基于S7-300 PLC的PID单闭环控制系统仿真

论文题目：基于S7-300 PLC的PID单闭环控制系统仿真 年 级：2012级

院 系：机电工程与自动化学院 学生姓名：安志博 学 号： 指导老师：郑伟 日 期：2015年5月

目 录

摘 要 .............................................................................................................................. 1 Abstract .......................................................................................................................... 2 第一章 绪论 .................................................................................................................... 3

1.1 PLC简介 ............................................................................................................ 3

1.1.1 PLC产生与发展 ..................................................................................... 3 1.1.2 S7-300PLC介绍 ...................................................................................... 3 1.1.3 SIMSTIC人机界面 ................................................................................. 4 1.2 模拟量闭环控制介绍 ....................................................................................... 4

1.2.1 模拟量与数字量 .................................................................................... 4 1.2.2 模拟量闭环控制系统结构 .................................................................... 4 1.2.3 PLC模拟量控制的特点 ......................................................................... 5 1.3 PID单闭环控制系统研究意义 ......................................................................... 5 第二章 PID控制原理 ..................................................................................................... 7

2.1 PID调节基准 ..................................................................................................... 7 2.2 比例控制 ........................................................................................................... 7

2.2.1 比例控制作用 ........................................................................................ 7 2.2.2 比例控制规律 ........................................................................................ 7 2.3 积分控制 ........................................................................................................... 8

2.3.1 积分控制缺点 ........................................................................................ 8 2.3.2 积分控制调试 ........................................................................................ 8 2.3.3 积分控制规律 ........................................................................................ 8 2.3.4 比例积分（PI）控制规律 ..................................................................... 9 2.4 微分控制 ........................................................................................................... 9

2.4.1 微分控制缺点 ........................................................................................ 9 2.4.2 微分使用条件 ........................................................................................ 9 2.4.3 微分控制规律 ...................................................................................... 10 2.4.4 比例微分（PD）控制规律 ................................................................. 10 2.4.5 PID 控制规律 ....................................................................................... 10 2.5 PID 控制参数整定 .......................................................................................... 10

2.5.1 单因素优选法介绍 ...............................................................................11 2.5.2 参数整定 ...............................................................................................11

第三章 S7-300 PID闭环控制系统 ............................................................................. 12

3.1 S7-300 PID闭环控制系统 .............................................................................. 12

3.1.1 PID闭环控制系统PLC选型 ............................................................... 12 3.1.2 PID单闭环仿真系统结构 .................................................................... 12 3.2 用户程序的逻辑块和数据块 ......................................................................... 12

3.2.1 FB 41 功能块介绍 ................................................................................ 12 3.2.2 OB35 循环中断组织块介绍 ................................................................ 15 3.2.3 OB100 组织块介绍 .............................................................................. 16 3.3.4 共享数据块DB介绍 ........................................................................... 16

第四章 S7-300 PID控制的编程与仿真实验 ............................................................. 17

4.1 PID单闭环控制系统程序 ............................................................................... 17

4.1.1 S7-300和HMI组态 ............................................................................. 17 4.1.2 S7-300 PID控制程序 ........................................................................... 17 4.1.3 WinCC flexible PID仿真界面 .............................................................. 20 4.2 PID控制系统参数整定仿真实验 ................................................................... 24

4.2.1 程序下载仿真 ...................................................................................... 24 4.2.2 PID控制系统参数调整 ........................................................................ 24

第五章 全文总结 .......................................................................................................... 27 致谢 ................................................................................................................................ 28 参考文献 ........................................................................................................................ 29 中英文翻译 .................................................................................................................... 30

摘 要

在现代工业控制系统中，PID控制技术应用非常广泛。然而，用实际的单闭环控制系统进行PID控制器参数整定的话，会存在一定的风险。这篇文章介绍的是，通过使用PLCSIM软件对PID单闭环控制系统进行模拟仿真实验，使用WinCC flexible软件对仿真界面进行创建，并用界面中的I/O域进行参数的修改起到调节PID的作用。综合的分析和判断调节参数，使PID单闭环控制系统得到较好的响应曲线。本文还对PID单闭环控制系统PLC编程和仿真界面制作还有PID控制原理进行了详细的介绍和说明。

关键字：S7-300PLC、PID单闭环控制系统、仿真

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Abstract

In modern industrial control systems, PID control technology is widely used. However, the setting, then there will be some risk with the actual single closed-loop control system PID parameters. This article is by using PLCSIM software PID single loop control system simulation experiments, using the WinCC flexible software simulation interface to create and modify the parameters used in interface I / O field play a regulatory role in PID. Comprehensive analysis and judgment adjustable parameters, so that a single PID loop control system to get a better response curve. This paper also PID single loop control system PLC programming and simulation as well as PID control principle interface make a detailed introduction and description.

Keywords: S7-300PLC, PID single closed-loop control system, simulation

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第一章 绪论

1.1 PLC简介

1.1.1 PLC产生与发展

PLC，在很久之前叫PC，与个人计算机同名，为了将两者区别开，改名为可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller) ，简称PLC。

在PLC问世之前，控制器都是由继电器、接触器组成的传统的生产机械控制系统结构。体积庞大、故障率高，控制功能比较固定、接线复杂、不容易检修，但是结构简单、价格便宜。1968年，美国通用汽车公司（GM）提出了把计算机的一系列优点和传统的控制系统的优点相结合，造一种通用控制装置的设想，并根据设想开始招标。

1969年，美国数字设备公司（DEC）根据GM公司提出的要求研制成功世界上第一台PLC，主要用于顺序控制和逻辑运算，这台PLC首次试用在GM公司的汽车生产线上，很快在美国其他工业领域得到了广泛的应用。并命名为可编程逻辑控制器。

日本于1971年引进这项技术，很快研制了一台PLC。两年之后，西欧国家也研制出来一台。

从1975年到1976年，美国、日本、联邦德国等一系列国家使PLC集成化，控制更加灵活，功能更加完善，并大大降低了成本。

进入20世纪80年代，随着各方面技术的发展，PLC功能更加强大，形成了不同系列的产品。

1.1.2 S7-300PLC介绍

国内市场占有率最高的是西门子公司的PLC，是国内的主流品牌，具有较高的稳定性，西门子PLC产品中比较好的系列有S5、S7、C7、M7及WinAC等几个系列。其中，1994年，S7系列PLC问世，分为SIMATIC S7-200、SIMATIC S7-1200、SIM S7-300ATIC和SIMATIC S7-400几个子系列，是目前PLC市场 的主流产品。

在本论文中我们选用的是S7-300 PLC中型PLC，采用模块化机构，各种模块相互独立，安装在固定的机架（导轨）上，如图1-1所示为S7-300系统图。用户可以根据要求选择合适的模块，具有更换方便，便于维修等优点。

图1-1 S7-300PLC系统图

安装STEP7编程软件后才能编写S7-300PLC的程序，程序编写完成后，为了避免错误程序对设备照成不必要的损伤，我们可以安装仿真软件

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PLCSIM，进行程序的仿真，观察程序执行结果。

1.1.3 SIMSTIC人机界面

人机界面（Human Machine Interface）简称为HMI。人机界面顾名思义是操作人员与控制系统之间相互沟通的桥梁，人机界面可以在恶劣的工业环境中长时间连续运行，是PLC的最佳搭档。

人机界面可以用文字做提示，图形按钮、动画动态做输入操作和输出显示操作人员可以通过人机界面来控制现场的被控对象。此外人机界面还有报警、用户管理、数据记录、趋势图、配方管理等功能。

西门子的人机界面及其组态软件WinCC flexible具有支持多语言组态和多语言运行，可以方便地与STEP7集成，与PLCSIM一起实现PLC和人机界面的集成仿真等特点。

1.2 模拟量闭环控制介绍

1.2.1 模拟量与数字量

什么是模拟量。在我们日常生活中、在生产当中，经常碰见一些随时间变化的物理量，这些物理量就是模拟量。例如温度，压力，流量等。如图1-2所示，左图的曲线随着时间的变化而变化的就是模拟量。

什么是数字量。数字量和开关量是一个意思，随时间的变化是不连续的，用0和1表示两种不同的状态，像是一个一个的脉冲波形，如图1-2右图所示，所以又叫脉冲量。

t

模拟量

数字量

图1-2 模拟量与数字量波形图

t

1.2.2 模拟量闭环控制系统结构

图1-3所示为PLC模拟量闭环控制系统，图中虚线选中的部分用PLC实现。

图1-3 模拟量闭环控制系统图

在模拟量闭环控制系统中，PLC的CPU只能处理数字信号，而大多数执

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行机构，例如变频器，电动调节阀等执行机构只能由模拟电压或模拟电量给定驱动信号。

图1-3中的sp(n)是给定值，pv(n)为A/D转换后的反馈量，误差ev(n)=sp(n)-pv(n)。

sp(n)给定一个数字值，经过比较器，将误差ev(n)给控制器输出。由于执行机构不能识别数字信号，所以，PLC用模拟量输入模块中的D/A转换器将数字量信号转化为驱动执行机构的模拟信号mv(t)，从而控制被控对象。输出量c(t)经测量与变送元件（传感器）将检测的模拟量转化为模拟信号，PLC用模拟量输入模块中的A/D转换器将它们转化为CPU能识别的数字量信号pv(n)，将结果反馈给PLC。

1.2.3 PLC模拟量控制的特点

PLC处理模拟量必须经过采样、量化这两道工序。采样，即在指定时间上向模拟量取值；量化，即将取出的模拟量数值转化为CPU能识别的数字量（二进制）。

同样一个模拟量，一个存在八位的寄存器，一个存在十六位的寄存器，经过量化后的数字量与采样的模拟量的值存在一定的误差。

采样只是指定时间上向模拟量取值，而模拟量时时刻刻在变化的值。所以采样的曲线，与实际的模拟量曲线是有差别的，即存在失真。

采样、量化、执行、输出都需要一定的时间，所以响应滞后。

PLC有一个很强的优点，具有很强的抗干扰能力，提高控制的可靠性。

1.3 PID单闭环控制系统研究意义

PID控制数学表达式为：

de??1tu?t??P?e??edt?D??u?0?I0dt?? （1-1）

1tdeedtD为积分项，为微分项，u?0?为初始稳态?0Idt值。比例项起到的作用叫比例控制，积分项起到的控制叫积分作用，微分项起到的控制叫微分输出，取其中的一项或多项可以组成P、PI、PD或PID调节器。其中PID控制最好，但并不意味着在任何情况下应用PID控制都是合适的，应该根据控制对象的特性和生产过程中对控制质量的要求进行综合考虑选择合适的控制器。一般采用PI的控制方式，如果控制对象的惯性滞后比较大，应该采用PID控制方式。

从PID的产生到现在已经有70多年了，PID控制系统也越来越广泛，越来越多的人也在学习PID控制技术，形成了普及应用的趋势。现在几乎所有的PLC、变频器、智能控制设备都有PID，例如变频器需要用到PID控制，则打开关于允许PID的操作命令，就可以实现PID调节功能，PID是目前无静差控制中的比较好的方法。

PID应用最广泛的就是在控制低端系统(系统不是很大，单单的一个单回路)用PID效果会比较好。如果回路多的话，PID也能应用，但是太复杂的系统，PID不一定适用。

所以说PID应用非常广泛，作为一个搞工控的人员，哪怕是一个电工也有

式中，Pe为比例项，

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很大的可能去接触PLC，接触变频器，了解学习了PID控制内容就会对PID控制问题不会感到棘手，对将来工作有很大的帮助。

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第二章 PID控制原理

2.1 PID调节基准

PID控制曲线快速，无超调即我们调节的标准。快速，即系统快速响应，短时间输出值便能达到给定值。无超调，即输出不会高于给定值。

2.2 比例控制

比例控制我们可以通俗的理解为：一个水槽有一个进水阀和一个出水阀，如果说进水阀的进水量和出水阀的出水量相等的话，水位将固定在一个水位线，假设在水位B上，如图2-1。当我们加大出水量时，水位从B水位降到C水位，为了将水位继续保持在B水位，我们就会额外从外界加入一定量的水到水槽里边来。

图2-1 水槽水量模拟图

倒（舀）水量 = 比例系数 * 目标水位高度 - 当前水位高度，可以理解为，如果比例系数很小，当当前水位高度 < 目标水位高度时，那么倒水量就很少，水位慢速上涨；当当前水位高度 > 目标水位高度时，舀水量就会很小，使调节时间加长。最后在趋近于目标水位高度的某个高度停下来。如果加大比例系数，当当前水位高度 < 目标水位高度时，那么倒水量就会加大，水位快速的上涨；当当前水位高度 > 目标水位高度时，舀水量就会很大，水位也会快速的下降。如此往复，形成振荡，容易使系统不稳定。

2.2.1 比例控制作用

比例控制系统能快速响应，并与误差同步，使被控量误差逐渐减小，但不能把偏差消除，控制结果会有余差，比例系数P的值越大，控制作用就会越强，但是容易使系统不稳定。比例控制一般应用在被控对象滞后性小，负荷变化不大，而且对精度要求不高，允许被控量在一定范围内变化的场合，例如空压机压力，液位等。

2.2.2 比例控制规律

比例控制规律如下式所示：

?U?P?e （2-1）

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式（2-1）中，为控制器的输出变化量，P为控制器的比例增益或比例系数，e为控制器的输出（偏差）。由式（2-1）可知，和e成正比关系，在时间上没有延迟、滞后；调节比例系数p，给定值与输出实际差值额定，比例增益即P的值越大，作用越强，从而系统快速响应，短时间使输出值趋向于给定值。

比例控制响应快，无滞后，只要有偏差，就立即调节，快速克服扰动，使被控量及时回到给定值附近。在控制系统中，如果存在扰动，比例控制只能使得输出值停在给定值的附近，不能达到或回到给定值，从而产生一个静态的差值，即静差。而静差的大小代表了系统的精度，那么静差的产生跟我们的比例控制P又有什么关系呢？P值选取越大，即调节时补差量就增加，所以静差就越小；反之，则静差越大。有些控制（例如，随动控制、成分控制）不能有静差，静差会使系统精度很差。

2.3 积分控制

在上述的水位控制系统中，只要系统中水位高度存在偏差，积分项就起作用减少偏差。如果当前水位高度 < 目标水位高度，即水位偏差为正值时，积分项增大，使倒水量加大。如果当前水位高度 > 目标水位高度，即水位偏差为负值时，积分项减小，使舀水量加大。积分作用和积分项有关，而积分项是由积分时间和偏差对时间的积分两部分组成。随着时间的推移，积分项会越来越大，即使偏差非常小，积分项仍然不断的减小误差，使偏差无限趋近于目标位置 。

2.3.1 积分控制缺点

积分项是根据当前的偏差和过去几次的偏差累加起来作用的，所以积分作用具有滞后性，影响系统的稳定性能。

在实际系统中存在惯性，例如温度调节，给定信号发出，加热丝通电发热升温，须等待一段时间才缓慢变化达到给定的温度。如果积分作用太强，其累加的作用就等同于加大比例系数，造成积分超调和振荡，容易使系统不稳定。反之，则使消除稳态误差的时间加长。

2.3.2 积分控制调试

因为积分时间I是式（2-1）的积分项的分母，因此，I值越大，积分作用越差。反之，则越强。

理论与实际还有所不同，具体调试，我们应该根据理论并结合实际系统情况，适当的调节I值，以达到系统最优的目的。

2.3.3 积分控制规律

积分控制规律如下式所示：

t1t?U??edt?KI?edt （2-2）

0I0式（2-2）中，I是积分时间，KI是积分比例系数。积分控制是积少成多，慢慢变化。

积分控制有消除静差的优点。在过程控制中意味着执行器在不断的变化，有偏差就作用，没有偏差就停止，直到把偏差消除。同时，积分控制也有调节动作缓慢的缺点，积分控制的作用是由零开始积分的，并随着时间的增加

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而将前几次结果累加起来的。因此，积分控制有滞后，控制过程缓慢的缺点。

一般的说，单独的积分控制是不能使用的，积分控制能消除静差，而比例控制存在静差。根据它们的特点，将比例控制和积分控制相结合，即消除两块静差，又能使系统动作快，到达无静差控制。

2.3.4 比例积分（PI）控制规律

比例积分控制规律如下式所示：

1t??U?P?e??edt? （2-3）

I0?一个比例积分控制器可以看作是一个比例系数P不断变化或者变大的比

例控制器。比例系数在不断的加大，因而它能最终消除静差，输出值稳定在输出范围的任意值上。

如果I的取值小，那么控制作用就很强，容易引起振荡；I取值过大，则消除静差时间加长。只有I值适当的情况，才能达到消除静差的目的。

一般的来说，比例积分控制规律既有比例控制的快速响应，又有积分作用的消除静差的特性。因此，在工业生产中应用非常广泛，并且大部分控制都可以用比例积分控制解决实际问题。

2.4 微分控制

在上述控制系统中，比例控制系统与积分控制系统产生的超调叠加之后使超调更加厉害，在某些方面我们不希望超调太大，因为超调量太大会严重的影响到控制质量。因为微分能超前的预测出偏差的变化趋势，所以在控制器中加入“微分项”能够有效的控制超调。微分输出是对比例控制的作用，当实际水位高度和目标高度相差很大的时候，微分输出使倒（舀）水量加大；当实际水位高度和目标高度相差很小的时候，微分输出又使倒（舀）水量减小，使实际水位慢慢逼近目标水位，直到达到目标水位。因此，在实际水位未到达目标水位之前，微分输出就开始作用抑制超调量，减小波动和调节时间，保持系统的稳定。如果最后实际水位高度与目标水位高度偏差为0，这种控制就是无静差控制；反之，则为有静差控制。

2.4.1 微分控制缺点

在PID控制系统中，微分时间D值越大，微分输出就越强，输出达到给定的调节时间也会加长。但是如果过强，则会使系统抗干扰能力下降，并且可能由于自身作用引起振荡；相反，如果过弱，则不能起到抑制超调量的作用。

虽然，微分作用的优点没有缺点多，但是若果在某些应用场合，我们不把微分控制加入系统，将会很难达到控制要求。

2.4.2 微分使用条件

（1）被控对象本身的数值容易受各种因素影响（水位、气压、风压等）的调节系统不适合使用微分输出。即使系统非常稳定，被控对象也很难稳定在某一个定值。微分输出会因为被控对象的小波动，使得输出产生大的波动，形成干扰。

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（2）因为微分抗干扰能力相对于比例、积分来说比较弱。当被控对象有轻微的扰动时，首先排除干扰，然后加上微分输出。 （3）系统滞后性比较大的情况下应该使用微分。

2.4.3 微分控制规律

微分控制规律如下式所示：

de （2-4） dt微分控制是针对偏差的变化速度而作出输出的。当偏差很小微分控制仍然作用，但是作用会很弱。D越大，作用越强。

微分控制具有防止超调的优点。微分控制作用是根据变化速度来调节的。当发现偏差有加快变化的可能时，马上就发出防止其快速变化的控制信号，防止超调。在众多控制系统中，温度控制系统最容易发生超调，所以我们在温度控制系统中加入微分控制。同时，微分控制具有有静差和微分（D）过大时，容易引起振荡的缺点。当偏差没有变化时，微分控制将停止输出，所有微分控制只能抑制超调，但不能消除静差。当加入过大的微分控制时，反而会使被控制量产生高频振荡。（尤其是测定值当中存在显著噪声的时候。）

微分控制和积分控制在组合上有相同的要求，都不能单独使用，必须将比例控制加入系统配合使用，实现控制要求。

?U?D?2.4.4 比例微分（PD）控制规律

比例微分控制规律如下式：

de???U?P?e?D? （2-5）

dt??在实际应用中，因为比例微分（PI）控制不能消除静差，故用的比较少，仅仅

用于要求不高的温度调节中。

2.4.5 PID 控制规律

比例积分微分控制规律如下式：

de??1tu?t??P?e??edt?D??u?0?I0dt? （2-6） ?PID控制规律综合了三种控制规律的优点且控制参数P、I、D可调，因此

具有良好的控制特性，可以获得较好的控制质量。PID控制规律的这种特点，使其在模拟量控制系统中得到了广泛的应用。

因此，在当控制对象具有较大的滞后性、负载变化较大并且控制要求比较高的场合（例如，温度控制）应该使用PID控制。

2.5 PID 控制参数整定

控制器输出的比例、积分、微分部分的参数调节可以结合控制要求，根据输出曲线的特征进行参数调整。参数调整的方法多种样，最常用的方法就是试凑法。

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2.5.1 单因素优选法介绍

（1）首先估计最优点的试验范围，如果a表示起点，b表示终点，试验范围为?a，b?。

（2）然后在试验范围取点进行试验，将结果进行比较，留下好的，去掉不好的，直到找到最好的。

图2-3 优选法线段

例：在比例控制系统中，选取P系数的最优范围[a，b]之间选两点A、B如图2-3，A=起点+（终点-起点）*0.618，B=起点+终点-A。将A、B点带入系统进行比较，观察曲线特征。如果两点的曲线波动都比较大，那么P的范围选择有问题。如果A，B都挺好，则选最优。假设选择A点，那么删掉区间[a,B]的范围。继续求C点，则C=起点+终点-保留点，即C=B+d-A，同样将C点带入比较C点和A点的曲线。假设选择C点，删掉区间[A，b]。继续求D点，则D=B+A-C。将D点带入，比较C点和D点的曲线。假设选择C点，删掉区间[B，D]。继续求E点，则E=D+A-C。将E点带入比较C点和E点的曲线。当试验4~5点之后，基本上找到最优点，如果范围很大，还可以继续找最优点。只要在最后的两点中任取一点即可。

PID控制参数经验取值如下表2-1：

表2-1 PID控制参数经验取值 物理量 P（比例） I（积分） D（微分） 液位 1.25~2.5 压力 1.4~3.5 0.4~3 温度 1.6~5 3.0~10 0.5~3 流量 1.0~2.5 0.1~1 2.5.2 参数整定

参数整定的顺序为先比例，再积分，最后加微分。 比例控制P的选定。首先将积分时间I设置为无穷大，微分时间D设置为0，也就是纯比例控制，然后根据优选法选择P的最佳值，即曲线超调和静差最小。

单纯的比例控制如果不能满足控制要求了，必须消除静差，就需要加入积分。然后把P的值取0.8~0.85，并加入较大积分时间I，观察被控对象的曲线波动过程。加入积分之后，可以通过减小积分作用时间，增强积分作用而加快消除静差的速度。对I的调整是一个反复调整P、I的过程，使它们同时变大（变小），直到满意为止。

微分输出的作用抑制超调，如果PI控制器超调仍然很大，还不能达到所需要的控制要求，可以加入微分控制，反复调节，直到满意位置。

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第三章 S7-300 PID闭环控制系统

3.1 S7-300 PID闭环控制系统

3.1.1 PID闭环控制系统PLC选型

如图1-1所示，PLC可以选用S7-300可以根据实际情况选择合适的CPU型号，例如CPU314 IFM，该CPU自带有4路的模拟量输入和2路的模拟量输出。可以加入模拟量模块扩展模拟量I/O接口。在本论文中CPU型号为315-2DP。

3.1.2 PID单闭环仿真系统结构

典型的闭环控制结构由被控量，执行机构和控制器几部分构成。然而用实际的闭环控制系统来学习调节PID参数具有一定的风险，为了避免不必要的风险，我们可以用STEP 7的一系列软件进行模拟仿真。如图3-1所示，用S7-300中的功能块“FB41”模拟PID控制器，

图3-1 单闭环仿真系统结构

用功能块“FB100”模拟执行机构和被控对象。其中“FB41”功能块可以在软件自带的“库”中找到，功能块“FB100”需要我们用户自己编写。

3.2 用户程序的逻辑块和数据块

在STEP7中，有程序的块我们称之为逻辑块，用于存储数据变量的块我们称之为数据块。针对本论文PID模拟仿真的程序，我们主要对PID控制块FB41、过程对象块FB100、启动组织块OB100、循环中断组织块OB35和共享数据块DB进行简要介绍。

3.2.1 FB 41 功能块介绍

FB41功能块是STEP7程序编辑器中“库”中功能块。如图3-2用户可以通过库查找到并调用。

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图3-2 程序编辑器左侧文件夹

下表表3-1列出FB 41“CONT_C”输入参数的说明：

表3-1 FB41输入参数表 序数据类设置参数 数值范围 默认 参数简要说明 号 型 当COM_RST为TRUE时，重新启动PID，使PID内部参数恢复默认1 COM_RST BOOL FALSE 值。通常在重启时执行一个扫描周期，或者在饱和状态需要退出时用到这个位。 如果MAN_ON为TRUE时，PID2 MAN_ON BOOL TRUE 功能块直接将MAN的值输出到LMN，即该位是PID手自动切换位 PVPER_ON为FALSE时，PV_IN3 PVPER_ON BOOL FALSE 输入有效。反之，为PV_PER输入有效。 P_SEL为TRUE时启动比例（P）4 P_SEL BOOL TRUE 作用 I_SEL为TRUE时启动积分（I）作5 I_SEL BOOL TRUE 用

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6 7 INT_HOLD I_ITL_ON BOOL BOOL FALSE FALSE 8 9 D_SEL CYCLE BOOL TIME >=1ms FALSE T#1s 值为TRUE时，设置为积分保持 当I_ITL_ON=TRUE时，则使用其积分初值。一般地，当发现PID积分值增长缓慢，或系统反映不够时使用 D_SEL为TRUE时启动微分（D）作用 PID采样周期，时间，应该与OB35设定时间保持一致。一般设为200ms SP_INT为PID给定值 10 SP_INT 11 PV_IN 12 PV_PER 13 MAN 14 GAIN 15 TI 16 TD 17 TM_LAG -100.0 至 +100.0(%) REAL 0.0 或者物理值1 -100.0 至 +100.0(%) REAL 0.0 或者物理值1 W#16#WORD 0000 -100.0 至 +100.0(%) REAL 0.0 或者物理值2 REAL 2.0 TIME >=CYCLE T#20s TIME >=CYCLE T#10s TIME >=(CYCLET#2s /2) >=0.0(%)或者物理值1 LMN_LLM至100.0(%)或者物理值2 -100.0(%)至LMN_HLM或者物理值2

PV_IN为PID反馈值，也叫过程变量 未经规格化的反馈值，PVPER_ON为TRUE有效。 手动值，MAN_ON为TRUE时有效 比例增益（比例系数） 积分时间 微分时间 微分延迟时间，其作用是滤掉高频干扰的波。手册建议，TM_LAG=TD/5 带死区的PID控制能防止执行机构的频繁动作，从而降低灵敏度 18 DEADB_W REAL 0.0 19 LMN_HLM REAL 100.0 PID的上限值，一般为100% 20 LMN_LLM REAL 0.0 PID的下限值，一般为0%。如果需要双极性调节可以设置为-100% 过程变量比例因子 过程变量的偏置值 21 PV_FAC 22 PV_OFF

REAL REAL 1.0 0.0 第 14 页

23 LMN_FAC 24 LMN_OFF 25 I_ITLVAL REAL REAL REAL 26 DISV REAL -100.0至+100.0(%)0.0 或者物理值2 -100.0至+100.0(%)0.0 或者物理值2 1.0 0.0 PID输出值比例因子 PID输出的偏置值 PID的积分初值，由I_ITL_ON为1时有效 允许的扰动量，前馈控制加入，一般不设置 下表表3-2列出SFB 41/FB 41“CONT_C”输出参数的说明：

表3-2 FB41输出参数表 序数据类设置参数 数值范围 默认 参数说明 号 型 1 LMN REAL 0.0 PID输出 受控数值外围设备。I/O格式的受W#16#2 LMN_PER WORD 控数值被连接到“受控数值外围设0000 备”输出端上的控制器 达到受控数值上限。LMNLIMIT的QLMN_HL输入量超出控制器输出值的上限3 BOOL FALSE M LMN_HLM时，QLMN_HLM状态为1 达到受控数值下限。LMNLIMIT的QLMN_LL输入量低于控制器输出值的上限4 BOOL FALSE M LMN_HLM时，QLMN_LLM状态为1 PID输出中P的分量（可用于在调5 LMN_P REAL 0.0 试过程中观察效果） PID输出中I的分量（可用于在调6 LMN_I REAL 0.0 试过程中观察效果） PID输出中D的分量（可用于在调7 LMN_D REAL 0.0 试过程中观察效果） 过程变量。有效的过程变量在“过8 PV REAL 0.0 程变量”输出端上输出 误差信号。有效误差在“误差信号”9 ER REAL 0.0 输出端输出 3.2.2 OB35 循环中断组织块介绍

如图3-4在硬件组态工具HW Config中，单击菜单项“插入”，在子菜单中选择“S7块”然后选择“组织块”，最后将生成的组织块“重命名”为“OB35”。

OB35能够精确的按时间间隔循环执行中断程序，时间间隔应该大于5ms。如果时间间隔设置太短的话，系统将会产生时间错误而调用OB80（错误中断

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组织块）。

在硬件组态工具中，双击CPU 315-2DP打开CPU属性对话框如图3-3，本实验中设置OB35循环周期为200ms，然后将组态数据下载到CPU后生效。

图3-3 CPU属性对话框

图3-4 SIMATIC管理器

3.2.3 OB100 组织块介绍

在西门子S7-200系列中，如果要对系统进行初始化设置我们常用的是在主程序中使用SM0.1指令，而在S7-300系列中实现这个功能，我们需要用在OB100~OB102组织块中编写初始化程序，相对与S7-200更具有模块化思想。我们一般通过在启动组织块中编写程序，来实现系统的初始化工作，例如某变量的初值。

3.3.4 共享数据块DB介绍

数据块DB用来分类储存设备或生产线中变量的值，分为共享数据块和背景数据块。所有逻辑块都能使用共享数据块中的变量。背景数据块是用来永久的存储功能块的数据，以备断电恢复。

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第四章 S7-300 PID控制的编程与仿真实验

4.1 PID单闭环控制系统程序

4.1.1 S7-300和HMI组态

打开STEP7，用\新建项目向导”生成一个名为\单回路仿真实验”的项目。选择CPU 315-2DP，设置MPI为2，增添OB35和OB100功能块。

选中管理器左侧的项目窗口的根项目，然后点击\插入”菜单项，在子菜单中选择\站点”，选择\”，最后在出现的对话框中选择HMI的型号为MP 277 8' 'Touch。

在工具栏上单击

（组态网络）按钮，打开网络组态工具，分别点击CPU

和HMI的红色方框，其MPI站地址分别为2和1，选中子网为MPI(1)，点击确定，连接S7-300站点、HMI站点到MPI上。在工具栏上单击编译）按钮，保存并编译配置信息。如图4-1所示。

（保存并

图4-1 网络组态

4.1.2 S7-300 PID控制程序

1.暖启动OB100程序

如图3-3，将OB35的时间间隔设置为200ms。保存和编译组态信息。 双击OB100打开程序编辑器，编辑初始化程序，如图4-2所示。如图3-2所示，在程序断2中插入FB41；在程序段3中插入功能块FB100。只设置少量的参数。在FB41中输入背景数据块DB41并确定生成，在FB100中输入背景数据块DB100并确定生成。

如图4-2，程序段1使M2.0=1。程序段2调用FB41，使COM_RST为1

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执行PID重启

图4-2 OB100梯形图

动功能，将PID控制器内部参数设置为默认值。设置采样周期CYCLE为200ms，FB100和FB41中的采样周期应与OB35的循环执行周期相同。设置PID控制器的参数，比例系数GAIN为2，积分时间TI为2s，微分时间DI为800ms，如果AO模块输出为双极性，那么设置控制器输出下极限为-100%。

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程序段3，令COM_RST=1初始化FB100的输出值和内部变量并设置采样周期为200ms。程序段4，在退出OB100之前，将FB41和FB100的启动标志位COM_RST复位，初始化FB41和FB100结束，将PID控制器的给定值设置为70%。

2.循环中断组织块OB35程序

为了保证PID运算的采样周期的精度，用循环中断组织块OB35调用FB41和FB100。

图4-3 OB35梯形图

由图3-1可知SP_INT设定值由FB41给定，FB41输出的LMN给到FB100的输入INV，FB100的输出OUTV反馈给FB41的PV_IN过程变量。FB 41

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将D_SEL设置为1，则为PID控制器，因为FB41默认的设置就是PI控制方式。MAN_ON设置成自动启动。

加入微分控制之后容易引入高频干扰，在微分部分加入滤波环节，使输出更加平缓，手册推荐微分延迟时间TM_LAG为TD/5。程序如图4-3。

4.1.3 WinCC flexible PID仿真界面

1、建立趋势画面

打开SIMATIC管理器，如图4-4，单击HMI站点，选择“画面”，双击右项目视图中的“画面1”图标，打开WinCC flexible“画面”编辑器。

如图4-5，选择“连接”，打开连接编辑器。在连接编辑器中，插入“连接1”将“激活的”选择“开”。

图4-4 打开画面编辑器

图4-5 打开连接编辑器

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图4-6 连接编辑器

2、趋势图设置

如图4-7所示，打开“画面1”选中工具箱中的“趋势视图”，将它拖放到画面上，如图4-8，并按照图4-9~图4~14设置趋势视图各参数组的属性。如图4-14所示，趋势_2在趋势_1上边，目的是使趋势_2反馈曲线在最外层显示，趋势_1给定曲线在趋势_2下层显示。

图4-7 工具箱

图4-8 趋势图画面

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图4-9 趋势视图常规属性设置

图4-10 趋势视图X轴属性设置

图 4-11 趋势视图数值轴左边属性设置

图 4-12 趋势视图数值轴右边属性设置

图 4-13 趋势视图轴属性设置

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图 4-14趋势视图的趋势曲线属性设置

3、生成文本域和IO域 将工具箱中 拖到画面上。选中文本域打开属性视图，选择“常规”选项卡，在文本框中输入文本。如图4-15和图4-17所示。

图 4-15 文本域编辑

拖到画面上。选中IO域打开属性视图，选择“常规”

将工具箱中

对话框，如图4-16为比例系数IO域的设置。在“属性”的“外观”对话框，设置边框的样式为“实心的”。

图 4-16 IO域设置对话框

图 4-17 PID参数画面

用复制粘贴的方式生成如图4-17的文本域和IO域，并逐个修改为对应IO设置。点击过程变量下拉箭头，选中对用的变量名。格式样式可以按照要

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求自行输入。其中“测量值”和“对象增益”的模式类型为“输出”。保存当前项目。

4.2 PID控制系统参数整定仿真实验

4.2.1 程序下载仿真

如图4-18，打开SIMATIC管理器，然后单击

打开仿真软件PLCSIM，

接着单击管理器中SIMATIC 300（1）字样，最后点击下载按钮，将程序下载到仿真软件PLCSIM中。

单击“画面”编辑器菜单栏中真面板。

的启动运行图标，启动运行系统，出现仿

图4-18 SIMATIC管理器

4.2.2 PID控制系统参数调整

勾选上PLCSIM仿真软件中的RUN，执行编写的程序。打开仿真面板观察仿真面板响应曲线并调节。

PID的整定我们按照先比例，后积分，再微分的原则调节。

将积分时间设置为面板最大值999999，即控制器中不加入积分。将微分时间设置为0，即控制器中不加微分。根据优选法，我们选出4个点，分别为1.837、2.348、2.663和3.174。我们将四个点分别输入比例系数IO域中，比较响应曲线。其中比例系数为2.663时，如图4-19中图b所示，静差最小，其震荡小，所以选择该点为最优点。接着调积分。

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图4-19 P整定

为了能把静差消除掉，在控制系统中可以加入积分控制。积分的作用和积分时间的长短有关系，时间越短，作用越强。如果积分作用太弱，则消除静差的能力就差，调节时间过长；如果积分时间太强，则会引起振动。如图

图4-20 I整定

4-20所示，经过若干次实验，当积分时间为7s的时候，响应快，调节时间最短，振荡少。

微分的加入能够抑制超调量。由图4-21可以看出，微分时间越长，作用

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越强；微分时间越短，作用越弱。微分作用太强反而会使调节时间加长。图4-21图c中当微分时间为1s的时候，超调量最小。效果最佳。

图4-21 D整定

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第五章 全文总结

PID控制是应用最广泛的模拟量闭环无静差控制，应用PID控制不需要知道控制系统的数学模型。PID控制有多种方式。例如硬件方式的PID电子电路板，软件方式的PID控制模块、自编的PID控制程序和PLC的PID指令调用。其中PLC调用PID子程序的方式是目前最常用的PID控制方式，具有简单、方便、实用的特点。PLC都有用于PID控制的指令、子程序或功能块，当我们用到的时候，只需要从程序中调用即可。

编写PID控制程序并不困难，PID参数的调整才是整个PID控制的重点，也是难点。要整定PID控制的参数，我们必须对PID作用有所了解，才能调节出好的PID响应曲线。

本论文一共分为五个章节。第一章为“绪论”，主要对S7-300PLC和模拟量进行简要说明。第二章为“PID控制介绍”，这一章主要是为后续PID参数的整定工作打好基础。第三章为S7-300PID闭环控制系统，主要对S7-300 PID闭环控制系统的结构和程序中各个程序块的介绍，为第四章PID程序的编写做好铺垫。由于能力的不足FB100程序块一直没有学习明白，实验中的FB100是参考资料提取出来直接调用。第四章为“S7-300 PID控制的编程与仿真实验”，主要对系统的组态、软件的编写做详细介绍，并对仿真实验结果做简要说明。

我介绍的PID整定方法很简单，上手也容易，但是要想把参数又快，又好的整定出来，还需要我们理论与实践的结合，不断的学习。知识就是经验的积累，希望能给大家带领帮助。

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致谢

岁月如梭，时光荏苒，我们又迎来了毕业季。带上这份集三年心血的毕业设计，为我们的毕业画上一个圆满的句号。

首先感谢我的毕业设计指导教师，郑伟老师。在郑老师的帮助下，我的毕业设计才能顺利的完成。郑老师采用“一对一”的指导方式，让我们学到了很多，也开阔了眼界。在生活和学习中给予我们鼓励和支持，让我更有信心把毕业设计做好，有一个正确的心态迎接毕业之后的各种挑战。

同时，也感谢在这三年当中，教我们知识技能的老师们。有了他们教授的知识做基础，今天的毕业设计才会有内容，才会有设计实验的成功。

最后还要感谢在我完成毕业设计的过程中，帮助我的同学们。谢谢你们。

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参考文献

[1]廖常初. S7-300/400 PLC 应用技术 [M]. 3版. 北京：机械工业出版社，2011. [2]廖常初. 跟我动手学S7-300/400PLC [M]. 北京：机械工业出版社，2010.

[3]廖常初，陈晓东. 西门子人机界面（触摸屏）组态及应用技术[M]. 2版. 北京：机械工业出版设，2008

[4]廖常初. PLC编程及应用[M]. 3版. 北京：机械工业出版社，2008. [5]廖常初. FX系列PLC编程及应用[M]. 北京：机械工业出版社，2005.

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中英文翻译

Intelligent PID control

In many practical applications, the accused of process mechanism is complex, highly nonlinear and time-varying uncertainties and pure lag, lead to the PID control parameters setting effect is not ideal. Under the influence of factors such as noise, load disturbances, process parameters and model structure will changes over time and work environment. This requires in PID control, the setting of PID parameters not only does not depend on system mathematic model, and the PID parameters can be adjusted online, to meet the requirements of real-time control.

Intelligent Control (Intelligent Control) is a new theory and technology, it is the advanced stage of traditional Control development, aimed at application of computer simulation human intelligence to realize automation.

Intelligent PID control is the intelligent control (intelligent control) combined with the traditional PID control, adaptive, its design ideas (Expert System) is the use of Expert System, fuzzy control, fuzzy control and neural network (neural network) technology, the artificial intelligence in nonlinear control method is introduced into the controller, under any running state, the System can get a better control performance than traditional PID control. Don't depend on the accurate mathematical model and controller parameters on-line automatic adjustment etc, has good adaptability to changes in system parameters. Fuzzy PID control is the use of the current control deviation and deviation, combining was charged with the change of dynamic characteristics and the specific process of practical experience, according to the requirements of the certain control or objective function, through the fuzzy reasoning rules, the three parameters of PID controller online adjustment. Intelligent PID control mainly has fuzzy PID controller, the expert PID controller and PID controller based on neural network, etc. Expert system is a kind of ability in a particular field, in order to solve the human expert level, its internal specialized tasks in the field of calculator system has a lot of experts in the field of the level of knowledge and experience, be able to use the knowledge of human experts and the method to solve the problem to solve the problem in the field. Expert PID control adopted PID control rules form, through the recognition of system error and the system output, in order to understand the change of the dynamic characteristics of the controlled process, three online adjustment of PID parameters, till the response curve of the process of some optimal response curve. It is a kind of adaptive technology

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based on heuristic rules reasoning, its purpose is to deal with in the process of uncertainty. Neural network system, is also called artificial neural network to link a network of artificial neurons in a certain way, used to simulate the human brain neuron activity process, implementation of information processing, processing, storage, etc. Neural network has a forward (feedforward network), the feedback network, and other forms of network structure. Unlike the expert PID control and fuzzy PID control, PID control based on neural network is not using neural network to setting of PID parameters, but with the neural network as controller directly, indirectly by training neural network weights to adjust PID parameters.

It absorbs the advantages of both intelligent control and conventional PID control. First of all, it has the ability of self-learning, adaptive, self-organizing, can automatically identify accused of process parameters, automatic setting control parameters, can adapt to changes in the charged process parameters; Secondly, it has a conventional PID controller has simple structure, strong robustness, high reliability, designed for field personnel are familiar with, etc.

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智能PID控制

在实际的应用中，许多被控过程机理复杂，具有高度非线性、时变不确定性和纯滞后性等特点，导致PID控制参数整定效果不理想。在噪声、负载扰动等因素的影响下，过程参数甚至模型结构均会随时间和工作环境的的变化而变化。这就要求在PID控制中，不仅PID参数的整定不依赖于系统数学模型，并且PID参数能够在线调整，以满足实时控制的要求。

智能控制 （Intelligent Control)是一门新兴的理论和技术，它是传统控制发展的高级阶段，旨在应用计算机模拟人类智能实现自动化。

智能PID控制就是将智能控制(intelligent control)与传统的PID控制相结合，是自适应的，它的设计思想是利用专家系统（Expert System）、模糊控制(fuzzy control)和神经网络(neural network)技术，将人工智能以非线性控制方式引入到控制器中，使系统在任何运行状态下均能得到比传统PID控制更好的控制性能。具有不依赖系统精确数学模型和控制器参数在线自动调整等特点，对系统参数变化具有较好的适应性。 模糊PID控制是利用当前的控制偏差和偏差，结合被控过程动态特性的变化，以及针对具体过程的实际经验，根据一定的控制要求或目标函数，通过模糊规则推理，对PID控制器的三个参数进行在线调整。智能PID控制主要有模糊PID控制器、专家PID控制器和基于神经网络的PID控制器等。 专家系统是一种能在某个特定领域内﹐以人类专家水平解决该领域中专门任务的计算器系统﹐其内部具有某个领域中大量专家水平的知识与经验﹐能够利用人类专家的知识和解决问题的方法来解决该领域的问题。专家PID控制采用规则PID控制形式，通过对系统误差和系统输出的识别，以了解被控对象过程动态特性的变化，在线调整PID三个参数，直到过程的响应曲线为某种最佳响应曲线。它是一种基于启发式规则推理的自适应技术，其目的就是为了应付过程中出现的不确定性。 神经网络系统亦称为人工神经网络﹐就是将人工神经元按某种方式联结组成的网络﹐用于模拟人脑神经元活动的过程﹐实现对信息的加工﹑处理﹑存储等。神经网络有前向网络（前馈网络）﹑反馈网络等网络结构形式。与模糊PID控制和专家PID控制不同，基于神经网络的PID控制不是用神经网络来整定PID的参数，而是用神经网络直接作为控制器，通过训练神经网络的权系数间接地调整PID参数。

它吸收了智能控制与常规PID控制两者的优点。首先，它具备自学习、自适应、自组织的能力，能够自动识别被控过程参数，自动整定控制参数，能够适应被控过程参数的变化；其次，它又有常规PID控制器结构简单、鲁棒性强、可靠性高、为现场设计人员所熟悉等特点。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/hhv7.html