果想在S7CPU中使用大量的PID控制器.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流果想在S7CPU中使用大量的PID控制器.精品文档.果想在S7 CPU中使用大量的PID控制器，则需要评估控制器的采样间隔和功能块的运行。 控制器功能块在时间中断OB (通常为 OB35)中被调用 3 次。由此实现等距的采样时间或控制周期(例如 5 ms、20 ms、100 ms)。根据合理的控制器数量，在一个 OB 调用中编辑多个控制器，以获取较短的采样间隔。在一个 OB 调用中编辑的控制器数量越多，对 OB1 的二次影响(周期负载)越大。除了调用次数之外，还必须考虑 FB 的运行时间(对 OB1 的二次影响)。 举例 假设： 功能块在一个

2、循环周期的运行时间为5 ms。 OB1的运行时间(不考虑中断)为30 ms。 两个控制循环在OB35中连续运行。 OB35的时间中断循环周期为20 ms。OB1每隔20 ms被OB35中断10 ms ，即OB1循环每20 ms被延长10ms。OB1循环周期持续40 ms或 50 ms ，如下图所示。 图01 调节选项包如标准PID控制提供了一个调用分配器，调用分配器提供了一个便捷的途径来确定在循环时间中断OB3x 中的调用顺序和频率。对于集成控制器，这些由用户来决定。 下表列出了在不同的S7 CPU中控制循环块的典型运行时间： 功能块CPU 315-2AF03-0AB0, FW V1.2CPU

3、 315-2AG10-0AB0, FW V2.0.0CPU 317-6CF00-0AB0, FW V1.0CPU 416-2XK02-0AB0, FW V3.1FB41 CONT_CPID Control2 ms11 ms10.2 ms10.1 ms1FB42 CONT_SPID Control2 ms11 ms10.2 ms10.1 ms1FB43 PULSEGENPID Control0.5 ms10.2 ms10.05 ms10.02 ms1FB58 TCONT_CP (without controller optimization)PID Control4 ms11.5 ms10.3

4、ms10.15 ms1FB58 TCONT_CP (with controller optimization)PID Control5 ms12 ms10.4 ms10.2 ms1FB59 TCONT_SPID Control3 ms11 ms10.2 ms10.1 ms1FB1 PID_CPStandard PID Control5 ms12 ms10.4 ms10.2 ms1FB2 PID_ESStandard PID Control6 ms12 ms10.4 ms10.2 ms11 典型条件下的取整值(非最坏情况 )。 下面是一个计算采样间隔的例子： 功能块的运行时间* 控制器数目举例

5、S7-CPU 315 (6ES7315-2AG10-0AB0)和 FB58 TCONT_CP (带控制器优化) 结果为：2 ms * 控制器数目假设在S7 CPU 315 (6ES7315-2AG10-0AB0)中运行50个PID控制器。如果OB3x循环周期为2 ms 且每个OB3x循环周期处理一个控制器，那控制器的采样时间为100 ms。如果每个OB3x循环周期处理两个控制器，则控制器的采样时间减半为50 ms (OB1负载加重). 注意循环采样时间不仅影响CPU的运行负载，而且影响PID控制器的效果。控制器对两次采样间隔之间的输入变化不响应，控制器的输出保持不变。另外，必须考虑过程的控制路

6、径。位置控制和压力控制通常需要一个比温度控制(典型值100 ms - 10000 ms)更短的采样时间(典型值1 ms - 100 ms)，因为每一个控制路径有一个不同的时间特性。因此，最小的循环采样时间间隔必须小于特定CPU的控制程序运行时间，而且最大的循环采样时间间隔为工艺动态中定义的允许的上限值。 说明：您可以通过手动优化参数提高控制器的控制质量。然而，这无法代替通过数学计算确定控制参数 (增益，积分时间和微分时间 )，使用整定工具如 PID 自整定器 (MLFB: 6ES7860-4AA01-0YX0) ，或使用默认的控制参数设定。在实际应用中为了确定软控制器的控制参数，必须确认已经正

7、确设置的采样时间 (例如 周期) 。如果有条件的调用控制块（无调用分配器），通常可以通过获取循环中断的时基来设置采样时间。如果使用了调用分配器或时钟分配，就必须考虑该问题。另外，还必须考虑过程的控制曲线。相对于温度控制的采样时间(典型值 100ms - 10000ms)，位置控制和压力控制通常要求非常短的采样时间(典型值 1ms - 100ms)，这是由于每种控制曲线都有不同的时间响应行为。采样时间还会影响控制质量和 CPU 的处理能力，这是由于循环中断会以固定的时间间隔在任意的点上中断程序循环。以下示意图是温度控制曲线，显示了设定值阶越变化时不同的阶越响应，使用了 PID 控制器。需要重点注

8、意的是，在记录阶越响应曲线前，首先要到达工作状态。 图 01 上图显示了在不同的控制器参数设定下，不同的实际值曲线。 实际值1：实际值非常迅速的接近设定值，并且出现很大的上超调，然后又出现严重的下超调。在逐渐减小的波形震荡运动中，实际值接近设定值。对于合适的控制行为来说，控制器设定值过度激烈。这可能是由于增益系数过大和/或积分时间太短。首先，应该减小增益系数，直到状况有所改善，然后还应该增加积分时间。需要按照顺序执行以上步骤，直到取得良好效果。 实际值2：实际值非常迅速的接近设定值，并且出现小的上超调。经过一个小的下超调后，实际值接近设定值。如果主控制器要求必须对误差和设定值改变迅速做出响应，

9、这是一种良好的控制行为。在这种情况下，不必再改变控制参数。 实际值3：实际值缓慢接近设定值，并且无超调的到达设定值。如果控制器不允许任何超调，这是一种良好的控制行为。在这种情况下，不必再改变控制参数。 实际值4：实际值缓慢接近设定值，波形向下倾斜。这可能是由于增益系数太小和/或微分时间太长。首先，应该增大增益系数直到情况得到改善，然后减小微分时间。需要按照顺序执行以上步骤，直到取得良好效果。 实际值5：实际值非常缓慢的接近设定值。这可能是由于增益系数太小和/或积分时间太长。首先，需要增大增益系数直到情况得到改善，然后减小积分时间。需要按照顺序执行以上步骤，直到取得良好效果。个模拟量输入提供了一

10、个数字值来表示标准化的模拟量信号（电流，电压，电阻或温度），该数字值应该能够表示出所测量的参数（例如：容器中的液位）。这个过程被称为模拟量的标准化或线性化。 相反的，当用户程序计算出一个过程值，并转化为数字量，用于模拟量输出模板输出一个模拟量信号驱动模拟量执行机构，这个过程称为还原。模拟量线性化/还原功能的库文件可以下载并使用。图01是一个线性化的例子。 图. 01 图02是一个还原的例子。 图. 02 这里 y 值是转化后的结果，而 x 值是已知参数。 以下四个功能是可装载的库文件，根据 y 或 x 侧的数据类型不同有所区别。 1. 在FC164中，x 值为整数类型， y 值为整数类型 .

11、2. 在FC165中，x 值为整数类型， y 值为实数类型 . 3. 在FC166中，x 值为实数类型， y 值为整数类型 . 4. 在FC167中，x 值为实数类型， y 值为实数类型 . 注意： 这些功能并不改变地址寄存器 AR1/AR2 ，使用 FBD和 LAD 时，提供ENO 功能用于将RLO=0 或 1 保存到BR位中。 以FC165为例介绍程序的处理（整数类型到实数类型的线性化） FC165的参数： 声明名称类型内容inXINT范围-32768,.,0,.,+32767inyMINREALy 的最小值-3.402823e+38,.,0.0,.,+3.402823e+38inyMAX

12、REALy 的最大值-3.402823e+38,.,0.0,.,+3.402823e+38inx0INT范围-32768,.,0,.,+32767iny0REAL范围-3.402823e+38,.,0.0,.,+3.402823e+38inx1INT范围-32768,.,0,.,+32767iny1REAL范围 -3.402823e+38,.,0.0,.,+3.402823e+38outyREAL范围-3.402823e+38,.,0.0,.,+3.402823e+38通过设定 yMIN和 yMAX ，可以设定计算 y 值的范围，这实际上也限定了模拟量模板的上限和下限。 Y 可以根据线性方程y

13、 = a x + b 来计算。 因而这里使用的公式为：y = (y1-y0) / (x1-x0) * (x-x0) + y0 使用FC165(整型 实型) 进行线性化的例子： 图. 03 一个通过模拟量输入模块得到的4mA到 20mA 信号，在CPU内部被转化成0到 27648 。待测值为液位，已知模拟量与液位的对应关系为4mA表示0.0m， 20mA表示1.7m 。 这里的参数为：P0(x0=0; y0=0.0)P1(x1=+27648; y1=+1.7) 调用FC165如下：CALL FC165x:=PEW20yMIN:=0,0yMAX:=1.7x0:=0y0:=0.0x1:=27648y

14、1:=1.7y:=MD22 注意：参考手册 S7-300 Automation System Module data (Entry ID 8859629), 第5 章 Representation of the analog values of analog modules 来查找CPU检测的电压、电流、电阻以及温度范围。对于S7-400系统，相关信息可以在手册Automation System S7-400 Module Specifications (Entry ID 1117740), 5.3章节 Analog Value Representation查询。 组态注意事项:在使用 FB

15、58 TCONT_CP 进行控制器优化期间，如果输入了一个与控制方向相反的设定值（例如在加热期间设定值是负的），优化并不会取消。用于搜索拐点的中止标准不工作，控制过程会过热，例如。 使用FB 58 TCONT_CP，如果控制器的优化由设定值的跳变来触发，将会有如下的控制方向： 正向控制：设定值的增加 = 控制器输出的增加，例如加热（设定值从50C变为 100C） 负向控制， 例如冷却：设定值的增加 =控制器输出的下降（设定值从 -50C变为 -10C）提示：如果控制过程已经达到工作点（当前设定值），工作点的优化应该通过 TUN_ST = TRUE 实现。 置注意：PID控制 CONT_C, C

16、ONT_S 和 PULSEGEN 控制功能有两个版本但是功能相同： FB 41, FB 42, FB 43可以下载的FBs 适合所有的 CPU (S7-300, S7-400)。 SFB 41, SFB 42, SFB 43这些SFB 集成于类型为 313C /314C和 C7 系列S7-300 CPU中。在STEP 7标准库 (SIMATIC Manager: File Open Libraries .) PID Control Blocks (FBs)目录 or System Function Blocks (SFBs)目录中可以这些功能块。 当使用这些功能块时应注意下面几点： 1. FB

17、 41 CONT_C 为了保证执行频率一致，块应当在循环中断 OB (例如. OB35)中调用。 CYCLE 参数对应的是扫描时间。必须将程序块调用的间隔时间赋值在这里 ( 例如基于 OB35 的时间 )。 缺省状态下为手动模式 (MAN_ON=true)。自动回路被中断，在MAN参数下输出控制值。 为了确保手自动的无扰切换，在手动模式下至少保证两次块调用的输出时间。 当 CPU 重新启动,参数 COM_RST = true 将引导块的执行。 参数COM_RST 中断PID控制器的执行。2. FB 42 CONT_S 为了保证执行频率一致，块应当在循环中断 OB (例如. OB35) 中调用。

18、 CYCLE 参数对应的是扫描时间。必须将程序块调用的间隔时间赋值在这里 ( 例如基于 OB35 的时间 )。 缺省状态下为手动模式 (LMAN_ON=true)。 当 CPU 重新启动,参数 COM_RST = true 将引导块的执行。 参数COM_RST 中断控制器的执行。 参数PULSE_TM和 BREAK_TM被设置为 CYCLE 参数的整数倍。3. FB 43 PULSEGEN 为了保证执行频率一致，块应当在循环中断 OB (例如. OB35) 中调用。 当 CPU 重新启动,参数 COM_RST = true 将引导块的执行。 CYCLE 参数对应的是扫描时间。必须将程序块调用的

19、间隔时间赋值在这里 ( 例如基于 OB35 的时间 )。 FB43 可以和 FB41 结合使用,但是与 FB42 功能不同。 参数 PER_TM 必须从 PID 控制器 (FB41) 上设置扫描时间。 FB41 的调用时间通过时钟分配器完成 (参考 FB43 在线帮助)。注意：由于 OB1 不能保证不变的循环时间，所以不能为 CYCLE 提供明确的参数。一旦 CYCLE 参数不能和扫描时间保持一致，那么基于时间的控制参数(例如. TI, TD)会看起来很快或者很慢。在条目 ID !16532187 可以找到 (S)FBs 41 - 43描述和示例的注意事项。相关块的在线帮助也包含有用的建议。 在 FB58 上配置了“setpoint value = actual value”时为何还有系统偏差？ 解答：你使用的是 FB58“TCONT_CP”的脉冲生成器(参数“PULSE_ON = True”)。并且设置为设定值 等于实际值，以便使系统偏差实际上为零。 在内部，脉冲生成器使用的是实际值的平均值，这就是“设定值实际值”比较时存在系统偏差的原因。 如果您在控制器处理过程中“保存”了实际值，并使得脉冲形成器的处理可以作为一个恒定值，则系统偏差也将为零。