郭峰

摘 要 本文結(jié)合目前國內(nèi)溫控系統(tǒng)開發(fā)落后的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了基于PLC的PID算法的溫控系統(tǒng)，首先，分析了PID控制算法的原理，其次，探討了PLC溫控系統(tǒng)的硬件與軟件系統(tǒng)，最后，研究了PID算法的實(shí)現(xiàn)及PLC系統(tǒng)的調(diào)試，旨在充分發(fā)揮PID算法的作用，不斷提高PLC溫控系統(tǒng)的質(zhì)量。

【關(guān)鍵詞】PLC PID算法 溫控系統(tǒng)

在工業(yè)及實(shí)驗(yàn)室中較為常見的加熱設(shè)備便是電加熱爐，對其溫度控制是典型的過程控制，由于電加熱爐具有一定的特殊性，如果僅采用常規(guī)的PID控制，為了達(dá)到控制精度，要求相關(guān)參數(shù)具有一定的準(zhǔn)確性，并且系統(tǒng)也要保持一定的穩(wěn)定性，但根據(jù)實(shí)踐可知，電加熱爐溫控系統(tǒng)難以滿足上述要求，因此，本文重點(diǎn)研究了PLC溫控系統(tǒng)中PID算法的應(yīng)用，旨在為工業(yè)及實(shí)驗(yàn)室提供更高質(zhì)量的溫控系統(tǒng)。

1 PID控制算法原理分析

PID控制器的構(gòu)成主要包括比例單元、積分單元與微分單元，它在控制系統(tǒng)中扮演著重要的角色，作為關(guān)鍵的反饋電路部件，其主要用于對系統(tǒng)輸出的預(yù)設(shè)值、實(shí)際輸出值之間的偏差進(jìn)行比例、積分與微分運(yùn)算，此后對運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行線性組合，從而獲得控制量，最后控制被控對象，使輸出值迅速達(dá)到預(yù)設(shè)值，并保持穩(wěn)定狀態(tài)。如果被控對象的變化規(guī)律難以準(zhǔn)確掌握，對其他控制技術(shù)的使用難度較高，此時則要利用PID控制，此算法具有一定的簡便性與準(zhǔn)確性。

現(xiàn)階段，常見的PID控制器有兩種，一種為模擬PID，另一種為數(shù)字PID，在計(jì)算技術(shù)支持下，控制系統(tǒng)的控制趨于先進(jìn)化與數(shù)字化，因此，數(shù)字PID的類型日漸豐富，具體包括三種，分別為位置式數(shù)字PID、增量式數(shù)字PID與改進(jìn)的PID算法，第一種主要是指模擬PID的積分與微分項(xiàng)，需要利用數(shù)字計(jì)算機(jī)，以此時間二者的離散化，此類型的缺點(diǎn)為較大的運(yùn)算量，如果系統(tǒng)出現(xiàn)故障，則極易造成安全問題；第二種主要是將增質(zhì)量的增量送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，此類型的優(yōu)點(diǎn)為運(yùn)算量較小，同時因計(jì)算誤差而出現(xiàn)的誤動作對系統(tǒng)所造成的影響較??；第三種主要是對數(shù)字PID而言的，它主要是借助計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)的，在實(shí)際運(yùn)用過程中具有較強(qiáng)的靈活性，但對于不同控制系統(tǒng)而言，由于系統(tǒng)各異，其控制需求也有所不同，因此，在使用時，需要結(jié)合控制系統(tǒng)的具體需求，對其進(jìn)行改進(jìn)。

2 PLC溫控系統(tǒng)中PID算法的應(yīng)用

2.1 硬件組成

本文以某工業(yè)PLC溫控系統(tǒng)為研究對象，其主控制單元為整體式小型PLC，它的應(yīng)用具有普遍性，同時，性能較為穩(wěn)定；輸入部分主要為各按鈕開關(guān)，輸出部分主要是由閥門、電機(jī)與指示燈等構(gòu)成的。溫控系統(tǒng)選用蒸汽加熱，其測量是利用雙金屬溫度計(jì)實(shí)現(xiàn)的，其采集是借助4通道的FX2N-4AD模塊實(shí)現(xiàn)的，同時該模塊也是輸出對象，而被控對象為電動調(diào)節(jié)閥。

溫控系統(tǒng)的硬件主要有溫度變送器、電動調(diào)節(jié)閥、FX2N-4AD模塊等，第一個部件主要用于采集溫度值，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)電流信號，此時該信號為第三個部件的輸入信號，在模數(shù)轉(zhuǎn)換后，送給PLC作為測量值，此后，PLC利用PID指令，對測量值和給定值展開處理，即：借助PID算法，從而獲得控制數(shù)據(jù)，再由第三個部件將控制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬量，最終實(shí)現(xiàn)了對第二個部件的有效控制，在其開度得到調(diào)節(jié)后，以此保證了溫度的有效控制。

2.2 軟件組成

PLC溫控系統(tǒng)的程序主要是由主程序、初始化子程序、PID參數(shù)初始化子程序、故障報(bào)警及顯示子程序、中斷程序等構(gòu)成的，該系統(tǒng)的控制程序是由STEP-Micro/win 32軟件利用梯形圖方式進(jìn)行編寫的。

系統(tǒng)主程序在啟動后，主要是檢測水位，一旦水位偏低，則會停止，反之則正常運(yùn)行，此后，對各個獨(dú)立的子程序進(jìn)行調(diào)用。系統(tǒng)控制方法主要有兩種，一種為手動模式，另一種為自動模式，如果選用后者，只需按下系統(tǒng)啟動按鈕即可，此時PLC根據(jù)既有的程序，自動執(zhí)行，以此保證了控制目標(biāo)的達(dá)成；如果選用前者，需要按下手動按鈕，并向PLC發(fā)出控制輸入，此時根據(jù)輸入，PLC對外部設(shè)備進(jìn)行操作，在各預(yù)先設(shè)定的動作完成后，進(jìn)而保證了調(diào)試工作的有效開展，并且利于相關(guān)故障的及時排除。

PID參數(shù)初始化子程序包括溫控子程序與水位控制子程序，利用PID算法調(diào)節(jié)溫度與水位，從而減少了系統(tǒng)振蕩與超調(diào)，縮小了水溫及水位波動的范圍。

2.3 PID算法的改進(jìn)

用PLC對模擬量進(jìn)行PID控制時，其實(shí)現(xiàn)方法主要有四種：

（1）利用PID過程控制模塊；

（2）借助PID功能指令；

（3）采用自編的程序控制PID；

（4）使用變頻器的閉環(huán)實(shí)現(xiàn)控制。

第一種方法具有簡便性，通常一塊模塊便可實(shí)現(xiàn)對多路閉環(huán)回路的控制，但其缺點(diǎn)為不具備經(jīng)濟(jì)性，模塊價格偏高；第二種方法在使用過程中與模擬量輸入/輸出模塊聯(lián)合，可以獲取第一種方法的效果，同時，與上述方法相比，其僅國際性較為明顯。對于FX系列PLC而言，其PID指令采用的是增量式PID算法，在處理過程中利用反饋量的一階慣性數(shù)字濾波、反饋微分及不完全微分等方法，從而控制了系統(tǒng)誤差機(jī)偶然誤差的發(fā)生幾率，因此，此方法擁有良好的控制效果。

本文研究中使用的PID控制算法，便是PID功能指令，它將當(dāng)前過程值和設(shè)定值之差送達(dá)送PID環(huán)中計(jì)算，以此獲取了當(dāng)前輸出控制值，并將其送至目標(biāo)輸出值中，再由PID運(yùn)算獲得參數(shù)表首地址。

2.4 PLC系統(tǒng)的調(diào)試

PLC系統(tǒng)調(diào)試主要包括兩部分，一部分為硬件調(diào)試，另一部分為PLC程序調(diào)試，前者主要是對溫控系統(tǒng)的硬件進(jìn)行調(diào)試，如：硬件接線是否正確、PLC控制器及模塊等是否正常，此調(diào)試工作完成后，開展程序調(diào)試，后者主要是檢查程序的邏輯性與功能性。

3 結(jié)論

綜上所述，隨著社會經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定發(fā)展，PLC溫控系統(tǒng)的應(yīng)用日漸廣泛，本文以工業(yè)中的PLC溫控系統(tǒng)為研究對象，為了提高系統(tǒng)的性能，本文介紹了PID控制算法的概況，并將其應(yīng)用于PLC溫控系統(tǒng)，通過對其硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)的分析可知，該系統(tǒng)具有較高的性價比，其硬件搭配合理，便于日后維護(hù)，同時經(jīng)過PID算法的改進(jìn)及PIC系統(tǒng)的調(diào)試，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性與可靠性，為工業(yè)領(lǐng)域提供了恒定的水位與溫度，因此，值得在日常生產(chǎn)中推廣。

參考文獻(xiàn)

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作者單位

西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西省西安市 710014