手动整定PID参数的实验探究

1.使用模拟的被控对象的PID闭环控制程序

为了学习整定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。

本节介绍的PID闭环实验中的广义被控对象（包括检测元件和执行机构）用作者编写的名为“被控对象”的函数块来模拟，被控对象的数学模型为3个串联的惯性环节，其增益为GAIN，惯性环节的时间常数分别为TIM1～TIM3。其传递函数为

分母中的“s”为自动控制理论中拉式变换的拉普拉斯运算符。将某一时间常数设为0，可以减少惯性环节的个数。图9-18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9-18 使用模拟的被控对象的PID闭环示意图

例程“1200PID闭环控制”的主体程序是循环中断组织块OB30，它的循环时间（即PID控制的采样时间T_S）为300ms。在OB30中调用PID_Compact指令和函数块“被控对象”，实现闭环PID控制。因为PLCSIMV13SP1不支持对S7-1200的PID控制的工艺模块和工艺对象仿真，闭环实验需要一块S7-1200的CPU。可以用该例程和PID调节窗口学习PID的参数整定方法。

图9-19是随书光盘中的例程“1200PID闭环控制”的OB1中的程序，定时器T1和T2组成方波振荡器，T1的输出位”T1”.Q的常开触点的接通和断开的时间均为30s。变量“设定值”是PID_Compact指令的浮点数设定值Setpoint的实参（见图9-8）。在T1输出位”T1”.Q的上升沿和下降沿，分别将“设定值”修改为浮点数20.0%和70.0%，设定值是周期为60s的方波。

图9-20是循环中断组织块OB30中的函数块“被控对象”。组态CPU的属性时设置MB1为系统存储器字节，函数块“被控对象”的参数COM_RST的实参为FirstScan（即首次循环位M1.0），首次扫描时将函数块“被控对象”的输出OUTV初始化为0。各时间变量是以ms为单位的实数。

图9-19 OB1中的梯形图

图9-20 OB30中的被控对象程序

2.PID闭环控制的仿真实验

PLCSIMV13SP1支持对S7-1500的PID功能的仿真，可以用例程“1500PID闭环控制”实现对PID闭环控制的纯软件仿真。这个例程也可以用于S7-1500的硬件CPU。

随书光盘中的例程“1500PID闭环控制”“1500PID参数自整定”与“1200PID闭环控制”“1200PID参数自整定”除了CPU不同外，程序完全相同。可以用前两个项目做纯软件仿真实验，后两个项目用于S7-1200的硬件实验。两种实验的效果相同。

3.PID参数的手动调节

打开随书光盘中的例程“1500PID闭环控制”，将系统数据和用户程序下载到硬件PLC或仿真PLC后，PLC切换到RUN模式。打开PID调试窗口（见图9-11），单击表格中Output行左边的按钮，隐藏PID输出曲线。图9-11、图9-21～图9-26中的PID参数是作者添加的。

PID的初始参数如下：比例增益1.5（见图9-10），积分时间3s，微分时间0s，采样时间0.3s，比例作用和微分作用的权重均为1.0，控制器结构为PID，打开调试窗口，将采样时间设置为0.3s，单击图9-11中采样时间右边的“Start”按钮，启动测量过程。响应曲线见图9-11，超调量大于20%，有多次震荡。

打开组态窗口的PID参数组态页面（见图9-10），单击“监视所有”按钮，切换到离线模式，将积分时间由3s改为8s。单击按钮，启动监视，单击“初始化设定值”按钮，修改后的值下载到CPU。单击采样时间右边的“Start”按钮，启动仿真。增大积分时间（减小积分作用）后，超调量减小到小于20%（见图9-21）。

打开组态窗口，将微分时间由0s改为0.1s，变为PID。修改后的值被下载到CPU以后，超调量由接近20%减小到10%（见图9-22）。

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图9-21 PI控制器阶跃响应曲线

图9-22 PID控制器阶跃响应曲线

微分时间也不是越大越好，将微分时间由0.1s增大到0.8s后下载到CPU。阶跃响应的过程值的平均值曲线变得很迟缓，还叠加了一些较高频率的波形（见图9-23）。由此可见微分时间需要恰到好处，才能发挥它的正面作用。

将微分时间恢复到0.1s，比例增益由1.5减小到1.0。减小比例增益后，超调量进一步减小，但是消除误差的速度太慢（见图9-24）。

图9-23 PID控制器阶跃响应曲线

图9-24 PID控制器阶跃响应曲线

将积分时间由8s减小到3s，将修改后的值下载到CPU。减小积分时间后，消除误差的速度加快，超调量比图9-24略为增大（见图9-25），但是不到10%，这是比较理想的响应曲线。

将比例系数由1.0减小到0.3，将修改后的值下载到CPU后，响应曲线的上升速度太慢（见图9-26）。如果调试时遇到这样的响应曲线，应增大比例增益。

图9-25 PID控制器阶跃响应曲线

图9-26 PID控制器阶跃响应曲线

4.仿真系统的程序与实际的PID程序的区别

对于工程实际应用，在例程“PID控制”的基础上，PID控制程序应作下列改动：

1）删除OB30中的函数块“被控对象”，以及OB1中产生方波给定信号的程序。

2）实际的PID控制程序一般使用来自AI模块的过程变量Input_PER，后者应设为实际使用的AI模块的通道地址，例如IW2。不用设置浮点数的过程变量输入Input的实参。

3）不用设置浮点数输出Output的实参，Output_PER（外设输出值）设为实际使用的模拟量输出模块的通道地址，例如QW4。

4）如果系统需要自动/手动两种工作模式的切换，参数ManualEnable应设置为切换自动/手动的Bool变量。手动时该变量为1状态，参数ManualValue是用于输入手动值的地址。