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.3. 手動調節PID至穩定問題與解決方法：

1. PID輸出總是輸出很大的值，并在這一區間內調節變化。

產生原因：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（超調很大）

產生原因：積分時間（Integral time)可能太高。

解決方法：降低積分時間 3. 得到一個非常不穩定的PID。

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

解決方法：

• 調整微分參數到0－1的范圍內
• 根據回路調節特性將增益值降低，低可從0.x 開始逐漸增大往上調，直到獲得穩定的PID。

如何獲取一組合適的參數，實現快速并穩定的PID控制？

PID調節過程中，用戶通常需要做多次的參數調節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。用戶可以將調節的PID反饋與給定曲線與下圖中對比，并修改相關參數（但是因為現場情況不一樣，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.超調過大，減小比例，增大積分時間

2.迅速變化，存在小超調

3.實際值緩慢接近設定值，并且無超調的達到設定值

4.增益系數太小和/或微分時間太長

5.益系數太小和/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節系統固有的“靜差”。沒有積分控制的比例控制系統中，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。所以永遠不能做到沒有偏差。

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？有沒有相關的經驗數據？

雖然有理論上計算PID參數的方法，但由于閉環調節的影響因素很多而不能全部在數學 

PID控制不穩定怎么辦？如何調試PID？

閉環系統的調試，首先應當做開環測試。所謂開環，就是在PID調節器不投入工作的時候，觀察：

• 反饋通道的信號是否穩定
• 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，比如放大倍數（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，觀察系統的響應是的方法。

如果反饋達到給定值之后，歷經多次振蕩才能穩定或者根本不穩定，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參數的調試是一個綜合的、互相影響的過程，實際調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。經過這二十年，繼電反饋算法已被應用于工業控制的各個領域。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。您也可以為您的調節回路選擇快速響應、中速響應、慢速響應或者極慢速響應等調節類型。

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自整定調整前，整個PID控制回路必須工作在相對穩定的狀態（穩定的PID是指過程變量接近設定值，輸出不會不規則的變化，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定狀態？

啟動自整定后,回路計算自滯后序列時，不能執行正常的 PID 計算，此時回路輸出時一個定值，不會根據偏差變化。 因此，在啟動自整定序列之前，控制過程應處于穩定狀態。 這樣可以得到更好的滯后值結果，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自整定參數介紹

S7-200 中的 PID自整定參數是回路表40-80字節，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（ASTAT）：自整定的輸出狀態字節，PID控制面板自整定時的相關狀態也是根據由該字節判斷。

圖 5.2.3. PID自整定AT狀態字節

c.AT結果（ARES）：PID自整定結果，需要注意，啟動PID自整定之前需要確保該字節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結果字節

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

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

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

l.實際輸出階躍幅度（ASTEP）：調節開始后，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PID自整定，PID必須是向導生成

自己編程實現PID自整定，向導或者PID指令塊實現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控制面板實現自整定：

*步：在PID Wizard (向導）中完成PID功能配置，正確調用PID子程序 。

第二步：打開PID調節控制面板，設置PID回路調節參數。

在Micro/WIN V4.0在線的情況下，從主菜單Tools（工具） > PID Tune Control Panel（PID調節控制面板）進入PID調節控制面板中，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調節面板圖3.4.1的e.區選擇要調節的PID回路號，在d.區選擇Manual（手動），調節PID參數并點擊Update（更新），使新參數值起作用，監視其趨勢圖，根據調節狀況改變PID參數直至調節穩定。

為了使PID自整定順利進行，應當做到：

• 使PID調節器基本穩定，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調節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，也可以不加理會。

在此允許你設定下列參數：

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

2.Hysteresis（滯回死區）： 死區值規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的變化不會引起PID自整定調節器改變輸出，或者使PID自整定調節器“認為”這個范圍內的變化是由于自己改變輸出進行自整定調節而引起的。PID自整定開始后，只有過程反饋值超出了該區域，PID自整定調節器才會認為它對輸出的改變發生了效果。這個值用來減少過程變量的噪聲對自整定的干擾，從而計算出過程系統的自然振動頻率。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，它將是死區的4倍，即8％。 有些非常敏感的系統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”設置保持比例關系。這就是說，一個精度要求高的系統，其反饋信號必須足夠穩定。

4.Initial Output Step（初始步長值）：PID調節的初始輸出值。 PID自整定開始后，PID自整定調節器將主動改變PID的輸出值，以觀察整個系統的反應。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）內達到或穿越給定值，否則會產生看門狗超時錯誤。 PID自整定調節器在改變輸出后，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響應非常慢，可以加長這個時間。

6.動態響應選項：根據回路過程（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：可能產生超調，屬于欠阻尼響應

中速：在產生超調的邊緣，屬于臨界阻尼響應

慢速：不會產生任何超調，屬于過阻尼響應

極慢速：不會產生任何超調，屬于嚴重過阻尼響應

用戶在這里需要達到的系統控制效果，而不是對系統本身響應快慢的判斷。

7.設定完參數點擊OK鍵回到PID調節控制面板的主畫面。

第四步：在手動將PID調節到穩定狀態后，即過程值與設定值接近，且輸出沒有不規律的變化，并處于控制范圍中心附近。此時可點擊圖3.4.1的d.區內的Start Auto Tune按鈕啟動PID自整定功能，這時按鈕變為Stop Auto Tune。這時只需耐心等待，系統完成自整定后會自動將計算出的PID參數顯示在圖3.4.1的d.區。當按鈕再次變為Start Auto Tune時，表示系統已經完成了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自整定的參數應用到當前PLC中，則只需點擊Update PLC，將整定后推薦參數更新到PID的增益、積分時間、微分時間內。

完成PID調整后，下載一次整個項目（包括數據塊），使新參數保存到CPU的EEPROM中。

控制面板上會顯示當前自整定的狀態嗎？

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

圖中錯誤是因為在手動狀態下啟動自整定。

PID自整定具體是怎樣實現的？

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的過程變量采樣值（為了得到具有統計意義的采樣數據，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，不能執行正常的PID計算，輸出保持上一周期PID計算值。），然后根據采樣結果計算出標準偏移。滯后參數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行自整定序列（輸出值的上述變化會導致過程變量值產生相應的變化。 當輸出的變化使 PV 遠離設定值以至于超出滯后區范圍時，自整定器就會檢測到過零事件。 每次發生過零事件時，自整定器將反方向改變輸出。整定器會繼續對 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。

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  PLC及 模塊：S7-200、 S7-300、 S7-400、S7-1200，S7-1500，ET-200系列
  變  頻 器：MM420、 MM430、 MM440、 6SE70、 6RA70,V20，V60，V90系列
  觸  摸 屏：OP27、 OP37、 OP270、 OP370，TD200， TD400C， K-TP OP177 TP177,MP277， MP377,等系列
  數    控：6SN、1FT、6FC、6FX，1FK等系列

    

  主要優勢：

  邏輯控制模塊： LOGO！230RC、230RCO、230RCL、24RC、24RCL
  SITOP直流電源： 24V DC 1.3A、2.5A、3A、5A、10A、20A、40A可并聯.
  數控伺服停產備件：（6FC，6SN全系列）
  全數字直流調速裝置： 6RA23、6RA24、6RA28、6RA70、6SE70系列
  SIEMENS 數控 伺服
  SINUMERIK:801、802S 、802D、802D SL、810D、840D、611U、S120
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  S7-400（優勢產品,庫存量大）
  S7-300（優勢產品,庫存量大）
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   SIEMENS 其他產品
  PLC周邊產品（編程電纜，前連接器，導軌）
  PLC編程軟件
  規 格：德國Siemens原產出品；凡所購公司產品，均按原廠質保一年。

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

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

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• SIEMENS通遼西門子屏總代理商-總部

  

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  德國西門子（SIEMENS）公司生產的可編程序控制器在我國的應用也相當廣泛，在冶金、化工、印刷生產線等領域都有應用。西門子（SIEMENS）公司的PLC產品包括LOGO、S7-200、S7-1200、S7-300、S7-400等。 西門子S7系列PLC體積小、速度快、化，具有網絡通信能力，功能更強，可靠性高。S7系列PLC產品可分為微型PLC（如S7-200），小規模性能要求的PLC（如S7-300）和中、高性能要求的PLC（如S7-400）等。

  中文名西門子PLC外文名SIEMENS PLC品    牌西門子誕生時間1958年類    別二進制控制器

• 1 歷史
• 2 產品分類
• ? 控制規模
• ? 控制性能
• ? 結構
• 3 詳細介紹
• 4 工作原理
• ? 輸入采樣
• ? 用戶程序執行
• ? 輸出刷新
• 5 
• ? 設備定期、
• ? 設備定期清掃
• ? 檢修前
• ? 設備拆裝順序及
• ? 檢修工藝及技術要求
• 6 電池更換
• 7 優點
• ? 可靠
• ? 易操作
• ? 靈活
• 歷史
• 西門子SIMATIC系列PLC，誕生于1958年，經歷了C3,S3,S5,S7系列，已成為應用非常廣泛的可編程控制器。
• 西門子（SIMATIC）PLC的6代
• 1、西門子公司的產品早是1975年投放市場的SIMATIC S3，它實際上是帶有簡單操作接口的二進制控制器。2、1979年，S3被SIMATIC S5所取代，該廣泛地使用了微處理器。3、20世紀80年代初，S5進一步升級——U系列PLC，較常用機型：S5-90U、95U、100U、115U、135U、155U。
• 4、1994年4月，S7系列誕生，它具有更化、更高性能等級、安裝空間更小、更良好的WINDOWS用戶界面等優勢，其機型為：S7-200、300、400。
• 5、1996年，在控制領域，西門子公司又提出PCS7（控制7）的概念，將其優勢的WINCC（與WINDOWS兼容的操作界面）、PROFIBUS（工業現場總線）、COROS（監控）、SINEC（西門子工業網絡）及控調技術融為一體。
• 6、西門子公司提出TIA（Totally Integrated Automation）概念，即全集成自動化，將PLC技術溶于全部自動化領域。

• 存貯器512k ；I/O點12672；

  控制性能

  可以分為機、中檔機和低檔機。

  低檔機

  這類可編程序控制器，具有基本的控制功能和一般的運算能力。工作速度比較低，能帶的輸入和輸出模塊的數量比較少。

  比如，德國SIEMENS公司生產的S7-200就屬于這一類。

  中檔機

  這類可編程序控制器，具有較強的控制功能和較強的運算能力。它不僅能完成一般的邏輯運算，也能完成比較復雜的三角函數、指數和PID運算。工作速度比較快，能帶的輸入輸出模塊的數量也比較多，輸入和輸出模塊的種類也比較多。

  比如，德國SIEMENS公司生產的S7-300就屬于這一類。

  機

  這類可編程序控制器，具有強大的控制功能和強大的運算能力。它不僅能完成邏輯運算、三角函數運算、指數運算和PID運算，還能進行復雜的矩陣運算。工作速度很快，能帶的輸入輸出模塊的數量很多，輸入和輸出模塊的種類也很。這類可編程序控制器可以完成規模很大的控制任務。在聯網中一般做主站使用。

  比如，德國SIEMENS公司生產的S7-400就屬于這一類。

  結構

  整體式

  整體式結構的可編程序控制器把電源、CPU、存儲器、I/O都集成

  plc結構

  在一個單元內，該單元叫做作基本單元。一個基本單元就是一整的PLC。

  控制點數不符合需要時，可再接擴展單元。整體式結構的特點是非常緊湊、體積小、成本低、安裝方便。

  組合式

  組合式結構的可編程序控制器是把PLC的各個組成部分按功能分成

  plc組合

  若干個模塊，如CPU模塊、輸入模塊、輸出模塊、電源模塊等等。其中各模塊功能比較單一，模塊的種類卻日趨豐富。比如，一些可編程序控制器，除了－些基本的I/O模塊外，還有一些特殊功能模塊，像溫度檢測模塊、位置檢測模塊、PID控制模塊、通訊模塊等等。組合式結構的PLC特點是CPU、輸入、輸出均為的模塊。模塊尺寸統一、安裝整齊、I/O點選型、安裝調試、擴展、方便。

  疊裝式

  疊裝式結構集整體式結構的緊湊、體積小、安裝方便和組合式結構的I/O點搭配靈話、安裝整齊的優點于一身。它也是由各個單元的組合構成。其特點是CPU自成的基本單元（由CPU和一定的I/O點組成），其它I/O模塊為擴展單元。在安裝時不用基板，僅用電纜進行單元間的聯接，各個單元可以一個個地疊裝。使達到配置靈活、體積小巧。

  S3、S5系列PLC已逐步退出市場，停止生產，而S7系列PLC發展成為了西門子自動化的控制核心，而TDC沿用SIMADYN D技術內核，是對S7系列產品的進一步升級，它是西門子自動化，功能強的可編程控制器。

  產品分類

  編輯

  可編程控制器是由現代化生產的需要而產生的，可編程序控制器的分

  西門子PLCS7-200系列

  類也必然要符合現代化生產的需求。

  一般來說可以從三個角度對可編程序控制器進行分類。其一是從可編程序控制器的控制規模大小去分類，其二是從可編程序控制器的性能高低去分類，其三是從可編程序控制器的結構特點去分類。

  控制規模

  可以分為大型機、中型機和小型機。

  西門子PLCS7-300系列

  小型機：小型機的控制點一般在256點之內，適合于單機控制或小型的控制。

  西門子小型機有S7-200：處理速度0.8~1.2ms ；存貯器2k ；數字量248點；模擬量35路 。

  中型機:中型機的控制點一般不大于2048點,可用于對設備進行直接控制，還可以對多個下一級的可編程序控制器進行監控，它適合中型或大型控制。

  西門子中型機有S7-300：處理速度0.8~1.2ms ；存貯器2k ；數字量1024點；模擬量128路 ；網絡PROFIBUS；工業以太網；MPI。

  大型機：大型機的控制點一般大于2048點,不僅能完成較復雜的算術運

  西門子PLCS7-400系列

  算還能進行復雜的矩陣運算。它不僅可用于對設備進行直接控制，還可以對多個下一級的可編程序控制器進行監控。

  西門子大型機有S7-400 ：處理速度0.3ms / 1k字；