用于PID参数整定的仿真系统生成方法与流程

本发明属于冶金自动化技术领域，特别涉及一种用于pid参数整定的仿真系统生成方法。

背景技术

pid(比例-积分-微分)调节控制器是工业过程控制系统中最常用的控制器，广泛应用于化工、冶金、炼油、造纸以及建材等各种控制过程。在生产过程自动化中，pid调节是应用时间最长，生命力最强的一种控制方式。据有关数据显示，世界上目前90％以上的过程控制系统都采用了pid调节或基于pid调节的改进型控制方法。在pid控制器的使用中，各控制参数的整定是至关重要的，将影响整个控制系统的稳定和性能优劣。目前，我们公司很多自动控制系统中(如：加热炉控制系统、高炉风机控制系统、供水系统等)都采用了pid控制器，但pid理论知识理解较难，因此现场人员对pid控制器的各项参数整定觉得非常困难。

pid控制器的参数整定是自动控制系统设计的重要内容，是根据被控对象的特性来确定控制器的比例系数、积分时间和微分时间。pid控制的难点不是设计程序，而是控制器参数的整定。如果参数整定不好，即使程序设计没问题，也会影响系统的动静态性能，导致系统不能稳定运行。pid控制器整定方法有理论计算整定法和工程整定法。理论计算整定法需要较强的理论基础知识和熟悉被控对象特性，所计算的参数还必须通过工程实际进行调整和修改。工程整定法需要操作人员有丰富的工程调试经验，在系统性能不能满足要求时，操作人员要根据显示的过程值与设定值进行比较，反复调试直到满足要求。在我们实际的生产中，操作人员对pid控制的调节规律了解不够，在系统不能满足要求时不知道应该调整哪个参数，该参数应该增大还是减小；其次，调试时数据的变化不直观，由于系统的延时作用，调试时间长，影响plc系统的正常运行，调试困难；对于较复杂的串级pid控制调节系统参数的整定，更感到无从下手。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供了一种用于pid参数整定的仿真系统生成方法，其包括：硬件组态步骤，在西门子step7软件的硬件组态画面中，通过插入s7-400通用机架、电源模块、cpu和通讯模块，设置以太网链接参数完成仿真系统的硬件组态；plc编程步骤，在由所述硬件组态保存编译后生成的s7程序下的块容器中，复制有来自于示例项目中的fb100功能块，新建有ob100启动组织块、ob35循环中断组织块、fc1功能和fc2功能，所述fb100功能块用于模拟pid控制中执行机构和被控对象，所述ob100启动组织块用于对fb41功能块和fb100功能块进行初值设定，所述ob35循环中断组织块用于按照预设的周期对所述fc1功能和fc2功能进行循环调用，所述fb41功能块用于实现pid控制，所述fc1功能用于实现所述fb41功能块对所述fb100功能块的单回路调节，所述fc2功能用于实现所述fb41功能块对所述fb100功能块的串级回路调节；人机界面wincc组态步骤，在simaticwinccexplorer软件的变量管理界面中，新建有驱动和连接，并选择plcsim(tcp/ip)作为tcp/ip的系统参数中的逻辑设备名称，然后在新建连接下建立所需的变量以关联plc程序中的地址，在simaticwinccexplorer软件的画面编辑器中，设置单回路调节画面和串级回路调节画面用于接收用户的输入信息和显示调节过程，所述输入信息包括：给定值、采样周期、fb41功能块的控制方式、回路选择、fb100功能块的传递函数中惯性环节的延迟时间和比例增益，并进行变量连接和动作组态以传递给所述plc步骤中的所述fb41功能块和fb100功能块；和仿真步骤，在与step7集成在一起的s7-plcsim软件中，下载程序并运行仿真以生成仿真系统。

在如上所述的生成方法中，优选地，所述fb41功能块的控制方式包括：p控制方式、pi控制方式、pd控制方式和pid控制方式。

在如上所述的生成方法中，优选地，所述fb100功能块的传递函数为：

式中，gain是惯性环节的比例增益，tm_lag1、tm_lag2、tm_lag3分别为惯性环节的延迟时间，s是自动控制理论中拉氏变换的拉普拉斯算子。

在如上所述的生成方法中，优选地，单回路调节画面和串级回路调节画面以曲线的方式显示调节过程。

在如上所述的生成方法中，优选地，所述输入信息还包括：用于使所述给定值在0和设定值之间阶跃变化的阶跃上限值和切换开关。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

为现场人员更好的使用pid控制器，更快地掌握pid调节规律提供了便利。根据现场实际情况，通过修改被控对象的参数，然后调节pid控制器相关参数，可以直观地观察控制器的参数对系统性能的影响，从而更好地理解pid调节规律和系统性能的关系。将调节规律进行总结，可用于现场实际生产，缩短现场pid参数整定时间，保证控制系统高效稳定运行。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种单回路调节的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的一种串级控制回路调节的流程示意图；

图3为本发明实施例提供的一种单回路调节时测试画面；

图4为本发明实施例提供的一种串级控制回路调节时测试画面。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

参见图1～4，在生成本发明实施例提供的用于pid参数整定的仿真系统时，充分利用了西门子siemens编程软件step7、仿真软件s7-plcsim和人机界面软件wincc，生成方法包括的步骤如下：

硬件组态步骤，在西门子step软件的硬件组态画面中，通过插入s7-400通用机架、电源模块、cpu和通讯模块，设置以太网(ethernet)链接参数完成仿真系统的硬件组态。在硬件组态画面显示前，运行step软件，在其主界面(simaticmanager)，新建项目，项目采用s7-400系列，即创建一个s7-400站的项目，硬件组态画面为该项目的硬件组态画面。硬件组态完成后系统会生成相关数据，其包含硬件信息的系统数据。

plc编程步骤，在由硬件组态保存编译后生成的s7程序下的块容器中，复制有来自于示例项目中的fb100功能块(或者说从示例项目中将fb100功能块复制到新建项目s7程序下的块容器中)，新建有ob100启动组织块、ob35循环中断组织块、fc1功能和fc2功能，fb100功能块用于模拟pid控制中执行机构和被控对象，ob100启动组织块用于对fb41和fb100进行初值设定，ob35循环中断组织块用于按照预设的周期对fc1功能和fc2功能进行循环调用，fb41功能块用于实现pid控制，fc1功能用于实现fb41功能块对fb100功能块的单回路调节，fc2功能用于实现fb41功能块对fb100功能块的串级回路调节。其中，硬件组态保存编译后生成s7程序，s7程序包含源文件、块容器和符号。

step7是siemenss7-400plc编程软件，用来编写pid控制程序，

fb41“cont_c”(连续控制器)功能块是s7-400中用来实现pid控制的专用功能块，其输出为连续的模拟量。西门子提供的过程对象功能块fb100可以模拟实际的执行机构和被控对象，不需要任何plc的硬件和外部执行机构、检测元件、受控对象，就能够模拟闭环控制系统。

人机界面wincc组态步骤，在simaticwinccexplorer软件的变量管理界面中，新建有驱动和连接，并选择plcsim(tcp/ip)作为tcp/ip的系统参数中的逻辑设备名称，然后在新建连接下建立所需的变量以关联plc程序中的地址，在simaticwinccexplorer软件的画面编辑器中，设置单回路调节画面和串级回路调节画面用于接收用户的输入信息和显示调节过程，输入信息包括：设定值、采样周期、fb41功能块的控制方式、回路选择、fb100功能块的传递函数中惯性环节的延迟时间和比例增益，并进行变量连接和动作组态以将输入的信息(或称设定或修改的参数及工作)传递给plc步骤中的fb41功能块和fb100功能块。如阶跃上限值通过wincc变量连接到plc的md400地址，然后再通过切换开关将md400的值赋给fb41功能块的背景数据块db41的dbd6地址，即fb41控制器的设定值输入端。

simaticwincc7.0(windowscontrolcenter)--视窗控制中心，是上位机组态软件，集生产自动化和过程自动化于一体，实现了相互之间的整合，用于对生产过程的实时监控，具有良好的开放性和灵活性。

仿真步骤，在与step7集成在一起的s7-plcsim软件中，下载程序并运行仿真以生成仿真系统。plc编程步骤中的plc与s7-plcsim软件的通讯连接需在设置pg/pc接口中将应用程序访问点改为plcsim(tcp/ip)即可。

s7-plcsimv5.4是一款功能很强大的仿真软件，它与step7编程软件集成在一起，可以在计算机上模拟s7-300/400plc的绝大部分功能，是plc程序调试和故障诊断的有力工具。s7-plcsimv5.4支持fb41、fb42、fb43的仿真实验

基于西门子软件开发的pid调节器仿真系统，为现场人员更好的使用pid控制器，更快地掌握pid调节规律提供了一种学习工具。根据现场实际情况，通过修改被控对象的参数，即fb100功能块的传递函数中惯性环节的延迟时间和比例增益：t1(对应tm_lag1)、t2(对应tm_lag2)、t3(对应tm_lag3)和k(对应gain)，然后调节pid控制器相关参数，即使用反馈开关、积分开关和微分开关以及比例增益kp、积分时间ti、微分时间td能将fb41功能块分别组成p调节器、pi调节器、pd调节器和pid调节器，其中积分时间ti、微分时间td的单位为ms，采样周期的单位为ms，可以直观地观察调节器(或称控制器)的参数对系统性能的影响，从而更好地理解pid调节规律和系统性能的关系。将调节规律进行总结，可用于现场实际生产，缩短现场pid参数整定时间，保证控制系统高效稳定运行。fb100功能块的参数可根据现场实际情况进行不同设置，模拟不同的被控对象；当fb100功能块的参数变化时，fb41功能块的参数也进行适当的调整，以保证系统的快速响应和稳定运行。通过调节参数可以模拟的系统如：加热炉控制系统、高炉风机控制系统、供水系统。

为了更好地理解pid调节规律和系统性能的关系，fb41功能块的控制方式包括：p控制方式、pi控制方式、pd控制方式和pid控制方式，通过反馈开关、积分开关和微分开关以及比例增益kp、积分时间ti、微分时间td能将fb41功能块分别组成p调节器、pi调节器、pd调节器和pid调节器。

为了模拟3个串联的惯性环节，fb100功能块的传递函数为：

式中，gain是惯性环节的比例增益，tm_lag1、tm_lag2、tm_lag3分别为惯性环节的延迟时间，s是自动控制理论中拉氏变换的拉普拉斯算子。fb100功能块可以模拟3个串联的惯性环节，若需降低被控对象阶数可以将某一时间常数设置为0。

单回路调节画面和串级回路调节画面以曲线的方式显示调节过程，如此便于形象地展示调节过程，利于操作人员理解。

设定阶跃上限值配合切换开关可以使pid控制器的给定值在0和设定值之间阶跃变化，从而更清楚地看到控制器的输出随设定值的变化趋势。切换开关的动作是在wincc软件中用vbs脚本编程实现的，用于在0～设定的上限值之间切换。vbs是wincc软件的一个功能，在全局脚本里。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。