江苏西门子S7-1500PLC模块代理（欢迎您）

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西门子S7-300/400为用户提供了功能强大、使用简单方便的模拟量闭环控制功能。

    1．PID控制模块

    S7 - 300的FM 355和S7 - 400的FM 455是智能化的4路和16路通用闭环控制模块，它们集成了闭环控制需要的I/O点和软件，FM 455提供了PID算法和自优化温度控制算法。

    2．PID控制功能块与系统功能块

    PID控制模块的价格较高，因此一般使用普通的信号模块和PID控制功能块(FB)来实现PID控制。所有型号的CPU都可以使用PID控制功能块FB 41~FB 43，以及用于温度闭环控制的FB 58和FB 59,它们在程序编辑器左边窗口的文件夹“＼库＼Standard Library（标准库）＼PID Controller（PID控制器）”中。FB 41~FB 43有大量的输入/输出参数，除了PID控制器功能以外，还可以处理设定值和过程反馈值，以及对控制器的输出值进行后处理。计算所需的数据保存在的背景数据块中，允许多次调用FB。

    FB 41“CONT_C”（连续控制器）输出的数字值一般用AO模块转换为连续的模拟量。

    FB 43（脉冲发生器）与FB 41组合，可以产生脉冲宽度调制的开关量输出信号，来控制比例执行机构，例如可以用于加热和冷却控制。

    FB 42“CONT_S”用于步进控制，其特点是可以直接用它的开关量输出信号控制电动调节阀，从而省去用于后者的位置闭环控制器和位置传感器。

    实际控制中FB 41用得多，FB 43用得较少，FB 42用得很少。CPU 31xC还可以使用集成在CPU中的SFB 41~SFB 43，SFB 41~SFB 43与FB 41~FB 43兼容。

    FB 58和FB 59有参数自整定功能，FB 41和FB 42则需要安装软件PID Self Tuner来实现在线的参数自整定。

    PID控制器的处理速度与CPU的性能有关，必须在控制器的数量和控制器的计算频率（采样周期）之间折中处理。计算频率越高，单位时间的计算量越多，能使用的控制器的数量就越少。PID控制器可以控制较慢的系统，例如温度和物料的料位等，也可以控制较快的系统，例如流量和速度等。

    3．闭环控制软件包

    模糊控制软件包适合于对象模型难以建立，过程特性缺乏*性，具有非线性，但是可以总结出操作经验的系统。

    神经网络控制系统( Neuronal Systems)适用于不*了解其结构和解决方法的控制问题。它可以用于自动化的各个层次，从单独的闭环控制器到工厂的控制。

    PID自整定(PID Self Tuner)软件包可以提供控制优化支持。

    4．PID控制的程序结构

    应在启动时执行的组织块OB100中和在循环中断组织块（例如OB35）中调用FB 41~43。执行OB35的时间间隔（即PID控制的采样周期Ts）在CPU属性设置对话框的“周期性中断”选项卡中设置。

    调用系统功能块时，应相应的背景数据块。系统功能块的参数保存在背景数据块中。

连续PID控制器FB 41输出值的处理

    1．手动模式

    BOOL变量MAN_ON为1时是手动模式，为0时是自动模式。在手动模式，控制器的输出值被手动输入值MAN代替。

    在手动模式，控制器输出中的积分分量被自动设置为LMN-LMN_P-DISV（其中的“-”为减号），而微分分量被自动设置为0。这样可以保证手动到自动的无扰切换，即切换前后PID控制器的输出值LMN不会突变。

    2．输出限幅

    LMNLIMIT（输出量限幅）方框用于将控制器输出值(Manipulated  Value)限幅。MN-LIMIT的输入量超出控制器输出值的上极限LMN_HLM时，信号位QLMN_HLM（输出超出上限）变为1状态；小于下限值LMN_LLM时，信号位QLMN_LLM（输出超出下限）变为1状态。LMN_HLM和LMN_LLM的默认值分别为100. 0%和0.0%。

    3．输出量的格式化处理

    LMN_NORM（输出量格式化）方框用下述公式来将限幅后的输出量LMN_LIM格式化，以调节控制器输出值的范围：

    LMN= LMN_LIM×LMN_FAC+ LMN_OFF

式中，LMN是格式化后浮点数格式的控制器输出值；LMN_FAC为输出值系数，默认值为1.0；LMN_OFF为输出值偏移量，默认值为0.0。

    4．输出值转换为外部设备( I/O)格式

    LMN是浮点数格式的控制器输出值，如果要送给模拟量输出模块，需要用“CPR_OUT”方框转换为外部设备(I/O)格式的变量LMN_PER。转换公式为

    LMN_PER = LMN×27648/100

FB 41采用位置式PID算法，比例运算、积分运算和微分运算3部分并联，可以单独激活或取消它们，因此可以将控制器组态为P、PI、PD和PID控制器。虽然可以组成单独的I控制器或D控制器，不过很少这样使用。

    P_SEL、I_SEL和D_SEL为1状态时分别启用比例、积分和微分作用，反之则禁止对应的控制作用。默认的控制方式为PI控制。LNM_P、LNM_I和LNM_D分别是PID控制器输出量中的比例分量、积分分量和微分分量，它们供调试时使用。

    图10-14中的GAIN为比例部分的增益或比例系数，TI和TD分别为积分时间和微分时间。输入参数TM_LAG为微分操作的延迟时间，手册建议TM_LAG= TD/5。

用浮点数格式设定值SP_INT减去转换为浮点数格式的过程变量PV（即反馈值），便得到负反馈的误差。

    在控制系统中

，某些执行机构如果频繁动作，将会导致小幅振荡，造成严重的机械磨损。从控制要求来说，很多系统又允许被控量在一定范围内存在误差。带死区( Dead Band)的PID控制器（见图10-15）能防止执行机构的频繁动作。当死区非线性环节的输入量(即误差ev(n))的值小于死区设定值B时，死区非线性的输出量（即PID控制器的输入量）为0，这时PID控制器的输出分量中，比例部分和微分部分为0，积分部分保持不变。因此PID控制器的输出保持不变，控制器不起调节作用，系统处于开环状态。当误差的值超过设定值B时，开始正常的PID控制。

    为了抑制由于控制器输出量的量化造成的连续的较小的振荡，例如用FB 43 PULSEGEN进行脉冲宽度调制时可能出现的振荡，也可以用死区非线性对误差进行处理。图10-15中死区的宽度B对应于FB 41的输入参数DEADB_W，如果令DEADB_W为0，死区被关闭。

在FB 41内部，PID控制器的给定值、反馈值和输出值都是用0.0%~100.0%的浮点数百分数来表示的。FB 41将来自模拟量输入模块的整数转换为浮点数格式的百分数，将PID控制器的输出值转换为送给模拟量输出模块的整数。

    外部设备（即模拟量输入模块）正常范围的大输出值为27648，对应于模拟量输入的满量程。图10-14中的CRP_IN方框将外部设备输入值转换为0~+*或-*~+*之间的浮点数格式的数值，CPR_IN的输出（以%为单位）用下式计算：

    PV_R=PV_PER×100/27648(%)
FB 41“CONT_C”（连续控制器）的输出为连续变量。可以用FB 41作为单独的PID恒值控制器，或者在多闭环控制中实现级联控制器、混合控制器和比例控制器。控制器的功能基于模拟信号采样控制器的PID控制算法，如果需要的话，FB 41可以用脉冲发生器FB 43进行扩展，产生脉冲宽度调制的输出信号，来控制比例执行机构。

    PID控制的系统功能块的参数很多，建议结合功能块的框图来学习和理解这些参数。

    用参数SP_INT（内部设定值）输入浮点数格式的设定值（见图10 -14），单位为百分数。可以用两种方式输入过程变量（即反馈值）：

    1)用PV_IN（过程输入变量）输入浮点格式的过程变量，此时BOOL输入参数PVPER_ON（外部设备过程变量ON）应为0状态。

    2)用PV_PER（外部设备过程变量）输入外部设备(I/O)格式的过程变量，即用模拟量输入模块输出的数字值作为PID控制的过程变量，此时PVPER_ON应为1状态。

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