摘要：随着工业自动化控制技术的快速发展，高级设计语言和模块化设计理念的融入，以及模拟量输入＼输出模块大量使用，使得可编程控制器（简称PＬＣ）快速发展，其使用更加灵活，功能也变得更加强大，采用PＬＣ进行PID控制已经成为工业模糊控制领域的主要控制方式之一。本文分析西门子公司可编程序控制器S7-300/400PLC提供的标准PID功能块（S）FB41的实现方法，介绍了利用OB35分时处理的原理，为需要不同采样时间和循环时间的多回路PID控制系统提供解决方案。
关键词：西门子pid功能块；过程控制；应用
1、前言
随着可编程序控制器在工业生产中的普遍应用和处理能力的不断扩展和提升，温度、流量、压力、液位等过程量的调节也越来越多地由PLC来完成。西门子公司的S7-300/400PLC为用户提供了强大的标准PID功能块（S）FB41/（S）FB42/（S）FB43,又为大惯量的温度控制系统提供了FB58/59功能块。其中，（S）FB41应用得最为广泛。在实际应用过程中，如果一个PLC系统的PID控制回路比较少，而且都是单回路PID控制器，（S）FB41都能取得很好的控制效果。反之，如果PID控制回路比较多，或是有串级控制等复杂控制策略的情况下，（S）FB41控制效果就会变得比较差。这种现象极大地限制了PLC系统在工业过程控制领域中的应用。
2、PID控制的原理分析
PID控制就是根据工业控制系统（以下简称系统）的测量误差（反馈信号误差），采用模糊数学模型（即比例、积分、微分）计算出的控制量，由执行机构进行的系统控制。其控制原理如图１所示。
图１
比例（P）控制：比例控制是一种相对比较简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例（正比或反比）关系。在控制电路中，通常只有比例控制的系统输出往往存在相对的稳态误差。
积分（I）控制：积分控制是指控制信号和测量信号的误差成积分关系的一种比较复杂的控制方式。在控制电路中，为了消除和减少系统输出的稳态误差，我们通常在系统的电路控制中引入“积分项”，即积分（I）控制。
微分（D）控制：微分控制是指控制电路采集的两次反馈信号误差的微分（即信号误差的变化率）成正比关系，它具有预测系统反馈信号误差变化趋势的特点。在控制电路中，系统误差的调节过程中往往会出现系统振荡现象，甚至造成系统失稳。究其原因是由于控制系统中存在较大惯性组件或元件抑制了误差的作用，使其变化总是延迟于误差的变化。解决这一问题的办法就是使抑制误差作用的变化“提前”，于是在控制电路中，我们引入了“微分项”，它能提前预测出系统误差变化的趋势对控制部分进行补偿，从而避免或减少系统的执行机构的严重超调。
综上所述，比例＋积分＋微分（PID）控制能使系统快速进入稳态，同时也能使系统在调节过程中有较好的动态特性，从而使系统状态达到工业控制的目标要求。
3、PID控制器的模拟化设计
计算机控制系统的设计，是指在给定系统性能指标的条件下，设计出数字调节器，使系统达到要求的性能指标。控制系统的设计通常分为离散化设计、模拟化设计、状态空间法设计和复杂规律控制的设计。PID控制器是应用最广泛的一种传统控制模式，其输出与输入之间的关系为：
如果以传递函数的形式表示：
式中：
Ti为积分时间常数；
Td为微分时间常数。
PID控制器的模拟化设计就是在已知对象特性G（s）的情况下，根据对系统性能的要求，按照连续系统的设计方法设计出模拟PID控制器的数学模型D（s），再将D（s）离散化，就得到数字PID控制器的数学模型D（z）。
由模拟PID控制器的数学模型D（s）离散化到数字PID控制器的数学模型D（z）的主要方法有：脉冲不变法、保持器等效法、数值积分法和零极点匹配法。其中数值积分法有前向矩形、后向矩形及梯形积分3种：
式中：T为采样时间，其中梯形积分也称为双线性变换。
由此可见，数字PID控制器与模拟PID控制器相比，由于采样周期的存在，总是有大约相当于二分之一采样时间的平均时延。评价数字PID控制器与模拟PID控制器性能的一个指标是控制度。随着采样时间的缩短，控制度会愈加趋向于1，数字PID控制器会越加接近于模拟PID控制器，但总是略次于相应的模拟PID控制器。在工业过程控制领域，流量、压力、液位、温度和成份等对象的变化都比较缓慢，采样时间的选择都在秒级以上。从PLC的运算速度来看，PLC完全能够满足工业过程控制系统的要求。
图2
3、西门子PID功能块（S）FB41的功能
西门子S7-300/400PLC提供的PID标准功能块（S）FB41是以传递函数式（6）为基础。
其功能框图如图2所示。
由图2可以看出，（S）FB41具备如下功能：
（1）P、I、D单独控制或组合控制；
（2）带死区的PID控制；
（3）不完全微分PID控制；
（4）抗积分饱和PID控制；
（5）变量DISV可以用作前馈控制；
（6）正作用或反作用；
（7）手、自动无扰切换。
4、西门子PID功能块（S）FB41的使用
不同的控制对象，需要相应的PID控制回路具有不同的采样时间和循环时间。在串级控制策略中，副回路的采样时间和循环时间要比主回路短很多。而在西门子的各种手册和资料中，都要求（S）FB41的采样时间CYCLE必须与调用它的循环中断处理程序循环时间保持一致！这个问题在S7-400中还比较容易处理，S7-400PLC提供了OB30-OB38多达9个循环中断，可以把需要不同采样时间的PID回路放到不同的循环中断中调用。但S7-300PLC只提供了一个循环中断处理程序OB35，用户对于成本方面的控制，又使得S7-300PLC的选用越来越普遍。如何能够在S7-300PLC中实现需要不同采样时间和循环时间的多回路PID控制，并能达到一个很好的控制效果，是一个需要解决的难题。
西门子为用户提供了OB35作为S7-300/400PLC的一个循环中断处理程序，可以根据实际需要设置循环时间。为了实现多回路PID控制器不同的采样时间和循环时间的需求，可以通过对OB35进行分时处理来实现。例如设置OB35的循环时间为100ms，在OB35中再编写一个计数器，每计到10调用一次A回路的PID控制器（S）FB41,则相当于A回路的采样时间和循环时间为1s；每计到20调用一次B回路的PID控制器（S）FB41,则相当于B回路的采样时间和循环时间为2s。这样就实现了在一个循环中断处理程序OB35中处理多回路PID控制器的功能。
5、结束语
西门子PID功能块（S）FB41具有非常强大的功能，但只有充分理解、消化（S）FB41的实现方法后，才能应用（S）FB41构建智能控制策略，完成复杂的工业过程控制。
参考文献
[1]马建伟，李银伢.满意PID控制设计理论方法[M].北京：北京科学出版社，2007：86-89.
[2]田淑珍.可编程控制器原理及应用[M].北京：机械工业出版社，2005：157-162.
[3]西门子（中国）有限公司.S7－200可编程序控制器系统手册[X].2004.
论文作者:张荣
论文发表刊物:《基层建设》2019年第4期
论文发表时间:2019/5/13
标签：控制器论文; 回路论文; 误差论文; 时间论文; 系统论文; 功能论文; 微分论文; 《基层建设》2019年第4期论文;