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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無擾動切換的能力，此時在 PID 指令控制環節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“能流歷史狀態位”，以記錄指令的狀態切換。在 EN 端從“0”變為”“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，也可以后續調整設定值。其他的動作都是為了使 PID 在后續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（見數據塊或系統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字量點為“1”、“0”的狀態來控制是否投入 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
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
5. PID 控制輸出值

要實現無擾動切換，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。用戶需要根據實際工藝決定自己的編程思路。

4.2. PID調節步驟簡介

建議PID參數調節步驟：

（1）前提條件：反饋信號是否穩定，執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，客戶依據實際情況靈活調節，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，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。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，也有可能是系統自身的問題，無法調節到穩定，例如， 不規律的干擾，或者反饋信號不穩定。

4.3. 手動調節PID至穩定問題與解決方法：

1. PID輸出總是輸出很大的值，并在這一區間內調節變化。

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. 得到一個非常不穩定的PID。

• 如果用了微分，可能是微分參數有問題
• 沒有微分，可能是增益（Gain）值太高

解決方法：

• 調整微分參數到0－1的范圍內
• 根據回路調節特性將增益值降低，低可從0.x 開始逐漸增大往上調，直到獲得穩定的PID。

如何獲取一組合適的參數，實現快速并穩定的PID控制？

PID調節過程中，用戶通常需要做多次的參數調節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。用戶可以將調節的PID反饋與給定曲線與下圖中對比，并修改相關參數（但是因為現場情況不一樣，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

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.增益系數太小和/或微分時間太長

5.益系數太小和/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系統固有的“靜差”。沒有積分控制的比例控制系統中，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？有沒有相關的經驗數據？

雖然有理論上計算PID參數的方法，但由于閉環調節的影響因素很多而不能全部在數學

PID控制不穩定怎么辦？如何調試PID？

閉環系統的調試，首先應當做開環測試。所謂開環，就是在PID調節器不投入工作的時候，觀察：

• 反饋通道的信號是否穩定
• 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，比如放大倍數（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定或者根本不穩定，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控制的各個領域。可以使用操作員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定的狀態（穩定的PID是指過程變量接近設定值，輸出不會不規則的變化，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大范圍限值。 如果發生這種情況，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定狀態？

啟動自整定后,回路計算自滯后序列時，不能執行正常的 PID 計算，此時回路輸出時一個定值，不會根據偏差變化。 因此，在啟動自整定序列之前，控制過程應處于穩定狀態。 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自整定參數介紹

S7-200 中的 PID自整定參數是回路表40-80字節，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（ASTAT）：自整定的輸出狀態字節，PID控制面板自整定時的相關狀態也是根據由該字節判斷。

圖 5.2.3. PID自整定AT狀態字節

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

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

e.偏移（DEV）~ h.看門狗時間（WDOG）： 參考PID自整定高級參數設置。

i.推薦增益（AT_Kc）~ k.推薦微分時間（AT_Td：PID自整定完成后，整定所得推薦參數放置在該地址。

l.實際輸出階躍幅度（ASTEP）：調節開始后，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：

通過控制面板實現PID自整定，PID必須是向導生成

自己編程實現PID自整定，向導或者PID指令塊實現PID均可，具體步驟可以查看：如何編程啟動自整定

下面介紹通過PID控制面板實現自整定：

*步：在PID Wizard (向導）中完成PID功能配置，正確調用PID子程序 。

第二步：打開PID調節控制面板，設置PID回路調節參數。

在Micro/WIN V4.0在線的情況下，從主菜單Tools（工具） > PID Tune Control Panel（PID調節控制面板）進入PID調節控制面板中，如果面板沒有被激活（所有地方都是灰色），可點擊Configure（配置）按鈕運行CPU。

在PID調節面板圖3.4.1的e.區選擇要調節的PID回路號，在d.區選擇Manual（手動），調節PID參數并點擊Update（更新），使新參數值起作用，監視其趨勢圖，根據調節狀況改變PID參數直至調節穩定。

為了使PID自整定順利進行，應當做到：

• 使PID調節器基本穩定，輸出、反饋變化平緩，并且使反饋比較接近給定
• 設置合適的給定值，使PID調節器的輸出遠離趨勢圖的上、下坐標軸，以免PID自整定開始后輸出值的變化范圍受限制

第三步：在圖3.4.1的d.區點擊Advanced（高級）按鈕，設定PID自整定選項。如果不是很特殊的系統，也可以不加理會。

在此允許你設定下列參數：

1.你可以選中復選框，讓自整定來自動計算死區值和偏移值   對于一般的PID系統，建議使用自動選擇。

2.Hysteresis（滯回死區）： 死區值規定了允許過程值偏離設定值的大（正負）范圍，過程反饋在這個范圍內的變化不會引起PID自整定調節器改變輸出，或者使PID自整定調節器“認為”這個范圍內的變化是由于自己改變輸出進行自整定調節而引起的。PID自整定開始后，只有過程反饋值超出了該區域，PID自整定調節器才會認為它對輸出的改變發生了效果。這個值用來減少過程變量的噪聲對自整定的干擾，從而計算出過程系統的自然振動頻率。如果選用自動計算，則缺省值為2％。

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

3.Deviation（偏差）： 偏差值決定了允許過程變量偏離設定值的峰峰值。如果選擇自動計算該值，它將是死區的4倍，即8％。 有些非常敏感的系統不允許過程量偏離給定值很多，也可以人工設置為比較小的值，但是要和上述“死區”設置保持比例關系。這就是說，一個精度要求高的系統，其反饋信號必須足夠穩定。

4.Initial Output Step（初始步長值）：PID調節的初始輸出值。 PID自整定開始后，PID自整定調節器將主動改變PID的輸出值，以觀察整個系統的反應。初始步長值就是輸出的變動*步變化值，以占實際輸出量程的百分比表示。

5.Watchdog Time（看門狗時間）：過程變量必須在此時間（時基為秒）內達到或穿越給定值，否則會產生看門狗超時錯誤。 PID自整定調節器在改變輸出后，如果超過此時間還未觀察到過程反饋（從下至上或從上至下）穿越給定曲線，則超時。如果能夠事先確定實際系統響應非常慢，可以加長這個時間。

6.動態響應選項：根據回路過程（工藝）的要求可選擇不同的響應類型：快速、中速、慢速、極慢速。

快速：可能產生超調，屬于欠阻尼響應

中速：在產生超調的邊緣，屬于臨界阻尼響應

慢速：不會產生任何超調，屬于過阻尼響應

極慢速：不會產生任何超調，屬于嚴重過阻尼響應

用戶在這里需要達到的系統控制效果，而不是對系統本身響應快慢的判斷。

7.設定完參數點擊OK鍵回到PID調節控制面板的主畫面。

第四步：在手動將PID調節到穩定狀態后，即過程值與設定值接近，且輸出沒有不規律的變化，并處于控制范圍中心附近。此時可點擊圖3.4.1的d.區內的Start Auto Tune按鈕啟動PID自整定功能，這時按鈕變為Stop Auto Tune。這時只需耐心等待，系統完成自整定后會自動將計算出的PID參數顯示在圖3.4.1的d.區。當按鈕再次變為Start Auto Tune時，表示系統已經完成了PID自整定。

要使用自整定功能，必須保證PID回路處于自動模式。開始自整定后，給定值不能再改變。

第五步：如果用戶想將PID自整定的參數應用到當前PLC中，則只需點擊Update PLC，將整定后推薦參數更新到PID的增益、積分時間、微分時間內。

完成PID調整后，下載一次整個項目（包括數據塊），使新參數保存到CPU的EEPROM中。

控制面板上會顯示當前自整定的狀態嗎？

可以，在控制面板右下方空白處會顯示當前的自整定所處階段，見下圖：

圖5.3.2. PID自整定狀態

圖中錯誤是因為在手動狀態下啟動自整定。

PID自整定具體是怎樣實現的？

1. 回路滿足條件，啟動PID自整定。

2. 計算自滯后和自偏移：如果選擇自動確定滯后值/偏移值，PID 自整定器將進入滯后確定序列。該序列包含一段時間內的過程變量采樣值（為了得到具有統計意義的采樣數據，至少要有100個采樣值。如果回路的采樣時間為200毫秒，則采集100個樣本需要20秒。采樣時間較長的回路需要更多時間。即使回路的采樣時間小于 200毫秒，從而采樣100次的時間不需要20秒，滯后確定序列仍然需要至少20秒的采樣時間。計算自滯后序列時，不能執行正常的PID計算，輸出保持上一周期PID計算值。），然后根據采樣結果計算出標準偏移。滯后參數了相對于設定值的偏移（正或負），PV（過程變量）在此偏移范圍內時，不會導致控制器改變輸出值。 偏移用于減小  信號中噪聲的影響，計算出過程的固有振動頻率。

3. 自整定序列：在得到滯后值和偏移值之后開始執行自整定序列（輸出值的上述變化會導致過程變量值產生相應的變化。 當輸出的變化使 PV 遠離設定值以至于超出滯后區范圍時，自整定器就會檢測到過零事件。 每次發生過零事件時，自整定器將反方向改變輸出。整定器會繼續對 PV 進行采樣，并等待下一個過零事件。要完成序列，整定器總共需要12次過零事件。過程變量的PV振動幅度和頻率代表著控制過程增益和自然頻率。），根據自整定過程期間采集到的過程的頻率和增益的相關信息，能夠計算出終增益和頻率值。通過這些值可以計算出增益（回路增益）、復位（積分時間）和速率（微分時間）的建議值。

4. 自整定序列完成后，回路輸出會恢復到初始值。 下一次執行回路時，將執行正常的 PID 計算。

想要了解PID自整定的詳細過程，請查看S7-200系統手冊第15章 PID自整定和PID控制面板 。