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1、第7章 S7-300程序设计方法 （模拟量控制）,7.1 S7-300的程序结构 7.2 系统设计的原则 7.3 系统设计的内容 7.4 程序设计的方法与过程 7.5 开关量控制系统的设计 7.6 关于模拟量I/O模块 7.7 模拟量控制系统的设计 7.8 关于乒乓控制 7.9 关于PID控制,7.6 关于模拟量I/O模块,. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .,量程卡,1 量程卡,2 S7-300模拟量模块的寻址,IM,256 to 270,336 to 350,352 to 36
2、6,368 to 382,304 to 318,320 to 334,272 to 286,288 to 302,(发送),槽口号 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11,电源 模块,CPU,3 模拟量模块SM335 (输入),4 模拟模块SM335 (输出),5 模拟输入模块 SM331,6 模拟量的表达方式和测量值的分辨率,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,210,211,212,213,214,VZ,16进制.,位值,十进制,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,位的序号,单位,位的 分辨率 + 符号,1,1,1,*,*
3、,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,15,*,= 0 或 1,7 在不同测量范围下模拟量的表达方式,范围,超上限,超上界,额定范围,超下界,超下限,测量范围 10V,电压 例如：,= 11.759,11.7589 : 10.0004,10.00 7.50 : -7.5 -10.00,- 10.0004 : - 11.759,= - 11.76,单位,32767,32511 : 27649,27648 20736 : -20736 -27648,- 27649 : - 32512,- 32768,8 模拟输入量的规范化(可随模块带的软件块 FC105 ),500,0,0,0,0
4、,27648,9 模拟量输出的规范化(可随模块带的软件块 FC106 ),27648,0,0,0,100,0,10 模拟输出量的表达形式,范围,超上限,超上界,额定范围,超下界,超下限,单位,=32767,32511 : 27649,27648 : 0 : - 6912 - 6913 : : : - 27648,- 27649 : - 32512,=- 32513,11 配置模拟量模块SM335,12 配置模拟量模块 SM331,13 结构化的极限监视功能(可随模块带的软件块 FB120 ),FB120,ACTV,HL,LL,HYS,QH,QL,LIMIT,模拟变量 的实际值,HL,LL,HY
5、S,HYS,QH,QL,t,功能,符号,LO_LIM,HI_LIM,7.7 模拟量控制系统的设计 1. 关于模拟量控制系统 模拟量控制系统是指输入信号为模拟量的控制系统。控制系统的控制方式上可分为开环控制和闭环控制。 闭环控制根据其设定值的不同，又可分为调节系统和随动系统两种。调节系统的设 定值是由控制系统的控制器给出，控制器的作用就是使反馈值向给定值靠近，以反馈值对设定值的偏差最小为目的。随动系统的设定值是由被控制对象给出的，控制器的作用就是使控制目标不断地向被控对象靠近。各种跟踪系统都是随动系统。 模拟量控制系统设计中应该注意抗干扰问题。解决干扰的办法有4个。 其一是接地问题。这里包括PL
6、C接地端的接地，要真接地不要假接地。这里所说的接地就是接大地。 其二是模拟信号线的屏蔽向题，屏蔽线的始端和终端都要接地。信号线的屏蔽是防止干扰的重要措施。 其三是对某些高频信号要解决匹配问题。如果不匹配很容易在信号传送中引进干扰，使信息失真。 其四是对信号进行滤波。,2.模拟量控制系统设计举例 （1）搅拌控制系统线性程序设计（S7-PRO111） 初始状态及 操作工艺 硬件设计 软件系统结构,OB1块,OB1续,OB1续,OB1续, OB100块,系统仿真 I0.0=ON PIW256=100 Q4.0=OFF Q4.1=ON PIW256=200 Q4.1=OFF Q4.2=OFF T1 T
7、1=ON Q4.2=OFF Q4.3=ON PIW256=0 T2 T2=ON Q4.3=OFF,（3）结构化软件设计（S7-PRO112） 系统结构 OB1块,OB1续,OB1续,OB1续,FB1 FC1,FC2,OB100,DB1 DB2,系统仿真 I0.0=ON PIW256=100 Q4.0=OFF Q4.1=ON PIW256=200 Q4.1=OFF Q4.2=OFF T1 T1=ON Q4.2=OFF Q4.3=ON PIW256=0 T2 T2=ON Q4.3=OFF,7.8 关于乒乓控制 1 乒乓控制算法 2 乒乓控制算法的实现（S7_PRO113） FC1块,FC1续,DB
8、1块 OB1块, 仿真 检测值小于低限，输出为ON。 检测值大于低限，输出为OFF。,7.9 关于PID控制 1 闭环PID控制 PID控制器管理输出数值，以便将偏差(e)为零，使系统达到稳定状态。偏差是给定值（SP）和过程变量（PV）的差。,2 PID算法 PID控制原则以下列公式为基础，其中将输出M(t)表示成比例项、积分项和微分项的函数： 其中 M(t) 为PID运算的输出，是时间的函数 Kp 为 PID回路的比例系数 Ki 为 PID回路的积分系数 Kd 为PID回路的微分系数 e 为PID回路的偏差（给定值和过程变量之差） Minital 为PID回路输出的初始值,为了在数字计算机内
9、运行此控制函数，必须将连续函数化成为偏差值的间断采样。数字计算机使用下列相应公式为基础的离散化PID运算模型。 其中: Mn 为采样时刻n的PID运算输出值 Kp 为 PID回路的比例系数 Ki 为 PID回路的积分系数 Kd 为PID回路的微分系数 en 为采样时刻n的PID回路的偏差 en-1 为采样时刻n-1的PID回路的偏差 el 为采样时刻l的PID回路的偏差 Minital 为PID回路输出的初始值,在此公式中，第一项叫做比例项，第二项由两项的和构成，叫积分项，最后一项叫微分项。比例项是当前采样的函数，积分项是从第一采样至当前采样的函数，微分项是当前采样及前一采样的函数。在数字计算
10、机内，这里既不可能也没有必要存储全部偏差项的采样。因为从第一采样开始，每次对偏差采样时都必须计算其输出数值，因此，只需要存储前一次的偏差值及前一次的积分项数值。利用计算机处理的重复性，可对上述计算公式进行简化。简化后的公式为： 其中: Mn 为采样时刻n的PID运算输出值 Kp 为 PID回路的比例系数 Ki 为 PID回路的积分系数 Kd 为PID回路的微分系数 en 为采样时刻n的PID回路的偏差 en-1 为采样时刻n-1的PID回路的偏差 MX 为积分项前值, 计算回路输出值 CPU实际使用对上述简化公式略微修改的格式。修改后的公式为： 其中: Mn 为采样时刻n的回路输出计算值 MP
11、n 为采样时刻n的回路输出比例项 MIn 为采样时刻n的回路输出积分项 MDn 为采样时刻n的回路输出微分项 比例项 比例项MP是PID回路的比例系数(Kp)及偏差(e)的乘积，为了方便计算取Kp= Kc 。CPU采用的计算比例项的公式为： 其中: MPn 为采样时刻n的输出比例项的值 Kc 为回路的增益 SPn 为采样时刻n的设定值 PVn 为采样时刻n的过程变量值, 积分项 积分项MI与偏差和成比例。为了方便计算取。CPU采用的积分项公式为： 其中: MIn 为 采用时刻n的输出积分项的值 Kc 为回路的增益 Ts 为采样的时间间隔 Ti 为积分时间 SPn 为采样时刻n的设定值 PVn
12、为采样时刻n的过程变量值 MX 为采样时刻n-1的积分项(又称为积分前项) 积分项(MX)是积分项全部先前数值的和。每次计算出MIn以后，都要用MIn去更新MX。其中MIn可以被调整或被限定。MX的初值通常在第一次计算出输出之前被置为Minitai（初值）。 其它几个常量也是积分项的一部分，如增益、采样时刻 (PID循环重新计算输出数值的循环时间)、以及积分时间(用于控制积分项对输出计算影响的时间)。, 微分项 微分项MD与偏差的改变成比例，方便计算取 。 计算微分项的公式为： 为了避免步骤改变或由于对设定值求导而带来的输出变化，对此公式进行修改，假定设定值为常量(SPn=SPn-1)，因此将
13、计算过程变量的改变，而不计算偏差的改变，计算公式可以改进为： 其中： MDn 为 采用时刻n的输出微分项的值 Kc 为回路的增益 Ts 为采样的时间间隔 Td 为微分时间 SPn 为采样时刻n的设定值 SPn-1 为采样时刻n-1的设定值 PVn 为采样时刻n的过程变量值 PVn-1 为采样时刻n-1的过程变量值, 回路控制的选择 如果不需要积分运算(即在PID计算中不需要积分运算)，则应将积分时间(Ti)指定为无限大，由于积分和MX的初始值，即使没有积分运算，积分项的数值也可能不为零。 这时积分系数 Ki=0.0 如果不需要求导运算(即在PID计算中不需要微分运算)，则应将求导时间(Td)指
14、定为零。 这时微分系数 Kd=0.0 如果不需要比例运算(即在PID计算中不需要比例运算)，而需要积分(I)或积分微分(ID)控制，则应将回路增益数值(Kc)指定为0.0，这时比例系数Kp=0.0。因为回路增益(Kc)是计算积分及微分项公式内的系数，将回路增益设定为0.0，将影响积分及微分项的计算。因而，当回路增益取为0.0时，在PID算法中，系统自动地把在积分和微分运算中的回路增益取为1.0 ， 此时,3 PID算法的实现 运算框图, PID控制软件（S7_Pro4） OB1,OB35,FB1,FB1续,FB1续,FB1续,DB2,仿真 ： 观察过程量PIW256的变化，PID输出控制PQW
15、350的改变,4 PID控制模块 （1） PID模块的工作原理,（2）PID模块 FM355： 4路闭环控制 模块内含： 4AI+8DI+4DI,FM355（续）： 输入地址 PIW256-257 输出地址 PQW256-257,FM355（续）： 基本参数 有无中断 中断类型 工作方式,（3）PID参数 比例项：名称 数据类型 默认值 功能 P_SEL BOOL TRUE 比例项使能控制 GAIN REAL 2.0 放大倍数 积分项：名称 数据类型 默认值 功能 I_SEL BOOL TRUE 积分项使能控制 TI TIME T#20S 积分时间 INT_HOLD BOOL FALSE 积分
16、输出保持控制 I_ITL_ON BOOL - 积分输出再输入允许 I_ITLVAL REAL 0.0 积分初值 微分项：名称 数据类型 默认值 功能 D_SEL BOOL TRUE 微分项使能控制 TD TIME T#10S 微分时间 TM_LAG TIME T#2S 微分滞后时间 过程参数 ,（4）模板初始化功能（SFC块） SFC 50： 名称 功能 WR_PARM 将动态参数写入模板 SFC 56： 名称 功能 WR_DPARM 将预定参数写入模板 SFC 57： 名称 功能 PARM_MOD 赋模板的参数 SFC 58 名称 功能 WR_REC 写模板专用的数据记录 SFC 59 名称
17、 功能 RD_REC 读模板专用的数据记录 （5）模板初始化功能的调用 例：调用SFC 50 CALL “RD_LGADR“ SFC 50 的形参,（6）利用PID模块设计的过程,5 闭环控制系统功能块 系统功能块 SFB 41 用于连续控制 SFB 42 用于步进控制 SFB 43 用于脉冲宽度控制 SFB 41 SFB 43的调用 指令树LIBRARY STANDARD LIBRARY SYSTEM FUNCTION BLOCKS 6 闭环控制软件包 功能块 FB 41 FB 42 FB 43 与SF41 SF42 SF43兼容， 用于 PID控制。 FB 41 FB 43的调用 STANDARD LIBRARY PID CONTROL BLOCKS , SFB41 (连续控制）的输入参数, SFB41 (连续控制）的输入参数（续）, SFB41 (连续控制）的输出参数 具体控制时，需要把上述参数输入相应的数据块。 连续控制软件包（FB 41）的参数，也与上述参数相同。,