S7-200PLC PID指令功能详解 用向导就OUT了！

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在使用S7-200PLC的PID功能时，一般推荐使用编程软件自带PID向导功能，实际上S7-200PLC提供了PID指令功能，用PID指令编程时，主要是需要设置PID回路参数表中的参数。PID指令基于PID算法，属于过程控制，PID算法也称为比例积分微分控制算法，在闭环控制中得到广泛应用。那么今天我们就来熟悉一下PID指令。PID指令也是非常有难度的，需熟悉模拟量相关知识，还需对PID的相关概念有所了解。

S7-200PLC提供了8个回路的PID功能，用以实现需要按照PID控制规律进行自动调节的控制任务，比如温度、压力和流量控制等。PID功能一般需要模拟量输入，用以反映被控制的物理量的实际数值，称为反馈值也可以称为过程变量；而用户设定的调节目标值，即为给定值。PID运算的任务就是根据反馈值与给定值的相对差值，按照PID运算规律计算出输出结果，输出到执行机构进行调节，以达到自动维持被控制的量跟随给定值变化的目的。

PID指令

PID指令需要为其指定一个以V变量存储区地址开始的PID回路表(TBL)，以及PID回路号(LOOP)。PID指令（又称为PID回路指令）使能输入有效时，该指令利用回路表中的输入信息和组态信息，进行PID运算。指令中有2个数据输入端：TBL和LOOP。其中TBL是回路表的起始地址，是由VB指定的字节型数据；LOOP是回路号，可以是0～7的常数。在程序中最多可以用8条PID指令。如果两个或两个以上的PID指令用了同一个回路号，那么即使这些指令的回路表不同，这些PID运算之间也会相互干涉，产生不可预料的结果。

PID指令如下图所示：

PID回路表

回路表包含9个参数，用来控制和监视PID运算。这些参数分别是过程变量当前值(PVn)，过程变量前值(PVn-1)，给定值(SPn)，输出值(Mn)，增益(Kc)，采样时间(Ts)，积分时间(TI)，微分时间(TD)和积分项前值(MX)。

为了让PID运算以预想的采样频率工作，PID指令必须用在定时发生的中断程序中，或者用在主程序中被定时器所控制以一定频率执行。采样时间必须通过回路表输入到PID运算中。

PID回路表如下图所示：

回路控制类型的选择

在许多控制系统中，只需要一种或两种回路控制类型。例如只需要比例回路或者比例积分回路。通过设置常量参数，可以选择需要的回路控制类型。

如果不想要积分动作，可以把积分时间置为无穷大；即使没有积分作用，积分项还是不为零，此时积分项为初值。

如果不想要微分回路，可以把微分时间置为零。

如果不想要比例回路，但需要积分或积分微分回路，可以把增益设为0.0，系统会在计算积分项和微分项时，把增益当作1.0看待。

一般情况下，比例、积分回路控制应用较多，微分作用不宜过强，否则易引起系统的不稳定。

回路输入的转换和标准化

由于PID控制是一些实际的物理量如温度，压力，流量等，这些量都是由工程量也就是浮点数来表示。每个PID回路有两个输入量，即给定值(SP)和过程变量(PV)。给定值和过程变量一般都是实际工程量，其数值大小，范围和测量单位可能都不一样，而PID指令块只能接受0.0-1.0之间的实数(实际就是百分比)作为反馈、给定与控制输出值的有效数值，执行PID指令前必须把外围实际的物理量转换成标准的0.0-1.0之间的浮点型实数。下面的算式可以用于标准化给定值或过程变量值：

RNorm=(RRaw/SPan)+Offset

式中RNorm-标准化的实数值；

RRaw -没有标准化的实数值或原值；

Offset -单极性为0.0，双极性为0.5；

SPan -值域大小，可能的最大值减去可能的最小值，单极性为32000（典型值），双极性为64000（典型值）。

转换示例如下图所示：

回路输出值转换成工程量标定的整数值

回路输出值是用来控制外部设备的。回路输出值是0.0～1.0之间的一个标准化了的实数值，在回路输出值传送给D/A模拟量输出之前，回路输出必须转换成一个16位的标定整数值。这一过程，是给定值或过程变量的标准化转换的逆过程。

第一步是使用下面给出的公式，将回路输出转换成一个标定的实数值

RScal=(Mn -Offset)SPan

式中RScal-回路输出的刻度实数值；

Mn-回路输出的标准化实数值；

Offset -单极性为0.0，双极性为0.5；

SPan-值域大小，可能的最大值减去可能的最小值，单极性为32000（典型值），双极性为64000（典型值）。

转换示例如下图所示：

正作用或反作用回路

如果增益为正，那么该回路为正作用回路；如果增益为负，那么是反作用回路（对于增益值为0.0的I或ID控制，如果指定积分时间、微分时间为正，就是正作用回路；如果指定为负值，就是反作用回路）。

控制方式

S7-200的PID回路没有设置控制方式，只有当PID指令EN端通时，才执行PID运算。在这种意义上说，PID指令执行称之为“自动”运行方式。当PID运算不被执行时，称为“手动”方式。

同计数器指令相似，PID指令有一个使能位。当该使能位检测到一个信号的正跳变（从0到1），PID指令执行一系列的动作，使PID指令从手动方式无扰动地切换到自动方式。为了达到无扰动切换，在转变到自动控制前，必须把手动方式下的输出值填人回路表中的Mn栏。PID指令对回路表中的值进行下列动作，以保证当使能位正跳变出现时，从手动方式无扰动切换到自动方式：

(1)置给定值(SPn)=过程变量(PVn)。

(2)置过程变量前值(PVn-1)=过程变量现值(PVn)。

(3)置积分项前值(MX)=输出值（Mn）。

PID使能位的默认值是1，在CPU启动或从STOP方式转到RUN方式时建立。CPU进入RUN方式后首次使PID块有效，没有检测到使能位的正跳变，那么就没有无扰动切换的动作。

出错条件

如果指令指定的回路表起始地址或PID回路号操作数超出范围，那么在编译期间，CPU将产生编译错误（范围错误），从而编译失败。PID指令不检查回路表中的一些输入值，必须保证过程变量和设定值（以及作为输入的偏置和前一次过程变量）在0.0～1.0之间。如果PID计算的算术运算发生错误，那么特殊存储器标志位SM1.1（溢出或非法值）会被置1，并且中止PID指令的执行（要想消除这种错误，单靠改变回路表中的输出值是不够的，正确的方法是在下一次执行PID运算之前，改变引起算术运算错误的输入值，而不是更新输出值）。

用PID指令编写恒温加热控制程序如下图所示：

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