第一部分、PID控制
PID算法在S7-200中的实现
调试PID控制器
主要参数是：
积分时间（IntegralTime）：偏差值恒定时，积分时间决定了控制器输出的变化速率。积分时间越短，偏差得到的修正越快。过短的积分时间有可能造成不稳定。积分时间的长度相当于在阶跃给定下，增益为"1"的时候，输出的变化量与偏差值相等所需要的时间，也就是输出变化到二倍于初始阶跃偏差的时间。如果将积分时间设为最大值，则相当于没有积分作用。
常问问题
1、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完全不同的参数值。
2、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：
输出通道是否动作正常
S7-200的新一代产品提供了自整定的PID细调功能。
PID向导编程步骤
在Micro/WIN中的命令菜单中选择ToolsInstructionWizard，然后在指令向导窗
口中选择PID指令：
图1.选择PID向导
在使用向导时必须先对项目进行编译，在随后弹出的对话框中选择"Yes"，确认编译。如果已有的程序中存在错误，或者有没有编完的指令，编译不能通过。如果你的项目中已经配置了一个PID回路，则向导会指出已经存在的PID回路，并让你选择是配置修改已有的回路，还是配置一个新的回路：
图2.选择需要配置的回路
第一步：定义需要配置的PID回路号
图3.选择PID回路号
第二步：设定PID回路参数
图4.设置PID参数
图4中:
以下定义PID回路参数，这些参数都应当是实数：
（增益）：即比例常数。
（积分时间）：如果不想要积分作用，可以把积分时间设为无穷大：9999.99
（微分时间）：如果不想要微分回路，可以把微分时间设为0。
注意：关于具体的PID参数值，每一个项目都不一样，需要现场调试来定，没有所谓经验参数。
第三步：设定回路输入输出值
图5.设定PID输入输出参数
在图5中，首先设定过程变量的范围：
a.指定输入类型
Unipolar：单极性，即输入的信号为正，如0－10V或0－20mA等
Bipolar：双极性，输入信号在从负到正的范围内变化。如输入信号为正负10V、正负5V等时选用
20%Offset：选用20%偏移。如果输入为4－20mA则选单极性及此项，4mA是0－20mA信号的20%，所以选20%偏移，即4mA对应6400，20mA对应32000
在a.设置为Unipolar时，缺省值为0-32000，对应输入量程范围0-10V或0-20mA等，输入信号为正
在a.设置为Bipolar时，缺省的取值为-32000-+32000，对应的输入范围根据量程不同可以是正负10V、正负5V等
（输出类型）可以选择模拟量输出或数字量输出。模拟量输出用来控制一些需要模拟量给定的设备，如比例阀、变频器等；数字量输出实际上是控制输出点的通、断状态按照一定的占空比变化，可以控制固态继电器（加热棒等）
d.选择模拟量则需设定回路输出变量值的范围，可以选择：
Unipolar：单极性输出，可为0－10V或0－20mA等
Bipolar：双极性输出，可为正负10V或正负5V等
20%Offset：如果选中20%偏移，使输出为4-20mA
e.取值范围：
d为Unipolar时，缺省值为0到32000
d为Bipolar时，取值-32000到32000
d为20%Offset时，取值6400-32000，不可改变
如果选择了开关量输出，需要设定此占空比的周期。
第四步：设定回路报警选项
图6.设定回路报警限幅值
向导提供了三个输出来反映过程值(PV)的低值报警、高值报警及过程值模拟量模块错误状态。当报警条件满足时，输出置位为1。这些功能在选中了相应的选择框之后起作用。
a.使能低值报警并设定过程值(PV)报警的低值，此值为过程值的百分数，缺省值为0.10，即报警的低值为过程值的10％。此值最低可设为0.01，即满量程的1%
b.使能高值报警并设定过程值(PV)报警的高值，此值为过程值的百分数，缺省值为0.90，即报警的高值为过程值的90％。此值最高可设为1.00，即满量程的100%
c.使能过程值(PV)模拟量模块错误报警并设定模块于CPU连接时所处的模块位置。"0"就是第一个扩展模块的位置
第五步：指定PID运算数据存储区
图7.分配运算数据存储区
自动分配的地址只是在执行PID向导时编译检测到空闲地址。向导将自动为该参数表分配符号名，用户不要再自己为这些参数分配符号名，否则将导致PID控制不执行。
第六步：定义向导所生成的PID初使化子程序和中断程序名及手/自动模式
图8.指定子程序、中断服务程序名和选择手动控制
向导已经为初使化子程序和中断子程序定义了缺省名，你也可以修改成自己起的名字。
a.指定PID初使化子程序的名字。
b.指定PID中断子程序的名字
注意：
1.如果你的项目中已经存在一个PID配置，则中断程序名为只读，不可更改。因为一个项目中所有PID共用一个中断程序，它的名字不会被任何新的PID所更改。
2.PID向导中断用的是SMB34定时中断，在用户使用了PID向导后，注意在其它编程时不要再用此中断，也不要向SMB34中写入新的数值，否则PID将停止工作。
c.此处可以选择添加PID手动控制模式。在PID手动控制模式下，回路输出由手动输出设定控制，此时需要写入手动控制输出参数一个0.0－1.0的实数，代表输出的0％－100％而不是直接去改变输出值。
此功能提供了PID控制的手动和自动之间的无扰切换能力。
第七步：生成PID子程序、中断程序及符号表等
图9.生成PID子程序、中断程序和符号表等
第八步：配置完PID向导，需要在程序中调用向导生成的PID子程序（如下图）
图10.PID子程序图11.调用PID子程序
在用户程序中调用PID子程序时，可在指令树的ProgramBlock（程序块）中用鼠标双击由向导生成的PID子程序，在局部变量表中，可以看到有关形式参数的解释和取值范围。
a.必须用来使能PID，以保证它的正常运行
c.此处输入设定值变量地址（VDxx），或者直接输入设定值常数，根据向导中的设定0.0－100.0，此处应输入一个0.0－100.0的实数，例：若输入20，即为过程值的20％，假设过程值AIW0是量程为0－200度的温度值，则此处的设定值20代表40度（即200度的20％）；如果在向导中设定给定范围为0.0-200.0，则此处的20相当于20度
d.此处用控制PID的手/自动方式，当为1时，为自动，经过PID运算从AQW0输出；当为0时，PID将停止计算，AQW0输出为ManualOutput（VD4）中的设定值，此时不要另外编程或直接给AQW0赋值。若在向导中没有选择PID手动功能，则此项不会出现
e.定义PID手动状态下的输出，从AQW0输出一个满值范围内对应此值的输出量。此处可输入手动设定值的变量地址（VDxx），或直接输入数。数值范围为0.0-1.0之间的一个实数，代表输出范围的百分比。例：如输入0.5，则设定为输出的50％。若在向导中没有选择PID手动功能，则此项不会出现
f.此处键入控制量的输出地址
g.当高报警条件满足时，相应的输出置位为1，若在向导中没有使能高报警功能，则此项将不会出现
h.当低报警条件满足时，相应的输出置位为1，若在向导中没有使能低报警功能，则此项将不会出现
i.当模块出错时，相应的输出置位为1，若在向导中没有使能模块错误报警功能，则此项将不会出现
调用PID子程序时，不用考虑中断程序。子程序会自动初始化相关的定时中断处理事项，然后中断程序会自动执行。
第九步：实际运行并调试PID参数
没有一个PID项目的参数不需要修改而能直接运行，因此需要在实际运行时调试PID参数。
查看DataBlock（数据块），以及SymbolTable（符号表）相应的PID符号标签的内容，可以找到包括PID核心指令所用的控制回路表，包括比例系数、积分时间等等。将此表的地址复制到StatusChart（状态表）中，可以在监控模式下在线修改PID参数，而不必停机再次做组态。
参数调试合适后，用户可以在数据块中写入，也可以再做一次向导，或者编程向相应的数据区传送参数。
常问问题
1、做完PID向导后，如何知道向导中设定值，过程值及PID等参数所用的地址？
做完PID向导后可在SymbolTable（符号表）中，查看PID向导所生成的符号表(上例中为PID0_SYM)，可看到各参数所用的详细地址，及数值范围。
在DataBlock（数据块）中，查看PID指令回路表的相关参数。如图所示：
图12.PID数据块
2、做完PID向导后，如何在调试中修改PID参数？
可以在StatusChart（状态表）中，输入相应的参数地址，然后在线写入用户需要的PID参数数值，这样用户就可根据工艺需要随时对PID参数、设定值等进行调整。
3、PID已经调整合适，如何正式确定参数？
可以在DataBlock（数据块）中直接写入参数。
4、做完PID向导后，能否查看PID生成的子程序，中断程序？
PID向导生成的子程序，中断程序用户是无法看到的，也不能对其进行修改。没有密码能够打开这些子程序，一般的应用也没有必要打开查看。
5、PID参数有经验值吗？
每一个项目的PID参数都不一样，没有经验参数，只能现场调试获得。
6、我的PID向导生成的程序为何不执行？
必须保证用无条件调用PID0_INIT程序bull;在程序的其它部分不要再使用SMB34定时中断，也不要对SMB34赋值
7、如何实现PID反作用调节？
8、如何根据工艺要求有选择地投入PID功能？
可使用"手动/自动"切换的功能。PID向导生成的PID功能块只能使用的条件调用。
完成PIDWizard组态后，会为每个PID回路生成一个子程序PIDx_INIT
（x=0-7）。在用户程序中，必须使用始终调用这个子程序才能实现PID功能。
下图是一个最简单的PID子程序调用程序段：
图1.调用PID子程序
其中：
Setpoint：给定参数值的入口
Output：PID调节器的输出值
注意：
这取决于被控制的对象，如果是压力，则给定也必须对应于压力值；如果是温度，则给定也必须对应于温度。
图2.在图中a.处设置给定范围
实例
表1.
n为比例系数，为了精度高些可以设置n=10等等
又如一个温度控制的PID系统，温度值直接由热电偶测量，输入到EM231TC（热电偶）模块转换为温度值。热电偶为J型，其测量范围为-150.0deg;;C。则可按如下设置给定的范围。
表2.
图5.给定范围设置
第二部分、PID自整定
PID自整定
新的S7-200CPU支持PID自整定功能，在STEP7-Micro/中也添加了PID调节控制面板。用户可以使用用户程序或PID调节控制面板来启动自整定功能。在同一时间最多可以有8个PID回路同时进行自整定。PID调节控制面板也可以用来手动调试老版本的（不支持PID自整定）CPU的PID控制回路。
用户可以根据工艺要求为调节回路选择快速响应、中速响应、慢速响应或极慢速响应。PID自整定会根据响应类型而计算出最优化的比例、积分、微分值，并可应用到控制中。
PID调节控制面板
STEP7-Micro/中提供了一个PID调节控制面板，可以用图形方式监视PID回路的运行，另外从面板中还可以启动、停止自整定功能。
图1.PID调节控制面板
在图1中：
a.过程值指示显示过程变量的值及其棒图
b.当前的输出值指示显示当前使用的设定值、采样时间、PID参数值及显示当前的输出值和棒图
c.可显示过程值、设定值及输出值的PID趋势图
图2.图形显示区
图中：
A.过程变量和设定值的取值范围及刻度
输出的取值范围及刻度
C.实际PC时间
D.以不同颜色表示的设定值、过程变量及输出的趋势图
d.调节参数这里你可以：
选择PID参数的显示：当前参数（Current）、推荐参数（Suggested）、手动输入（Manual)
在Manual模式下，可改变PID参数，并按UpdatePLC按钮来更新PLC中的参数
启动PID自整定功能
选择Advanced（高级）按钮进入高级参数设定
e.当前的PID回路号
这里你可以选择需要监视或自整定的PID回路
f.时间选项设定
这里你可以设定趋势图的时基，时基以分为单位
g.图例颜色
这里你可以看到趋势图中不同的颜色代表不同的值的趋势
h.帮助按钮
信息显示窗口
j.关闭PID调节面板
要使用PID调节控制面板，PID编程必须使用PID向导完成。
PID自整定步骤
第一步：在PIDWizard(向导）中完成PID功能组态
要想使用PID自整定功能，PID编程必须用PID向导来完成
第二步：打开PID调节控制面板，设置PID回路调节参数
为了使PID自整定顺利进行，应当做到：
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
参见：手动调整PID回路参数
图3.设置PID自整定高级选项
在此允许你设定下列参数：
a.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。
（滞回死区）：
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％。
（偏差）：
（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第一步变化值，以占实际输出量程的百分比表示。
（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。
f.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
用户在这里指定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。
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。
完成PID调整后，最好下载一次整个项目（包括数据块），使新参数保存到CPU的EEPROM中。
PID自整定失败的原因
PID输出在最大值与最小值之间振荡（曲线接触到坐标轴）
解决方法：降低PID初始输出步长值（initialoutputstep）
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WatchdogTime的值，将其适当增大。对于其它错误，可参考手册中表15－3中的错误代码的描述。
如何获得一个稳定的PID回路
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。
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（sampletime）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（Integraltime)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
产生原因：
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，最低可从0.x开始逐渐增大往上调，直到获得稳定的PID。
