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S7-300 PLC中 FB41 PID 算法程序设计
孝廉FB41-初始化块中OUT、STAT数据类型的数据清零是程序初始化否外设变量（PV_PER）否PV_IN浮点数过程变量是浮点数转换PV_R=PV_PER*100/27648规格化PV_NORM=PV_R*PV_FAC+PV_OFF偏差计算ER=SP-PV死区处理MAN_ON（手动开关）手动值（MAN）赋值LMN是积分时间（TI)处理乘以比例控制=ER*GAIN乘以微分时间（TD)微分延迟处理（TMLAG)积分开关I_SEL是积分保持否积分运算关闭积分LMN_I=0否比例开关P_EL微分开关D_SEL否关闭微分是LMN_I=Last_I否关闭比例是微分运算是LMN_P(比例分量）抗积分饱和LMN_D微分分量LMN_I(积分分量）PID调节限幅值判定输出超上限报警限赋值输出(LMN_LIM)输出超下限报警输出量规格化LMN=LMN_LIM*LMN_FAC+LMN_OFF输出量转换为外部设备（I/O)格式LMN_PER=LMN*27648/100LMN输出值范围限定结束
图9 程序流程图
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4.3 FB41（梯形图） PID算法封装与调用
在Step7 v5.5中，算法的封装是自动完成的，就是说写好算法后，在组织块中就可以直接调用封装好的算法，具体方法如下：
打开要调用FB41（梯形图）的组织块，进入编程画面。在左边窗口中的“FB块”文件夹中的“FB41”拖放到目标程序段的水平“导线”上（如图10所示）。FB41的符号名为“FB41（梯形图）”。方框的左边是功能块的输入，右边是输出。
在FB41方框的上面，可以输入已经生成的FB41的数据块DB41，当然也可以输入一个尚不存在的背景数据块，例如DB2。输入后按回车键，出现提示信息“实例数据块DB2不存在，是否要生成它？”点击“是”按钮，可以在SIMATIC管理器中看到新生产的背景数据块DB2。
图10 FB41（梯形图） PID 块调用
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5 FB41（梯形图）与原FB41 PID模块控制效果对比与分析
5.1 效果验证方法与参数说明[3]
FB41（梯形图）算法编写完毕后，通过PLC编程，对温度、水位、压力、流量等常规对象进行控制。并使用组态软件进行监控。同时，在参数、物理条件均相同的情况下，使用原来Step7 v5.5自带的FB41 PID控制程序进行对上述对象的控制，通过组态软件监控后，所得结果与FB41（梯形图）的监控结果进行比较。从而检验此自编算法的优劣。 在本设计中我们以阶跃作用下的过渡过程为准，采样时间区域内的单项指标来评价控制结果的好坏。 主要的时域指标包括：
1、衰减比 衰减比表示振荡过程的衰减程度，是衡量过渡过程稳定程度的动态指标，它等于曲线中前后两个相邻波峰值之比。记作n。
2、超调量与最大动态偏差 在随动控制系统中，超调量是一个反映超调情况和衡量稳定程度的指标。记作?。但是对于定值控制系统来说，当最终稳态值是零或者很小的数值时，仍采用超调量作为反映超调情况的指标就不合适了，通常改用最大动态偏差A作为指标，最大动态偏差A指的是在单位阶跃扰动下，最大振幅B与最终稳态值C之和的绝对值。记作A。
3、余差 余差是系统最终的稳态偏差，即过渡过程终了时新稳态值与设定值之差。余差是一个反映控制精确度的稳态指标，相当于生产中允许的被控变量与设定值之间长期存在的偏差。记作e(?)。
4、调节时间 调节时间是从过渡过程开始到结束所需的时间。过渡过程要绝对地达到新的稳态，理论上需要无限长的时间。一般认为当被控变量进入新稳态值附近?5%或?2%以内的区域，并保持在该区域内时，过渡过程结束，此时需要的时间称为调节时间’记作t。调节时间是反映控制系统快速性的一个指标。
s 5、峰值时间和上升时间 被控量达到最大值的时刻称为峰值时间t，过渡过程开
p始到被控变量第一次达到稳态的时间称为上升时间t标。
r，它们都是反映系统快速性的指
5.2、调节器参数的整定方法
调节器参数的整定一般有两种方法：一种是理论计算法，即根据广义对象的数学模型和性能要求，用根轨迹法或频率特性法来确定调节器的相关参数；另一种方法是工程实验法，通过对典型输入响应曲线所得到的特征量，然后查照经验表，求得调节器的相关参数。工程实验整定法有以下四种：
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5.2.1 经验法
若将控制系统按照液位、流量、温度和压力等参数来分类，则属于同一类别的系统，其对象往往比较接近，所以无论是控制器形式还是所整定的参数均可相互参考。下表为经验法整定参数的参考数据，在此基础上，对调节器的参数作进一步修正。若需加微分
11作用，微分时间常数按TD=(3～4)TI计算。
表1 经验法整定参数表
系 统 温 度 流 量 压 力 液 位
参 数 δ(%) 20～60 40～100 30～70 20～80 TI(min) 3～10 0.1～1 0.4～3 TD(min) 0.5～3 5.2.2 临界比例度法
图11 具有周期TS的等幅振荡示意图
这种整定方法是在闭环情况下进行的。设TI=∞，TD=0，使调节器工作在纯比例情况下，将比例度由大逐渐变小，使系统的输出响应呈现等幅振荡，如图35所示。根据临界比例度δk和振荡周期TS，按下表所列的经验算式，求取调节器的参考参数值，这种整定方法是以得到4：1衰减为目标。
表2 临界比例度法整定调节器参数 调节器参数 δ TI(S) TD(S) 调节器名称 P 2δk PI 2.2δk TS/1.2 PID 1.6δk 0.5TS 0.125TS 临界比例度法的优点是应用简单方便，但此法有一定限制。首先要产生允许受控变量能承受等幅振荡的波动，其次是受控对象应是二阶和二阶以上或具有纯滞后的一阶以上环节，否则在比例控制下，系统是不会出现等幅振荡的。在求取等幅振荡曲线时，应特别注意控制阀出现开、关的极端状态。
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