Step7中PID控制器（FB41）在重介密度控制中的应用

陈忠训

【摘要】可编程序控制器（PLC）在控制领域具有强大的功能，为了充分发挥PLC的功能，相应的编程软件也在不断地改进，本文在阐述西门子编程软件STEP7功能模块在密度控制中自动加水，调节密度的应用时间，着重量介绍了PID参数的作用及常用方法。

【关键词】PID连续控制器;密度控制系统

一、引言

自动控制理论与实践的发展，为人们设计自动化程度高的系统提供了很好的方法，自动控制，就是指在没人直接参与的情况下，利用外加的设备（控制器）操作被控制对象（电机、执行机构或生产过程）的某个状态或参数（控制量），使其按控制器预先设定的控制量规律的自动运行。从而提高设备的运行性能、改善工作效率。

密度控制是重介选煤的核心部分，密度控制的好坏，直接影响产品的质量，介耗的大小，系统工艺的稳定，进而影响选煤生产的经济效益。孔庄煤矿选煤厂密度控制系统为2003年重介工艺改造建立的控制系统，主要完成重介洗煤的密度调节，系统采用单片机，利用A/D转换技术，完成密度控制系统的数据采集与控制。数据采集、转换精度不高，密度控制波动较大，造成产品质量稳定性较差，介耗高，生产系统经常性混乱，给重介系统带来很大的压力。另外密度控制系统相对独立，与生产集中控制系统没有构成网络，形成了脱节，造成生产滞后。

图1 PID连续控制

为改善密度控制系统对洗煤生产造成的影响，我厂从根本上修改了原有的控制方式，推倒重来，首先在硬件上增加了一个ET200西门子I/O分站，接入现场所有的开关量信号、模拟量信号，利用总线技术与原有的S7-300 315DP连接，从而与原有控制系统形成一体。其次在控制方式上，考虑到密度控制中控制加水阀门开度大小来完成测量密度值与设定密度值的跟踪，从而控制重介生产密度在一个有效的范围内保持相对稳定，保证产品质量的稳定。因此，控制方式要求要有快速度性与稳定性，所以，我们采取PID控制方式来实现控制。

二、PID控制原理及FB41功能模块的参数设定

PID控制的产品已在工程实际中得到广泛的应用，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。PID控制器参数的自动调节，是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现，它通过调整比例、积分、微分三项参数，使得大多数的工业控制系统，如压力、温度、流量、液位都获得良好闭环控制;本次密度控制系统的改造，要实现测量密度值与设定密度值的实时跟踪，快速度有效的控制加水阀门的开关，在软件上选用了STEP7编程软件，利用其自身的FB41（PID连续控制，如图1所示）功能模块做为调节器。

1.PID调节器的作用

首先我们了解PID中各个单元的用途，经确定控制中所用哪种组合。

①比例（P）控制

比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。

②积分（I）控制

在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。

③微分（D）控制

在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。因此在PID的实际控制中根据控制要求经常不同的组合（PI、PD、PID）来满足控制速度及精度要求。图2曲线所表示的为不同组合下的控制系统的响应。

图2 不同组合下的控制系统的响应

2.FB41实现PID控制的参数及定义

西门子PLC（s7-300系列）的FB41功能模块称为连续控制的PID，主要用于控制连续变化的模拟量。利用FB41功能模块可较好的实现密度PID控制。

1）FB41功能块

在设计要求中，FB41功能模块要在OB35模块中调入使用，要求FB41要在OB35中周期调用且OB35的周期要与FB41采样周期一致，在其实设计中，我们要求，PID的调节节奏应该与其采样周期一致，也就是说，PID的调节周期应与现场模拟量的采集频率相同，这样有利于PID控制的同步性，因此在设计中，采用了主功能调用现场数据采集模块，在数据采集模块中再调用FB41的数据块，此时，OB1参数区中扫描周期作为FB41的采样周期。FB41参数的设置很灵活，我们在WICC上位机界面上增加了输入输出域，主要参设定由调度人员根据现场的实际情况进行设定，结果直接存入相应背景数据块，FB41调用时无须再赋值。

2）FB41的主要参数

如图3所示。COM_RST：BOOL：重新启动PID：当该位TURE时：PID执行重启动功能，复位PID内部参数到默认值;通常在系统重启动时执行一个扫描周期，或在PID进入饱和状态需要退出时用这个位;

MAN_ON：BOOL：手动值ON;当该位为TURE时，PID功能块直接将MAN的值输出到LMN，这可以在PID框图中看到;也就是说，这个位是PID的手动/自动切换位;

CYCLE：TIME：PID采样周期，一般设为200MS;

SP_INT：REAL：PID的给定值;

PV_IN：REAL：PID的反馈值（也称过程变量）;

MAN：REAL：手动值，由MAN-ON选择有效;

GAIN：REAL：比例增益;

TI：TIME：积分时间;

TD：TIME：微分时间;

DEADB_W：REAL：死区宽度;

LMN_HLM：REAL：PID上极限，一般是100%;

LMN_LLM：REAL：PID下极限;一般为0%;

DISV：REAL：允许的扰动量，前馈控制加入。

LMN：REAL：PID输出;

图3 背景数据

三、PID控制参数的整定方法

如何来设定PID控制的参数，使PID控制在合理有效的范围内，其方法不外呼以下几种，1）稳定边界法;2）衰减曲线法;3）经验凑试法。其中1，2二种需要理论依据下来确定PID参数，当然也是最理想的方法，但是在实际的应用中，更多的是通过凑试法来确定PID的参数。

经验凑试法一般步骤是：确定比例增益P，首先我们先去掉TI与TD来项，把他设为0，使PID为纯比例调节（正比或反比）。由0逐渐加大比例增益（GAIN）直至系统出现振荡，确定一数值KC1，反过来从系统允许的最大值向0调整，直至振荡消失，确定一数值KC2，重复多次，直到KC1≈KC2，最终确定KC值。确定好KC值后，Ti与TD值也按同样的方法可获得。

但在实际密度控制中，由于设计了手动功能，当手动调节密度达到或接近设定密度时，整个重介系统中的密度基本上已经趋向稳定，这时再采用自动调节时，GAIN比例增益无需较大的比例，积分时间与微分时间对密度的控制的精度也无太大的作用。

因此在实际的应用中GAIN值设定为-3（反向增益），TI：积分时间为0，TD：微分时间为0，DEADB_W：REAL：死区宽度设定为0.02（减小系统抖动）。图4为密度控制主要控制指标及PID参数设定。

图4 主要控制指标及PID参数设定

四、结束语

本文阐述了step7的FB41在重介密度控制系统的应用，并讲述了采用经验凑试法对PID控制参数的确定以及在编程软件的使用方法。

图5 现有的密度控制响应与稳定曲线（a）

图6 现有的密度控制响应与稳定曲线（b）

图5、图6为现有的密度控制响应与稳定曲线，无论在实践使用过程中，还是从图表中的反映上来看，控制效果比较明显，在控制系统的响应上，密度跟踪与保持上，都非常速度、稳定、有效。完全满足生产对控制上的要求。此方法值得推广。