一、 PID回路控制概述
PID控制器是應用最廣泛的閉環(huán)控制器,它根據(jù)給定值與被控實測值之間的偏差; 按照PID算法計算出控制器的輸出量,控制執(zhí)行機構(gòu)進行調(diào)節(jié),使被控量跟隨給定量變化,并使系統(tǒng)達到穩(wěn)定; 自動消除各種干擾對控制過程的影響。 其中PID分別表示比例、積分和微分。
S7-200 SMART中PID功能實現(xiàn)方式有以下三種:
PID指令塊:通過一個PID回路表交換數(shù)據(jù),只接受0.0 - 1.0之間的實數(shù)(實際上就是百分比)作為反饋、給定與控制輸出的有效數(shù)值。
PID向?qū)?/strong>:方便地完成輸入/輸出信號轉(zhuǎn)換/標準化處理。 PID指令同時會被自動調(diào)用。
根據(jù)PID算法自己編程
S7-200 SMART CPU最多可以支持8個PID控制回路(8個PID指令功能塊),根據(jù)PID算法自己編程沒有具體數(shù)目的限制,但是我們需要考慮PLC的存儲空間以及掃描周期等影響。
PID控制是負反饋閉環(huán)控制,能夠抑制系統(tǒng)閉環(huán)內(nèi)的各種因素所引起的擾動,使反饋跟隨給定變化。
PID控制算法有幾個關鍵的參數(shù)Kc(Gain,增益)Ti(積分時間常數(shù)),Td(微分時間常數(shù))Ts(采樣時間)
在S7-200 SMART中PID功能是通過PID指令功能塊實現(xiàn)。 通過定時(按照采樣時間)執(zhí)行PID功能塊,按照PID運算規(guī)律,根據(jù)當時的給定、反饋、比例-積分-微分數(shù)據(jù),計算出控制量。
由于PID可以控制溫度、壓力等等許多對象,它們各自都是由工程量表示,因此有一種通用的數(shù)據(jù)表示方法才能被PID功能塊識別。
S7-200 SMART中的PID功能使用占調(diào)節(jié)范圍的百分比的方法抽象地表示被控對象的數(shù)值大小。 在實際工程中,這個調(diào)節(jié)范圍往往被認為與被控對象(反饋)的測量范圍(量程)一致。
PID功能塊只接受0.0 - 1.0之間的實數(shù)(實際上是0%--100%)作為反饋、給定與控制輸出的有效數(shù)值,如果是直接使用PID功能塊編程,必須保證數(shù)據(jù)在這個范圍之內(nèi),否則會出錯。 其他如增益、采樣時間、積分時間、微分時間都是實數(shù)。 因此,必須把外圍實際的物理量與PID功能塊需要的(或者輸出的)數(shù)據(jù)之間進行轉(zhuǎn)換。 這就是所謂輸入/輸出的轉(zhuǎn)換與標準化處理
二、PID主要參數(shù)
采樣時間:CPU必須按照一定的時間間隔對反饋進行采樣,才能進行PID控制的計算。 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。 過短的采樣時間沒有必要,過長的采樣間隔顯然不能滿足擾動變化比較快、或者速度響應要求高的場合。
增益(Gain,放大系數(shù),比例常數(shù))
增益與偏差(給定與反饋的差值)的乘積作為控制器輸出中的比例部分。 提高響應速度,減少誤差,但不能消除穩(wěn)態(tài)誤差,當比例作用過大時,系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。
積分時間:偏差值恒定時,積分時間決定了控制器輸出的變化速率。 積分時間越短,偏差得到的修正越快。 過短的積分時間有可能造成不穩(wěn)定。
積分時間的長度相當于在階躍給定下,增益為“1”的時候,輸出的變化量與偏差值相等所需要的時間,也就是輸出變化到二倍于初始階躍偏差的時間。
如果將積分時間設為最大值,則相當于沒有積分作用。
微分時間:偏差值發(fā)生改變時,微分作用將增加一個尖峰到輸出中,隨著時間流逝減小。 微分時間越長,輸出的變化越大。 微分使控制對擾動的敏感度增加,也就是偏差的變化率越大,微分控制作用越強。 微分相當于對反饋變化趨勢的預測性調(diào)整。
如果將微分時間設置為0就不起作用,控制器將作為PI調(diào)節(jié)器工作。
比例調(diào)節(jié) :提高響應速度,減少誤差,但不能消除穩(wěn)態(tài)誤差,當比例作用過大時,系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。 (由小到大單獨調(diào)節(jié))
積分調(diào)節(jié):消除穩(wěn)態(tài)誤差,使系統(tǒng)的動態(tài)響應變慢,積分時間越小,積分作用越大 ,偏差得到的修正越快,過短的積分時間有可能造成不穩(wěn)定。 (將調(diào)好的比例增益調(diào)整到50%~80%后,由大到小減小積分時間)
微分調(diào)節(jié):超前調(diào)節(jié),能預測誤差變化的趨勢,提前抑制誤差的控制作用,從而避免了被控量的嚴重超調(diào)。 可以改善系統(tǒng)的響應速度和穩(wěn)定性,對噪聲干擾有放大作用,對具有滯后性質(zhì)的被控對象,應加入微分環(huán)節(jié)。
三、PID向?qū)?/strong>
1、在Micro/WIN SMART中的工具菜單中選擇PID向?qū)?/p>
3、S7-200 SMART CPU最多可以支持8個PID控制回路(8個PID指令功能塊)
6、增益:即比例常數(shù)
積分時間:如果不想要積分作用可以將該值設置很大(比如10000.0)
微分時間:如果不想要微分回路,可以把微分時間設為0
采樣時間:是PID控制回路對反饋采樣和重新計算輸出值的時間間隔
8、單極性:0-27648
雙極性-27648到27648
溫度x10°是PT100的熱電阻或熱電偶 的溫度值 °C表示攝氏度 °F表示華氏度
選用20%偏移:如果輸入為4-20mA則選此項,4mA是0-20mA信號的20%,所以選20% 偏移,即4mA對應5530,20mA對應27648
11、輸出類型:可以選擇模擬量輸出或數(shù)字量輸出。
模擬量輸出用來控制一些需要模擬量給定的設備,如比例閥、變頻器等
數(shù)字量輸出實際上是控制輸出點的通、斷狀態(tài)按照一定的占空比變化,可以控制固態(tài)繼電器(加熱棒等)
12、范圍:
為單極時,缺省值為 0 到 27648
為雙極時,取值-27648 到27648
為20%偏移量時,取值5530 - 27648 ,不可改變
14、反饋值下限的10%時報警
15、反饋值高于上限的90%時報警
16、模擬量模塊錯誤報警 。 “EM0”就是第一個擴展模塊的位置
18、可以選擇添加PID 手動控制模式
20、PID功能塊使用了一個120個字節(jié)的V區(qū)地址來進行控制回路的運算工作; 并且PID向?qū)傻妮斎?輸出量的標準化程序也需要運算數(shù)據(jù)存儲區(qū)。 要保證該地址起始的若干字節(jié)在程序的其它地方?jīng)]有被重復使用。
24、向?qū)瓿缮傻淖映绦?/p>
25、向?qū)傻臄?shù)據(jù)塊
數(shù)據(jù)塊的地址需要組態(tài)斷電保持
四、PID指令
五、程序編寫
利用PID向?qū)Ь帉懗绦?、使溫度保持在給定值,并對PID參數(shù)進行整定
六、下載并調(diào)試
下載操作在這不做闡述
1、調(diào)試說明:
(1) 比例增益:提高調(diào)節(jié)速度,減小誤差,但不能消除穩(wěn)態(tài)誤差;
參考方法可由小到大單獨調(diào)節(jié)
(2)積分作用:消除穩(wěn)態(tài)誤差,使系統(tǒng)的動態(tài)相應的變慢,積分過大會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 調(diào)節(jié)參考方法:將調(diào)節(jié)好的比例系數(shù)調(diào)整到50%--80%; 由大到小,增加積分影響
(3)微分作用:超前控制,減少調(diào)節(jié)時間,對干擾有放大作用
調(diào)節(jié)方法參考:由小到大單獨調(diào)節(jié),并相應調(diào)整比例和積分,追求調(diào)節(jié)偏差的變化率
(4)PID調(diào)節(jié)方法:先將積分和微分關閉,先調(diào)比例,在比例差不多時加上積分,一般情況,比例值越大輸出結(jié)果越快; 積分越大,輸出結(jié)果越慢; 微分在調(diào)節(jié)溫控時使用,一般情況可不用
2、可通過狀態(tài)圖表監(jiān)控并修改給定值、手自動狀態(tài)、PWM輸出設置等。
但也可通過PID控制面板進行調(diào)試,如下圖所示:
1、給定值和過程值共用圖形左側(cè)的縱軸,輸出使用圖形右側(cè)的縱軸
2、采樣時間是PID控制回路對反饋采樣和重新計算輸出值的時間間隔(在PID向?qū)渲弥懈模?/p>
3、速率:設置圖形顯示區(qū)所有顯示值的采樣更新速率時間
4、調(diào)節(jié)參數(shù):增益、積分和微分的當前值
5、如果選擇啟用手動調(diào)節(jié),可在計算值中修改PID參數(shù)
6、在自動模式下,單擊“啟動”按鈕,啟動自整定,自整定完成后,單擊“更新”按鈕,可把參數(shù)寫進CPU中
7、單擊“選項”可進入自整定參數(shù)設置(如下圖)
七、PID常見問題
1、 PID向?qū)傻某绦驗楹尾粓?zhí)行?
確保用SM0.0無條件調(diào)用PID0_CTRL庫
在程序的其它部分不要再使用SMB34定時中斷,也不要對SMB34賦值
確認當前工作狀態(tài):手動還是自動
2、如何實現(xiàn)PID反作用調(diào)節(jié)?
在有些控制中需要PID反作用調(diào)節(jié)。 例如:在夏天控制空調(diào)制冷時,若反饋溫度(過程值)低于設定溫度,需要關閥,減小輸出控制(減少冷水流量等)這就是PID反作用調(diào)節(jié)(在PID正作用中若過程值小于設定值,則需要增大輸出控制)
若想實現(xiàn)PID反作用調(diào)節(jié),需要把PID回路的增益設為負數(shù)。 對于增益為0的積分或微分控制來說,如果指定積分時間、微分時間為負值,則是反作用回路。
3、 如何根據(jù)工藝要求有選擇地投入PID功能?
可使用"手動/自動"切換的功能。 PID向?qū)傻腜ID功能塊需要保證每個掃描周期都調(diào)用,所以在主程序內(nèi)使用SM0.0調(diào)用。
4、 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:(1)反饋通道的信號是否穩(wěn)定(2)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)的響應是最好的方法。
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…… 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。
5、沒有采用積分控制時,為何反饋達不到給定?
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。
6、S7-200 SMART控制變頻器,在變頻器也有PID控制功能時,應當使用誰的PID功能?
可以根據(jù)具體情況使用。 一般來說,如果需要控制的變量直接與變頻器直接有關,比如變頻水泵控制水壓等,可以優(yōu)先考慮使用變頻器的PID功能。
7、指令塊與向?qū)褂玫腜ID回路號是否可以重復?
不可以重復,使用PID向?qū)r,對應回路的指令塊也會調(diào)用,所以指令塊與向?qū)褂玫腜ID回路號不能重復,否則會產(chǎn)生預想不到的結(jié)果。
8、同一個程序里既使用PID指令塊又使用向?qū)В琍ID數(shù)目怎樣計算?
使用PID向?qū)r,對應回路的指令塊也會調(diào)用,所以PID指令塊與向?qū)б还仓С?個。
9、PID指令塊可以在主程序/子程序里調(diào)用嗎?
可以,但是不推薦,主程序/子程序的循環(huán)時間每個周期都可能不同,不能保證精確的采樣,建議用定時中斷,例如SMB34/SMB35。
10、SMB34定時最大255ms,如果采樣時間是1S怎樣實現(xiàn)?
采樣時間是1S,要求PID指令塊每隔1S調(diào)用一次。 可以先做一個250ms的定時中斷,然后編程累加判斷每4次中斷執(zhí)行一次PID指令即可。
11、 PID指令塊怎樣實現(xiàn)手動調(diào)節(jié)?
可以簡單地使用"調(diào)用/不調(diào)用"指令的方式控制自動/手動模式。 不調(diào)用PID指令時,可以手動給輸出地址0.0-1.0之間的實數(shù)。
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