基于PID算法的PLC控制系统设计.pdf

2 0 1 0年 7月 第 3 8卷 第 l 4期 机床与液压 MACHI NE T OOL ＆ HYDRAUL I CS J u 1 ． 2 01 0 Vo 1 ． 3 8 No ．1 4 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 1 4 ． 0 3 2 基于 P I D算法的 P L C控制系统设计 周庆贵 ，张毅莉 ，唐建银 1 ．淮海工学院，江苏连云港 2 2 2 0 0 5；2 ．连云港 中复连众复合材料集团有限公司，江苏连云港 2 2 2 0 0 6 摘要根据叶片根部缠绕工艺控制要求，给出基于 P L C和其模拟量功能模块的 P L C控制系统的硬件实现以及 P L C功能 模块缓冲寄存器参数的设置方法；应用 P I D算法，实现对模拟量的过程控制；阐述 P L C中P I D指令的具体应用。该控制系 统在生产中获得较好的应用效果。 关键词P I D；缠绕；P L C；功能模块 ‘ 中图分类号T B 3 3 2；T P 2 7 3 文献标识码 B 文章 编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 1 4 0 9 7 3 De s i g n o f PLC Co n t r o l l e d Sy s t e m Ba s e d o n 啪Co nt r o l Fun c t i o n Z HO U Q i n g g u i ，Z HA N G Y i l i ，T A N G J i a n y i n 1 ． H u a i h a i I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ，L i a n y u n g a n g J i a n g s u 2 2 2 0 0 5 ，C h i n a ； 2 ． L i a n y u n g a n g Z h o n g f u L i a n z h o n g C o m p o s i t e s G r o u p C o ． ，L t d ． ，L i a n y u n g a n g J i a n g s u 2 2 2 0 0 6 ，C h i n a Ab s t r a c t Ac c o r d i n g c o n t r o l r e q u i r e me n t o f v a n e r o o t w i n d i n g ， a c o n t r o l s y s t e m b a s e d o n P L C a n d i t ’ S f u n c t i o n mo d u l e s wa s d e s i g n e d ． T h e h a r d w a r e s t r u c t u r e wa s p r e s e n t e d ． T h e s e t t i n g me t h o d o f b u ff e r me mo p a me t e m o f P L C f u n c t i o n mo d u l e s w a s i n t r o d u c e d ． T h e p r o c e s s c o n t r o l o f a n a l o g u e d a t a w a s r e a l i z e d b y a p p l y i n g P I D a r i t h me t i c ． P I D i n s t ruc t i o n s o f P L C w e r e d i s c u s s e d ． T h e c o n t r o l s y s t e m h a s g a i n e d g o o d e f f e c t i n p r a c t i c e ． Ke ywor dsPI D； W i n di n g；PLC； Fu nc t i o n mo d u l e 复合材 料作 为一 种新 型材 料 ，在石 油 化工 、航 空、交通等领域具有十分重要的作用。复合材料风机 叶片是风力发 电系统的关键部件 ，直接影响着整个 系 统的性能，并要具有长期在户外 自然环境条件下使用 的耐候性和合理的价格 。因此 ，叶片的材料 、设计和 制造质量十分重要 ，被视为风力发电系统 的关键技术 和技术水平代表 。叶片根部缠绕工序 的质量对叶片制 造质量有着十分重要 的影响 。 1 工艺控制要求 叶片根部缠绕是此类型叶片生产 中的重要成型工 艺之一，叶片根部缠绕工艺是采用定长的玻璃布浸渍 树脂 黏结剂后 ，在张力的作用下按照一定的线型有规 律地排布在叶片根部上，然后经过常温使黏结剂固 化 ，制成一定形状 的工艺方法 。图 1 为叶片根部缠绕 位置 图。在缠绕 过程 中，对缠绕臂 主轴转速及其直线 运动参数的控制精度决定 了根部缠绕 质量 。 根部缠绕的电气控制过程就是根 据不 同产 品，通 过缠绕臂 的主轴旋转运 动和缠绕 臂的 比例进 给运 动 ， 在起点和终点间往复运动，最终在叶片根部缠绕多层 玻璃布并形成一定锥度 的形式 。控制主轴旋转运动速 度和进给速度的调速比例是产 品质量 的关键 。图 2所 示为根部缠绕过程中缠绕臂在缠绕终点与缠绕起点间 往复运 动 ，其 中从 终 点到起 点 为快 速运 动 ，恒定 转 速 ；从缠绕起点到缠绕终点的运动为一调速过程 ，其 转速为与缠绕臂主轴转速成恒定 比例的直线运动 ，以 保证根部 的锥 度要 求。根据 工艺 控制 要求 ，给 出了 P L C控制系统的构成，阐述了功能指令的应用方法和 P I D算法 的实现过程。 图 1 根部缠绕位 置示意 图 图2 叶片根部缠绕控 制要求示意图 2系统构成 系统硬件 构成如 图 3所示 ，由 P L C基 本模 块和 A ／ D、D ／ A转 换 功 能 模 块 F X 一 4 A D、F X一 4 D A 所 组 成 ，其中 A ／ D转换模块负责主轴速度检测 ，D ／ A转 换模块输出模 拟信号控制变频器和伺服 电机驱动 器。系统的主轴缠绕旋转运动采用交流电机拖动， 且 由变频 器驱动实现 转速 调节 。缠绕 带 的 比例进 给 运动 由交 流伺服 电机 拖动 ，且 由伺服 驱动 器实 现 比 例转速调 节。 收稿 日期 2 0 1 0 0 4 0 8 作者简介周庆贵 1 9 6 3 一 ，男，副教授，主要从事计算机测量与控制、机电控制技 术的教学与应用研究。电话 1 36 0 51 3 22 3 6， E ma i l z _q i n g g u i y a ho o． c o n． c n。 9 8 机床与液压 第 3 8卷 自动 启动 自动 停止 复位 急停 工作 方式 工艺 选择 臂 正转 臂 反转 床 头进 床 头退 床 头前 限位 床 头后 限位 c} | l 变频器 x一 。 C H 2 ． 二 盏 嚣 驱 I藿 蠹 } A D ． X I _ { _ { 画变 频 器 p X2 CoMl 硎～ ⋯ X 3 X 4 c o MY ； I复 冀 驱 二 X 5 ． r一 一 X6 Y 6 臂正 转 ，_ X 7 Y7 臂反 转 二 二 xXl I Y 1 0 床 头 进 多 二 Xl 2 Yl l 床头 退 Xi 3 YI 2 程序1 一 一 一 X1 4 Y1 3 程序2 0 一 X1 5 Y1 4 程序3 COM COM 一 一 图 3 系统硬件构成图 根据工艺控制要求 ，系统还另外设计有工作方 式、工艺选择以及手动调节和相关工步信号显示功 能 。 三菱公 司的 F X系列的可编程序控制器 可以满足 多种多样的 自动化 控制要 求 。选择 P L C主机 ，模 拟 量功能模块 ，利用 P L C提供的 P I D过程控制模块， 即可实现过程控制 。F X 一 4 A D为 4通道 1 2位 A ／ D转 换模块，根据外部连接方式及 P L C指令 ，可选择 电 压输入或电流输入 。F X ． 4 D A为 4通 道 1 2位 D ／ A转 换模块，根据外部连接方式及 P L C指令 ，可选择电 压输出或电流输 出形式。 3 功能模块参数的设置 P L C基本 单元 与 F X 一 4 A D 、F X 一 4 D A之间 的数 据 通信由F R O M指令和 T O指令来执行，F R O M指令是 基本单元从 F X ． 4 A D、F X ． 4 D A读数据的指令 ，T O指 令是从基本单元将数据 写到 F X ． 4 A D和 F X - 4 D A的缓 冲寄存器 B F M的指令 。 3 ． 1 F X． 4 D A主要 BF M 的分 配 B F M 0 ，缺省设定置 为 H 0 0 0 0 。4位 十六进 制数 分别表示输 出模式选择，最低位 b 1控制 C H 1 ，第 2 位 b 2控制 C H 2 ，依此类推。各位数字规定如下数 字0设定电压输出范围一l 0～ 1 0 V；数字 1 设定电 流输出范 围 4～ 2 0 m A；数字 2设定 电流 输 出范 围 0～2 0 mA。 B F M 1 、 2 、鹕 、私 分别写入 C H 1 、C H 2 、C H 3 和 C H 4通道的输 出数据，4个输出通道的初始值为 0。 B F M样 5 ，数据保持模式。当 P L C由 R U N转为 S T O P 状 态后 ，输 出是保 持最 后输 出值还 是 回零点 ， 则取决于 B F M 5中的十六进制数 。保持输 出相应数 字位设为 0 ，回到零点相应数字位设 为 1 。 B F M 5 8 存储 C H 1 --C H 4 通道平均值。 B F M 2 0 置 1时，F X 一 4 D A的设定值恢复到缺 省设定值。 B F M } } 2 1 _2 4用于 C H 1 --C H 4通道 的零点和增益 设定值 。 B F M 3 0为特殊功能模 块识 别码 ，F X 一 4 D A为 K3 0 2 0。 根据控制要求 ，模拟量输 出模块设置为 一1 0～ l 0 V、电压输出 H 0 0 0 0 和输出不保持并回到零 点 H 1 1 1 1 。 3 ． 2 F X ． 4 A D 通信模 式的设 置 F X ． 4 A D主要 B F M的分配如下 。 B F M 加 ，缺省设定 置为 H 0 0 0 0 。B F M 0为 4位 十六进制数分别表示输入模式选择，最低位 b 1控制 C H 1 ，第 2位 b 2控制 C H 2 ，依此 类推 。各 位数 字规 定如下数字 O设定输入范围 一1 0～1 0 V；数字 1 设定输入范围 4～ 2 0 m A；数字 2设定输入范围 一 2 0～ 2 0 m A；数字 3 关 闭该通道 。 B F M l 4 写入 c H 1 一c H 4通道的平均值取样次 数 。 B F M 5 8 存储 C H 1 一c H 4通道平均值。 B F M 一1 2 存储 C H 1 --C H 4通道当前值。 B F M 20置 1时 ，F X 一 4 A D的设 定值恢 复到缺省 设定值 。 B F M l 一2 4用于 c H 1 一C H 4通道的零点 和增益 设定值 。 B F M 3 0为 特殊 功 能 模 块 识 别 码 ，F X 4 A D为 K2 0 1 0。 根据控制要求，模拟量输入模块 C H 1 、C H 2设 置为 电压 输入 H 3 3 0 0 ，平 均 值 取 样 次数 为 4 K 4 。 4 P I D算法的实现 4 ． 1 P I D算 法 模拟调节器 中，P I D控制算法的模拟表达式为 K p 】 1 式中 “ t 为调节器输 出信号 ；e t 为调节器输入信 号；K p 为比例系数；T d 为微分时间常数；T i 为积分 时间常数 。 对式 1 进行离散化处理 ，并考虑到 A u n 一 u It一 1 ，则可得 P I D增量式 A u n u n 一 u n 一1 K p [ e n 一 e n 一 1 ] K i e n K d [ e n 一 2 e n一 1 e n一 2 ] 2 式中 T 为采样周期； K K 寺为积分系数； K d K 。 为微分系数。u n 为采样时刻 ￡ n时的输 出 量；e n 为采样时刻 t n时的偏差值；e n一1 为采 样时刻 t n一 1 时的偏差值 。 第 1 4期 周庆贵 等基于 P I D算法的 P L C控制系统设计 9 9 如 、K p 、K 和 确定 ，根 据前后 3次 测量偏 差值即可求 出控制增量 ，加上反馈值 ，便可得 到计算 机的全量输 出。 微分的作用有助于减小超调 ，使系统趋于稳定， 加快 系统动作速度 ，改善系统的动态性 能 ，但也容易 引起高频干扰。实际使用中可在微分部分增加一阶陨 性环节 ，构成不完全微分的 P I D控制算法 。此时传递 函数为 K p[ 1 ㈠ U ， s U s 3 由于 U 。 s U s 与普通 P I D算式一样，对于 微分项有 U d s 赢 4 对其进行离散化并整理，可得 U d 志 E 5 三菱公司 F X 2 N系列的 P I D指令综合采用了反馈 一 阶陨性环节和不完全微分 P I D算法 ，计算公式为 P V ． i P V P V ．s l P V ． 6 E P V q S V 正作用 7 E v S V P 负作用 8 M V K p { E L E V 一 。 } 9 。 志 2 。 一 P 一 P 一 1 0 ∑A MV 1 1 公式 6 一 1 1 中 E 为此 次采 样 时 的偏差 ； D 为此 次 的微 分 项 ；E v一 为 1个 周 期 前 的 偏 差 ； D 为 1 个周期前的微分项；S V为目标值；K 。 为比 例增益；P 为此次采样时的测定值 滤波后 ；T 为采样周期；P V os 一 。 为 1个周期前的测定值 滤波 后 ；T i 为积分 常数 ；P V oj 一 为 2个周 期前 的测定 值 滤波后 ；T d 为微分 常数 ；A MV为输 出变化量 ；K 为微分增益 。 基于 P L C的闭环控制系统如图4所示 ，虚线部 分在 P L C内。图 中的 S V 、P V 4 、E V ． 、MV ． 均 为第 n 次采样 时的数据 。 雯 咂 壁 卜 图4 P L C闭环控制系统方框图 4 ． 2 P I D功 能指令 在过程控制领域 内，模拟量功能模块 ，如 F X 2 N 一 4 A D、F X 2 N 一 4 D A、F X 2 N ． 2 D A，根据 P L C提供 的 P I D 过程控制模块 ，只需设定好 P I D参数 ，运行 P I D控制 指令，就能求得输出控制值，实现过程控制。 P I D指令的源操作数[ s 1 ] 、 [ s 2 ] 、 [ s 3 ] 和目标操 作数均为 D。[ s 1 ] 和[ s 2 ] 分别用来存放给定值 s P和 当前测量到的反馈值 P V ，[ s 3 ] 一[ s 3 ] 6用来存放 控制参数的值 ，运算结果存放在[ D] 中。源操作数 [ s 3 ] 占用从[ s 3 ] 开始的 2 5个数据寄存器。 [ s 3 ] 一 [ s 3 ] 6分别用 来存 放采 样周 期 、动作 方向 、输入滤波常数 、比例增 益 、积分时间 、微分增 益和微分时间。[ s 3 ]7 一[ s 3 ]1 9被 P I D指令占 用 ，[ s 3 ] 2 0 一 [ s 3 ] 2 3 用 于输入 、输 出变化量增 加、减少的报警设定值，[ s 3 ] 2 4的0 3位用于报 警输 出。在 P I D控制开始 之前 ，应使用 MO V指令将 参数设定值预先写入数据寄存器中。P I D指令可以在 S1 l I S 2 l l S 3I I D 而而 而 MO V指令将 [ s 3 ]7 图5 P I D指令 清零 ，如图 5所示 。 下面为 P I D指令进 行闭 环控 制 的部 分程 序 ，其 中 P I D数据 堆栈 的首地址 为 D 5 0 0 ，在 P I D指令 中分 别指定 D 2 0 0和 D 2 0 1 存放闭环系统的设定值和测量 值 。 L D M8 0 0 2 F R O M K 0 K 3 0 D 4 K 1 ／ ／ F X 一 4 A D模块识别 码送 到 D 4 F R O M K 1 K 3 0 D 2 K 1 ／ ／ F X 一 4 D A模块识别 码送 到 D 2 C MP K 2 0 1 0 I M M 0／ ／ 若 识 别 码 为 2 0 1 0 即 为 F X 一 4 A D ， 则 M1 为 O N C MP K 3 0 1 0 D 2 M 3／ ／ 若 识 别 码 为 3 0 1 0 即 为 F X 一 4 D A ， 则 M 4为 O N MOV KS 0 0 D5 0 0 ／ ／ T 5 0 ms M O V K 1 D 5 0 1 ／ ／负作用 M O V K S 0 D 5 0 2 ／ ／ 输入滤波常数 为 5 0 ％ MOV K7 5 D5 0 3／ ／K p 8 5％ MOV K4 0 0 0 D 5 0 4 ／ ／ Ti 6 0 0 ms MOV K 50 D5 0 5 ／ ／Kd3 0％ MOV K1 0 0 0 D5 0 6 ／ ／ Td4 0 0 ms MO V D 1 0 0 D 2 0 0 ／ ／ 将 设 定 值从 D 1 0 0输 送 到 D2 0 0 LD M1 下转第 1 0 8页 匝 H 使 之 的 一 ～ 一 ～ 、 匕日 永 形 行 用 寸 圭 1 0 8 机床与液压 第 3 8卷 c0 改变转速给定值 菩 时， 转速和电 流的仿真 誊 结果如图7所示。 看 与开环控制相 比，l 速度控制闭环系统有很 大的优越性 机械性能 图 6 系统 M A T L A B模型 显著提高 ；空载转速相 图7 改变给定值的仿 同时，闭环系统 的静差 真曲线的变化 率要小得多；当要求静差率相同时闭环调速系统的调 速范围可以大大提高；闭环凋速系统具有较强的抗干 扰性能 。 4结 束语 在基于 D S P的数 字化控制 平 台的基 础上 ，利 用 MA T L A B仿真软件搭建系统仿真模型，仿真结果表 明 D S P能够很好 地应用 于无刷 直流 电动机 的驱动控 制 ，利用数字 P I D技 术实现的电动机转速闭环控 制策 略达到了电动机高性能控制的要求 ，并使系统具有较 宽的调速范围以及优良的动态响应特性。实验的成功 实现对整个运动控制系统的设计起 到了指导作用。 参考文献 【 1 】韩太安 ， 刘峙飞， 黄海． D S P控制器原理及其在运动控制 系统中的应用[ M] ． 北京 清华大学出版社， 2 0 0 3 ． 1 0 1 3 8． 【 2 】苏奎峰， 吕强， 耿庆峰， 等． T M S 3 2 0 F 2 8 1 2原理与开发 [ M] ． 北京 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，完全满 足生 产工 艺要 求 ，获得 了较 好 的应用 效 果。对类似控制系统设计具有一定参考意义。 参考文献 【 1 】F X系列可编程序控制器编程手册[ M] ． 2 0 0 2 ． 【 2 】 R o b e r t N ． B a t e s o n ． I n t r o d u c t i o n t o C o n t r o l S y s t e m T e c h n o l o g y [ M] ． N e w J e e y P e a r s o n E d u c a t i o n I n c ． ， 2 0 0 2 ． 【 3 】陶永华． 新型 P I D控制及其应用[ M] ． 北京 机械工业出 版社 ， 2 0 0 2 ． 【 4 】 张仑． 可编程序控制器中 P I D控制的研究 [ J ] ． 电气电 子教学学报 ， 2 0 0 5 ， 2 7 3 9 0 9 2 ． 【 5 】李国栋， 汪新中， 陆志平． P L C可编程控制器在热处理炉 控制系统 中的应用 [ J ] ． 机电工程 ， 2 0 0 6 ， 2 3 7 5 2 5 5 ． 【 6 】李奥． 液压系统 P L C控制[ M] ． 北京 化学工业出版社 ， 2 00 9．