温度PID控制功能块FB58使用入门

1 FB58基本特性介绍

在标准库（Libraries/Standard Library/PID Control Blocks）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（Control Zone）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。

2 FB58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1 FB58/59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Continuous controller
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Pulse control OB35, 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Pulse control OB35, 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S7-400 CPU；
（4）脉冲控制器 Pulse controller
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 Step controller
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”“Standard Library”“PID Control Blocks”，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1 PVPER_ON参数

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2 PER_MODE参数

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 = PIW256PVPER_ON = TRUEPER_MODE = 2PV_FAC = 1.2PV_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。

2.3 PID运算
PID运算是FB58的运算核心，主要通过对偏差信号（设定值SP_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7 PID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(Control Zone)”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CON_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；
P_B_TM：最小脉冲/最小断开时间。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3 SELECT的参数配置

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“Controller Tuning...”，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“PID parameters”，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（Tune by approaching the operating point with a setpoint step change），另一种是没有设定值阶跃变化，只在工作点整定（Tune at the operting point by setting a start 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_DLMN，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：

表4 整定阶段

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

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“PID parameters”，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“PI parameters”，则会保存在PI_CON中。

5 背景数据块
如下是FB58常用参数表：

关键词
温度控制，FB58，PID，参数整定，控制带

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