解读PID参数自整定的实验过程

以下文章来源于工控有得聊，作者廖常初

在自动化控制领域，PID调节器几乎是绕不开的核心环节。然而，很多工程师在实际项目中都会遇到同一个难题：比例、积分、微分这三个参数到底该怎么调?手动试凑不仅耗时费力，效果还往往差强人意。有没有一种方法，能让控制器自己找到最优参数?

西门子PID_Compact指令提供的参数自整定功能，正是为了解决这一痛点而设计的。它通过预调节和精确调节两个阶段，自动分析系统响应，计算出最适合当前被控对象的PID参数。本文以具体的PLC例程为蓝本，完整解读PID参数自整定的实验过程，包括如何操作、可能遇到的问题以及最终的优化效果对比。

PID参数预调节

PID_Compact具有参数自整定(或称为优化调节)的功能。优化调节分为预调节和精确调节两个阶段，二者配合可以得到最佳的PID参数。

首先进行预调节，PID控制器输出一个阶跃信号，确定对输出值跳变的过程响应，并搜索拐点，根据受控系统的最大上升速率与死区时间计算PID参数。预调节要求下列条件。

1)PID控制器处于“未激活”“手动模式”“自动模式”这3种状态之一。

2)PID_Compact指令的输入参数ManualEnable(手动使能)和Reset(复位)均为0。

3)设定值和过程值均在组态的极限值范围内。

4)设定值和过程值的差值的绝对值应大于过程值上、下限之差的30%，还应大于设定值的50%。

预调节或精确调节成功后，控制器将切换到自动模式。

PID参数精确调节

经过预调节后，如果得到的自整定的参数效果不太理想，需要进行精确调节。精确调节使过程值出现幅值恒定有限的振荡，根据振荡的幅度和频率确定PID参数。精确调节通常比预调节得出的PID参数具有更好的主控和扰动特性。可以在执行预调节和精确调节后获得最佳PID参数。PID_Compact将自动尝试生成大于过程值噪声的振荡。过程值的稳定性对精确调节的影响非常小。

精确调节要求的前3个条件与预调节的相同。此外，还要求启动时过程变量处于稳定状态，没有干扰的影响。

项目简介

配套资源中的例程“1200PID参数自整定”与例程“1200PID闭环控制”的程序结构相同。它们的循环中断组织块OB30中的程序完全相同，PID_Compact指令和作者编写的模拟被控对象的函数块“被控对象”组成了PID闭环控制系统。

在组态时设置CPU重启后PID控制器为自动模式，在OB1中用I0.0使MD12中的设定值在0.0%和70.0%之间切换(见图1)。可以用配套资源中的例程“1500PID参数自整定”做仿真实验。

图1 OB1中的程序

预调节可能遇到的问题与解决的方法

用I0.0产生70.0%的阶跃设定值之后，如果没有及时启动预调节，“状态”文本框可能会出现错误信息“过程值过于接近设定值”。为了解决这个问题，应在产生70.0%的阶跃设定值后，立即启动预调节。

预调节过程中可能出现错误信息“Input值超出已定义的过程值范围”，这个错误与阶跃响应的超调量过大有关。可手动调节比例增益和积分作用时间，减小阶跃响应的超调量后再做参数自整定，也可以适当增大设置的过程值上限。

预调节实验

预调节之前的比例增益为0.45，积分作用时间为1.4s，控制器结构为PID，过程值上限设置为150%。将用户程序和组态数据下载到硬件PLC或仿真PLC，令PLC进入RUN模式。在PID调试窗口设置“采样时间”为0.3s(见图2)，单击采样时间右边的“Start”按钮，启动调试窗口的监控功能，此时过程变量PV和设定值SP均为0。

右上角的下拉列表的调节模式为默认的“预调节”。令I0.0变为1，使设定值从0.0%跳变到70.0%，立即单击右上角的“调节模式”区的“Start”按钮，启动预调节。

图2显示屏左边是预调节期间的曲线，开始时PID输出值跳变为约60.0%的恒定值，过程变量PV按近似指数规律上升，预调节成功完成后，“状态”文本框出现“系统已调节”的信息，控制器自动切换到自动模式。PID输出值衰减振荡，过程变量快速下降后在70.0%的设定值水平线上下衰减振荡，误差很快趋近于 0。在线的组态窗口可以看到预调节得到的PID参数值。

图2 PID参数自整定的响应曲线

如果设定值和过程值的差值太小，或过程值、PID的输出值超出组态的极限值范围，预调节将会终止，调试窗口下面的“状态”文本框将会出现相应的错误信息。可以用“ErrorAck”按钮清除错误信息。

精确调节实验

经过预调节后，如果自整定得到的参数的控制效果不太理想，需要进行精确调节。开始精确调节之前，要求过程变量处于稳定状态，没有干扰的影响。设置调节模式为“精确调

节”，单击“调节模式”区的“Start”按钮，启动精确调节。

经过一段时间后，红色的PID输出曲线以方波波形变换(见图2)，CPU自动控制PID输出的幅值和频率，以保证过程变量曲线在设定值水平线上下一定范围内波动。PID输出曲线经过若干次正、负跳变后，精确调节结束，下面的“状态”文本框出现“系统已调节”的信息。此后自动切换到自动模式，并使用精确调节得到的PID参数，过程变量曲线PV很快与水平的设定值曲线SP重合。

上传PID参数

精确调节完成后，单击PID调试窗口下面的“上传PID参数”按钮(见图2)，该按钮右边的图标变为绿色带钩的圆形，CPU中优化的PID参数被上传到TIA博途的项目中。

单击“转到PID参数”按钮，切换到组态窗口的PID参数页面，可以看到精确调节后CPU中得到的优化的PID参数(见图3)。为了观察优化后的参数的控制效果，返回PID调节窗口。令I0.0为0，过程值下降到0时，令I0.0为1，使设定值由0跳变到70%。过程变量PV的响应曲线如图4所示，超调量很小。然后令I0.0为0，使设定值由70%跳变到0。如果使用优化之前的参数，超调量为15%。图4说明优化的PID参数的控制效果是比较理想的。

修改自整定之前PID控制器的某些参数，自整定得到的优化的PID参数可能有一些差异。但是自整定后的阶跃响应曲线与图4中的基本相同。

图3 PID控制器的参数

图4 PID控制器阶跃响应曲线

本文节选自《S7-1200 PLC编程及应用 第5版》第八章第三节