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第四章 S7-300/400在模拟量闭环控制中的应用
第一节 闭环控制与PID调节器
一、模拟量单闭环控制系统的组成
典型的模拟量单闭环控制系统如图9-1所示，图中sp(n)为摸拟量设定值，pv(n)为检测值。误差ev(n) = sp(n) ? pv(n)。被控制量c(t)(如压力、温度、流量等)是连续变化的模拟量。大多数执行机构要求PLC输出模拟信号mv(t)，测量元件检测的值一般也为模拟量，而PLC的CPU只能处理数字量，所以需要对p (n)要进行A/D转换送入PLC中，PLC也要对mv（t）进行D/A转换送到执行器中。
图9-1 典型的模拟量单闭环控制系统
作为测量元件的变送器有电流输出型和电压输出型,，S7-300/400 的模拟量输入模块最大传输距离为200m。
二、闭环控制反馈极性的确定
在开环状态下运行PID 控制程序。如果控制器中有积分环节，因为反馈被断开了，不能消除误差， D/A 转换器的输出电压会向一个方向变化。如果假设接上执行机构，能减小误差，则为负反馈，反之为正反馈。
以温度控制为例，假设开环运行时给定值大于反馈值，若D/A转换器的输出值不断增大，如果形成闭环，将使用电动调节阀的开度增大，闭环后温度反馈值将会增大，使误差减小，由此可判定系统是负反馈。 三、PID控制器的优点
(1) 不需要被控对象的数学模型。 (2) 结构简单，容易实现。
(3) 有较强的灵活性和适应性。根据被控对象的具体情况，可采用PID控制器的多种变化和改进的控制方式，如PI、PD、带死区的PID等。
(4) 使用方便。现在很多PLC都提供具有PID控制功能的产品，使用简单方便。
四、PID 控制器的数字化
模拟量PID 控制器的输出表达式为：
需要较好的动态品质和较高的稳态精度时，可以选用PI；控制对象的惯性滞后较大时，应选择PID 控制方式。
五、死区特性在PID 控制中的应用
在控制系统中，某些执行机构如果频繁动作，会导致小幅振荡，造成严重的机械磨损。从控制要求来说，很多系统又允许被控量在一定范围内存在误差。带死区的PID控制器（如
图9-2）能防止执行机构的频繁动作。
当死区非线性环节的输入量（即误差ev(n)）的绝对值小于设定值B时，死区非线性的输出量（即PID控制器的输入量）为0，这时PID控制器的输出分量中，比例部分和微分部分为0，积分部分保持不变，因此PID的输出保持不变，PID控制器不起调节作用，系统处于开环状态。当误差的绝对值超过设定值时，开始正常的PID控制。
图9-2 PID的死区特性
第二节 使用系统功能块实现闭环控制
S7-300/4000为用户提供了功能强大、使用方便的模拟量闭环控制功能，来实现PID控制。系统功能块SFB41~SFB43用于CPU31x的闭环控制。SFB41“CONT_T” 用于连续PID 控制，SFB 42“CONT_S”（步进控制器）用开关量输出信号控制积分型执行机构，电动调节阀用伺服电机的正转和反转来控制阀门的打开和关闭，基于PI 控制算法。SFB 43“PULSEGEN”（脉冲发生器）与连续控制器“CONT_C”一起使用，构建脉冲宽度调制的二级（two step）或三级（three step）PID 控制器。 另外，安装了标准PID控制（Standard PID Control）软件包后，文件夹“\\Libraries\\ Standard Libraries”中的FB41~FB43用于PID控制，FB58和FB59用于PID温度控制。FB41~ FB43与SFB41~SFB43兼容。
本节主要介绍SFB41连续控制功能块。 一、设定值与过程变量的处理 1．设定值的输入
设定值的输入如图9-3所示，浮点数格式的设定值（setpoint）用变量SP_INT（内部设定值）输入。
2．过程变量的输入
可以用两种方式输入过程变量（即反馈值）： （1） 用PV_IN（过程输入变量）输入浮点格式的过程变量，此时开关量PVPER_ON （外围设备过程变量）应用0状态。
（2） PVPER_ON（外围设备过程变量）输入外围设备（I/O）格式的过程变量，即 用模拟量输入模块产生的数字值作为PID控制的过程变量，此时开关量PVPER_ON应为1状态。
3． 外部设备过程变量转换为浮点数
外部设备（即模拟量输入模块）正常范围的最大输出值（100.0%）为27648，功能CRP_IN将外围设备输入值转换为-100%~+100%之间的浮点数格式的数值，CPR_IN的
输出（以%为单位）用下式计算：
PV_R = PV_PER ×100/27648
4. 外部设备过程变量的标准化
PV_NORM功能用下面的公式将CRP_IN的输出PV_R格式化： PV_NORM的输出 = PV_R × PV_FAC + PV_OFF
式中，PV_FAC为过程变量的系数，默认值为1.0；PV_OFF为过程变量的偏移量，默认值为0.0。它们用来调节过程输入的范围。
如果设定值有物理意义，实际值（即反馈值）也可以转换为物理值。
图9-3 SFB41设定值与过程变量的处理
二、PID控制算法 1．误差的计算与处理
用浮点数格式设定值SP_INT减去转换为浮点数格式的过程变量PV（即反馈值），便得到负反馈的误差。为了抑制由于控制器输出量的量化造成的连续的较小的振荡，用死区（Dead Band）非线性对误差进行处理。死区的宽度由参数DEAD_W来定义，如果DEAD_W设为0，表示死区被关闭。
2．控制器的结构
SFB41采用位置式PID算法，由比例运算、积分运算和微分运算三部分并联，可以单独激活或取消它们，因此可将控制器组态为P、PI、PD、PID控制器。ID控制器很少使用。引入扰动量DISV可以实现前馈控制。图9-4为控制器的结构图，图中GAIN为比例部分的增益或比例系数，TI和TD分别为积分时间常数和微分时间常数。
P_SEL： BOOL：比例选择位：该位ON时，选择P（比例）控制有效；默认值为1。 I_SEL： BOOL：积分选择位；该位ON时，选择I（积分）控制有效；默认值为1。
D_SEL ： BOOL：微分选择位，该位ON时，选择D（微分）控制有效；默认值为0。 LMN_P ：REAL：PID输出中P的分量；（可用于在调试过程中观察效果）。 LMN_I ：REAL：PID输出中I的分量；（可用于在调试过程中观察效果）。 LMN_D ：REAL：PID输出中D的分量；（可用于在调试过程中观察效果）。
图9-4 PID控制器的结构图
SFB“CONT_C”有一个初始化程序，在输入参数COM_RST（完全重新起动）设置为1 时该程序被执行。在初始化过程中，如果I_ITL_ON（积分作用初始化）为1 状态，将输入I_ITLVAL 作为积分器的初始值。INT_HOLD 为1 时积分操作保持，积分输出被冻结。
三、控制器输出值的处理
4． 控制器输出值处理包括手动/自动模式的选择、输出限幅、输出量的格式化处
理以及输出量转换为外围设备（I/O）格式。结构图如图9-5所示。
1．手动模式
参数MAN_ON(手动值ON)为1时是手动模式，为0时是自动模式。在手动模式中，控制变量（即控制器的输出值）被手动选值的值MAN（手动值）代替。
在手动模式时如果令微分项为0，将积分部分（INT）设置为LMN– LMN_P – DISV, 可以保证手动到自动的无扰切换，即切换时控制器的输出值不会突变，DISV 为扰动输入变量。
2．输出限幅
LMNLIMIT（输出量限幅）功能用于将控制器输出值限幅。LMNLIMIT功能的输入量超出控制器输出值的上极限LMN_HLM时，信号位QLMN_HLM(输出超出上限)变为1状态；小于下极限值LMN_ＬＬＭ时，信号位QLMN_LLM（输出超出下限）变为１状态。
３．输出量的格式化处理
LMN_NORM（输出量格式化）功能用下述公式来将功能LMNLIMIT的输出量QLMN_LIM格式化：
式中LMN是格式化后浮点数格式的控制输出值；LMN_FAC为输出量的系数，默认值