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吉林西門(mén)子S7-1500代理商

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為了達(dá)到 PID 自動(dòng)/手動(dòng)控制的無(wú)擾動(dòng)切換,需要在編程時(shí)注意一些相關(guān)事項(xiàng)。下面分別就直接使用 PID 指令編程,和使用 PID 向?qū)Ь幊虄煞N情況作一介紹。

1.直接使用 PID 指令編程時(shí)的 PID 自動(dòng)/手動(dòng)無(wú)擾切換

直接使用 PID 指令塊編寫(xiě) PID 控制程序時(shí),可以簡(jiǎn)單地使用“調(diào)用/不調(diào)用”指令的方式控制自動(dòng)/手動(dòng)模式。因?yàn)?PID 指令本身已經(jīng)具有實(shí)現(xiàn)無(wú)擾動(dòng)切換的能力,此時(shí)在 PID 指令控制環(huán)節(jié)之外編程沒(méi)有多大必要。

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

PID 指令本身有一個(gè)“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(shí),PID 指令認(rèn)為這是從“手動(dòng)”模式向“自動(dòng)”模式切換。PID 指令此時(shí)會(huì)自動(dòng)執(zhí)行一系列動(dòng)作,以配合無(wú)擾動(dòng)切換:

  • 使設(shè)定值( SPn) = 當(dāng)前過(guò)程反饋?zhàn)兞浚≒Vn)
  • 設(shè)置上次采樣過(guò)程變量(PVn-1) = 當(dāng)前過(guò)程反饋?zhàn)兞浚≒Vn)
  • 設(shè)置積分偏差和(或所謂積分前項(xiàng))(Mx) = 當(dāng)前輸出值(Mn)

使設(shè)定值等于當(dāng)前反饋值可以避免出現(xiàn)偏差,使之不存在調(diào)整的要求;當(dāng)然如果有工藝要求,也可以后續(xù)調(diào)整設(shè)定值。其他的動(dòng)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(shí)要注意:

  • 從自動(dòng)模式向手動(dòng)模式切換時(shí),PID 指令的 EN 端不再有能流,計(jì)算停止,輸出值 Mn 不再變化。此時(shí)如果需要操作人員人工觀察控制的結(jié)果,手動(dòng)控制輸出量,就可以通過(guò)用戶程序直接改變回路表中的輸出值存儲(chǔ)單元內(nèi)容(見(jiàn)數(shù)據(jù)塊或系統(tǒng)手冊(cè)的相關(guān)部分內(nèi)容)。如果有必要,操作人員的操作可能要進(jìn)行一些標(biāo)準(zhǔn)化換算。
  • 為保證從手動(dòng)模式向自動(dòng)模式的切換無(wú)擾動(dòng),需要在手動(dòng)控制時(shí),或在切換過(guò)程中,禁止對(duì) PID 回路表中設(shè)定值的更新,以便切換時(shí) PID 指令用當(dāng)前過(guò)程反饋值替代設(shè)定值。切換完成后,操作人員可以調(diào)整設(shè)定值。

2.使用 PID 向?qū)Ь幊虝r(shí)的 PID 自動(dòng)/手動(dòng)無(wú)擾切換

使用 PID 指令向?qū)Ь幊虝r(shí),指令向?qū)?huì)自動(dòng)調(diào)用 PID 指令,并且編寫(xiě)外圍的控制變量標(biāo)準(zhǔn)化換算、定時(shí)采樣等功能。用戶在使用 PID 指令向?qū)r(shí),需要在用戶程序中用 SM0.0 調(diào)用指令向?qū)傻淖映绦颍ㄈ?PIDx_INIT 子程序)。PID 向?qū)Э梢陨蓭ё詣?dòng)/手動(dòng)切換功能的子程序,這個(gè)子程序使用一個(gè)數(shù)字量點(diǎn)為“1”、“0”的狀態(tài)來(lái)控制是否投入 PID 自動(dòng)控制。

到目前為止(STEP 7-Micro/WIN V4.0 SP5),使用 PID 向?qū)傻淖映绦驎r(shí),由于用戶程序不能直接使用 PID 指令,它的無(wú)擾切換能力因?yàn)楦袅送鈿ぷ映绦?,所以受到了局限。如果?duì)無(wú)擾切換要求比較嚴(yán)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?qū)傻闹噶?/p>

圖中:

  1. 過(guò)程反饋量
  2. 設(shè)定值,實(shí)數(shù)
  3. 自動(dòng)/手動(dòng)控制,“1”=自動(dòng),“0”=手動(dòng)
  4. 手動(dòng)控制輸出值,0.0 - 1.0 之間的一個(gè)實(shí)數(shù)
  5. PID 控制輸出值

要實(shí)現(xiàn)無(wú)擾動(dòng)切換,必須:

  • 在從自動(dòng)向手動(dòng)切換時(shí),使手動(dòng)輸出值(VD2004)等于當(dāng)前的實(shí)際控制輸出值;
  • 在從手動(dòng)向自動(dòng)切換使,使設(shè)定值相當(dāng)于當(dāng)前的過(guò)程反饋值。

為此,可編寫(xiě)類(lèi)似下圖所示的程序,放在 PID 控制子程序之前:

4.1.2. 無(wú)擾切換處理程序

圖中:

  1. 自動(dòng)/手動(dòng)切換控制點(diǎn)
  2. 從自動(dòng)向手動(dòng)切換時(shí),使手動(dòng)輸出值等于實(shí)際當(dāng)前值
  3. 從手動(dòng)向自動(dòng)切換時(shí),把當(dāng)前反饋量換算為相應(yīng)的給定值

上述程序中的 Scale_I_to_R 就是量程變換指令庫(kù)中的子程序。這是為了解決過(guò)程反饋與設(shè)定值之間的換算問(wèn)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(shí)際項(xiàng)目中使用,上述程序未必一定適用。用戶需要根據(jù)實(shí)際工藝決定自己的編程思路。

4.2. 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

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 地描述,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(lèi)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。