UniMAT亿维：S7-200-PID基础篇

• 关键词：200plc,亿维自动化,unimat
• 摘要：当今的闭环自动控制技术都是基于反馈的概念以减少不确定性。反馈理论的要素包括三个部分：测量、比较和执行。测量关心的是被控变量的实际值，与期望值相比较，用这个偏差来纠正系统的响应，执行调节控制。在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。

 1．PID定义

当今的闭环自动控制技术都是基于反馈的概念以减少不确定性。反馈理论的要素包括三个部分：测量、比较和执行。测量关心的是被控变量的实际值，与期望值相比较，用这个偏差来纠正系统的响应，执行调节控制。在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。

2．PID基本用途

它由于用途广泛、使用灵活，已有系列化产品，使用中只需设定三个参数（Kp， Ti和Td）即可。在很多情况下，并不一定需要全部三个单元，可以取其中的一到两个单元，但比例控制单元是必不可少的。

首先，PID应用范围广。虽然很多工业过程是非线性或时变的，但通过对其简化可以变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统，这样PID就可控制了。

其次，PID参数较易整定。也就是，PID参数Kp，Ti和Td可以根据过程的动态特性及时整定。如果过程的动态特性变化，例如可能由负载的变化引起系统动态特性变化，PID参数就可以重新整定。

第三，PID控制器在实践中也不断的得到改进，下面举个改进的例子。

在工厂，总是能看到许多回路都处于手动状态，原因是很难让过程在“自动”模式下平稳工作。由于这些不足，采用PID的工业控制系统总是受产品质量、安全、产量和能源浪费等问题的困扰。PID参数自整定就是为了处理PID参数整定这个问题而产生的。现在，自动整定或自身整定的PID控制器已是工业单回路控制器和分散控制系统的一个标准。

3．PID控制

①　PID是闭环控制系统的比例-积分-微分控制算法。

②　PID控制器根据设定值（给定）与被控对象的实际值（反馈）的差值，按照PID算法计算出控制器的输出量，控制执行机构去影响被控对象的变化。

③　PID控制是负反馈闭环控制，能够抑制系统闭环内的各种因素所引起的扰动，使反馈跟随给定的变化。闭环控制必须保证系统的是负反馈（误差=给定值-反馈值），而不是正反馈（误差=给定值+反馈值）。如果系统接成了正反馈，将会失控，被控量会往单一方向增大或减小，给系统的安全带来极大的威胁。

④　PID闭环控制系统图，如下：

图1

举个用天然气加热炉温的例子来说明PID闭环控制系统。天然气加热被控对象为温度T，测量变送器是为热电偶，热电偶检测出的模拟信号通过模拟量输入模块（TC模块）变为与之对应的数字量，这个数字量为我们的过程变量值PV，过程变量值PV与我们的给定值SP进行比较，偏差e=SP-PV，PID控制器根据偏差值的大小来调节输出，当实际温度值小于给定值时，PID增加输出值，通过模拟量输出模块使电动调节阀开口度增加，天然气进入流量会加大，使温度升高。当实际温度值大于给定值时，PID减小输出值，通过模拟量输出模块使电动调节阀开口度减小或者关闭，天然气进入流量会减小，使温度降低。通过PID控制器调节，温度最终稳定在给定值上下。

⑤　PID在S7200中的实现

在S7-200中PID功能是通过PID指令功能块实现。通过定时执行PID功能块，按照PID运算规律，根据当时的给定、反馈、比例-积分-微分数据，计算出控制变量。PID功能块通过一个PID回路表交换数据，这个表是在V数据存储区中开辟的，长度为36个字节。因此每个PID功能块在调用是需要制定两个要素：PID控制回路号，以及控制回路表的起始地址。

⑥　回路控制类型的选择

在许多控制系统中，只需要一种或两种回路控制类型。例如只需要比例回路或者比例积分回路。通过设置常量参数，可以选择需要的回路控制类型。

如果不想要积分动作，可以把积分时间置为无穷大“INF”。即使没有积分作用，积分项还是不为零，因为有初值MX。

如果不想要微分回路，可以把微分时间置为零。

如果不想要比例回路，但需要积分或积分微分回路，可以把增益设为0.0。系统会在计算积分项和微分项时，把增益当作1.0看待。

⑦　回路输入输出标准化

由于PID可以控制温度、压力、流量等许多对象，它们各自是由工程量表示，因此有一种通用的数据表示方法才能被PID功能块识别。S7-200中的PID功能使用占调节范围的百分比的方法抽象地表示被控对象数值大小。在实际工程中，这个调节范围往往被认为与被控对象（反馈）的测量范围（量程）一致。PID功能块只接受0.0-1.0之间的实数（实际上就是百分比）作为反馈、给定与控制输出的有效值，如果是直接使用PID功能块编程，必须保证在这个范围之内，否则会出错。其它如增益、采样时间、积分时间、微分时间都是实数。

⑧　PID正作用和反作用回路

如果增益为正，那么该回路为正作用回路。如果增益为负，那么是反作用回路。（对于增益值为0.0的I或者ID控制，如果指定积分时间、微分时间为正，就是正作用回路；如果指定值为负值，就是反作用回路。）

举两个例子来说明PID正作用回路和反作用回路：

PID正作用回路：加热炉的控制属于PID正作用控制，若温度值小于设定值，需要将PID的输出值控制的阀的开度增大，以增加天然气的流量。若温度值大于设定值，需要将PID的输出值控制的阀的开度减小，以减小天然气的流量。

PID反作用回路：在夏天控制空调制冷时，若反馈温度值低于设定温度时，需要将PID的输出值控制的阀的开度减小，以减小冷水的流量。若反馈温度值大于设定温度时，需要将PID的输出值控制的阀的开度增加，以增加冷水的流量。

总结：若过程变量值小于设定值，输出值加大的为正作用回路；若过程变量值小于设定值，输出值减小的为反作用回路。

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