西門子pid功能塊在過程控制中的應(yīng)用

西門子Pid功能塊在過程控制中的應(yīng)用摘要：隨著工業(yè)自動化控制技術(shù)的快速發(fā)展，高級設(shè)計(jì)語言和模塊化設(shè)計(jì)理念的融入，以及模擬量輸入'輸出模塊大量使用，使得可編程控制器（簡稱PLC）快速發(fā)展，其使用更加靈活，功能也變得更加強(qiáng)大，采用PLC進(jìn)行PID控制己經(jīng)成為工業(yè)模糊控制領(lǐng)域的主要控制方式之一。本文分析西門子公司可編程序控制器S7-300/400PLC提供的標(biāo)準(zhǔn)PID功能塊（S）FB41的實(shí)現(xiàn)方法，介紹了利用OB35分時處理的原理，為需要不同采樣時間和循環(huán)時間的多回路PID控制系統(tǒng)提供解決方案。'關(guān)鍵詞：西門子pid功能塊；過程控制；應(yīng)用1、 前言隨著可編程序控制器在工業(yè)生產(chǎn)中的普遍應(yīng)用和處理能力的不斷擴(kuò)展和提升,溫度、流量、壓力、液位等過程量的調(diào)節(jié)也越來越多地由PLC來完成。西門子公司的S7-300/400PLC為用戶提供了強(qiáng)大的標(biāo)準(zhǔn)PID功能塊（S）FB41/（S）FB42/（S） FB43,乂為大慣量的溫度控制系統(tǒng)提供了FB58/59功能塊。其中，（S）FB41應(yīng)用得最為廣泛。在實(shí)際應(yīng)用過程中，如果一個PLC系統(tǒng)的PID控制回路比較少,而且都是單回路PID控制器，（S）FB41都能取得很好的控制效果。反之，如果PID控制回路比較多，或是有串級控制等復(fù)雜控制策略的情況下，（S）FB41控制效果就會變得比較差。這種現(xiàn)象極大地限制了PLC系統(tǒng)在工業(yè)過程控制領(lǐng)域中的應(yīng)用。2、 PID控制的原理分析PID控制就是根據(jù)工業(yè)控制系統(tǒng)（以下簡稱系統(tǒng)）的測量誤差（反饋信號誤差），采用模糊數(shù)學(xué)模型（即比例、積分、微分）計(jì)算出的控制量，由執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行的系統(tǒng)控制。其控制原理如圖1所示。圖1比例（P）控制：比例控制是一種相對比較簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例（正比或反比）關(guān)系。在控制電路中，通常只有比例控制的系統(tǒng)輸出往往存在相對的穩(wěn)態(tài)誤差。積分（I）控制：積分控制是指控制信號和測量信號的誤差成積分關(guān)系的一種比較復(fù)雜的控制方式。在控制電路中，為了消除和減少系統(tǒng)輸出的穩(wěn)態(tài)誤差，我們通常在系統(tǒng)的電路控制中引入"積分項(xiàng)〃，即積分（I）控制。微分（D）控制：微分控制是指控制電路采集的兩次反饋信號誤差的微分（即信號誤差的變化率）成正比關(guān)系，它具有預(yù)測系統(tǒng)反饋信號誤差變化趨勢的特點(diǎn)。在控制電路中，系統(tǒng)誤差的調(diào)節(jié)過程中往往會出現(xiàn)系統(tǒng)振蕩現(xiàn)象，甚至造成系統(tǒng)失穩(wěn)。充其原因是由于控制系統(tǒng)中存在較大慣性組件或元件抑制了誤差的作用，使其變化總是延退于誤差的變化。解決這一問題的辦法就是使抑制誤差作用的變化“提前〃，于是在控制電路中，我們引入了〃微分項(xiàng)〃，它能提前預(yù)測出系統(tǒng)誤差變化的趨勢對控制部分進(jìn)行補(bǔ)償，從而避免或減少系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的嚴(yán)重超調(diào)。綜上所述，比例+積分+微分（PID）控制能使系統(tǒng)快速進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，同時也能使系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中有較好的動態(tài)特性，從而使系統(tǒng)狀態(tài)達(dá)到工業(yè)控制的目標(biāo)要求。3、PID控制器的模擬化設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，是指在給定系統(tǒng)性能指標(biāo)的條件下，設(shè)計(jì)出數(shù)字調(diào)節(jié)器，使系統(tǒng)達(dá)到要求的性能指標(biāo)?？刂葡到y(tǒng)的設(shè)計(jì)通常分為離散化設(shè)計(jì)、模擬化設(shè)計(jì)、狀態(tài)空間法設(shè)計(jì)和復(fù)雜規(guī)律控制的設(shè)計(jì)。PID控制器是應(yīng)用最廣泛的一種傳統(tǒng)控制模式，其輸出與輸入之間的關(guān)系為：如果以傳遞函數(shù)的形式表示：式中：Ti為積分時間常數(shù)；Td為微分時間常數(shù)。PID控制器的模擬化設(shè)計(jì)就是在己知對象特性G(s)的情況下，根據(jù)對系統(tǒng)性能的要求，按照連續(xù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)出模擬PID控制器的數(shù)學(xué)模型D(s),再將D(s)離散化，就得到數(shù)字PID控制器的數(shù)學(xué)模型D(z)o由模擬PID控制器的數(shù)學(xué)模型D(s)離散化到數(shù)字PID控制器的數(shù)學(xué)模型D(z)的主要方法有：脈沖不變法、保持器等效法、數(shù)值積分法和零極點(diǎn)匹配法。其中數(shù)值積分法有前向矩形、后向矩形及梯形積分3種：式中：T為采樣時間，其中梯形積分也稱為雙線性變換。由此可見，數(shù)字PID控制器與模擬PID控制器相比，由于采樣周期的存在，總是有大約相當(dāng)于二分之一采樣時間的平均時延。評價數(shù)字PID控制器與模擬PID控制器性能的一個指標(biāo)是控制度。隨著采樣時間的縮短，控制度會愈加趨向于1,數(shù)字PID控制器會越加接近于模擬PID控制器，但總是略次于相應(yīng)的模擬PID控制器。在工業(yè)過程控制領(lǐng)域，流量、壓力、液位、溫度和成份等對象的變化都比較緩慢，采樣時間的選擇都在秒級以上。從PLC的運(yùn)算速度來看，PLC完全能夠滿足工業(yè)過程控制系統(tǒng)的要求。圖23、 西門子PID功能塊(S)FB41的功能西門子S7-300/400PLC提供的PID標(biāo)準(zhǔn)功能塊(S)FB41是以傳遞函數(shù)式(6)為基礎(chǔ)。其功能框圖如圖2所示。由圖2可以看出，(S)FB41具備如下功能：P、I、D單獨(dú)控制或組合控制；帶死區(qū)的PID控制；不完全微分PID控制；抗積分飽和PID控制；變量DISV可以用作前饋控制；正作用或反作用；手、自動無擾切換。4、 西門子PID功能塊(S)FB41的使用不同的控制對象，需要相應(yīng)的PID控制回路具有不同的采樣時間和循環(huán)時間。在串級控制策略中，副回路的采樣時間和循環(huán)時間要比主回路短很多。而在西門子的各種手冊和資料中，都要求(S)FB41的采樣時間CYCLE必須與調(diào)用它的循環(huán)中斷處理程序循環(huán)時間保持一致！這個問題在S7-400中還比較容易處理，S7-400PLC提供了OB30-OB38多達(dá)9個循環(huán)中斷，可以把需要不同采樣時間的PID回路放到不同的循環(huán)中斷中調(diào)用。但S7-300PLC只提供了一個循環(huán)中斷處理程序OB35,用戶對于成本方面的控制，乂使得S7-300PLC的選用越來越普遍。如何能夠在S7-300PLC中實(shí)現(xiàn)需要不同采樣時間和循環(huán)時間的多回路PID控制，并能達(dá)到一個很好的控制效果，是一個需要解決的難題。西門子為用戶提供了OB35作為S7-300/400PLC的一個循環(huán)中斷處理程序，可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置循環(huán)時間。為了實(shí)現(xiàn)多回路PID控制器不同的采樣時間和循環(huán)時間的需求，可以通過對OB35進(jìn)行分時處理來實(shí)現(xiàn)。例如設(shè)置OB35的循環(huán)時間為100ms,在OB35中再編寫一個計(jì)數(shù)器，每計(jì)到10調(diào)用一次A回路的PID控制器（S）FB41,則相當(dāng)于A回路的采樣時間和循環(huán)時間為Is；每計(jì)到20調(diào)用一次B回路的PID控制器（S）FB41,則相當(dāng)于B回路的采樣時間和循環(huán)時間為2So這樣就實(shí)現(xiàn)了在一個循環(huán)中斷處理程序OB35中處理多回路PID控制器的功能。5、結(jié)束語西門子PID功能塊（S）FB41具有非常強(qiáng)大的功能，但只有充分理解、消化（S）FB41的實(shí)現(xiàn)方法后，才能應(yīng)用（S）FB41構(gòu)建智能控制策略，完成