西門子S7-1200CPU 1214 FC

受控系統(tǒng)和執(zhí)行器

受控系統(tǒng)

通過加熱系統(tǒng)控制室溫是受控系統(tǒng)的一個(gè)簡單示例。傳感器測(cè)量室溫并將溫度值傳送給控

制器?？刂破鲗?dāng)前室溫與設(shè)定值進(jìn)行比較，并計(jì)算加熱控制的輸出值（調(diào)節(jié)變量）。

如果 PID 控制器的設(shè)置正確，則會(huì)盡快達(dá)到此設(shè)定值，然后使其保持為常數(shù)值。輸出值

更改后，過程值通常僅隨時(shí)間延遲而變化。控制器必須針對(duì)此響應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償。

執(zhí)行器

執(zhí)行器是受控系統(tǒng)元件，受控制器影響。其功能是修改質(zhì)量和能量流。

下表概述了執(zhí)行器的應(yīng)用。

應(yīng)用 執(zhí)行器

液體或氣體質(zhì)量流 閥門、遮板、閘門閥

固體質(zhì)量流，如大塊材料 鉸鏈?zhǔn)綋醢濉魉蛶?、振?dòng)器通道

電流 開關(guān)觸點(diǎn)、接觸器、繼電器、可控硅

可變電阻、可調(diào)變壓器、晶體管

控制原理

2.1 受控系統(tǒng)和執(zhí)行器

PID 控制

22 功能手冊(cè), 11/2019, A5E35300232-AE

執(zhí)行器分為以下幾種：

● 帶有恒定起動(dòng)信號(hào)的比例執(zhí)行器

這些元件用于設(shè)置開啟角度、角位置，或與輸出值成比例的位置。輸出值在控制范圍

內(nèi)會(huì)對(duì)過程產(chǎn)生模擬量作用。

此組中的執(zhí)行器包括彈簧支撐的氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器，以及構(gòu)成位置控制系統(tǒng)的帶位置反饋的

電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器。

連續(xù)控制器（如 PID_Compact）會(huì)生成輸出值。

● 帶脈沖寬度調(diào)制信號(hào)的比例執(zhí)行器

這些執(zhí)行器用于在采樣時(shí)間間隔內(nèi)生成長度與輸出值成比例的脈沖輸出。執(zhí)行器（如

加熱電阻或制冷裝置）在等時(shí)模式下接通，持續(xù)時(shí)間根據(jù)輸出值的不同而有所不同。

起動(dòng)信號(hào)可呈現(xiàn)單極“打開"或“關(guān)閉"狀態(tài)，或表示雙極狀態(tài)，如“打開/關(guān)閉"、“向前/向

后"、“加速/制動(dòng)"。

輸出值由兩位控制器（如具有脈寬調(diào)制的 PID_Compact）生成。

● 具有積分作用和三位起動(dòng)信號(hào)的執(zhí)行器

執(zhí)行器經(jīng)常由電機(jī)操作，操作周期與阻塞元件的執(zhí)行器進(jìn)給成比例。包括閥門、遮板

和閘門閥等元件。盡管所有這些執(zhí)行器的設(shè)計(jì)有所不同，但它們都受到受控系統(tǒng)輸入

端的積分作用的影響。

步進(jìn)控制器（如 PID_3Step）會(huì)生成輸出值。

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受控系統(tǒng)

受控系統(tǒng)的屬性幾乎不受到影響，因?yàn)檫@些屬性是由過程和機(jī)械的技術(shù)要求決定的。 只

能通過為特定受控系統(tǒng)選擇合適的控制器類型以及調(diào)整控制器以適應(yīng)受控系統(tǒng)的時(shí)間響

應(yīng)，來實(shí)現(xiàn)可接受的控制結(jié)果。 因此，要對(duì)控制器的比例、積分和微分作用進(jìn)行組態(tài)，

很有必要詳細(xì)了解受控系統(tǒng)的類型和參數(shù)。

受控系統(tǒng)類型

根據(jù)受控系統(tǒng)對(duì)輸出值階躍變化的時(shí)間響應(yīng)來對(duì)受控系統(tǒng)進(jìn)行分類。

受控系統(tǒng)有以下分類：

● 自調(diào)節(jié)受控系統(tǒng)

– 比例作用受控系統(tǒng)

– PT1 受控系統(tǒng)

– PT2 受控系統(tǒng)

● 非自調(diào)節(jié)受控系統(tǒng)

● 具有/不具有時(shí)間的受控系統(tǒng)

自調(diào)節(jié)受控系統(tǒng)

比例作用受控系統(tǒng)

在比例作用受控系統(tǒng)中，過程值幾乎會(huì)立即隨輸出值而變化。 過程值與輸出值之間的比

率由受控系統(tǒng)的比例 Gain 定義。

示例：

● 管道系統(tǒng)中的閘門閥

● 分壓器

● 液壓系統(tǒng)中的降壓功能

控制原理

2.2 受控系統(tǒng)

PID 控制

24 功能手冊(cè), 11/2019, A5E35300232-AE

PT1 受控系統(tǒng)

在 PT1 受控系統(tǒng)中，過程值的變化最初與輸出值的變化成比例。 過程值的變化率隨時(shí)間

減小，直至達(dá)到最終值，即被延遲。

示例：

● 彈簧減震系統(tǒng)

● RC 元件的充電

● 由蒸汽加熱的貯水器。

加熱與制冷過程，或充電和放電特性的時(shí)間常量通常相同。 時(shí)間常量不同時(shí)，控制顯然

會(huì)更加復(fù)雜。

PT2 受控系統(tǒng)

在 PT2 受控系統(tǒng)中，過程值不會(huì)立即跟隨輸出值的階躍變化，即，過程值的增加與正向

上升率成正比，然后隨著上升率的下降而逼近設(shè)定值。 受控系統(tǒng)通過二階延遲元件顯示

比例響應(yīng)特性。

示例：

● 壓力控制

● 流速控制

● 溫度控制

非自調(diào)節(jié)受控系統(tǒng)

非自調(diào)節(jié)受控系統(tǒng)具有積分響應(yīng)。 過程值趨于無限大的值。

示例：

● 流入容器的液體

具有死時(shí)間的受控系統(tǒng)

死時(shí)間總是表示在系統(tǒng)輸出測(cè)量系統(tǒng)輸入的變化之前到期的運(yùn)行時(shí)間或傳輸時(shí)間。

在具有死時(shí)間的受控系統(tǒng)中，過程值的變化將發(fā)生延遲，延遲時(shí)間等于死時(shí)間量。

示例：

傳送帶

 控制原理

2.3 控制部分的特征值

PID 控制

功能手冊(cè), 11/2019, A5E35300232-AE 25

2.3 控制部分的特征值

根據(jù)階躍響應(yīng)確定時(shí)間響應(yīng)

受控系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)可根據(jù)輸出值 y 發(fā)生階躍變化之后的過程值 x 的時(shí)間特性來確定。大

多數(shù)受控系統(tǒng)為自調(diào)節(jié)受控系統(tǒng)。

時(shí)間響應(yīng)可由使用變量延遲時(shí)間 T u 、恢復(fù)時(shí)間 T g 和最大值 X max 來大致確定。這些變量

可通過最大值的切點(diǎn)和階躍響應(yīng)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)來確定。在很多情況下，無法記錄達(dá)到最大值的

響應(yīng)特性，因?yàn)檫^程值不能超過特定值。在這種情況下，上升率 v max 用于確定受控系統(tǒng)

(v max = Δ x /Δ t )。

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對(duì)設(shè)定值變化和干擾的響應(yīng)

對(duì)設(shè)定值變化的響應(yīng)

過程值應(yīng)盡快隨設(shè)定值而變化?？赏ㄟ^最大限度地減小過程值的波動(dòng)以及達(dá)到新設(shè)定值所

需的時(shí)間來改進(jìn)對(duì)設(shè)定值變化的響應(yīng)。

x 過程值

w 設(shè)定值

控制原理

2.5 對(duì)設(shè)定值變化和干擾的響應(yīng)

PID 控制

34 功能手冊(cè), 11/2019, A5E35300232-AE

對(duì)干擾的響應(yīng)

設(shè)定值受干擾變量影響?？刂破鞅仨氃诒M可能最短的時(shí)間內(nèi)消除所生成的控制偏差。可通

過最大限度地減小過程值的波動(dòng)以及達(dá)到新設(shè)定值所需的時(shí)間來改進(jìn)對(duì)干擾的響應(yīng)。

x 過程值

w 設(shè)定值

① 影響干擾變量

干擾變量由具有積分作用的控制器進(jìn)行校正。持久不變的干擾變量不會(huì)降低控制質(zhì)量，因

為控制偏差相對(duì)較穩(wěn)定。由于控制偏差波動(dòng)，動(dòng)態(tài)干擾變量會(huì)對(duì)控制質(zhì)量產(chǎn)生較顯著的影

響。只能通過緩動(dòng)的積分作用來再次消除控制偏差。

可將可測(cè)量的干擾變量包含在受控系統(tǒng)中。這樣會(huì)顯著提高控制器的響應(yīng)速度。

 控制原理

2.6 不同反饋結(jié)構(gòu)中的控制響應(yīng)

PID 控制

功能手冊(cè), 11/2019, A5E35300232-AE 35

2.6 不同反饋結(jié)構(gòu)中的控制響應(yīng)

控制器的控制特性

控制器能否準(zhǔn)確適應(yīng)受控系統(tǒng)的時(shí)間相應(yīng)，對(duì)于控制器準(zhǔn)確穩(wěn)定在設(shè)定值以及對(duì)干擾量做

出最佳響應(yīng)起著決定性的作用。

反饋電路可具有比例作用 (P)、比例微分作用 (PD)、比例積分作用 (PI) 或比例積分微分作

用 (PID)。

如果階躍函數(shù)由控制偏差觸發(fā)，則控制器的階躍響應(yīng)會(huì)因控制器類型而異。

控制偏差

② 連續(xù)控制器的輸出值

③ 脈沖控制器的輸出值

控制器中的積分作用會(huì)隨時(shí)間而使控制偏差增大。 這意味著控制器會(huì)一直對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校

正，直到控制偏差消除為止。 持續(xù)控制偏差只會(huì)在具有比例作用的控制器中生成。 這種

影響可通過控制器中的積分作用來消除。

根據(jù)對(duì)控制響應(yīng)的要求，在實(shí)際操作中最好將比例、積分和微分作用結(jié)合使用。 各個(gè)分

量的時(shí)間響應(yīng)可通過控制器參數(shù)比例增益 GAIN、積分作用時(shí)間 TI （積分作用）和微分

作用時(shí)間 TD（微分作用）來描述。

軟件控制器概述

要組態(tài)軟件控制器，需要使用包含控制算法的指令和工藝對(duì)象。軟件控制器的工藝對(duì)象相

當(dāng)于指令的背景 DB。控制器的組態(tài)數(shù)據(jù)保存在工藝對(duì)象中。與其它指令的背景數(shù)據(jù)塊不

同，工藝對(duì)象并非存儲(chǔ)在程序資源中，而是存儲(chǔ)在 CPU > 工藝對(duì)象下。

工藝對(duì)象和指令

CPU 庫 庫 指令 工藝對(duì)象 說明

S7-1200 Compact

PID

PID_Compact

V1.x

PID_Compact

V1.x

具有集成調(diào)節(jié)功能的通用 PID 控制器

S7-1200 PID_3Step

V1.x

PID_3Step

V1.x

對(duì)閥門進(jìn)行集成調(diào)節(jié)的 PID 控制器

S7-1500

S7-1200 V4.x

PID_Compact

V2.x

PID_Compact

V2.x

具有集成調(diào)節(jié)功能的通用 PID 控制器

S7-1500

S7-1200 V4.x

PID_3Step

V2.x

PID_3Step

V2.x

對(duì)閥門進(jìn)行集成調(diào)節(jié)的 PID 控制器

S7-1500 ≥ V1.7

S7-1200 ≥ V4.1

PID_Temp

V1.x

PID_Temp

V1.x

具有集成調(diào)節(jié)功能的通用 PID 溫度控制

器

S7-1500/300/400 PID 基本功

能

CONT_C CONT_C 連續(xù)控制器

S7-1500/300/400 CONT_S CONT_S 適合具有積分行為的執(zhí)行器的步進(jìn)控制

器

S7-1500/300/400 PULSEGEN - 適合具有比例行為的執(zhí)行器的脈沖發(fā)生

器

S7-1500/300/400 TCONT_CP TCONT_CP 具有脈沖發(fā)生器的連續(xù)溫度控制器

S7-1500/300/400 TCONT_S TCONT_S 適合具有積分行為的執(zhí)行器的溫度控制

器