background image

 

INSTYTUT AUTOMATYKI i ROBOTYKI 

WYDZIAŁ MECHATRONIKI 

 
 
 

PODSTAWY AUTOMATYKI  

- laboratorium  

 
 
 
 

Ćwiczenie PA6  

 
 

Badanie działania regulatora PID 

zaimplementowanego w sterowniku S7-1200  

firmy Siemens

 

 

Instrukcja laboratoryjna  

 

Opracowanie 

: dr inż. Danuta Holejko 

dr inż. Jakub Możaryn 
mgr inż. Rafał Kurtyka 

 
 
 
 
 
 
 
 
 

Warszawa 2011  

background image

 

Ćwiczenie PA6 

 

Badanie działania regulatora PID zaimplementowanego w sterowniku 
S7-1200 firmy Siemens

”  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

PODSTAWY AUTOMATYKI 

 

Badanie działania regulatora PID zaimplementowanego w 

sterowniku S7-1200 firmy Siemens 

Celem  ćwiczenia  jest  sprawdzenie  na  podstawie  wyznaczonych  doświadczalnie 

charakterystyk  statycznych  i  odpowiedzi  skokowych  poprawności  realizacji  algorytmów  P, 
PI, PD i PID regulatora zaimplementowanego  w sterowniku S7 -1200 firmy Siemens. 

1.WPROWADZENIE  

Regulatorem  nazywa  się  urządzenie  występujące  w  układzie  regulacji,  którego 

zadaniem jest za pośrednictwem wytworzonego przez siebie sygnału sterującego (sterowania) 
oznaczonego  zgodnie  z  terminologią  techniczną  symbolem  CV  oddziaływać  na  obiekt 
regulacji ( konkretnie na jego zespół wykonawczy ZW), tak aby zapewnić pożądane zmiany 
wielkości  regulowanej  i  skompensować  wpływ  działających  na  wielkość  regulowaną 
zakłóceń. Sygnał CV regulator wypracowuje na podstawie doprowadzonych do niego dwóch 
sygnałów.  Jednego  oznaczonego  symbolem  PV  sygnału  generowanego  przez  przetwornik 
pomiarowy  PP  obiektu  i  nazywanego  zmienną  procesową  (to  skrót  od  ang.  process 
variable)  reprezentującą wielkość regulowaną oraz drugiego sygnału oznaczonego symbolem 
SP  nazywanego  wielkością  zadaną  (SP  to  skrót  od  ang.  set  point),  która  reprezentuje 
pożądaną  wartość  wielkości  regulowanej.  Sygnały  te  są  w  regulatorze  porównywane  i  w 
wyniku porównania powstaje odchyłka regulacji  oznaczana symbolem  e, którą definiuje się 
jako.

SP

PV

e

Odchyłka regulacji w układzie może pojawić się nie tylko wskutek wywołanego przez 

zakłócenia  zmiany  wielkości  regulowanej  w  stosunku  do  wartości  zadanej  lecz  także  w 
wyniku  zmiany  wartości  zadanej.  Zadaniem  regulatora  w  układzie  regulacji  jest  takie 
oddziaływanie  na  obiekt  regulacji  aby  zminimalizować  odchyłkę  regulacji,  niezależnie  od 
przyczyny  jej  powstania.  Sposób  kształtowania  zmian  sygnału  sterującego  u  (CV)  po 
pojawieniu  się  odchyłki  regulacji,  zależy  od  właściwości  zastosowanego  regulatora.  W 
przypadku  regulatorów  analogowych  o  działaniu  ciągłym,  właściwości  regulatora  określa 
jego  transmitancja  operatorowa.  Dla  zerowych  warunków  początkowych  transmitancję 
operatorową regulatora definiuje się jako  

)

(

)

(

)

(

s

e

s

CV

s

r

G

 

 

 

 

 

 

 

 

(1) 

zaś  dla  niezerowych  warunków  (  najczęstszy  przypadek  w  przypadku  regulatorów 

przemysłowych) transmitancję tą definiuje się jako 

)

(

)

(

)

(

s

e

s

CV

s

r

G

 

 

 

 

 

 

 

 

(2) 

gdzie 

)

(s

CV

  jest  transformatą  Laplace’a  przebiegu  zmian 

)

(t

CV

  wartości  sygnału 

wyjściowego regulatora względem wartości początkowej, istniejącej w stanie ustalonym przy 

0

e

, wywołanych pojawieniem się odchyłki regulacji 

)

(t

e

.  

 W  praktyce  występują  obiekty  regulacji,  w  których  wzrost  wartości  sygnału 

sterującego CV powoduje wzrost wartości zmiennej procesowej  PV , oraz obiekty, w których 
wzrost  wartości  sygnału  sterującego  powoduje  zmniejszanie  wartości  zmiennej  procesowej. 
Dlatego  wykorzystywane  w  praktyce  regulatory,  aby  mogły  tworzyć  układy  z  ujemnym 

background image

 

Ćwiczenie PA6  

 

„Badanie działania regulatora PID zaimplementowanego 

 

 

 

 

 

 

w sterowniku S7 

– firmy Siemens”  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

PODSTAWY AUTOMATYKI 

 

sprzężeniem  zwrotnym  z  obydwoma  rodzajami  obiektów,  muszą  mieć  możliwość  zmiany 
kierunku działania.  

W przypadku obiektów, w których wzrost wartości sygnału sterującego CV powoduje 

zmniejszanie  wartości  zmiennej  procesowej 

PV

,  regulator  na  wzrost  odchyłki  regulacji  

powinien reagować wzrostem wartości sygnału sterującego CV; takie zachowanie regulatora 
nazywa się działaniem normalnym oznaczone symbolem Normal. Natomiast w przypadku 
obiektów, w których wzrost wartości sygnału sterującego CV powoduje zwiększanie wartości 
zmiennej  procesowej 

PV

,  regulator  na  wzrost  odchyłki  regulacji  e  powinien  reagować 

zmniejszaniem  wartości  sygnału  sterującego  CV;  takie  zachowanie  regulatora  nazywa  się 
działaniem  odwrotnym  lub  rewersyjnym  oznaczone  symbolem  Rewers.  Schematy 
blokowe regulatorów przedstawia rys.1.Na schemacie blokowym (rys.1b) działanie odwrotne 
regulatora wyraża jego ujemna transmitancja operatorowa. 

 

Rys.1. Schemat blokowy regulatora : a) o działaniu Normal, b) o działaniu Rewers 

 

W  stosowanych  w  praktyce  regulatorach  przemysłowych,  działanie  normalne  lub 

rewersyjne jest nastawiane przez operatora np. przełącznikiem N – R  (regulatory analogowe) 
lub programowo (regulatory mikroprocesorowe, sterowniki PLC). 

W praktyce wykorzystuje się wiele rodzajów regulatorów. Są one realizowane w różnych 

technikach,  przeznaczone  do  różnych  zastosowań,  działające  na  różnych  zasadach.  Wraz  z 
postępem  techniki  i  technologii  oraz  ekspansją  zastosowań  automatyki  powstają  coraz  to 
nowe  regulatory  o  coraz  szerszych  możliwościach  funkcjonalnych,  głównie  z 
wykorzystaniem techniki cyfrowej.  

Podział  regulatorów  na  analogowe  i  cyfrowe  wynika  Ze  względu  na    rodzaj  sygnałów 

przetwarzanych w regulatorze regulatory dzielimy na: 

  analogowe, 

  cyfrowe. 

.  Regulatory  analogowe  przetwarzają  tylko  sygnały  analogowe,  a  algorytm  ich  działania 
realizuje  się  wykorzystując  właściwości  statyczne  i  dynamiczne  analogowych  elementów 
dynamicznych. Regulator cyfrowy przetwarza sygnały cyfrowe; algorytm działania realizuje 
on na drodze cyfrowej, tzn. wykorzystywane jest odpowiednie oprogramowanie, pozwalające 
na  realizację  zapisanego  w  postaci  formuły  matematycznej  algorytmu  działania.  Sygnały 
wyjściowe  zarówno  regulatorów  analogowych  jak  i  cyfrowych  mogą  być  ciągłe  w  czasie 
(regulatory o działaniu ciągłym) jak i nieciągłe (regulatory o działaniu nieciągłym).  

Właściwości  dynamiczne  regulatorów,  determinujące  sposób  kształtowania  sygnału 

wyjściowego regulatora pod wpływem sygnału odchyłki regulacji, określane są jako algorytm 
pracy  regulatora  lub  algorytm  regulacji.  Najczęściej  stosowanym  w  praktyce  przemysłowej 
algorytmem regulacji jest tzw. algorytm PID (ang. Proportional – Integral – Derivative),  tj. 
algorytm  proporcjonalno–całkująco-różniczkujący.  Algorytm  ten  jest  realizowany  przez 
regulatory  i  sterowniki  przemysłowe  pracujące  z  wykorzystaniem  zarówno  standardowych 

background image

 

Ćwiczenie PA6 

 

Badanie działania regulatora PID zaimplementowanego w sterowniku 
S7-1200 firmy Siemens

”  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

PODSTAWY AUTOMATYKI 

 

sygnałów ciągłych jak i sygnałów nieciągłych. Poprzez odpowiednie ustawienie parametrów, 
regulator o algorytmie PID może także realizować prostsze algorytmy: P, PI, PD. 

1.1. Matematycz

ny opis regulatorów PID o działaniu ciągłym 

Niezależnie od techniki realizacji regulatorów, ich nazwy są związane z realizowanym 

algorytmem  przetwarzania  sygnału  odchyłki  regulacji.  W  przypadku  coraz  częściej 
wykorzystywanych komputerowych systemów sterowania traci sens pojęcie „regulator” jako 
określone  urządzenie  techniczne;  istotny  staje  się  jedynie  rodzaj  zastosowanego  algorytmu 
przetwarzania  sygnałów.  Zapis  matematycznych  modeli  w  postaci  transmitancji 
operatorowych,  wykorzystywanych  do  opisu  działania  regulatorów  PID  zestawiono  w 
tablicy1.  

Tablica 1. Algorytmy regulatorów PID 

lp. 

Nazwa regulatora (nazwa algorytmu) 

Transmitancja operatorowa 

1. 

Regulator proporcjonalny, regulator P 

(Algorytm P) 

p

k

s

e

s

CV

s

r

G

)

(

)

(

)

(

    

2. 

Regulator 

proporcjonalno-całkujący, 

regulator PI 

(Algorytm PI) 

)

(

)

(

)

(

)

(

s

i

T

p

k

s

e

s

CV

s

r

G

1

1

 

3. 

Regulator 

proporcjonalno-

różniczkujący  idealny,  regulator  PD 
idealny 

(Algorytm PD idealny) 

)

(

)

(

)

(

)

(

s

d

T

p

k

s

e

s

CV

s

r

G

1

 

4. 

Regulator 

proporcjonalno-

różniczkujący  rzeczywisty,  regulator 
PD rzeczywisty 

(Algorytm PD rzeczywisty) 

1

1

s

d

k

d

T

s

d

T

p

k

s

e

s

CV

s

r

G

)

(

)

(

)

(

 

5. 

Regulator 

proporcjonalno-całkująco-

różniczkujący  idealny,  regulator  PID 
idealny 

(Algorytm PID idealny) 

)

(

)

(

)

(

)

(

s

d

T

s

i

T

p

k

s

e

s

CV

s

r

G

1

1

 

7. 

Regulator 

proporcjonalno-całkująco-

różniczkujący  rzeczywisty,  regulator 
PID rzeczywisty 

(Algorytm PID rzeczywisty) 

(struktura równoległa) 

1

1

1

s

d

k

d

T

s

d

T

s

i

T

p

k

s

e

s

CV

s

r

G

)

(

)

(

)

(

 

 

Zastosowane w tablicy 1 oznaczenia : 

background image

 

Ćwiczenie PA6  

 

„Badanie działania regulatora PID zaimplementowanego 

 

 

 

 

 

 

w sterowniku S7 

– firmy Siemens”  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

PODSTAWY AUTOMATYKI 

 

p

 - wzmocnienie proporcjonalne (wielkość niemianowana), 

i

  -  stała  czasowa  akcji  całkującej,  w  przypadku  regulatorów  PI  i  PID  nazywana 

czasem zdwojenia [s], 

d

 - stała czasowa akcji różniczkowania, czas wyprzedzenia [s], 

d

 - wzmocnienie dynamiczne (wielkość niemianowana), 

nazywane są parametrami albo nastawami regulatorów.  
 

1.1.1.  Algorytm P 

Zależność  sygnału  wyjściowego 

)

(t

CV

  regulatora  P  o  działaniu  normalnym  od 

sygnału odchyłki regulacji 

)

(t

e

 opisuje równanie  

p

u

t

e

p

k

t

CV

)

(

)

(

 

 

 

 

 

 

 

 

 (3) 

o działaniu odwrotnym - równanie 

p

u

t

e

p

k

t

CV

)

(

)

(

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 (4) 

gdzie:  

p

u

  -  punkt  pracy  regulatora  P  -  wartość  sygnału  wyjściowego  regulatora  przy  odchyłce 

regulacji 

0

e

,  podawana  w  procentach  zakresu  zmian  sygnału  wyjściowego 

regulatora lub w jednostkach wielkości wyjściowej regulatora. 

Sygnał  wyjściowy  regulatora o  wartości  p

  powinien  zapewnić  w  układzie  regulacji,  przy 

braku  zakłóceń,  takie  wysterowanie  zespołu  wykonawczego,  przy  którym  zespół 
wykonawczy  dostarcza  do  obiektu  strumień  energii  lub  materiału  w  ilości  niezbędnej  do 
osiągnięcia przez wielkość regulowaną wartości zadanej.  

Transmitancji  regulatora  P,  podanej  w  tablicy  1,  odpowiada  przyrostowe  równanie 

dynamiki (dla regulatora o działaniu prostym) 

),

(

)

(

t

e

p

k

t

CV

    

 

 

 

 

 

 

 

 

 (5) 

gdzie 

,

)

(

)

(

p

u

t

CV

t

CV

  które  wyraża  zależność  zmian 

)

(t

CV

  sygnału  wyjściowego 

regulatora,  generowanych  przez  regulator  pod  wpływem  odchyłki  regulacji,  względem 
przyjętego punktu pracy 

p

u

Algorytm  P  należy  do  tzw.  algorytmów  statycznych,  tzn.,  że  istnieje  jednoznaczna 

zależność  pomiędzy  wartościami 

CV

  sygnału  wyjściowego  regulatora,  a  wartościami   

sygnału  odchyłki  regulacji,  osiąganymi  w  stanach  ustalonych.  Zależność  ta,  stanowiąca 
charakterystykę  statyczną  regulatora,  w  przypadku  regulatora  P  o  działaniu  normalnym  ma 
postać 

p

u

e

p

k

CV

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(6) 

a o działaniu odwrotnym 

e

p

k

p

u

CV

   

 

 

 

 

 

 

 

 

(7) 

background image

 

Ćwiczenie PA6 

 

Badanie działania regulatora PID zaimplementowanego w sterowniku 
S7-1200 firmy Siemens

”  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

PODSTAWY AUTOMATYKI 

 

1.1.2. Algorytm PI 

Przebieg 

)

(t

CV

  sygnału  wyjściowego  regulatora  PI  o  działaniu  normalnym,  jako 

wynik oddziaływania na regulator odchyłki regulacji 

)

(t

e

, opisuje równanie 

t

d

e

i

T

p

k

t

e

p

k

CV

t

CV

0

0

)

(

)

(

)

(

)

(

,  

 

 

 

 

 

 

(8)  

a o działaniu odwrotnym – równanie 

t

d

e

i

T

p

k

t

e

p

k

CV

t

CV

0

0

)

(

)

(

)

(

)

(

  

 

 

 

 

 

 

(9)  

gdzie:  

)

(0

CV

 - wartość początkowa sygnału dla e=0. 

Wartością początkową 

)

(0

CV

, może być każda wartość sygnału wyjściowego z zakresu jego 

zmienności, 

równa wartości składowej całkowej I, będącej

 wynikiem oddziaływania odchyłki 

regulacji na regulator w okresie poprzedzającym stan początkowy. 

Charakterystykę  skokową  (odpowiedź  na  sygnał  odchyłki  w  postaci 

)

(

1

)

(

0

t

e

t

e

regulatora  PI  o  działaniu  normalnym  dla  zmiennej  absolutnej 

)

(t

CV

  otrzymuje  się  z 

równania (8) 

)

(

)

(

)

(

0

0

1

0

CV

t

e

i

T

p

k

t

e

p

k

t

CV

 

 

 

 

 

 

 

(10) 

a dla zmiennej przyrostowej 

t

e

i

T

p

k

t

e

p

k

t

CV

0

1

0

)

(

)

(

 

 

 

 

 

 

 

 

(11) 

Graficzną ilustrację obu form opisu odpowiedzi skokowej regulatora PI przedstawiono 

na rys. 2. 

 

a) 

b) 

Rys.2.  Odpowiedź  skokowa  regulatora  PI  o  działaniu  normalnym:  a)  przebieg  zmiennej 
przyrostowej 

)

(t

CV

,  b)  przebieg  sygnału  wyjściowego 

)

(t

CV

.  Liniami  przerywanymi 

zaznaczono składową P oraz składową I sygnału wyjściowego CV 

background image

 

Ćwiczenie PA6  

 

„Badanie działania regulatora PID zaimplementowanego 

 

 

 

 

 

 

w sterowniku S7 

– firmy Siemens”  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

PODSTAWY AUTOMATYKI 

 

Z  przebiegiem  odpowiedzi  skokowej  regulatora  PI  związana  jest  nazwa  stałej 

czasowej akcji całkowania  i

 - „czas zdwojenia”. Składowa całkowa odpowiedzi z upływem 

czasu narasta od wartości początkowej równej zero, osiągając po czasie 

i

T

t

 wartość równą 

składowej proporcjonalnej, co oznacza podwojenie przyrostu wartości sygnału wyjściowego 
w stosunku do składowej proporcjonalnej.  

„Czas zdwojenia” wyraża  intensywność działania całkującego; definiowany  jest jako 

czas  jaki  upływa  od  momentu  wprowadzenia  do  regulatora  wymuszenia  skokowego  do 
momentu kiedy składowa całkowa osiągnie wartość składowej proporcjonalnej. 

Regulatory o algorytmie PI nie mają jednoznacznej zależności pomiędzy wartościami 

CV

 sygnału wyjściowego a wartościami 

 sygnału odchyłki regulacji, osiąganymi w stanach 

ustalonych  (analogicznie  jak  elementy  całkujące).  Sygnał  wyjściowy  może  osiągać  stan 
ustalony  tylko  przy  zerowej  wartości  odchyłki  regulacji,  co  wynika  z  równania  dynamiki, 
przy dowolnej wartości w zakresie jego zmienności, będącej wynikiem całkowania odchyłki 
regulacji  w  okresie  poprzedzającym  osiągnięcie  stanu  ustalonego.  Algorytmy  o  takiej 
właściwości nazywane są algorytmami astatycznymi. 

 

 

1.1.3. Algorytm PD 

Zależność  sygnału  wyjściowego  regulatora  PD  rzeczywistego  o  działaniu  normalnym  od 
odchyłki regulacji opisuje równanie: 

p

u

dt

t

de

d

T

d

k

d

k

p

k

t

e

p

k

t

CV

dt

t

dCV

d

k

d

T

)

(

)

(

)

(

)

(

1

   

 

 

 

(12) 

gdzie  : 

p

  –  wartość  sygnału  wyjściowego  dla 

0

e

,  określana  jako  punkt  pracy 

regulatora,  podawana  w  procentach  zakresu  zmian  sygnału  wyjściowego  regulatora  lub  w 
jednostkach wielkości wyjściowej regulatora. 
W  układzie  regulacji  sygnał  wyjściowy  regulatora  PD  o  wartości 

p

u

,  podobnie  jak  w 

przypadku regulatora P, powinien przy braku zakłóceń zapewnić takie wysterowanie zespołu 
wykonawczego, przy którym zespół wykonawczy dostarcza do obiektu strumień energii  lub 
materiału w ilości niezbędnej do osiągnięcia przez wielkość regulowaną wartości zadanej.  

Parametrami  nastawialnymi  czyli  nastawami  regulatora  PD  są:  wzmocnienie 

proporcjonalne 

p

k

, czas wyprzedzenia  d

 i punkt pracy 

p

u

. Wzmocnienie dynamiczne  d

 

w  regulatorach  przemysłowych  przyjmuje  wartości  z  przedziału  (6,10)  i  w  większości 
rozwiązań nie jest parametrem nastawianym. W niektórych rozwiązaniach sterowników oraz 
regulatorów  mikroprocesorowych  zamiast  tego  wzmocnienia    używa  się  pojęcie 
współczynnik działania różniczkującego α będący odwrotnością wzmocnienia dynamicznego 
zgodnie z zapisem 

d

k

/

1

Algorytmy  PD  należy,  podobnie  jak  algorytm  P,  do  algorytmów  statycznych,  tzn.,  że 

istnieje jednoznaczna zależność pomiędzy wartościami 

CV

 sygnału wyjściowego regulatora 

a wartościami   sygnału odchyłki regulacji, osiąganymi w stanach ustalonych. Zależność ta, 
wynikająca z równania (12) stanowiąca charakterystykę statyczną regulatora PD o działaniu 
normalnym, ma postać 

p

u

e

p

k

CV

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(13) 

background image

 

Ćwiczenie PA6 

 

Badanie działania regulatora PID zaimplementowanego w sterowniku 
S7-1200 firmy Siemens

”  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

PODSTAWY AUTOMATYKI 

 

Transmitancji operatorowej regulatora PD z tablicy 1 odpowiada przyrostowe równanie 

dynamiki 

dt

t

de

d

T

d

k

d

k

p

k

t

e

p

k

t

CV

dt

t

CV

d

d

k

d

T

)

(

)

(

)

(

)

(

1

 

 

 

 

 

(14)  

Przyrostową odpowiedź regulatora PD, dla zerowych warunków początkowych, można 

wyznaczyć na podstawie transmitancji z zależności: 

)]

(

)

(

[

)

(

s

e

s

d

k

d

T

s

d

T

p

k

L

t

CV

1

1

1

 

 

 

 

 

 

 

  (15) 

Dla skokowej odchyłki regulacji 

)

(

1

)

(

0

t

e

t

e

s

e

s

e

1

0

)

(

 otrzymuje się: 

)

(

]

)

(

[

)

(

t

T

k

e

d

k

e

p

k

s

e

s

d

k

d

T

s

d

T

p

k

L

t

CV

d

d

1

0

1

0

1

1

1

 

 

 

 (16)

 

Na  podstawie  przebiegu  odpowiedzi  skokowej  regulatora  PD  nie  można  w  sposób 

bezpośredni odczytać wartości czasu wyprzedzenia  d

T

. Nazwa „czas wyprzedzenia” wynika 

z przebiegu odpowiedzi regulatora PD na wymuszenie liniowo narastające. 

Zakładając, że 

t

a

t

e

)

(

, na podstawie wzoru (15) otrzymuje się regulatora PD  

)

(

]

)

(

[

)

(

t

T

k

e

d

aT

p

k

t

a

p

k

s

a

s

d

k

d

T

s

d

T

p

k

L

t

CV

d

d

1

2

1

1

1

   

 

(17) 

Odpowiedź  regulatora  PD  na  wymuszenie  liniowo  narastające  (rys.  3)  jest  sumą 

składowej  działania  proporcjonalnego  (P)  i  składowej  działania  różniczkującego  (D). 
Przebieg tych odpowiedzi wyjaśnia nazwę „czas wyprzedzenia”  - w przypadku wymuszenia 
liniowo narastającego, wartość sygnału wyjściowego regulatora jako suma składowych P i D 
jest osiągana o czas  d

 wcześniej w stosunku do składowej P.  

Z rys. 3 wynika także, że wartość liczbowa  d

 określa czas jaki upływa od momentu 

wprowadzenia  na  wejście  regulatora  wymuszenia  liniowo  narastającego  do  momentu  kiedy 
wartość  składowej  P  zrówna  się  z  ustaloną  wartością  składowej  D.  Dla  np.  wartości 
wzmocnienia  dynamicznego 

10

d

k

po  czasie  równym 

d

  od  momentu  wprowadzenia 

wymuszenia  liniowo  narastającego,  składowa  D  osiąga  już  stan  ustalony  (osiąga  około 
99,995% wartości ustalonej).  
 

background image

 

Ćwiczenie PA6  

 

„Badanie działania regulatora PID zaimplementowanego 

 

 

 

 

 

 

w sterowniku S7 

– firmy Siemens”  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

PODSTAWY AUTOMATYKI 

 

 

a) 

b) 

Rys.  3.  Przyrostowe  odpowiedzi  regulatora  PD:  a)  na  wymuszenie  skokowe,    b)  –  na 
wymuszenie  liniowo  narastające  (Liniami  przerywanymi  wykreślono  składowe  P  i  D 
odpowiedzi.) 

1.1.4. Algorytm PID 

Właściwości  dynamiczne  rzeczywistego  regulatora  PID  wyraża  transmitancja 

operatorowa  podana  w  tablicy  1.  Nastawami  regulatorów  PID  są:  wzmocnienie 
proporcjonalne 

p

k

, czas  zdwojenia  i

  i czas wyprzedzenia  d

. Wzmocnienie dynamiczne 

d

 w regulatorach przemysłowych przyjmuje wartości 

10

6

 i w większości rozwiązań nie 

jest  parametrem  nastawianym.  Algorytm  PID,  podobnie  jak  algorytm  PI  jest  algorytmem 
astatycznym; jego charakterystyka statyczna jest niejednoznaczna.  

Odpowiedzi  przyrostowe  regulatora  PID  dla  zerowych  warunków  początkowych,  tj. 

przy 

0

0

)

(

CV

 i 

0

0

)

(

e

,  można wyznaczać z zależności 

)]

(

)

(

[

)

(

s

e

s

d

k

d

T

s

d

T

s

i

T

p

k

L

t

CV

1

1

1

1

   

 

 

 

 

 

(18) 

W przypadku skokowej odchyłki regulacji 

)

(

)

(

t

e

t

e

1

0

 otrzymuje się odpowiedź 

t

T

k

e

e

d

k

p

k

t

e

i

T

p

k

e

p

k

t

CV

d

d

0

0

0

)

(

 

 

 

 

 (19) 

będącą  sumą  składowych  działania  proporcjonalnego  (P),  całkującego  (I)  i 

rzeczywistego różniczkowania (D) – rys. 4. 

background image

 

Ćwiczenie PA6 

 

Badanie działania regulatora PID zaimplementowanego w sterowniku 
S7-1200 firmy Siemens

”  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

PODSTAWY AUTOMATYKI 

 

10 

 

Rys. 4. Odpowiedź skokowa przyrostowa rzeczywistego regulatora PID 

 

W  chwili 

i

T

t

,  składowa  całkowa  osiąga  wartość  składowej  proporcjonalnej,  a 

składowa  różniczkowa  praktycznie  już  tylko  niewielką  wartość  (zależnie  od  stałej  inercji 

d

k

d

/

). Zatem, w chwili 

i

T

t

, przyrost 

CV

 sygnału wyjściowego osiąga wartość tylko 

niewiele  większą  od 

0

2

e

p

k

  -  od  podwojonej  wartości  przyrostu  sygnału  wyjściowego 

wynikającego  z  działania  proporcjonalnego.  Praktycznie  można  więc  przyjąć,  że  czas  od 
pojawienia  się  odchyłki  skokowej  do  chwili,  w  której  przyrost  sygnału  wyjściowego 
regulatora  osiągnie  podwojoną  wartość  wynikającą  z  działania  proporcjonalnego,  jest  stałą 
czasową działania całkującego  i

 (czasem zdwojenia). 

Odpowiedź  skokową  jako  przebieg  sygnału  wyjściowego 

)

(t

CV

  regulatora,  można 

wyznaczyć na podstawie ogólnego równania, opisującego sygnał wyjściowy 

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

0

1

0

CV

dt

t

de

d

k

d

k

d

T

p

k

t

d

e

i

T

p

k

t

e

p

k

t

CV

dt

t

dCV

d

k

d

T

 

 

(20) 

gdzie:  

)

(0

CV

 - wartość początkowa sygnału dla e=0. 

background image

 

Ćwiczenie PA6  

 

„Badanie działania regulatora PID zaimplementowanego 

 

 

 

 

 

 

w sterowniku S7 

– firmy Siemens”  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

PODSTAWY AUTOMATYKI 

 

11 

1.2. Implementacja 

algorytmów PID w regulatorach mikroprocesorowych 

(sterownikach PLC) 

 

Sygnał wyjściowy  mikroprocesorowego regulatora  (sterownika  PLC)  PID  wyliczany 

jest na drodze numerycznej, wg algorytmu będącego przełożeniem postaci ciągłej algorytmu 
PID  na  równoważną  postać  cyfrową.  Schemat  ideowy  realizacji  algorytmu  regulacji  w 
regulatorze mikroprocesorowym (sterowniku PLC) przedstawia rys.5. 

 

Rys. 5. Schemat ideowy realizacji algorytmu regulacji w regulatorze mikroprocesorowym; 

oznaczenia: A/C, C/A – przetworniki analogowo-cyfrowy i cyfrowo-analogowy,  p

 – okres 

próbkowania (impulsowania) 

 

W  przetworniku  A/C  następuje  próbkowanie  sygnału  odchyłki  regulacji,  w  wyniku 

czego sygnał 

)

(t

e

  zostaje  zamieniony  na sygnał dyskretny 

)

(

p

kT

e

  (rys.  6a).  Wartości tego 

sygnału w dyskretnych chwilach czasu 

p

kT  są zapisywane w postaci liczb o długości słowa 

cyfrowego określonej przez liczbę bitów mikroprocesora. Mikrokomputer realizuje określony 
algorytm  sterowania,  który  jest  opisany  za  pomocą  równania  różnicowego,  wyrażającego 
zależność  sygnału 

)

(

p

kT

CV

  od  sygnału 

)

(

p

kT

e

.  Zadaniem  przetwornika    C/A  jest 

kształtowanie  sygnału 

)

(t

CV

,  określonego  w  dowolnej  chwili  t,  na  podstawie  wartości 

)

(

p

kT

CV

, określonych w dyskretnych chwilach czasu. Wartości sygnału 

)

(t

CV

 w przedziale 

p

T

k

t

p

kT

)

(

1

 wyznacza się na podstawie wartości 

)

(

p

nT

CV

, gdzie 

k

n

, w wyniku 

ekstrapolacji. Najczęściej stosuje się ekstrapolator zerowego rzędu, którego działanie polega 
na  utrzymaniu  w  okresach 

p

T

k

t

p

kT

)

(

1

  wartości 

)

(

)

(

p

kT

CV

t

CV

,  jak  pokazuje 

rys. 6b. 

 

a) 

b) 

Rys. 6. Próbkowanie sygnału odchyłki regulacji - a), przebieg sygnału CV(t) przy stosowaniu 

background image

 

Ćwiczenie PA6 

 

Badanie działania regulatora PID zaimplementowanego w sterowniku 
S7-1200 firmy Siemens

”  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

PODSTAWY AUTOMATYKI 

 

12 

ekstrapolatora zerowego rzędu – b)  

 
Najprostszą  postać  cyfrową  algorytmu  PID  otrzymuje  się  poddając  dyskretyzacji 

równanie analogowego idealnego regulatora PID, przyjmując zerowe warunki początkowe 

]

)

(

)

(

)

(

[

)

(

t

dt

t

de

d

T

d

e

i

T

t

e

p

k

t

CV

0

1

   

 

 

 

 

 

(21) 

Polega to na wprowadzeniu dyskretnych wartości wielkości 

CV

  i 

  oraz  zastąpieniu  całki 

sumą, a pochodnej – różnicą pierwszego rzędu 

t

k

i

p

T

i

e

d

e

0

1

0

;

)

(

)

(

 

 

p

T

k

e

k

e

dt

t

de

)

1

(

)

(

)

(

 

 

 

 

(22) 

Po podstawieniu (22) do (21) otrzymuje się  





)

(

)

(

)

(

)

(

]

)

(

)

(

)

(

)

(

[

)

(

1

1

0

1

0

1

1

k

e

k

e

p

T

d

T

k

i

i

e

i

T

p

T

k

e

p

k

k

i

p

T

k

e

k

e

d

T

p

T

i

e

i

T

k

e

p

k

k

CV

   

 

 

(23) 

Równanie  (23)  przedstawia  pozycyjny  algorytm  regulatora  cyfrowego  o  strukturze 

równoległej,  przydatny  do  zastosowania  tam,  gdzie  zespół  wykonawczy  sterowany  przez 
regulator  ma  działanie  członu  proporcjonalnego. Algorytm  ten  jest  niechętnie  stosowany  w 
praktyce, albowiem wymaga sumowania odchyłek regulacji od początku działania regulatora, 
a także dodania do sygnału

)

(k

CV

 początkowej wartości sygnału wyjściowego regulatora.  

Inną,  częściej  stosowaną,  postać  algorytmu  cyfrowego  regulatora  otrzymuje  się  z 

algorytmu ciągłego, powstałego w wyniku zróżniczkowania równania (21).  

]

)

(

)

(

)

(

[

)

(

2

2

dt

t

e

d

d

T

i

T

t

e

dt

t

de

i

T

p

k

dt

t

dCV

i

T

 

 

 

 

 

 

(24) 

Po  dyskretyzacji  równania  (24)  w  dziedzinie  czasu,  z  zastosowaniem  aproksymacji  –
pierwszej  i drugiej pochodnej metodą różnic wstecznych i całkowania metodą prostokątów 



p

T

k

e

k

e

k

e

dt

t

de

p

T

k

CV

k

CV

dt

t

dCV

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

1

1

 

 

 

 

 

 

 

 

(25) 

oraz  

p

T

k

e

k

e

k

e

dt

t

e

d

dt

t

e

d

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

1

2

2

  

 

 

 

 

 

 

(26) 

gdzie   

 

 

 

 

 

background image

 

Ćwiczenie PA6  

 

„Badanie działania regulatora PID zaimplementowanego 

 

 

 

 

 

 

w sterowniku S7 

– firmy Siemens”  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

PODSTAWY AUTOMATYKI 

 

13 



p

p

T

k

e

k

e

k

e

T

k

e

k

e

k

e

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

2

1

1

1

 

 

 

 

 

 

 

 

(27) 

otrzymuje się po przekształceniu równanie różnicowe regulatora 

)]

(

)

(

)

(

[

)]

(

)

(

)

(

[

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

2

1

2

1

1

2

1

2

1

1









k

e

p

T

d

T

k

e

p

T

d

T

k

e

i

T

p

T

p

T

d

T

p

k

k

e

k

e

k

e

p

T

d

T

k

e

i

T

p

T

k

e

k

e

p

k

k

CV

k

CV

(28) 

Algorytm ten jest wykorzystywany w formie  

)

(

)

(

)

(

)

(

2

2

1

1

0

k

e

k

k

e

k

k

e

k

k

CV

 

 

 

 

 

 

(29) 

gdzie: 

p

d

p

p

d

p

i

p

p

d

p

T

T

k

k

T

T

k

k

T

T

T

T

k

k





2

1

0

2

1

1

;

;

 

oraz 

)

(

)

(

)

(

1

k

CV

k

CV

k

CV

  jest  przyrostem  sygnału  wyjściowego  regulatora 

przypadającym na k-ty okres próbkowania. 
Na  rys.7  przedstawiono  odpowiedź  skokową  regulatora  mikrokomputerowego o  algorytmie 
PI. 

 

Rys.7. Odpowiedź  skokową regulatora o algorytmie PI :  1) regulator mikroprocesorowy, 2) 
regulator analogowy 

background image

 

Ćwiczenie PA6 

 

Badanie działania regulatora PID zaimplementowanego w sterowniku 
S7-1200 firmy Siemens

”  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

PODSTAWY AUTOMATYKI 

 

14 

1.3. Cechy funkcjonalne regulatorów przemysłowych 

Przemysłowe  regulatory  PID  są  regulatorami  pośredniego  działania.  Dzięki 

standaryzacji  sygnałów  wejściowych  i  wyjściowych  mogą  współpracować  z  wieloma 
rodzajami  przetworników  pomiarowych  i  elementów  wykonawczych.  Są  realizowane  w 
technice  mikroprocesorowej  jako  przyrządy  tablicowe  lub  ich  algorytmy  regulacyjne  są 
zaimplementowane w sterownikach PLC.  

Niezależnie  od  realizacji  technicznej,  wszystkie  regulatory  przemysłowe  musza  mieć 

szereg  wspólnych  cech  funkcjonalnych,  które  zostaną  wyjaśnione  za  pomocą  schematu 
przedstawionego  na  rys.  8  na  którym  przedstawiono  cechy  dotyczące  regulatora  dla  jednej 
wielkości regulowanej. 

 

Rys. 8. Schemat ilustrujący cechy funkcjonalne przemysłowego regulatora (sterownika) PID 

 

Sygnałami wejściowymi regulatora są: zmienna procesowa  PV  i wartość zadana SP

sygnałem wyjściowym jest sygnał sterujący CV

 

W  zależności  od  położenia  przełącznika  RL  (R  –  ang.  remote,  L  -  ang.  local)  sygnał 
wartości  zadanej  SP  może  być  sygnałem  zdalnym  (pozycja  R  przełącznika)  podawanym  z 
innych  zewnętrznych  urządzeń  do  regulatora,  lub  sygnałem  zadawanym  ręcznie  (pozycja  L 
przełącznika) przez operatora za pomocą znajdującego się w regulatorze żródła (zadajnika). 
Sygnały  PV  i  SP  są  ze  sobą  porównywane,  w  wyniku  czego  powstaje  sygnał  odchyłki 
regulacji e.  

W pozycji Normal (działanie normalne) przełącznika kierunku działania regulatora, odchyłka 
jest wyznaczana zgodnie z zależnością 

SP

PV

e

; w pozycji Revers (działanie odwrotne) 

odchyłką jest różnica 

PV

SP

e

. W pozycji Normal wzrost odchyłki regulacji powoduje 

wzrost  sygnału  wyjściowego  regulatora,  w  pozycji  Revers–  malenie.  Zmiana  kierunku 
działania umożliwia współpracę regulatora zarówno z zespołami wykonawczymi o działaniu 
prostym jak i o działaniu odwrotnym i dotyczy zarówno trybu pracy Auto jak i .Manual
 

Blok  działań  dynamicznych  PID  na  podstawie  odchyłki  regulacji  wytwarza  sygnał 

wyjściowy zgodnie z ustawionym algorytmem (P, I, PI, PD lub PID).  
W  zależności  od  położenia  przełącznika  Auto  –  Manual  zwanego  także  przełącznikiem 
automatyka  –  ręka,  na  wyjściu  regulatora  podawany  jest:  w  położeniu  Auto  -  sygnał 
wyjściowy  bloku  PID,  w  położeniu  Manual  –  sygnał    ze  źródła  zadajnika)  sterowania 
ręcznego, umożliwiający sterowanie obiektem przez operatora. Zatem regulator w tym trybie 
staje się źródłem sygnału stałoprądowego. 

background image

 

Ćwiczenie PA6  

 

„Badanie działania regulatora PID zaimplementowanego 

 

 

 

 

 

 

w sterowniku S7 

– firmy Siemens”  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

PODSTAWY AUTOMATYKI 

 

15 

Sterowanie  ręczne  podejmowane  jest  przez  operatora  w  trakcie  uruchamiania  instalacji  – 
podczas  tzw.  rozruchu  oraz  w  przypadku  awarii  sprzętu  automatyki.  Przełączanie  z  trybu 
pracy  z  Auto  na  Manual  i  odwrotnie  jest  w  nowoczesnych  regulatorach  w  pełni 
bezuderzeniowe  (ang.  balanceless);  dawne  konstrukcje  regulatorów  wymagały  pewnych 
świadomych działań operatora. 
Wszystkie  omówione  przełączniki  w  regulatorach  mikroprocesorowych  w  wykonaniu 
tablicowym są dostępne w postaci przycisków umieszczonych na płycie czołowej regulatora, 
natomiast w przypadku sterownika PLC na ekranie monitora interfejsu HMI. 

 

Realizację działania P uzyskuje się w regulatorze PID poprzez ustawienie parametrów 

(

i

T

(w  regulatorze  mikroprocesorowym  jest  to  liczba  ograniczona)  i 

0

d

T

  oraz 

wprowadzenie  pożądanych  wartości  wzmocnienia 

p

k

  i  punktu  pracy  regulatora 

p

u

Realizacja działania  PI  wymaga wyłączenia akcji różniczkującej przez ustawienie 

0

d

T

  i 

wprowadzenia  odpowiednich  nastaw 

p

k

  i  i

.  Natomiast  działanie  PD  wymaga  ustawienia 

parametru 

i

T

(w  regulatorze  mikroprocesorowym  jest  to  liczba  ograniczona)  i 

wprowadzenia nastaw  p

 i 

d

 oraz wartości punktu pracy

 

.

p

u

  

 

Najczęściej stosowanymi zakresami nastaw regulatorów są: 

100

1

0

,

p

k

3600

1

0

,

i

T

sek., 

3600

0

d

T

sek., 

10

6

d

k

 (wielkość najczęściej nie nastawiana, stanowiąca stałą przyrządu). 

 

 

background image

 

Ćwiczenie PA6 

 

Badanie działania regulatora PID zaimplementowanego w sterowniku 
S7-1200 firmy Siemens

”  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

PODSTAWY AUTOMATYKI 

 

16 

2.OPIS STEROWNIKA SIMATIC S7-1200 

W  laboratorium  wykorzystywany  jest  sterownik  SIMATIC  S7  1200  firmy  Siemens. 

Sterownik  ten  charakteryzuje  się  modułową  konstrukcją  (maksymalnie  8  modułów 
sygnałowych,  1  płyta  sygnałów,  3  moduły  komunikacyjne).  Maksymalna  liczba  wejść 
binarnych  i  analogowych  wynosi  odpowiednio  284  i  51.  W  urządzeniu  zintegrowano 
interfejsy  PROFINET  /  INDUSTRIAL  ETHERNET  z  obsługą  protokołów  TCP/IP,  ISO  na 
TCP, S7. Sterownik posiada możliwość diagnostyki i monitorowania oprogramowania przez 
port ETHERNET oraz z wykorzystaniem protokołów RS-232, RS-485 i MODUS RTU. 

W stanowisku znajdują się: jednostka CPU 1214C, zasilacz 230VAC/24VDC PS1207, 

moduł  rozszerzeń  wejść/wyjść  analogowych  6ES7 234  oraz  moduł  kompaktowego 
przełącznika  (ang.  switch)  CSM  1277  (rys.9).  Jednostki  CPU,  6ES7  i  CSM  są  zasilane 
indywidualnie  (możliwe  jest  wykorzystanie  tego  samego  zasilacza)  napięciem  stałym  24V. 
Wymiana danych  między  modułami CPU  i  AI/AO (6ES7) odbywa się poprzez wewnętrzną 
magistralę.  Moduł  przełącznika  służy  do  podłączenia  4  urządzeń  do  sieci  INDUSTRIAL 
ETHERNET. 

Rys.9. Widok sterownika SIMATIC S7 1200, oraz moduły składowe 

2.1. Panel operatorski HMI 

 

 

Komunikacja  operatora  ze  sterownikiem  realizowana  jest  za  pośrednictwem 

panelu  operatorskiego  HMI  (ang.  Human  Machine  Interface)  typu  SIMATIC  KPT600  z 
dotykowym,  kolorowym  ekranem,  wyposażony  w  6  pełni  programowanych  przycisków 
znajdujących się na frontowej stronie (rys.10). Komunikacja ze sterownikiem oraz transmisja 
parametrów  i  danych  konfiguracyjnych  możliwa  jest  dzięki  interfejsowi  PROFINET.  Panel 
umożliwia wyświetlanie trendów, tekstów oraz map bitowych. 

 

background image

 

Ćwiczenie PA6  

 

„Badanie działania regulatora PID zaimplementowanego 

 

 

 

 

 

 

w sterowniku S7 

– firmy Siemens”  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

PODSTAWY AUTOMATYKI 

 

17 

 

Rys.10. Ekran panelu SIMATIC KPT600. 

 

Sygnał wyjściowy CV w sterowniku S7-1200 dla zerowych warunków początkowych 

wyliczany jest na podstawie następującego algorytmu wyrażonego operatorowo : 

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

s

PV

s

SP

c

s

d

T

a

s

d

T

s

PV

s

SP

s

i

T

s

PV

s

SP

b

p

k

s

CV

1

1

 

(30) 

gdzie:  

a – współczynnik inercji działania różniczkującego opisany zależnością, a = 1/k

b – współczynnik wagowy akcji proporcjonalnej,  

c - współczynnik wagowy akcji różniczkującej  
W  badanym  w  ćwiczeniu  sterowniku  zaprogramowano  następujące  wartości 
współczynników: 
a=0.2,  b=1.0, c = 1.0.  

 

 

background image

 

Ćwiczenie PA6 

 

Badanie działania regulatora PID zaimplementowanego w sterowniku 
S7-1200 firmy Siemens

”  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

PODSTAWY AUTOMATYKI 

 

18 

3. OPIS STANOWISKA LABORATORYJNEGO 

 
Stanowisko  do  badania  regulatora (rys  11)  składa  się  ze  sterownika  PLC  (1),  panelu 

HMI  (2),  komputera  PC  (3)  połączonych  w  sieć  ethernetową  (4).  W  sterowniku 
zaimplementowano  algorytm  regulatora  PID.  Za  pośrednictwem  panelu  HMI  dokonywane 
będą  zmiany  parametrów  regulatora,  np.  wartości  nastaw,  trybu  pracy.  Widok  ekranu  tego 
panelu przedstawia rys.12. Zainstalowane na komputerze stacjonarnym oprogramowanie TIA 
PORTAL,  umożliwia  symulację  drugiego  panelu  HMI,  na  którym  rejestrowane  będą 
przebiegi zmian wielkości zadanej SP, procesowej PV i sterującej CV

 

Rys.11. Stanowisko pomiarowe do badania regulatora. Oznaczenia: 1 – sterownik S7-1200, 2 
– panel HMI, 3 – monitor, 4- komputer stacjonarny

 

 

 

Widok ekranu panelu HMI przedstawia rys.12. 

Poszczególnych pola ekranu HMI oznaczają:: 

1.  Wykres słupkowy (procentowy) wielkości sterującej CV i procesowej PV 
2.  Grupa pól edycyjnych  umożliwiających wprowadzenie i monitorowanie wielkości 

zadanej  SP  i  procesowej  PV  (przy  badaniu  regulatora  wielkość  procesowa  jest 
zadawana)  .Z  poziomu  panelu  HMI;  wielkość  sterująca  CV  może  być  tylko 
monitorowana,  dlatego  dla  odróżnienia  od  pozostałych,  podświetlona  jest  na 
zielono;  po  dotknięciu  palcem  pola  I/O  field  na  panelu  ukazuje  się  klawiatura 
(rys.13) umożliwiająca wprowadzanie danych. Klawiatura znika po potwierdzeniu 
danych  przyciskiem  Enter 

  (1);  wciśnięcie  przycisku  Enter  powoduje  zapis 

dokonanej zmiany. 

3.  Dwa przyciski MANUAL i AUTO umożliwiające zmianę trybu pracy regulatora, 

w trybie AUTO wielkość sterująca CV wyliczana jest na bieżąco przez regulator, 
w  trybie  MANUAL  wielkość  sterująca  CV  zadawana  jest  przez  operatora  z 
poziomu  panelu  HMI  –  w  tym  celu  należy  przełączyć  regulator  w  tryb  pracy 
MANUAL, wpisać żądaną wartość wielkości sterującej  CV w pole znajdujące się 
nad  przyciskiem  MANUAL  i  potwierdzić;  użytkownik  informowany  jest  o 
wybranym trybie pracy regulatora poprzez podświetlany na zielono tekst (Auto lub 
Manual) umieszczony pod przyciskiem AUTO 

4.   Dwa  przyciski  Normal  i  Rewers  umożliwiające  zmianę  działania  regulatora; 

użytkownik  informowany  jest  o  wybranym  działaniu  regulatora  poprzez 
podświetlany  na  zielono  tekst  (Normal  lub  Rewers)  umieszczony  pod 
przyciskiem Rewers 

5.  I/O  fields  –  grupa  pól  wejścia/wyjścia  umożliwiających  wprowadzenie    i 

monitorowanie nastaw regulatora: 

k

p

 z zakresu (0.0 – 999,9) 

T

i

 z zakresu (0.0 – 99999,9 sek). Akcję całkującą wyłącza się nastawiając   

background image

 

Ćwiczenie PA6  

 

„Badanie działania regulatora PID zaimplementowanego 

 

 

 

 

 

 

w sterowniku S7 

– firmy Siemens”  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

PODSTAWY AUTOMATYKI 

 

19 

T

i

 = 99999,9 sek, 

T

d

 z zakresu (0,0 – 999,9  sek). Akcję różniczkującą wyłącza się nastawiając  

T

d

 = 0,0 sek. 

 

 

 
Rys.12. Widok ekranu panelu HMI.  

 

 

 

Rys.13. Widok klawiatury na ekranie panelu HMI : 1 – przycisk Enter 
 

Wizualizację przebiegów zmian wielkości wejściowych  i wyjściowych zrealizowano 

na komputerze stacjonarnym wykorzystując oprogramowanie TIA PORTAL. Wygląd ekranu 
monitora z wizualizacją przedstawia rys.14. 
 

background image

 

Ćwiczenie PA6 

 

Badanie działania regulatora PID zaimplementowanego w sterowniku 
S7-1200 firmy Siemens

”  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

PODSTAWY AUTOMATYKI 

 

20 

 

 

 

Rys.14. Wizualizacja przebiegów wielkości wejściowych i wyjsciowych regulatora 
 
Oznaczenia poszczególnych pól ekranu: 

1.  Trendy  –  monitorowanie  przebiegów  wielkości  PV  (kolor  niebieski),  SP  (kolor 

czarny)  
i  CV  (kolor  czerwony)  w  zadanym  przedziale  czasu;  wszystkie  monitorowane 
wielkości wyrażone są w procentach  

2.  przycisk START/STOP umożliwiający zatrzymanie i wznowienie monitorowania 

przebiegów 

3.  grupa  pól  wyświetlających  aktualne  wartości  monitorowanych  wielkości;  pola 

ustawione  są  na  opcję  Output;  wprowadzanie  danych  jest  zablokowane;  kolor 
czcionki jest taki sam jak kolor wykresu danej wielkości 

4.  Grupa przycisków umożliwiających zwiększenie  i  zmniejszenie przedziału czasu, 

w którym pokazywane są przebiegi. Przedział zwiększa się w zakresie od 15 sek. 
do 16 min. 

W  celu  wydrukowania  wykresu,  należy  zatrzymać  przebieg  przyciskiem 

START/STOP, wcisnąć na klawiaturze komputera przycisk prtsc, wkleić zapamiętany ekran 
do edytora graficznego i wybrać opcję drukowania. 

 

 
 
 

background image

 

Ćwiczenie PA6  

 

„Badanie działania regulatora PID zaimplementowanego 

 

 

 

 

 

 

w sterowniku S7 

– firmy Siemens”  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

PODSTAWY AUTOMATYKI 

 

21 

 

4. 

PRZEBIEG ĆWICZENIA

 

 

4.1. Wyznaczenie charakterystyk statycznych regulatora o algorytmie P 

Charakterystyki  statyczne  zostaną  wyznaczone  dla  regulatora  o  algorytmie  P  o 

działaniu normalnym z punktem pracy u

p

 = 50% i wzmocnieniu k

p

0.5, 1.0 i 2.0. 

Algorytm  P  w  regulatorze  PID  należy  zrealizować  poprzez  wyłączenie  akcji  całkującej  I  

i różniczkującej D. W tym celu należy ustawić T

i

 = 99999,9 sek oraz T

d

 = 0,0 sek. W trybie 

MANUAL  (ręczne  zadawanie  wielkości  sterującej)    ustawić  wielkości  procesową  PV  
zadaną  SP  na  50%,    oraz  wzmocnienie  k

p

  =  1.0  i  działanie  Normal.  Następnie  wielkość 

sterującą  CV  ustawić  na  wartość  50%  (ustawiona  wartość  sygnału  stanowić  będzie  punkt 
pracy regulatora P). Przełączyć regulator w tryb AUTO. W tym trybie wielkość sterująca CV 
będzie wyliczana przez sterownik na podstawie algorytmu P a nie nastawiana przez operatora 
ręcznie. W trybie AUTO dokonać pomiaru charakterystyk statycznych regulatora, zmieniając 
sygnał mierzony PV wg tablicy 1. Badanie powtórzyć dla wartości wzmocnienia k

p

0.5 i 2.0. 

Wartość wzmocnienia zmieniać w trybie MANUAL

 

Tablica 1.Wyniki pomiarów charakterystyki statycznej regulatora o algorytmie P 

PV [%]

 

0

0

 

2

20

 

2

25

 

4

40

 

5

50

 

6

60

 

7

75

 

8

80

 

1

100

 

 
 

CV [%]

 

k

p

 = 0.5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k

p

 = 1.0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k

p

 = 2.0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.2. Wyznaczanie odpowiedzi skokowych regulatora o algorytmie PI 

Algorytm  PI  w  regulatorze  PID  zrealizować  poprzez  wyłączenie  akcji  różniczkującej  D. 
Wartość  wzmocnienia  k

p

  ustawić  na  wartość  1.0,  a  czas  zdwojenia  T

i

  na  30s.  W  trybie 

MANUAL  ustawić  wielkość  sterującą  CV  na  wartość  10% oraz  wielkości  procesową  PV  i 
zadaną SP na 50%. Następnie przełączyć regulator w tryb AUTO. Wywołać skokową zmianę 
wielkości  procesowej  PV  o  +10%.  Rejestrować  odpowiedź  skokową  regulatora  PI  do 
momentu aż  wielkość sterująca  CV osiągnie wartość ok. 90 %, wówczas zmniejszyć  PV o 
20%.  Powtórzyć  analogiczną  próbę  zmniejszając  PV  o  10  %.po  osiągnięciu  przez  CV 
wartości ok. 90%. 

background image

 

Ćwiczenie PA6 

 

Badanie działania regulatora PID zaimplementowanego w sterowniku 
S7-1200 firmy Siemens

”  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

PODSTAWY AUTOMATYKI 

 

22 

4.3. Wyznaczanie odpowiedzi skokowych regulatora o algorytmie PD

 

 
Algorytm  PD  w  regulatorze  PID  zrealizować  poprzez  wyłączenie  akcji  całkującej  I 

nastawiając Ti = 99999,9 sek . Wartość wzmocnienia regulatora k

p 

ustawić na wartość 1.0, a 

czas wyprzedzenia T

d

 na 30s. W trybie MANUAL ustawić wielkość sterującą CV na wartość 

10% oraz wielkości procesową  PV  i zadaną  SP  na 50%. Następnie przełączyć regulator w 
tryb AUTO. Zwiększyć wielkość procesową PV o 10%, odczekać 40s i następnie zmniejszyć 
PV o 20%. Zarejestrować odpowiedź skokową regulatora  PDPowtórzyć analogiczną próbę 
zmniejszając po odczekaniu 40s wielkość procesową PV o 10 %. 

4.4. Wyznaczanie odpowiedzi skokowych regulatora o algorytmie PID 

Badanie regulatora  PID  zrealizować dla  następujących  nastaw: wartość wzmocnienia 

regulatora  k

p 

ustawić na wartość 1.0, czas zdwojenia T

i

    na 45s, a czas wyprzedzenia  T

d

  na 

30s.  W  trybie  MANUAL  ustawić  wielkość  sterującą  CV  na  wartość  10%  oraz  wielkości 
procesową PV i zadaną SP na 50%. Następnie przełączyć regulator w tryb AUTO i ustawić 
działanie  Normal.  Zwiększyć  wielkość  procesową  o  10%  i  zarejestrować  odpowiedź 
skokową regulatora PID.

 

 

4.5. Wyznaczanie odpowiedzi skokowych regulatora o algorytmie PID o 
d

ziałaniu odwrotnym 

 
Z  nastawami  jak  w  punkcie  4.4,  zbadać  regulator  z  ustawionym  działaniem 

odwrotnym  (Rewers).  W  trybie  MANUAL  ustawić  wielkość  sterującą  CV  na  wartość  90% 
oraz  wielkości  procesową  PV  i  zadaną  SP  na  50%.  W  trybie  AUTO  zwiększyć  wielkość 
procesową o 10% i zarejestrować odpowiedź skokową. 

 
 

background image

 

Ćwiczenie PA6  

 

„Badanie działania regulatora PID zaimplementowanego 

 

 

 

 

 

 

w sterowniku S7 

– firmy Siemens”  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

PODSTAWY AUTOMATYKI 

 

23 

5. SPRAWOZDANIE Z ĆWICZENIA 

 
Sprawozdanie  winno  zawierać  takie  elementy  jak:  opis  przebiegu  ćwiczenia, 

schematy, wykresy otrzymane z komputera z naniesioną obróbką danych, wykresy wykonane 
na podstawie pomiarów, a w szczególności: 

 

1.  Bazując na wynikach z tablicy 1 narysować charakterystykę statyczną  

CV  =  f  (PV-  SP  )  regulatora  o  algorytmie  P  .  Z  otrzymanej  charakterystyki 
określić  punkt  pracy  u

  regulatora.  .  Ocenić  poprawność  realizacji  działania 

proporcjonalnego  regulatora.(dokładność  realizacji  nastawionej  wartości  k

p   

punktu pracy) . 

2.  Narysować  charakterystykę  statyczną  regulatora  o  algorytmie  P  o  działaniu 

odwrotnym (Rewers) z punktem pracy u

p

= 40%. 

3.  .Z  otrzymanych  wykresów  odpowiedzi  skokowych  regulatora  odczytać 

rzeczywiste wartości nastaw k

p

 , T

i , 

T

d

 i podać je w zaproponowanej przez siebie 

tabeli, 

4.  Określić  wzmocnienie  dynamiczne  k

d

  regulatora  o  algorytmie  PD,  PID  i 

porównać je z zaprogramowanym w sterowniku (patrz równanie (30)). 

5.  Porównać wartości wybranych punktów charakterystyk skokowych  otrzymanych 

z  eksperymentu  i  obliczonych  na  podstawie  zależności  podanych  w 
instrukcji(p.1.1. Matematyczny opis regulatorów PID). 

6.  Narysuj charakterystykę statyczną regulatora PD . 
7.  Narysuj zależność CV = f ( PV - SP ) dla regulatora PI /PID. 
8.  Podać  jak  w  prosty  sposób  można  ocenić  kierunek  działania  regulatora,  tzn. 

Normal czy Rewers

9.  Podać prosty sposób oceny algorytmu regulatora. 

 
Uwaga: 
Wszystkie wyniki i odpowiedzi wymagają komentarza 
 

background image

 

Ćwiczenie PA6 

 

Badanie działania regulatora PID zaimplementowanego w sterowniku 
S7-1200 firmy Siemens

”  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

PODSTAWY AUTOMATYKI 

 

24 

6. LITERATURA 

1.Kościelny  W.J.:  Materiały  pomocnicze  do  nauczania  podstaw  automatyki  dla 

studiów wieczorowych, WPW, 1997, 2001. 

2. Węgrzyn S.: Podstawy automatyki. PWN 1980 
3. Żelazny M.: Podstawy automatyki . PWN, 1976 
 

background image

 

Ćwiczenie PA6  

 

„Badanie działania regulatora PID zaimplementowanego 

 

 

 

 

 

 

w sterowniku S7 

– firmy Siemens”  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

PODSTAWY AUTOMATYKI 

 

25