的響應類型：快速、中速、慢速、極慢速。

快速：可能產(chǎn)生超調(diào)，屬于欠阻尼響應

中速：在產(chǎn)生超調(diào)的邊緣，屬于臨界阻尼響應

慢速：不會產(chǎn)生任何超調(diào)，屬于過阻尼響應

極慢速：不會產(chǎn)生任何超調(diào)，屬于嚴重過阻尼響應

用戶在這里需要達到的系統(tǒng)控制效果，而不是對系統(tǒng)本身響應快慢的判斷。

7.設定完參數(shù)點擊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，即過程值與設定值接近，且輸出沒有不規(guī)律的變化，并處于控制范圍中心附近。此時可點擊圖3.4.1的d.區(qū)內(nèi)的Start Auto Tune按鈕啟動PID自整定功能，這時按鈕變?yōu)镾top Auto Tune。這時只需耐心等待，系統(tǒng)完成自整定后會自動將計算出的PID參數(shù)顯示在圖3.4.1的d.區(qū)。當按鈕再次變?yōu)镾tart Auto Tune時，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)應用到當前PLC中，則只需點擊Update PLC，將整定后推薦參數(shù)更新到PID的增益、積分時間、微分時間內(nèi)。

完成PID調(diào)整后，下載一次整個項目（包括數(shù)據(jù)塊），使新參數(shù)保存到CPU的EEPROM中。

控制面板上會顯示當前自整定的狀態(tài)嗎？

可以，在控制面板右下方空白處會顯示當前的自整定所處階段，見下圖：

圖5.3.2. PID自整定狀態(tài)

圖中錯誤是因為在手動狀態(tài)下啟動自整定。

PID自整定具體是怎樣實現(xiàn)的？

1. 回路滿足條件，啟動PID自整定。

2. 計算自滯后和自偏移：如果選擇自動確定滯后值/偏移值，PID 自整定器將進入滯后確定序列。該序列包含一段時間內(nèi)的過程變量采樣值（為了得到具有統(tǒng)計意義的采樣數(shù)據(jù)，至少要有100個采樣值。如果回路的采樣時間為200毫秒，則采集100個樣本需要20秒。采樣時間較長的回路需要更多時間。即使回路的采樣時間小于 200毫秒，從而采樣100次的時間不需要20秒，滯后確定序列仍然需要至少20秒的采樣時間。計算自滯后序列時，不能執(zhí)行正常的PID計算，輸出保持上一周期PID計算值。），然后根據(jù)采樣結(jié)果計算出標準偏移。滯后參數(shù)了相對于設定值的偏移（正或負），PV（過程變量）在此偏移范圍內(nèi)時，不會導致控制器改變輸出值。 偏移用于減小  信號中噪聲的影響，從而更地計算出過程的固有振動頻率。

3. 自整定序列：在得到滯后值和偏移值之后開始執(zhí)行自整定序列（輸出值的上述變化會導致過程變量值產(chǎn)生相應的變化。 當輸出的變化使 PV 遠離設定值以至于超出滯后區(qū)范圍時，自整定器就會檢測到過零事件。 每次發(fā)生過零事件時，自整定器將反方向改變輸出。整定器會繼續(xù)對 PV 進行采樣，并等待下一個過零事件。要完成序列，整定器總共需要12次過零事件。過程變量的PV振動幅度和頻率代表著控制過程增益和自然頻率。），根據(jù)自整定過程期間采集到的過程的頻率和增益的相關信息，能夠計算出終增益和頻率值。通過這些值可以計算出增益（回路增益）、復位（積分時間）和速率（微分時間）的建議值。

4. 自整定序列完成后，回路輸出會恢復到初始值。 下一次執(zhí)行回路時，將執(zhí)行正常的 PID 計算。

想要了解PID自整定的詳細過程，請查看S7-200系統(tǒng)手冊第15章 PID自整定和PID控制面板 。

5.4. 通過編程啟動自整定

*步：在數(shù)據(jù)塊定設置自整定相關參數(shù)：偏差、滯后、初始輸出階躍響應、看門狗時間、動態(tài)響應。

第二步：確認PID自整定的2個先決條件是否滿足：PID指令塊正常調(diào)用，同時被控系統(tǒng)處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。

第三步：確認自整定AT結(jié)果字節(jié)0位為0，設置AT控制字節(jié)為1，(M3.1)啟動自整定。

第四步：整定過程中如果想要暫停自整定，可以設AT控制為0，并手動(M3.2) 將AT結(jié)果清零，復位啟動按鈕。

第四步：自整定成功（VB142=128）后，選擇(M3.3)是否將整定后的推薦參數(shù)送至PID參數(shù)并復位相關自整定參數(shù)。

以上步驟僅供參考，需要根據(jù)實際情況，做不同的變換。

 5.5. PID自整定失敗的原因

1. PID輸出在大值與小值之間振蕩（曲線接觸到坐標軸）

解決方法：降低PID初始輸出步長值（initial output step）

2. 經(jīng)過一段時間后，PID自整定面板顯示如下信息：“The Auto Tune algorithm was aborted due to a zero-crossing watchdog timeout.” 即自整定計算因為等待反饋穿越給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Watchdog Time的值，將其適當增大。