西門子6ES7 214-1AG40-0XB0

3.1 控制帶

　　溫度控制回路是一個(gè)有明顯滯后特性的對象，這給實(shí)際的調(diào)節(jié)過程帶來了很多的問題，顯著的困難就是在過程值偏離設(shè)定值較大時(shí)，調(diào)節(jié)過程過于緩慢，而在接近設(shè)定值時(shí)容易出現(xiàn)較大的超調(diào)。

　　從上述的兩個(gè)問題出發(fā)，PID應(yīng)該滿足這樣的功能：

　　- 在偏差超過一定的范圍時(shí)，PID輸出或者小的調(diào)節(jié)量，讓溫度值快速回到一個(gè)小的范圍中，以縮短回路的調(diào)節(jié)時(shí)間；

　　- 在設(shè)定值附近時(shí)，越靠近調(diào)節(jié)量變化越小，以防止超調(diào)。

　　為此，F(xiàn)B58提供了一個(gè)“控制帶(Control Zone)"功能，其工作原理是這樣的：

　　- 當(dāng)過程值PV大于設(shè)定值SP_INT，且偏差的值超過CON_ZONE，則以輸出下限LMN_LLM作為輸出值；

　　- 當(dāng)過程值PV小于設(shè)定值SP_INT，且偏差的值超過CON_ZONE，則以輸出上限LMN_HLM作為輸出值；

　　- 如果偏差的值小于CON_ZONE，則以實(shí)際PID的計(jì)算結(jié)果作為輸出值。

　　圖10 控制帶（正作用情況下，即GAIN>0.0）

　　默認(rèn)參數(shù)中LMN_LLM是0.0，LMN_HLM是100.0，控制帶使能位CONZ_ON是False，控制帶范圍是100.0。

　　如上圖所示的控制帶解決了在偏差較大時(shí)PID調(diào)節(jié)過于緩慢的問題，但在控制帶范圍中要避免因大滯后導(dǎo)致的超調(diào)，需要弱化PID的輸出，要實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，可以通過降低比例參數(shù)和增加微分作用。在同樣的偏差情況下，比例增益越小，PID輸出變化越緩慢。微分作用簡單來看就是通過偏差的變化量來調(diào)節(jié)，在接近設(shè)定值的過程中，溫度變化速度在逐步變慢，此時(shí)的微分作用可以起到弱化控制輸出的功能，進(jìn)而達(dá)到減少超調(diào)的目的。因此，推薦控制帶在有微分作用的前提下使用。參數(shù)裝載的過程也體現(xiàn)了這一點(diǎn)：

　　- 如果是裝載PI_CON下的參數(shù)，因?yàn)闆]有微分功能，所以會設(shè)置CONZ_ON為False。

　　在使用過程中，控制帶參數(shù)CON_ZONE應(yīng)該始終設(shè)置為一個(gè)大于等于0.0的值，否則會導(dǎo)致PID運(yùn)算結(jié)果永遠(yuǎn)不會被執(zhí)行的故障現(xiàn)象。

　　3.2 脈沖輸出方式

　　和FB41不同，F(xiàn)B58中集成有脈寬調(diào)制輸出的功能，通過將PID的運(yùn)算結(jié)果換算成對應(yīng)的脈沖占空比來達(dá)到加熱/冷卻的控制。

　　在FB58的脈沖輸出環(huán)節(jié)中涉及到的關(guān)鍵參數(shù)有：

　　PULSE_ON：脈沖輸出使能；

　　PER_TM：輸出脈沖的周期時(shí)間；

　　CYCLE_P：脈沖輸出的刷新時(shí)間，推薦PER_TM/CYCLE_P>50，即將周期時(shí)間分為時(shí)間長度為CYCLE_P的“片"，在每個(gè)CYCLE_P時(shí)間間隔里，脈沖輸出單元運(yùn)算一次以判斷下一個(gè)CYCLE_P中應(yīng)該輸出高電平還是低電平，PER_TM和CYCLE_P的比值越大，說明輸出脈沖的精度就也高；

　　P_B_TM：小脈沖/小斷開時(shí)間。例如當(dāng)PID的計(jì)算輸出接近于100.0時(shí)，那么輸出的脈沖中低電平時(shí)間接近于0，針對執(zhí)行機(jī)構(gòu)而言，其需要在極短的時(shí)間里關(guān)斷，然后再打開，這會嚴(yán)重縮短設(shè)備的工作壽命，為此，通過設(shè)置小脈沖斷開/脈沖時(shí)間就可以避免此問題。當(dāng)需要輸出的高電平時(shí)間小于P_B_TM時(shí)，則不會輸出這個(gè)高電平；當(dāng)需要輸出的高電平時(shí)間大于周期時(shí)間PER_TM-P_B_TM時(shí)，則整個(gè)周期都輸出高電平。P_B_TM設(shè)置的過長，可以降低對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的沖擊，但會影響輸出脈沖和整個(gè)回路的控制精度；設(shè)置的過短，則對執(zhí)行機(jī)構(gòu)不利。

　　圖11 脈沖輸出

　　如上圖所示，LmnN為PID的運(yùn)算結(jié)果，通過和脈沖周期時(shí)間PER_TM相乘得到高電平的輸出時(shí)間：

　　脈寬=LmnN*PER_TM/100

　　脈沖輸出單元每次執(zhí)行都累加一個(gè)CYCLE_P，通過判斷累加值和脈寬，或者和周期與脈寬差值的比較來改變輸出點(diǎn)的狀態(tài)。

　　3.2.1 脈沖輸出和PID運(yùn)算

　　在FB58中，脈沖輸出和PID計(jì)算是兩個(gè)相對獨(dú)立的過程，各自有自己的計(jì)算周期。對于PID計(jì)算來說，CYCLE參數(shù)可以看成是PID計(jì)算的循環(huán)周期時(shí)間，例如PID在OB35每次執(zhí)行過程中都會被調(diào)用，而硬件組態(tài)過程中OB35的周期時(shí)間被設(shè)置成了500ms，則CYCLE應(yīng)該填寫為0.5。對于脈沖輸出來說，其循環(huán)周期時(shí)間是CYCLE_P。這兩個(gè)時(shí)間參數(shù)可以一樣，也可以不一樣。PID的計(jì)算周期主要由被測量的變化規(guī)律決定的，而脈沖輸出的CYCLE_P參數(shù)由要求的脈沖輸出精度決定。

　　為了協(xié)調(diào)PID和脈沖輸出之間的矛盾，F(xiàn)B58提供了“SELECT"參數(shù)，其具體使用如下所示：

　　根據(jù)上表描述，F(xiàn)B58的調(diào)用可以有如下三種情況：

　?。?）SELECT=0，F(xiàn)B58只在周期中斷OB（例如OB35）中調(diào)用

　　此時(shí)的參數(shù)配置應(yīng)該將CYCLE_P和周期中斷OB的中斷時(shí)間保持一致。因?yàn)镻ID計(jì)算的執(zhí)行條件是CYCLE_P的累計(jì)值和CYCLE參數(shù)一致，而脈沖輸出周期PER_TM則應(yīng)該CYCLE_P的整數(shù)倍，和CYCLE無關(guān)。

　　例如，在OB35中調(diào)用FB58，OB35的周期時(shí)間為50ms，F(xiàn)B58中的CYCLE_P是0.05s，CYCLE是1.0s，PER_TM是3.0s。

　　觀察參數(shù)之間的關(guān)系，CYCLE是CYCLE_P的20倍，即OB35每20個(gè)周期執(zhí)行一次FB58里的PID計(jì)算，而輸出的脈沖周期是3秒鐘。

　　（2）FB58分別在OB1和周期中斷OB（例如OB35）中調(diào)用

　　在兩個(gè)OB塊中調(diào)用的FB58使用同樣的背景數(shù)據(jù)塊和參數(shù)，只是SELECT參數(shù)有所不同，在OB1中調(diào)用，SELECT設(shè)置為1；在周期中斷OB中調(diào)用，SELECT設(shè)置為2。為了縮短OB1執(zhí)行時(shí)間，可以通過FB58背景數(shù)據(jù)塊中的“QC_ACT"來選擇是否執(zhí)行FB58，當(dāng)QC_ACT為TRUE時(shí)，執(zhí)行，否則跳過。

　　在這種方式下，處理原理同（1）一致，不同的是PID運(yùn)算總是在OB1中執(zhí)行罷了。OB1的執(zhí)行周期對PID運(yùn)算、脈沖輸出均沒有影響。

　?。?）FB58在兩個(gè)不同周期時(shí)間的周期中斷OB（例如OB32和OB35）中調(diào)用

　　FB58分別在兩個(gè)周期中斷OB中調(diào)用，其中周期時(shí)間長的OB中調(diào)用的FB58的SELECT參數(shù)設(shè)置為3，時(shí)間短的設(shè)置為2。

　　同前面兩種情況不一樣，SELECT選擇為3時(shí)，PID的運(yùn)算只和調(diào)用周期有關(guān)。例如OB32定義的周期時(shí)間是1000ms，OB35的周期時(shí)間是100ms，CYCLE_P是0.02s，PER_TM是1.0s。這樣在OB32中定義SELECT參數(shù)為3，則每1秒鐘就執(zhí)行一次PID運(yùn)算，并不是由CYCLE和CYCLE_P的關(guān)系來決定。

　　3.2.2 參數(shù)設(shè)置的經(jīng)驗(yàn)法則

　　前面的描述說明了CYCLE/CYCLE_P/PER_TM之間的關(guān)系，對于具體的參數(shù)設(shè)置，可以有如下幾條法則：

　?。?）CYCLE時(shí)間不能超過積分時(shí)間TI的10%；

　　（2）為了保證控制精度，脈沖周期時(shí)間PER_TM應(yīng)該至少是CYCLE_P的50倍；

　　（3）脈沖周期時(shí)間CYCLE不能超過積分時(shí)間TI的5%