用Step7实现PID控制.docx

1、用Step7实现PID控制用Step7 中SFB41/FB 41，SFB42/FB42，SFB43/FB43实现PID控制SLC A&D CSMay 2004目 录1 概述 31.1 应用 41.2 控制系统分析 42 PID系统控制器的选择 82.1 连续控制器、开关控制器 82.2 固定值控制器 92.3 级联控制器 92.4 混合控制器 92.5 比例控制器 102.5.1 单循环比例控制器 102.5.2 多循环比例控制器 102.6 二级控制器 102.7 三级控制器 113 布线 113.1 布线规则 113.1.1 连接电缆 113.1.2 屏蔽端接元件 113.1.3 警告 1

2、13.1.4 其它信息 114 参数赋值工具介绍 114.1 调试PID参数的用户界面 124.2 获取在线帮助的途径 135 在用户程序中实现 135.1 调用功能块 135.2 背景数据块 145.3 程序结构 146 功能块介绍 146.1 连续调节功能SFB 41/FB 41 “CONT_C” 146.1.1 简介 146.1.2 应用程序 156.1.3 说明 156.2 步进控制功能SFB 42/FB 42“CONT_S” 276.2.1 简介 276.2.2 应用程序 276.2.3 说明 276.3 脉冲宽度调制器SFB 43/FB 43“PULSEGEN” 376.3.1 简

3、介 376.3.2 应用程序 376.3.3 说明 377 功能块举例 501 概述本文中所讨论的功能块（SFB41/FB41，SFB42/FB42，SFB43/FB43）仅仅是使用于S7和C7的CPU中的循环中断程序中。该功能块，定期计算所需要的数据，保存在指定的DB中（背景数据块）。允许多次调用该功能块。CONT_C块与PULSEGEN块组合使用，可以获得一个带有比例执行机构脉冲输出的控制器（例如，加热和冷却装置）。 SFB41/FB41 (CONT_C)， 连续控制方式； SFB42/FB42 (CONT_S)， 步进控制方式； SFB43/FB43 (PULSEGEN)， 脉冲宽度调制

4、器；注意：SFB41/42/43，与FB41/42/43兼容，可以用于CPU 313C、CPU 313C-2 DP/PTP 和CPU 314C-2 DP/PTP中。1.1 应用借助于由你组态大量模块组成的控制器，可以完成带有PID算法的实际控制器。控制效率，即处理速度取决于你所使用的CPU性能。对于给定的CPU，必须在控制器的数量和控制器所需要执行频率之间找到一个折衷方案。连接的控制电路越快，所安装的控制器数量越少，则每个时间单位计算的数值就越多。对于控制过程的类型没有限制。较慢（温度、填料位，等）以及较快的控制系统（流量、速度，等）都可以控制。1.2 控制系统分析控制系统的静态性能（增益）和

5、动态性能（滞后、空载时间、积分常数，等），都是设计系统控制器及其静态参数（P操作）和动态参数（I、D操作）的主要因素。因此，熟练掌握控制系统的类型和特性非常重要。（如图1，图2，图3，图4）图 1图 2图 3图 42 PID系统控制器的选择控制系统的属性由技术过程和机器条件决定。因此，为了获得良好的控制效果，你必须选择最适用的系统控制器。2.1 连续控制器、开关控制器 连续控制器，输出一个线性（模拟）数值。 开关控制器，输出一个二进制（数字）数值。2.2 固定值控制器固定值控制，使用设定固定数值进行的过程控制，只是偶尔修改一下参考变量，过程偏差的控制。2.3 级联控制器级联控制器，控制器串行连

6、接控制。第一个控制器（主控制器）决定了串行控制器（从控制器）的设定点，或者根据过程变量的实际错误影响器设定点。一个级联控制器的控制性能可以使用其它的过程变量加以改进。为此，可以为主控制变量添加一个辅助过程变量PV2（主控制器SP2的输出）。主控制器可以将过程变量PV1施加给设定点SP1，并且可以调整SP2，以便尽可能快地到达目标，而没有过调节。（如图5）图 52.4 混合控制器混合控制器是指根据每个被控组件所需要的设定点总数量，来计算总SP数量的一种控制结构。在此，混合系数FAC的和必须为“1”。（如图6）图 62.5 比例控制器2.5.1 单循环比例控制器单循环比例控制器，可以用于“两个过程

7、变量之间的比率”比“两个过程变量的绝对数值”重要的场合。（例如，速度控制）。（如图7）图 72.5.2 多循环比例控制器对于多循环比例控制，两个过程变量PV1和PV2之比保持为常数。因此，可以使用第一个控制循环的过程数值，来计算第二个控制循环的设定点。对于过程变量PV1的动态变化，也可以保证保持特定的比例。（如图8）图 82.6 二级控制器一个二级控制器只能采集两个输出状态（例如，开和关）。典型的控制为：一个加热的系统，通过继电器输出的脉冲宽度调制。2.7 三级控制器一个三级控制器只能采集到三个具体的输出状态。我们需要区分：“脉冲宽度调制”（例如，加热-冷却，加热-关机-冷却）和“使用集成执行

8、机构的步进控制”（例如，左-停止-右）之间的区别。3 布线对于没有集成的I/O控制器，你必须使用附加的I/O模块。3.1 布线规则3.1.1 连接电缆 对于数字I/O，如果线路有100米长，必须使用屏蔽电缆； 电缆屏蔽时必须在两端进行接地； 软电缆的截面积选择0.251.5 mm2； 无需选择电缆套。如果决定选择使用电缆套，你可以使用不带绝缘套圈的电缆套（DIN 46228, Shape A, Short version）；3.1.2 屏蔽端接元件 你可以使用屏蔽端接元件，将所有屏蔽的电缆直接通过导轨连接接地； 必须在断电情况下对组件进行接线；3.1.3 警告 带电作业会有生命危险。 如果你带

9、电对组件的前插头进行接线，会有触电危险！3.1.4 其它信息 其他注意事项可参见手册“CPU数据”手册以及CPU的安装手册。4 参数赋值工具介绍借助于“PID参数设置”工具，可以很方便的调试功能块SFB41/FB41，SFB42/FB42的参数（背景数据块）。4.1 调试PID参数的用户界面在Windows操作系统中，调用“调试PID参数用户界面”的操作过程如下： Start SIMATIC STEP 7 PID Control Parameter Assignment（如图9）。图 9 在最开始的对话框中，你既可以打开一个已经存在的FB41/ SFB41 “CONT_C” 或者 FB42/

10、SFB42 “CONT_S”的背景数据块。也可以生成一个新的数据块，再可以分配给FB41/ SFB41 “CONT_C” 或者 FB42/ SFB42 “CONT_S”，作为背景数据块。（如图10）图 10 FB43/SFB43 “PULSEGEN” 没有参数设置的用户界面工具。你必须在STEP 7 中去设置它的参数。4.2 获取在线帮助的途径当分配参数给FB41/ SFB41 “CONT_C” 、FB42/ SFB42 “CONT_S” 或者FB43/SFB43 “PULSEGEN”时，你可以通过以下三条途径获得帮助： 使用Step7菜单HelpContents，获得相应的帮助信息； 通过按

11、下F1 键得到帮助； 在PID参数设置对话框中，通过点击Help，可以得到具体的帮助信息。5 在用户程序中实现以下章节将帮助你根据你的应用设计一个用户程序。5.1 调用功能块使用相应的背景数据块调用系统功能块。举例：CALL SFB 41, DB 30 （或者，CALL FB 41, DB 31）5.2 背景数据块系统功能块的参数将保存在背景数据块中。在第6章中将阐述这些参数。你可以通过以下方式访问这些参数 DB编号和偏移地址 数据块编号和数据块中的符号地址5.3 程序结构SFB必须在重新启动组织块OB100中和循环中断组织块OB3038中调用。模式： OB100 Call SFB/FB 41

12、、42、43, DB 30 OB35 Call SFB/FB 41、42、43, DB 306 功能块介绍6.1 连续调节功能SFB 41/FB 41 “CONT_C”6.1.1 简介SFB/FB“CONT_C”（连续控制器）用于使用连续的I/O变量在SIMATIC S7控制系统中控制技术过程。你可以通过参数打开或关闭PID控制器，以此来控制系统。通过参数赋值工具，可以很容易地做到这一点。调用： Start SIMATIC STEP 7 PID Control Parameter Assignment（如图）。在线电子手册，见Start SIMATIC Documentation Englis

13、h STEP 7 PID Control（如图11）。图 116.1.2 应用程序你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两个或三个步进控制器。6.1.3 说明除了设定点操作和过程数值操作的功能以外，SFB 41/FB 41(CONT_C)可以使用连续的变量输出和手动影响控制数值选项，来实现一个完整的PID控制器。下面是关于SFB 41/FB 41(CONT_C

14、)详细的子功能说明：6.1.3.1 设定点操作设定点以浮点格式在“SP_INT”端输入。6.1.3.2 实际数值操作过程变量可以在外围设备（I/O）或者浮点数值格式输入。“CRP_IN”功能可以将“PV_PER”外围设备数值转换为一个浮点格式的数值，在 100和+100 % 之间，转换公式如下：CPR_IN 的输出=PV_PER x100 /27648“PV_NORM”功能可以根据下述规则标准化“CRP_IN”的输出：输出PV_NORM = （CPR_IN的输出）x PV_FAC + PV_OFF“PV_FAC”的缺省值为“1”，“PV_OFF”的缺省值为“0”。变量“PV_FAC”和“PV_

15、OFF”为下述公式转化的结果：PV_OFF =（PV_NORM的输出） - （CPR_IN的输出）x PV_FACPV_FAC =（PV_NORM的输出） - PV_OFF）/（CPR_IN 的输出）不必转换为百分比数值。如果设定点为物理确定，实际数值还可以转换为该物理数值。6.1.3.3 负偏差计算设定点和实际数值之间的区别便形成负值偏差。为了抑制由于被控量的量化引起的小的、恒定的振荡（例如使用PULSEGEN进行脉冲宽度调制），在死区将施加一个死区（DEADBAND）。如果DEADB_W = 0，则死区将关闭。6.1.3.4 PID算法PID算法作为一种位置算法进行控制。比例运算、积分运算

16、（INT）和微商运算（DIF）都可并行连接，也可以单独激活或取消。 这就允许组态成P、PI、PD和PID控制器。也可以是纯I和D调节器。6.1.3.5 手动模式可以在手动模式和自动模式之间切换。在手动模式下，被控量被修改成手动选定的数值。积分器（INT） 内部设置为“LMN-LMN_P-DISV”，微商器（DIF） 内部设置为“0”，并进行内部匹配。这就是说切换到自动模式时不会引起被控量的突变。6.1.3.6 受控数值的处理使用LMNLIMIT 功能，受控数值可以被限制为一个所选择的数值。当输入变量超出极限值时，信号位将指示。“LMN_NORM”功能可以根据下述公式标准化“LMNLIMIT”的

17、输出：LMN = （LMNLIMIT的输出） x LMN_FAC + LMN_OFF“LMN_FAC”的缺省值为“1”，“LMN_OFF”的缺省值为“0”。受控数值也适用于外围设备（I/O）格式。“CPR_OUT”功能可以将浮点值“LMN”转换为一个外围设备值，转换公式如下：LMN_PER = LMN x2764/106.1.3.7 前馈控制一个干扰变量被引入“DISV”端输入。6.1.3.8 初始化SFB 41/FB 41“CONT_C”有一个初始化程序，可以在输入参数COM_RST = TRUE置位时运行。在初始化过程中，积分器可以内部设置为初始值“I_ITVAL”。如果在一个循环中断优先

18、级调用它，它将从该数值继续开始运行。所有其他输出都设置为其缺省值。6.1.3.9 出错信息故障输出参数RET_VAL不使用。6.1.3.10 SFB/FB“CONT_C”（连续调节控制器）块图如图12。图 126.1.3.11 输入参数SFB 41/FB 41“CONT_C”（如图13）图 13下表列出SFB 41/FB 41“CONT_C”输入参数的说明：序号参数数据类型数值范围缺省说明1COM_RSTBOOLFAULSECOMPLETE RESTART（完全再起动）。该块有一个初始化程序，可以在输入参数COM_RST 置位时运行。2MAN_ONBOOLTRUEMANUAL VALUE ON

19、（手动数值接通）如果输入端“手动数值接通”被置位，那么闭环控制循环将中断。手动数值被设置为受控数值。3PVPER_ONBOOLFALSEPROCESS VARIABLE PERIPHERYON/（过程变量外设接通）如果过程变量从I/O 读取，输入“PV_PER”必须连接到外围设备，并且输入“ PROCESS VARIABLEPERIPHERY ON”必须置位。4P_SELBOOLTRUEPROPORTIONAL ACTION ON（比例分量接通）PID各分量在PID算法中可以分别激活或者取消。当输入端“比例分量接通”被置位时，P分量被接通。5I_SELBOOLTRUEINTEGRAL ACTI

20、ON ON（积分分量接通）PID各分量在PID算法中可以分别激活或者取消。当输入端“积分分量接通”被置位时，I分量被接通。6INT_HOLDBOOLFALSEINTEGRAL ACTION HOLD（积分分量保持）积分器的输出被冻结。为此，必须置位输入“Integral Action Hold（积分操作保持）”。7I_ITL_ONBOOLFALSEINITIALIZATION OF THE INTEGRALACTION（积分分量初始化接通）积分器的输出可以被设置为输入“I_ITLVAL”。为此，必须置位输入“积分操作的初始化”。8D_SELBOOLFALSEDERIVATIVE ACTION

21、ON（微分分量接通）PID各分量在PID算法中可以分别激活或者取消。当输入端“微分分量接通”被置位时，D分量被接通。9CYCLETIME=1msT#1sSAMPLE TIME（采样时间）块调用之间的时间必须恒定。“采样时间”输入规定了块调用之间的时间，应该与OB35设定时间保持一致。10SP_INTREAL-100.0 至 +100.0(%) 或者物理值10.0INTERNALSETPOINT（内部设定点）“内部设定点”输入端用于确定设定值。11PV_INREAL-100.0 至 +100.0(%) 或者物理值10.0PROCESSVARIABLE IN（过程变量输入）可以设置一个初始值到“过

22、程变量输入”输入端或者连接一个浮点数格式的外部过程变量。12PV_PERWORDW#16#0000PROCESS VARIABLEPERIPHERY（过程变量外设）外围设备的实际数值，通过I/O 格式的过程变量被连接到“过程变量外围设备”输入端，连接到控制器13MANREAL-100.0 至 +100.0(%) 或者物理值20.0MANUAL VALUE（手动数值）“手动数值”输入端可以用于通过操作者接口功能设置一个手动数值。14GAINREAL2.0PROPORTIONAL GAIN（比例增益）“比例增益”输入端可以设置控制器的比例增益系数。15TITIME=CYCLET#20sRESET

23、TIME（复位时间）“复位时间”输入端确定了积分器的时间响应。16TDTIME=CYCLET#10sDERIVATIVE TIME（微分时间）“微商时间”输入端确定了微商单元的时间响应。17TM_LAGTIME=(CYCLE/2)T#2sTIME LAG OF THE DERIVATIVEACTION（微分分量的滞后时间）微商操作的算法包括一个时间滞后，可以被赋值给“微分分量的滞后时间”输入端上。18DEADB_WREAL=0.0(%)或者物理值10.0DEAD BAND WIDTH（死区宽度）死区用于存储错误。“死区宽度”输入端确定了死区的容量大小。19LMN_HLMREALLMN_LLM至

24、100.0(%)或者物理值2100.0MANIPULATED ALUE HIGHLIMIT（ 受控数值的上限）受控数值必须设定有一个“上限”和一个“下限”。“受控数值上限”输入端确定了“上极限”。20LMN_LLMREAL-100.0(%)至LMN_HLM或者物理值20.0MANIPULATED VALUE LOWLIMIT（受控数值的下限）受控数值必须设定有一个“上限”和一个“下限”。“受控数值下限”输入端确定了“下极限”。21PV_FACREAL1.0PROCESS VARIABLE FACTOR（过程变量系数）“过程变量系数”输入端用于和过程变量相乘。该输入端可以用于匹配过程变量范围。2

25、2PV_OFFREAL0.0PROCESSVARIABLE OFFSET（过程变量偏移量）“过程变量偏移”输入端可以添加到“过程变量”。该输入端可以用于匹配过程变量的范围。23LMN_FACREAL1.0MANIPULATED VALUE FACTOR（受控数值系数）“受控数值系数”输入端用于与受控数值相乘。该输入端可以用于匹配受控数值的范围。24LMN_OFFREAL0.0MANIPULATED VALUE（受控数值的偏移量）“受控数值的偏移量”可以与受控数值相加。该输入端可以用于匹配受控数值的范围。25I_ITLVALREAL-100.0至+100.0(%)或者物理值20.0INITIAL

26、IZATION VALUE OF THEINTEGRAL-ACTION（积分分量初始化值）积分器的输出可以用输入端 “I_ITL_ON” 设置。初始化数值可以设为“积分分量初始值”输入。26DISVREAL-100.0至+100.0(%)或者物理值20.0DISTURBANCE VARIABLE（干扰变量）对于前馈控制，干扰变量被连接到“干扰变量”输入端。1) “设定值通道”和“过程变量通道”中的参数，应该有相同的单位。例如，如果使用PV_IN作为“过程物理值”或者“过程物理值百分比”，SP_INT必须使用相应相同的单位；如果使用PV_PER作为外围设备的实际数值，SP_INT只能使用“-10

27、0.0 至 +100.0(%)”作为设定值。如果设定值是SP_INT是010Mpa中的8Mpa，那么需要填写0.8，PV_PER填写硬件外设地址IW XXX；2) 受控量通道中的参数应该有相同的单位。6.1.3.12 输出参数下表列出SFB 41/FB 41“CONT_C”输出参数的说明：序号参数数据类型数值范围缺省说明1LMNREAL0.0MANIPULATED VALUE（受控数值）有效的受控数值被以浮点数格式输出在“受控数值”输出端上。2LMN_PERWORDW#16#0000MANIPULATEDVALUEPERIPHERY（受控数值外围设备） I/O格式的受控数值被连接到“受控数值外

28、围设备”输出端上的控制器。3QLMN_HLMBOOLFALSEHIGH LIMIT OF MANIPULATEDVALUE REACHED（达到受控数值上限）受控数值必须规定一个最大极限和一个最小极限。“达到受控数值上限”指示已超过最大极限。4QLMN_LLMBOOLFALSELOW LIMIT OF MANIPULATEDVALUE REACHED（达到受控数值下限）受控数值必须规定一个最大极限和一个最小极限。“达到受控数值下限”指示已超过最小极限。5LMN_PREAL0.0PROPORTIONALITYCOMPONENT（比例分量）“比例分量”输出端输出受控数值的比例分量。6LMN_IRE

29、AL0.0INTEGRAL COMPONENT（积分分量）“积分分量”输出端输出受控数值的积分分量。7LMN_DREAL0.0DERIVATIVE COMPONENT（微分分量）“微商分量”输出端输出受控数值的微商分量。8PVREAL0.0PROCESS VARIABLE（过程变量）有效的过程变量在“过程变量”输出端上输出。9ERREAL0.0ERROR SIGNAL（误差信号）有效误差在“误差信号”输出端输出。6.2 步进控制功能SFB 42/FB 42“CONT_S”6.2.1 简介SFB/FB“CONT_S”（步进控制器）用在SIMATIC S7可编程控制器上，用于二进制数控数值输出信号积分执行机构的控制技术过程。在参数赋值过程中，你可以激活或取消PI步进控制器的子功能，以使控制器与过程匹配。通过参数赋值工具，可以很容易地做到这一点。调用： Start SIMATIC STEP 7 PID Control Parameter Assignment（如图）。在线电子手册，见Start SIMATIC Documentation English STEP 7 PID Control（如图）。6.2.2 应用程序你可以使用该控制器作为单独的PI固定设定值控制器，或者在