用STEP7玩控制—PID参数自动整定
2018-02-03 18:27阅读：
继电反馈法（有文献称为极限环法）PID自动整定原理如下图1所示，当进行PID自动整定时，开关切向T，控制系统
图1
继电反馈法PID自动整定框图
实行继电控制，假设偏差e的基波幅值为a，由于被控对象具有低通特性，因此，可以认为基波幅值为a近似于偏差e的幅值，如果继电环节的饱和输出幅值为+d、-d，滞环值为+h、-h，那么，继电环节的描述函数为
N(a)=4*d
*exp（-j*arcsin(h/a))/(π*a)
此时，系统发生振荡的条件是
G(s)*N(a)=-1
振荡的频率 和幅值a，就是Nyquist图上由负倒幅特性 曲线和 轨迹线的交点对应的值，我们也可以通过解式(2-17)求得振荡频率
和幅值a，振荡频率与振荡周期之间的关系和继电环节的增益 如下式
Tu=2*
π/ωu
Ku=4*d/(π*a)
已知振荡频率
ωu和幅值a，则根据Ziegler-Nichols经验公式，PID参数由下式确定
Kc=0.6*Ku
Ti=0.5*Tu
Td=0.125*Tu
继电反馈法PID自动整定中，由于继电环节中存在滞环，所以可以有效地克服干扰的影响。
在step7中实现PID参数自动整定，需要一个继电环节，一个控制信号选择环节，一个PID参数计算环节。
继电环节如下图2所示，图中h是继电器滞环的大小，d是继电器输出变化幅度，我们用FB19功能块，实现继电环节如
图3所示，图中sp是设定值、pv是过程值、mani是控制值，d和h如上面说明。
控制信号切换，程序中要用到的控制信号有PID控制、模糊控制和PID自动整定时输出等信号，FC7功能就是为了实现各种信号的自动切换，控制信号切换功能FC7如下图4所示，图中pid是PID控制信号，fuzzy是模糊控
制控制信
图4 信号切换功能FC7
号，at是PID自动整定时控制信号，即图3中的relay_out_re继电器输出信号，pv是过程量输入，sp是设定值输入，sw是模糊控制信号与PID控制信号切换点设置值输入，at_st是PID自动整定启动信号，mv是控制信号输出，当大偏差时，模糊控制起作用
，反之， PID控制起作用，在启动PID自动整定的情况下， mv=at，而fuzzy_out_bo是模糊控制标志输出。
PID参数计算，我们用FB20功能块来实现，如下图5所示，图中，Total是整定时间输入，cycle是
采样周期
，
图5 PID参数自动整定功能块FB20
com_rst是复位输入，用于静态变量清零和复位自动整定结束标志输出end，Tu是振荡周期输出，Ku是继电环节增益输出，Kc是调节器比例增益输出，I是调节器积分时间Ti输出，是Time数据类型，D是调节器微分时间Td输出，是Time数据类型，I和D的数据类型与FB41中TI和TD参数的数据类型一致，所以，可以直接赋值给FB41的TI和TD参数，从而实现PID自动整定，end_out_bo是自动整定结束标志输出，是逻辑量。
利用上述FB、FC就可以搭建PID参数自动整定系统，如下图6所示，在此基础上，启动由S7-PLCSIM、WINCC、
SIMULINK组成的虚拟控制系统，进行仿真，效果如下图7所示，仿真时，先是让系统稳定下来，然后，在WINCC界面中，点击AT按钮，启动PID自整定，在经过一个完整的方波后，再点击AT按钮，停止自动整定，在WINCC界面可以看到新的PID参数值，然后修改设定值，观察在新的PID参数下控制效果，从图中可以看出，自动整定效果还不错。
