SIMATIC S7-1200 PID串级控制（以巧克力加热炉温度控制为例）

一、PID控制原理

基于反馈控制理论，在工程实际中，应用最为广泛的比例、积分、微分控制，简称PID控制。

PID具有以下优点：
1.原理简单实用方便；
2.适用性强，可以广泛应用在化工，冶金等领域；
3.控制品质对其被控对象特性的变化不大敏感；
4.对模型依赖性少，按PID控制进行工作的自动控制调节器早已商品化。
S7-1200的PID功能：
1.提供3个PID指令：PID_Compact、PID_3Step、PID Temp；
2.PID的调节回路数仅受程序大小及执行时间影响，没有具体数量限制；
3.支持抗积分饱和功能；
4.支持不同错误的响应。
5.PID_3Step、PID_Temp支持死区；
6.PID_Temp支持控制带；
7.PID Temp支持串级控制。

二、PID控制指令

1.PID_Compact

PID_Compact是连续的PID控制指令，支持模拟量或脉冲宽度调制（PWM）输出。

2.PID_3Step

PID_3Step是用于开关量信号控制的执行器；其输出用于模拟量和二进制阀门的控制；支持阀门的位置反馈和停止信号的检测；集成了电机转换时间的测量；支持死区控制。

3.PID_Temp

PID_Temp转为温度控制而设计，支持加热和制冷控制；支持模拟量或脉冲宽度调制（PWM）输出；提供加热和制冷的自整定；带有抗积分饱和的级联控制功能；支持死区和控制带功能。

4.指令块功能对比

三、PID控制示例

1.调用并组态PID_Compact

PID指令块需要在循环中断组织块中调用；

在默认变量表中创建如下变量；

将变量连接到PID_Compact指令块的对应引脚；

组态PID_Compact；



过程值标定功能只有在Input/Output参数选择Input_PER或Out_PER时，才会启用；

2.调用被控对象仿真块

PID仿真块的库文件“LSim”可在西门子工业在线支持官网下载；
PID仿真块的库文件
关于添加全局库的方法，以及更多全局库文件的下载，见以下链接；
在 TIA Portal 中，如何打开、编辑和升级全局库
调用下载好的仿真块，并连接如下变量；

3.进行预调节

首先进行预调节，预调节用于确定对输出值跳变的过程响应，并搜索拐点。
要求：
1.设定值-过程值>（过程值上限值-过程值下限值）×30%；
2.设定值-过程值>设定值×50%；
3.PID控制器处于手动、未激活或者自动模式。
打开PLC仿真器，下载程序，双击打开调试界面；


为满足预调节的要求，给定Setpoint一个设定值，在程序段中修改操作数，我们设置为90；

点击Start进行预调节。

4.进行精确调节

预调节结束后，点击上传PID参数，将PID参数上传至CPU中，然后启动精确调节；
精确调节：使过程值出现恒定受限的振荡，并根据此振荡的幅度和频率为操作点调节PID参数；
要求：
1.控制器工作在操作点；
2.不希望有扰动。

精确调节结束后，点击上传PID参数，将PID参数上传至CPU中。

四、串级控制

• 多个PID控制回路相互嵌套，形成级联控制；
• 主控制器的输出值作为从控制器的设定值，最外层从控制器的输出值应用于执行器；
• 可以迅速纠正控制系统中发生的扰动，显著降低扰动对受控变量的影响；
• 从控制器回路以线性形式发挥作用。因此，这些非线性扰动对受控变量的负面影响可得到缓解。

以巧克力加热炉温度控制为例，将巧克力溶液的温度作为主控制器PID_Temp_1的反馈值Input，从上位机获得想要达到的巧克力溶液温度Setpoint，将水的温度作为从控制器PID_Temp_2的反馈值，将主控制器的输出OutputHeat作为从控制器的输入Setpoint，将从控制器的输出OutputHeat用于水温控制，从而通过水温控制巧克力溶液的温度达到设定值。

1.调用并组态PID_Temp

调用两次PID_Temp功能块，分别作为主控制器PID_Temp_1和从控制器PID_Temp_2，必须先调用主控制器，再调用从控制器，并连接变量；

PID_Temp_1组态过程如下所示：

注意：只有在作为从控制器的时候，才可以“激活制冷”；

勾选“控制器为主站”，这里从站数量为1，最大可支持255个从站；





PID_Temp_2组态过程如下所示：




在“输出的基本设置”选项卡中，加热/制冷方法可选择“切换加热/制冷的PID参数”，此时加热和制冷分别自整定；当加热和制冷的变化曲线基本一致时，可以选择“加热/制冷的制冷系数”，此时制冷的PID参数由加热的PID参数乘以设置的制冷系数得到。这里我们选择“切换加热/制冷的PID参数”；

2.调用被控对象仿真块

仿真块下载链接已在上文给出，连接对应变量，同时，将水温反馈值赋值给巧克力溶液温度反馈值。

3.进行从控制器预调节加热

预调节常规要求：
1.ManualEnable = FALSE，Reset = FALSE；
2.PID_Temp处于“未激活”、“手动模式”或“自动模式”；
3.设定值与过程值均处于组态的限定范围内。
预调节加热要求：
1.设定值-过程值>（过程值上限值-过程值下限值）×30%；
2.设定值-过程值>设定值×50%；
3.设定值大于过程值。
因为要进行串级调试，故在进行主控制器自整定之前，需要进行从控制器自整定，但从控制器的设定值是主控制器的输出值，无法手动修改，此时，可以用调试面板中的设定替代值作为从控制器的设定值。
打开PID_Temp_2的调试面板，点击测量面板的start按钮，调节模式选择预调节加热，勾选控制器的在线状态面板里的Subst.Setpoint，设定一个满足预调节加热要求的数值，这里设置为80.0，然后点击旁边的闪电按钮，发送给PLC，最后点击调节面板的Start按钮，开始预调节加热。

调节状态显示系统已调节表示预调节加热完成。

4.进行从控制器预调节加热/制冷

要求同预调节加热。
此例程本步骤省略。

5.进行从控制器预调节制冷

预调节制冷要求：
1.已成功执行了“预调节加热”或“预调节加热/制冷”；
2.设定值-过程值<（过程值上限值-过程值下限值）×5%。
调节模式选择预调节制冷，点击调节面板的Start按钮，开始预调节制冷。

6.进行从控制器精确调节加热

精确调节常规要求：
1.控制回路已稳定在工作点；
2.不能被干扰；
2.PID_Temp处于“未激活”、“手动模式”或“自动模式”；
3.设定值与过程值均处于组态的限定范围内。
精确调节加热要求：
1.Heat.EnableTuning = True；激活加热自整定
2.Cool.EnableTuning = False；不激活制冷自整定
3.PidOutputSum>0.0。如果此条件不满足，则需要在精确调节加热前增加制冷偏移量

调节模式选择精确调节加热，调节偏移量此时不需要设置，点击调节面板的Start按钮，开始精确调节加热。

系统调节完毕后，点击上传PID参数。

7.进行从控制器精确调节制冷

精确调节制冷要求：
1.Heat.EnableTuning = False；不激活加热自整定
2.Cool.EnableTuning = True；激活制冷自整定
3.PidOutputSum<0.0。如果此条件不满足，则需要在精确调节制冷前增加加热偏移量
调节模式选择精确调节制冷，调节偏移量此时不需要设置，点击调节面板的Start按钮，开始精确调节制冷。

系统调节完毕后，点击上传PID参数。

8.进行主控制器预调节加热

在程序块中，手动修改PID_Temp_1的设定值Setpoint，这里设置为80.0；
打开PID_Temp_1的调试面板，可以看到：

所以将从控制器PID_Temp_2调试面板中的“Subst.Setpoint”取消勾选；
点击PID_Temp_1测量面板的start按钮，调节模式选择预调节加热，点击调节面板的Start按钮，开始预调节加热。

9.进行主控制器精确调节加热

调节模式选择精确调节加热，点击调节面板的Start按钮，开始精确调节加热；

系统调节完毕后点击上传PID参数。

更改PID_Temp_1的设定值Setpoint，若系统可以较为准确地调节温度值，则说明此系统的PID参数较为合适，下载程序即可。