淺談西門子S7-300/400模擬量閉環(huán)PID控制應(yīng)用技巧

車延?xùn)|

（鞍山技師學(xué)院電氣工程系，遼寧鞍山，114000）

淺談西門子S7-300/400模擬量閉環(huán)PID控制應(yīng)用技巧

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（鞍山技師學(xué)院電氣工程系，遼寧鞍山，114000）

本文分析PID控制器的不同變形形式，以及西門子S7-300 /400PLC模擬量閉環(huán)控制功能和使用系統(tǒng)功能塊實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制方法。

PID控制器；S7-300/400；模擬量；閉環(huán)控制

0 引言

S7-300/400系列屬于模塊式PLC，主要由CPU模塊、信號模塊、功能模塊、接口模塊、通信模塊、電源模塊和編程設(shè)備組成，各種模塊相互獨(dú)立，分別安裝在機(jī)架上。S7-300/400的FM355、FM455是通用的智能化閉環(huán)控制模塊，還有系統(tǒng)功能塊SFB41～SFB43，改變輸入?yún)?shù)，自動生成程序，能夠滿足用戶不同PID形式控制需求。

1 PID控制器的優(yōu)點(diǎn)

1.1 不需要被控對象的數(shù)學(xué)模型

自動控制系統(tǒng)中的分析和設(shè)計方法主要是建立在被控對象的線性定常數(shù)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)，忽略實(shí)際系統(tǒng)非線性和時變性，與實(shí)際系統(tǒng)有較大差距。對于許多工業(yè)控制對象，根本就無法建立較為準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型。系統(tǒng)使用PID控制可以得到比較滿意效果。

1.2 結(jié)構(gòu)簡單

PID控制器的結(jié)構(gòu)典型，各參數(shù)有明確的物理意義，參數(shù)調(diào)整方便，容易實(shí)現(xiàn)多回路控制、串級控制等復(fù)雜的控制。

1.3 較強(qiáng)靈活性和適用性

根據(jù)被控對象具體情況，可以采用PID控制器的多種變種和改進(jìn)控制方式，例如PI、PD、帶死區(qū)PID、被控量微分PID、積分分離PID和變速積分PID等，但比例控制必不可少。隨著智能控制技術(shù)發(fā)展，PID控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等現(xiàn)代控制方式結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)PID控制器的參數(shù)自整定，使PID控制器具有持久的生命力。S7-300PID功能塊帶參數(shù)自整定功能，使用非常方便。

2 PID控制器的數(shù)字化

2.1 PID控制器在連續(xù)控制系統(tǒng)中的表達(dá)式

模擬量PID控制器的輸出表達(dá)式為：

式中mv(t)是控制器的輸出信號，ev(t)是控制器的輸入量（誤差信號）ev(t)=sp(t)-pv(t),sp(t)為設(shè)定值，pv(t)為反饋值,Kp、T1和TD是比例系數(shù)、積分時間常數(shù)和微分時間常數(shù)，M是積分部分的初始值。如果取其中一項或兩項，可以組成P、PI或PD調(diào)節(jié)器。需要較好的動態(tài)品質(zhì)和較高穩(wěn)定精度時，可以選用PI控制方式，控制對象慣性滯后較大時，應(yīng)選用PID控制方式。

2.2 積分部分的近似計算

一般用矩形積分近似精確積，各矩形部分的總面積為

2.3 微分部分的近似計算

將積分和微分的近似表達(dá)式代入，第n次采樣時控制器的輸出為

n

式中KI=KPTs/TI、KD=KPTD/TS分別是積分系數(shù)和微分系數(shù)。

2.4 不完全微分PID

微分引入，可以改善系統(tǒng)動態(tài)性能，但也容易引入高頻干擾，為此在微分部分增加一階慣性濾波，以平緩輸出值劇烈變化。式中fT為濾波時間常數(shù)，在SFB41中，fT對應(yīng)于微分操作的延遲時間TM-LAG。

2.5 死區(qū)特性在PID控制中的應(yīng)用

圖1 控制系統(tǒng)圖

在控制系統(tǒng)中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)如果頻繁動作，會導(dǎo)致小幅震蕩，造成嚴(yán)重機(jī)械磨損。從控制要求來說，很多系統(tǒng)允許被控量在一定范圍內(nèi)存在誤差。當(dāng)死區(qū)非線性環(huán)節(jié)的輸入量的絕對值小于設(shè)定值B時， PID輸出不變，其不起調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)相當(dāng)于開環(huán)狀態(tài)。當(dāng)誤差絕對值超過設(shè)定值時，開始正常PID控制。

3 S7300/400的模擬量閉環(huán)控制功能

3.1 S7300/400實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制的方法

S7-300/400為用戶提供功能強(qiáng)大、使用簡單方便的模擬量閉環(huán)控制功能。

（1）閉環(huán)控制模塊。S7-300的FM355和S7-400的FM455閉環(huán)控制模塊是智能化的4路和16路通用閉環(huán)控制模塊，可以用于化工和過程控制，模塊上帶有A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器。

（2）閉環(huán)控制用的系統(tǒng)功能塊。S7-300/400也可以用PID控制功能塊來實(shí)現(xiàn)PID控制。系統(tǒng)功能塊SFB41～SFB43用于CPU 31XC的閉環(huán)控制。SFB41“CONT-C”用于連續(xù)控制，SFB42“CONT-S”用于步進(jìn)控制，SFB43“PULSEGEN”用于脈沖寬度調(diào)節(jié)。

（3）閉環(huán)控制軟件包。安裝標(biāo)準(zhǔn)PID控制軟件包后，文件夾“LibrariesStandard LibraryPID Controller”中的FB41～FB43用于PID控制，F(xiàn)B58和FB59用于PID溫度控制。FB41～FB43與SFB41～SFB43兼容。PID自整定(PID Self Tuner)軟件包可以提供控制優(yōu)化支持。

3.2 使用系統(tǒng)功能塊實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制

SFB41～SFB43可以在程序編輯器左邊的指令樹中的“LibraryStandard LibrarySystem Function Blocks”（標(biāo)準(zhǔn)庫系統(tǒng)功能塊）文件夾中找到。SFB41～SFB43內(nèi)有可組態(tài)的大量單元，除了創(chuàng)建PID控制器以外，還可以處理設(shè)定值、過程反饋值，以及對控制器的輸出值進(jìn)行后處理。定期計算所需的數(shù)據(jù)保存在指定的背景數(shù)據(jù)塊中，允許多次調(diào)用SFB。SFB“PULSEGEN”與SFB“CONT-C”組合使用，可以組成脈沖輸出的控制器，例如可以用于加熱和冷卻裝置。

PID控制器的處理速度與CPU性能有關(guān)，必須在控制器數(shù)量和控制器的計算頻率（采樣周期）之間折中處理。計算頻率越高，單位時間的計算量越大，能使用的控制器的數(shù)量就越少。PID控制器可以控制較慢的系統(tǒng)，例如溫度和物料的料位等，也可以控制較快系統(tǒng)，例如流量和速度等。

3.3 PID控制的程序結(jié)構(gòu)

應(yīng)在啟動時執(zhí)行的組織塊OB 100中和定時循環(huán)中斷OB中調(diào)用SFB41～SFB43。執(zhí)行BO35時間間隔在CPU屬性設(shè)置對話框循環(huán)中斷選項卡中設(shè)置。調(diào)用系統(tǒng)功能塊應(yīng)指定相應(yīng)的背景數(shù)據(jù)塊，例如CALL SFB41,DB30。系統(tǒng)功能塊的參數(shù)保存在背景數(shù)據(jù)塊中，可以通過數(shù)據(jù)塊編號、偏移地址或符號地址來訪問背景數(shù)據(jù)塊。

[1] 劉美俊.西門子S7系列PLC的應(yīng)用與維護(hù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社2009.

[2] 廖常初.S7-300/400PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社2007.

Application skills of SIEMENS S7-300/400 analog closed-loop PID control

Che Yandong
(Department of electrical engineering, Anshan technician college, Anshan Liaoning, 114000)

This paper analyzes the different forms of deformation of the PID controller, and the SIEMENS S7-300 /400PLC analog closed-loop control functions and the use of the system function blocks to achieve closed-loop control method.

PID controller; S7-300/400; analog quantity; closed loop control