淺談西門子S7-300/400模擬量閉環PID控制應用技巧

車延東

（鞍山技師學院電氣工程系，遼寧鞍山，114000）

淺談西門子S7-300/400模擬量閉環PID控制應用技巧

車延東

（鞍山技師學院電氣工程系，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模擬量閉環控制功能和使用系統功能塊實現閉環控制方法。

PID控制器；S7-300/400；模擬量；閉環控制

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、電源模塊和編程設備組成，各種模塊相互獨立，分別安裝在機架上。S7-300/400的FM355、FM455是通用的智能化閉環控制模塊，還有系統功能塊SFB41～SFB43，改變輸入參數，自動生成程序，能夠滿足用戶不同PID形式控制需求。

1 PID控制器的優點

1.1 不需要被控對象的數學模型

自動控制系統中的分析和設計方法主要是建立在被控對象的線性定常數數學模型的基礎，忽略實際系統非線性和時變性，與實際系統有較大差距。對于許多工業控制對象，根本就無法建立較為準確的數學模型。系統使用PID控制可以得到比較滿意效果。

1.2 結構簡單

PID控制器的結構典型，各參數有明確的物理意義，參數調整方便，容易實現多回路控制、串級控制等復雜的控制。

1.3 較強靈活性和適用性

根據被控對象具體情況，可以采用PID控制器的多種變種和改進控制方式，例如PI、PD、帶死區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。隨著智能控制技術發展，PID控制和神經網絡控制等現代控制方式結合，可以實現PID控制器的參數自整定，使PID控制器具有持久的生命力。S7-300PID功能塊帶參數自整定功能，使用非常方便。

2 PID控制器的數字化

2.1 PID控制器在連續控制系統中的表達式

模擬量PID控制器的輸出表達式為：

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)為設定值，pv(t)為反饋值,Kp、T1和TD是比例系數、積分時間常數和微分時間常數，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調節器。需要較好的動態品質和較高穩定精度時，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分別是積分系數和微分系數。

2.4 不完全微分PID

微分引入，可以改善系統動態性能，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，在SFB41中，fT對應于微分操作的延遲時間TM-LAG。

2.5 死區特性在PID控制中的應用

圖1 控制系統圖

在控制系統中，執行機構如果頻繁動作，會導致小幅震蕩，造成嚴重機械磨損。從控制要求來說，很多系統允許被控量在一定范圍內存在誤差。當死區非線性環節的輸入量的絕對值小于設定值B時， PID輸出不變，其不起調節作用，系統相當于開環狀態。當誤差絕對值超過設定值時，開始正常PID控制。

3 S7300/400的模擬量閉環控制功能

3.1 S7300/400實現閉環控制的方法

S7-300/400為用戶提供功能強大、使用簡單方便的模擬量閉環控制功能。

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

（2）閉環控制用的系統功能塊。S7-300/400也可以用PID控制功能塊來實現PID控制。系統功能塊SFB41～SFB43用于CPU 31XC的閉環控制。SFB41“CONT-C”用于連續控制，SFB42“CONT-S”用于步進控制，SFB43“PULSEGEN”用于脈沖寬度調節。

（3）閉環控制軟件包。安裝標準PID控制軟件包后，文件夾“LibrariesStandard LibraryPID Controller”中的FB41～FB43用于PID控制，FB58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化支持。

3.2 使用系統功能塊實現閉環控制

SFB41～SFB43可以在程序編輯器左邊的指令樹中的“LibraryStandard LibrarySystem Function Blocks”（標準庫系統功能塊）文件夾中找到。SFB41～SFB43內有可組態的大量單元，除了創建PID控制器以外，還可以處理設定值、過程反饋值，以及對控制器的輸出值進行后處理。定期計算所需的數據保存在指定的背景數據塊中，允許多次調用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，必須在控制器數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量就越少。PID控制器可以控制較慢的系統，例如溫度和物料的料位等，也可以控制較快系統，例如流量和速度等。

3.3 PID控制的程序結構

應在啟動時執行的組織塊OB 100中和定時循環中斷OB中調用SFB41～SFB43。執行BO35時間間隔在CPU屬性設置對話框循環中斷選項卡中設置。調用系統功能塊應指定相應的背景數據塊，例如CALL SFB41,DB30。系統功能塊的參數保存在背景數據塊中，可以通過數據塊編號、偏移地址或符號地址來訪問背景數據塊。

[1] 劉美俊.西門子S7系列PLC的應用與維護[M].北京：機械工業出版社2009.

[2] 廖常初.S7-300/400PLC應用技術[M].北京：機械工業出版社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