基于S7-300PLC的PID单闭环控制系统仿真

1、 论文题目：基于S7-300 PLC的PID单闭环控制系统仿真年 级：2012级院 系：机电工程与自动化学院学生姓名：安志博学 号：指导老师：郑伟日 期：2015年5月目 录摘 要1Abstract2第一章 绪论31.1 PLC简介31.1.1 PLC产生与发展31.1.2 S7-300PLC介绍31.1.3 SIMSTIC人机界面41.2 模拟量闭环控制介绍41.2.1 模拟量与数字量41.2.2 模拟量闭环控制系统结构41.2.3 PLC模拟量控制的特点51.3 PID单闭环控制系统研究意义5第二章 PID控制原理72.1 PID调节基准72.2 比例控制72.2.1 比例控制作用72.2

2、.2 比例控制规律72.3 积分控制82.3.1 积分控制缺点82.3.2 积分控制调试82.3.3 积分控制规律82.3.4 比例积分（PI）控制规律92.4 微分控制92.4.1 微分控制缺点92.4.2 微分使用条件92.4.3 微分控制规律102.4.4 比例微分（PD）控制规律102.4.5 PID 控制规律102.5 PID 控制参数整定102.5.1 单因素优选法介绍112.5.2 参数整定11第三章 S7-300 PID闭环控制系统123.1 S7-300 PID闭环控制系统123.1.1 PID闭环控制系统PLC选型123.1.2 PID单闭环仿真系统结构123.2 用户程序

3、的逻辑块和数据块123.2.1 FB 41 功能块介绍123.2.2 OB35 循环中断组织块介绍153.2.3 OB100 组织块介绍163.3.4 共享数据块DB介绍16第四章 S7-300 PID控制的编程与仿真实验174.1 PID单闭环控制系统程序174.1.1 S7-300和HMI组态174.1.2 S7-300 PID控制程序174.1.3 WinCC flexible PID仿真界面204.2 PID控制系统参数整定仿真实验244.2.1 程序下载仿真244.2.2 PID控制系统参数调整24第五章 全文总结27致谢28参考文献29中英文翻译30摘 要在现代工业控制系统中，PI

4、D控制技术应用非常广泛。然而，用实际的单闭环控制系统进行PID控制器参数整定的话，会存在一定的风险。这篇文章介绍的是，通过使用PLCSIM软件对PID单闭环控制系统进行模拟仿真实验，使用WinCC flexible软件对仿真界面进行创建，并用界面中的I/O域进行参数的修改起到调节PID的作用。综合的分析和判断调节参数，使PID单闭环控制系统得到较好的响应曲线。本文还对PID单闭环控制系统PLC编程和仿真界面制作还有PID控制原理进行了详细的介绍和说明。关键字：S7-300PLC、PID单闭环控制系统、仿真第 32 页Abstract窗体顶端In modern industrial contro

5、l systems, PID control technology is widely used. However, the setting, then there will be some risk with the actual single closed-loop control system PID parameters. This article is by using PLCSIM software PID single loop control system simulation experiments, using the WinCC flexible software sim

6、ulation interface to create and modify the parameters used in interface I / O field play a regulatory role in PID. Comprehensive analysis and judgment adjustable parameters, so that a single PID loop control system to get a better response curve. This paper also PID single loop control system PLC pr

7、ogramming and simulation as well as PID control principle interface make a detailed introduction and description.窗体底端Keywords: S7-300PLC, PID single closed-loop control system, simulation第1章 绪论1.1 PLC简介1.1.1 PLC产生与发展PLC，在很久之前叫PC，与个人计算机同名，为了将两者区别开，改名为可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller) ，简称PLC。在PL

8、C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

9、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。1.1.2 S7-300PLC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SIMATIC S7-200、SIMATIC S7-1200、SIM S7-300ATIC和SIMATIC S7-400几个子系列，是目前PLC市场 的主流

10、产品。在本论文中我们选用的是S7-300 PLC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1-1 S7-300PLC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。1.1.3 SIMSTIC人机界面人机界面（Human Machine Interface）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

11、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WinCC flexible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

12、，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。数字量模拟量tt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

13、(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。1.2.3 PLC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

14、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。1.3 PID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

15、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，

16、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2.1 PID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

17、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；当当前水位高度 > 目标水位高度时

18、，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

19、；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

20、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

21、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

22、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

23、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

24、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

25、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

26、。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

27、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。2.4.5 PID 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。2.5 PID 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

28、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

29、=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45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2-1 PID控制参数经验取值物理量P（比例）I（积分）D（微分）液位1.252.5压力1.43.50.43温度1.653.0100.53流量1.02.50.112.5.2 参数整定参数整定的顺序为

30、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0.80.85，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-

31、300 PID闭环控制系统3.1 S7-300 PID闭环控制系统3.1.1 PID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CPU314 IFM，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。3.1.2 PID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STEP 7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

32、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。3.2.1 FB 41 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

33、。图3-2 程序编辑器左侧文件夹下表表3-1列出FB 41“CONT_C”输入参数的说明：表3-1 FB41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1COM_RSTBOOLFALSE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。2MAN_ONBOOLTRUE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3PVPER_ONBOOLFALSEPVPER_ON为FALSE时，PV_IN输入有效。反之，为PV_PER输入有效。4P_SELBOO

34、LTRUEP_SEL为TRUE时启动比例（P）作用5I_SELBOOLTRUEI_SEL为TRUE时启动积分（I）作用6INT_HOLDBOOLFALSE值为TRUE时，设置为积分保持7I_ITL_ONBOOLFALSE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8D_SELBOOLFALSED_SEL为TRUE时启动微分（D）作用9CYCLETIME>=1msT#1sPID采样周期，时间，应该与OB35设定时间保持一致。一般设为200ms10SP_INTREAL-100.0 至 +100.0(%) 或者物理值10.0SP_I

35、NT为PID给定值11PV_INREAL-100.0 至 +100.0(%) 或者物理值10.0PV_IN为PID反馈值，也叫过程变量12PV_PERWORDW#16#0000未经规格化的反馈值，PVPER_ON为TRUE有效。13MANREAL-100.0 至 +100.0(%) 或者物理值20.0手动值，MAN_ON为TRUE时有效14GAINREAL2.0比例增益（比例系数）15TITIME>=CYCLET#20s积分时间16TDTIME>=CYCLET#10s微分时间17TM_LAGTIME>=(CYCLE/2)T#2s微分延迟时间，其作用是滤掉高频干扰的波。手册建议

36、，TM_LAG=TD/518DEADB_WREAL>=0.0(%)或者物理值10.0带死区的PID控制能防止执行机构的频繁动作，从而降低灵敏度19LMN_HLMREALLMN_LLM至100.0(%)或者物理值2100.0PID的上限值，一般为100%20LMN_LLMREAL-100.0(%)至LMN_HLM或者物理值20.0PID的下限值，一般为0%。如果需要双极性调节可以设置为-100%21PV_FACREAL1.0过程变量比例因子22PV_OFFREAL0.0过程变量的偏置值23LMN_FACREAL1.0PID输出值比例因子24LMN_OFFREAL0.0PID输出的偏置值25

37、I_ITLVALREAL-100.0至+100.0(%)或者物理值20.0PID的积分初值，由I_ITL_ON为1时有效26DISVREAL-100.0至+100.0(%)或者物理值20.0允许的扰动量，前馈控制加入，一般不设置下表表3-2列出SFB 41/FB 41“CONT_C”输出参数的说明：表3-2 FB41输出参数表序号设置参数数据类型数值范围默认参数说明1LMNREAL0.0PID输出2LMN_PERWORDW#16#0000受控数值外围设备。I/O格式的受控数值被连接到“受控数值外围设备”输出端上的控制器3QLMN_HLMBOOLFALSE达到受控数值上限。LMNLIMIT的输入

38、量超出控制器输出值的上限LMN_HLM时，QLMN_HLM状态为14QLMN_LLMBOOLFALSE达到受控数值下限。LMNLIMIT的输入量低于控制器输出值的上限LMN_HLM时，QLMN_LLM状态为15LMN_PREAL0.0PID输出中P的分量（可用于在调试过程中观察效果）6LMN_IREAL0.0PID输出中I的分量（可用于在调试过程中观察效果）7LMN_DREAL0.0PID输出中D的分量（可用于在调试过程中观察效果）8PVREAL0.0过程变量。有效的过程变量在“过程变量”输出端上输出9ERREAL0.0误差信号。有效误差在“误差信号”输出端输出3.2.2 OB35 循环中断组

39、织块介绍如图3-4在硬件组态工具HW Config中，单击菜单项“插入”，在子菜单中选择“S7块”然后选择“组织块”，最后将生成的组织块“重命名”为“OB35”。OB35能够精确的按时间间隔循环执行中断程序，时间间隔应该大于5ms。如果时间间隔设置太短的话，系统将会产生时间错误而调用OB80（错误中断组织块）。在硬件组态工具中，双击CPU 315-2DP打开CPU属性对话框如图3-3，本实验中设置OB35循环周期为200ms，然后将组态数据下载到CPU后生效。图3-3 CPU属性对话框 图3-4 SIMATIC管理器3.2.3 OB100 组织块介绍在西门子S7-200系列中，如果要对系统进行

40、初始化设置我们常用的是在主程序中使用SM0.1指令，而在S7-300系列中实现这个功能，我们需要用在OB100OB102组织块中编写初始化程序，相对与S7-200更具有模块化思想。我们一般通过在启动组织块中编写程序，来实现系统的初始化工作，例如某变量的初值。3.3.4 共享数据块DB介绍数据块DB用来分类储存设备或生产线中变量的值，分为共享数据块和背景数据块。所有逻辑块都能使用共享数据块中的变量。背景数据块是用来永久的存储功能块的数据，以备断电恢复。第四章 S7-300 PID控制的编程与仿真实验4.1 PID单闭环控制系统程序4.1.1 S7-300和HMI组态打开STEP7，用"

41、新建项目向导”生成一个名为"PID单回路仿真实验”的项目。选择CPU 315-2DP，设置MPI为2，增添OB35和OB100功能块。选中管理器左侧的项目窗口的根项目，然后点击"插入”菜单项，在子菜单中选择"站点”，选择"SIMARIC HMI Station”，最后在出现的对话框中选择HMI的型号为MP 277 8' 'Touch。在工具栏上单击（组态网络）按钮，打开网络组态工具，分别点击CPU和HMI的红色方框，其MPI站地址分别为2和1，选中子网为MPI(1)，点击确定，连接S7-300站点、HMI站点到MPI上。在工具栏上单击（保

42、存并编译）按钮，保存并编译配置信息。如图4-1所示。图4-1 网络组态4.1.2 S7-300 PID控制程序1.暖启动OB100程序如图3-3，将OB35的时间间隔设置为200ms。保存和编译组态信息。双击OB100打开程序编辑器，编辑初始化程序，如图4-2所示。如图3-2所示，在程序断2中插入FB41；在程序段3中插入功能块FB100。只设置少量的参数。在FB41中输入背景数据块DB41并确定生成，在FB100中输入背景数据块DB100并确定生成。如图4-2，程序段1使M2.0=1。程序段2调用FB41，使COM_RST为1执行PID重启图4-2 OB100梯形图动功能，将PID控制器内部

43、参数设置为默认值。设置采样周期CYCLE为200ms，FB100和FB41中的采样周期应与OB35的循环执行周期相同。设置PID控制器的参数，比例系数GAIN为2，积分时间TI为2s，微分时间DI为800ms，如果AO模块输出为双极性，那么设置控制器输出下极限为-100%。程序段3，令COM_RST=1初始化FB100的输出值和内部变量并设置采样周期为200ms。程序段4，在退出OB100之前，将FB41和FB100的启动标志位COM_RST复位，初始化FB41和FB100结束，将PID控制器的给定值设置为70%。2. 循环中断组织块OB35程序为了保证PID运算的采样周期的精度，用循环中断组

44、织块OB35调用FB41和FB100。图4-3 OB35梯形图由图3-1可知SP_INT设定值由FB41给定，FB41输出的LMN给到FB100的输入INV，FB100的输出OUTV反馈给FB41的PV_IN过程变量。FB 41将D_SEL设置为1，则为PID控制器，因为FB41默认的设置就是PI控制方式。MAN_ON设置成自动启动。加入微分控制之后容易引入高频干扰，在微分部分加入滤波环节，使输出更加平缓，手册推荐微分延迟时间TM_LAG为TD/5。程序如图4-3。4.1.3 WinCC flexible PID仿真界面1、建立趋势画面打开SIMATIC管理器，如图4-4，单击HMI站点，选择

45、“画面”，双击右项目视图中的“画面1”图标，打开WinCC flexible“画面”编辑器。如图4-5，选择“连接”，打开连接编辑器。在连接编辑器中，插入“连接1”将“激活的”选择“开”。图4-4 打开画面编辑器图4-5 打开连接编辑器图4-6 连接编辑器2、趋势图设置如图4-7所示，打开“画面1”选中工具箱中的“趋势视图”，将它拖放到画面上，如图4-8，并按照图4-9图414设置趋势视图各参数组的属性。如图4-14所示，趋势_2在趋势_1上边，目的是使趋势_2反馈曲线在最外层显示，趋势_1给定曲线在趋势_2下层显示。图4-7 工具箱图4-8 趋势图画面图4-9 趋势视图常规属性设置图4-10

46、 趋势视图X轴属性设置图 4-11 趋势视图数值轴左边属性设置图 4-12 趋势视图数值轴右边属性设置图 4-13 趋势视图轴属性设置图 4-14趋势视图的趋势曲线属性设置 3、 生成文本域和IO域将工具箱中拖到画面上。选中文本域打开属性视图，选择“常规”选项卡，在文本框中输入文本。如图4-15和图4-17所示。图 4-15 文本域编辑将工具箱中拖到画面上。选中IO域打开属性视图，选择“常规”对话框，如图4-16为比例系数IO域的设置。在“属性”的“外观”对话框，设置边框的样式为“实心的”。图 4-16 IO域设置对话框图 4-17 PID参数画面用复制粘贴的方式生成如图4-17的文本域和IO

47、域，并逐个修改为对应IO设置。点击过程变量下拉箭头，选中对用的变量名。格式样式可以按照要求自行输入。其中“测量值”和“对象增益”的模式类型为“输出”。保存当前项目。4.2 PID控制系统参数整定仿真实验4.2.1 程序下载仿真如图4-18，打开SIMATIC管理器，然后单击打开仿真软件PLCSIM，接着单击管理器中SIMATIC 300（1）字样，最后点击下载按钮，将程序下载到仿真软件PLCSIM中。单击“画面”编辑器菜单栏中的启动运行图标，启动运行系统，出现仿真面板。图4-18 SIMATIC管理器4.2.2 PID控制系统参数调整勾选上PLCSIM仿真软件中的RUN，执行编写的程序。打开仿

48、真面板观察仿真面板响应曲线并调节。PID的整定我们按照先比例，后积分，再微分的原则调节。将积分时间设置为面板最大值999999，即控制器中不加入积分。将微分时间设置为0，即控制器中不加微分。根据优选法，我们选出4个点，分别为1.837、2.348、2.663和3.174。我们将四个点分别输入比例系数IO域中，比较响应曲线。其中比例系数为2.663时，如图4-19中图b所示，静差最小，其震荡小，所以选择该点为最优点。接着调积分。图4-19 P整定为了能把静差消除掉，在控制系统中可以加入积分控制。积分的作用和积分时间的长短有关系，时间越短，作用越强。如果积分作用太弱，则消除静差的能力就差，调节时间

49、过长；如果积分时间太强，则会引起振动。如图图4-20 I整定4-20所示，经过若干次实验，当积分时间为7s的时候，响应快，调节时间最短，振荡少。微分的加入能够抑制超调量。由图4-21可以看出，微分时间越长，作用越强；微分时间越短，作用越弱。微分作用太强反而会使调节时间加长。图4-21图c中当微分时间为1s的时候，超调量最小。效果最佳。图4-21 D整定第5章 全文总结PID控制是应用最广泛的模拟量闭环无静差控制，应用PID控制不需要知道控制系统的数学模型。PID控制有多种方式。例如硬件方式的PID电子电路板，软件方式的PID控制模块、自编的PID控制程序和PLC的PID指令调用。其中PLC调用

50、PID子程序的方式是目前最常用的PID控制方式，具有简单、方便、实用的特点。PLC都有用于PID控制的指令、子程序或功能块，当我们用到的时候，只需要从程序中调用即可。编写PID控制程序并不困难，PID参数的调整才是整个PID控制的重点，也是难点。要整定PID控制的参数，我们必须对PID作用有所了解，才能调节出好的PID响应曲线。本论文一共分为五个章节。第一章为“绪论”，主要对S7-300PLC和模拟量进行简要说明。第二章为“PID控制介绍”，这一章主要是为后续PID参数的整定工作打好基础。第三章为S7-300PID闭环控制系统，主要对S7-300 PID闭环控制系统的结构和程序中各个程序块的介

51、绍，为第四章PID程序的编写做好铺垫。由于能力的不足FB100程序块一直没有学习明白，实验中的FB100是参考资料提取出来直接调用。第四章为“S7-300 PID控制的编程与仿真实验”，主要对系统的组态、软件的编写做详细介绍，并对仿真实验结果做简要说明。我介绍的PID整定方法很简单，上手也容易，但是要想把参数又快，又好的整定出来，还需要我们理论与实践的结合，不断的学习。知识就是经验的积累，希望能给大家带领帮助。致谢岁月如梭，时光荏苒，我们又迎来了毕业季。带上这份集三年心血的毕业设计，为我们的毕业画上一个圆满的句号。首先感谢我的毕业设计指导教师，郑伟老师。在郑老师的帮助下，我的毕业设计才能顺利的

52、完成。郑老师采用“一对一”的指导方式，让我们学到了很多，也开阔了眼界。在生活和学习中给予我们鼓励和支持，让我更有信心把毕业设计做好，有一个正确的心态迎接毕业之后的各种挑战。同时，也感谢在这三年当中，教我们知识技能的老师们。有了他们教授的知识做基础，今天的毕业设计才会有内容，才会有设计实验的成功。最后还要感谢在我完成毕业设计的过程中，帮助我的同学们。谢谢你们。参考文献1廖常初. S7-300/400 PLC 应用技术 M. 3版. 北京：机械工业出版社，2011.2廖常初. 跟我动手学S7-300/400PLC M. 北京：机械工业出版社，2010.3廖常初，陈晓东. 西门子人机界面（触摸屏）组

53、态及应用技术M. 2版. 北京：机械工业出版设，20084廖常初. PLC编程及应用M. 3版. 北京：机械工业出版社，2008.5廖常初. FX系列PLC编程及应用M. 北京：机械工业出版社，2005.中英文翻译Intelligent PID controlIn many practical applications, the accused of process mechanism is complex, highly nonlinear and time-varying uncertainties and pure lag, lead to the PID control paramet

54、ers setting effect is not ideal. Under the influence of factors such as noise, load disturbances, process parameters and model structure will changes over time and work environment. This requires in PID control, the setting of PID parameters not only does not depend on system mathematic model, and t

55、he PID parameters can be adjusted online, to meet the requirements of real-time control. Intelligent Control (Intelligent Control) is a new theory and technology, it is the advanced stage of traditional Control development, aimed at application of computer simulation human intelligence to realize automation. Intelligent PID control is the intelligent control (intelligent control) combi