西门子S7-1200PLC模块天津代理价格

西门子S7-200 PLC的PID指令编程举例

    某一水箱里的水以变化的速度流出，一台变频器驱动的水泵给水箱打水，以保证水箱的水位维持在满水位的75%。过程变量由浮在水面上的水位测量仪提供，PID控制器的输出值作为变频器的速度给定值。过程变量与回路输出均为单极性模拟量，取值范围为0.0～1.0。

    本例采用PI控制器，给定值为0.75，选取控制器参数的初值为：Kc= 0.25，Ts=0.1s，TI= 30min。控制程序如下：

    由于具有诸多优点，在工业控制中PID控制得到了广泛的应用。现在，大多数PLC都有专门用于PID控制的指令。PLC实现PID控制的方法有多种，直接应用PID指令来实现基于PLC的PID控制器，是一种易于实现且经济实用的方法。

    本例针对PLC闭环控制系统中PID控制器的实现，介绍了PID数字控制器的原理、实现方法和编程实例。需要指出的是，PID控制算法具有很强的灵活性，根据被控对象特点的不同，可以使用PI控制、PD控制、PID控制等多种方式，从而达到更好的控制效果。在PLC PID数字控制器的程序设计中，也应充分考虑这一点，保持PID控制算法的灵活性。

    随着智能控制技术的发展，PID控制与模糊控制、神经网络控制等现代控制方法相结合，可以实现PID控制器的参数自整定，使PID控制器具有经久不衰的生命力。
  S7-200的PID指令如图9.13所示。

    图9.13    PID指令

    指令中TBL是回路表的起始地址，LOOP是回路编号。编译时如果指令的回路表起始地址或回路号超出范围，CPU将生成编译错误（范围错误），引起编译失败。PID指令对回路表中的某些输入值不进行范围检查，应保证过程变量、给定值等不超限。回路表见表9.3。

    过程变量与给定值是PID运算的输入值，在回路表中它们只能被PID指令读取而不能改写。每次完成PID运算后，都要更新回路表内的输出值%，它被限制在0.0～1.0之间。

    如果PID指令中的算术运算发生错误，特殊存储器位SM1.1（溢出或非法数值）被置1，并将终止PID指令的执行。要想消除这种错误，在下一次执行PID运算之前，应改变引起运算错误的输入值，而不是更新输出值。
PID控制有两个输入量：给定值(sp)和过程变量(pv)。给定值通常是固定的值，如加热炉温度的给定值。过程变量是经A/D转换和计算后得到的被控量的实测值，如加热炉温度的测量值。给定值与过程变量都是与被控对象有关的值，对于不同的系统，它们的大小、范围与工程单位有很大的区别。应用PLC的PID指令对这些量进行运算之前，必须将其转换成标准化的浮点数（实数）。

    同样，对于PID指令的输出，在将其送给D/A转换器之前，也需要进行转换。

    (1)回路输入的转换。

    转换的*步是将给定值或A/D转换后得到的整数值由16位整数转换成浮点数，可以用下面的程序实现这种转换。

    转换的下一步是将实数进一步转换成0.0~1.0之间的标准化实数，可用下面的公式对给定值及过程变量进行标准化：

      (9-8)

式中，RNorm-标准化实数值；

    RRaw-标准化前的值；

    Offset -偏移量，对单极性变量为0.0，对双极性变量为0.5;

    Span -取值范围，等于变量的大值减去小值，单极性变量的典型值为32000，双极性变量的典型值为64000。

    下面的程序将上述的转换后得到的AC0中的双极性实数（其Span=64000）转换成0.0～1.0之间的实数。

    (2)回路输出的转换

    回路输出即PID控制器的输出，它是标准化的0.0～1.0之间的实数。将回路输出送给D/A转换器之前，必须转换成16位二进制整数。这一过程是将pv与sp转换成标准化数值的逆过程。

    用下面的公式将回路输出转换为实数：

     (9-9)

式中，RScal是回路输出对应的实数值，Mn是回路输出标准化的实数值。

    下面的程序用来将回路输出转换为对应的实数。

    用下面的指令将代表回路输出的实数转换成16位整数。

  PLC的PID控制器的设计是以连续系统的PID控制规律为基础，将其数字化，写成离散形式的PID控制方程，再根据离散方程进行控制程序设计。

    在连续系统中，典型的PID闭环控制系统如图9.11所示。图中sp(t)是给定值，pv(t)为反馈量，c(t)为系统的输出量，PID控制器的输入输出关系式为：
 （9-6）

式中，M(t) -控制器的输出，M0为输出的初始值。

    e(t)= sp(t) - pv(t) -误差信号。

    Kc -比例系数。

    TI-积分时间常数。

    TD-微分时间常数。

    图9.11    连续闭环控制系统方框图

    式9-5中等号右边前3项分别是比例、积分、微分部分，它们分别与误差、误差的积分和微分成正比。如果取其中的一项或两项，可以组成P、PD或PI控制器。

    假设采样周期为Ts，系统开始运行的时刻为t=0，用矩形积分来近似精确积分，用差分近似精确微分，将式9-5离散化，第n次采样时控制器的输出为：

      (9-7)

式中，en-1-第n-1次采样时的误差值。

    KI-积分系数。

    KD-微分系数。

    基于PLC的闭环控制系统如图9.12所示，图中虚线部分在PLC内。图中的spn、pvn、en、Mn分别为模拟量sp(t)、pv(t)、e(t)、M(t)在第n次采样时的数字量。

    在许多控制系统内，可能只需要P、I、D中的一种或两种控制类型。例如，可能只要求比例控制或比例与积分控制，通过设置参数可对回路控制类型进行选择。

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