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1、南 阳 理 工 学 院 本科生毕业设计 论文 学院 系 电子与电气工程系 专 业 自动化 学 生 席守荟 指导教师 殷华文 完成日期 2011 年 5 月 南阳理工学院本科生毕业设计 论文 S7 300 PLC 和力控组态软件中单神经元 PID 算 法设计 PLC 中单神经元 PID 算法设计 The Single Neuron PID Algorithm Design Based on SIEMENS S7 300 and Force Control Configuration Software the Single Neuron PID Algorithm Design Based on
2、SIEMENS S7 300 总 计 毕业设计 论文 35 页 表 格 0 个 插 图 25 幅 南阳理工学院本科毕业设计 论文 南阳理工学院本科毕业设计 论文 S7 300 PLC 和力控组态软件中单神经元 PID 算法设计 PLC 中单神经元 PID 算法设计 The Single Neuron PID Algorithm Design Based on SIEMENS S7 300 and Force Control Configuration Software the Single Neuron PID Algorithm Design Based on SIEMENS S7 300
3、学 院 系 电子与电气工程系 专 业 自动化 学 生 姓 名 席守荟 学 号 96107041 指 导 教 师 职称 殷华文 副教授 评 阅 教 师 完 成 日 期 南阳理工学院 Nanyang Institute of Technology S7 300 PLC 和力控组态软件中单神经元 PID 算法设计 PLC 中单神经元 PID 算法设计 I S7 300 PLC 和力控组态软件中单神经元 PID 算法设计 PLC 中单神经元 PID 算法设计 自动化专业 席守荟 摘 要 本文主要研究了单神经元自适应 PID 算法 首先实现锅炉温度控制 熟 悉 S7 300PLC 中现有的 PID 算法
4、模块 FB41 和 FB43 根据学习的算法思想 在 S7 300PLC 中自主编写单神经元 PID 算法对锅炉液位进行在线实时控制 通过力控监控曲 线分析对比单神经元 PID 算法和常规 PID 算法的特点 比较得知 单神经元自适应 PID 控制算法在总体上优于传统的 PID 控制算法 它有利于控制系统控制品质的提高 受 环境的影响较小 具有较强的控制鲁棒性 是一种很有发展前景的控制器 关键词 PID 控制 单神经元 PID 力控组态软件 S7 300 The Single Neuron PID Algorithm Design Based on SIEMENS S7 300 and For
5、ce Control Configuration Software the Single Neuron PID Algorithm Design Based on SIEMENS S7 300 Automation Specialty XI Shou hui Abstract This paper mainly studied the single neuron adaptive PID algorithm We need to be familiar with the existing FB41 and FB43 PID algorithm modules of S7 300 PLC thr
6、ough achieving the boiler temperature control According to the learning algorithm thoughts we write a program in S7 300 PLC independently to establish the boiler liquid level for on line real time control by using the single neuron PID algorithm Through the force control monitoring curves of the sin
7、gle neuron PID algorithm is compared with the conventional PID algorithm we learn that single neuron adaptive PID control algorithm is superior to the traditional one in overall It is helpful for advancing the control quality of control system and it is lesser influenced by the surrounding environme
8、nt Also it has strong robustness and will be a very promising controller Key words PID control single neuron PID the force control configuration software S7 300 S7 300 PLC 和力控组态软件中单神经元 PID 算法设计 PLC 中单神经元 PID 算法设计 II 目 录 1 引 言 1 2 PID 控制原理 1 2 1 PID 的控制原理 1 2 2 SIEMENS PID 算法和经验获得 2 2 3 锅炉温度控制程序设计及控制
9、结果 5 3 单神经元的算法设计 7 3 1 单神经元模型 7 3 2 单神经元 PID 算法 7 3 3 单神经元 PID 算法参数整定 9 4 液位控制系统的硬件设计 10 4 1 液位控制系统的设计思想 10 4 2 硬件介绍 11 4 2 1 QS 智能型电动调节阀 11 4 2 2 KY B3803 液位变送器 11 4 2 3 模拟量输入模块 SM331 11 4 2 4 模拟量输出模块 SM332 12 5 液位控制系统的软件设计 12 5 1 锅炉液位控制系统流程 12 5 2 编程组态 14 5 2 1 硬件组态 14 5 2 2 PLC 软件编程 15 6 系统运行结果与常
10、规 PID 液位控制系统分析 19 6 1 被控对象是一阶线性时控制结果分析 19 6 2 被控对象是一阶非线性时控制结果分析 20 7 结束语 22 参考文献 23 附录 24 致谢 35 S7 300 PLC 和力控组态软件中单神经元 PID 算法设计 PLC 中单神经元 PID 算法设计 1 1 引 言 本文对传统 PID 控制原理和工程中 PID 参数整定方法进行了研究 通过 SIMATIC PLC 内部的 PID 算法模块 FB41 和 FB43 编写温度控制程序 更深刻的体会 P I D 三个 参数对控制效果的影响 常规 PID 控制是一种应用广泛且成熟的控制方法 但对于工 业上典
11、型的时滞不确定对象的控制效果很差 且控制参数整定很困难 而诸如自适应 控制 预测控制等智能控制手段的实施需建立在对象的精确模型之上 而时滞不确定 对象的精确模型是无法获得的 受到常规 PID 控制器的启发 结合有自学习 自组织 能力的单神经元 从机理上构成了单神经元自适应 PID 控制器 为了更好的学习 PID 控制原理和算法思想 自主编写单神经元 PID 算法 为以后的工程学习打下更好的基 础 此算法不但结构简单 而且能适应环境的变化 使得控制参数能够在大范围内自 由的选取即可获得很好的控制效果 因此具有较强的鲁棒性 本文通过 S7 300 编写单 神经元算法并结合 SIMETIC PLC
12、的 A D D A 转换程序 对锅炉液位进行控制 通过在 线控制过程中改变出口阀门的开度来构成非线性对象 通过对这种非线性对象实时在 线控制 来体会和总结单神经元控制算法的特点 并与传统 PID 控制算法进行比较 可以看出单神经元 PID 控制的优越性 2 PID 控制原理 2 1 PID 的控制原理 在控制系统中 PID 控制是控制器最常用的控制规律 PID 控制系统原理框图 如 图 1 所示 PID 控制器被控对象 PV X s M Y s SP SP PV 图 l PID 控制系统原理图 系统由 PID 控制器和被控对象组成 PID 控制器管理输出数值 以便将偏差 E 为 零 使系统达到
13、稳定状态 偏差是给定值 SP 和过程变量 PV 的差 1 连续系统 PID 控制器的数学形式为 1 0 t d i p dt tde Tdtte T teKtu S7 300 PLC 和力控组态软件中单神经元 PID 算法设计 PLC 中单神经元 PID 算法设计 2 其中 PID 回路的比例系数 p K PID 回路的积分系数 i T PID 回路的微分系数 d T 比例 P 调节作用 比例调节依据 偏差的大小 来动作 它的输出与输入偏差的 大小成比例 比例调节及时 有力 但有余差 它用比例度来表示其作用的强弱 比 例度越小 调节作用越强 相反 比例度越大 调节作用就越弱 比例作用太强时 会
14、引起震荡 比例调节作用是按比例反应系统的偏差 系统一旦出现了偏差 比例调 节立即产生调节作用用以减少偏差 比例作用大 可以加快调节 减少误差 但是过 大的比例 使系统的稳定性下降 甚至造成系统的不稳定 积分 I 调节作用 积分调节依据 偏差是否存在 来动作 它的输出与偏差对时 间的积分成比例 只有当余差消失时 积分作用才会停止 其作用是消除余差 但积 分作用使最大动偏差增大 延长了调节时间 它用积分时间 T 来表示其作用的强弱 T 越小 积分作用越强 但积分作用太强时 也会引起震荡 积分调节作用是使系统消 除稳态误差 提高无差度 因为有误差 积分调节就进行 直至无差 积分调节停止 积分调节输出
15、一个常值 积分作用的强弱取决与积分时间常数 Ti Ti 越小 积分作用 就越强 反之 Ti 大则积分作用弱 加入积分调节可使系统稳定性下降 动态响应变慢 积分作用常与另两种调节规律结合 组成 PI 调节器或 PID 调节器 微分 D 调节作用 微分调节依据 偏差变化的速度 来动作 它的输出与输入偏 差变化的速度成比例 其效果是阻止被调参数的一切变化 有超前调节的作用 对滞 后大的对象 温度 有很好的效果 它使调节过程偏差减小 时间缩短 余差也减小 但 不能消除 它用微分时间 Td 来表示其作用的强弱 Td 大 作用强 但 Td 太大 也会 引起振荡 微分作用反映系统偏差信号的变化率 具有预见性
16、 能预见偏差变化的趋势 因 此能产生超前的控制作用 在偏差还没订形成之前 已被微分调节作用消除 因此 可以改善系统的动态性能 在微分时间选择合适情况下 可以减少超调 减少调节时 间 微分作用对噪声干扰有放大作用 因此过强的加微分调节 对系统抗干扰不利 此外 微分反应的是变化率 而当输入没有变化时 微分作用输出为零 微分作用不 能单独使用 需要与另外 2 种调节规律相结合 组成 PD 或 PID 控制器 2 2 2 SIEMENS PID 算法和经验获得 通过在 S7 300 中编写程序实现锅炉温度控制系统 更深刻的学习了 FB41 和 FB43 的算法思想和参数设置 FB41 CONT C 是采用位置式 PID 算法思想设计的控制软件模块 FB41 的算法设 计很完善 使用起来也很灵活 它的比例运算 积分运算 INT 和微商运算 DIF S7 300 PLC 和力控组态软件中单神经元 PID 算法设计 PLC 中单神经元 PID 算法设计 3 是并行连接的 可以单独激活或取消 这就允许组态成 P PI PD 和 PID 控制器 FB41 输出的是模拟量控制信号 见图 2 FB43 PU
