【正文】 PID 指令回路表 偏移地址 名稱 數(shù)據(jù)類型 說明 0 過程變量（ PVn） 雙字實數(shù) 必須在 ~ 之間 4 給定值（ SPn） 雙字實數(shù) 必須在 ~ 之間 8 輸出值（ Yn） 雙字實數(shù) 必須在 ~ 之間 12 增益（ Kc） 雙字實數(shù) 比例常數(shù)，可正可負 16 采樣時間（ Ts） 雙字實數(shù) 單位為 s，必須是正數(shù) 20 積分時間（ Ti） 雙字實數(shù) 單位為 min，必須是正數(shù) 24 微分時間（ Td） 雙字實數(shù) 單位為 min，必須是正數(shù) 28 積分項前值（ YX） 雙字實數(shù) 必須在 ~ 之間 32 過程變量前值（ PVn1） 雙字實數(shù) 最后一次執(zhí)行 PID 指令的過程變量值 1. 回路輸出數(shù)值轉(zhuǎn)換方法 20 本文中，設(shè)定的溫度是給定值 SP，需要控制的變量是爐子的溫度。但它不完全是過程變量 PV，過程變量 PV 和 PID 回路輸出有關(guān)。在本文中，經(jīng)過測量的溫度信號被轉(zhuǎn)化為標準信號溫度值才是過程變量，所以，這兩個數(shù)不在同一個數(shù)量值，需要他們作比較，那就必須先作一下數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。從EM231 模擬量輸入模塊采集到的過程量都 是實際的工程量，其幅度、范圍和測量單位都會不同。在 PLC 內(nèi)部進行數(shù)據(jù)運算之前，必須將這些值轉(zhuǎn)換為無量綱的標準化格式 [~]。其轉(zhuǎn)換程序如下 : XORD AC0, AC0 MOVW AIW0, AC0 DTR AC0, AC0 /R , AC0 +R , AC0 MOVR AC0, VD200 在這段程序中，將實數(shù)格式的工程實際值轉(zhuǎn)換為 [~]間的無量綱相對值，用到下面的公式 : ? ?e s tp a nr a wn o u m O ffSRR ?? / （ ） 式中 , Rnoum——標準化的實數(shù)值； Rraw ——未標準化的實數(shù)值 。 Span——值域大小，為最大允許值減去最小允許值，單極性為 64000。 Offest ——補償值或偏置，單極性為 ，雙極性為 。 本文中采用的是單極性，故轉(zhuǎn)換公式為 : )3 2 0 0 0/( r a wn o u m RR ? （ ） 2. 回路輸出變量的數(shù)值 轉(zhuǎn)換方法 本設(shè)計中，回路的輸出值是在 ~ 之間，是一個標準化了的實數(shù)格式的數(shù)據(jù)，在輸出變量傳送給 D/A 模擬量單元之前，必須把回路輸出變量轉(zhuǎn)換成相應的整數(shù)。這一過程是實數(shù)值標準化的逆過程。 SpanO ffMR e stnsc a l )( ?? （ ） 假定 PID 運算的標準化實數(shù)格式結(jié)果存儲在 AC0 中，則經(jīng)過下面程序段的轉(zhuǎn)換，存儲在模擬量寄存器 AQW0 中的數(shù)據(jù)為一個按工程量標定后的16 為數(shù)字值。程序如下： MOVR VD 208, AC0 21 R , AC0 *R , AC0 TRUNC AC0 , AC0 MOVW AC0, AQW0 模擬量采集的數(shù)字濾波算法 PLC 除了可以對開關(guān)量控制外，還可以進行模擬量的處理。典型的 PLC模擬量處理是將工業(yè)現(xiàn)場的各種被控對象（如溫度、壓力、流量、液位等）通過相應的傳感器將其變換為一標準 的模擬電量（常見的是電壓、電流），電壓電流等模擬量常常會因為現(xiàn)場的瞬時干擾而產(chǎn)生較大的波動，這種波動經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換后亦反映在 PLC 的數(shù)字量輸入端。 為了消除工業(yè)現(xiàn)場瞬時干擾對模擬量信號的影響，提高模 /數(shù)轉(zhuǎn)換的準確 ，就必須在硬件和軟件上采取相應的抗干擾措施。在硬件上，抗干擾措施一般是在布線時將信號傳輸線和動力線分開布線，信號傳輸線采取屏蔽處理。而在軟件中采取的抗干擾措施一般是數(shù)字濾波算法，即將模擬量 /數(shù)字量轉(zhuǎn)換結(jié)果進行過濾處理，力爭將干擾信號產(chǎn)生的影響降低最低。 PLC 常用的數(shù)字濾波方法是平均值濾，即對采樣和 模擬量 /數(shù)字量轉(zhuǎn)換得到的幾個數(shù)據(jù)求平均值，以此平均值最為模擬量 /數(shù)字量轉(zhuǎn)換的最終結(jié)果進行處理?；镜那笃骄邓惴ǚ譃槿N，分別為：算術(shù)平均值法，滑動平均值法，去極值平均值法。 算術(shù)平均值濾波的效果與采樣次數(shù)有關(guān)，采樣次數(shù)越多效果越好。但這種濾波方法對于強干擾的抑制作用不大。算術(shù)平均值法的算法公式為 （ ） 其中： N—采樣次數(shù)； Xi—第 i 次采樣值； X 為平均值。算術(shù)平均值算法可以通過圖 32 所示的程序流程圖來實現(xiàn) 。算術(shù)平均值法適合對一般的具有隨機干 擾信號的濾波，特別適用于信號本身的某一數(shù)字范圍附近作上下波動的情況，如流量液位等信號的測量。 22 數(shù) 據(jù) 寄 存 器 清 零采 樣 次 數(shù) 清 零采 樣 次 數(shù) 足 夠采 樣 數(shù) 據(jù) 送 入 數(shù) 據(jù) 寄 存 器采 樣 數(shù) 據(jù) 求 和求 平 均 值否是 32 算術(shù)平均值法濾波 去極值平均濾波：可有效地消除明顯的干擾信號，消除的方法是對多次采樣值進行累加后，找出最大值和最小值，然后從累加和中減去最大值和最小值，再對 N2 個數(shù)據(jù)進行平均計算。去極值平均濾波算法可以通過圖 33所示的程序流程圖來實現(xiàn) 。 數(shù) 據(jù) 寄 存 器 清 零采 樣 次 數(shù) 清 零采 樣 數(shù) 據(jù) 送 入 數(shù) 據(jù) 寄 存 器采 樣 次 數(shù) 足 夠采 樣 數(shù) 據(jù) 求 和求 平 均 值數(shù) 據(jù) 比 較減 去 最 大 值 和 最 小 值否是 圖 33 去極值平均值濾波法 23 滑動平均 值濾波能夠克服算術(shù)平均值法的低速率，它采用數(shù)據(jù)隊列作為數(shù)據(jù)計算平均值的原始數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)隊列的長度固定為 N，每進行一次新的采樣，就把最新采樣結(jié)果放在隊列的尾部，將原來隊列首位的采樣結(jié)果扔掉，這樣在數(shù)據(jù)隊列中始終保留著最新采樣結(jié)果。計算平均值時，只要將隊列中的 N 個數(shù)據(jù)進行算術(shù)平均計算，就可以得到最新的算術(shù)平均值。這樣每進行一次采樣，就可以經(jīng)過計算得到一個新的算術(shù)平均值?；瑒悠骄邓惴梢酝ㄟ^圖 34 所示的程序流程圖實現(xiàn)。 初 始 化 變 量 表采 樣 次 數(shù) 足 夠移 出 最 早 一 次 采 樣 值移 入 最 新 一 次 采 樣 值求 采 樣 和求 平 均 值結(jié) 束是否 圖 34 滑動平均值法濾波 需 要注意的是，在初始化數(shù)據(jù)塊時一定要將第一次的采樣數(shù)據(jù)填充進所有的采樣數(shù)據(jù)寄存器中，然后進行數(shù)據(jù)塊移位，將最早的采樣數(shù)據(jù)移除，將最近的采樣數(shù)據(jù)填補進來，然后進行求平均值。本設(shè)計采用的就是滑動平均值法進行數(shù)字濾波。 采樣周期的選擇 采樣周期：在周期性測量過程變量信號的系統(tǒng)中，相鄰兩次實測之間的時間間隔。離散控制系統(tǒng)都采用周期性測量方式，采樣間隔之間的變量值是不測量的。如采樣周期過長，將引起有用信號的嚴重丟失，使系統(tǒng)品質(zhì)變 24 差。反之，如采樣周期過短，則，兩次實測值的變化量太小，亦不相宜。所以采樣周期的選擇甚為重要 。 采樣周期 Ts 是設(shè)計者要精心選擇的重要參數(shù)，系統(tǒng)的性能與采樣周期的選擇有密切關(guān)系。需要考慮的主要因素分析如下 ： （ 1） 香農(nóng)采樣定理 設(shè)連續(xù)信號 X（ t）的最高頻率分量為 Fm，以等間隔 Ts（ Ts 稱采樣間隔， Fs=1/Ts 稱為采樣頻率）對 X（ t）進行采樣，得到 Xs（ t）。如果Fs≥2Fm，則 Xs（ t）保留了 X（ t）的全部信息（從 Xs（ t）可以不失真地恢復出 X（ t））。 （ 2） 閉環(huán)系統(tǒng)對給定信號的跟蹤，要求采樣周期要小。 （ 3） 從抑制擾動的要求來說，采樣周期應該選擇得小些。 （ 4） 從執(zhí)行元件的要求來看，有時要求輸入信號要保持一定的寬度。 （ 5） 從計算機精度考慮，采樣周期不宜過短。 （ 6） 從系統(tǒng)成本上考慮，希望采樣周期越長越好。 綜合以上各種因素，選擇采樣周期，應在滿足系統(tǒng)控制的性能要求條件下，盡可能地選擇低的采樣速率。工業(yè)控制中，大量的受控對象都具有低通的性質(zhì)，下面表 33 給出了常用被控量的經(jīng)驗采樣周期。 表 33 常見被調(diào)量的經(jīng)驗采樣周期 被控量 采樣周期 Ts/s 流量 1 壓力 5 液位 10 溫度 20 PID 參數(shù)整定 PID 參數(shù)整定方法就是確定調(diào)節(jié)器的比例系數(shù) P、積分時間 Ti 和和微分時間 Td，改善系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)特性， 使系統(tǒng)的過渡過程達到最為滿意的質(zhì)量指標要求。一般可以通過理論計算來確定，但誤差太大。目前，應用最多的還是工程整定法：如經(jīng)驗法、衰減曲線法、臨界比例帶法和反應曲線法等。 經(jīng)驗法又叫做現(xiàn)場湊試法，它不需要進行事先的計算和實驗，而是根據(jù)運行經(jīng)驗，利用一組經(jīng)驗參數(shù)，根據(jù)反應曲線的效果不斷地改變參數(shù)，對于 25 溫度控制系統(tǒng)，工程上已經(jīng)有大量的經(jīng)驗，其規(guī)律如表 34 所示。 表 34 溫度控制器參數(shù)經(jīng)驗數(shù)據(jù) 被控變量 規(guī)律的選擇 比例度 積分時間（分鐘） 微分時間（分鐘） 溫度 滯后較大 20~60 3~10 ~3 實驗湊試法的整定步驟為 先比例，再積分，最后微分 。 （ 1）整定比例控制 將比例控制作用由小變到大，觀察各次響應，直至得到反應快、超調(diào)小的響應曲線。 （ 2）整定積分環(huán)節(jié) 先將步驟（ 1）中選擇的比例系數(shù)減小為原來的 50～ 80％，再將積分時間置一個較大值，觀測響應曲線。然后減小積分時間，加大積分作用，并相應調(diào)整比例系數(shù)，反復試湊至得到較滿意的響應，確定比例和積分的參數(shù)。 （ 3）整定微分環(huán)節(jié)環(huán)節(jié) 先置微分時間 TD=0，逐漸加大 TD，同時相應地改變比例系數(shù)和積分時間，反復試湊至獲得滿意的控制效果和 PID 控制參數(shù)。 西門子 S7200 的 版的編程軟件 STEP7Micro/WIN 提供了 PID 參數(shù)自整定功能。 版的編程軟件 STEP7Micro/WIN 增加了 PID 整定控制面板。這兩項功能相結(jié)合 ,使用戶能輕松地實現(xiàn) PID 的參數(shù)自整定 ,同時可以對最多 8 個回路進行自整定。自整定能提供一組近似最優(yōu)的整定參數(shù)。 西門子 S7200 的 PID 參數(shù)自整定屬于基于規(guī)則的自整定 ,此方法對模型要求較少 ,借助于控制器輸出和過程輸出變量的觀測值來表征動態(tài)特性 ,具有易執(zhí)行且魯棒性較強的特點 ,這種自整定法能綜合采用專家經(jīng)驗進行整定。但 這類方法的理論基礎(chǔ)較弱 ,需要豐富的控制知識 ,其性能的優(yōu)劣取決于開發(fā)者對控制回路參數(shù)整定的經(jīng)驗以及對反饋控制理論的理解程度。 S7200 使用的自整定算法為 Astrom 和 Hagglun 提出的繼電型 PID 自整定控制法 ,它用繼電特性的非線性環(huán)節(jié)代替 ZN 法 (ZieglerNichols)中的純比例控制器 ,使系統(tǒng)出現(xiàn)極限環(huán) ,從而獲取所需要的臨界值?；诶^電反饋的自動整定法避免了 ZN 法整定時間長、臨界穩(wěn)定等問題 ,且保留其簡單性 ,目前已成為 PID 自動整定方法中應用最多的一種。其基本思想是在控制系統(tǒng)中設(shè)置兩種模態(tài) :測試模 態(tài)和調(diào)節(jié)模態(tài)。在測試模態(tài)下 ,由一個繼電非線性環(huán)節(jié)來測試系統(tǒng)的振蕩頻率和增益 ,而在調(diào)節(jié)模態(tài)下 ,由系統(tǒng)的特征參數(shù)首先得到 26 PID 控制器 ,然后由此控制器對系統(tǒng)的動態(tài)性能進行調(diào)節(jié)。如果系統(tǒng)的參數(shù)發(fā)生變化 ,則需要重新進入測試模態(tài)進行測試 ,測試完畢之后再回到調(diào)節(jié)模態(tài)進行控制。要確定系統(tǒng)的振蕩頻率ω c 與 Kc 增益 ,比較常用的是描述函數(shù)方法 ,根據(jù)非線性環(huán)節(jié)輸入與輸出信號之間的基波分量關(guān)系來進行近似分析。 本設(shè)計中我們采用西門子 S7200 的 PID 參數(shù)自整定功能，可由 PID 整定控制面板來實現(xiàn)，如圖 35 所示： 圖 35 PID 調(diào)節(jié)面板界面 第一步： 在 PID Wizard (向?qū)В┲型瓿?PID 功能配置 第二步： 打開 PID 調(diào)節(jié)控制面板，設(shè)置 PID 回路調(diào)節(jié)參數(shù) 在 Micro/WIN 在線的情況下，進入 PID 調(diào)節(jié)控制面板中，如果面板沒有被激活（所有 地方都是灰色），可點擊配置按鈕運行 CPU。在 PID調(diào)節(jié)面板的當前 PID 區(qū)選擇要調(diào)節(jié)的 PID 回路號，在調(diào)節(jié)參數(shù)區(qū)選擇手動，調(diào)節(jié) PID 參數(shù)并點擊更新，使新參數(shù)值起作用，監(jiān)視其趨勢圖，根據(jù)調(diào)節(jié)狀況改變 PID 參數(shù)直至調(diào)節(jié)穩(wěn)定。 第 三步：在調(diào)節(jié)參數(shù)區(qū)點擊高級按鈕，設(shè)定 PID 自整定選項。如果不是很特殊的系統(tǒng)，也可以不加理會。如圖 36 所示： 第四步： 在手動將 PID 調(diào)節(jié)到穩(wěn)定狀態(tài)后，即過程值與設(shè)定值接近，且輸出沒有不規(guī)律的變化，并最好處于控制范圍中心附近。此時可點擊調(diào)整參數(shù)區(qū)內(nèi)的開始自動調(diào)節(jié)按鈕啟動 PID 自整定功能，這時 按鈕變?yōu)橥Ｖ棺詣诱{(diào)節(jié)。這時只需耐心等待，系統(tǒng)完成自整定后會自動將計算出的 PID 參數(shù)顯示在 。當按鈕再次變?yōu)殚_始自動調(diào)節(jié)時，表示系統(tǒng)已經(jīng)完成了 PID 自整定 27 （要