用PLC的軟件實現(xiàn)PID閉環(huán)控制
哈爾濱學院 張文慶
摘 要：本文提出了在PLC控制的中小型系統(tǒng)中，用軟件的方法去實現(xiàn)PID閉環(huán)控制的方法和用數(shù)字形式實現(xiàn)慣性濾波的動態(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
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，機械制造，食品加工等許多領(lǐng)域人們都需要對各類加熱爐，熱處理爐，反應爐和鍋爐溫度進行監(jiān)測和控制。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)中得到了廣泛得應用，對相應的控制對象進行控制時獲得了比較滿意得結(jié)果。
通常，在控制系統(tǒng)中有一定容量的儲能元件，因此系統(tǒng)中常會有一定的慣性和時間上的滯后，負載的變化以及電源系統(tǒng)的干擾都會給控制帶來影響，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)，可對系統(tǒng)偏差進行比例調(diào)節(jié)，引入積分環(huán)節(jié)，對偏差進行積分，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，一個模塊可以控制幾路甚至幾十路閉環(huán)回路，但這種模塊價格較貴，一般用于大型復雜的控制系統(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，其中r(t)為給定值，y(t)為被測變量值，kp為比例系數(shù)，Ti為積分時間常數(shù)，Td微分時間常數(shù)，P(t)為調(diào)節(jié)器的輸出控電壓信號。
一個典型的ＰＬＣ模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖為
但計算機只能處理數(shù)字信號，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次采樣時的誤差值，T為采樣周期，n為采樣序號。
上述算式計算出的是第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算P(n)，不僅需要本次與上次偏差信號e(n)和e(n-1)，而且還要在積分項中把歷次偏差信號e(k)進行相加，這樣不僅計算繁雜，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：
3PID控制程序的編制
數(shù)字PID調(diào)節(jié)器有四個參數(shù)需要選擇，這四個參數(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)器的積分時間常數(shù)Ti、調(diào)節(jié)器的微分時間常數(shù)Td。這些參數(shù)隨不同的控制對象的要求而定。選擇合適的參數(shù)使整個系統(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，采樣時間是用PLC定時器來控制，須選用運算速度較快且具有算術(shù)運算等功能的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
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)計大時間常數(shù)及高精度的RC濾波器，困難相當大，采用慣性濾波法是一種以數(shù)字形式實現(xiàn)低通濾波的動態(tài)濾波方法。他能很好地克服上述缺點。低通濾濾器的傳遞函數(shù)為
從物理意義上講T遠小于Tf，故α≈T/Tf，濾波程序設(shè)計原理為：系統(tǒng)程序中設(shè)計初始化Y(n-1)→0，計算α值。當采樣時間到，采集爐溫后，設(shè)爐溫信號為X(n)，計算Y(n)=(1-α)Y(n-1)+X(n),并將Y(n)→Y(n-1)為下一次運算作準備同時進入PID運算程序。
5結(jié)束語
我們采用ORMON公司的CQM1型小型模塊式PLC進行控制，由于其具有定時器中斷功能，有較強的算述運算能力，此方法用在燃油鍋爐的爐溫控制系統(tǒng)中，可由輸出控制電動調(diào)節(jié)閥，取得滿意的結(jié)果。
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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