西门子S7-1200CPU 1214 FC

受控系统和执行器

受控系统

通过加热系统控制室温是受控系统的一个简单示例。传感器测量室温并将温度值传送给控

制器。控制器将当前室温与设定值进行比较，并计算加热控制的输出值（调节变量）。

如果 PID 控制器的设置正确，则会尽快达到此设定值，然后使其保持为常数值。输出值

更改后，过程值通常仅随时间延迟而变化。控制器必须针对此响应进行补偿。

执行器

执行器是受控系统元件，受控制器影响。其功能是修改质量和能量流。

下表概述了执行器的应用。

应用 执行器

液体或气体质量流 阀门、遮板、闸门阀

固体质量流，如大块材料 铰链式挡板、传送带、振动器通道

电流 开关触点、接触器、继电器、可控硅

可变电阻、可调变压器、晶体管

控制原理

2.1 受控系统和执行器

PID 控制

22 功能手册, 11/2019, A5E35300232-AE

执行器分为以下几种：

● 带有恒定起动信号的比例执行器

这些元件用于设置开启角度、角位置，或与输出值成比例的位置。输出值在控制范围

内会对过程产生模拟量作用。

此组中的执行器包括弹簧支撑的气动驱动器，以及构成位置控制系统的带位置反馈的

电动驱动器。

连续控制器（如 PID_Compact）会生成输出值。

● 带脉冲宽度调制信号的比例执行器

这些执行器用于在采样时间间隔内生成长度与输出值成比例的脉冲输出。执行器（如

加热电阻或制冷装置）在等时模式下接通，持续时间根据输出值的不同而有所不同。

起动信号可呈现单极“打开”或“关闭”状态，或表示双极状态，如“打开/关闭”、“向前/向

后”、“加速/制动”。

输出值由两位控制器（如具有脉宽调制的 PID_Compact）生成。

● 具有积分作用和三位起动信号的执行器

执行器经常由电机操作，操作周期与阻塞元件的执行器进给成比例。包括阀门、遮板

和闸门阀等元件。尽管所有这些执行器的设计有所不同，但它们都受到受控系统输入

端的积分作用的影响。

步进控制器（如 PID_3Step）会生成输出值。

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受控系统

受控系统的属性几乎不受到影响，因为这些属性是由过程和机械的技术要求决定的。 只

能通过为特定受控系统选择合适的控制器类型以及调整控制器以适应受控系统的时间响

应，来实现可接受的控制结果。 因此，要对控制器的比例、积分和微分作用进行组态，

很有必要详细了解受控系统的类型和参数。

受控系统类型

根据受控系统对输出值阶跃变化的时间响应来对受控系统进行分类。

受控系统有以下分类：

● 自调节受控系统

– 比例作用受控系统

– PT1 受控系统

– PT2 受控系统

● 非自调节受控系统

● 具有/不具有时间的受控系统

自调节受控系统

比例作用受控系统

在比例作用受控系统中，过程值几乎会立即随输出值而变化。 过程值与输出值之间的比

率由受控系统的比例 Gain 定义。

示例：

● 管道系统中的闸门阀

● 分压器

● 液压系统中的降压功能

控制原理

2.2 受控系统

PID 控制

24 功能手册, 11/2019, A5E35300232-AE

PT1 受控系统

在 PT1 受控系统中，过程值的变化最初与输出值的变化成比例。 过程值的变化率随时间

减小，直至达到最终值，即被延迟。

示例：

● 弹簧减震系统

● RC 元件的充电

● 由蒸汽加热的贮水器。

加热与制冷过程，或充电和放电特性的时间常量通常相同。 时间常量不同时，控制显然

会更加复杂。

PT2 受控系统

在 PT2 受控系统中，过程值不会立即跟随输出值的阶跃变化，即，过程值的增加与正向

上升率成正比，然后随着上升率的下降而逼近设定值。 受控系统通过二阶延迟元件显示

比例响应特性。

示例：

● 压力控制

● 流速控制

● 温度控制

非自调节受控系统

非自调节受控系统具有积分响应。 过程值趋于无限大的值。

示例：

● 流入容器的液体

具有死时间的受控系统

死时间总是表示在系统输出测量系统输入的变化之前到期的运行时间或传输时间。

在具有死时间的受控系统中，过程值的变化将发生延迟，延迟时间等于死时间量。

示例：

传送带

 控制原理

2.3 控制部分的特征值

PID 控制

功能手册, 11/2019, A5E35300232-AE 25

2.3 控制部分的特征值

根据阶跃响应确定时间响应

受控系统的时间响应可根据输出值 y 发生阶跃变化之后的过程值 x 的时间特性来确定。大

多数受控系统为自调节受控系统。

时间响应可由使用变量延迟时间 T u 、恢复时间 T g 和最大值 X max 来大致确定。这些变量

可通过最大值的切点和阶跃响应的转折点来确定。在很多情况下，无法记录达到最大值的

响应特性，因为过程值不能超过特定值。在这种情况下，上升率 v max 用于确定受控系统

(v max = Δ x /Δ t )。

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对设定值变化和干扰的响应

对设定值变化的响应

过程值应尽快随设定值而变化。可通过最大限度地减小过程值的波动以及达到新设定值所

需的时间来改进对设定值变化的响应。

x 过程值

w 设定值

控制原理

2.5 对设定值变化和干扰的响应

PID 控制

34 功能手册, 11/2019, A5E35300232-AE

对干扰的响应

设定值受干扰变量影响。控制器必须在尽可能最短的时间内消除所生成的控制偏差。可通

过最大限度地减小过程值的波动以及达到新设定值所需的时间来改进对干扰的响应。

x 过程值

w 设定值

① 影响干扰变量

干扰变量由具有积分作用的控制器进行校正。持久不变的干扰变量不会降低控制质量，因

为控制偏差相对较稳定。由于控制偏差波动，动态干扰变量会对控制质量产生较显著的影

响。只能通过缓动的积分作用来再次消除控制偏差。

可将可测量的干扰变量包含在受控系统中。这样会显著提高控制器的响应速度。

 控制原理

2.6 不同反馈结构中的控制响应

PID 控制

功能手册, 11/2019, A5E35300232-AE 35

2.6 不同反馈结构中的控制响应

控制器的控制特性

控制器能否准确适应受控系统的时间相应，对于控制器准确稳定在设定值以及对干扰量做

出最佳响应起着决定性的作用。

反馈电路可具有比例作用 (P)、比例微分作用 (PD)、比例积分作用 (PI) 或比例积分微分作

用 (PID)。

如果阶跃函数由控制偏差触发，则控制器的阶跃响应会因控制器类型而异。

控制偏差

② 连续控制器的输出值

③ 脉冲控制器的输出值

控制器中的积分作用会随时间而使控制偏差增大。 这意味着控制器会一直对系统进行校

正，直到控制偏差消除为止。 持续控制偏差只会在具有比例作用的控制器中生成。 这种

影响可通过控制器中的积分作用来消除。

根据对控制响应的要求，在实际操作中最好将比例、积分和微分作用结合使用。 各个分

量的时间响应可通过控制器参数比例增益 GAIN、积分作用时间 TI （积分作用）和微分

作用时间 TD（微分作用）来描述。

软件控制器概述

要组态软件控制器，需要使用包含控制算法的指令和工艺对象。软件控制器的工艺对象相

当于指令的背景 DB。控制器的组态数据保存在工艺对象中。与其它指令的背景数据块不

同，工艺对象并非存储在程序资源中，而是存储在 CPU > 工艺对象下。

工艺对象和指令

CPU 库 库 指令 工艺对象 说明

S7-1200 Compact

PID

PID_Compact

V1.x

PID_Compact

V1.x

具有集成调节功能的通用 PID 控制器

S7-1200 PID_3Step

V1.x

PID_3Step

V1.x

对阀门进行集成调节的 PID 控制器

S7-1500

S7-1200 V4.x

PID_Compact

V2.x

PID_Compact

V2.x

具有集成调节功能的通用 PID 控制器

S7-1500

S7-1200 V4.x

PID_3Step

V2.x

PID_3Step

V2.x

对阀门进行集成调节的 PID 控制器

S7-1500 ≥ V1.7

S7-1200 ≥ V4.1

PID_Temp

V1.x

PID_Temp

V1.x

具有集成调节功能的通用 PID 温度控制

器

S7-1500/300/400 PID 基本功

能

CONT_C CONT_C 连续控制器

S7-1500/300/400 CONT_S CONT_S 适合具有积分行为的执行器的步进控制

器

S7-1500/300/400 PULSEGEN - 适合具有比例行为的执行器的脉冲发生

器

S7-1500/300/400 TCONT_CP TCONT_CP 具有脉冲发生器的连续温度控制器

S7-1500/300/400 TCONT_S TCONT_S 适合具有积分行为的执行器的温度控制

器