西门子S7-200 SMART PID参数整定的仿真实验

1 用PID指令向导生成PID程序用系统块设置CPU的型号，双击项目树的“向导”文件夹中的“PID”，打开“PID回路向导”对话框，在依次出现的页面中完成下列操作：选择要组态的回路0，设置增益、采样时间、积分时间和微分时间；过程变量PV的类型为单极性，过程变量和回路设定值SP的上、下限均采用默认值；回路输出量的类型为默认的模拟量输出，单极性，范围为0 ~ 27648。在“报警”页设置是否启用过程变量PV的上限报警、下限报警和模拟量输入错误报警。采用PID向导创建的子程序的默认名称，选中“添加PID的手动控制”多选框。在“存储器分配”页设置用来保存组态数据的120B的V存储区的起始地址为VB200。“组件”页显示组态生成的项目组件。单击“生成”按钮，自动生成循环执行PID功能的中断程序PID_EXE、第0号回路的初始化子程序PID0_CTRL、数据页PID0_DATA和符号表PID0_SYM。2 使用子程序模拟被控对象要学习整定PID控制器参数的方法，必须做闭环实验，开环运行PID程序没有任何意义。用硬件组成一个闭环需要CPU模块、模拟量输入模块和模拟量输出模块，此外，还需要被控对象、检测元件、变送器和执行机构。下面介绍的PID闭环实验只需要一块CPU模块，被控对象用作者编写的名为“被控对象”的子程序来模拟，被控对象的数学模型为3个串联的惯性环节，其增益为GAIN，其传递函数为GAIN/[(TIM1s+1) (TIM2s+1) (TIM3s+1)]，TIM1 ~ TIM3为惯性环节的时间常数。使用模拟的被控对象的PID闭环示意图如图1所示。图中被控对象的输入值INV是PID控制器的输出值，DISV是系统的扰动输入值。被控对象的输出值OUTV作为PID控制器的过程变量（反馈值）PV。

图1 采用模拟被控对象的PID闭环示意图PID控制器的难点在于PID参数的整定。图2和图3是《S7-200 SMART plc编程及应用》中的例程“PID闭环控制”的主程序和中断程序。可以用这个例程和编程软件中的PID整定控制面板学习PID的参数整定方法。T37和T38组成了方波振荡器，用来提供周期为60s、幅值为20.0%和70.0%浮点数的方波设定值。用一直闭合的SM0.0的常开触点调用PID向导生成的子程序PID0_CTRL，后者初始化PID控制使用的变量，CPU按PID向导中组态的采样周期调用PID中断程序PID_EXE，在PID_EXE中执行PID运算。PID0_CTRL指令的输入参数PV_I是数据类型为INT的过程变量（反馈值），Setpoint_R是以百分比为单位的实数设定值（SP）。BOOL变量Auto_Manual为“ON”时，该回路为自动模式（PID闭环控制），反之为手动模式。ManualOutput是手动模式时标准化的实数输入值（0.00 ~ 1.00）。Output是PID控制器的INT型输出值，BOOL变量HighAlarm是上限报警。

图2 PID闭环控制的主程序PID0_CTRL的输入变量“过程变量”是子程序“被控对象”（见图3）的输出值，PID0_CTRL的输出变量“抽疯是怎么引起的PID输出”是子程序“被控对象”的输入值，这样就组成了图1中的PID闭环。PID_EXE占用了定时中断0，模拟被控对象的中断程序使用定时中断1。两个定时中断的时间间隔均为200ms。刚进入RUN模式时，SM0.1的常开触点闭合，将定时中断1的时间间隔200ms送给SMB35，用ATCH指令连接中断程序INT_0和编号为11的定时中断1的中断事件。在中断程序INT_0中，用一直闭合的SM0.0的常开触点调用子程序“被控对象”（见图3），被控对象的增益为3.0，3个惯性环节的时间常数分别为5s、2s和0s，实际上只用了两个惯性环节。其采样周期CYCLE为200ms，参数COM_RST用于初始化操作。

图3 中断程序INT_0实际的PID控制程序不需要调用中断程序INT_0和其中的子程序“被控对象”，在主程序中只需要调用子程序PID0_CTRL，其输入参数PV_I应为实际使用的AI模块的通道地址（例如AIW16），输出参数Output应为实际使用的AO模块的通道地址（例如AQW16）。STEP 7-Micro/WIN SMART的PID整定控制面板（见图4）用图形方式监视PID回路的运行情况，可以用它手动调节PID参数，或用于PID参数自整定。将例程“PID闭环控制”下载到CPU，令PLC为RUN模式。双击项目树的“工具”文件夹中的“PID整定控制面板”，打开控制面板。令初始化程序PID0_CTRL的输入参数Auto_Manual（I0.0）为“ON”，启动PID控制。选中面板左边窗口中的“Loop 0”，可以看到右边窗口用不同颜色显示的PV、SP和PID输出的动态变化的曲线及它们的值，图中的PID控制器的参数Kc为增益，TI为积分时间，TD为微分时间。

图4 PID整定控制面板“采样时间”是PID向导中设置的以s为单位的执行PID运算的时间间隔。“调节参数”区给出了CPU中的增益、积分时间和微分时间的当前值，和参数自整定得到的计算值（或手动输入的参数值）。3 PID参数整定的仿真实验图5-6 ~ 图5-12是用图5-4和图5-5中的程序和PID整定控制面板得到的曲线。图4的PV曲线的超调量过大，有多次震荡。选中PID整定控制面板中的“启用手动调节”多选框（见图4），在“计算值”列将积分时间由0.03min改为0.1min，增益和微分时间不变。单击“更新CPU”按钮，将键入的参数值下载到CPU。增大积分时间（减弱积分作用）后，图5中PV曲线的超调量和震荡次数明显减小。

图5 PID控制阶跃响应曲线将图5中的微分时间改为0.0min，其他参数不变。微分时间由0.01min减为0后，图6中响应曲线的超调量和震荡次数增大。可见适哈尔滨治疗癫痫病医院当的微分时间对减小超调量有明显的作用。

图6 PI控制阶跃响应曲线将图5中的微分时间改为0.0min，其他参数不变。微分时间由0.01min减为0后，图6中响应曲线的超调量和震荡次数增大。可见适当的微分时间对减小超调量有明显的作用。使用这个例程和PID整定控制面板来调整控制器的参数，通癫痫病有什么危害过PV曲线的特征观察参数整定的效果，可以迅速地掌握PID参数整定的方法。更详细的信息和参数整定的实例见作者编写的《S7-200 SM哈尔滨哪家癫痫医院较好ART plc编程及应用》第2版。该书随书光盘有PID参数手动整定、自动整定的视频教程。