李权福基于S7-300 PLC和力控组态软件中位置式PID算法设计.doc

理 工 学 院 本科生毕业设计 论文 学院 系 电子与电气工程系 专 业 电气工程及其自动化 学 生 李威威 指导教师 殷华文 完成日期 2011 年 5 月 理工学院本科生毕业设计 论文 基于 S7 300S7 300 PLCPLC 和力控组态软件中位置式和力控组态软件中位置式 PIDPID 算法算法设计 Design of Temperature PID Control Algorithm and Computer Monitor System Based on SIEMENS S7 300 PLC Design of Temperature PID Control Algorithm 总 计 19 页 表 格 5 个 插 图 19 幅 基于 SIEMENS S7 300 PLC 的 PID 温控算法设计和上位计算机监控系统设计 PID 温控算法设计 I 理理 工工 学学 院院 本本 科科 毕毕 业业 设设 计 论文 计 论文 基于 SIEMENS S7 300 PLC 的 PID 温控算法设计和上位计算 机监控系统设计 PID 温控算法设计 Design of Temperature PID Control Algorithm and Computer Monitor System Based on SIEMENS S7 300 PLC Design of Temperature PID Control Algorithm 学 院 系 电子与电气工程系 专 业 自动化 学 生 姓 名 李权福 学 号 96106005 指 导 教 师 职称 殷华文 副教授 评 阅 教 师 完 成 日 期 理工学院 Institute of Technolog 基于 SIEMENS S7 300 PLC 的 PID 温控算法设计和上位计算机监控系统设计 PID 温控算法设计 II 基于 SIEMENS S7 300 PLC 的 PID 温控算法设计和上位计算 机监控系统设计 PID 温控算法设计 自动化专业 李权福 摘 要 目前大多数工业控制回路都采用 PID 控制器或改进型 PID 控制器 PLC 中都有 PID 指令或模块 但是算法程序不公开 这使使用者对算法的正确使用产生障 碍 本设计用西门子 S7 300 PLC 编写自主 PID 算法程序实现对模拟工业对象的电加热 锅炉水温控制 并在上位计算机上实现力控组态软件监控 在自主 PID 算法中引入控 制带 使其在一定范围内进行积分 消除积分饱和现象 监控结果显示自主 PID 算法 自适应能力比较强 而且超调量较小 外界恒温环境的条件下 在理论上可以达到采 集模块的精度 可以满足多数控制场合的要求 关键词 自主设计 PID 积分饱和 控制带 温度控制 Design of Temperature PID Control Algorithm and Computer Monitor System Based on SIEMENS S7 300 PLC Design of Temperature PID Control Algorithm Automation Specialty LI Quan fu Abstract Now most industrial control loops are applied with PID controller or modified PID controller PLC all have PID instructions or modules but the algorithm is not available which creates obstacles to users to the use of the algorithm Firstly the development process and the PID algorithm is described in this passage then the design of a self PID algorithm is given At last use the self designed PID algorithm procedures in the S7 300 PLC to control the water temperature of electrically heated boiler which is the simulation of industrial objects and monitor it on the Host Computer with the Power control configuration software The control zone is introduced in the self control PID algorithm which can eliminate integral saturation if in a certain range The results show the self designed PID algorithm s adaptive capacity is relatively strong and has small overshoot If the ambient temperature is constant its accuracy can achieve the accuracy of acquisition module in theory and can meet the most requirements of majority control occasions KeyWords PID principle hardware design temperature control power control configuration 基于 SIEMENS S7 300 PLC 的 PID 温控算法设计和上位计算机监控系统设计 PID 温控算法设计 III 目 录 1 引言 1 1 1 PID 控制的发展现状 1 1 2 温度控制系统的发展现状 2 1 3 课题的意义 2 2 PID 控制理论 3 2 1 PID 的控制原理 3 2 2 数字 PID 控制 4 3 温度控制系统的硬件设计 8 3 1 温控系统的设计思路 8 3 2 硬件介绍 9 4 温度控制系统的软件设计 10 4 1 自主 PID 模块 10 4 2 系统程序设计 13 4 2 1 硬件组态 13 4 2 2 STEP7 与 PLC 通信连接的组态 13 4 2 3 编写 PID 模块 FB1 14 4 2 4 温度数据标度变换 15 4 3 PID 参数的整定 16 4 3 1 凑试法确定 PID 调节参数 16 4 3 2 PID 控制器参数的工程整定 17 4 4 采样周期的确定 17 4 5 运行结果 18 结束语 19 参考文献 19 附录 20 致谢 41 基于 SIEMENS S7 300 PLC 的 PID 温控算法设计和上位计算机监控系统设计 PID 温控算法设计 1 1 引言 1 1 PID 控制的发展现状 PID Proportion Integration Differentiation PID 控制是最早发展起来的控制策略之 一 1 迄今为止 大多数工业控制回路仍然应用着结构简单 鲁棒性强的 PID 控制或 改进型 PID 控制策略 在工程实际中 应用最为广泛的调节器控制规律为比例 积分 微分控制 简称 PID 控制 又称 PID 调节 PID 控制器问世至今已有近 70 年历史 它 以其结构简单 稳定性好 工作可靠 调整方便而成为工业控制的主要技术之一 当 被控对象的结构和参数不能完全掌握 或得不到精确的数学模型时 控制理论的其它 技术难以采用时 系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定 这时应 用 PID 控制技术最为方便 即当不完全了解一个系统和被控对象 或不能通过有效的 测量手段来获得系统参数时 最适合用 PID 控制技术 PID 控制 实际中也有 PI 和 PD 控制 PID 控制器就是根据系统的误差 利用比例 积分 微分计算出控制量进行 控制的 PID 控制是迄今为止最通用的控制方法 2 大多数反馈回路用该方法或其较小的变 形来控制 PID 调节器及其改进型是在工业过程控制中最常见的控制器 至今在全世界 过程控制中用的 84 仍是纯 PID 调节器 若改进型包含在内则超过 90 今天所熟 知的 PID 控制器产生并发展于 1915 1940 年期间 尽管自 1940 年以来 许多先进控制 方法不断推出 但 PID 控制器以其结构简单 容易被理解和实现 应用中不需要精确 的系统模型的预先知识 对模型误差具有鲁棒性及易于操作等优点 仍被广泛应用于 冶金 化工 电力 轻工和机械等工业过程控制中 PID 有如下几个重要的功能 有如下几个重要的功能 1 提供反馈控制 2 通过积分作用可以消除稳态误差 3 通过微分作用预测将来 PID 控制器的结构简单 容易被理解和实现 因而 PID 控制器成为应用最广泛的 控制器 但是 PID 控制器并非万能的 它存在其固有的缺点 4 5 首先 PID 对系统基本线性和动态特性不随时间变化的系统能较好的控制 而很 多工业过程是非线性或时变的 其次 PID 参数必须根据过程的动态特性整定 如果 过程的动态特性变化 例如可能由负载的变化引起系统动态特性变化 PID 参数要重 新整定 实际应用中 PID 参数的整定要花费大量的人力和物力 第三 PID 在控制非 线性 时变 强耦合及结构不确定的复杂过程时总显得无能为力 PID 参数自整定技 术是为了处理 PID 参数整定这个问题而产生的 现在自整定 PID 控制器已是商业中单 回路控制器和分布控制系统的一个标准 PID 参数整定与自整定的方法很多 但往往 基于 SIEMENS S7 300 PLC 的 PID 温控算法设计和上位计算机监控系统设计 PID 温控算法设计 2 难以实现或不很理想 在精度与速度的折衷及对象的使用范围上常常难以令人满意 因此 在 PID 参数的整定及自整定技术方面还有待于进一步深入研究 1 2 温度控制系统的发展现状 近年来 在我国以信息化带动的工业化正在蓬勃发展 温度已成为工业对象控制 中一种重要的参数 6 特别是在冶金 化工 机械等各类工业中 广泛使用各种加热炉 热处理炉 反应炉等 由于炉子的种类及原理不同 因此所采用的加热方法及燃料也 不同 如煤气 天然气 油电等 对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制 所采 用的加热方式 选用的燃料 控制方案也有所不同 例如冶金 机械 食品 化工等 各类工业生产中广泛使用的各种加热炉 热处理炉 反应炉等 燃料有煤气 天然气 油 电等 控制方案有直接数字控制 DDC 推断控制 预测控制 模糊控制 Fuzzy 专家控制 Expert Control 鲁棒控制 Robust Control 推理控制等 随着工业技术的不断发展 传统的控制方式已经不能满足高精度 高速度的控制 要求 7 如接触器温度控制仪表 其主要缺点是温度波动范围大 由于它主要通过控制 接触器的通断时问比例来达到改变加热功率的目的 受仪表本身误差和交流接触器的 寿命限制 通断频率很低 近几年来快速发展了多种先进的温度控制方式 如 PID 控制 模糊控制 神经网络及遗传算法控制等 这些控制技术大大的提高了控制精度 不但使控制变得简便 而且使产品的质量更好 降低了产品的成本 提高了生产效率 1 3 课题的意义 PID 以其算法简单 鲁棒性好和可靠性高的特点 被广泛应用于工业过程控制 目前 PID 控制及其控制器或智能 PID 控制器 仪表 已经很多 产品已在工程实际 中得到了广泛的应用 有各种各样的 PID 控制器产品 各大公司均开发了具有 PID 参 数自整定功能的智能调节器 intelligent regulator 其中 PID 控制器参数的自动调整是通 过智能化调整或自校正 自适应算法来实现 有利用 PID 控制实现的压力 温度 流 量 液位控制器 能实现 PID 控制功能的可编程控制器 PLC 还有可实现 PID 控制的 PC 系统等等 由于其结构简单 容易被理解和实现 也成为应用最广泛的控制算法 在温度控 制软件上如果采用 PID 控制算法 便能使得温度调节具有速度快 精度高的特点 PLC 中一般都有 PID 指令或模块 但是各个公司都是把 PID 封装成模块 算法程 序不公开 我们只能使用他们做好的模块 不能清楚的知道它是怎么样工作的 这使 使用者对算法的正确使用产生障碍 我们通过自主 PID 算法的研究 可以清楚的看出 它是怎么样工作的 我们只有清楚的理解了 PID 算法后 才能加入其他的元素进去 形成新的算法 编辑出更加实用 PID 算法 这使我们对自动化工程的设计与调试能力 基于 SIEMENS S7 300 PLC 的 PID 温控算法设计和上位计算机监控系统设计 PID 温控算法设计 3 有很大的提高 使我们能力进入自动化行业发展 因此自编 PID 算法具有算法研究和 工程实际的双重意义 2 PID 控制理论 2 1 PID 的控制原理 在控制系统中 PID 控制是控制器最常用的控制规律 PID 控制系统原理框图 如 图 1 所示 X s E s Y s SP SP PV M PV 图 l PID 控制系统原理图 系统由 PID 控制器和被控对象组成 PID 控制器管理输出数值 以便将偏差 E 为 零 使系统达到稳定状态 偏差是给定值 SP 和过程变量 PV 的差 比例比例 P 调节作用调节作用 8 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 它用比例度来表示其作用的强弱 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 会引起震荡 比例调节作用是按比例反应系统的偏差 系统一旦出现了偏差 比例调 节立即产生调节作用用以减少偏差 比例作用大 可以加快调节 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 积分积分 I 调节作用 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 间的积分成比例 只有当余差消失时 积分作用才会停止 其作用是消除余差 但积 分作用使最大动偏差增大 延长了调节时间 它用积分时间 T 来表示其作用的强弱 T 越小 积分作用越强 但积分作用太强时 也会引起震荡 积分调节作用是使系统 消除稳态误差 提高无差度 因为有误差 积分调节就进行 直至无差 积分调节停 止 积分调节输出一个常值 积分作用的强弱取决与积分时间常数 Ti Ti 越小 积分 作用就越强 反之 Ti 大则积分作用弱 加入积分调节可使系统稳定性下降 动态响应 变慢 积分作用常与另两种调节规律结合 组成 PI 调节器或 PID 调节器 微分微分 D 调节作用 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 差变化的速度成比例 其效果是阻止被调参数的一切变化 有超前调节的作用 对滞 后大的对象 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 PID 控制器被控对象 基于 SIEMENS S7 300 PLC 的 PID 温控算法设计和上位计算机监控系统设计 PID 温控算法设计 4 不能消除 它用微分时间 Td 来表示其作用的强弱 Td 大 作用强 但 Td 太大 也 会引起振荡 微分作用反映系统偏差信号的变化率 具有预见性 能预见偏差变化的趋势 因 此能产生超前的控制作用 在偏差还没订形成之前 已被微分调节作用消除 因此 可以改善系统的动态性能 在微分时间选择合适情况下 可以减少超调 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 微分反应的是变化率 而当输入没有变化时 微分作用输出为零 微分作用不 能单独使用 需要与另外 2 种调节规律相结合 组成 PD 或 PID 控制器 2 2 数字 PID 控制 由于计算机控制是一种采样控制 它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量 9 因 此 连续 PID 控制算法不能直接使用 需要采用离散化方法 由于工业生产过程大多 数是缓慢变化的过程 因此只要控制机的采样周期 T 取得足够短 断续控制形式就趋 于连续控制形式 而大多数控制系统只要用 PID 调节器就能使系统稳定 本文采用位 置式 PID 算法 PID 调节器的流程图如图 2 所示 nnn ESPPV 计算 ncn MPKE 计算 1 ncdsnn MDKTTERER 计算 nnn MMPMIMD 计算 ncsin MIKTTEMX 子程序入口 kon 子程序返回 图 2 位置式 PID 控制算法流程图 连续系统 PID 调节器为对误差的比例 积分和微分控制 如公式 1 所示 基于 SIEMENS S7 300 PLC 的 PID 温控算法设计和上位计算机监控系统设计 PID 温控算法设计 5 1 0 t pidinital de M tKeKedtKM dt 其中 M t 为 PID 运算的输出 是时间的函数 Kp 为 PID 回路的比例系数 Ki 为 PID 回路的积分系数 Kd 为 PID 回路的微分系数 e 为 PID 回路的偏差 给定值和过程变量之差 Minital 为 PID 回路输出的初始值 为了在计算机内运行此控制函数 必须将连续函数化成为偏差值的间断采样 计 算机使用下列相应公式为基础的离散化 PID 运算模型 如公式 2 所示 2 1 1 l n npnilinitaldnn l MKeKeMKee 其中 Mn 为采样时刻 n 的 PID 运算输出值 Kp 为 PID 回路的比例系数 Ki 为 PID 回路的积分系数 Kd 为 PID 回路的微分系数 en 为采样时刻 n 的 PID 回路的偏差 en 1 为采样时刻 n 1 的 PID 回路的偏差 el 为采样时刻 l 的 PID 回路的偏差 Minital 为 PID 回路输出的初始值 在此公式中 第一项叫做比例项 第二项由两项的和构成 叫积分项 最后一项 叫微分项 比例项是当前采样的函数 积分项是从第一采样至当前采样的函数 微分 项是当前采样及前一采样的函数 在数字计算机内 这里既不可能也没有必要存储全 部偏差项的采样 因为从第一采样开始 每次对偏差采样时都必须计算其输出数值 因此 只需要存储前一次的偏差值及前一次的积分项数值 利用计算机处理的重复性 可对上述计算公式进行简化 如公式 3 所示 3 1 npnindnn MKeKeMXKee 其中 Mn 为采样时刻 n 的 PID 运算输出值 Kp 为 PID 回路的比例系数 Ki 为 PID 回路的积分系数 Kd 为 PID 回路的微分系数 en 为采样时刻 n 的 PID 回路的偏差 en 1 为采样时刻 n 1 的 PID 回路的偏差 基于 SIEMENS S7 300 PLC 的 PID 温控算法设计和上位计算机监控系统设计 PID 温控算法设计 6 MX 为积分项前值 计算回路输出值 计算回路输出值 CPU 实际使用对上述简化公式略微修改的格式 修改后的公式 如公式 4 所示 4 nnn MMPMIMD 其中 Mn 为采样时刻 n 的回路输出计算值 MPn 为采样时刻 n 的回路输出比例项 MIn 为采样时刻 n 的回路输出积分项 MDn 为采样时刻 n 的回路输出微分项 比例项 比例项 MP 是 PID 回路的比例系数 Kp 及偏差 e 的乘积 为了方便计算 取 Kp Kc CPU 采用的计算比例项的公式 如公式 5 所示 5 ncnn MPKSPPV 其中 MPn 为采样时刻 n 的输出比例项的值 Kc 为回路的增益 SPn 为采样时刻 n 的设定值 PVn 为采样时刻 n 的过程变量值 积分项 积分项 积分项 MI 与偏差和成比例 为了方便计算取 CPU 采用的积分项公式 如公式 6 所示 6 ncsinn MIKTTSPPVMX 其中 MIn 为采用时刻 n 的输出积分项的值 Kc 为回路的增益 Ts 为采样的时间间隔 Ti 为积分时间 SPn 为采样时刻 n 的设定值 PVn 为采样时刻 n 的过程变量值 MX 为采样时刻 n 1 的积分项 又称为积分前项 积分前项 MX 是积分项全部先前数值的和 每次计算出 MIn 以后 都要用 MIn 去 更新 MX 其中 MIn 可以被调整或被限定 MX 的初值通常在第一次计算出输出之前 被置为 Minitai 初值 其它几个常量也是积分项的一部分 如增益 采样时刻 PID 循环重新计算输出数 值的循环时间 以及积分时间 用于控制积分项对输出计算影响的时间 微分项 微分项 微分项 MD 与偏差的改变成比例 计算微分项的公式 如公式 7 所示 基于 SIEMENS S7 300 PLC 的 PID 温控算法设计和上位计算机监控系统设计 PID 温控算法设计 7 7 11 ncdsnnnn MDKTTSPPVSPPV 其中 MDn 为采用时刻 n 的输出微分项的值 Kc 为回路的增益 Ts 为采样的时间间隔 Td 为微分时间 SPn 为采样时刻 n 的设定值 SPn 1 为采样时刻 n 1 的设定值 PVn 为采样时刻 n 的过程变量值 PVn 1 为采样时刻 n 1 的过程变量值 控制回路的选择 控制回路的选择 如果不需要积分运算 即在 PID 计算中不需要积分运算 则应将积分时间 Ti 指定 为无限大 由于积分和 MX 的初始值 即使没有积分运算 积分项的数值也可能不为 零 这时积分系数 Ki 0 0 如果不需要求导运算 即在 PID 计算中不需要微分运算 则应将求导时间 Td 指定为零 这时微分系数 Kd 0 0 如果不需要比例运算 即在 PID 计算中不需要比例运算 而需要积分 I 或积分微分 ID 控制 则应将回路增益数 值 Kc 指定为 0 0 这时比例系数 Kp 0 0 因为回路增益 Kc 是计算积分及微分项公式 内的系数 将回路增益设定为 0 0 将影响积分及微分项的计算 因而 当回路增益取 为 0 0 时 在 PID 算法中 系统自动地把在积分和微分运算中的回路增益取为 1 0 此时 8 isi dds kTT kTT 位置式位置式 PID 控制不足 控制不足 当前采样时刻的输出与过去的各个状态有关 计算时要对 e k 进行累加 运算量 大 而且控制器的输出 u k 对应的是执行机构的实际位置 其实现过程如下 1 检查输入和设定值是否超限 如果超限 进行超限处理 2 则计算偏差 检查是否有偏差死区 如果有 则处理偏差死区 3 计算 PID 的控制输出 4 判断输出和变化率是否超限 如果超限则进行处理 3 温度控制系统的硬件设计 3 1 温控系统的设计思路 在化工 石油 冶金等生产过程的物理过程和化学反应中 温度往往是一个很重 要的量 因此它需要准确地加以控制 温度控制系统常用来保持温度恒定或者使温度 基于 SIEMENS S7 300 PLC 的 PID 温控算法设计和上位计算机监控系统设计 PID 温控算法设计 8 按照某种规定的程序变化 温度控制系统的原理图 如图 3 所示 温度给定值 被控温度 图 3 温度控制系统框图 温度控制系统由被控对象 测量装置 调节器和执行机构构成 测量装置对被控 温度进行测量 并将测量值与给定值比较 若存在偏差便由调节器对偏差信号进行处 理 再输送给执行机构来增加或减少供给被控对象的热量 使被控温度调节到整定值 它包括温度传感器和智能仪表等 测量装置的精度直接影响温度控制系统的精度 因 此在高精度温度控制系统中必须采用高精度的温度测量装置 被控对象是一个装置或 一个过程 它的温度是被控制量 在一些简单的温度控制系统中 也常采用电加热器 作为执行机构 对被控对象直接加热 通过调节电压 或电流 的大小可改变供出的热量 基于上述理论 设计出本系统 本系统硬件部分主要分为西门子 S7 300 PLC PS 307 2A 电源模块 CPU 314 模块 SM334 模拟量输入 输出模块 SM321 数字量输入 模块 SM322 数字量输出模块 AI808 智能仪表 AIJK3 型三相移相 周波过零可控 硅调功触发器 可控硅 电热炉 温度传感器 Cu50 控制系统结构图 如图 4 所示 图 4 控制系统结构图 经过温度传感器 Cu50 测量出来的温度信号送入 AI808 智能仪表 10 显示出实际温 度 由 AI808 智能仪表输出 4 20mA 标准电流信号到西门子 S7 300 PLC 的 SM334 模 拟量模块中 经过 SM334 模拟量模块的 A D 转换通道 转换成计算机可识别的数字 量 通过 PID 算法计算出控制量来 控制量通过可控硅控制电锅炉的功率 调节器执行机构 测量装置 被控对象 基于 SIEMENS S7 300 PLC 的 PID 温控算法设计和上位计算机监控系统设计 PID 温控算法设计 9 3 2 硬件介绍 1 直流电磁继电器 工作原理 直流电磁式继电器由铁芯 线圈 衔铁 触点簧片等组成的 只要在线圈两端加 上一定的电压 线圈中就会流过一定的电流 从而产生电磁效应 衔铁就会在电磁力 吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯 从而带动衔铁的动触点与静触点 常开 触点 吸合 当线圈断电后 电磁的吸力也随之消失 衔铁就会在弹簧的反作用力返 回原来的位置 使动触点与原来的静触点 常闭触点 释放 这样吸合 释放 从而 达到了在电路中的导通 切断的目的 2 交流接触器 基本组成 交流接触器主要有四部分组成 1 电磁系统 包括吸引线圈 动铁芯和静铁芯 2 触头系统 包括三组主触头和一至两组常闭 常闭辅助触头 它和动铁芯是连在一起 互相联动的 3 灭弧装置 一般容量较大的交流接触器都设有灭弧装置 以便迅速切断 基于 SIEMENS S7 300 PLC 的 PID 温控算法设计和上位计算机监控系统设计 PID 温控算法设计 10 电弧 免于烧坏主触头 4 绝缘外壳及附件 各种弹簧 传动机构 短路环 接线柱等 工作原理 当线圈通电时 静铁芯产生电磁吸力 将动铁芯吸合 由于触头系统是与动铁芯联动 的 因此动铁芯带动三条动触片同时运行 触点闭合 从而接通电源 当线圈断电时 吸 力消失 动铁芯联动部分依靠弹簧的反作用力而分离 使主触头断开 切断电源 3 温度传感器 工作原理 铜电阻温度传感器是利用金属铜在温度变化时本身电阻值也随着变化的特性来测 量温度的 显示仪表将会指示出铜电阻的电阻值所对应的温度值 所测得的温度是感 温元件所在范围内介质层中的平均温度 它的各项技术指标如表 2 所示 表 2 技术指标 名称分度号测量范围 热响应时间误差 铜电阻Cu50 50 150 45S 0 10 0 017t 铜电阻为避免因联接导线的电阻随外界温度变化而更降低测温精度时 应采用三 线制 在设计中我们使用的温度计型号为 Cu50 铜电阻 基于 SIEMENS S7 300 PLC 的 PID 温控算法设计和上位计算机监控系统设计 PID 温控算法设计 11 4 温度控制系统的软件设计 4 1 自主 PID 模块 设定值和过程值之间的差值便是到达死区之前的偏差 设定值和过程值必须具有 相同的单位 形成偏差信号 如图 6 所示 图 6 偏差方框图 为抑制由于可调节变量量化所引起的小幅恒定振荡 例如 在使用 PULSEGEN 进 行脉宽调制时 对偏差应用了死区 DEADBAND 如图 7 所示 图 7 死区方框图 如果 DEADB W 0 0 则取消激活死区 有效的偏差信号由 ER 参数指示 PIDPID 控制器控制器 PID 控制器原理图 如图 8 所示 图 8 PID 控制器原理方框图 基于 SIEMENS S7 300 PLC 的 PID 温控算法设计和上位计算机监控系统设计 PID 温控算法设计 12 自主 PID 原理方框图 如图 9 所示 图 9 自主 PID 原理方框图 PIDPID 算法算法 GAIN GAIN TITI TD TD PID 算法采用位置算法形式运行 比例 积分 INT 和微分 DIF 作用并行连起 可 以单独进行激活或取消激活 这样 就允许组态 P PI PD 和 PI 控制器整定支持 PI 和 PID 控制器 通过使用一个负的 GAIN 值来实现控 冷却控制器 如果将 TI 和 TD 设置为 0 0 则可以在工作点上获得一个纯比例控制器 如公式 10 所示 10 1 nindnn LMNGAINEKEMXKEE 其中 LMN 控制器处于自动模式时的可调节变量 En 当前偏差信号 En 1 前一时刻偏差信号 GAIN 控制器增益 Ki 积分系数 Kd 微分系数 基于 SIEMENS S7 300 PLC 的 PID 温控算法设计和上位计算机监控系统设计 PID 温控算法设计 13 其中 Ki GAIN TI Ts Kd GAIN Ts Td TI 积分时间 TD 微分时间 积分控制器积分控制器 IN MIN TI 积分控制作用 如公式 11 所示 11 DLMNPLMNLMNILMN 如果可调节变量达到限制值 则积分作用停止 如果偏差使积分作用回到可调节 变量范围 则积分作用重新被启用 使用下列措施来修改积分作用 通过 TI 0 0 取消激活控制器的积分作用 控制带 调节值上下限的在线修改 微分控制器微分控制器 TD 通过 TD 0 0 取消激活控制器的微分作用 计算可调节变量 计算可调节变量 LMN 可调节变量计算的方框图 如图 10 所示 图 10 可调节变量计算的方框图 控制带 控制带 CONZ ON CONZONE 12 在进行 PID 运算的时候 积分项很容易达到饱和 为了解决这个问题 引入了控 制带 CONZNE 如图 11 所示 如果 CONZ ON TRUE 则控制器运行时使用控制带 这意味着控制器将依据下 列算法工作 如果 PV 超出 SP INT 且偏差超过了 CONZONE 则数值 LMN L 作为可调 节变量输出 受控的闭环回路 如果 PV 低于 SP INT 且偏差超过了 CONZONE 则数值 LMN H 作为可调 节变量输出 受控的闭环回路 基于 SIEMENS S7 300 PLC 的 PID 温控算法设计和上位计算机监控系统设计 PID 温控算法设计 14 如果 PV 在控制带 CONZONE 之内 则可调节变量采用来自 PID 算法 LMN 的数值 自动闭环回路控制 图 11 控制带方框图 注意注意 必须确保控制带范围不能太窄 如果控制带范围太小 则可调节变量和过程变量 可能会发生振荡 控制带的优越性 控制带的优越性 当过程值进入控制带时 微分作用可造成可调节变量快速减小 这意味着 只有 在激活了微分作用时控制带才有用 如果没有控制带 基本上只有通过减小比例作用 才能减小可调节变量 如果最大或最小可调节变量输出远没有达到新工作点所要求的 可调节变量 则控制带会导致在不过调或欠调的情况下 使调节尽快稳定 可调节变量限制值 LMNLIMIT LMN H LMN L 通过 LMNLIMIT 功能 将可调节变量的数值限制在 LMN H 和 LMN L 限制值 之间 超出上限时 输出调节值的最大值 低于下限值时 输出调节值的最小值 如 果达到了这些限制值 则通过消息位 LMN H 和 LMN L 来指示 4 2 系统程序设计 4 2 1 硬件组态 在硬件组态工具 HW Config 中生成机架 或导轨 将 CPU 模块 电源模块和 信号模块插入机架 如图 12 所示 4 2 2 STEP7 与 PLC 通信连接的组态 PC MPI 适配器用于连接运行 STEP7 的计算机 RS 232 接口和 PLC 的 MPI 接口 PC MPI 适配器上有一个选择传输速率的开关 可选 19200bit s 或 38400bit s 组态时 设置的传输速率应与适配器的传输速率相同 基于 SIEMENS S7 300 PLC 的 PID 温控算法设计和上位计算机监控系统设计 PID 温控算法设计 15 图 12 硬件组态 4 2 3 编写 PID 模块 FB1 用鼠标在管理器的右侧右击 新建一个功能模块 FB1 如图 13 所示 图 13 插入功能模块 在 FB1 模块中的接口管理器中定义用到的外部接口和内部中间变量 这些接口和 中间变在主程序中调用 FB1 模块是时都能被用户看到 模块程序见附录 如图 14 所 示 基于 SIEMENS S7 300 PLC 的 PID 温控算法设计和上位计算机监控系统设计 PID 温控算法设计 16 图 14 变量定义表 程序编写完成后在管理器右侧右击插入一个背景数据块 DB2 如图 15 16 所示 在类型选项中选择实例变量类型 FB1 模块 图 15 插入 DB 块 图 16 自主 PID 模块的背景数据块 基于 SIEMENS S7 300 PLC 的 PID 温控算法设计和上位计算机监控系统设计 PID 温控算法设计 17 4 2 4 温度数据标度变换 在温度回路中 热电阻将温度信号传给 AI808 仪表 经过仪表转换输出 4 20 mA DC 到 SM344 模拟量输入输出模块 SM334 模块将该信号转换成 0 27648 的整形数 然后在程序中要调用 FC105 将该值转换成 0 100 的工程量 实数 经 PID 13 运算后得到的结果仍为实数 要用 FC106 转换为对应可控硅调功触发器触发信号 0 100 的整形数 0 27648 后 经 SM334 模拟量输出通道输出 4 20mA DC 信号到可控硅 调功触发器 控制电锅炉的功率 在标度变换的过程中 也许会遇到一个问题 使用 FB105 模块进行标度变换后的 温度与 AI808 智能仪表所显示的实时温度不一致 解决方法 把 AI808 智能仪表调节到手动输出模式 分别输出最大值和最小值 观察 SM334 模块对应采集到的整形数据是多少 利用采集到的数据和 0 27648 比较看 是否一致 如果不一致 说明 SM334 实际采样数据的上下限和 FB105 标度变换模块的 上下限不一致 则需要自己编写标度变换功能模块 模块 FB2 程序见附录 1 如果 一致 说明程序设置有误 重新设置 标度反变换功能模块 如图 17 所示 图 17 FC106 模块 IN 要转换成整形数的输入值 HI LIM 工程量上限 100 LO LIM 工程量下限 0 OUT 量程转换结果 4 3 PID 参数的整定 所谓参数整定就是配合对象特性 合理地选择调节器的各参数 以得到最佳的控 制质量 当一个自动控制系统组成方案确定后 调节仪表 对象 干扰形式 计算机 等已基本固定下来 这时控制过程的质量就取决于调节器各个参数的设置了 温度控 制系统中参数整定就是关于 T Kc Ti Td 的工程整定 基于 SIEMENS S7 300 PLC 的 PID 温控算法设计和上位计算机监控系统设计 PID 温控算法设计 18 4 3 1 凑试法确定 PID 调节参数 在凑试时 可参考以上参数分析控制过程的影响趋势 对参数进行先比例 后积 分 再微分的整定步骤 步骤如下 1 整定比例部分 2 如果仅调节比例调节器参数 系统的偏差还达不到设计要求时 则需加入积 分环节 3 若使用比例积分器 能消除偏差 但动态过程经反复调整后仍达不到要求 这时可加入微分环节 常见被调量 PID 参数经验选择 如表 3 所示 表 3 常见被调量 PID 参数经验选择范围 被调量特点KpTi min Td min 流量时间常数小 并有噪声 故 Kp 较 小 Ti 较小 不用微分 1 2 50 1 1 温度对象有较大滞后 常用微分1 6 53 10 5 3 压力对象的滞后不大 不用微分1 4 3 50 4 3 液位允许有静差时 不用积分和微分1 25 5 4 3 2 PID 控制器参数的工程整定 各种调节系统中 P I D 参数经验数据以下可参照 温度 T P 20 60 T 180 600s D 3 180s 压力 P P 30 70 T 24 180s 液位 L P 20 80 T 60 300s 流量 L P 40 100 T 6 60s 参数口决 参数口决 参数整定找最佳 从小到大顺序查 先是比例后积分 最后再把微分加 曲线振 荡很频繁 比例度盘要放大 曲线漂浮绕大湾 比例度盘往小扳 曲线偏离回复慢 积分时间往下降 曲线波动周期长 积分时间再加长 曲线振荡频率快 先把微分降 下来 动差大来波动慢 微分时间应加长 理想曲线两个波 前高后低 4 比 1 一看二 调多分析 调节质量不会低 4 4 采样周期的确定 由于一般的生产过程都具有较大的时间常数 而温度控制系统的采样周期 T 则要 小的多 所以数字 PID 控制器的参数整定 完全可以按照模拟调节器的各种参数整定 方法进行分析和综合 但是数字控制器与模拟调节器相比毕竟有其特殊性 即除了比 例系数 积分时间常数和微分时间常数外 还有一个重要的参数就是采样周期 T 合 基于 SIEMENS S7 300 PLC 的 PID 温控算法设计和上位计算机监控系统设计 PID 温控算法设计 19 理地选择采样周期 T 也是数字 PID 控制系统的关键问题之一 采样周期 T 的经验数 据 如表 4 所示 表 4 采样周期 T 的经验数据 被测参数采样周期 T备注 流量1 5s优先选用 1 2s 压力3 10s优先选用 6 8s 液位6 8s 温度15 20s或滞后时间 成分15 20 1 从执行机构的特性要求来看 有时需要输出信号保持一定的宽度 采样周期 必须大于这一时间 2 从控制系统的随动和抗干扰的性能来看 要求采样周期短些 3 从微机的工作量和每个调节回路的计算来看 一般要求采样周期大些 4 从计算机的精度看 过短的采样周期是不合适的 4 5 运行结果 程序中 PID 各个参数如表 5 所示 表 5 参数表 参数SPTITDKC GAINCLE 数值50400s30s280 3ms 运行结果如图 18 图 19 所示 1 单回路温度控制系统 图 18 实验曲线图 2 向系统中加扰动 系统稳定后 在电热炉外胆中加入冷水 结果如下图 基于 SIEMENS S7 300 PLC 的 PID 温控算法设计和上位计算机监控系统设计 PID 温控算法设计 20 图 19 加入扰动结果图 总结 本系统的控制核心是 PID 控制器 难度是 PID 参数整定 初始温度 11 5 度 设定温度 50 度 经过 10 分钟系统稳定 实际温度达到设定温度 稳态误差为 0 7 然后向电热炉外胆中加入冷水 温度很快下降了 10 度 经过 6 分钟的调节 温度很 快达到设定值 且无超调 稳态误差为 1 86 从图中可以看出 温度控制系统自适 应能里比较强 外部加入扰动后 设定温度很快能达到设定温度 而且超调量较小 由于受被控对象的性质和实验室条件限制 例如在长时间的加热下水箱里的循环水温 度会逐渐升高 从而影响降温效果 调节时间长 但最后的稳态效果还好 结束语 为期 16 周的毕业设计即将结束 受益颇多 实际的实验操作 不仅检验了我们的 理论知识 系统了我们的知识体系 实现了以西门子 S7 300 PLC 中用自编的 PID 算法 程序实现对模拟工业对象的电加热锅炉水温控制 在上位计算机上实现力控组态软件 监控 这次毕业设计中 我做的实验项目主要有以下几个方面 1 度单回路 2 熟悉西门子 PLC 的各种软硬件 3 AI808 智能仪表 4 可控硅 5 用 PLC 编写自主 PID 模块 6 使用自主 PID 模块实现对模拟工业对象的电加热锅炉水温控制 在上位计算 机上实现力控组态软件监控 参考文献 1 刘金琨 先进 PID 控制的 MATLAB 仿真 M 电子工业出版社 2004 61 2 陶永华 尹恰欣 葛芦生 新型 PID 控制及其应 M 机械业出版社 1998 16 3 陈炳和 计算机控制原理与应用 M 北京航空航天人学出版社 2008 112 4 Hang C C Ho W K Cao L S A comparison of two design methods for PID controllers M ISA TRANS l 994 2 基于 SIEMENS S7 300 PLC 的 PID 温控算法设计和上位计算机监控系统设计 PID 温控算法设计 21 5 Astrom K J Hagglund T PID Controllers Theory Design and Tuning M 2nd Edition Research Triangle Park North Carolina Instrument Society of America 1995 6 靳继勇 多回路温度控制器的研究与设计 M 兰州理工大学 2005 51 7 郑磊 基于 DSP 的 PID 温度控制系统 J 舰船电子工程 2007 158 8 孙增析 智能控制的理论与技术 J 电子信息工程 1996 11 9 Voda A A Landau LD A method for the auto calibration of PID controllers M Aut1995 11 41 53 10 AI 全通用人工智能调节器 上海万迅仪表有限公司 49 51 11 AIJK3 型三相移相 周波过零可控硅调功触发器使用说明书 厦门宇电自动化科技有限公司 2 4 12 PID 温度控制手册 Siemens AG 2001 2003 13 S7 300 PLC 模拟量输入输出量程转换 N Siemens AG 2001 2003 附录 附录 1 符号表图 附录 1 程序用到的模块图 程序 O B100 基于 SIEMENS S7 300 PLC 的 PID 温控算法设计和上位计算机监控系统设计 PID 温控算法设计 22 FB1 源程序 程序 FB1 中定义的输入输出接口变量 基于 SIEMENS S7 300 PLC 的 PID 温控算法设计和上位计算机监控系统设计 PID 温控算法设计 23 基于 SIEMENS S7 300 PLC 的 PID 温控算法设计和上位计算机监控系统设计 PID 温控算法设计 24 基于 SIEMENS S7 300 PLC 的 PID 温控算法设计和上位计算机监控系统设计 PID 温控算法设计 25 基于 SIEMENS S7 300 PLC 的 PID 温控算法设计和上位计算机监控系统设计 PID 温控算法设计 26 基于 SIEMENS S7 300 PLC 的 PID 温控算法设计和上位计算机监控系统设计 PID 温控算法设计 27 FB1 的背景数据块 FB2 源程序 FB2 模块中定义的输入输出接口 基于 SIEMENS S7 300 PLC 的 PID 温控算法设计和上位计算机监控系统设计 PID 温控算法设计 29 基于 SIEMENS S