[能源化工]S7-300 PLC中双极性温控PID算法设计毕设优秀论文完整版

1、南 阳 理 工 学 院 本科生毕业设计（论文） 学 院： 电子与电气工程学院 专 业： 自动化 学 生： 指导教师： 完成日期 2012 年 5 月 南阳理工学院本科生毕业设计（论文） s7-300 plc 中双极性温控 pid 算法设计 design of s7-300 plc dual polarity pid algorithm 总 计 ： 31 页 表 格 ： 7 个 插 图 ： 20 幅 南南阳阳理理工工学学院院本本科科毕毕业业设设计计（论论文文） s7-300 plc 中双极性温控 pid 算法设计 design of s7-300 plc dual polarity pid al

2、gorithm 学 院： 电子与电气工程学院 专 业： 自动化 学生姓名 ： 学 号： 096108021 指导教师 （职称）： 评阅教师 ： 完成日期 ： 南阳理工学院 nanyang institute of technology s7-300 plc 中双极性温控 pid 算法设计 i s7-300 plc 中双极性温控 pid 算法设计 自动化专业 摘摘 要要 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。本设计在西门子 s7-300 plc 中自主编写 pid 程序模

3、块实现对模拟工业对象的电加 热锅炉的加热、冷却双极性控制。双极性 pid 算法设计采用位置型算法思想，使用 step7 梯形图作为编程语言，采用结构化编程。算法中引入控制带，只有偏差在控制 带范围内时进行 pid 运算，从而避免积分饱和现象。同时为了抑制由于可调节变量量 化所引起的小幅恒定振荡，对偏差应用了死区处理。在冷却过程中，为了避免控制的 延迟及超调，采用提前控制、变控制参数的方法。控制算法中还引入了输出死区、输 出限幅、积分清零等多种控制手段。经监控结果显示，本 pid 程序模块对温度对象的 针对性较强，控制结果超调量较小，稳态误差小于 0.2。本程序模块源程序加有详细 的算法思想介绍

4、和注释，可以作为自动化学科教学科研的技术资料，也可用于工程控 制。 关键词关键词 位置式；双极性控制；双极性温控 pid 模块；积分饱和；程序控温 design of s7-300 plc dual polarity pid algorithm automation specialty li saisai abstract: most of the current industrial control loops have used pid controller or improved pid controller. plc have pid instruction or module mos

5、tly into it, but the algorithm is not open,it is an obstacle when the users use algorithm. the design can compile pid programming module independently to achieve the simulation of industrial objects electric heating boiler and cooling bipolar control based on siemens s7-300 programmable logic contro

6、ller. design of the bipolar pid algorithm has used position type algorithm, the step7 ladder diagram as a programming language and a structured programming.with the introduction of control algorithm, it can operate pid algorithm only when it ranges the deviation in the control , so as to avoid integ

7、ral saturation phenomenon. in order to suppress the small constant oscillation due to adjustable variables caused by quantization at the same time , it has applied dead-time processing to the deviation. then in order to avoid the control delay and the overshoot, it has used advanced control and vari

8、able parameter control method s7-300 plc 中双极性温控 pid 算法设计 ii during the cooling process.the control algorithm has introduced some control means,such as,the output dead, the output limiting, the integral reset and so on. monitoring results show that the pid program modules have targeted control to the

9、 temperature object , smaller overshoot and the steady-state error is less than 0.2 deg c.the program module source code with the detailed algorithm thought introduction and notes, can not only be used as automation teaching research technical information, but also can be used for engineering contro

10、l. key words:position type;bipolar control;temperature control of pid module ;integral saturation;temperature control procedures s7-300 plc 中双极性温控 pid 算法设计 iii 目录 1 引言.1 1.1pid 控制的发展现状.1 1.2 课题的意义.1 1.3 本设计包含的主要工作.2 2 锅炉温度控制系统的硬件设计.3 2.1 控制系统主要硬件介绍.3 2.1.1 s7-300plc .3 2.1.2 温度传感器.3 2.1.3 可控硅及可控硅触发器

11、.4 2.1.4 磁力驱动泵与变频器.5 2.2 实验回路设计.7 3 pid 控制的理论基础和工作原理.8 3.1 模拟 pid 控制器.8 3.2 数字 pid 控制器 .9 3.2.1 模拟 pid 控制器的离散化 .9 3.2.2 数字 pid 控制算法实现方式比较.10 3.3 pid 参数的整定.11 3.3.1 凑试法确定 pid 调节参数.11 3.3.2 pid 控制器参数的工程整定.11 4 基于 plc 的锅炉温度控制系统的双极性 pid 控制设计.12 4.1 双极性 pid 算法思想.12 4.1.1 偏差.12 4.1.2 死区.12 4.1.3 控制带（conz_

12、on、conzone）.13 4.1.4 pid 控制器.14 4.1.5 加热、冷却双极性控制.15 4.2 温度控制算法程序设计思路.16 4.2.1 设定值温度控制.16 4.2.2 程序曲线温度控制.16 4.3 双极性 pid 与双极性温控 pid 模块的设计和实现.16 4.3.1 双极性 pid 算法设计.17 4.3.2 双极性温控 pid 模块设计.18 4.3.3 程序曲线温度的自动设定.19 4.3.4 温度控制的辅助程序设计.20 4.4 本章总结.20 5 温度双极性 pid 控制的监控及运行结果分析.20 s7-300 plc 中双极性温控 pid 算法设计 iv

13、5.1 系统运行结果及分析.20 5.1.1 设定值温度控制响应及分析.20 5.1.2 程序曲线温度控制响应及分析.21 5.2 本章总结.22 6 全文总结及下一步建议.22 6.1 全文总结.22 6.2 下一步建议.23 结束语 .23 参考文献 .24 致谢 .31 s7-300 plc 中双极性温控 pid 算法设计 1 1 引言 1.1pid 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，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

14、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

15、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： 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

16、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。 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。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

17、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， s7-300 plc 中双极性温控 pid 算法设计 2 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。 1.2 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

18、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

19、和编写，可以清楚的 看出它是怎么样工作的，从而使我们更加容易明白自动控制的原理、思想和控制过程。 同时也为同学们学习 pid 控制提供参考资料。只有清楚的理解了 pid 算法后，才能加 入其它的元素进去，形成新的算法，编辑出更加实用 pid 算法。使得我们对自动化工 程的设 计与调试能力有很大的提高，为以后进入自动化行业领域奠定坚实的基础，因此自编 pid 算法具有算法研究和工程实际的双重意义。 1.3 本设计包含的主要工作 本设计以我系自动化过程控制实验室“孝”字号过程控制实验装置为平台，设计 了锅炉温度加热、冷却双极性控制系统。介绍了双极性 pid 控制技术的工作原理，加 热控制回路和冷却

20、控制回路的组建，以及实现温度双极性控制算法的 plc 程序的设计。 通过对锅炉水温的双极性 pid 控制，针对不同的控制对象，均能达到理想的控制效果。 结果表明，双极性温控 pid 模块适应性好、鲁棒性强，特别是对温度控制对象的控制， 更能体现双极性温控 pid 模块控制的优势。本文共分六章，内容组织如下： 第一章主要介绍了课题研究的背景和意义，以及国内外相关研究动态、发展趋势。 同时叙述了温度 pid 控制技术的发展，以及今后温度 pid 控制技术的发展方向。 第二章介绍了控制系统硬件设计，控制系统的结构和配置，以及各硬件的介绍。 s7-300 plc 中双极性温控 pid 算法设计 3 第

21、三章介绍了 pid 控制的理论基础和工作原理，详细介绍了 pid 控制系统的结构、 组成，以及工作原理。 第四章介绍了基于 plc 的锅炉温度控制系统的双极性温控 pid 模块设计，这是本 设计的核心部分，主要完成双极性 pid 算法和双极性温控 pid 模块的设计。 第五章介绍了温度双极性 pid 控制系统的监控及运行结果分析，详细分析了双极 性控制的运行结果。 第六章为全文总结及下一步建议工作，总结本论文的研究结果，并提出下一步研 究工作的方向。 2 锅炉温度控制系统的硬件设计 2.1 控制系统主要硬件介绍 2.1.1 s7-300plc simatic s7-300 是模块化小型 plc

22、 系统，大范围的各种功能模块可以非常好地 满足和适应自动控制任务，各种单独的模块之间也可进行广泛组合以用于扩展。由于 s7-300 简单实用的分散式结构和多界面网络能力，使得应用十分灵活。 本设计中使用的 s7-300plc 模块包括： 电源模块：ps307 2a，电源模块的输入用 220ac 的单相两线制，即一火一零； cpu 模块：cpu315-2dp，工作电压为 24vdc，内存为 128k，集成 mpi、dp 通 讯。 数字量输入、输出模块：sm321、sm322 各有 16 个点，dc24v 输入、输出； 模拟量输入模块：sm331 具有 8 个模拟量输入通道，12 位 a/d 转换

23、精度，通过量 程卡上的适配开关设定测量的类型和范围，可实现电流信号、电压信号、传感器信号 输入； 模拟量输出模块：sm332 具有 4 个输出通道，12 位 d/a 精度，每个通道可以根据 硬件组态中的模块属性设置及模块输出接线方法实现不同量程的电流、电压信号输出。 s7-300plc 配套的硬件还包括：安装有 step7_v5.5_chinese 编程软件的 pc 机一 台，pc adapter(mpi/dp)通讯电缆，数字量给定板，数字量显示板。 2.1.2 温度传感器 温度传感器用于温度反馈回路中的锅炉水温检测，夹套使用的是铜电阻（cu50） 温度传感器，内胆选用铂电阻（pt100）温度

24、传感器，温度传感器特性见表 1。铂热电 阻 pt100（r0=100）的精度高，体积小，测温范围宽，稳定性好，再现性好。在高温 下只适合在氧化气氛中使用，真空和还原气氛将导致电阻值迅速飘逸。铜热电阻 s7-300 plc 中双极性温控 pid 算法设计 4 （cu50）的线性较好；价格低；电阻率低，因而体积较大，热响应慢，可以利用这一 特点制作测量区域平均温度的感温元件。本设计中主要使用 pt100 作为温度控制的温 度传感器。 表 1 工业热电阻分类及特性 项目铂热电阻铜热电阻 分度号pt100pt10cu100cu50 r0/1001010050 /0.003850.00428 测温范围/

25、-200850-50150 允差 a 级：（0.15+0.002|t|） b 级：（0.30+0.005|t|） b 级：（0.30+0.006|t|） 铂热电阻 pt100 和铜热电阻 cu50 均是三线制传感器，引线方式是在热电阻的一端 链接两根导线，另一端连接一根导线。当热电阻与测量电桥配用时，分别将两根引线 接入两个桥臂，可以很好的消除引线电阻影响，提高测量精度。设计中 sm331 第二输 入通道量程卡选择四线制传感器，把 pt100 一端的单线引成双线接 sm331 第二通道， 接线方式如图 1。 图 1 pt100 温度传感器接线图 2.1.3 可控硅及可控硅触发器 锅炉水温双极性

26、控制系统加热回路的执行机构主要有可控硅及可控硅触发器组成。 可控硅即晶闸管，是一种具有三个 pn 结的四层结构的大功率半导体器件，主要 用在开关方面，使器件从关闭或是阻断的状态转换为开启或是导通的状态。其导通条 件是：当晶闸管承受正向电压，且门极有触发电流的情况下才能导通；关断条件是： 晶闸管承受负向电压时即关断。其触发方式有两种，过零触发和非过零触发。过零触 发一般是调功，即当正弦交流电交流电电压相位过零点触发，必须是过零点才触发， 导通可控硅。非过零触发是无论交流电电压在什么相位的时候都可触发导通可控硅， 常见的是移相触发，即通过改变正弦交流电的导通角（角相位），来改变输出百分比。 s7-

27、300 plc 中双极性温控 pid 算法设计 5 可控硅触发器 aijk3 作用是提供可控硅的触发电流，工作原理是根据主输入控制 信号（0-20ma）的维持时间和电流大小控制可控硅的通断占空比，其最小动作周期为 供电电源正玄波周期，一般市电为 50hz，其周期为 0.02 秒。根据可控硅的触发方式， 可控硅触发器的触发也有两种方式：移相触发和周波过零触发。如果可控硅触发器选 择周波过零触发，可控硅为市电供电，频率 50hz，主输入控制信号为 10ma，维持时 间是 1 秒，则可控硅在 1 秒内通 25 个正玄波周期，断 25 个正玄波周期，且通、断周 期交叉。如果选择移相触发，则可控硅触发器

28、根据主输入控制信号的大小来决定触发 角相位。两者的区别如图 2。 图 2 移相触发与周波过零触发的区别（黑体为负载电流） 2.1.4 磁力驱动泵与变频器 锅炉水温双极性控制系统冷却回路的执行机构主要有变频器及磁力驱动泵组成。 磁力驱动泵是将永磁联轴器的工作原理应用于离心泵的新产品，磁力偶合器的一 半(内磁铁)装于泵轴上，并以非铁磁性材料制成的隔离罩密封在泵体内；另一半(外磁 铁)装于电机轴上，在隔离罩外以磁力带动内磁铁旋转驱动泵工作。本设计选用的事 20cq-12 型磁力驱动泵（进水口直径 20mm，出水口直径 12mm），主要参数包括： 泵体：最大供水流量：3 立方米/小时；扬程：12m；驱

29、动功率：0.3kw；转速： 2900r/min。 驱动电机：功率：0.37kw；额定电压：380v；额定电流：1.0a；额定频率： 50hz；额定转速：2800r/min。 变频器是通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备，本 设计中选用的是西门子 mm440 变频器，主要参数如下： 输入参数：380480v10%，3ac，2.2a，4763hz； 输出参数：0inputv,3ac，1.2a，0650hz； 最大功率：0.37kw。 变频器的控制方式主要包括三种：面板控制方式、外部端子控制方式和通讯控制 方式，本次设计选用的是外部端子控制方式。 外部端子控制方式中，频率的给定

30、方法包括：数字量给定和模拟量给定。数字量 给定主要是设定固定频率，具体又分为直接选择、直接选择+on 命令、bcd 选择+on s7-300 plc 中双极性温控 pid 算法设计 6 命令。模拟量给定包括模拟量 1 和模拟量 2 两个给定通道，主要适用于频率的连续设 定，通道选择由参数 p1000 决定，p1000=2 时选用模拟量 1 给定，p1000=7 时选用模 拟量 2 给定。本次设计选用的频率给定方式为模拟量 1+on 给定，主要参数设置如表 2。 表 2 mm440 变频器选用模拟量 1 给定时的主要参数设置 参数说明功能本次设计设定及说明 p0700 选择命令源（输 入命令源）

31、 0：恢复数字i/o 到工厂缺省设 定 1：bop(传动变频器键盘) 2：端子排(工厂缺省设定) 4：uss 在bop 链路上 5：uss 在com 链路上(通过 控制端子29 和30) 6：cb 在 com 链路上(cb=通 讯板) 2：使用变频器端子排控 制方式，主要涉及数字 量启动端子 （din1din6）、模拟 量给定通道端子 （adc1、adc2）。 p1000 选择频率给定值 （输入频率给定 值源) 1：电动电位计给定值(mop给 定值) 2：模拟输入1(工厂缺省设定) 3：固定频率给定值 4：uss 在bop 链路上 5：uss 在com 链路上(控制 端子29 和30) 6：c

32、b 在com 链路上(cb=通 讯板) 7：模拟输入 2 2：使用模拟量 1（ain1）作为频率给 定源，由 plc 模拟量输 出通道接变频器端子 3（adc1+）、 4（adc1-）。 p0703 = 9 数字量输入 3 功 能 0：数字输入禁止 1：on/off1 2：on+反向/off1 3：off2-自由停车 4：off3-快速斜坡下降 9：故障确认 10：点动，右 11：点动，左 12：反向 1：频率给定方式为模拟 量 1+on 命令，其 on 启动命令即由数字量输 入 3 提供，当数字量输 入 3（端子 7）有高电平 （+24v）输入时，变频 器启动。 s7-300 plc 中双极

33、性温控 pid 算法设计 7 13：mop 上升(增大频率) 14：mop 下降(降低频率) 15：固定给定值(直接选择) 16：固定给定值(直接选择+on) 17：固定给电值(bcd 码+on) 25：dc 制动使能 29：外部脱扣 33：禁止附加频率给定值 99：使能 bico 参数设置 p0756adc 类型 0：单极电压输入(0+10v) 1：单极电压输入带监控 (0+10v) 2：单极电流输入(020ma) 3：单极电流输入带监控 (020ma) 4：双极电压输入(-10v+10v) 2：选定模拟量 1（ain1）的输入信号 范围为 020ma，对应 dip 开关设置为 dip1=o

34、n。 dip=off：电压： 0+10v； dip=on：电流： 020ma。 p0757 adc 输入定标值 x1 v/ma0.0：ain1x1 为 0ma。 p0758 adc 输入定标值 y1 该参数代表其值x1作为p2000(参 考频率)的百分数 0.0：ain1=0ma 时变频 器输出频率为 p2000*0.0%即 0hz。 p0759 adc 输入定标值 x2 v/ma20.0：ain1x2 为 20ma。 p0760 adc 输入定标值 y2 该参数代表其值x2作为p2000(参 考频率)的百分数 100.0：ain1=20ma 时 变频器输出频率为 p2000*100.0%，即

35、 50hz。 p2000基准频率hz50：以市电频率为基准 2.2 实验回路设计 本设计是针对锅炉为控制对象，锅炉内胆水温为被控变量，在不计算控制对象数 学模型的基础上，利用自主设计的温度双极性 pid 控制算法实现锅炉内胆水温的加热、 冷却双极性控制。控制系统回路的后向通 s7-300 plc 中双极性温控 pid 算法设计 8 道中主要包括加热通道和冷却通道，分别根据 plc 的 cpu 运算结果来确定各通道工作 状况。锅炉水温双极性控制的系统方框图如图 3 所示。 控制系统回路的反馈通道中使用 pt100 检测现场锅炉内胆水温度，经 s7300plc 的 sm331 模拟量输入通道检测

36、pt100 阻值变化并经 a/d 转换成对应数字量（0- 27648）送入 cpu 参与运算，通过输入信号规范化处理（fc105）双极性 pid 算法运 算输出操作规范化（fc106）sm332 相应模拟量输出通道 d/a 转换输出的过程， 得到的电流控制信号控制可控硅触发器（加热控制）或者变频器（冷却控制）。加热 控制时可控硅触发器控制可控硅触发或关断，从而控制电加热丝对锅炉内胆水加热； 冷却控制时变频器根据控制信号改变输出电压频率，控制磁力驱动泵的供水能力，向 锅炉外胆注入冷却水，冷却水与内胆水进行热交换来实现锅炉内胆水降温。锅炉水温 双极性控制系统的控制信息流程图如图 4 所示。 图 3

37、 锅炉水温双极性控制系统方框图 图 4 锅炉水温双极性控制系统的控制信息流程图 s7-300 plc 中双极性温控 pid 算法设计 9 3 pid 控制的理论基础和工作原理 3.1 模拟 pid 控制器 pid 控制常用于负反馈控制，控制系统由 pid 控制器、和被控对象组成。pid 控 制是把比例、积分和微分环节组合在一起构成校正环节的简单控制算法。常规的 pid 控制系统原理框图如图 5。 图 5 pid 控制系统原理框图 模拟 pid 控制器是一种线性控制器，根据给定值 r(t)与实际输出值 y(t)构成的控制 偏差的比例(p)、积分(i)、微分(d)通过线性组合构成控制量，对控制对象

38、进行控制。其 微分方程如公式 1 所示。 （1） t d i p dt tde tdtte t tektu 0 )( )( 1 )()( 式中：作为为控制器的输入，是给定值和被控对象输出的偏差；)()()(tctrte u(t)为控制器的输出；kp 为控制器的比例系数；ti 为控制器的积分时间；td 为控制器 的微分时间。 模拟 pid 控制器的传递函数如公式 2 所示。 （2） st st k se su d d i p 1 1 )( )( ) s ( pid 控制器各校正环节的作用： 比例(p)环节：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

39、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(i)环节：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 s7-300 plc 中双极性温控 pid

40、 算法设计 10 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(d)环节：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

41、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 td 来表示其作用的强弱，td 大，作用强，但 td 太大，也会引 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。 3.2

42、 数字 pid 控制器 3.2.1 模拟 pid 控制器的离散化 表 3 模拟 pid 控制规律的离散化 模拟形式离散化形式 偏差 )()()(tctrte)()()(ncnrne 积分环节 t dtte 0 )( n i n i iettie 00 )()( 微分环节 dt de(t) t nene) 1()( 由于 plc 为数字式控制器，只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，故需要采用 离散化方法，对 pid 中的积分和微分环节进行近似。积分的离散化处理方法是采用面 积等效原理，把积分对应的曲线与坐标轴包围的面积，使用若干个矩形的面积和来近 似精确积分，容易计算出每个矩形的面积。微分的离散

43、化处理是在积分处理的基础上， 对前后两个矩形高度（偏差值）进行差分计算。具体离散化处理见表 3。 由此，可以得到数字 pid 控制器的输出表达式如公式 3 0 0 d i p ) 1()()()()(unene t t ie t t neknu n i （3） 进行简化为公式 4 s7-300 plc 中双极性温控 pid 算法设计 11 （4） 0 0 dip ) 1()()()()(unenekiekteknu n i 式中，和分别是积分系数和微分系数。 i k d k 由此可得出各环节输出表达式 比例项： )()( pp neknu 积分项： n i ie t t knu 0 i pi

44、)()( 微分项： ) 1()()( d pd nene t t knu 3.2.2 数字 pid 控制算法实现方式比较 在控制系统中，如果执行机构采用调节阀，则控制量对应阀门开度，表征了执行 机构的位置，此时控制器应采用数字 pid 位置型控制算法，如图 6 所示。如果执行结 构采用步进电机，每个采样周期，控制器输出的控制量，是相对于上次控制量的增加， 此时控制器应采用数字 pid 增量性控制算法，如图 7 所示。 图 6 数字 pid 位置型控制示意图 图 7 数字 pid 增量型控制示意图 数字 pid 位置型控制算法如公式 3 所示。 数字 pid 增量型控制算法 （5） )2() 1

45、(2)()() 1()( ) 1()()( d p i pp nenene t t kne t t knenek nununu s7-300 plc 中双极性温控 pid 算法设计 12 本次设计的加热控制回路主要执行结构为加热丝，主要控制加热丝加热功率，冷 却控制回路主要执行机构为磁力驱动泵，主要控制磁力驱动泵供水流量，两种执行机 构的控制均为位置型控制方式，故选用数字 pid 位置型控制算法。 3.3 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

46、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。 3.3.1 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 4 所示： 表 4 常见被调量 pid 参数经验选择范围 被调量特点kpti(min)t

47、d(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 3.3.2 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=2060%,t=180600s,d=3-180s； 压力 p: p=3070%,t=24180s； 液位 l: p=2080%,t=60300s； 流量 l: p=40100%,t=660s。 参数口决： 参数整定找最佳，从小

48、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， s7-300 plc 中双极性温控 pid 算法设计 13 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 基于 plc 的锅炉温度控制系统的双极性 pid 控制设计 4.1 双极性 pid 算法思想 温度双极性 pid 控制技术的核心在于双极性 pid 算法的设计，在深入理解西门子 fb41 pid 控制算法的基础上，按照拟

49、定的控制方案，设计数字 pid 位置型控制器，以 设定值与过程值作为输入，以两者的差值（即偏差）作为控制器的主运算变量，同时 引入死区、控制带、限幅等控制手段，输出一个调节值，驱动不同的控制回路工作， 以达到消除偏差的控制要求。 4.1.1 偏差 偏差信号的产生如图 8 所示： 图 8 偏差方框图 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。 4.1.2 死区 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 9 所示。 如果 deadb_w = 0.0，则取消激

50、活死区。有效的偏差信号由 er 参数指示。 dead_w0.0 时： 当偏差 er 绝对值大于 0 时，er=（sp-pv）-dead_w 偏差 er 绝对值小于 0 时 er=(sp-pv)+dead_w。 s7-300 plc 中双极性温控 pid 算法设计 14 图 9 死区方框图 注意： 死区 dead_w 是一个可调参数，具体值可以根据实际控制对象由实验确定。dead_w 值太小，是调节过于频繁，达不到稳定被调节对象的目的；如果 dead_w 取得太大，则 系统将产生很大的滞后；当 dead_w=0 时，即为常规 pid 控制。 4.1.3 控制带（conz_on、conzone）

51、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 10 所示。 图 10 控制带方框图 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)。 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

52、控制)。 s7-300 plc 中双极性温控 pid 算法设计 15 注意: 控制带是一个可调参数，控制带大小要大于控制系统最大惯量，其值可以根据实 际现场控制对象由经验法确定，有条件的话可用试验法验证。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： 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

53、。 4.1.4 pid 控制器 自主 pid 原理方框图，如图 11 所示。 图 11 自主 pid 原理方框图 1pid 算法(gain、ti、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)。 s7-300 plc 中双极性温控 pid 算法设计 16 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 6 所示： （6）)e(ekmx)e*(

54、ke*gainlmn 1 -nndnin 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； 其中 ki=gain*ti/ts； kd=gain*ts/td； ti 积分时间 ； td 微分时间 ； 2积分控制器(in_min,ti)： 积分控制作用，如公式 7 所示： （7）lmn_dlmn_plmnlmn_i 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

55、器的积分作用； 控制带； 调节值上下限的在线修改； 3微分控制器(td)： 通过 td = 0.0，取消激活控制器的微分作用。 4.1.5 加热、冷却双极性控制 双极性控制是指 pid 运算的调节值既有正极性输出（0100），又有负极性输出 （-1000）。本设计的温度双极性控制包括加热回路、冷却回路两个输出回路，与正 负极性的对应关系如下： 正极性：调节值为 0100，加热回路工作，对应加热丝功率功率的 0%100%。 负极性：调节值为-1000，冷却回路工作，对应水泵供水流量的 0%100%。 温度双极性控制时，其加热回路与冷却回路是相互独立的，原理上两个回路不能 同时工作，避免能源的浪费

56、，但在此本次设计时对控制算法做了修改，当特定条件满 足时（提前冷却），两个回路可同时工作。 s7-300 plc 中双极性温控 pid 算法设计 17 4.2 温度控制算法程序设计思路 锅炉温度控制系统是过程控制中常见的系统，也是十分重要的控制对象。相对于 压力、流量、液位等控制对象来说，温度对象具有大滞后、非线性和时变的特点，而 且锅炉水温的升温与冷却又是两个特点不同的控制过程，单纯的 pid 控制很难达到控 制要求，所以，针对温度双极性控制的升温、恒温、降温的不同阶段要做相应的控制 设计。 本设计使用的双极性 pid 控制是一种固定 pid 控制、自适应 pid 控制和外围程序 控制相结合

57、的控制方式，并在控制算法中引入了偏差死区、输出死区、输出限幅、积 分分离、积分清零等多种控制手段。对于设定值温度控制和程序曲线温度控制使用不 同的程序控制方式，以达到相应的控制效果。 4.2.1 设定值温度控制 设定值温度控制即在不同时刻使设定值做阶跃变化的控制形式，主要采用固定 pid 控制和外围程序控制相结合的控制方式，当偏差非常大时，采用 pd 控制，提高控 制系统的响应速率，同时避免积分饱和；当偏差进入控制带时，采用 pid 控制，并且 针对不同的偏差值和稳定温度对输出进行不同程度的限幅，避免水温的超调或者大幅 波动，可以达到一个很好的控制效果；当偏差进入偏差死区时，停止 pid 控制

58、，但维 持较小值的输出，使锅炉的整体散热速率与加热速率持平，保证水温不会有大的波动， 维持锅炉内胆水温稳定。 4.2.2 程序曲线温度控制 在恒温阶段，其控制方式与设定值温度控制相同。 在升温阶段，采用自适应 pid 控制方式，根据不同的加热速率，使用不同的 pid 参数（主要是 p 参数，速率越大，p 参数越大）。锅炉内胆水升温时采用斜坡升温的 设定方式，其升温速率范围为 0.5/min2.0/min，升温速率过低会影响控制效果， 动态曲线不够美观；升温速率过高则会超出加热丝的最大加热功率，造成锅炉水温无 法跟踪设定温度。 在降温阶段，采用自适应 pid 控制和外围程序控制相结合的控制方式，

59、为了避免 由于注冷却水、热交换等过程造成的控制延时及温度超调，采用超前控制、变参数的 控制方法，在要降温前 5 分钟左右即开始向锅炉外胆注入少量冷却水，使冷却水在恒 温阶段末期即与内胆热水进行热交换，并在进入降温阶段时重新设定一组适用于降温 过程的 pid 参数，既解决了系统的滞后，又保证了不同阶段的控制效果。 4.3 双极性 pid 与双极性温控 pid 模块的设计和实现 本控制系统中选用了西门子 s7-300plc，采用 step7_v5.5_chinese 作为软件编程 环境，将温度双极性 pid 控制算法采用梯形图（lad）编程语言实现。 s7-300 plc 中双极性温控 pid 算

60、法设计 18 4.3.1 双极性 pid 算法设计 图 12 双极性 pid 算法流程图 s7-300 plc 中双极性温控 pid 算法设计 19 在工程管理器窗口中新建一个功能模块 fb2，在 fb2 模块声明表中添加要用到接 口变量，接口变量的参数类型包括输入参数 in、输出参数 out、输入/输出参数 in_out、静态数据 stat 和临时数据 temp，其中前三种参数 fb2 功能块被调用时都 能被用户看到，静态数据可以储存在背景数据快 db 中，临时变量只在 fb2 功能块程 序执行时才生成、调用，fb2 功能块执行结束后，临时变量内数据将丢失详细参数声 明见附录表 1。当程序需