1 用pid指令向?qū)蓀id程序
用系統(tǒng)塊設(shè)置cpu的型號，雙擊項(xiàng)目樹的“向?qū)А蔽募A中的“pid”，打開“pid回路向?qū)А睂υ捒?，在依次出現(xiàn)的頁面中完成下列操作：選擇要組態(tài)的回路0，設(shè)置增益、采樣時間、積分時間和微分時間；過程變量pv的類型為單極性，過程變量和回路設(shè)定值sp的上、下限均采用默認(rèn)值；回路輸出量的類型為默認(rèn)的模擬量輸出，單極性，范圍為0 ~ 27648。
在“報警”頁設(shè)置是否啟用過程變量pv的上限報警、下限報警和模擬量輸入錯誤報警。采用pid向?qū)?chuàng)建的子程序的默認(rèn)名稱，選中“添加pid的手動控制”多選框。在“存儲器分配”頁設(shè)置用來保存組態(tài)數(shù)據(jù)的120b的v存儲區(qū)的起始地址為vb200。
“組件”頁顯示組態(tài)生成的項(xiàng)目組件。單擊“生成”按鈕，自動生成循環(huán)執(zhí)行pid功能的中斷程序pid_exe、第0號回路的初始化子程序pid0_ctrl、數(shù)據(jù)頁pid0_data和符號表pid0_sym。
2 使用子程序模擬被控對象
要學(xué)習(xí)整定pid控制器參數(shù)的方法，必須做閉環(huán)實(shí)驗(yàn)，開環(huán)運(yùn)行pid程序沒有任何意義。用硬件組成一個閉環(huán)需要cpu模塊、模擬量輸入模塊和模擬量輸出模塊，此外，還需要被控對象、檢測元件、變送器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。下面介紹的pid閉環(huán)實(shí)驗(yàn)只需要一塊cpu模塊，被控對象用作者編寫的名為“被控對象”的子程序來模擬，被控對象的數(shù)學(xué)模型為3個串聯(lián)的慣性環(huán)節(jié)，其增益為gain，其傳遞函數(shù)為gain/[(tim1s+1) (tim2s+1) (tim3s+1)]，tim1 ~ tim3為慣性環(huán)節(jié)的時間常數(shù)。使用模擬的被控對象的pid閉環(huán)示意圖如圖1所示。圖中被控對象的輸入值inv是pid控制器的輸出值，disv是系統(tǒng)的擾動輸入值。被控對象的輸出值outv作為pid控制器的過程變量（反饋值）pv。
圖1 采用模擬被控對象的pid閉環(huán)示意圖
pid控制器的難點(diǎn)在于pid參數(shù)的整定。圖2和圖3是《s7-200 smart plc編程及應(yīng)用》中的例程“pid閉環(huán)控制”的主程序和中斷程序。可以用這個例程和編程軟件中的pid整定控制面板學(xué)習(xí)pid的參數(shù)整定方法。t37和t38組成了方波振蕩器，用來提供周期為60s、幅值為20.0%和70.0%浮點(diǎn)數(shù)的方波設(shè)定值。
用一直閉合的sm0.0的常開觸點(diǎn)調(diào)用pid向?qū)傻淖映绦騪id0_ctrl，后者初始化pid控制使用的變量，cpu按pid向?qū)е薪M態(tài)的采樣周期調(diào)用pid中斷程序pid_exe，在pid_exe中執(zhí)行pid運(yùn)算。
pid0_ctrl指令的輸入?yún)?shù)pv_i是數(shù)據(jù)類型為int的過程變量（反饋值），setpoint_r是以百分比為單位的實(shí)數(shù)設(shè)定值（sp）。bool變量auto_manual為“on”時，該回路為自動模式（pid閉環(huán)控制），反之為手動模式。manualoutput是手動模式時標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)數(shù)輸入值（0.00 ~ 1.00）。output是pid控制器的int型輸出值，bool變量highalarm是上限報警。
圖2 pid閉環(huán)控制的主程序
pid0_ctrl的輸入變量“過程變量”是子程序“被控對象”（見圖3）的輸出值，pid0_ctrl的輸出變量“pid輸出”是子程序“被控對象”的輸入值，這樣就組成了圖1中的pid閉環(huán)。
pid_exe占用了定時中斷0，模擬被控對象的中斷程序使用定時中斷1。兩個定時中斷的時間間隔均為200ms。剛進(jìn)入run模式時，sm0.1的常開觸點(diǎn)閉合，將定時中斷1的時間間隔200ms送給smb35，用atch指令連接中斷程序int_0和編號為11的定時中斷1的中斷事件。
在中斷程序int_0中，用一直閉合的sm0.0的常開觸點(diǎn)調(diào)用子程序“被控對象”（見圖3），被控對象的增益為3.0，3個慣性環(huán)節(jié)的時間常數(shù)分別為5s、2s和0s，實(shí)際上只用了兩個慣性環(huán)節(jié)。其采樣周期cycle為200ms，參數(shù)com_rst用于初始化操作。
圖3 中斷程序int_0
實(shí)際的pid控制程序不需要調(diào)用中斷程序int_0和其中的子程序“被控對象”，在主程序中只需要調(diào)用子程序pid0_ctrl，其輸入?yún)?shù)pv_i應(yīng)為實(shí)際使用的ai模塊的通道地址（例如aiw16），輸出參數(shù)output應(yīng)為實(shí)際使用的ao模塊的通道地址（例如aqw16）。
step 7-micro/win smart的pid整定控制面板（見圖4）用圖形方式監(jiān)視pid回路的運(yùn)行情況，可以用它手動調(diào)節(jié)pid參數(shù)，或用于pid參數(shù)自整定。
將例程“pid閉環(huán)控制”下載到cpu，令plc為run模式。雙擊項(xiàng)目樹的“工具”文件夾中的“pid整定控制面板”，打開控制面板。令初始化程序pid0_ctrl的輸入?yún)?shù)auto_manual（i0.0）為“on”，啟動pid控制。選中面板左邊窗口中的“l(fā)oop 0”，可以看到右邊窗口用不同顏色顯示的pv、sp和pid輸出的動態(tài)變化的曲線及它們的值，圖中的pid控制器的參數(shù)kc為增益，ti為積分時間，td為微分時間。
圖4 pid整定控制面板
“采樣時間”是pid向?qū)е性O(shè)置的以s為單位的執(zhí)行pid運(yùn)算的時間間隔?！罢{(diào)節(jié)參數(shù)”區(qū)給出了cpu中的增益、積分時間和微分時間的當(dāng)前值，和參數(shù)自整定得到的計算值（或手動輸入的參數(shù)值）。
3 pid參數(shù)整定的仿真實(shí)驗(yàn)
圖5-6 ~ 圖5-12是用圖5-4和圖5-5中的程序和pid整定控制面板得到的曲線。圖4的pv曲線的超調(diào)量過大，有多次震蕩。選中pid整定控制面板中的“啟用手動調(diào)節(jié)”多選框（見圖4），在“計算值”列將積分時間由0.03min改為0.1min，增益和微分時間不變。單擊“更新cpu”按鈕，將鍵入的參數(shù)值下載到cpu。增大積分時間（減弱積分作用）后，圖5中pv曲線的超調(diào)量和震蕩次數(shù)明顯減小。
圖5 pid控制階躍響應(yīng)曲線
將圖5中的微分時間改為0.0min，其他參數(shù)不變。微分時間由0.01min減為0后，圖6中響應(yīng)曲線的超調(diào)量和震蕩次數(shù)增大?？梢娺m當(dāng)?shù)奈⒎謺r間對減小超調(diào)量有明顯的作用。
圖6 pi控制階躍響應(yīng)曲線
將圖5中的微分時間改為0.0min，其他參數(shù)不變。微分時間由0.01min減為0后，圖6中響應(yīng)曲線的超調(diào)量和震蕩次數(shù)增大?？梢娺m當(dāng)?shù)奈⒎謺r間對減小超調(diào)量有明顯的作用。
使用這個例程和pid整定控制面板來調(diào)整控制器的參數(shù)，通過pv曲線的特征觀察參數(shù)整定的效果，可以迅速地掌握pid參數(shù)整定的方法。更詳細(xì)的信息和參數(shù)整定的實(shí)例見作者編寫的《s7-200 smart plc編程及應(yīng)用》第2版。該書隨書光盤有pid參數(shù)手動整定、自動整定的視頻教程。