江蘇西門子S7-1500PLC模塊代理（歡迎您）

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

    1．PID控制模塊

    S7 - 300的FM 355和S7 - 400的FM 455是智能化的4路和16路通用閉環(huán)控制模塊，它們集成了閉環(huán)控制需要的I/O點(diǎn)和軟件，FM 455提供了PID算法和自優(yōu)化溫度控制算法。

    2．PID控制功能塊與系統(tǒng)功能塊

    PID控制模塊的價(jià)格較高，因此一般使用普通的信號(hào)模塊和PID控制功能塊(FB)來實(shí)現(xiàn)PID控制。所有型號(hào)的CPU都可以使用PID控制功能塊FB 41~FB 43，以及用于溫度閉環(huán)控制的FB 58和FB 59,它們?cè)诔绦蚓庉嬈髯筮叴翱诘奈募A“＼庫(kù)＼Standard Library（標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)）＼PID Controller（PID控制器）”中。FB 41~FB 43有大量的輸入/輸出參數(shù)，除了PID控制器功能以外，還可以處理設(shè)定值和過程反饋值，以及對(duì)控制器的輸出值進(jìn)行后處理。計(jì)算所需的數(shù)據(jù)保存在的背景數(shù)據(jù)塊中，允許多次調(diào)用FB。

    FB 41“CONT_C”（連續(xù)控制器）輸出的數(shù)字值一般用AO模塊轉(zhuǎn)換為連續(xù)的模擬量。

    FB 43（脈沖發(fā)生器）與FB 41組合，可以產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制的開關(guān)量輸出信號(hào)，來控制比例執(zhí)行機(jī)構(gòu)，例如可以用于加熱和冷卻控制。

    FB 42“CONT_S”用于步進(jìn)控制，其特點(diǎn)是可以直接用它的開關(guān)量輸出信號(hào)控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，從而省去用于后者的位置閉環(huán)控制器和位置傳感器。

    實(shí)際控制中FB 41用得多，FB 43用得較少，FB 42用得很少。CPU 31xC還可以使用集成在CPU中的SFB 41~SFB 43，SFB 41~SFB 43與FB 41~FB 43兼容。

    FB 58和FB 59有參數(shù)自整定功能，FB 41和FB 42則需要安裝軟件PID Self Tuner來實(shí)現(xiàn)在線的參數(shù)自整定。

    PID控制器的處理速度與CPU的性能有關(guān)，必須在控制器的數(shù)量和控制器的計(jì)算頻率（采樣周期）之間折中處理。計(jì)算頻率越高，單位時(shí)間的計(jì)算量越多，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，也可以控制較快的系統(tǒng)，例如流量和速度等。

    3．閉環(huán)控制軟件包

    模糊控制軟件包適合于對(duì)象模型難以建立，過程特性缺乏*性，具有非線性，但是可以總結(jié)出操作經(jīng)驗(yàn)的系統(tǒng)。

    神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)( Neuronal Systems)適用于不*了解其結(jié)構(gòu)和解決方法的控制問題。它可以用于自動(dòng)化的各個(gè)層次，從單獨(dú)的閉環(huán)控制器到工廠的控制。

    PID自整定(PID Self Tuner)軟件包可以提供控制優(yōu)化支持。

    4．PID控制的程序結(jié)構(gòu)

    應(yīng)在啟動(dòng)時(shí)執(zhí)行的組織塊OB100中和在循環(huán)中斷組織塊（例如OB35）中調(diào)用FB 41~43。執(zhí)行OB35的時(shí)間間隔（即PID控制的采樣周期Ts）在CPU屬性設(shè)置對(duì)話框的“周期性中斷”選項(xiàng)卡中設(shè)置。

    調(diào)用系統(tǒng)功能塊時(shí)，應(yīng)相應(yīng)的背景數(shù)據(jù)塊。系統(tǒng)功能塊的參數(shù)保存在背景數(shù)據(jù)塊中。

連續(xù)PID控制器FB 41輸出值的處理

    1．手動(dòng)模式

    BOOL變量MAN_ON為1時(shí)是手動(dòng)模式，為0時(shí)是自動(dòng)模式。在手動(dòng)模式，控制器的輸出值被手動(dòng)輸入值MAN代替。

    在手動(dòng)模式，控制器輸出中的積分分量被自動(dòng)設(shè)置為LMN-LMN_P-DISV（其中的“-”為減號(hào)），而微分分量被自動(dòng)設(shè)置為0。這樣可以保證手動(dòng)到自動(dòng)的無擾切換，即切換前后PID控制器的輸出值LMN不會(huì)突變。

    2．輸出限幅

    LMNLIMIT（輸出量限幅）方框用于將控制器輸出值(Manipulated  Value)限幅。MN-LIMIT的輸入量超出控制器輸出值的上極限LMN_HLM時(shí)，信號(hào)位QLMN_HLM（輸出超出上限）變?yōu)?/span>1狀態(tài)；小于下限值LMN_LLM時(shí)，信號(hào)位QLMN_LLM（輸出超出下限）變?yōu)?/span>1狀態(tài)。LMN_HLM和LMN_LLM的默認(rèn)值分別為100. 0%和0.0%。

    3．輸出量的格式化處理

    LMN_NORM（輸出量格式化）方框用下述公式來將限幅后的輸出量LMN_LIM格式化，以調(diào)節(jié)控制器輸出值的范圍：

    LMN= LMN_LIM×LMN_FAC+ LMN_OFF

式中，LMN是格式化后浮點(diǎn)數(shù)格式的控制器輸出值；LMN_FAC為輸出值系數(shù)，默認(rèn)值為1.0；LMN_OFF為輸出值偏移量，默認(rèn)值為0.0。

    4．輸出值轉(zhuǎn)換為外部設(shè)備( I/O)格式

    LMN是浮點(diǎn)數(shù)格式的控制器輸出值，如果要送給模擬量輸出模塊，需要用“CPR_OUT”方框轉(zhuǎn)換為外部設(shè)備(I/O)格式的變量LMN_PER。轉(zhuǎn)換公式為

    LMN_PER = LMN×27648/100

FB 41采用位置式PID算法，比例運(yùn)算、積分運(yùn)算和微分運(yùn)算3部分并聯(lián)，可以單獨(dú)激活或取消它們，因此可以將控制器組態(tài)為P、PI、PD和PID控制器。雖然可以組成單獨(dú)的I控制器或D控制器，不過很少這樣使用。

    P_SEL、I_SEL和D_SEL為1狀態(tài)時(shí)分別啟用比例、積分和微分作用，反之則禁止對(duì)應(yīng)的控制作用。默認(rèn)的控制方式為PI控制。LNM_P、LNM_I和LNM_D分別是PID控制器輸出量中的比例分量、積分分量和微分分量，它們供調(diào)試時(shí)使用。

    圖10-14中的GAIN為比例部分的增益或比例系數(shù)，TI和TD分別為積分時(shí)間和微分時(shí)間。輸入?yún)?shù)TM_LAG為微分操作的延遲時(shí)間，手冊(cè)建議TM_LAG= TD/5。

用浮點(diǎn)數(shù)格式設(shè)定值SP_INT減去轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù)格式的過程變量PV（即反饋值），便得到負(fù)反饋的誤差。

    在控制系統(tǒng)中

，某些執(zhí)行機(jī)構(gòu)如果頻繁動(dòng)作，將會(huì)導(dǎo)致小幅振蕩，造成嚴(yán)重的機(jī)械磨損。從控制要求來說，很多系統(tǒng)又允許被控量在一定范圍內(nèi)存在誤差。帶死區(qū)( Dead Band)的PID控制器（見圖10-15）能防止執(zhí)行機(jī)構(gòu)的頻繁動(dòng)作。當(dāng)死區(qū)非線性環(huán)節(jié)的輸入量(即誤差ev(n))的值小于死區(qū)設(shè)定值B時(shí)，死區(qū)非線性的輸出量（即PID控制器的輸入量）為0，這時(shí)PID控制器的輸出分量中，比例部分和微分部分為0，積分部分保持不變。因此PID控制器的輸出保持不變，控制器不起調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)處于開環(huán)狀態(tài)。當(dāng)誤差的值超過設(shè)定值B時(shí)，開始正常的PID控制。

    為了抑制由于控制器輸出量的量化造成的連續(xù)的較小的振蕩，例如用FB 43 PULSEGEN進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制時(shí)可能出現(xiàn)的振蕩，也可以用死區(qū)非線性對(duì)誤差進(jìn)行處理。圖10-15中死區(qū)的寬度B對(duì)應(yīng)于FB 41的輸入?yún)?shù)DEADB_W，如果令DEADB_W為0，死區(qū)被關(guān)閉。

在FB 41內(nèi)部，PID控制器的給定值、反饋值和輸出值都是用0.0%~100.0%的浮點(diǎn)數(shù)百分?jǐn)?shù)來表示的。FB 41將來自模擬量輸入模塊的整數(shù)轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù)格式的百分?jǐn)?shù)，將PID控制器的輸出值轉(zhuǎn)換為送給模擬量輸出模塊的整數(shù)。

    外部設(shè)備（即模擬量輸入模塊）正常范圍的大輸出值為27648，對(duì)應(yīng)于模擬量輸入的滿量程。圖10-14中的CRP_IN方框?qū)⑼獠吭O(shè)備輸入值轉(zhuǎn)換為0~+*或-*~+*之間的浮點(diǎn)數(shù)格式的數(shù)值，CPR_IN的輸出（以%為單位）用下式計(jì)算：

    PV_R=PV_PER×100/27648(%)
FB 41“CONT_C”（連續(xù)控制器）的輸出為連續(xù)變量?？梢杂?/span>FB 41作為單獨(dú)的PID恒值控制器，或者在多閉環(huán)控制中實(shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián)控制器、混合控制器和比例控制器?？刂破鞯墓δ芑谀M信號(hào)采樣控制器的PID控制算法，如果需要的話，FB 41可以用脈沖發(fā)生器FB 43進(jìn)行擴(kuò)展，產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制的輸出信號(hào)，來控制比例執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

    PID控制的系統(tǒng)功能塊的參數(shù)很多，建議結(jié)合功能塊的框圖來學(xué)習(xí)和理解這些參數(shù)。

    用參數(shù)SP_INT（內(nèi)部設(shè)定值）輸入浮點(diǎn)數(shù)格式的設(shè)定值（見圖10 -14），單位為百分?jǐn)?shù)?？梢杂脙煞N方式輸入過程變量（即反饋值）：

    1)用PV_IN（過程輸入變量）輸入浮點(diǎn)格式的過程變量，此時(shí)BOOL輸入?yún)?shù)PVPER_ON（外部設(shè)備過程變量ON）應(yīng)為0狀態(tài)。

    2)用PV_PER（外部設(shè)備過程變量）輸入外部設(shè)備(I/O)格式的過程變量，即用模擬量輸入模塊輸出的數(shù)字值作為PID控制的過程變量，此時(shí)PVPER_ON應(yīng)為1狀態(tài)。

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