基于S7-200 PLC自整定PID控制系統(tǒng)的設計與仿真

王 超李 斌

（1,2.昌吉學院物理系 新疆 昌吉 831100）

引言

工業(yè)生產中，一般采用閉環(huán)控制方式來控制溫度、壓力、流量等連續(xù)變化的模擬量，使用最多的就是PID控制，PID控制器結構典型，程序設計簡單，各個參數具有明確的物理意義，比較容易實現(xiàn)多回路、串級等復雜控制[1-2]。但是，如果僅僅依靠常規(guī)的PID來實現(xiàn)，控制系統(tǒng)的“穩(wěn)、快、準”要求難以實現(xiàn)。將PID與自整定算法結合起來，使得PID控制具有了更為強大的生命力，控制系統(tǒng)的性能指標也較為容易達到要求。

1 PID控制器參數自整定原理

1.1 PID控制器

典型PID模擬量控制系統(tǒng)如圖1所示，SP（t）為設定值，PV（t）為過程變量，C（t）為被控量，M（t）為PID輸出量，PID調節(jié)器的輸入輸出關系為[3]：

連續(xù)的PID運算需要數字化后才能在S7-200PLC中進行處理，式（1-1）中的積分項用矩形法數值積分代替，微分用一階后向差分近似代替，得到第n次采樣時控制器的輸出為[4]：

在用PID編寫程序時，需要把過程變量PV轉換為0.0—1.0之間的標準化數值，PID運算完成后，需要把回路輸出轉換為整數，直接用PID指令編程繁雜，用編程軟件中隨帶的PID指令向導可以減少編寫PID控制程序的難度，非常便于使用。

1.2 PID控制器自整定原理

S7-200使用的自整定算法是基于繼電反饋算法，可以用于正作用和反作用的P、PI、PD、PID回路的自整定，它用繼電特性的非線性環(huán)節(jié)代替ZN法中的純比例控制器，使系統(tǒng)出現(xiàn)極限環(huán)，從而獲取所需要的臨界值。其基本思想是在控制系統(tǒng)中設置兩種模態(tài)：測試模態(tài)和調節(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，在調節(jié)模態(tài)下，有系統(tǒng)的特征參數首先得到PID控制器，然后由此控制器對系統(tǒng)的動態(tài)性能進行調節(jié)，如果系統(tǒng)的參數發(fā)生變化，則需要重新進入測試模態(tài)進行測試，測試完畢后再回到調節(jié)模態(tài)進行控制[3]。

2 S7-200PLC的PID參數自整定調試

2.1 被控對象建立

被控對象的數學模型由式（1-3）式確定[5]，由三個串聯(lián)的慣性環(huán)節(jié)，時間常數分別為TIM1—TIM3，GAIN為增益，可以根據需要將某一個時間常數設置為0。

在STEP7-Micro/Win編程軟件中，用軟件完成被控對象的模擬，如圖2所示，其中GAIN=3.0，TIM1=5000，TIM2=2000，TIM3=0，構建的被控對象數學模型為：

圖2 被控對象模擬

2.2 PID向導建立PID指令

在STEP7-Micro/Win編程軟件中可以使用PID向導自動生成子程序PID_INI和PID_EXE，PID_INI用于初始化PID控制的變量，CPU按照PID向導中組態(tài)的采樣周期調用PID中斷程序PID_EXE，在PID_EXE中執(zhí)行PID運算，PID程序如圖3所示，PV_I是過程變量（反饋值），Setpoint_R為給定值，Auto_Manual為手動/自動模式切換，ManualOutput是手動模式時標準化的實數輸入值，Output是PID控制器的輸出值，High Alarm是上限報警，可以根據需要在向導生成過程中選擇，當I0.0由0變?yōu)?時，由手動方式調整為自動方式。

圖3 PID指令

2.3 PID控制系統(tǒng)調試

在STEP7-Micro/Win編程軟件下，單擊工具PID調節(jié)面板，既可以打開PID調節(jié)面板，如圖4所示，該調節(jié)面板主要由以下幾部分組成：過程變量、當前值區(qū)、圖形顯示區(qū)、調節(jié)參數區(qū)等。用戶通過圖形顯示區(qū)觀察輸出曲線的變化，輸出的曲線用不同顏色分別表示過程量、給定值和輸出值。PID參數自整定之前，控制過程應該處于穩(wěn)定狀態(tài)，過程變量接近設定值，并且輸出沒有不規(guī)律的變化，開始自整定時，理想的情況是回路輸出值在控制范圍的中點附近，可以通過手動調節(jié)使控制過程接近穩(wěn)定。

圖4 PID調節(jié)面板

2.3.1 確定比例增益KC

首先去掉PID積分項和微分項，即積分時間為INF，微分時間為0，不斷修改KC的值（由0增加到15），直至出現(xiàn)振蕩。之后，在逐漸減小KC直至看不出振蕩，記下此時的KC值為5，但仍然存在穩(wěn)態(tài)誤差，如圖5所示。

圖5 KC=5階躍曲線

2.3.2 確定積分時間常數Ti

在比例增益KC確定后，在此基礎上引入一個較強的積分環(huán)節(jié)，因積分常數與時間成反比，先設置Ti=0.01，Td=0，讓系統(tǒng)產生振蕩，之后在逐漸增大積分時間常數Ti，使系統(tǒng)不產生振蕩，此時可以記下參數Ti的數值為0.1，過程變量逐漸靠近給定值SP，這說明積分的作用可以消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的控制精度，如圖6所示。

圖6 KC=5，Ti=0.1階躍曲線

2.3.3 確定微分時間常數Td

微分部分具有超前調節(jié)和預測誤差的作用，增大Td可以改善系統(tǒng)動態(tài)性能、減小超調量，但是抑制高頻干擾能力降低。整定時，可以先設置較大的Td，讓系統(tǒng)產生振蕩，之后逐漸減小，記下臨界時的Td值，如圖7所示，此時Td為0.008。

圖7 KC=5，Ti=0.1,Td=0.008階躍曲線

2.3.4 PID參數自整定

在系統(tǒng)穩(wěn)定輸出后，單擊“開始自動調節(jié)”按鈕，系統(tǒng)啟動參數自整定過程，面板右下部分的區(qū)域顯示“PLC正在計算滯后死區(qū)值和偏差”，滯后計算結束后，顯示“PLC正在調節(jié)PID0”，PID的輸出按照方波變化，PV的波形沿著SP水平線上下波動，如圖8所示。

圖8 PID自整定調節(jié)PID0曲線

顯示“調節(jié)算法正常完成，算法建議的調節(jié)參數已經可用”時，進入正常的PID控制，PID輸出的波形由方波變?yōu)槠交€，PV的波形逐漸趨于設定值SP，如圖9所示，“調節(jié)參數區(qū)”給出了PID參數的建議值。

圖9 PID自整定調節(jié)算法完成曲線

單擊“更新PLC”按鈕，既可以將自整定得到的推薦參數寫到CPU中，KC=3.401，Ti=0.0433，Td=0.0158，如圖10所示。動態(tài)指標很好地滿足了要求，即PID自整定算法推薦了接近最優(yōu)的增益、積分時間和微分時間。

圖10 PID自整定曲線

3 結論

將S7-200自整定PID引入到閉環(huán)控制系統(tǒng)中，借助PID調節(jié)控制面板，采用手動調節(jié)和PID算法自整定功能相結合，使用戶能夠輕松地實現(xiàn)PID的參數自整定，可以獲得接近最優(yōu)的增益、積分時間和微分時間，對實際工程PID參數整定具有一定的參考價值。

［1］廖常初.PLC編程及應用［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2015.

［2］劉金琨.先進PIK控制MATLAB仿真（第3版）［M］.北京電子工業(yè)出版社，2012.

［3］曾喜娟，莊其仁.基于S7-200PLC的PID參數自整定法［J］.控制與檢測，2010，(1):47-50.

［4］穆帥歡，王洪誠.基于S7-200的液位PID控制系統(tǒng)設計［J］.自動化應用，2014，（2）：50-52.

［5］楊津聽，熊浩.S7-200PLCde PID自整定算法剖析［J］.工業(yè)控制計算機,2012,25(5):9-11.