温度PID控制功能块FB58使用入门.docx

温度PID控制功能块FB58使用入门.docx

《温度PID控制功能块FB58使用入门.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《温度PID控制功能块FB58使用入门.docx（27页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

温度PID控制功能块FB58使用入门

15-1-22SiemensIndustryOnlineSupport-AutomationService,AutomationSupport,SimaticService,SimaticSupport,TechnicalSupport,TechnicalConsulting自动化技术>自动化技术>工业自动化系统SIMATIC>工业软件>运行软件>Loadablefunction

blocks>标准PID控制

温度PID控制功能块FB58使用入门

1FB58基本特性介绍

在标准库（Libraries/StandardLibrary/PIDControlBlocks）中的PID控制块中提供了两个用于温度控制的

功能块FB58和FB59。

其中，FB58用于具有连续或脉冲输入信号的执行器的温度控制器，而FB59用于类

似于定位电机的执行器的步进温度控制器。

除了基本的功能之外，FB58还提供PID的参数自整定功能。

PID功能块是纯软件控制器，相关运算数据存放在相应的背景数据块中，对于不同的回路，应该使用不同

的背景数据块，否则会导致PID运算混乱的错误。

FB58可以用在仅加热的温度控制回路（例如控制蒸汽的供给量来控制温度），也可以用在仅冷却的温度

控制回路（例如控制冷却风扇的频率、或者冷媒的供给量来控制温度）。

如果用于冷却，则回路工作在反

作用状态，则需要给比例增益参数GAIN分配一个负数，其他保持不变。

和常规PID功能块（例如FB/SFB41）对比，FB58具有如下特性：

提供控制带（ControlZone）功能；

控制输出提供脉冲方式；

过程值转换增加对温度信号转换（PV_PER*0.1/0.01）方式的支持；

参数保存和重新装载；

控制器参数自整定功能；

设定值变化时的比例作用弱化功能。

2FB58基本使用

2.1功能块调用

在STEP

7中，提供了关于FB58和FB59的一个示例项目，其路径如下图所示：

图1FB58/59示例项目

该示例项目包含有如下几个示例程序：

（1）连续控制器Continuouscontroller

输出类型是连续数值的一类控制器，其中的FB100和DB100是一个模拟的控制对象；

（2）脉冲控制PulsecontrolOB35,OB1

输出类型是单个脉冲信号的一类控制，在OB35和OB1中同时调用，其中的FB102和DB102是一个模拟的

接收脉冲信号的控制对象；

（3）脉冲控制PulsecontrolOB35,OB32

输出类型是单个脉冲信号的一类控制，在OB35和OB32中同时调用，其中的FB102和DB102是一个模拟的

接收脉冲信号的控制对象。

和上一个项目不同，这个项目要求运行的CPU能够支持OB32定时中断，例如

S7-400CPU；

（4）脉冲控制器Pulsecontroller

输出类型是单个脉冲信号的一类控制，只在OB35中调用，其中的FB102和DB102是一个模拟的接收脉冲

信号的控制对象。

和前面两个项目不同，这个项目只在OB35中调用一次FB58即可；

（5）步进控制器Stepcontroller

输出类型是两个脉冲信号的一类控制，只在OB35中调用，其中的FB101和DB101是一个模拟的控制对

象，例如步进电动阀门。

这是一个FB59的应用示例。

通过示例项目可以测试FB58的各项功能。

在具体的编程过程中，可以从示例项目中将相关功能块、组织

块、背景数据块拷贝过来，也可以直接编程调用。

在STEP

7中创建一个OB35，打开并在其中添加FB58：

图2调用FB58

如上图所示，在左侧的总览列表中，依次进入“Libraries”󰀀“StandardLibrary”󰀀“PIDControlBlocks”，在

其中拖拽FB58到右侧编程窗口中。

填写一个背景数据块（例如DB58），由于是新建的一个DB块，软件会

弹出如下窗口：

图3生成背景数据块

点击“Yes”即可生成一个用于FB58的背景数据块。

在块（“Blocks”）中找到刚生成的DB块，双击打开：

图4背景数据块

在背景数据块中可以直接修改相关的控制参数，然后点击工具栏上的按钮来下载参数。

如果需要查看

更加具体的参数信息，可以切换到数据视图：

图5切换到数据视图

在数据视图中，可以点击工具栏上的来进行在线监控。

2.2过程值的处理

在FB58中，对模拟量的处理遵照如下流程图：

图6过程值处理流程

如图中所示，FB58提供有两个过程值的输入通道：

PV_IN和PV_PER，这两个通道用PVPER_ON来选择：

表1PVPER_ON参数

过程值输入

True模拟量输入通道的数值直接从PV_PER输入

False过程量以浮点型数据从PV_IN输入

注：

PVPER_ON的默认值为False。

对于PV_PER的输入，根据温度测量方式的不同，从模拟量输入通道过来的数据格式也有所不同，因此，

FB58提供过程值格式转换的环节CRP_IN，其中涉及到参数PER_MODE：

表2PER_MODE参数

转换方式单位

0PV_PER*0.1℃/℉

1PV_PER*0.01℃/℉

2PV_PER*100/27648/电流百分数%

注：

PER_MODE的默认值为0。

从图1中的处理流程中可以看到经过CRP_IN之后，还有一个规格化（Normalize）的环节PV_NORM。

该

环节可以对过程值进行修正，对于温度值，可以规格化为百分比值，同样地，百分比的值也可以规格化为

温度值。

其转换公式是：

PV_NORM的输出=CPR_IN的输出*PV_FAC+PV_OFFS

例如，通过温度变送器将一个-200℃~1000℃范围里的温度值以4~20mA的信号送至模拟量输入通道

PIW256中。

在FB58中设置

PV_PER=PIW256

PVPER_ON=TRUE

PER_MODE=2

PV_FAC=1.2

PV_OFFS=-200.0

通过如上的参数设置，则在“PV”参数中得到一个温度值。

同样地，此时的设定值SP_INT可以直接设置为

温度值。

设定值SP_INT的取值由过程值的处理过程所决定，如果过程值经过处理得到一个百分比的值，那么

SP_INT就是一个量程的百分比；如果处理得到一个实际温度值，那么设定值SP_INT也必须是一个温度

值。

SP_INT必须要有和过程值一样的基本单位。

2.3PID运算

PID运算是FB58的运算核心，主要通过对偏差信号（设定值S

P_INT-过程值PV）进行比例、积分、微分运算来得到对阀门、变频器等执行机构的控制信号。

具体流图如下图所示：

图7PID运算流程

从上述流程图中有如下几点信息：

-比例、积分和微分都是对比例和增益参数的乘积之积的运算，其在时间域上的表达式为：

-特殊地，在积分时间TI和微分时间TD为0的时候，积分作用和微分作用被取消激活，此时为纯比例控制；

-对于反作用方式，需要将增益GAIN设置为负数；

-PFAC_SP为比例弱化功能。

在设定值SP_INT发生阶跃变化时，设置比例因子PFAC_SP，从而达到减弱

因为设定值修改而导致的不稳定，该比例因子PFAC_SP的取值范围是0.0~1.0；

-对于积分作用，在I_ITL_ON为1的时候，积分结果就是I_ITLVAL；

-积分功能中的INT_HPOS和INT_HNEG参数为正向积分功能保持和反向积分功能保持，如果此时偏差ER

和增益GAIN的乘积为正，且INT_HPOS为True，那么此次运算周期中积分的增加量为0，即积分项LMN_I

的输出不会改变。

INT_HNEG的作用与此类似。

-微分功能中的D_F参数是微分因子，在微分运算中和周期时间CYCLE作用类似。

2.4手动/自动切换

FB58的手动/自动切换是通过参数MAN_ON来完成的，在MAN_ON为True的时候，PID处在手动工作状

态，此时，手动值通过参数MAN给出。

图8控制输出

默认情况下，LMN_HLM和LMN_LLM分别是100.0和0.0，从上图中可以看出，手动值的有效数值范围也应

该是0.0~100.0。

在参数MAN_ON为False的情况下，PID投入运行，控制回路处于自动工作状态。

为了降低手动/自动切换过程中扰动，算法通过如下措施来实现无扰切换：

-在自动的状态下，比例和积分的运算结果之和会写入到单元MAN中，这样在由自动切换到手动的过程中

不会引起控制输出波动；

-在手动的状态下，积分项的输出等于MAN的值减去比例项的值（偏差ER*增益Gain），而在自动状态

中，积分项是一个累计的结果，这样在切换到自动状态时积分项不会有太大的突变。

从上面的分析可以知道，FB58

已经集成了相应的无扰切换的功能，不需要编写额外的程序来实现。

2.5保存和重新装载参数

保存和重新装载控制器参数是FB58中的新功能，主要用来实现在多套参数之间的切换。

图9控制参数保存和重新装载

从上图中可以看出，控制参数的处理有三种方式：

（1）从PID_CON/PI_CON中装载

要实现此装载，必须满足如下几种条件：

手动控制状态（MAN_ON=True）；

PID_CON.GAIN或者PI_CON.GAIN不为0；

LOAD_PID为1

如果参数PID_ON为1，则从PID_CON中装载如下参数：

GAIN、TI、TD，并计算CONZONE=250.0/GAIN

如果参数PID_ON为0，则从PI_CON中装载如下参数：

GAIN、TI、TD，并计算CONZONE=250.0/GAIN。

特殊地，此时会关闭控制带功能，即设置CON_ZONE

参数为0，并让微分参数TD设置为0.0。

装载完成之后，参数LOAD_PID会自动复位。

值得注意的是，如果PID_CON中保存的增益参数PID_CON.GAIN为0，则自动会修改PID_ON为0，并转而

从PI_CON中获取参数。

注：

PID_CON/PI_CON中的参数来自于自整定过程。

（2）保存参数

保存参数可以在任何工作状态下进行，只需设置参数SAVE_PAR为1即可。

可以将如下参数保存找

PAR_SAVE结构体中：

PFAC_SP、GAIN、TI、TD、D_F、CONZ_ON、CON_ZONE

在保存结束之后，参数位SAVE_PAR会自动复位。

（3）重新装载参数

重新装载是“保存参数”的逆过程，但其执行是需要条件的：

手动控制状态（MAN_ON=True）；

PAR_SAVE.GAIN不为0；

参数UNDO_PAR为1。

在重新装载完成之后，参数UNDO_PAR会自动复位。

3高级功能

3.1控制带

温度控制回路是一个有明显滞后特性的对象，这给实际的调节过程带来了很多的问题，最显著的困难就是

在过程值偏离设定值较大时，调节过程过于缓慢，而在接近设定值时容易出现较大的超调。

从上述的两个问题出发，PID应该满足这样的功能：

-在偏差超过一定的范围时，PID输出最大或者最小的调节量，让温度值快速回到一个小的范围中，以缩短

回路的调节时间；

-在设定值附近时，越靠近调节量变化越小，以防止超调。

为此，FB58提供了一个“控制带（ControlZone）”功能，其工作原理是这样的：

-当过程值PV大于设定值SP_INT，且偏差的绝对值超过CON_ZONE，则以输出下限LMN_LLM作为输出

值；

-当过程值PV小于设定值SP_INT，且偏差的绝对值超过CON_ZONE，则以输出上限LMN_HLM作为输出

值；

-如果偏差的绝对值小于CO

N_ZONE，则以实际PID的计算结果作为输出值。

图10控制带（正作用情况下，即GAIN>0.0）

默认参数中LMN_LLM是0.0，LMN_HLM是100.0，控制带使能位CONZ_ON是False，控制带范围是

100.0。

如上图所示的控制带解决了在偏差较大时PID调节过于缓慢的问题，但在控制带范围中要避免因大滞后导

致的超调，需要弱化PID的输出，要实现这个功能，可以通过降低比例参数和增加微分作用。

在同样的偏

差情况下，比例增益越小，PID输出变化越缓慢。

微分作用简单来看就是通过偏差的变化量来调节，在接

近设定值的过程中，温度变化速度在逐步变慢，此时的微分作用可以起到弱化控制输出的功能，进而达到

减少超调的目的。

因此，推荐控制带在有微分作用的前提下使用。

参数装载的过程也体现了这一点：

-如果是装载PI_CON下的参数，因为没有微分功能，所以会设置CONZ_ON为False。

在使用过程中，控制带参数CON_ZONE应该始终设置为一个大于等于0.0的值，否则会导致PID运算结果

永远不会被执行的故障现象。

3.2脉冲输出方式

和FB41不同，FB58中集成有脉宽调制输出的功能，通过将PID的运算结果换算成对应的脉冲占空比来达

到加热/冷却的控制。

在FB58的脉冲输出环节中涉及到的关键参数有：

PULSE_ON：

脉冲输出使能；

PER_TM：

输出脉冲的周期时间；

CYCLE_P：

脉冲输出的刷新时间，推荐PER_TM/CYCLE_P>50，即将周期时间分为时间长度为

CYCLE_P的“片”，在每个CYCLE_P时间间隔里，脉冲输出单元运算一次以判断下一个CYCLE_P中应该输

出高电平还是低电平，PER_TM和CYCLE_P的比值越大，说明输出脉冲的精度就也高；

例如当PID的计算输出接近于100.0时，那么输出的脉冲中低电平时间

接近于0，针对执行机构而言，其需要在极短的时间里关断，然后再打开，这会严重缩短设备的工作寿

命，为此，通过设置最小脉冲断开/脉冲时间就可以避免此问题。

当需要输出的高电平时间小于P_B_TM

时，则不会输出这个高电平；当需要输出的高电平时间大于周期时间PER_TM-P_B_TM时，则整个周期都

输出高电平。

P_B_TM设置的过长，可以降低对执行机构的冲击，但会影响输出脉冲和整个回路的控制精

度；设置的过短，则对执行机构不利。

图11脉冲输出

如上图所示，LmnN为PID的运算结果，通过和脉冲周期时间PER_TM相乘得到高电平的输出时间：

脉宽=LmnN*PER_TM/100

脉冲输出单元每次执行都累加一个CYCLE_P，通过判断累加值和脉宽，或者和周期与脉宽差值的比较来

改变输出点的状态。

3.2.1脉冲输出和PID运算

在FB58中，脉冲输出和PID计算是两个相对独立的过程，各自有自己的计算周期。

对于PID计算来说，

CYCLE参数可以看成是PID计算的循环周期时间，例如PID在OB35每次执行过程中都会被调用，而硬件组

态过程中OB35的周期时间被设置成了500ms，则CYCLE应该填写为0.5。

对于脉冲输出来说，其循环周期

时间是CYCLE_P。

这两个时间参数可以一样，也可以不一样。

PID的计算周期主要由被测量的变化规律决

定的，而脉冲输出的CYCLE_P参数由要求的脉冲输出精度决定。

为了协调PID和脉冲输出之间的矛盾，FB58提供了“SELECT”参数，其具体使用如下所示：

表3SELECT的参数配置

块调用功能

S7-300和S7-在周期性中断OB中通过在同一个周期性中断OB中

中，脉冲发生器采样时间SELECT=0进行调用执行控制程序段和脉冲输出

CYCLE_P=100毫秒）

S7-300中，脉冲发生器采在OB1中通过SELECT=1执行在OB1中执行控制程序段

条件调用

CYCLE_P=10毫秒）（QC_ACT=TRUE）

在周期性中断OB中通过在周期性中断OB中执行脉

SELECT=2进行调用冲输出

S7-400中，脉冲发生器采在低速周期性中断OB中通过在低速周期性中断OB中执

（例SELECT=3进行调用行控制程序段

CYCLE_P=10毫秒）在高速周期性中断OB中通过在高速周期性中断OB中执

SELECT=2进行调用行控制程序段

根据上表描述，FB58的调用可以有如下三种情况：

（1）SELECT=0，FB58只在周期中断OB（例如OB35）中调用

此时的参数配置应该将CYCLE_P和周期中断OB的中断时间保持一致。

因为PID计算的执行条件是

CYCLE_P的累计值和CYCLE参数一致，而脉冲输出周期PER_TM则应该CYCLE_P的整数倍，和CYCLE

无关。

例如，在OB35中调用FB58，OB35的周期时间为50ms，FB58中的CYCLE_P是0.05s，CYCLE是1.0s，

PER_TM是3.0s。

观察参数之间的关系，CYCLE是CYCLE_P的20倍，即OB35每20个周期执行一次FB58里的PID计算，而

输出的脉冲周期是3秒钟。

（2）FB58分别在OB1和周期中断OB（例如OB35）中调用

在两个OB块中调用的FB58使用同样的背景数据块和参数，只是SELECT参数有所不同，在OB1中调用，

SELECT设置为1；在周期中断OB中调用，SELECT设置为2。

为了缩短OB1执行时间，可以通过FB58背

景数据块中的“QC_ACT”来选择是否执行FB58，当QC_ACT为TRUE时，执行，否则跳过。

在这种方式下，处理原理同

（1）一致，不同的是PID运算总是在OB1中执行罢了。

OB1的执行周期对PID

运算、脉冲输出均没有影响。

（3）FB58在两个不同周期时间的周期中断OB（例如OB32和OB35）中调用

FB58分别在两个周期中断OB中调用，其中周期时间长的OB中调用的FB58的SELECT参数设置为3，时间

短的设置为2。

同前面两种情况不一样，SELECT选择为3时，PID的运算只和调用周期有关。

例如OB32定义的周期时间

是1000ms，OB35的周期时间是100ms，CYCLE_P是0.02s，PER_TM是1.0s。

这样在OB32中定义

SELECT参数为3，则每1秒钟就执行一次PID运算，并不是由CYCLE和CYCLE_P的关系来决定。

3.2.2参数设置的经验法则

前面的描述说明了CYCLE/CYCLE_P/PER_TM之间的关系，对于具体的参数设置，可以有如下几条法

则：

（1）CYCLE时间不能超过积分时间TI的10%；

（2）为了保证控制精度，脉冲周期时间PER_TM应该至少是CYCLE_P的50倍；

（3）脉冲周期时间CYCLE不能超过积分时间TI的5%。

4自整定功能

FB58的背景数据块中集成了控制器参数整定的功能，打开DB块，点击工具栏的按钮，使DB块在线：

图12背景数据块的参数分配视图的在线

背景数据块在线之后，可以看到，相关的参数均能读取。

点击菜单项“Options”下的“ControllerT

uning...”，

即可开始整定：

图13选择控制器整定菜单

控制器整定的向导一共有5步，第一步是简单的功能介绍：

图14功能介绍

点击“Next”，进入下一步：

图15控制器类型选择

在该窗口中选择是PID控制还是PI控制，该选项对应“PID_ON”参数，如果选择“PIDparameters”，则在点

击“Next”之后，PID_ON会置位。

图16整定激励方法选择

FB58提供两种整定激励，一种是修改设定值，接近工作点（Tunebyapproachingtheoperatingpointwith

asetpointstepchange），另一种是没有设定值阶跃变化，只在工作点整定（Tuneattheopertingpoint

bysettingastart

bit）。

选择第一种，然后点击“Next”：

图17修改设定值下的激励参数

选择修改设定值的激励方式，则需要在上图所示的窗口中填写新的设定值和手动值偏差，其中的手动值偏

差对应的就是参数TUN_DLMN。

默认情况下，设定值是当前DB块中的实际设定值，所以要触发整定，必

须修改这个设定值！

这种修改设定值的激励方式的工作原理如下图所示：

图18修改设定值的激励方式

寻找拐点是整定过程中的关键，如果设定值的阶跃变化过小，则可能在过程值（图中虚线）变化过程中不

会出现拐点；相反地，如果设定值的阶跃变化过大，则可能会造成大的超调，对系统不利。

如果选择没有设定值阶跃变化的整定方式，则激励参数是这样的：

图19无设定值阶跃变化下的激励参数

对比两种窗口，可以发现在无设定值阶跃变化的方式下，设定值是不可设的，而且手动值偏差也是默认为20%。

这种方式下的整定按照如下图所示的流程：

图20无设定值阶跃变化的激励方式

从上图中可以清楚地看到，整个整定过程中，设定值并没有发生改变，只是输出值LMN有一个变化量

TUN_DL

MN，在这个变化量的促使下，过程中出现波动，等检测到拐点之后，变化量消失，系统重新恢复

到设定值上来。

不论哪一种激励方式，在完成配置后点击“Next”，都是开始控制器整定：

图21控制器整定过程

整定过程分为7个阶段，从参数PHASE的值中可以读出，不同阶段的工作内容有所不同：

描述

无整定

检查参数、等待激励、测量采样时间

检测过程值上的拐点

过程参数的计算，保存整定前的参数

控制器设计

处理新的调节量

检测过程类型

注意，整定过程没有阶段6。

整定过程中的状态在变量STATUS_H中显示，具体错误代码对应的含义如下表所示：

表5整定状态代码

STATUS_H诊断消

具体的错误信息可以查看相关手册。

除了STATUS_H之外，从参数STATUS_D中可以显示出整定到的系统类型，具体的参数数值和系统类型

的对应关系，请参看具体手册描述。

如果整定顺利完成，即STATUS_H为10000，优化得到的PID参数会自动写入到相应单元中，原有的参数

会自动保存到PAR_SAVE的结构体中。

在图10中如果选择为“PIDparameters”，那整定得到的参数同时还

会保存到PID_CON结构体中，同样地，选择为“PIparameters”，则会保存在PI_CON中。

5背景数据块

如下是FB58常用参数表：

名称类型初始值注释

PV_IN输入0.0实数类型过程值输入

PV_PER输入0整数类型过程值输入

DISV输入0.0干扰补偿

INT_HPOS输入FALSE正向积分保持开启

INT_HNEG输入FALSE反向积分保持开启

SELECT输入0PID功能和脉冲功能的选择

PV输入0.0过程值

LMN输出0.0实数类型的PID输出控制量

LMN_PER输出0整数类型的PID输出控制量

QPULSE输出FALSE输出脉冲信号

QLMN_HLM输出FALSE控制量到达上限

QLMN_LLM输出FALSE控制量到达下限

QC_ACT输出TRUE下一周期PID是否执行

CYCLE输入_输出0.1PID计算的周期时间

CYCLE_P输入_输出0.02脉冲输出的刷新时间

SP_INT输入_输出0设定值

COM_RST输入_输出FALSE复位

MAN_ON输入_输出TRUE手/自动，默认为手动

DEADB_W静态变量0.0偏差死区

I_ITLVAL静态变量0.0初始积分值

LMN_HLM静态变量100.0控制量上限

LMN_LLM静态变