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朝陽西門子S7-1500代理商

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為了達到 PID 自動/手動控制的無擾動切換,需要在編程時注意一些相關事項。下面分別就直接使用 PID 指令編程,和使用 PID 向導編程兩種情況作一介紹。

1.直接使用 PID 指令編程時的 PID 自動/手動無擾切換

直接使用 PID 指令塊編寫 PID 控制程序時,可以簡單地使用“調用/不調用”指令的方式控制自動/手動模式。因為 PID 指令本身已經具有實現(xiàn)無擾動切換的能力,此時在 PID 指令控制環(huán)節(jié)之外編程沒有多大必要。

PID 指令的 EN 輸入端使能(為“1”)時,我們認為是自動控制模式;EN 輸入端未使能(為“0”)時,我們認為是手動控制模式。

PID 指令本身有一個“能流歷史狀態(tài)位”,以記錄指令的狀態(tài)切換。在 EN 端從“0”變?yōu)?rdquo;“1”時,PID 指令認為這是從“手動”模式向“自動”模式切換。PID 指令此時會自動執(zhí)行一系列動作,以配合無擾動切換:

  • 使設定值( SPn) = 當前過程反饋變量(PVn)
  • 設置上次采樣過程變量(PVn-1) = 當前過程反饋變量(PVn)
  • 設置積分偏差和(或所謂積分前項)(Mx) = 當前輸出值(Mn)

使設定值等于當前反饋值可以避免出現(xiàn)偏差,使之不存在調整的要求;當然如果有工藝要求,也可以后續(xù)調整設定值。其他的動作都是為了使 PID 在后續(xù)的操作中不改變輸出的值。

在編程時要注意:

  • 從自動模式向手動模式切換時,PID 指令的 EN 端不再有能流,計算停止,輸出值 Mn 不再變化。此時如果需要操作人員人工觀察控制的結果,手動控制輸出量,就可以通過用戶程序直接改變回路表中的輸出值存儲單元內容(見數(shù)據(jù)塊或系統(tǒng)手冊的相關部分內容)。如果有必要,操作人員的操作可能要進行一些標準化換算。
  • 為保證從手動模式向自動模式的切換無擾動,需要在手動控制時,或在切換過程中,禁止對 PID 回路表中設定值的更新,以便切換時 PID 指令用當前過程反饋值替代設定值。切換完成后,操作人員可以調整設定值。

2.使用 PID 向導編程時的 PID 自動/手動無擾切換

使用 PID 指令向導編程時,指令向導會自動調用 PID 指令,并且編寫外圍的控制變量標準化換算、定時采樣等功能。用戶在使用 PID 指令向導時,需要在用戶程序中用 SM0.0 調用指令向導生成的子程序(如 PIDx_INIT 子程序)。PID 向導可以生成帶自動/手動切換功能的子程序,這個子程序使用一個數(shù)字量點為“1”、“0”的狀態(tài)來控制是否投入 PID 自動控制。

到目前為止(STEP 7-Micro/WIN V4.0 SP5),使用 PID 向導生成的子程序時,由于用戶程序不能直接使用 PID 指令,它的無擾切換能力因為隔了外殼子程序,所以受到了局限。如果對無擾切換要求比較嚴格,需要另外編一些程序加以處理。

考察如下 PID 控制子程序。

圖 4.1.1. PID 向導生成的指令

圖中:

  1. 過程反饋量
  2. 設定值,實數(shù)
  3. 自動/手動控制,“1”=自動,“0”=手動
  4. 手動控制輸出值,0.0 - 1.0 之間的一個實數(shù)
  5. PID 控制輸出值

要實現(xiàn)無擾動切換,必須:

  • 在從自動向手動切換時,使手動輸出值(VD2004)等于當前的實際控制輸出值;
  • 在從手動向自動切換使,使設定值相當于當前的過程反饋值。

為此,可編寫類似下圖所示的程序,放在 PID 控制子程序之前:

4.1.2. 無擾切換處理程序

圖中:

  1. 自動/手動切換控制點
  2. 從自動向手動切換時,使手動輸出值等于實際當前值
  3. 從手動向自動切換時,把當前反饋量換算為相應的給定值

上述程序中的 Scale_I_to_R 就是量程變換指令庫中的子程序。這是為了解決過程反饋與設定值之間的換算問題。用戶也可以自己編程換算,或者根據(jù)反饋與給定的取值范圍決定是否需要換算。

此段程序適用于 STEP 7-Micro/WIN V4.0 SP5 及以前版本,僅供參考,如果在實際項目中使用,上述程序未必一定適用。用戶需要根據(jù)實際工藝決定自己的編程思路。

4.2. PID調節(jié)步驟簡介

建議PID參數(shù)調節(jié)步驟:

(1)前提條件:反饋信號是否穩(wěn)定,執(zhí)行機構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,將調好的比例系數(shù)調整到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)實際情況靈活調節(jié),同時可以參考反饋與給定的曲線圖

用戶經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)間內調節(jié)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(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:

  • 調整微分參數(shù)到0-1的范圍內
  • 根據(jù)回路調節(jié)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(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調節(jié)過程中,用戶通常需要做多次的參數(shù)調節(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

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(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(shù)?有沒有相關的經驗數(shù)據(jù)?

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

PID控制不穩(wěn)定怎么辦?如何調試PID?

閉環(huán)系統(tǒng)的調試,首先應當做開環(huán)測試。所謂開環(huán),就是在PID調節(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(yè)控制的各個領域??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(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(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: