肖仕馳 張興華

摘要：本文描述了電氣自動(dòng)化專業(yè)多功能教學(xué)一體機(jī)溫度控制及PID調(diào)節(jié)教學(xué)模塊的PLC程序和算法的設(shè)計(jì)思路。PID溫控調(diào)節(jié)算法設(shè)計(jì)過程明確為確定PID控制回路參數(shù)表的內(nèi)容、參數(shù)模糊自整定和編寫PID控制程序三個(gè)步驟，最終編寫的PLC程序提高了系統(tǒng)魯棒性，使設(shè)備能夠達(dá)到實(shí)踐教學(xué)的目的。

關(guān)鍵詞：PID；PLC；溫度控制；模糊控制

中圖分類號：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-9129（2019）04-0181-03

Abstract：This paper describes the design idea of PLC program and arithmetic for the teaching module of temperature control and PID regulation of multi-function teaching integrated machine for electrical automation specialty. The design process of PID temperature control arithmetic is to determine the content of the parameter table of the PID control loop， the parameter fuzzy self-tuning and the programming of the PID control program. The final PLC program improves the robustness of the system and enables the equipment to achieve the purpose of practical teaching.

Keywords：PID； PLC； temperature control； fuzzy control

1 引言

電氣自動(dòng)化專業(yè)多功能教學(xué)一體機(jī)為了達(dá)到多功能教學(xué)的目的設(shè)計(jì)了溫度控制和PID調(diào)節(jié)教學(xué)模塊，主要為電氣自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生提供一個(gè)學(xué)習(xí)PID控制的實(shí)踐平臺，而溫度控制系統(tǒng)是一種非線性控制系統(tǒng)，若采用傳統(tǒng)PID控制方式，其控制性能會(huì)降低，無法達(dá)到實(shí)踐教學(xué)的目的。由于溫度控制的非線性特點(diǎn)，與溫度相關(guān)的參數(shù)、數(shù)據(jù)都是隨著系統(tǒng)的情況不斷變化的，為了達(dá)到理想的控制效果，需要對參數(shù)進(jìn)行不斷的設(shè)置和整定。該算法設(shè)計(jì)思路參考了參數(shù)模糊自整定PID控制方法，利用模糊控制規(guī)則或設(shè)備使用者手動(dòng)輸入，在線對PID參數(shù)進(jìn)行修改。

2 算法設(shè)計(jì)

教學(xué)一體機(jī)的溫控教學(xué)模塊PID調(diào)節(jié)算法設(shè)計(jì)過程為確定PID控制回路參數(shù)表的內(nèi)容、參數(shù)模糊自整定和編寫PID控制程序三個(gè)步驟。

2.1 溫控教學(xué)模塊PID控制原理

PID溫控系統(tǒng)是一個(gè)典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)，用于控制加熱溫區(qū)的溫度（PVn）保持在恒定的溫度設(shè)定值（SPn）。系統(tǒng)通過溫度采集單元反饋回來的實(shí)時(shí)溫度信號（PVn）獲取偏差值（△），并計(jì)算偏差變化率（ρ）。偏差值與偏差變化率都參與PID參數(shù)模糊自整定過程，但偏差變化率不作為PID運(yùn)算的輸入量。偏差值（△）與模糊自整定后的三個(gè)PID參數(shù)kp、ki、kd經(jīng)過PID運(yùn)算輸出，控制可控硅的電壓，以克服偏差，促使偏差趨近于零。溫度控制教學(xué)模塊如圖1所示。

2.2 指令介紹與PID參數(shù)表的建立

程序定義的指令名稱為PID，從TBL指定首地址的參數(shù)表中取出有關(guān)值對LOOP回路進(jìn)行PID運(yùn)算，TBL為PID參數(shù)表的起始地址，操作數(shù)VB（字節(jié)型）；LOOP為PID回路號，常數(shù)0～7（字節(jié)型）。根據(jù)PID控制原理和指令建立PID控制回路參數(shù)表如表1所示。

2.5 輸入量的轉(zhuǎn)換與標(biāo)準(zhǔn)化

在執(zhí)行PID運(yùn)算前，必須先把輸入量從16位整數(shù)值轉(zhuǎn)換成32位實(shí)數(shù)（浮點(diǎn)型）。將AIW0（模擬量輸入單元）中的16位整數(shù)轉(zhuǎn)換成32位雙整數(shù)，再保存到累加器AC0中。將AC0中的32位雙整數(shù)轉(zhuǎn)換成實(shí)數(shù)（浮點(diǎn)型）。將實(shí)數(shù)轉(zhuǎn)換成0.0～1.0之間的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值。轉(zhuǎn)換表達(dá)式為輸入量的標(biāo)準(zhǔn)化值=輸入量的實(shí)數(shù)值/跨度+偏移量?？缍戎等?2000（針對0～32000單極性數(shù)值）或64000（針對-32000～+32000雙極性數(shù)值）；偏移量取0.0（單極性數(shù)值）或0.5（雙極性數(shù)值）。將AC0中的輸入量的實(shí)數(shù)值除以64000，將AC0中的值加0.5，將AC0中已標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)值傳送到PID控制回路參數(shù)表的VD100單元。

2.6 輸出量的轉(zhuǎn)換

將PID運(yùn)算輸出的0.0～1.0標(biāo)準(zhǔn)值按比例轉(zhuǎn)換成16位整數(shù)，再通過模擬量輸出端子輸出。PID輸出量的轉(zhuǎn)換表達(dá)式為PID輸出量整數(shù)值=（PID運(yùn)算輸出量標(biāo)準(zhǔn)值-偏移量）×跨度。將VD108單元的PID輸出量標(biāo)準(zhǔn)值減0.5，結(jié)果存入AC0，將AC0中的值乘以跨度64000，變成比例實(shí)數(shù)值，對AC0中的比例實(shí)數(shù)值進(jìn)行四舍五入，變成32位整數(shù)值，將AC0中的32位整數(shù)值轉(zhuǎn)換成16位整數(shù)值，對AC0中的16位整數(shù)值存入AQW0（模擬量輸出）單元。

3 控制程序編寫

在網(wǎng)絡(luò)1中，將溫度設(shè)定值（SPn）“0.04000”送入VD104，將增益值（Kc）“0.3”送入VD112，將采樣時(shí)間（Ts）“0.05”送入VD116，將積分時(shí)間（Tsi）“15”送入VD120將微分時(shí)間（Td）“0.0”送入VD124，即關(guān)閉微分運(yùn)算。

在網(wǎng)絡(luò)2中，將AIW0（模擬量輸入）單元的16位整數(shù)值轉(zhuǎn)換成32位雙整數(shù)值，并存入AC0，將AC0中的32位雙整數(shù)值轉(zhuǎn)換成實(shí)數(shù)值（浮點(diǎn)數(shù)值），將AC0中實(shí)數(shù)值除以32000，將AC0中已標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)值作為實(shí)時(shí)溫度信號（PVn）送入VD100單元。

在網(wǎng)絡(luò)3中，PID指令執(zhí)行，以PID參數(shù)表（VB100為首地址）的設(shè)置值為依據(jù)，對PID回路0進(jìn)行PID運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果存入?yún)?shù)表的輸出單元（VD108）。

在網(wǎng)絡(luò)4中，將VD108單元的標(biāo)準(zhǔn)化輸出值乘以32000，結(jié)果存入AC1，對AC1中的數(shù)值進(jìn)行四舍五入，將實(shí)數(shù)轉(zhuǎn)換成雙整數(shù)，將AC1中的雙整數(shù)轉(zhuǎn)換成整數(shù)，將AC1中的整數(shù)送入AQW0（模擬量輸出）單元。

4 結(jié)束語：

PID溫控調(diào)節(jié)算法設(shè)計(jì)過程明確為確定PID控制回路參數(shù)表的內(nèi)容、參數(shù)模糊自整定和編寫PID控制程序三個(gè)步驟，最終編寫的PLC程序提高了系統(tǒng)魯棒性，使設(shè)備能夠達(dá)到實(shí)踐教學(xué)的目的。

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