基于S7300PLC的PID单闭环控制系统仿真文档格式.docx
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在PLC问世之前，控制器都是由继电器、接触器组成的传统的生产机械控制系统结构。
体积庞大、故障率高，控制功能比较固定、接线复杂、不容易检修，但是结构简单、价格便宜。
1968年，美国通用汽车公司（GM）提出了把计算机的一系列优点和传统的控制系统的优点相结合，造一种通用控制装置的设想，并根据设想开始招标。
1969年，美国数字设备公司（DEC）根据GM公司提出的要求研制成功世界上第一台PLC，主要用于顺序控制和逻辑运算，这台PLC首次试用在GM公司的汽车生产线上，很快在美国其他工业领域得到了广泛的应用。
并命名为可编程逻辑控制器。
日本于1971年引进这项技术，很快研制了一台PLC。
两年之后，西欧国家也研制出来一台。
从1975年到1976年，美国、日本、联邦德国等一系列国家使PLC集成化，控制更加灵活，功能更加完善，并大大降低了成本。
进入20世纪80年代，随着各方面技术的发展，PLC功能更加强大，形成了不同系列的产品。
1.1.2S7-300PLC介绍
国内市场占有率最高的是西门子公司的PLC，是国内的主流品牌，具有较高的稳定性，西门子PLC产品中比较好的系列有S5、S7、C7、M7及WinAC等几个系列。
其中，1994年，S7系列PLC问世，分为SIMATICS7-200、SIMATICS7-1200、SIMS7-300ATIC和SIMATICS7-400几个子系列，是目前PLC市场的主流产品。
在本论文中我们选用的是S7-300PLC中型PLC，采用模块化机构，各种模块相互独立，安装在固定的机架（导轨）上，如图1-1所示为S7-300系统图。
用户可以根据要求选择合适的模块，具有更换方便，便于维修等优点。
图1-1S7-300PLC系统图
安装STEP7编程软件后才能编写S7-300PLC的程序，程序编写完成后，为了避免错误程序对设备照成不必要的损伤，我们可以安装仿真软件PLCSIM，进行程序的仿真，观察程序执行结果。
1.1.3SIMSTIC人机界面
人机界面（HumanMachineInterface）简称为HMI。
人机界面顾名思义是操作人员与控制系统之间相互沟通的桥梁，人机界面可以在恶劣的工业环境中长时间连续运行，是PLC的最佳搭档。
人机界面可以用文字做提示，图形按钮、动画动态做输入操作和输出显示操作人员可以通过人机界面来控制现场的被控对象。
此外人机界面还有报警、用户管理、数据记录、趋势图、配方管理等功能。
西门子的人机界面及其组态软件WinCCflexible具有支持多语言组态和多语言运行，可以方便地与STEP7集成，与PLCSIM一起实现PLC和人机界面的集成仿真等特点。
1.2模拟量闭环控制介绍
1.2.1模拟量与数字量
什么是模拟量。
在我们日常生活中、在生产当中，经常碰见一些随时间变化的物理量，这些物理量就是模拟量。
例如温度，压力，流量等。
如图1-2所示，左图的曲线随着时间的变化而变化的就是模拟量。
什么是数字量。
数字量和开关量是一个意思，随时间的变化是不连续的，用0和1表示两种不同的状态，像是一个一个的脉冲波形，如图1-2右图所示，所以又叫脉冲量。
图1-2模拟量与数字量波形图
1.2.2模拟量闭环控制系统结构
图1-3所示为PLC模拟量闭环控制系统，图中虚线选中的部分用PLC实现。
图1-3模拟量闭环控制系统图
在模拟量闭环控制系统中，PLC的CPU只能处理数字信号，而大多数执行机构，例如变频器，电动调节阀等执行机构只能由模拟电压或模拟电量给定驱动信号。
图1-3中的sp（n）是给定值，pv（n）为A/D转换后的反馈量，误差ev（n）=sp（n）-pv（n）。
sp（n）给定一个数字值，经过比较器，将误差ev（n）给控制器输出。
由于执行机构不能识别数字信号，所以，PLC用模拟量输入模块中的D/A转换器将数字量信号转化为驱动执行机构的模拟信号mv（t），从而控制被控对象。
输出量c（t）经测量与变送元件（传感器）将检测的模拟量转化为模拟信号，PLC用模拟量输入模块中的A/D转换器将它们转化为CPU能识别的数字量信号pv（n），将结果反馈给PLC。
1.2.3PLC模拟量控制的特点
PLC处理模拟量必须经过采样、量化这两道工序。
采样，即在指定时间上向模拟量取值；
量化，即将取出的模拟量数值转化为CPU能识别的数字量（二进制）。
同样一个模拟量，一个存在八位的寄存器，一个存在十六位的寄存器，经过量化后的数字量与采样的模拟量的值存在一定的误差。
采样只是指定时间上向模拟量取值，而模拟量时时刻刻在变化的值。
所以采样的曲线，与实际的模拟量曲线是有差别的，即存在失真。
采样、量化、执行、输出都需要一定的时间，所以响应滞后。
PLC有一个很强的优点，具有很强的抗干扰能力，提高控制的可靠性。
1.3PID单闭环控制系统研究意义
PID控制数学表达式为：
（1-1）
式中，Pe为比例项，
为积分项，
为微分项，
为初始稳态值。
比例项起到的作用叫比例控制，积分项起到的控制叫积分作用，微分项起到的控制叫微分输出，取其中的一项或多项可以组成P、PI、PD或PID调节器。
其中PID控制最好，但并不意味着在任何情况下应用PID控制都是合适的，应该根据控制对象的特性和生产过程中对控制质量的要求进行综合考虑选择合适的控制器。
一般采用PI的控制方式，如果控制对象的惯性滞后比较大，应该采用PID控制方式。
从PID的产生到现在已经有70多年了，PID控制系统也越来越广泛，越来越多的人也在学习PID控制技术，形成了普及应用的趋势。
现在几乎所有的PLC、变频器、智能控制设备都有PID，例如变频器需要用到PID控制，则打开关于允许PID的操作命令，就可以实现PID调节功能，PID是目前无静差控制中的比较好的方法。
PID应用最广泛的就是在控制低端系统（系统不是很大，单单的一个单回路）用PID效果会比较好。
如果回路多的话，PID也能应用，但是太复杂的系统，PID不一定适用。
所以说PID应用非常广泛，作为一个搞工控的人员，哪怕是一个电工也有很大的可能去接触PLC，接触变频器，了解学习了PID控制内容就会对PID控制问题不会感到棘手，对将来工作有很大的帮助。
第2章PID控制原理
2.1PID调节基准
PID控制曲线快速，无超调即我们调节的标准。
快速，即系统快速响应，短时间输出值便能达到给定值。
无超调，即输出不会高于给定值。
2.2比例控制
比例控制我们可以通俗的理解为：
一个水槽有一个进水阀和一个出水阀，如果说进水阀的进水量和出水阀的出水量相等的话，水位将固定在一个水位线，假设在水位B上，如图2-1。
当我们加大出水量时，水位从B水位降到C水位，为了将水位继续保持在B水位，我们就会额外从外界加入一定量的水到水槽里边来。
图2-1水槽水量模拟图
倒（舀）水量=比例系数*目标水位高度-当前水位高度，可以理解为，如果比例系数很小，当当前水位高度<
目标水位高度时，那么倒水量就很少，水位慢速上涨；
当当前水位高度>
目标水位高度时，舀水量就会很小，使调节时间加长。
最后在趋近于目标水位高度的某个高度停下来。
如果加大比例系数，当当前水位高度<
目标水位高度时，那么倒水量就会加大，水位快速的上涨；
目标水位高度时，舀水量就会很大，水位也会快速的下降。
如此往复，形成振荡，容易使系统不稳定。
2.2.1比例控制作用
比例控制系统能快速响应，并与误差同步，使被控量误差逐渐减小，但不能把偏差消除，控制结果会有余差，比例系数P的值越大，控制作用就会越强，但是容易使系统不稳定。
比例控制一般应用在被控对象滞后性小，负荷变化不大，而且对精度要求不高，允许被控量在一定范围内变化的场合，例如空压机压力，液位等。
2.2.2比例控制规律
比例控制规律如下式所示：
（2-1）
式（2-1）中，为控制器的输出变化量，P为控制器的比例增益或比例系数，e为控制器的输出（偏差）。
由式（2-1）可知，和e成正比关系，在时间上没有延迟、滞后；
调节比例系数p，给定值与输出实际差值额定，比例增益即P的值越大，作用越强，从而系统快速响应，短时间使输出值趋向于给定值。
比例控制响应快，无滞后，只要有偏差，就立即调节，快速克服扰动，使被控量及时回到给定值附近。
在控制系统中，如果存在扰动，比例控制只能使得输出值停在给定值的附近，不能达到或回到给定值，从而产生一个静态的差值，即静差。
而静差的大小代表了系统的精度，那么静差的产生跟我们的比例控制P又有什么关系呢？
P值选取越大，即调节时补差量就增加，所以静差就越小；
反之，则静差越大。
有些控制（例如，随动控制、成分控制）不能有静差，静差会使系统精度很差。
2.3积分控制
在上述的水位控制系统中，只要系统中水位高度存在偏差，积分项就起作用减少偏差。
如果当前水位高度<
目标水位高度，即水位偏差为正值时，积分项增大，使倒水量加大。
如果当前水位高度>
目标水位高度，即水位偏差为负值时，积分项减小，使舀水量加大。
积分作用和积分项有关，而积分项是由积分时间和偏差对时间的积分两部分组成。
随着时间的推移，积分项会越来越大，即使偏差非常小，积分项仍然不断的减小误差，使偏差无限趋近于目标位置。
2.3.1积分控制缺点
积分项是根据当前的偏差和过去几次的偏差累加起来作用的，所以积分作用具有滞后性，影响系统的稳定性能。
在实际系统中存在惯性，例如温度调节，给定信号发出，加热丝通电发热升温，须等待一段时间才缓慢变化达到给定的温度。
如果积分作用太强，其累加的作用就等同于加大比例系数，造成积分超调和振荡，容易使系统不稳定。
反之，则使消除稳态误差的时间加长。
2.3.2积分控制调试
因为积分时间I是式（2-1）的积分项的分母，因此，I值越大，积分作用越差。
反之，则越强。
理论与实际还有所不同，具体调试，我们应该根据理论并结合实际系统情况，适当的调节I值，以达到系统最优的目的。
2.3.3积分控制规律
积分控制规律如下式所示：
（2-2）
式（2-2）中，I是积分时间，KI是积分比例系数。
积分控制是积少成多，慢慢变化。
积分控制有消除静差的优点。
在过程控制中意味着执行器在不断的变化，有偏差就作用，没有偏差就停止，直到把偏差消除。
同时，积分控制也有调节动作缓慢的缺点，积分控制的作用是由零开始积分的，并随着时间的增加而将前几次结果累加起来的。
因此，积分控制有滞后，控制过程缓慢的缺点。
一般的说，单独的积分控制是不能使用的，积分控制能消除静差，而比例控制存在静差。
根据它们的特点，将比例控制和积分控制相结合，即消除两块静差，又能使系统动作快，到达无静差控制。
2.3.4比例积分（PI）控制规律
比例积分控制规律如下式所示：
（2-3）
一个比例积分控制器可以看作是一个比例系数P不断变化或者变大的比例控制器。
比例系数在不断的加大，因而它能最终消除静差，输出值稳定在输出范围的任意值上。
如果I的取值小，那么控制作用就很强，容易引起振荡；
I取值过大，则消除静差时间加长。
只有I值适当的情况，才能达到消除静差的目的。
一般的来说，比例积分控制规律既有比例控制的快速响应，又有积分作用的消除静差的特性。
因此，在工业生产中应用非常广泛，并且大部分控制都可以用比例积分控制解决实际问题。
2.4微分控制
在上述控制系统中，比例控制系统与积分控制系统产生的超调叠加之后使超调更加厉害，在某些方面我们不希望超调太大，因为超调量太大会严重的影响到控制质量。
因为微分能超前的预测出偏差的变化趋势，所以在控制器中加入“微分项”能够有效的控制超调。
微分输出是对比例控制的作用，当实际水位高度和目标高度相差很大的时候，微分输出使倒（舀）水量加大；
当实际水位高度和目标高度相差很小的时候，微分输出又使倒（舀）水量减小，使实际水位慢慢逼近目标水位，直到达到目标水位。
因此，在实际水位未到达目标水位之前，微分输出就开始作用抑制超调量，减小波动和调节时间，保持系统的稳定。
如果最后实际水位高度与目标水位高度偏差为0，这种控制就是无静差控制；
反之，则为有静差控制。
2.4.1微分控制缺点
在PID控制系统中，微分时间D值越大，微分输出就越强，输出达到给定的调节时间也会加长。
但是如果过强，则会使系统抗干扰能力下降，并且可能由于自身作用引起振荡；
相反，如果过弱，则不能起到抑制超调量的作用。
虽然，微分作用的优点没有缺点多，但是若果在某些应用场合，我们不把微分控制加入系统，将会很难达到控制要求。
2.4.2微分使用条件
（1）被控对象本身的数值容易受各种因素影响（水位、气压、风压等）的调节系统不适合使用微分输出。
即使系统非常稳定，被控对象也很难稳定在某一个定值。
微分输出会因为被控对象的小波动，使得输出产生大的波动，形成干扰。
（2）因为微分抗干扰能力相对于比例、积分来说比较弱。
当被控对象有轻微的扰动时，首先排除干扰，然后加上微分输出。
（3）系统滞后性比较大的情况下应该使用微分。
2.4.3微分控制规律
微分控制规律如下式所示：
（2-4）
微分控制是针对偏差的变化速度而作出输出的。
当偏差很小微分控制仍然作用，但是作用会很弱。
D越大，作用越强。
微分控制具有防止超调的优点。
微分控制作用是根据变化速度来调节的。
当发现偏差有加快变化的可能时，马上就发出防止其快速变化的控制信号，防止超调。
在众多控制系统中，温度控制系统最容易发生超调，所以我们在温度控制系统中加入微分控制。
同时，微分控制具有有静差和微分（D）过大时，容易引起振荡的缺点。
当偏差没有变化时，微分控制将停止输出，所有微分控制只能抑制超调，但不能消除静差。
当加入过大的微分控制时，反而会使被控制量产生高频振荡。
（尤其是测定值当中存在显著噪声的时候。
）
微分控制和积分控制在组合上有相同的要求，都不能单独使用，必须将比例控制加入系统配合使用，实现控制要求。
2.4.4比例微分（PD）控制规律
比例微分控制规律如下式：
（2-5）
在实际应用中，因为比例微分（PI）控制不能消除静差，故用的比较少，仅仅用于要求不高的温度调节中。
2.4.5PID控制规律
比例积分微分控制规律如下式：
（2-6）
PID控制规律综合了三种控制规律的优点且控制参数P、I、D可调，因此具有良好的控制特性，可以获得较好的控制质量。
PID控制规律的这种特点，使其在模拟量控制系统中得到了广泛的应用。
因此，在当控制对象具有较大的滞后性、负载变化较大并且控制要求比较高的场合（例如，温度控制）应该使用PID控制。
2.5PID控制参数整定
控制器输出的比例、积分、微分部分的参数调节可以结合控制要求，根据输出曲线的特征进行参数调整。
参数调整的方法多种样，最常用的方法就是试凑法。
2.5.1单因素优选法介绍
（1）首先估计最优点的试验范围，如果a表示起点，b表示终点，试验范围为
。
（2）然后在试验范围取点进行试验，将结果进行比较，留下好的，去掉不好的，直到找到最好的。
图2-3优选法线段
例：
在比例控制系统中，选取P系数的最优范围[a，b]之间选两点A、B如图2-3，A=起点+（终点-起点）*0.618，B=起点+终点-A。
将A、B点带入系统进行比较，观察曲线特征。
如果两点的曲线波动都比较大，那么P的范围选择有问题。
如果A，B都挺好，则选最优。
假设选择A点，那么删掉区间[a,B]的范围。
继续求C点，则C=起点+终点-保留点，即C=B+d-A，同样将C点带入比较C点和A点的曲线。
假设选择C点，删掉区间[A，b]。
继续求D点，则D=B+A-C。
将D点带入，比较C点和D点的曲线。
假设选择C点，删掉区间[B，D]。
继续求E点，则E=D+A-C。
将E点带入比较C点和E点的曲线。
当试验4~5点之后，基本上找到最优点，如果范围很大，还可以继续找最优点。
只要在最后的两点中任取一点即可。
PID控制参数经验取值如下表2-1：
表2-1PID控制参数经验取值
物理量
P（比例）
I（积分）
D（微分）
液位
1.25~2.5
压力
1.4~3.5
0.4~3
温度
1.6~5
3.0~10
0.5~3
流量
1.0~2.5
0.1~1
2.5.2参数整定
参数整定的顺序为先比例，再积分，最后加微分。
比例控制P的选定。
首先将积分时间I设置为无穷大，微分时间D设置为0，也就是纯比例控制，然后根据优选法选择P的最佳值，即曲线超调和静差最小。
单纯的比例控制如果不能满足控制要求了，必须消除静差，就需要加入积分。
然后把P的值取0.8~0.85，并加入较大积分时间I，观察被控对象的曲线波动过程。
加入积分之后，可以通过减小积分作用时间，增强积分作用而加快消除静差的速度。
对I的调整是一个反复调整P、I的过程，使它们同时变大（变小），直到满意为止。
微分输出的作用抑制超调，如果PI控制器超调仍然很大，还不能达到所需要的控制要求，可以加入微分控制，反复调节，直到满意位置。
第3章S7-300PID闭环控制系统
3.1S7-300PID闭环控制系统
3.1.1PID闭环控制系统PLC选型
如图1-1所示，PLC可以选用S7-300可以根据实际情况选择合适的CPU型号，例如CPU314IFM，该CPU自带有4路的模拟量输入和2路的模拟量输出。
可以加入模拟量模块扩展模拟量I/O接口。
在本论文中CPU型号为315-2DP。
3.1.2PID单闭环仿真系统结构
典型的闭环控制结构由被控量，执行机构和控制器几部分构成。
然而用实际的闭环控制系统来学习调节PID参数具有一定的风险，为了避免不必要的风险，我们可以用STEP7的一系列软件进行模拟仿真。
如图3-1所示，用S7-300中的功能块“FB41”模拟PID控制器，
图3-1单闭环仿真系统结构
用功能块“FB100”模拟执行机构和被控对象。
其中“FB41”功能块可以在软件自带的“库”中找到，功能块“FB100”需要我们用户自己编写。
3.2用户程序的逻辑块和数据块
在STEP7中，有程序的块我们称之为逻辑块，用于存储数据变量的块我们称之为数据块。
针对本论文PID模拟仿真的程序，我们主要对PID控制块FB41、过程对象块FB100、启动组织块OB100、循环中断组织块OB35和共享数据块DB进行简要介绍。
3.2.1FB41功能块介绍
FB41功能块是STEP7程序编辑器中“库”中功能块。
如图3-2用户可以通过库查找到并调用。
图3-2程序编辑器左侧文件夹
下表表3-1列出FB41“CONT_C”输入参数的说明：
表3-1FB41输入参数表
序号
设置参数
数据类型
数值范围
默认
参数简要说明
1
COM_RST
BOOL
FALSE
当COM_RST为TRUE时，重新启动PID，使PID内部参数恢复默认值。
通常在重启时执行一个扫描周期，或者在饱和状态需要退出时用到这个位。
2
MAN_ON
TRUE
如果MAN_ON为TRUE时，PID功能块直接将MAN的值输出到LMN，即该位是PID手自动切换位
3
PVPER_ON
PVPER_ON为FALSE时，PV_IN输入有效。
反之，为PV_PER输入有效。
4
P_SEL
P_SEL为TRUE时启动比例（P）作用
5
I_SEL
I_SEL为TRUE时启动积分（I）作用
6
INT_HOLD
值为TRUE时，设置为积分保持
7
I_ITL_ON
当I_ITL_ON=TRUE时，则使用其积分初值。
一般地，当发现PID积分值增长缓慢，或系统反映不够时使用
8
D_SEL
D_SEL为TRUE时启动微分（D）作用
9
CYCLE
TIME
>
=1ms
T#1s
PID采样周期，时间，应该与OB35设定时间保持一致。
一般设为200ms
10
SP_INT
REAL
-100.0至+100.0（%）或者物理值1
0.0
SP_INT为PID给定值
11
PV_IN
PV_IN为PID反馈值，也叫过程变量
12
PV_PER
升级会员 