基于S7—300的PID闭环控制中的仿真

第３Ｏ卷第１期　吉　林　化　工　学　院　学　报　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＪＩＬＩＮ　ＩＮＳＴＩＴＵＴＥ　ＯＦ　ＣＨＥＭＩＣＡＬ　ｒＥＣＨＮＯＬ０ＧＹ　Ｖ０１．３０　Ｎｏ．１　２０１３年１月　Ｊａｎ．　２０１３　文章编号：１００７－２８５３（２０１３）Ｏ１－００７０－０３　基于Ｓ７—３００的ＰＩ　Ｄ闭环控制中的仿真　王　潼　（长春理工大学理学院，吉林长春１３００２２）　摘要：针对西门子ＰＬＣ￥７－３００的ＰＩＤ调节模块在缺少受控对象情况仿真方法进行研究，提出了使用功　能块“ＦＢ４１”作为调节器、功能块“ＦＢ１００”作为输出反馈，实现ＰＩＤ闭环调节的仿真方案，通过仿真运行，　能够得到与实际系统运行一致的调节曲线，该方法对ＰＬＣ控制系统的测试以及ＰＬＣ实验教学具有一定　的指导意义．　关键词：ＦＢ４１；ＰＩＤ调节；ＦＢ１００；调节曲线　文献标志码：Ａ　中图分类号：ＴＮ　８　对于一般的工业过程来说，应用较多的调节　器是ＰＩＤ调节器．ＰＩＤ调节是连续控制系统中技　或Ｄ控制器，不过很少这样使用．其功能框图如　图１所示．　术最成熟，应用最广泛的一类调节器．ＰＩＤ的闭环　连续调节在工程实际中被广泛应用，但是在缺少　实际对象的仿真情况下，由于ＰＩＤ调节器的输出　不能控制实际对象按预期产生实际的变化，不能　形成有效的回路，所以将无法实现其闭环的连续　．一　｛１　Ｉ　一　二　Ｉ　，｝一——一…　调节．为了解决这个问题，我们引用了一个中间环　节，即调用功能块“ＦＢ１００”，利用这个功能块有效　地建立了ＰＩＤ调节器输出值与输入值之间的关　系，将ＰＩＤ的输出变量ＬＭＮ送给ＦＢ１００的输入变　量ＩＮＶ，将ＦＢ１００的输出变量ＯＵＴＶ送给ＰＩＤ控　制器的过程输入变量ＰＶ—ＩＮ，ＦＢ４１和ＦＢ１００¨　构　成了如图１所示的闭环调节回路，可以实现ＰＩＤ　闭环调节的模拟仿真，得到与实际调节相同的调　节曲线．　—　一～　图１　ＦＢ　４１　ＣＯＮＴ＿Ｃ的框图　２　ＦＢ４１和ＦＢ１００的参数设定　ＰＩＤ控制的难点不是在编写程序，而是整定　１连续ＰＩＤ控制器ＦＢ４１　ＦＢ４１为“ＣＯＮＴ—Ｃ”（连续控制器）模块，　“ＣＯＮＴＣ”的输出为连续变量．可以用“ＣＯＮＴ—　—Ｃ”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、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．“ＣＯＮＴ＿Ｃ”采用位置式ＰＩＤ算法，比例运　算、积分运算、微分运算三部分并联，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　控制器的参数．由于是进行简单的模拟仿真，所以　只用到部分ＰＩＤ参数，功能块ＦＢＩＯ０中也存在一　些参数和运算方法，而两个功能块参数经过运算　后的结果才作为最终的ＰＩＤ各环节的调节参数，　所以在参数设置及整定时要理清好二者之间的运　算关系．　本文涉及ＰＩＤ调节的闭环系统用ＦＢ１００来　模拟３个串联的惯性环节，其比例增益为ＧＡＩＮ，　惯性环节的时间常数分别为ＴＭ—ＬＡＧ１～ＴＭ—　ＬＡＧ３．其传递函数如公式（１）所示．　收稿日期：２０１２—１０－２９　作者简介：王潼（１９９０．），男，吉林省吉林市人，长春理工大学２００９级学生，主要从事光信息科学与技术方面的研　究．　第１期　王潼：基于￥７－３００的ＰＩＤ闭环控制中的仿真　面（ＴＭ　Ｇ　　Ｓ　１　Ｍ　Ｌ　ＡＧ２　ｓ　１Ｍ　ＬＡ—Ｇ３ｓ可１　ＬＡ　１＋）（Ｔ一　十而）（Ｔ一　＋）　—（１）、　　分母中的“Ｓ”为自动控制理论中拉氏变换的　与组织块ＯＢ３５的循环执行周期相同．ＯＢ３５的循　拉普拉斯算子．将某一时间常数设置为０，可以减　少被控对象的阶数，此处将时间常数ＴＭ—ＬＡＧ３　设置为０．图１中的ＤＩＳＶ是系统的扰动变量．　要得到良好稳定的控制效果，首先要设置好　采样首期ＣＹＣＬＥ，ＦＢ４１、ＦＢ１００中的采样周期应　环执行周期默认为１００　ｍｓ，所以ＦＢ４１和ＦＢ１００　的采样周期同样设置为１００　ｍｓ．　因为ＦＢ４１调节模块默认为ＰＩ控制器，所以　需要调试的主要参数如表１所示．　表１　ＦＢ４１主要参数　因为是用软件对被控对象进行仿真，没有使　用模拟量输入模块和模拟量输出模块，闭环中的　变量均为浮点数．不需要进行重新设定的输入输　出参数使用默认值，以上描述的参数值都是应用　经验法确定的，一边观察曲线，一边尝试改变参数　值，以便得到最好的调试效果．　ＷＩＮＣＣ对其进行监测，ＰＩＤ调节的ＷＩＮＣＣ监控　画面如图２所示．　３　ＰＩＤ控制程序　下位机的程序设计中，为了初始化设定并保　证ＰＩＤ运算的采样周期的精度，需要用到启动组　织块ＯＢ１００和循环中断组织块ＯＢ３５　Ｊ．程序刚　进入运行状态时ＣＰＵ执行一次ＯＢ１００，在ＯＢ１００　中将表１中ＦＢ４１的参数设置为零，将表２中　ＦＢ１００的参数设定为表中所述的设定值．程序运　行时每隔１００　ｍｓ自动调用一次ＯＢ３５．在ＯＢ３５中　调用ＦＢ４１和ＦＢ１００，将会使用在ＯＢ１００中设置　的ＦＢ４１和ＦＢ１００的参数值，可以通过人机界面　来修改其中的某些参数．ＦＢ４１模块和ＦＢ１００模块　的背景数据块分别为ＤＢ４１和ＤＢ１００．　图２　ＰＩＤ调节监控画面　画面中有两个子窗口“ＰＩＤ调节器”和“ＰＩＤ　调节参数设置”，一个ＷＩＮＣＣ在线趋势图控　件　Ｊ，命名为“ＬＩＣＡ４０１调节器趋势图’ｑ　．子窗　口“ＰＩＤ调节器”中用一个滚动条和一个输入／输　４　ＰＩＤ调节曲线的监测　为了比较清晰地显示ＰＩＤ调节曲线，了解各　个参数之间的关系，上位机通过采用组态软件　出域同时作为ＰＩＤ给定值动态显示和输入，ＰＩＤ　的反馈值和输出值的变化都分别用一个矩形条和　输　输出域的动态填充来显示；由于ＦＢ１００的　参数在下位机中已经设定好了，所以子窗口“ＰＩＤ　调节参数设置”中只应用到了三个输　输出域　作为对下位机ＦＢ４１的参数给定，分别为比例度、　积分时间和微分时间；在“ＬＩＣＡ４０１调节器趋势　图”中设定三条曲线，分别对ＰＩＤ的三个变量，给　定值（ｓＰ）、反馈值（ＰＶ）和输出值（ＣＶ）进行实时　７２　吉林化工学院学报　的在线监测，用以表征三者之间的关系．仿真过程　中所监测的调节曲线，如图３所示　．　置为ＴＵＲＥ（使用外设变量），不用设置浮点数过　程变量ＰＶｊＮ，外设变量ＰＶ—ＰＥＲ应设为实际实　用的模拟量输入模块的通道地址；　（３）不用设置浮点数输出ＬＭＮ的实参，ＬＭＮ　ＰＥＲ（外设输出值）设为实际使用的模拟量输出　模块的通道地址；　（４）如果系统需要自动／手动两种工作模式　的切换，ＦＩＭ１的参数ＭＡＮ—ＯＮ应设置为切换自　动／手动的位变量，手动时该变量为ＯＮ．参数　ＭＡＮ设置为用于输入手动值的地址．　—图３　Ｐ。Ｄ调节曲线　图３中三段曲线都是在比例度为１０．０、积分　时间为３０　ｓ（进行上下位机通讯是，对时间变量的　６　结　论　设定存在一定的线性关系，上位机的输人值为下　位机的１　０００倍，此处的３０　Ｓ为下位机设定值，所　以上位机输人为０．３　ｓ）、微分时间为０．０　ｓ的情况　下所得到的．第一段曲线的设定值为３０，第二段　设定值为４０，第三段设定值为３０．从图中曲线可　以看出，在设定值存在升降变化是也能得到良好　的震荡曲线．ＰＩＤ调节器从开始震荡到稳定输出　需要的时间大约为２Ｏ一３０　ｓ，且设定值与反馈值　的偏差都在小于１　．　通过仿真实验验证：在缺少实际对象的情况　下，通过软件对被控对象进行模拟仿真，可以实现　ＰＩＤ的连续闭环调节，得到了理想的调节曲线，解　决了传统ＰＩＤ调节器在缺少受控对象时无法进行　仿真调试的技术问题，方便了ＰＩＤ控制器在实际　工程中的测试．　参考文献：　［１］廖常初．跟我动手学ｓ７—３００／４００ＰＬＣ［Ｍ］．北京：　机械工业出版社，２０１０．　［２］胡学林．可编程控制器教程［Ｊ］．北京：电子工业出　版社，２００３，１１（７）：２１－２３．　５仿真系统的程序与实际的ＰＩＤ程　序的区别　为了用于实际的ＰＩＤ控制，在上述程序的基　础上，需要做以下改动：　（１）删除ＯＢ１００和ＯＢ３５中调用的ＦＢ１００　（过程对象）的指令　；　（２）实际的ＰＩＤ控制程序使用ＡＩ模块的过　程变量ＰＶ—ＰＥＲ，则输入变量的ＰＶＰＥＲ—ＯＮ应设　［３］刘华波，等．组态软件ＷＩＮＣＣ及其应用［Ｍ］．北京：　机械工业出版社，２００９（７）：１７３－１７６．　［４］　南新元，陈志军，高丙朋．ｓ７．３００　ＰＬＣ在番茄酱杀菌　自动控制系统中的应用［Ｊ］．自动化仪表，２０１０，　３１（５）：３４－３９．　［５］　罗隆福，刘勇．采用ＰＬＣ的大中型柴油发电机　ＦＵＺＺＹ－ＰＩＤ励磁控制系统［Ｊ］．湖南大学学报，　２０００，２７（６）：５１－５５．　［６］　王伟，张晓海．基于ＰＬＣ的ＰＩＤ算法在液态肥生产　温控系统中的应用［Ｊ］．石河子大学学报，２０１２，　３０（１）：１１６．１１９．　Ｓ７－３００　ＰＩＤ　Ｃｌｏｓｅｄ－ｌｏｏｐ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ＷＡＮＧ　Ｔｏｎｇ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｃｈａｎｃｈｕｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ　Ｃｉｔｙ　１３００２２，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｅｌａｂｏｒａｔｅｓ　ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｔｈａｔ　Ｓｉｅｍｅｎｓ　ＰＬＣ　ｓ７．３００　ＰＩＤ　ｒｅｇｕｌａｔｏｒ　ｍｏｄｕｌｅ　ｓｉｍｕｌａｔｅｓ　ｗｉｔｈｏｕｔ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ｏｂｉｅｃｔ．Ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｕｓｉｎｇ　ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ　ｍｏｄｕｌｅｓ￣ＦＢ４１　ａｓ　ｒｅｇｕｌａｔｏｒ　ａｎｄ　ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ　ｍｏｄｕｌｅｓ　ａｎｄ　ＦＢ１００　ａｓ　ｏｕｔｐｕｔ　ｆｅｅｄｂａｃｋ　ｔｏ　ｒｅａｌｉｚｅ　ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｐｒｏｇｒａｍ　ｏｆ　ＰＩＤ　ｃｌｏｓｅｄ—ｌｏｏｐ　ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ　ａｒｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ．　Ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｒｕｎｎｉｎｇ　ｏｆ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．ｉｔ　ｉｓ　ｐｏｓｓｉｂｌｅ　ｔｏ　ｏｂｔａｉｎ　ｔｈｅ　ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ　ＣＨＩＶｅ　ｗｈｉｃｈ　ｉＳ　ａｃｃｏｒｄａｎｔ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ａｃｔｕａｌ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉＳ　ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｖｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｔｅｓｔ　ｏｆ　ＰＬＣ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｓ　ｗｅｌｌ　ａｓ　ｔｈｅ　ＰＬＣ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｔｅａｃｈｉｎｇ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＦＢ４１；ＰＩＤ　ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ；ＦＢ１００；ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ　ｃｕｒｖｅ