用PLC的軟件實(shí)現(xiàn)PID閉環(huán)控制

哈爾濱學(xué)院 張文慶

    摘  要：本文提出了在PLC控制的中小型系統(tǒng)中，用軟件的方法去實(shí)現(xiàn)PID閉環(huán)控制的方法和用數(shù)字形式實(shí)現(xiàn)慣性濾波的動(dòng)態(tài)濾波方法，給出了程序流程圖。
     關(guān)鍵詞：PLC PID 調(diào)節(jié)器 閉環(huán)控制 

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1引言
    在工業(yè)生產(chǎn)中，電流、電壓、溫度、壓力、流量、流速都是常用的主要的被控參數(shù)。例如，在冶金工業(yè)，化工生產(chǎn)，電力工程，機(jī)械制造，食品加工等許多領(lǐng)域人們都需要對(duì)各類加熱爐，熱處理爐，反應(yīng)爐和鍋爐溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。一般用閉環(huán)控制的方式。PID調(diào)節(jié)是經(jīng)典控制理論中最典型的控制規(guī)律，在以往的模擬控制系統(tǒng)中得到了廣泛得應(yīng)用，對(duì)相應(yīng)的控制對(duì)象進(jìn)行控制時(shí)獲得了比較滿意得結(jié)果。
    通常，在控制系統(tǒng)中有一定容量的儲(chǔ)能元件，因此系統(tǒng)中常會(huì)有一定的慣性和時(shí)間上的滯后，負(fù)載的變化以及電源系統(tǒng)的干擾都會(huì)給控制帶來影響，造成系統(tǒng)參數(shù)的變化，從而使控制性能改變。采用PID調(diào)節(jié)，可對(duì)系統(tǒng)偏差進(jìn)行比例調(diào)節(jié)，引入積分環(huán)節(jié)，對(duì)偏差進(jìn)行積分，提高了系統(tǒng)控制精度和抗外界干擾能力。引入微分環(huán)節(jié)，用于克服系統(tǒng)的慣性滯后，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。這就大大提高了控制系統(tǒng)的性能和品質(zhì)。
    PCL控制模擬量，可采用PID過程控制模塊，一個(gè)模塊可以控制幾路甚至幾十路閉環(huán)回路，但這種模塊價(jià)格較貴，一般用于大型復(fù)雜的控制系統(tǒng)。
    本文介紹一種用軟件方法模擬PID調(diào)節(jié)器去控制模擬量，在硬件上只需配模擬輸入/輸出模塊(A/D,D/A)模塊，這種方法適用中小型系統(tǒng)，投資較小。
2PID調(diào)節(jié)器的數(shù)字化
    我們以位置式PID控制法控制爐溫為例加以說明，這是工業(yè)過程控制中應(yīng)用最廣泛的一種控制形式，一般都能收到令人滿意的結(jié)果?？刂普摳嬖V我們，PID控制的理想微分方程為：

    e(t)=r(t)-y(t)稱為偏差值，可作為溫度調(diào)節(jié)器的輸入信號(hào)，其中r(t)為給定值，y(t)為被測(cè)變量值，kp為比例系數(shù)，Ti為積分時(shí)間常數(shù)，Td微分時(shí)間常數(shù)，P(t)為調(diào)節(jié)器的輸出控電壓信號(hào)。
    一個(gè)典型的ＰＬＣ模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖為

    但計(jì)算機(jī)只能處理數(shù)字信號(hào)，故上述必須加以變換。若設(shè)溫度采樣周期為Ｔ，第N次采樣得到的輸入偏差為e(n)，調(diào)節(jié)器輸出為p(n)則有：

    上式中p(n)為第n次采樣后計(jì)算調(diào)節(jié)器的輸出，e(n)，e(n-1)分別是第n次和第n-1次采樣時(shí)的誤差值，T為采樣周期，n為采樣序號(hào)。
    上述算式計(jì)算出的是第n次采樣后，控制器輸出的數(shù)字量，從式中可以看出要想計(jì)算P(n)，不僅需要本次與上次偏差信號(hào)e(n)和e(n-1)，而且還要在積分項(xiàng)中把歷次偏差信號(hào)e(k)進(jìn)行相加，這樣不僅計(jì)算繁雜，而且保留e(k)要占用很大的內(nèi)存空間，使用非常不便。寫成遞推形式為：

3PID控制程序的編制
    數(shù)字PID調(diào)節(jié)器有四個(gè)參數(shù)需要選擇，這四個(gè)參數(shù)分別是采樣周期Ｔ、調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)kp、調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間常數(shù)Ti、調(diào)節(jié)器的微分時(shí)間常數(shù)Td。這些參數(shù)隨不同的控制對(duì)象的要求而定。選擇合適的參數(shù)使整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定速度最快，超調(diào)量最小。圖2是PID控制程序流程圖，采樣時(shí)間是用PLC定時(shí)器來控制，須選用運(yùn)算速度較快且具有算術(shù)運(yùn)算等功能的PLC。為提高其抗干擾性能，還可填加數(shù)字濾濾處理程序。
4數(shù)字濾波程序設(shè)計(jì)
    在模擬量輸入通道中，常用一階低通RC模擬濾波器來削弱干擾，但要設(shè)計(jì)大時(shí)間常數(shù)及高精度的RC濾波器，困難相當(dāng)大，采用慣性濾波法是一種以數(shù)字形式實(shí)現(xiàn)低通濾波的動(dòng)態(tài)濾波方法。他能很好地克服上述缺點(diǎn)。低通濾濾器的傳遞函數(shù)為
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    從物理意義上講T遠(yuǎn)小于Tf，故α≈T/Tf，濾波程序設(shè)計(jì)原理為：系統(tǒng)程序中設(shè)計(jì)初始化Y(n-1)→0，計(jì)算α值。當(dāng)采樣時(shí)間到，采集爐溫后，設(shè)爐溫信號(hào)為X(n)，計(jì)算Y(n)=(1-α)Y(n-1)+X(n),并將Y(n)→Y(n-1)為下一次運(yùn)算作準(zhǔn)備同時(shí)進(jìn)入PID運(yùn)算程序。
5結(jié)束語
    我們采用ORMON公司的CQM1型小型模塊式PLC進(jìn)行控制，由于其具有定時(shí)器中斷功能，有較強(qiáng)的算述運(yùn)算能力，此方法用在燃油鍋爐的爐溫控制系統(tǒng)中，可由輸出控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，取得滿意的結(jié)果。