S7-300 PLC中 FB41 PID 算法程序设计
5.4 恒压供水（一阶小惯性对象） ....................................... 25 5.5 流量控制（一阶小惯性对象） ....................................... 28 5.6 锅炉流动水恒温控制（一阶大惯性对象） ............................ 29
5.6.1 实验描述 .................................................... 29 5.6.2 数学模型的建立与PID参数的论证 .............................. 31 5.7 双极性水温控制 ................................................... 33 5.8 双容水箱水位控制（二阶惯性对象） ................................. 35
5.8.1 实验装置描述 ................................................ 35 5.8.2 数学模型建立 ................................................ 37 5.8.3 PID参数确定及实验结果 ...................................... 38 5.9 程序容量占用及其占用扫描时间对比 ................................. 41
5.9.1 FB41（梯形图）程序容量占用及其占用扫描时间 .................. 41 5.9.2 FB41程序容量占用及其占用扫描时间 ........................... 42
结束语 ................................................................... 44 参考文献 ................................................................. 48 附录 ..................................................................... 46 致谢 ..................................................................... 63
IV
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1 引言
1.1 PID 控制的发展状况
PID(Proportion Integration Differentiation)，PID控制是最早发展起来的控制策略之一，迄今为止，大多数工业控制回路仍然应用着结构简单、鲁棒性强的PID控制或改进型PID控制策略。在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的[1]。
PID控制是迄今为止最通用的控制方法。大多数反馈回路用该方法或其较小的变形来控制。PID调节器及其改进型是在工业过程控制中最常见的控制器(至今在全世界过程控制中用的84％仍是纯PID调节器，若改进型包含在内则超过90％)。今天所熟知的PID控制器产生并发展于1915-1940年期间。尽管自1940年以来，许多先进控制方法不断推出，但PID控制器以其结构简单，容易被理解和实现，应用中不需要精确的系统模型的预先知识，对模型误差具有鲁棒性及易于操作等优点，仍被广泛应用于冶金、化工、电力、轻工和机械等工业过程控制中。
PID有如下几个重要的功能： (1) 提供反馈控制。
(2) 通过积分作用可以消除稳态误差。 (3) 通过微分作用预测将来。
PID控制器的结构简单，容易被理解和实现，因而PID控制器成为应用最广泛的控制器。但是PID控制器并非万能的，它存在其固有的缺点：
首先，PID对系统基本线性和动态特性不随时间变化的系统能较好的控制，而很多工业过程是非线性或时变的。其次，PID参数必须根据过程的动态特性整定。如果过程的动态特性变化，例如可能由负载的变化引起系统动态特性变化，PID参数要重新整定。
实际应用中，PID参数的整定要花费大量的人力和物力。第三，PID在控制非线性、时变、强耦合及结构不确定的复杂过程时总显得无能为力。PID参数自整定技术是为了处理PID参数整定这个问题而产生的。现在自整定PID控制器已是商业中单回路控制器和分布控制系统的一个标准。PID参数整定与自整定的方法很多，但往往难以实现或不
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很理想，在精度与速度的折衷及对象的使用范围上常常难以令人满意。因此，在PID参数的整定及自整定技术方面还有待于进一步深入研究。
1.2 PID 算法的发展
自1992 年Hagglund 提出预测PI 控制器的思想以来，预测PID 算法得到了逐 步发展和完善，并成功应用在一些复杂对象的控制上。现在文献上所说的预测PID 控制算法可以归纳为两种：
（1）有预测功能的PID 控制器。本质上，它是一种PID 控制器，只不过依据 一些先进控制机理，如内模原理、广义预测原理、H2/H∞原理、模糊理论、遗传 算法和人工智能原理来设计控制器参数，或根据某种最优原则在线给定PID 控制 器参数，使之具有预测功能。
（2）预测算法和PID 算法融合在一起的控制器。在这种控制器中，包括预测控 制器和PID 控制器，PID 控制器和过程的滞后时间无关，而预测控制器则主要依 赖过程的滞后时间，根据以前的控制作用给出现在的控制作用。
与普通PID 控制算法不同，该算法能对未来设定值轨迹进行全局优化，十分适合过程的开、停车处理及批量过程控制。在实施环境方面，只要能实施常规PID 的 工控环境就可实施该算法，无需添加新的软、硬件，并且可利用现存的PID 自整 定方法，对其进行参数整定，十分方便。模型预测控制算法能控制的具有特殊动 态特性的过程，它都能控制，如非最小相位系统、大滞后系统以及不稳定系统。 对于一阶加纯滞后对象和二阶加纯滞后对象，运用Pade 近似进行处理，该算法便 分别简化为常规的PI 控制器和PID 控制器。 Vega(1991)运用回归算法对预测PID 算法参数进行了自整定，取得了一定成 果，但这种整定方法对大滞后过程能力非常有限。无模型自适应预测PI 控制器(Tan, 1999)，不需要对过程模型进行辨识，只需要过程的输入输出数据来设计PI 控制 器的参数，但这种控制器在干扰和噪声存在时的控制效果差。
1.3 课题的意义
PLC是主流的自动化控制器，现在还能广泛用于过程控制。
过程控制中用得最多的是PID算法。西门子Step 7中FB41 PID算法模块，设计完善，控制效果好。但是算法设计复杂，控制参数多，共有35个参数，给使用者带来障碍。FB41 PID算法程序不公开，给学习者带来困难。
本题目要求仿照西门子STEP 7 中FB41 标准PID算法的功能和形式，自主编写能够实现同样功能的PID算法。这种自编的PID算法具有算法研究和工程实际的双重意义。
运用计算机、西门子S7-300 PLC、智能仪表、流量调节阀、温度传感器等组成控制系统,用自主设计的PID算法，对模拟工业对象的锅炉水温和液位进行控制。并和FB41
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算法的控制效果进行比较。
通过本题目的设计，提高学生对自动化工程的设计与调试能力，使学生有能力进入自动化行业发展。
2 FB41 PID模块分析
2.1 FB41的应用
FB“CONT_C\用于在SIMATIC S7可编程控制器上，控制带有连续输入输出变量的工艺过程。在参数分配期间，用户可以激活或取消激活PID控制器的子功能，以使控制器适合实际的工艺过程。可以将控制器作用PID固定设定值控制器，或者在多回路控制中用作级联、混合或比例控制器。控制器的功能基于采样控制器的PID控制算法，采样控制器带有一个模拟信号，如果需要的话，还可以扩展控制器的功能，增加一个脉冲生成器的环节，以产生脉宽调制的输出信号，用于带有比例控制器的两步或三步控制器{1}。
2.2 FB41参数数据类型及描述
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