[工学]S7-300 PLC中FB41数据处理程序设计毕业设计.doc
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1、S7-300 PLC中FB41 数据处理程序设计 南 阳 理 工 学 院 本科生毕业设计(论文) 学 院(系): 电子与电气工程学院 专 业: 自 动 化 学 生: 指导 教师: 完成日期 2012 年 5 月 第 2 页 共 44 页南阳理工学院本科生毕业设计(论文)S7-300 PLC中FB41数据处理程序设计FB41 Data Processing Programming in S7-300 PLC 总 计: 52 页表 格: 5 个插 图: 37 个 南 阳 理 工 学 院 本 科 毕 业 设 计(论文)S7-300 PLC中FB41数据处理程序设计 FB41 Data Process
2、ing Programming in S7-300 PLC 学 院 (系): 电子与电气工程学院 专 业: 电气工程及其自动化 学 生 姓 名: 学 号: 163108040 指 导 教 师(职称): 评 阅 教 师: 完 成 日 期: 南阳理工学院 Nan yang Institute of Technology - 2 -S7300 PLC 中 FB41数据处理程序设计电气工程及其自动化 摘 要西门子Step 7中FB41 PID算法模块,功能设计完善,控制效果好。但是由于FB41源程序不公开,给使用者带来一定的困难。本课题仿照STEP 7 中FB41 标准PID算法的功能和形式,采用位置
3、式算法思想,使用LAD语言自主编写能够实现同样功能的PID算法模块。本设计主要设计了 输入和输出参数处理、上限和下限限幅处理、采样周期的处理、误差和死区数据处理。自主设计的PID控制模块自适应能力比较强,而且超调量较小,与FB41模块功能相仿,可以替换FB41使用。本算法模块由于源程序是开放的,摈弃了FB41不能进行算法改造、直接修改参数、修改数据格式等缺点,对于教学科研来说比FB41更有实用性。 关键词 采样周期;数据类型转换;限幅;死区;偏差FB41 Data Processing Programming in S7-300 PLC Electrical Engineering and A
4、utomation Specialty WANG Yong-ming Abstract: In Siemens Step-7,FB41 algorithm module perfect functions design and good control effect.Owing to FB41 source program not release,it produced certain diffculties for the users.This study is patterned after FB41 function and form of the PID algorithm,the p
5、ositional PID control algorithm is selected and use LAD anguage to write can realize the same functionality PID algorithm modules.This design main design input/output parameter process、upper and lower limits parameter process、sampling interval parameter process、dead band and errors parameter process
6、. Self-designed PID control module adaptive capacity is relatively strong, and the overshoot is smaller, and the module function is similar with FB41, can replace FB41.Owing to this algorithm is open-source program.rejection of the FB41 algorithm transformation, directly modify the parameters, to mo
7、dify the data format disadvantage of practicality more than FB41 for teaching and research. Key words: Sampling period;data type conversion;imiting;dead band;error 目 录1 引言11.1 PID 控制的发展状况11.2 PID 算法的发展21.3 本课题的意义22 Step-7中FB41 输入/输出参数和原理介绍32.1 FB41的应用32.2 FB41输入参数描述32.3 FB41输出参数描述52.3 FB41“CONT_C” 的
8、算法方框图53 “仿FB41”模块数据结构设计63.1 “仿FB41”模块中基本数据类型介绍63.2 背景数据块的建立和打开73.2.1 变量声明和背景参数数据84“仿FB41”模块程序开发设计114.1 “仿FB41”模块输入/输出参数数据的处理114.1.1 输入数据参数处理114.1.2 输出数据控制器参数限幅处理124.1.3 输出数据调节值的处理124.1.4 输出数据转换为外部设备(I/0)格式处理134.2 偏差计算134.3 手动模式程序处理144.4 “仿FB41”模块程序开发中的数据处理154.4.1 数据参数初始化处理154.4.2 采样时间(CYCLE)的处理154.4
9、.3 死区的处理165 用“仿FB41”模块控制的组态监控165.1 主界面组态165.2 数据库组态175.3 I/O设备组态176 “仿FB41”模块与FB41控制效果的对比186.1 锅炉水温控制的控制效果对比和数据分析186.2 压力控制的控制效果对比和数据分析206.3 液位控制的控制效果对比和数据分析226.4 双容水箱的控制效果对比和数据分析246.5 双极性控制的控制效果对比和数据分析266.6 “仿FB41”对流量的控制效果286.7 “仿FB41”开环控制效果297 控制对象数学模型的建立与PID参数的计算317.1 一阶动态水开环数学模型的建立和PID参数的计算31结束语
10、34参考资料35附录36致谢51 - III -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【1】。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
11、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。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【2】。
12、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【3】:(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
13、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。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【4】。1.2 PID 算法的发展 自1992 年
14、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【5】。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【6】。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
15、 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
16、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【7】。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 本课题的意义 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
17、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 Step-7中FB41 输入/输出参数和原理介绍2.1 FB41的应用FB41“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【9】。在参数分配期间,用户
18、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。2.2 FB41输入参数描述 为了方便对FB41进行算法上的自主开发设计,所以必须对FB41 参数变量有详细的了解,FB41 35个输入参数如表1所示。 表1.FB41输入参数描述参数数据类型取值范围缺省描述COM_RSTBOOLFALSE完全
19、重启动该块有一个完全重启动例行程序,在置位“完全重启动”时执行该例行程序MAN_ONBOOLTRUE手动值打开如果置位了输入“手动值打开”,则中断控制回路,并将手动值设置为调节值。PVPER_ONBOOLFALSE外设过程变量打开如果过程变量时从I/O读取的,则输入PVPER必须连接到I/O,并且置位输入“外设过程变量打开”。P_SELBOOLTRUE比例作用打开可以再PID算法中单独激活或取消各个PID作用,当置位了输入“比例作用打开”后,将打开P比例作用。I_SELBOOLTRUE积分作用打开可以在PID算法中单独激活或取消激活各个PID作用,当置位了输入“积分作用打开”后,将打开I积分作
20、用。INT_HOLDBOOLFALSE积分作用保持通过置位输入“积分作用保持”,可以“冻结”积分器的输出。I_ITL_ONBOOLFALSE积分作用初始化通过置位输入“积分作用初始化打开”,可以将积分器的输出连接到输入I_INT_VAL。D_SELBOOLFALSE微分作用打开可以在PID算法中单独激活或取消激活各个PID作用,当置位了输入“微分作用打开”后,将打开D微分作用。CYCLETIME=1msT#1S采样时间块调用之间的时间间隔必须恒定,“采样时间”输入确定了块调用之间的时间间隔。SP_INTREAL-100.0.100.0(%)或者是物理量1)0.0内部设定值“内部设定值”输入用于
21、确定一个设定值。PV_INREAL-100.0.100.0(%)或者是物理量1)0.0过程变量输入初始值可以在“过程变量输入”输入端设置,也可以连接到浮点数格式的外部过程变量上。PV_PERWORDW#16#0000外设过程变量I/O格式的过程变量连接到控制的“外设过程变量”输入端。MANREAL-100.0.100.0(%)或者是物理量1)0.0手动值“手动值”输入用于操作员随机赋值于调节值GAINREAL2.0比例增益“比例因子”输入用于控制器的增益。TITIME=CYCLET#20S复位时间积分器的时间响应。TDTIME=CYCLET#10S微分时间微分时间的时间响应。TM_LAGTIM
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