基于西门子工业软件的仿真系统设计一阶惯性加纯滞后对象百度精.docx
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基于西门子工业软件的仿真系统设计一阶惯性加纯滞后对象XX精
基于西门子工业软件的仿真系统设计-一阶惯性加纯滞后对象-XX（精）
基于西门子工业软件的仿真系统设计-一阶惯性加纯滞后对象
摘要
本论文针对工业过程中常用的一般典型环节温度、压力、物位和流量等具有一阶惯性加纯滞后特性的连续变量被控对象,通过西门子可编程控制器S7-300对其进行程序设计和仿真,并通过西门子组态软件WinCC对其仿真实验进行界面绘制,来对实际的控制过程进行模拟仿真,从而缩短现场调试周期,提高其工作效率。
关键词:
西门子,一阶惯性加纯滞后,仿真
TheDesignofSimulateSystemBaseonIndustrySoftwaresofSiemens—First-orderplustimedelayinertialobject
ABSTRACT
Inthispaper,commonlyusedforindustrialprocessestypicalofthegeneralaspectsoftemperature,pressure,levelandflowwiththefirst-orderplustimedelaycharacteristicsoftheinertiaofthecontinuousvariableobject,throughthesiemensS7-300programmablelogiccontrollertocarryouttheprocedureforitsdesignandsimulation,andthroughsiemenssimulationWinCCconfigurationsoftwareinterfacemappingexperimentstocontroltheactualprocessofsimulation,soastoshortenthedebuggingcycle,toimprovetheirworkefficiency.
KEYWORDS:
siemens,first-orderplustimedelayofinertia,simulation
摘要.....................................................................IABSTRACT................................................................II1绪论.（1
1.1仿真系统的应用与分类（1
1.2本课题研究的目的和意义（1
1.3本课题研究的主要任务（2
2PLC介绍及西门子工业软件介绍（3
2.1PLC介绍（3
2.1.1PLC的基本概念（3
2.1.2西门子PLC的简介（3
2.2西门子软件介绍（3
2.2.1STEP7编程软件介绍（3
2.2.2WinCC软件介绍[6]（5
3PID控制调节规律（6
3.1PID介绍（6
3.1.1比例调节（P（6
3.1.2积分调节（I（6
3.1.3微分调节（D（7
3.1.4比例积分调节（PI（8
3.1.5比例积分微分调节（PID（9
3.1.6PID控制器的参数整定（9
3.2连续PID控制器FB41（10
3.2.1介绍（10
3.2.2参数表（11
3.2.3连续PID控制器FB41的应用（14
4被控对象的仿真与界面开发（16
4.1程序设计（16
4.1.1一阶惯性加纯滞后数学模型的差分转化（16
4.1.2绘制流程图（17
4.1.3通过STEP7实现对程序的编写（17
4.2仿真界面的开发（19
4.2.1建立项目（19
4.2.2组态项目（21
IV
总结（26
致谢（27
参考文献（28
基于西门子工业软件的仿真系统设计-一阶惯性加纯滞后对象1
1绪论
1.1仿真系统的应用与分类
系统仿真是20世纪40年代末以来伴随着计算机技术的发展而逐步形成的一门新兴学科。
仿真（Simulation就是通过建立实际系统模型并利用所见模型对实际系统进行实验研究的过程。
最初,仿真技术主要用于航空、航天、原子反应堆等价格昂贵、周期长、危险性大、实际系统试验难以实现的少数领域,后来逐步发展到电力、石油、化工、冶金、机械等一些主要工业部门,并进一步扩大到社会系统、经济系统、交通运输系统、生态系统等一些非工程系统领域。
可以说,现代系统仿真技术和综合性仿真系统已经成为任何复杂系统,特别是高技术产业不可缺少的分析、研究、设计、评价、决策和训练的重要手段。
其应用范围在不断扩大,应用效益也日益显著。
系统仿真是建立在控制理论、相似理论、信息处理技术和计算机初等理论基础之上的,以计算机和其他专用物理效应设备为工具,利用系统模型对真实或假设的系统进行试验,并借助于专家的经验知识、统计数据和信息资料对实验结果进行分析研究,进而做出决策的一门综合的实验性学科。
仿真可以按不同原则分类:
①按所用模型的类型（物理模型、数学模型、物理-数学模型分为物理仿真、计算机仿真（数学仿真、半实物仿真;②按所用计算机的类型（模拟计算机、数字计算机、混合计算机分为模拟仿真、数字仿真和混合仿真;③按仿真对象中的信号流（连续的、离散的分为连续系统仿真和离散系统仿真;④按仿真时间与实际时间的比例关系分为实时仿真（仿真时间标尺等于自然时间标尺、超实时仿真（仿真时间标尺小于自然时间标尺和亚实时仿真（仿真时间标尺大于自然时间标尺;⑤按对象的性质分为宇宙飞船仿真、化工系统仿真、经济系统仿真等。
1.2本课题研究的目的和意义
随着社会的发展,控制技术在工业方面的应用越来越广,对于控制方面精度的要求越来越高,控制器的系统仿真,在研究控制策略、控制算法、控制系统的品质方面提供了强大的支持[1]。
对于工业过程控制中的连续变化的参数,如温度、流量、压力、物位等系统,可以简化为一阶惯性纯滞后的数学模型来描述,通过STEP7软件编写程序并调试,用STEP7程序下编写的程序仿真被控对象,将编写的被控对象程序在STEP7软件下与PID共同进行调试,模拟实际被控对象。
本仿真程序结合现场采集模拟数据,可以实现对现场常用对象的仿真,从而能缩短现场调试周期,从而提高其工作效率。
根据系统分析的目的,在分析系统各要素性质及其相互关系的基础上,建立能描述系统结构或行为过程的、且具有一定逻辑关系或数量关系的仿真模型,据此进行试验或定量分析,以获得正确决策所需的各种信息。
近年来,随着仿真技术的发展,中国仿真市场增长异
常迅猛,在某些方面达到了国际先进水平。
但总体技术水平,特别是应用水平与发达国家相比还有差距。
通过本次课题的设计,将使我对自动控制技术的理解,更加深刻的熟悉了可编程控制器PLC的应用技术,还了解和熟悉了step7和WinCC软件,并且培养了理论联系实际,思考问题,分析问题,解决问题的能力,对今后的工作和学习都会有很大的帮助。
1.3本课题研究的主要任务
本课题的任务是基于西门子工业软件,对于一阶惯性加纯滞后的对象进行仿真实验,建立一套仿真控制系统。
主要内容包括:
（1绘制仿真实验画面;
（2仿真实验系统STEP7程序开发;
（3绘制实验室控制柜接线图（见附图;
（4一阶惯性典型环节仿真。
2PLC介绍及西门子工业软件介绍
2.1PLC介绍
2.1.1PLC的基本概念
随着微处理器、计算机和数字通信技术的飞快发展,计算机控制已经广泛地应用在所有的工业领域。
现代社会要求制造业作出迅速的反映,生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品。
为了满足这一要求,生产设备和自动生产线的控制系统必须具有极高的可靠性和灵活性。
可编程控制器（ProgrammableLogicController正是顺应这一要求出现的,它是以微处理器为基础的通用工业控制装置。
可编程控制器简称为PLC,它的应用面广、功能强大、使用方便,已经成为当代工业自动化的主要支柱之一。
PLC已经广泛地应用在各种机械设备和生产过程的自动控制系统中,PLC在其他领域,例如在民用家庭自动化设备中的应用也得到了迅速的发展[2]。
2.1.2西门子PLC的简介
西门子公司的PLC产品有SIMATICS7、M7和C7等几大系列。
S7系列是传统意义的PLC产品,其中的S7-200是针对低性能要求的小型PLC。
S7-200是美国德州仪器公司的小型PLC的基础上发展起来的,其编程软件为STEP7-Mico/WIN32。
S7-300/400的前身是西门子公司的S5系列PLC,其编程软件为STEP7。
S7-200和S7-300/400虽然有许多共同之处,但是在指令系统、程序结构等方面均有相当大的差异。
S7-300是模块化中小型PLC系统,它能满足中等性能要求的应用。
模块化,无排风扇结构,易于实现分布,易于用户掌握等特点使得S7-300成为各种从小规模到中等性能要求控制任务的方便又经济的解决方案。
S7-400是用于中、高档性能范围的可编程序控制器。
模块化及无风扇的设计,坚固耐用,容易扩展和广泛的通讯能力,容易实现的分布式结构以及用户友好的操作使SIMATICS7-400成为中、高档性能控制领域中首选的理想解决方案[3]。
2.2西门子软件介绍
2.2.1STEP7编程软件介绍
STEP7是西门子SIMATIC工业软件中的一员,它是用于对SIMATIC可编程逻辑控制器（PLC进行组态和编程的软件包。
（1STEP7概述
STEP7编程软件用于对S7-300/400、M7-300/400、C7等系统的编程和开发。
STEP7是通过项目的方式来管理自动化系统,其功能包括硬件组态（配置、参数设置、网络组态、通信连接、创建符号、编程、组态消息和操作员监控变量、启动和运行维护、监视、诊断、文档创建和归档等。
（2STEP7标准软件包[4]
STEP7标准软件包符合面向图形和对象的Windows操作原则,可运行在Windows2000、WindowsXP、WindowsServer2003下,为适应不同的应用对象,可选择不同的版本。
STEP7标准软件包的功能和组成如图2-1所示。
STEP7标准软件包
符号编辑器SIMATIC管理器NETPRO通讯组态
硬件组态
编程语言
LAD/FBD/STL
硬件诊断图2-1STEP7标准软件包的组成
（3STEP7的编程功能[5]
STEP7标准软件包配备三种基本编程语言,即梯形图LAD（LadderLogicProgrammingLanguage、语句表STL（StatementListProgrammingLanguage和功能块图FBD（FunctionBlockDiagramProgrammingLanguage。
这三种编程语言在STEP7中可以有条件地相互转换。
LAD:
梯形图是STEP7编程语言的图形方式,与继电器控制电路图相似,可跟踪能流的流动。
它是一种融逻辑操作、控制于一体,面向对象的、实时的、图形化的编程语言。
STL:
语句表是STEP7编程语言的文本方式,用助记符来表达PLC的各种控制功能的。
为便于编程,语句表作了扩展,可调用一些高级语言结构（如结构化数据访问和块参数。
FBD:
功能块图是STEP7编程语言的另一种图形表示,类似于普通逻辑功能图,它沿用了半导体逻辑电路的逻辑框图表达方式。
用逻辑框表示逻辑功能。
复杂功能（如
算术功能可直接结合逻辑框表示,功能块图通过软连接的方式把所需的功能块图连接起来,实现系统的控制。
功能块图的表达格式有利于程序流的跟踪。
2.2.2WinCC软件介绍[6]
西门子公司的WinCC是WindowsControlCenter（视窗控制中心的简称。
它集成了SCADA、组态、脚本（Script语言和OPC等先进技术,为用户提供了Windows操作系统（Windows2000或XP环境下使用各种通用软件的功能。
它继承了西门子公司的全集成自动化（TIA产品的先进技术和无缝集成的特点。
WinCC运行于个人计算机环境,可以于多种自动化设备及控制软件集成,具有丰富的设置项目、可视窗口和菜单选项,使用方法灵活,功能齐全。
用户在其友好的界面下组态、编程和数据管理,可形成所需的操作画面、监控画面、控制画面、报警画面、实时趋势曲线和打印报表等。
它为操作者提供了图文并茂、形象直观的操作环境,不仅缩短了软件设计的周期,而且提高了工作效率。
WinCC的另一个特点在于其整体开放性,它可以方便地与各种软件和用户程序组合在一起,建立友好的人机界面,满足实际需求。
用户也可将WinCC作为系统扩展的基础,通过开放式接口,开发其自身需要的应用系统。
WinCC因其具有独特的设计思想而具有广阔的应用前景。
借助于模块化的设计,能以灵活的方式对其扩展。
它不仅能用于单用户系统,而且能构成多用户系统,甚至包括多个服务器和客户机在内的分布式系统。
这也意味着WinCC不是孤立的软件系统,它时刻与以下系统集成在一起。
（a与自动化系统的无缝集成。
WinCC与相应的硬件紧密结合,通过统一的组态和编程、统一的数据管理及统一的通讯,极大地降低了用户软硬件组态的工程量,实现了整个产品范围内的高度集成;
（b与自动化网络系统的集成。
从现场总线PROFIBUS到工业以太网,再到PROFINET技术和基于组件的自动化技术CBA（Component-BasedAutomation,以及无线通信解决方案,用于WinCC内置了基于S5/S7协议的通讯系统,并提供了大量面向这些系统和技术的组件,从而为WinCC和这些系统的最优化通讯和良好的互操作性提供了保证;
（c与MES系统的集成;
（d与相应的软硬件系统一起,实现系统级的诊断功能;
（eWinCC不仅是可以独立使用的HMI/SCADA系统,而且是西门子公司众多软件系统的重要组件。
3PID控制调节规律
3.1PID介绍
在工程实际中,应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制,简称PID控制,又称PID调节。
它具有结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便等特点。
当我们不完全了解一个系统和被控对象,或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时,最适合用PID控制技术。
除了PID控制,实际中也有PI和PD控制。
PID控制器就是根据系统的误差,利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的[7]。
3.1.1比例调节（P
比例调节是一种最简单的调节规律,通过控制其比例系数Kp来对系统进行控制。
其调节器的输出u（t与输入偏差e（t成比例关系,只要出现偏差e（t就能及时地产生与之成比例的调节作用。
比例调节的特性曲线如图3-1所示。
ote（totu（t
Kpe（t
图3-1比例调节器的阶跃响应
比例调节作用的大小,除了与偏差e（t有关外,主要取决于比例系数Kp,Kp越大,调节作用越强,动态特性也越好。
反之,Kp越小,调节作用越弱。
但对于大多数惯性环节,Kp太大,会引起自激震荡。
比例调节的缺点是存在静差,是有差调节,对于扰动较大,且惯性也较大的系统,若采用单纯的比例调节,则很难兼顾动态和静态特性。
因此,需要采用比较复杂的调节规律。
3.1.2积分调节（I
在积分调节规律中,调节器输出信号变化量与输入偏差的积分成正比。
其数学表达式为:
⎰⎰==∆t
0it0idtte/1dttetuTk（（（（（3-1式中,Ki为积分速度,Ti为积分时间。
对积分调节器来说,其输出信号的大小不仅与输入偏差信号的大小有关,而且还取决于偏差存在时间的长短。
只要有偏差,调节器的输出就不断变化,偏差存在的时间越长,输出信号的变化量就越大。
只有在偏差等于零的情况下,积分调节器的输出信号才能相对稳定。
因此可以认为,积分控制作用是力图消除余差。
在幅值为A的阶跃偏差输入作用下,积分调节器的开环输出特性如下所示:
将e（t=A代入式可得:
kkit
0idttetu==∆⎰（（At（3-2显然,该式所描述的是一条斜率为定值的直线,起斜率正比于调节器的积分速度,Ki越大（即Ti也越大,直线越陡峭,积分作用越强。
纯积分控制的缺点在于,它不像比例控制那样输出与出入保持同步、反应较快,而是其输出变化总要滞后于偏差的变化。
这样就不能及时有效的客服扰动的影响,其结果是加剧了被控变量的波动,使系统难以稳定下来。
因此在工业过程控制中,通常不单独使用积分控制规律,而是将它与比例控制组合成积分控制规律来应用。
3.1.3微分调节（D
在微分调节中,调节器输出信号的变化量与输入偏差的变化速度成正比。
其数学表达式为:
dt/tdeud
（（*=∆Tt（3-3式中,Td为微分时间。
ote（totu（t
KpA
A
图3-2理想微分作用特性
由式（3-3可知,若在某一时刻T=Td输入一个阶跃变化的偏差信号e（t=A,则在该时刻调节器的输出为无穷大,其余时间输出为零,其特性曲线如图3-2所示。
显然这种特性没有使用价值,成为理想微分特性。
从上图还可以看出,微分调节器的输出与偏差的变化速度有关,而与偏差的存在与
否有关。
即微分作用对恒定不变的偏差没有克服能力。
因此,微分调节不能单独使用。
实际上,微分控制总是与比例控制或比例积分控制组合使用的。
由于微分作用总是力图阻止被控变量的任何变化,所以适当的微分作用有抑制震荡的效果。
若微分作用选择适当,将有利于提高系统的稳定性;若微分作用过强,微分时间过大,反而不利于系统的稳定。
3.1.4比例积分调节（PI
比例调节的缺点是存在静差,影响调节的精度。
消除静差的有效方法是在比例调节的基础上加积分调节,构成比例积分（PI调节。
PI调节的数学表达式为:
（（（⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎣⎡+=⎰dtte1
tetuTKip（3-4
对于比例积分调节器,只要有偏差e（t存在,积分调节就不断起作用,对输入偏差进行积分,是调节器的输出及执行器的开度不断变化,直到达到新的稳定值而不存在静差,所以比例积分调节器能够将比例调节的快速性与积分调节消除静差的作用结合起来,以改善系统特性。
其输出特性曲线如图3-3所示。
ote（totu（t
Kpe（t
图3-3比例积分调节器的输出特性曲线
由图3-3可以看出,在偏差e（t作阶跃变化时,比例作用立即输出Up（t,而积分作用最初为0,随着时间的增加而直线上升。
由此可见,比例积分调节既可服了单纯比例调解有静差存在的缺点,又避免了积分调节响应慢的缺点,即静态和动态特性均得到了改善,所以,应用比较广泛。
式（3-4中Ti为积分时间常数,它表示积分速度的快慢,Ti越大,积分速度越慢,积分作用越弱。
反之Ti越小,积分速度越快,积分作用越强。
3.1.5比例积分微分调节（PID
为了进一步改善调节品质,往往把比例、积分、微分三种作用结合起来,形成比例积分微分（PID三种作用调节器,其调节的数学表达式为:
（（（⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡++=⎰dttde（dtte1tetuTTKdip（3-5
PID调节器的阶跃响应曲线如图3-4所示。
由图3-4可以看出,PID调节器在阶跃信号作用下,首先是比例、微分作用,使其调节作用加强,然后再进行积分,直到最后消除静差为止。
因此,PID调节器无论从静态、还是动态的角度看,调节品质均得到了改善,从而使PID调节器成为一种应用最广泛的调节器[8]。
ote（totu（t
Kpe（t
图3-4PID调节器的阶跃响应曲线
3.1.6PID控制器的参数整定
PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。
它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。
PID控制器参数整定的方法很多,概括起来有两大类:
一是理论计算整定法。
它主要是依据系统的数学模型,经过理论计算确定控制器参数。
这种方法所得到的计算数据未必可以直接用,还必须通过工程实际进行调整和修改;二是工程整定方法,它主要依赖工程经验,直接在控制系统的试验中进行,且方法简单、易于掌握,在工程实际中被广泛采用。
PID控制器参数的工程整定方法,主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。
三种方法各有其特点,其共同点都是通过试验,然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。
但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数,都需要在实际运行中进行最后调整与完善。
现在一般采用的是临界比例法。
利用该方法进行PID控制器参数的整定步骤如下:
第一,首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作;第二,仅加入比例控制环节,直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡,记下这时的比例放大系数和临界振荡周期;最
后,在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数[9]。
3.2连续PID控制器FB41
3.2.1介绍
FB41“CONT_C”（连续控制器的输出为连续变量,用于使用连续的I/O变量在SIMATICS7控制系统中控制技术过程。
可以通过参数（利用参数赋值工具打开或关闭PID控制器,以此来控制系统。
其工作原理图如图3-5所示。
图3-5连续PID控制器FB41的工作原理
可以使用控制器作为单独的PID定点控制器或在多循环控制中作为级联控制器、混合控制器和比例控制器使用。
控制器的功能基于带有一个模拟信号的采样控制器的PID控制算法,如果必要的话,可以通过脉冲发送器（PULSEGEN进行扩展,以产生脉冲宽度调制的输出信号,来控制比例执行机构的二级或三级控制器。
除了设定值和过程值分支中的功能以外,FB还实现了一个完整的PID控制器,该控制器具有连续的可调节变量输出,并且还可以选择手动影响调节值。
这里所使用的PID算法是定位PID算法。
比例、积分（INT和微分（DIF动作是并型连接在一起的,可以单独激活或取消激活。
这样便能够组态成比例（P、比例积分（PI、比例微分（PD和比例积分微分（PID控制器。
还可以组态成纯积分（I和纯微分（D控制器。
3.2.2参数表
表3-1FB41的输入参数[5]
参数数据类型地址默认值说明
COM_RSTBOOL0.0FALSE
COMPLETERESTART（完全重新启动。
为1时执行初始化程序
MAN_ONBOOL0.1TRUE
MANUALVALUEON,为1时控制循环将被中断,手动值被设置为操作值
PVPER_O
NBOOL0.2FALSE
ROCESSVARIABLEPERIPHERY
ON,为1时使用外部设备输入的过
程变量
P_SELBOOL0.3TRUE
PROPORTIONALACTIONON,为1时打开比例（P操作
I_SELBOOL0.4TRUE
INTEGRALACTIONON,为1时打开积分（I操作
INT_HOLDBOOL0.5FALSE
INTEGRALACTIONHOLD,为1时积分操作保持,积分输出被冻结
I_ITL_ONBOOL0.6FALSE
INITIALIZATIONOFTHEINTEGRAL
ACTION,积分作用初始化,为1时将输入I_IT
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