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.2. PID調(diào)節(jié)步驟簡(jiǎn)介

建議PID參數(shù)調(diào)節(jié)步驟：

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

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

（3）當(dāng)過(guò)程變量達(dá)到給定值且在給定值上下波動(dòng)，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(shí)間，直到過(guò)程值與設(shè)定值相等或無(wú)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(shí)際情況靈活調(diào)節(jié)，同時(shí)可以參考反饋與給定的曲線圖

用戶經(jīng)常會(huì)遇到這樣的問(wèn)題：嘗試了很多組PID參數(shù)，都無(wú)法滿足控制器的要求， 此時(shí)需要考慮PID的采樣時(shí)間是否適合當(dāng)前系統(tǒng)。采樣時(shí)間就是對(duì)反饋進(jìn)行采樣的間隔。短于采樣時(shí)間間隔的信號(hào)變化是不能測(cè)量到的。采樣時(shí)間過(guò)短，兩次實(shí)測(cè)值的變化量太小，也不合適，而且增加PLC的運(yùn)算負(fù)擔(dān)；采樣間隔過(guò)長(zhǎng)，將會(huì)引起有用信號(hào)的丟失，使系統(tǒng)品質(zhì)變差，不能滿足擾動(dòng)變化比較快、或者速度響應(yīng)要求高的場(chǎng)合。除此以外，也有可能是系統(tǒng)自身的問(wèn)題，無(wú)法調(diào)節(jié)到穩(wěn)定，例如， 不規(guī)律的干擾，或者反饋信號(hào)不穩(wěn)定。

4.3. 手動(dòng)調(diào)節(jié)PID至穩(wěn)定問(wèn)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(shí)間（sample time）太長(zhǎng)（對(duì)于快速響應(yīng)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(shí)間

2. 過(guò)程變量超過(guò)設(shè)定值很多（超調(diào)很大）

產(chǎn)生原因：積分時(shí)間（Integral time)可能太高。

解決方法：降低積分時(shí)間 3. 得到一個(gè)非常不穩(wěn)定的PID。

• 如果用了微分，可能是微分參數(shù)有問(wèn)題
• 沒(méi)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(kāi)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(shí)現(xiàn)快速并穩(wěn)定的PID控制？

PID調(diào)節(jié)過(guò)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(guò)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(duì)比，并修改相關(guān)參數(shù)（但是因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)情況不一樣，用戶還需具體問(wèn)題具體對(duì)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(guò)大，減小比例，增大積分時(shí)間

2.迅速變化，存在小超調(diào)

3.實(shí)際值緩慢接近設(shè)定值，并且無(wú)超調(diào)的達(dá)到設(shè)定值

4.增益系數(shù)太小和/或微分時(shí)間太長(zhǎng)

5.益系數(shù)太小和/或積分時(shí)間太長(zhǎng)

常見(jiàn)問(wèn)題

沒(méi)有采用積分控制時(shí)，為何反饋達(dá)不到給定？

這是必然的。因?yàn)榉e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(méi)有積分控制的比例控制系統(tǒng)中，沒(méi)有偏差就沒(méi)有輸出量，沒(méi)有輸出就不能維持反饋值與給定值相等。所以永遠(yuǎn)不能做到?jīng)]有偏差。

對(duì)于某個(gè)具體的PID控制項(xiàng)目，是否可能事先得知比較合適的參數(shù)？有沒(méi)有相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)？

雖然有理論上計(jì)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(xué)上描述，計(jì)算出的數(shù)值往往沒(méi)有什么實(shí)際意義。因此，除了實(shí)際調(diào)試獲得參數(shù)外，沒(méi)有什么可用的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)值存在。甚至對(duì)于兩套看似一樣的系統(tǒng)，都可能通過(guò)實(shí)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(yīng)當(dāng)做開(kāi)環(huán)測(cè)試。所謂開(kāi)環(huán)，就是在PID調(diào)節(jié)器不投入工作的時(shí)候，觀察：

• 反饋通道的信號(hào)是否穩(wěn)定
• 輸出通道是否動(dòng)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(shí)間不要太短，以免引起振蕩。在這個(gè)基礎(chǔ)上，可以直接投入運(yùn)行觀察反饋的波形變化。給出一個(gè)階躍給定，觀察系統(tǒng)的響應(yīng)是的方法。

如果反饋達(dá)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(yīng)該考慮是否增益過(guò)大、積分時(shí)間過(guò)短；如果反饋遲遲不能跟隨給定，上升速度很慢，應(yīng)該考慮是否增益過(guò)小、積分時(shí)間過(guò)長(zhǎng)……

總之，PID參數(shù)的調(diào)試是一個(gè)綜合的、互相影響的過(guò)程，實(shí)際調(diào)試過(guò)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(shí)反饋算法。經(jīng)過(guò)這二十年，繼電反饋算法已被應(yīng)用于工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域?？梢允褂貌僮鲉T面板中的用戶程序或者 PID 整定控制面板來(lái)啟動(dòng)自整定功能。在同一時(shí)間，不僅僅只有一個(gè) PID 回路可以進(jìn)行自整定，如果需要的話，所有 8 個(gè) PID 回路可以同時(shí)進(jìn)行自整定。PID自整定算法向您推薦增益值、積分時(shí)間值和微分時(shí)間值。您也可以為您的調(diào)節(jié)回路選擇快速響應(yīng)、中速響應(yīng)、慢速響應(yīng)或者極慢速響應(yīng)等調(diào)節(jié)類型。

5.1. PID自整定先決條件

啟動(dòng)自整定先決條件：

要進(jìn)行自整定的回路必須處于自動(dòng)模式

在開(kāi)始PID自整定調(diào)整前，整個(gè)PID控制回路必須工作在相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)（穩(wěn)定的PID是指過(guò)程變量接近設(shè)定值，輸出不會(huì)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(dòng)時(shí)，回路輸出值應(yīng)該在控制范圍中心附近。 自整定過(guò)程在回路的輸出中加入一些小的階躍變化，使得控制過(guò)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(guò)程引入的階躍變化可能導(dǎo)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(huì)生成自整定錯(cuò)誤條件，當(dāng)然也會(huì)使推薦值并非化。

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

啟動(dòng)自整定后,回路計(jì)算自滯后序列時(shí)，不能執(zhí)行正常的 PID 計(jì)算，此時(shí)回路輸出時(shí)一個(gè)定值，不會(huì)根據(jù)偏差變化。 因此，在啟動(dòng)自整定序列之前，控制過(guò)程應(yīng)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(shí)也可以保證自滯后序列期間控制過(guò)程不會(huì)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(jiàn)下圖：

PID擴(kuò)展回路表

a. AT控制（ACNTL）： 啟動(dòng)/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(shí)的相關(guān)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(dòng)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(dòng)自整定，可能需要手動(dòng)設(shè)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(duì)響應(yīng)模式、偏差、滯后等做相關(guān)設(shè)置。

圖 5.2.5. PID自整定AT配置字節(jié)

e.偏移（DEV）~ h.看門狗時(shí)間（WDOG）： 參考PID自整定高級(jí)參數(shù)設(shè)置。

i.推薦增益（AT_Kc）~ k.推薦微分時(shí)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(shí)際輸出階躍幅度（ASTEP）：調(diào)節(jié)開(kāi)始后，PID計(jì)算出的新的輸出階躍值。

m.實(shí)際滯后（AHYS）： 重新計(jì)算得到的實(shí)際滯后值。

 5.3. 通過(guò)PID控制面板啟動(dòng)自整定

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

需要注意：

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

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

下面介紹通過(guò)PID控制面板實(shí)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(kāi)PID調(diào)節(jié)控制面板，設(shè)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(jìn)入PID調(diào)節(jié)控制面板中，如果面板沒(méi)有被激活（所有地方都是灰色），可點(diǎn)擊Configure（配置）按鈕運(yùn)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(hào)，在d.區(qū)選擇Manual（手動(dòng)），調(diào)節(jié)PID參數(shù)并點(diǎn)擊Update（更新），使新參數(shù)值起作用，監(jiān)視其趨勢(shì)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(jìn)行，應(yīng)當(dāng)做到：

• 使PID調(diào)節(jié)器基本穩(wěn)定，輸出、反饋?zhàn)兓骄?，并且使反饋比較接近給定
• 設(shè)置合適的給定值，使PID調(diào)節(jié)器的輸出遠(yuǎn)離趨勢(shì)圖的上、下坐標(biāo)軸，以免PID自整定開(kāi)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(diǎn)擊Advanced（高級(jí)）按鈕，設(shè)定PID自整定選項(xiàng)。如果不是很特殊的系統(tǒng)，也可以不加理會(huì)。

在此允許你設(shè)定下列參數(shù)：

1.你可以選中復(fù)選框，讓自整定來(lái)自動(dòng)計(jì)算死區(qū)值和偏移值   對(duì)于一般的PID系統(tǒng)，建議使用自動(dòng)選擇。

2.Hysteresis（滯回死區(qū)）： 死區(qū)值規(guī)定了允許過(guò)程值偏離設(shè)定值的大（正負(fù)）范圍，過(guò)程反饋在這個(gè)范圍內(nèi)的變化不會(huì)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(rèn)為”這個(gè)范圍內(nèi)的變化是由于自己改變輸出進(jìn)行自整定調(diào)節(jié)而引起的。PID自整定開(kāi)始后，只有過(guò)程反饋值超出了該區(qū)域，PID自整定調(diào)節(jié)器才會(huì)認(rèn)為它對(duì)輸出的改變發(fā)生了效果。這個(gè)值用來(lái)減少過(guò)程變量的噪聲對(duì)自整定的干擾，從而更地計(jì)算出過(guò)程系統(tǒng)的自然振動(dòng)頻率。如果選用自動(dòng)計(jì)算，則缺省值為2％。

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

3.Deviation（偏差）： 偏差值決定了允許過(guò)程變量偏離設(shè)定值的峰峰值。如果選擇自動(dòng)計(jì)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(guò)程量偏離給定值很多，也可以人工設(shè)置為比較小的值，但是要和上述“死區(qū)”設(shè)置保持比例關(guān)系。這就是說(shuō)，一個(gè)精度要求高的系統(tǒng)，其反饋信號(hào)必須足夠穩(wěn)定。

4.Initial Output Step（初始步長(zhǎng)值）：PID調(diào)節(jié)的初始輸出值。 PID自整定開(kāi)始后，PID自整定調(diào)節(jié)器將主動(dòng)改變PID的輸出值，以觀察整個(gè)系統(tǒng)的反應(yīng)。初始步長(zhǎng)值就是輸出的變動(dòng)*步變化值，以占實(shí)際輸出量程的百分比表示。

5.Watchdog Time（看門狗時(shí)間）：過(guò)程變量必須在此時(shí)間（時(shí)基為秒）內(nèi)達(dá)到或穿越給定值，否則會(huì)產(chǎn)生看門狗超時(shí)錯(cuò)誤。 PID自整定調(diào)節(jié)器在改變輸出后，如果超過(guò)此時(shí)間還未觀察到過(guò)程反饋（從下至上或從上至下）穿越給定曲線，則超時(shí)。如果能夠事先確定實(shí)際系統(tǒng)響應(yīng)非常慢，可以加長(zhǎng)這個(gè)時(shí)間。

6.動(dòng)態(tài)響應(yīng)選項(xiàng)：根據(jù)回路過(guò)程（工藝）的要求可選擇不同的響應(yīng)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(yīng)

中速：在產(chǎn)生超調(diào)的邊緣，屬于臨界阻尼響應(yīng)

慢速：不會(huì)產(chǎn)生任何超調(diào)，屬于過(guò)阻尼響應(yīng)

極慢速：不會(huì)產(chǎn)生任何超調(diào)，屬于嚴(yán)重過(guò)阻尼響應(yīng)

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

7.設(shè)定完參數(shù)點(diǎn)擊OK鍵回到PID調(diào)節(jié)控制面板的主畫面。

第四步：在手動(dòng)將PID調(diào)節(jié)到穩(wěn)定狀態(tài)后，即過(guò)程值與設(shè)定值接近，且輸出沒(méi)有不規(guī)律的變化，并處于控制范圍中心附近。此時(shí)可點(diǎn)擊圖3.4.1的d.區(qū)內(nèi)的Start Auto Tune按鈕啟動(dòng)PID自整定功能，這時(shí)按鈕變?yōu)镾top Auto Tune。這時(shí)只需耐心等待，系統(tǒng)完成自整定后會(huì)自動(dòng)將計(jì)算出的PID參數(shù)顯示在圖3.4.1的d.區(qū)。當(dāng)按鈕再次變?yōu)镾tart Auto Tune時(shí)，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(dòng)模式。開(kāi)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(yīng)用到當(dāng)前PLC中，則只需點(diǎn)擊Update PLC，將整定后推薦參數(shù)更新到PID的增益、積分時(shí)間、微分時(shí)間內(nèi)。

完成PID調(diào)整后，下載一次整個(gè)項(xiàng)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(huì)顯示當(dāng)前自整定的狀態(tài)嗎？

可以，在控制面板右下方空白處會(huì)顯示當(dāng)前的自整定所處階段，見(jiàn)下圖：

圖5.3.2. PID自整定狀態(tài)

圖中錯(cuò)誤是因?yàn)樵谑謩?dòng)狀態(tài)下啟動(dòng)自整定。

PID自整定具體是怎樣實(shí)現(xiàn)的？

1. 回路滿足條件，啟動(dòng)PID自整定。

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

3. 自整定序列：在得到滯后值和偏移值之后開(kāi)始執(zhí)行自整定序列（輸出值的上述變化會(huì)導(dǎo)致過(guò)程變量值產(chǎn)生相應(yīng)的變化。 當(dāng)輸出的變化使 PV 遠(yuǎn)離設(shè)定值以至于超出滯后區(qū)范圍時(shí)，自整定器就會(huì)檢測(cè)到過(guò)零事件。 每次發(fā)生過(guò)零事件時(shí)，自整定器將反方向改變輸出。整定器會(huì)繼續(xù)對(duì) PV 進(jìn)行采樣，并等待下一個(gè)過(guò)零事件。要完成序列，整定器總共需要12次過(guò)零事件。過(guò)程變量的PV振動(dòng)幅度和頻率代表著控制過(guò)程增益和自然頻率。），根據(jù)自整定過(guò)程期間采集到的過(guò)程的頻率和增益的相關(guān)信息，能夠計(jì)算出終增益和頻率值。通過(guò)這些值可以計(jì)算出增益（回路增益）、復(fù)位（積分時(shí)間）和速率（微分時(shí)間）的建議值。

4. 自整定序列完成后，回路輸出會(huì)恢復(fù)到初始值。 下一次執(zhí)行回路時(shí)，將執(zhí)行正常的 PID 計(jì)算。

想要了解PID自整定的詳細(xì)過(guò)程，請(qǐng)查看S7-200系統(tǒng)手冊(cè)第15章 PID自整定和PID控制面板 。

5.4. 通過(guò)編程啟動(dòng)自整定

*步：在數(shù)據(jù)塊定設(shè)置自整定相關(guān)參數(shù)：偏差、滯后、初始輸出階躍響應(yīng)、看門狗時(shí)間、動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

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

第三步：確認(rèn)自整定AT結(jié)果字節(jié)0位為0，設(shè)置AT控制字節(jié)為1，(M3.1)啟動(dòng)自整定。

第四步：整定過(guò)程中如果想要暫停自整定，可以設(shè)AT控制為0，并手動(dòng)(M3.2) 將AT結(jié)果清零，復(fù)位啟動(dòng)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(fù)位相關(guān)自整定參數(shù)。

以上步驟僅供參考，需要根據(jù)實(shí)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(biāo)軸）

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

2. 經(jīng)過(guò)一段時(shí)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(jì)算因?yàn)榈却答伌┰浇o定值的看門狗超時(shí)而失敗。

解決方法： 確定在啟動(dòng)PID自整定前，過(guò)程變量和輸出值已經(jīng)穩(wěn)定。并檢查Watchdog Time的值，將其適當(dāng)增大。