准柔性生产线设计中PID控制算法的研究.pdf

第 2 7 卷第 8期 2 0 0 6年8月 煤矿机械 C o Mi n e Ma c h i n e r y Vo 1 ． 2 7N o ． 8 Au g ．20 06 文章编号 1 0 0 3 0 7 9 4 2 0 0 6 0 8 ． 0 0 7 9 ． 0 3 准柔性生产线设计中P I D 控制算法的研究 党保华’ 。颉潭成’ 。葛红 霞 1 ． 河 南科 技大学 ，河南 洛 阳 4 7 1 0 0 3 ；2 ． 新 乡利民机械工业公司 ，河南 新乡 4 5 3 0 0 2 摘要 主要针 对 准柔性 生产 系统及其 控制 系统 组 成原 理进 行 了介 绍 。 详 细 阐述 了一 种 改 进 型 P I D控 制 算 法 以及使 用 P L C完成其控 制 的硬 件 配置和软 件 实现 。 关键词准柔性 生产线；P L C；P I D算法 中图号 T P 3 9 文献标 识码 A Re s e a r c h o f P I D Al g o r i t h m t o De s i g n Ps e u d o fle x i b l e M a n u f a c t u r i n g Li n e D ANG B a oh u a ’ 。XI E T a nc h e n g ’ 。GE Ho n g一 a 2 1 ． He n a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y - I ． o y a n g 4 7 1 0 0 3- C h i n a ； 2． Xi n x i ang L i mi n Me c h a n i c a l I n d u s tr y C o mp a n y - X i n x i ang 4 5 3 13 0 2 - C h i n a Ab s t r a c t A p s e u d o fl e x i b l e ma n u f a c t u rin g s y s t e m i t s c o n t r o l p rin c i p l e a l e p r e s e n t e d a nd。 a n d d i s c u s s e s t h e c o n t r o l r u l e o f t h e PI D c o n t r o l a nd t h e h a r d wa r e c o n fig u r a t i o n p e r f o r me d b y P LC a Ls we l l a s t h e s o f t ws x e r e a l i z a - t i o n o f t h e c o n t r o l ru l e． Ke y wo r d s p s e u d ofle x i b l e ma n ufa c t u rin g s y s t e m；P L C；PI D a l g o rithm 0前 言 准 柔性 制造 系统 是介 于传 统 刚性生 产线 和柔性 制造系统 r - s 之间的一种结构简单 ， 造价低廉而 柔 性能 力强 的先 进制造 系统 。准柔 性制 造系统 的最 大特点是简易实用， 因此根据 目前我国工业生产总 体结构来看 。 开发设计准柔性生产系统 比一味追求 高度的柔性化生产更具有实际意义 。 1 基 于 P L C的准柔 性生产 线控 制 系统设计 准柔性生产线控制系统的设计按照低成本适度 自动化 准柔性制 造设 备的基本结 构和要求设 计 ， 利用 可编程控制器技术 、 新 型数字控制技 术 和工 业控制计 算机技术 等对其控制部分进行改造， 使其实现 自动 化 、 准 柔性化和数字化 。准柔性生 产线 的控 制系统采 用管理层 、 单元层 、 设 备层 3级递 阶控制结 构 ， 控制 系 统 的实质是一个 基于 P L C技术的控制 网络 ， 该控 制网 络的硬 件 系统 采 用西 门 子公 司的 P R O F I B U SD P现 场总线系统 ， 采用 s 7 3 0 0 P L C以及 P C机作为主站、 s 7 2 0 0 P L C以及 E T 2 0 0 M分布式I ／ 0 模块作为从站。 软件系统应用 S I M A T I C Wi n C C过程监控组态软件在 工作站中进行软件组态、 编程、 监控。 系 统 主 网络 采 用 P R O F I B U S网络 ， P R O 兀B u S总 线是 一 种 新 型 现 场 总 线 ， 共 有 协 议 方 式 ， 分 别 为 F M S 、 D P和 P A 。 P R O F I B U S现场 总 线 的最 大优 势 在 于 3种 P R O F I B U S系 列 网络均 使 用 同一现 场存 取 协 议 以及 具 有灵活 的配 置 ， 可 根 据 不 同的 应 用对 象 灵 活地选 用 不 同 的 总 线 。本 文设 计 的 控 制 网络 采 用 P R O F I B U S D P总线 。 该 网 络采 用 多 主 站 控 制方 式 ， 其 中一个类 D P主 站 D P M1 S 73 0 0 P L C 和 一个 2 类 D P主站 D P M 2 P c机 C P 5 6 1 1 通信处理器 。 实 行混合通信方式 主站之间令牌传递方式和主站从 站之间的主从 方式 。选 用 s 72 0 0 P L C 智能 型 i ／ o 做 P R O F I B U S的 从 站 ， 其 数 据 必 须 经 E M 2 7 7 P R O F I B U S D P从站模块传送到主站 s 73 0 0 P L C 。 才能够应用 WI N C C监控软件进行控制。 图 1 准 柔 性生 产 线 控 制 系统 结构 Fi g． 1 P s e ud ofle x i bl e ma nu f a c t u r i n g l i ne c o nt r o l s y s t e m 如图 1 所示 ， 该 系统 主要 有 E T 2 0 0 M 和 S 7 2 0 0 P L C 2种从站， E T 2 0 0 M是一个智能 I ／ O接 口， 由主站 统一 编址 ， 配备有 1 6个 输 入 和 8个 输 出接 口， 接 受 主站指令 ， 驱动与其连接的执行元件 ， 并向主站反馈 与其连接的显示系统、 加工中心、 数控机床的工作状 态。s 72 0 0 P L C主要负责进 、 出料系统的控制， 根 7 9 维普资讯 v 。 1 ． 2 7 N 。 ． 8 准柔性生产线设计中 P I D控制算法的研究党保华 ， 等 第 2 7卷第 8 期 据与传感检测信号的应答 ， 定位分配行车， 完成系统 各 电机 的顺序 控制 并 随时记 录 出料完成情 况 。随 时 对整个系统进行监测 ， 出现故 障后可 自动对相关部 分 进行 保 护 。此 外 ， 对 于具 有 D P从 站 接 口的数 控 设 备 ， 可 以直 接接 人 总线系 统 ， 并 进行 组态 连接 。 2基 于 P L C的 P I D算 法 2 ． 1 P I D程序 在 P L C中的 实现 方 法 P I D控制具有结构简单、 稳定性好、 可靠性高等 优点， 是冶金 、 机械、 化工等生产过程中普遍采用的 控制方法。早期 的 P L C主要是取代 继电器进行顺 序控制 ， 其后又扩充了数值运算 、 模拟量、 电机控制、 网络通 信 。近 年来 ， 随着 技术 的发 展 ， P L C的处理 速 度越 来越 快 ， 功 能也 越来 越丰 富 ， P L C除 能完 成正 常 的逻辑控制外 ， 还具有运算功能并可作为数字调节 器进行 复 杂调节 功 能 。因此 ， 采用 P L C进 行 P I D控 制 可以逐 渐取 代一 些传统 的控 制手 段 。 图 2 P L C闭环 控 制 系统 框 图 F i g． 2 P L C c l o s e d l o o p c o n t r o l s y s t e m 基 于 P L C的 P I D控 制器 的设 计 是 以连 续 的 P I D 控制规律为基础 ， 将其数字化 ， 写成离散形式的 P I D 方程 ， 再 根 据离 散 方 程 进行 控 制 程序 的设 计 。本 文 采用 的是西 门子 S 7系 列 P L C ， 在 s 7 2 0 0中 P I D功 能是通过 P I D指令功能块实现 ， s 7 2 0 0 C P U最多可 以支持 8个 P I D回路 。通 过 采样 时 间定 时执行 P I D 功能块 ， 按照 P I D运算规律 ， 根据当时的给定 、 反馈 、 比例 一积分 一微分数据 ， 计算 出控制量。在本文所 使用的电机调速系统 P L C编程中 ， 还需要使用高速 计数 模块 对 电机速 度反馈 进行 测量 。 2 ． 2 P I D参 数 的确 定 控制系统 的控制质量决定 于控制系统的参数 ， 因此 P I D控制规律 的参数是 P I D控制质量 的关键。 为了提高 P I D控制的控制质量 ， 要对 P， I ， D 3个参 数进行整定 ， 以获得这 3个参数的优化组合 ， 从而保 证控制精度。 已知常规 P I D控制算法的连续表达式为 r ‘ t e t I e t d t d e t l d t 1 J 0 式 中 e t 给 定 量 与被 控 制 量 之差 ， 即 回路 偏 差 ； 回路增 益 ； ‘ 8 0 。输出初始值。 经离散化以后 ， 公式如下 MP S P ． 一B y ． ， [ S P 一B y ． J MX ， [ B y ． 一 。 一By ． J 2 式 2 中包含 9个用来控制和监视 P I D运算 的 参数 ， 在 P L C的 P I D指令 使 用时 构成 回路表 ， 即过程 变量当前值 B y ． 、 给定值 输 出值 、 增益 、 采样时间 、 积分时间 、 微分时间 、 积分项前 值 M X、 过程变量前值 B y ． 一 。 。用 P L C控制 P I D回路 时 ， 要把实际测量的输入量、 设定值和回路表中的其 他参数进行标准化处理 ， 即用程序 转化为 P L C能够 识别 和处理 的数 据标 准并存 人 回路表 。 P I D控 制参数的 自整定可 以分 2步进行 第 1 步确定 P I D初始控制参数 ； 第 2步是在初 定的 P I D 控制 参数 的基础 上 ， 根 据 电动机 控 制 系统 的 响应 过 程和控制 目标期望值 ， 自动修正初定的 P I D参数， 直 至电机的控制指标符合所需要求为止。 西门子 s 72 0 0 P L C具有参数 自整定功能 ， 其 编程 软 件 S T E P 7一M i c r o ／ WI N V 4 ． 0版增 加 了 P I D控 制面板 ， 这 2项功能结合 ， 使用户能轻松实现 P I D参 数 自整定。为 了让 P I D运算 以预想 的采样频率 工 作， P I D指令必须用在定时发生 的中断程序 中， 或者 用在主程序中被定时器所控制以一定频率执行。计 算机化的 P I D控制算法必须 先确定几个关键 的参 数 采样时间 、 增益 、 积分时间 和微分 时间 。 本例 中 ， 根据所 测 得 的 临界 比例 度 ， 2 0 ％ 和 临界振荡周期 5 0 s ， 便可初始确定数字 P I D的 控制 参数 为 0 ． 0 5 2 ． 5 s ， 0 ． 6 ， 0 ． 1 2 ， 0． 5 2 5 s ， 0． 1 2 5 s， 6． 2 5 s o 2 ． 3程 序流程 图 改进的 P I D算法是在 P L C中完成 的， 用 P L C进 行 软件 编程和 参数整 定是 很容 易 的 。P L C控制 程 序 流程 图 和 P I D控 制 子 程序 流程 图如 图 3所示 ， 采 样 时间由 P L C内部定时中断来控制 ， 定时时 间到 ， 就 转人中断服务程序 ， 进行 A ／ D转换 ， 并调用 P I D运算 子程序 ， 将运算结果 。 送给 D ／ A转化器 。另外为 了提高系统的抗干扰能力， 在 A ／ D转换后加入 了数 字滤波 处理 程序 。 3结语 本文介绍了使 用 P L C作为数字 调节器和使用 基于 P L C的 P I D控制算法对准柔性生产系统进行控 制的方法 ， 对 P L C在 P I D控 制中的特征及其 控制规 则进行 了论 述 。P L C在 模拟 量的 数字 P I D控制 中的 维普资讯 第 2 7卷第 8 期 2 0 0 6年8月 煤矿机械 Co a l Mi n e Ma c h i n e r y V0 】 ． 2 7 No ． 8 Au g ． 2 0 06 文章编号 1 0 0 3 ． 0 7 9 4 2 0 0 6 0 8 ． 0 0 8 1 ． 0 3 基于 S o l i d w o r k s 的焊管轧辊三维参数化造型系统开发 赵 风 冒 潍坊学院 机 电工程学院 ，山东 潍坊 2 6 1 0 6 1 摘 要讨论 了焊管轧辊三 维参数化造型 系统的原理和关键技 术。该 系统以 V i s u a l B a s i c 6 ． 0 为编程语言， 以 S o l i d w o r k s为绘 图支撑平 台， 采用基 于焊管轧辊形状特征技术的参数化绘 图方法， 对 焊管轧辊三维参数化造型 系统进行开发 ， 实现 了轧辊孔型设计及轧辊零件参数化绘 图。 关键词 参数化设计；轧辊 ；三雏造型 ；计算机辅助设计 中图号 T P 3 9 1 文献标 识码 A De v e l o p me n t o f 3 D Pa r a me t r i c M o d e l i n g S y s t e m f 0 r W e l d e d Pi p e Ro l l Ba s e d 0 n S o l i d W o r k s Zt l AO Fe n gki C o H e g e o f Me c h a n i c a l a n d E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ，We i f ang U n i v e r s i t y ，We i f a n g 2 6 1 0 6 1 ， C h i n a Ab s t r ac t Th e t h e o r y a nd i mp l e me n t a t i o n i s s u e s o f a r o l l 3D p a r a me t r i c mo d e l i n g s y s t e m f o r t h e we l d e d p i p e rol l we r e di s c u s s e d．T hi s s y s t e m u s e d VB 6． 0 t o d e v e l o p S o l i d Wo r k s ．B y me a n s o f f e a t u re b a s e d p a r a me t ric d e s i g n，t h e 3 D p a r a me t ric mo d e l i n g s y s t e m o f t h e rol l for we l d e d p i p e wa s d e v e l o p e d．Th e p ass d e s i gn a n d p l o t t i n g t h e rol l 3D mod e l i n g p a r t s a r e fi n i s h e d． Ke y wo r d s p a rame t r i c d esi gn ；rol l ；3 D mo d e l i n g；c o mp u t e r a i d e d d e s i gn O 引言 焊管产品广泛应用于流体传送 、 建筑、 装饰、 家 具和各种结构用钢。在焊管生产 中， 焊管轧辊的孔 型和轮廓设计是非 常重要的 ， 它不仅决定了焊管产 品的尺寸和形状精度 ， 而且对产品的外观也有很 大 的影响。将 C A D技术 引入轧辊孔型设计是势在必 行的。利用现代计算机技术开发轧辊参数化设计系 统 ， 可以利用几何特征造型技术获得轧辊 的几何模 型， 既可以进行轧辊的设计分析 ， 又可用于轧辊生产 的数控编程等方面。 1 焊 管轧 辊孔 型设计 焊管产品包含着许多不同的规格 如外径、 壁厚 等 和形状 如圆形 、 方形 、 椭 圆形等 ， 并且设计的方 法也较 多 ， 例如 ， 圆形 焊 管 的 设 计 方 法 就有 W 孔 型 法、 中心弯曲法、 双半径法、 圆周弯曲法等几种 ， 而且 在设计过程中还有许多经验数据 的选择等。大部分 图 3 P L C主程序流程图和 P I D控制子程序流程图 mg． 3 PI E 咖 ．m p r og r a m a nd P I D c o n t r o l s u br o u tin e fl o w c ha r t 特征是 由 P L C自动采样 ， 同时将采人的信号转换 为适于运算的数字量 ， 存放在指定的寄存器中 ， 由数 据处理 指令调 用、 计 算处 理后 。 由 P L C 自动送 出。 使用 P I D算法应用于准柔性生产系统控制设计 中。 为今后 同类型生产系统控制设计 提供 了有益 的帮 助 ， 也为基于 P L C作为 P I D调节器在 实际 中的应用 增 添 了新 的内容 。 参考 文献 [ 1 ] 陶永华 。 葛芦生 ． 新型 P I D控制及其 应用 [ M] ． 北京 机 械工业 出 版社。 1 9 9 8 ． [ 2 ] 陈在平 ， 赵相宾 ．可编程控制器技 术与应用 系统设计 [ M] ． 北京 机械工业出版社 。 2 O O 2 ． [ 3 ] 阳宪惠．现 场总 线技术 及其 应用 [ M] ． 北京 清 华大 学 出版社 ， 1 9 9 8． [ 4 ] S I M E N S公司 ．S I M A T I C s 72 0 0可编 程控制 器系 统手册 [ M] ． 西 门子 中国 有 限公 司， 译 ． 作者简介 党保华 1 9 7 5一 。 河南洛阳人 ， 河南 科技大 学机 电工 程专 业硕士研 究生 ， 研 究方 向 网络化 制造技 术 。 Em a i l d a I l g b h 1 2 6． C O II 1 ． 收 稿 日期 2 0 0 6 ． 0 5 ． 1 1 8l 维普资讯