S7-300PLC和力控组态软件中单神经元PID算法设计-PLC中单神经元PID算法设计

wword制编辑院系专 ：自动化完成日期 年 5 月业设计（论）TheSingleNeuronPIDAlgorithmDesignBasedonSIEMENSS7-300andForceControlConfigurationSoftware—theSingleNeuronPIDAlgorithmDesignBasedonSIEMENSS7-300总 计：业设计（论）35表 格： 0 插 ： 幅——摘要。首先实现锅炉温度控，熟悉中现有的和常规关键词控；；力控组态软件；TheSingleNeuronPIDAlgorithmDesignBasedonSIEMENSS7-300andForceControlConfigurationSoftware—theSingleNeuronPIDAlgorithmDesignBasedonSIEMENSS7-300AutomationSpecialty XIShou—huiAbstract:ThispapermainlystudiedthesingleneuronadaptivePIDalgorithm.WeneedtobefamiliarwiththeFB41andFB43PIDalgorithmmodulesofS7-300PLCthroughachievingtheboilertemperaturecontrol.Accordingtothelearningalgorithmthoughts,wewriteaprograminS7-300PLCindependentlytoestablishtheboilerliquidlevelforon-linereal-timecontrolbyusingthesingleneuronPIDalgorithm.ThroughtheforcecontrolmonitoringcurvesofthesingleneuronPIDalgorithmiscomparedwiththeconventionalPIDalgorithm,welearnthatsingleneuronadaptivePIDcontrolalgorithmissuperiortothetraditionaloneinoverall.helpfulforadvancingthecontrolqualityofcontrolanditislesserinfluencedbythesurroundingenvironment.Alsoithasstrongrobustnessandwillbeaverypromisingcontroller.Keywords:PIDcontrol;singleneuronPID;theforcecontrolconfigurationsoftware;S7-300录言一阶线性时一阶非线性时考附录言本文对传统 控制原理和工程中 参数整定方法进行了研究通过内部的 算法模块 和 编写温度控制程序，更深刻的体会 、、三个参数规 规 应 习 元 好的控制效果，有的。本文通过 编写单神经元算法结合的 ，对进行控制。通过在控制过程中的统 元 控。制原理的制原理在控制统中， 控制是控制器常用的控制规。 控制统原理，如。X(s)X(s)+Y(s)PID控制器SP–SPPV控对象MPV图控制统原理图统由 控制器和控对象组成。 控制器理数差 为，差[1统 控制器的数学为：u(t)

K [e(t)p

1tTi

e(t)dtTd

de(t)]dt

K — 回路的比例系数pT— 回路的积分系数iT— 回路的微分系数d比例 调节作用比例调节依据“偏差的大小”来动作，它的输出与输入偏差的大小成比例。比例调节及时，有力，但有余差。它用比例度来表示作用的强弱，比例度越小，调节作用越强。相反，比例度越大，调节作用就越弱；比例作用太强时，会引以加快调节减少误差但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。积分调节作用积分调节依据“偏差是否存在”来动作，它的输出与偏差对时作用的强弱，越就越强。反之大则积分作用弱，加入积分调节使系统稳定性下降，动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合，组成调节器或调节器。微分调节作用微分调节依据“偏差变化的速度”来动作。它的输出与输入偏大的对象温度有很好的效果。它使调节过程偏差减小，时间缩短，余差也减小但不能消除。它用微分时间来表示作用的强弱，大，作用强，但太大，也会引起振荡。此能产生超前的控作用，在偏差还没订形成之前，已被微分调节作用消除。因此，以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下，以减少超调，减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的加微分调节，对系统抗干扰不利。此外，微需要与另外 种调节规律相结合，组成 或 控器[2]。和经验获得通过在 写程序实现锅炉温度控系统，更深刻的学习了 和的算法思想和参数设置。“ 是采用位置式 算法思想设计的控软件模块。 的算法设很完善，使用起来也很灵活。它的比例运算、积分运算（ （ 。“ “ 个周期脉冲宽度与入变正。本系统中于对电加热丝采用继电经 [3]。联用则不能正确使用它们。① 进运算应放在定时中而放在主循环中放在中将使设置失去意义。② ： 当和相当于“”和脉“”。③： 即也应该放在定时中断中并且和即到端经过内部脉宽调在 端上将以在里中断周期即步长转换脉冲宽度脉冲宽度正比于大小而 周期时间若干个 采样时间脉冲块该块将转换比率脉冲将其调入中首先分配背景数据块再给各个管脚入地址于块算法程序不公开但我们推测块中定时实现靠对时基计数实现时基现 模块内部应该设置计数器 为 个 为 本 周期结束，重装计数初值，开始下一个周期计数。所以 是循环计数工作的。为了实现输出脉宽的控制， 模块内部应该另外设置计数器 例如当时，输出脉冲宽度 的计数初值设为 每个 周期减一计数，直至为 ，即实现 为 的输出脉宽控制。当 计数值减为 时， 端由 状态转为 状态，直至本 周期结束，亦即本周期调节结束。下一周期，根据新的 值，计算 新的计数值，开始下一周期控制。④和之间的时序配合。当把和都放在中的时候，就产生了这样一个问题：由于 和 不一致，每次进入中断服务程序都应该执行一次，而则不然。进入中断服务程序（ 由用户自主设置一个计数器，设为，初值设为（，每次进入 ， ：。然后重装计数初值，开始于新的数值，重新计算输出脉冲宽度，新的脉冲宽度计数值，开始新的脉宽调制周期。如果“”，且块调用不在一个周期的第个或最后两个调用循环中，可以进行同步。重新计算脉冲宽在下一个循环中输出一个新的周期。如果的恰好赶在一个周期的第一个或最后两个调用循环中这可通过检测 的当前计数值来判断，则不必进行同步，直接按正常调节控制。如果把 、 都放在 中，用 作为调用 的衰减系数，则直接实现了他们之间的同步。本控制系统中，设置 ， 冲调节的精度是 ，而 即是脉冲调节的分辨率。图 即是 和 的时序关系。置为—为所为置置 温高 高 [4]。⑥“ ， 隔正确赋值最脉冲或最断“ 以防止短促开断降低开元件执行机构使用寿命。制程序设计及制结果流见所示：块块（OB100）开始FB41PID模块PID（FB41.CYCLE）时计C1温度系统工作M0.0位束（OB1）

100ms时中断服务块（OB35）开始 开始对100ms时基信号分频为0，器1启动或停止温度PID赋温度PD温度集据标度变换FC105束

C15S模块一次PID运算3，加热继电器接触器积分分离带防止积分饱和温度上下限报警中断返回

， 差 。系统实时响应曲线于了抗积分饱和和积分分离技术使得系统没有超当温度偏差进入 ℃℃控带时将积分分量初始化为 积分饱和同时在这个控区域里取消积分作用即积分分离，使得系统热惯性得到抑，避免了超调。当温度偏差进入℃区域时，重新开启积分作用，以消除余差。积分作用的启闭控是通过对 位的置位实现的，积分初值通端设置。在这里我们为了抗积分饱和，将积分初值设为。元的算法设计的 统 调易在实时整定参数，以对过程和参数时、性、系统进有控的[5]。元模型i i 对神经元进简化得到为 的工神经元对于个神经元，xx、 xN是神经元到的、 i i 用neti同的算方入的方有，元 元 数 • （ 。[6]。inet i

N xij j ixj1y g()，

i i元 x1x1i2i2iyiiNxNx元 算

单神经元意图值 器x1(kx

2(kx3

(k

x(k)1

y (k)r

y(k

e(k)x (k2x (k)3

e(k)e(k)

2e(k

e(k

2)z(k)

(k)1

y (k)r

y(k)

(k)u(k)

u(k

K3ii1

(k)xi

(k)i

(k)——对应于xi

(k加权ry(k)r转

x(k)

uu(k) 被x(k)e(k)ek

x(k)e(k)e(kx(k)e(k)

x(ke(k) 控x(k(k(k)(k)e()(k()(ke()(x(kx(k)e(k)e(k1)x(k)e(x(k)e(k(k)e(k)

对x(k)e(k)e(k(k)e(k)x(ke(k)ek

(k)k)(k)e()e(k

z1

(k)e(k)2e(k1)e(k2)x(k)e(k)(k)e(x(k)e(e())e()x(k)e(k)(k)e((kek))k)x(k)e(k)2e(k1)e(k2)(k(k)(k)e()e(kx2(k)e()(k)e(k)e(k)e(kx(k)e(k)x(k)e(k(k)e(k3（

x(k)e(k)2e(k1)e(k2)。督 应 器(k应和入和偏差三者相函有因此在采用有监督i算法时有(ki

i

(k)i

(k)(k)i

z(k)u(k)xi

(k)i

(kz(k

z(k)

y (k)r

y(k)

e(k) ；cc＜有(k)i

(ki

i

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z(k)u(k)xi

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(k),z(k),u(k),xiifi

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g(z(k)u(k)xc i

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f()ii i

(k)i

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i

(kii

(ku(k)u(k

K3ii1

(k)xi

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(k)ii 3 ii1

(k)1

(k)1

z(k)u(k)x1

(k) 2 (k

(k)2 (k)

z(k)u(k)x2z(k)u(k)x

(k)(k)3 3 D 3 ——比例积速率。P I D里比例别采了不同速率 于P I D取c [7]。元 算法参数整定器运效调参 P I

、D等选取很大关通过大量实例仿真实结总结出下参调整律。（）初始1

(0),2

(0),3

(0选择：任意选取。（少 。P I D

P I DPI I I P D P ID [8。件设计

P I D设计思想，将处理结果送给执行机构来或液位液位节到定测量装测量装置一个装置或一个程它液位量一些简单液位中常采用电动节阀作为执行机构直接水箱进水流量通过节电压改供水量。图 所示硬件部分主要西门子 电源模块、 模块模拟量模块西门子频器 智能型电动节阀液位传器（ 送器[9]。图 液位原理图经液位传器送信号智能仪表显示液位并智能仪表标准电流信号到西门子 的模拟量模块中经过模拟量模块的／ 转换通道转换成计算机识别字量通单神经元 算法计算量来，再经过 模拟量输出模块的 转换来控制调节阀的开度从而来控制锅炉液位。介绍智能型电动调节阀产品型号： P，产品编号： ，0称通径： 0，公称压力： ， 介质温度 0信号 0，行程： 。系列智能电动引进单座调节阀是 智能电动调节阀系列产品之一，它由 P 智能型电动执行器与优质的国产阀门相组合构成，是—种高性能的调节阀，可 广泛应用于电力、冶金、石油、化工、医药、锅炉、轻工等行业的自动控制系统 中。 ～0通称节流。对于，它接于等温，于的程度一应。在液的，压力种压力转化能，温度高 0液位变送器量程：

，

5电： ，输出： 0 a。：器国引进，用温度，电压能力可量程数、压，高成化。量程：相对0～ 5 0～ ；对0～ 5 0～ 5 a压

5 。与 相等高，调、便 。模拟量输入模块生产过程中量连续变化的模拟量信号需要由 P 处，包括电量如分率强如发有率率因需要送传感为标准的直流电流电压信号，如 0 0 等。 模拟量输入模块 用于将模拟量信号转换P内部处用的数字信号， 、。也以接连接温度传感（热阻或热偶，省去温度，节约了硬件本，控系统结构也更加紧凑。塑料机壳面板上指示灯用于显示故障和错误，打开前门是前连接，前面板上有签安装在导轨上，并通过总线连接与相邻连接，通道地址所在位置决定。中各个通道以别使用或，并选用不同程有多种辨率供选择。块用于将 给它数字为比例或，对执行机构进行调节或控，转各种均有诊断中断功能，用指示灯显示故障，以读取诊断息额定负载均为 与背板总线有光隔离，使用屏蔽电缆时最大距离为 具有短路保护最大短路为 最大开路为 为负载和执行提供和，应使用屏蔽缆货双绞线缆来传件设计通过上述单神经元 算法，在 中用梯形图语言写程序，来实现该算法。结合力控态软件完系统软件设计。锅炉流程先写 对 和 系作 ,位 元 参数赋值将单神经元 整定三个系数、、化、、三个参数；调用进行液位采集数据度；最后调用进行算法结果度反将定时中断服务周期设定为，然后在中写定时中断服务程序设置乒乓工作位 ，时用法次离在实字整定功能，将单神经元整定化成、、三个参数，结合完单神经元算法控锅炉液位控系统程图如图所示。流图

主

算法） 始 始

置工

置乒乓工，基信号分频，启动或停止温度为的

义全局变量、、期

、、、、将整的三

每调用误差个

采集据换调用

个状态变量对应的加权算法果的换调用

置积分分离）中断返回 图 锅炉流图图 量 、 、差 － 中 ， 为当前。算法中转换的输入为和输出 ；转换的输出为学习

(k、

(k、

(k

适应 正是通过对加权系1 2 3 。、、）、

在个“ ”进硬件组界面硬件组窗口机架并相槽上硬件本我们到了拟输块拟输出块字输]。、、、、调用进行采集据度变换最调用进行算法结果度反变换见附录）时断服务）将时断服务周期为然时断服务乒乓位时基信分频为计器计脉冲计时调用算法 一次积分分离带防积分饱初始化在插入 插入在内初始化 计数器 让系统[13]算法整子整核心算法现现整功能将整三系、 、 转化、 、 三结算法、 、 差 －

x1(k、x2(k、x3(k[14]。这里x (k)1

(k)r

y(k

e(k)x (k2x (k)3

e(k)e(k)

2e(k

e(k

2)在 如示：得适应 [8]。加权系数调整以采用不同规则，从而构成不同。本采用有监督 适应 考虑到加权系数(k应偏三者i督 时有(ki

(ki

(k)i(k)

z(k)u(k)(xi

(k))(kz(k

z(k)

y (k)r

y(k)

e(k) ， ；图 图 求取加权系数控程序图图就是的 。 和 的程跟上图相似。wi

)

w(k)i3i

(k，wwi，ww

(k)以求出 、 三iwiii1

(k)个参数[15]。程序如下图 所示图 求取比例积分微分系数的控程序图、 、 是(k)、 (k)、(k)2（5）OB35定时调用单神经元算法FB1定时调用周期 ，如图 所示：图 设置定时调用周期（）在主计算、为比例系数； 为积分系数； 为微分系数；为样时间，在一般的数字控系统，只需调节好、、三个参数即实现有效的控。实现如图所示：图 计算Kp、、控图将计算得到的 、 、 送入 进行 控。、适设置为适器为（（