在模拟量闭环控制中的应用

接近开关 继电器 热电阻
转换开关 电磁阀
辅助节点 ……
……
3
第8章 S7-300在模拟量闭环控制中的应用
8.1 模拟量闭环控制的基本概念
8.1.1 模拟量闭环控制系统的组成 1 模拟量单闭环控制系统的组成
可编程控制器
生产过程
sp(n) +
给定值
-
ev(n)
mv(n) mv(t)
控制器
D/A
执行器
被控对象
第8章 S7-300在模拟量闭环控制中的应用

1t
dev(t )
mv(t) K ev(t) ev(t)dt T
M
P
T0 I
D dt
传递函数：
MV (s) EV (s)

KP
1
1 TI s
TD s

其中：KP为比例系数，TI为积分时间常数，TD为微分时间常 数，M为积分部分的初始值。
串级、比值等控制方式； FM355S用于数字量步进或脉冲控制器，有8个DO。
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第8章 S7-300在模拟量闭环控制中的应用
2. 闭环控制系统功能块
SFB41～SFB43：通过AI、AO(DO)模块实现PID控制。 其中： 通过AO实现连续控制(SFB41) 通过DO实现步进(SFB42)或脉冲控制(SFB43)。
指令树→Library→Standard Library→ System Function Blocks→插入块 2. 闭环控制软件包的调用 功能块FB41､FB42､FB43与SFB41､SFB42､SFB43兼容，调 用方法如下： 指令树→ Library→Standard Library→PID Control Blocks→插入块
图8-4 SFB41 CONT_C框图
LMN 控制器输出值
LMN_PER 外设输出
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第8章 S7-300在模拟量闭环控制中的应用
1. 设定值的输入
SP_INT：设定值(setpoint)，浮点数格式。
2. 过程变量输入格式选择
有两种输入方式：
PVPER_ON=0：选择PV_IN 作输入，浮点格式的工程值
电气控制与可编程控制器
第8章 S7-300在模拟量 闭环控制中的应用
第8章 S7-300在模拟量闭环控制中的应用
PLC常用控制方法：
SCS：Sequence Control System，程序和顺序控制； MCS：Modulating Control System，例如：PID控制作
为基本MCS； 复杂控制：串级控制、混合控制、比值控制等； 最优控制：现代控制理论算法实现的控制； 自适应控制：给定值随着某种规律自动调整，使生产过
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2. PID算法的数字实现
第8章 S7-300在模拟量闭环控制中的应用
数字PID主要有三种算法：位置算法、增量算法和速度
算法。
S7-300 PID功能块SFB41是位置算法。
PID控制器的结构图如下：
SP(s)
-
K P K
P
Ts I
KTs PD
C(s)
控制对象
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由PID表达式
第8章 S7-300在模拟量闭环控制中的应用
pv(n)
pv(t)
A/D
测量变送器
c(t)
被控量
图8-1 PLC模拟量闭环控制系统原理框图
其中 c(t)：被控制量
sp(n)：给定值
mv(t)：PLC输出的模拟量
mv(n)：D/A转换后输出的数字量
pv(t)：变送器输出的模拟量
ev(n)：控制偏差ev(n) = sp(n) − pv(n)
pv(n)：经A/D转换后的数字量
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SP_INT 内部浮点数给定值
PV_IN 浮点数过程变量
PV_PER 外设变量
PVPER_ON
过程变量格式化
0
CRP_IN
PV_NORM
PV_R
1
% 实数
100/27648
PV_FAC 输入系数 PV_OFF 输入偏差
INT
INT_HOLD 积分保持 I_ITL_ON 积分初始化 I_ITLVAL 积分初值
周期折衷选择。可以在CPU属性中设置。
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第8章 S7-300在模拟量闭环控制中的应用
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第8章 S7-300在模拟量闭环控制中的应用
调用系统功能块必须指定背景数据块 例如：STL：CALL SFB “CONT_C”, DB300 LAD：
背景数据块保存了功能块的输入/输出结果，可以在PLC程 序中或WINCC软件访问相应的数据。见图。
采用带死区的PID控制系统。
死区的PID概念：是人为地设置一个不灵敏区域B， 当偏差 | ev(t) |≤B 时，减弱或切除控制输出 当偏差 | ev(t) |＞B 时，正常控制输出
这里的死区B对应SFB41中的DEADB_W。
死区特性
SP
－
B
PID 控制器
控制对象
图8-3 带有死区的PID控制 15
TD和I_ITLVAL。
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第8章 S7-300在模拟量闭环控制中的应用
3. 不完全微分PID 微分项的弱点：在标准的PID算式中，当有阶跃信号输入
时，微分项急剧增加，容易引起调节过程的振荡，导致调 节品质下降。 解决：不完全微分PID算法基本思想仿照模拟调节器的实 际微分调节，加入惯性环节，以克服完全微分的缺点。 不完全微分PID的传递函数为
手动控制 MAN_ON 1
0
输出限幅 LMNLIMIT
QLMN_HLM 输出超上限 QLMN_LLM 输出超下限
输出量格式化
LMN_LIM
LMN_NORM
输出限幅
转换为外设输出值 CRP_OUT % 27648/100
LMN_HLM 输出上限值 LMN_LLM 输出下限值
LMN_FAC 输出系数 LMN_OFF 输出偏移量
DIF
TD
微分时间常数
TM_LAG 微分延迟时间
P_SEL 1
0.0
0 I_SEL 1
+
0.0
+
0
+
1
0.0 0 D_SEL
死区
DEADBAND
+
-
DEADB_W
PV
死区宽度
过程变量
比例增益 GAIN
ER 误差
LMN_P 比例分量
LMN_I 积分分量
+
+
DISV 扰动
LMN_D 微分分量
MAN 手动
3. 闭环控制软件包 FB41～FB43用于PID控制，功能同SFB41～SFB43； FB58和FB59用于PID温度控制； 模糊控制、神经网络控制、PID自整定等软件包。
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第8章 S7-300在模拟量闭环控制中的应用
8.3.2 闭环控制系统功能块 1. 系统功能块的调用
SFB 41 用于连续控制 SFB 42 用于步进控制 SFB 43 用于脉冲宽度控制 调用方法如下：
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第8章 S7-300在模拟量闭环控制中的应用
梯形图
语句表
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SFB41的背景第数8章据S块7-3D00B在3模00拟量闭环控制中的应用
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8.4 连续PID控制器SFB41 SFB41为连续控制器，控制输出为AO量； 基本控制是恒值控制。例如：恒压、恒温、恒速控制等。 连续控制器SFB41的原理框图如图8-4所示。
mv(t) K
ev(t )
1
t
ev(t )dt T
dev(t
)


M
P
T0 I
D dt
设PID控制器采样周期为Ts，对上式进行离散化处理，积 分项用累加近似代替，微分项用差分近似代替，则连续系统 表达式变为：


mv(n)

K
P

ev(n)


1 T
n
ev(j)T
程始终处于最佳工作状态； 模糊控制：控制决策(目标)用模糊规则来实现。
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第8章 S7-300在模拟量闭环控制中的应用
S7-300 组成的控制系统
PS电源 CPU 接口模板 DI DO AI TC RTD AO FM ...
按钮
指示灯 变送器 热电偶 热电阻 执行器 FM355
行程开关 接触器 热电偶
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第8章 S7-300在模拟量闭环控制中的应用
2 S7-300实现闭环控制的方法
⑴软件PID控制器：
SFB41
SFB42 SFB43
＋
SFB58
SFB59
＋
＋
CPU
AI
AO
原理：AI(TC、RTD)模块采集过程值 ➵ 经CPU执行PID控
制算法 ➵ AO(或DO)实现控制。
优点：节约费用，使用灵活。
j 0
s
T D
ev(n)
ev(n T

1)

M

I
s

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整理后得：
n
mv(n)

K
ev(n)
P

K
I

ev(j)

K
D
ev(n)

ev(n

1)
M
j 0
式中：Ts=Δt 为采样周期
ev(n) 、ev(n-1)为第n次和第n-1次采样时的偏差值
MV(s) K
1
1

Ts D

EV(s)
P
Ts I
Tf s 1
上式中，KP、TI、TD、M意义同前，Tf 惯性环节时间
常数，对应SFB41的TM_LAG。
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第8章 S7-300在模拟量闭环控制中的应用
4. 带有死区的PID控制算法
在某些控制系统中，当偏差比较小时，为了避免控制动作 过于频繁，以消除由此所引起的振荡给设备带来危害，可
CRP_IN
PV_NORM
-
PV_PER 外设变量
% 100/27648
PV_R 实数
1
DEADB_W
PV
死区宽度
PV_FAC 输入系数
过程变量
PV_OFF 输入偏差
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第8章 S7-300在模拟量闭环控制中的应用
3. 外部设备过程变量转换为浮点数 PVPER_ON=1时PV_IN选择A/D采集的数值(字)，内部需要转 换为浮点数(百分数)： PV_R = PV_PER ×100 / 27648
4. 外部设备过程变量的标准化 对PV_R格式化： PV_NORM 的输出 = PV_R × PV_FAC + PV_OFF PV_FAC：过程变量系数，默认值取1.0 PV_OFF：过程变量的偏移量，默认值取0.0
缺点：不能独立控制，占CPU时间。
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举例：
SFB41
CPU
SFB42
SFB43 ＋
SFB58
SFB59
第8章 S7-300在模拟量闭环控制中的应用
AI
AO
＋
＋
F1
pv(t)
sp
LT
LC
mv(t)
F2
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⑵ 闭环控制模块
第8章 S7-300在模拟量闭环控制中的应用 控制算法
模块 FM 355C: 4路模拟量连续输出
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8.3 S7-300的模拟量闭环控制功能 8.3.1 S7-300实现闭环控制的方法 1. FM355闭环控制模块
S7-300闭环控制模块，用于压力、流量、液位等控制； 内有自优化温度控制算法和PID算法； FM355模块不受CPU影响而独立工作； FM355有4个AI，可接热电阻、电流、电压信号； FM355C用于连续控制器，有4个独立的AO，可组成定值、
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第8章 S7-300在模拟量闭环控制中的应用
3. PID控制程序的编制和采样周期的选择 可在FB或FC里调用系统功能块SFB41～SFB43 注：
调用SFB41～SFB43 的FB或FC必须放在定时循环中断 OB35 (OB30～OB38)中被调用。
OB35的循环中断时间即为PID控制器的采样周期TS 。 采样周期TS 与CPU性能有关，需要根据运算速度和控制
mv(n) 为第n次采样时控制器的输出值
KT
KT
K P S ，K P D
IT
DT
I
S
位置算法的特点：
• 控制输出与阀门位置有一一对应关系，故称位置算法；
• 每次都需计算阀位的绝对位置；
• 需采用措施来防止积分饱和和手自动切换的扰动现象；
• 上式中，KP、TI、TD、M分别对应SFB41的GAIN、TI、
3 PID控制器概述 ⑴ PID控制(Proportional Integral Differential)
PID意为比例、积分、微分，PID控制是自动控制中 一种重要的常规控制方式。 ⑵ PID控制实现的方式
模拟PID：控制器用模拟电路实现 数字PI 数字PID控制器 8.2.2 PID控制器的数字化 1. PID控制器表达式
FM 355S: 8路步进或脉冲输出 功能
4AI＋4AO＋8DI 4AI＋8DO＋8DI
可运行于自动/手动模式、安全模式、跟随模式；
自整定温度控制算法、PID算法；
即使CPU故障或停机，模块仍能独立工作。
应用
温度、压力、流量、液位控制。
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第8章 S7-300在模拟量闭环控制中的应用
PVPER_ON=1：选择PV_PER 作输入，A/D采集的数字量
sp +
给定值
-
PLC
ev(n)
mv(n)
mv(t)
控制器
D/A
执行器
pv(n)
pv(t)
A/D
生产过程 被控对象
测量变送器
c(t)
被控量
SP_INT 内部浮点数给定值
PVPER_ON
死区
PV_IN 浮点数过程变量
过程变量格式化
0
DEADBAND +