【期刊】基于PLC的闭环控制系统PID控制器的实现.pdf

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1、基于P L C 的闭环控制系统P I D 控制器的实现T h er e a l i z a t i o no fP I Dc o n t r o l l e rI nc l o s e d-l o o pc o n t r o Is y s t e mb a s e do nP L C任俊杰。李永霞李媛李红星R E NJ u n k i e，L IY o n g x i a，L IY u a n，L IH o n g-x i n g(北京联合大学自动化学院北京1 0 0 1 0 1)擅要：介绍了P L O 实现P I D 控制的几种方法。以S 7-3 0 0 P L C 为例，说明P I D

2、控制器的组成原理、P I D控制功能块的算法原理、P I D 控制功能块的结构和主要参数及控制功能的实现方法。给出了水箱水位P I D 控制的应用实例。应用P I D 程序块来进行P L C 的P I D 控制，方法简单实用。不足之处为所采用的P I D 算法是固定的。如果希望采用其他改进型P I D 算法，还需要用户自己编程实现。关键词：P L O l 闭环控制IP I D中田分类号：T M 5 7 1文献标识码：日文章编号：10 0 9-0 13 4(2 0 0 9)0 4 0 0 2 0 0 30 引言在工业生产过程控制中，常需要用闭环控制方式来实现温度、液位、压力、流量等模拟量控制。因

3、为P I D(比例、积分、微分)调节不需要精确的控制系统数学模型而且易于实现，所以模拟量的P I D调节是常见的一种闭环控制方式，工程上易于实现。积分作用可以消除系统的静差，微分作用有助于减小超调，克服震荡。比例、积分、微分三者有效地结合可以满足不同的控制要求。P L C 作为一种新型的工业控制装置，在工业控制、生产生活的诸多领域得到了越来越广泛的应用。利用P L C 实现对模拟量P I D 的闭环控制，具有用户使用方便、可靠性高、抗干扰能力强等优点。1P L C 实现P I D 控制的方法用P L C 实现P I D 控制可以有几种方法：1)利用P I D 指令实现许多P L C 提供了P

4、I D 指令，如S 7 2 0 0P L C 的P I D 指令，该指令需要指定一个以V 变量存储区地址开始的P I D 回路表，以及P I D 回路号。P I D 回路表提供了给定值、过程变量以及P I D 参数等数据入口，P I D 运算的结果也通过回路表输出。2)利用P I D 控制功能块实现P I D 控制功能块相当于生产厂家事先编好的带有形式参数的子程序，包含有给定值、过程值、P I D参数、输出操作值等参数，用户在使用时可以调用这些程序块，并赋给实参，来实现P I D 算法。比如S 7 3 0 0 和S 7 4 0 0P L C 就提供了标准程序功能块F B 4 1“C O N T

5、 _ C”可以实现连续P I D 控制。3)利用程序设计实现P I D 功能上述两种P I D 控制算法一般是固定的，常采用标准位置式P I D。如果希望采用其他改进的P I D 控制算法，就需要用户自己编写程序实现。利用P L C 的常用指令，自编程序实现P I E)功能也是容易做到的。4)利用P I D 硬件模块实现随着P L C 用于模拟量控制的增加，多数P L C 厂家都开发有专用于模拟量控制的模块，如O M R O N2 0 0 系列P L C 用的C 2 0 0 H P I D 模块、温度控制模块等。这些模块带有自己的C P U 和内存，P I D 控制程序存放于模块的内存中。用户

6、使用时非常方便，一个模块可以控制几路甚至几十路闭环控制。2P L C 中P I D 控制器的实现下面将以S 7 3 0 0 P L C 为例，说明P I D 控制器的组成原理、P I D 控制功能块的算法原理及控制功能的实现。2 1P I D 控制器的组成原理以P L C 作为控制器构成的闭环控制系统，如图1 所示。图中的虚线部分由P L C 来实现。检测元件将被控量实际值p v 测量转换为1 V 5 V 电压信号或4 m A 2 0 m A 电流信号，该模拟信号接至P L C 的A I 模块，进行M D 转换，根据用户编写的P I D 控制程序，将测量值与给定值s p 比较，通过二者的偏差e

7、(r)进行P I D 算法的运算得到输出操作信号“(f)，收稿日期：2 0 0 8 1 1 1 7基金顶目：北京教委科技发展计划项目(k m 2 0 0 6 1 1 4 1 7 0 0 7)l 国家自然科学基金项目(6 0 7 7 3 1 5 7)作者简介：任俊杰(1 9 7 2 一)，女，河北省石家庄市人，讲师，工学硕士，主要从事自动控制、控制工程的教学与研究。2 0 1第3 1 卷第4 期2 0 0 9 0 4万方数据经P L C 的A O 模块进行D A 转换，转换后的信号(I V 5 V 电压信号或4 I n A 2 0 m A 电流信号)用于驱动执行结构，实现对被控对象的控制。图1P

8、 L C 闭环控制系统构成2 2P I D 控制功能块的算法原理S 7-3 0 0 P L C 的编程组态软件S T E P 7 提供了一个P I D 控制软件包，软件包包括3 个功能块：F B 4 1“C O N T _ C”实现连续控制、F B 4 2“C O N T _ S”实现步进控制、F B 4 3“P U L S E G E N”用于脉宽调制生成脉冲。下面将讨论F B 4 1 程序块所提供的算法功能。功能块F B 4 1 提供了一种位置式P I D 算法，P I D控制器的输出u(O 与输入P(f)的关系式为：砸)瑙P 卜+毒胁)舢T。d e 衍(t)I 栅o(1)式中：E 一比例

9、系数；t 一积分时间常数；瓦微分时间常数式(1)的右边前3 项分别是比例作用、积分作用和微分作用分量，它们分别与偏差、偏差的积分和微分成正比。根据所采用的作用不同，也可以组成P、P I 或P D 控制器。设采样周期为丁，将式(1)离散化，第k 次采样时控制器的输出为：甜(露)=K p 0(露)+争P(f)+7 1 Dp(后)一P(J|一1)】+甜。(2)式(2)为离散化的P I D 位置式控制算法表达式，功能块F B 4 1 就是实现了该式所表示的P I D 算法。2 3P I D 控制功能块F B 4 1 及主要参数功能块F B 4 I 的结构框图如图2 所示，设定值S P _ I N T

10、和过程值P V I N T 比较得到偏差，比例、积分和微分三部分作用并联，可以通过使能开关P _ S E L、I _ S E L、D _ S E L 单独激活或取消相应作用。图2 中G A I N 为比例增益，T I 和T D 分别为积分时间常数和微分时间常数。引入扰动量D I S V 还可以实现前馈作用。开关量参数M A N _ O N 还可以提供手动模式和自动模式的选择。在手动模式(M A N _ O N 为1)中控制器的输出为手动给定值。勾设置值垄b 帮H n 墨伽蝴圈匣童圊一W：j 乜_ jl I酬一 c 入景囊比伯IP 皿，筒”1 妯唧精1 1 匕卜；芒-=r 。二菇擎I椭卜一djD

11、IF_ I 卜一IIOOr-一品嬲一黼u“肛M 出E 曩u“H c 一出飘一L 饼J-I,M 出下L 柚f O I 7 出啊I 量图2P I D 控制功能块F B 4 1 的结构框图功能块F B 4 1 调用时的梯形图，如图3 所示，块的左侧为输入参数，右侧为输出参数。表1 给出了F B 4 l 的主要参数说明。表1F B 4 1 主要参数说明麸樊越戤名称数据亮疆说明靛誊值M A NO N手动开关为1 时手动位键设置为撮作僵1 1 J R EPS E LB 0 0 L比例(p)作j j j 使能开关Is E LB o O L积分(1)忭用使能开差”J R EDS E LB o o L徽升(D)

12、作用使能盯关F L S ET M采I 羊时闻，取值箍囝=l m M内部连值O O入P V I N T过程壹t 输入0 mR E A L手动情0 比例增益2 O1 1粤!升时MT 犯岫巾镶分时同拧制器输出操作位上限l O n 0控制嚣输：!：撵作值 限O 0出L 控制嚣输出操作值2 4 输入输出变量的量程转换P I D 控制有两个输入量：给定值(s p)和过程值(p v)。在调用PID 功能块时，给定值(S P _ I N T)通过所指定的地址由内部给出。过程值(P V j N T)是被控量的实际值，要得到过程实际值，首先应从外围设备(越模块)读取M D 转换后的数字量(范围为0 2 7 6 4

13、 8 或-2 7 6 4 8 2 7 6 4 8)，然后将其进行处理转换为过程值(实数)。同样，对于P I D 功能块的输出操作值(实数)，也需要先进行量程转换为数字量，再将其图3 功能块F B 4 1 梯形图第3 1 卷第4 期2 0 0 0-0 4 2 1 1万方数据送至A O 模块。2 4 1 输入过程值量程转换输入过程值量程转换可以由S 7 3 0 0 所提供的功能程序块F C l 0 5“S C A L E”实现，如图4 所示。输入过程值量程转换”S C h L E”E WE N 0输入数字量一工HR E TV A L0 I，r垃程值上限一H IL I 班进程值下限一L OL I 班

14、极性一8 I P O L A R状态字：j 士程实际僵图4 输入量程转换功能程序块F C l 0 5“S C A L E”S C A L E 功能接受一个整型值(I N)，并将其转换为以工程单位表示的介于下限和上限(L O L I M 和H IL I M)之间的实型值。S C A L E 功能使用式(3)计算出过程实际值并写入O U T。O U T=(F L O A T(I N)一K 1)(K 2-K 1)(H I _ L I M L O _ L I M)+L O _ L I M(3)式中，常数K 1 和K 2 根据输入值的极性B I P O-L A R 设置。单极性时，K I=0 0，K 2

15、=+2 7 6 4 8 0I 双极性时，K 1=一2 7 6 4 8 0，K 2=+2 7 6 4 8 0。2 4 2 输出操作值量程转换输出操作值量程转换由$7 3 0 0 所提供的功能程序块F C l 0 6“U N S C A L E”实现，如图5 所示。U N S C A L E 功能接收一个以工程单位表示、且标定于下限和上限(L O _ L I M 和H I _ L I M)之间的实型输入值(I N)，并将其转换为一个整型值数字量。u N s c A L E 功能使用式(4)计算出数字量并写入o U T。o U T=【(I N L O L I M)(H I L I M L o L I

16、 M)(K 2-K 1)+K 1(4)式中，常数K 1 和K 2 的设置同F C l 0 5。输出操作值量程转换”U N S C A L E”E HE N 0I HR 盯V LO U TH IL 疆L 0L 工互一B I P O L A R状态牢输出数字量图5 输出量程转换功能程序块F C1 0 6“U N S C A L E”【2 2】第3 1 卷第4 期2 0 0 9 0 43P l D 控制应用举例某一水箱通过水泵给水箱上水，水位下限为0 m m，上限为5 0 0 m m，水通过出水阀流出，通过调节阀的开度控制进水量，以保持水位在2 0 0 m m。过程变量(实际水位)通过压力变送器测量

17、，变送成4 r n A 2 0 m A 直流信号，接至S 7 3 0 0 的m 模块，经A D 转换输入到S 7-3 0 0 中，经输入量程转换为实际的水位值，该值和设定值比较，进行P I D 控制运算得到操作量(调节阀开度)，再经过输出量程转换和D A 转换得到4 m A 2 0 m A 直流信号，以该信号去控制调节阀开度，最终实现水位的闭环控制。过程变量和控制输出均为单极性模拟量。本例中，水位设定值为2 0 0 m m，选取控制器参数初始值为：G 川时=1 0，T I=I O s，T D=5 s。控制程序包括主程序(O B1)、初始化程序(O B l 0 0)、循环中断程序(O B 3 5

18、)，如图6 所示。3 6图6 水箱水位的P D 控制程序主程序O B1 实现输入、输出量程转换。调用F C l 0 5“S C A L E”，将输入A D 转换后的数字量(放于P 1 W 7 5 2 中)转换为0 删n 5 0 0 m m 之间的一个水位值，结果放在M D 3 0 中；调用F C l 0 6“U N S C A L 酽，将P I D 输出的操作值(放于M D l 0 0 中)转换为0 2 7 6 4 8 之间的一个数字量，结果输出给模拟量输出存储器P Q W 7 5 2。初始化程序O B l 0 0 在P L C 上电运行的第一个扫万方数据描周期进行参数的初始化，将水位设定值、

19、制参数赋初值并开启P I D 作用。P I D 控还需要用户自己编程实现。循环中断程序O B 3 5 按照固定的时间间隔(本例为采样时间l O O m s)循环调用P I D 程序块(F B 4 1)。4 结论P L C 实现P I D 控制的方式有多种，应用P I D 标准程序块来进行P L C 的P I D 控制，方法简单实用。不足之处为F B 4 1 所采用的是标准位置式P I D 算法，算法是固定的。如果希望采用其他改进型P I E)算法，参考文献：【l】1 祁鸿芳，王淑红P I D 算法在西门子P L C 模拟量闭环控制中的实现【J】机床电器，2 0 0 5(1)【2】吴海燕P L

20、C 闭环控制系统中P I D 控制器的实现叨P L C&F A，2 0 0 6(8)【3】万鸾飞，李康浅谈P L C 中P I D 功能的实现方法【J】芜湖职业技术学院学报，2 0 0 6(3)【4】廖常初大中型P L C 应用教程【M】北京：机械工业出版社，2 0 0 7，1【5】S i e m e n sA G S t a n d a r dP I DC o n t r o lM a n u a l，2 0 0 3 4 d t a 4 d t a-4 m a-4 m a-4 m i r a 4 m a-4 m a-，4 m i r a-4 i l i a-4 m m a-4 t l t a

21、-【上揍第3 页】念，以“模拟替代制造”，为教学、研究提供了方便。因此，从另一方面讲，本文基于“模拟替代制造”的应用研究为高等学校机电专业的教学研究提供了一个可行方案。P L C 技术和机器人技术，再配合数控加工技术，就构成了一个较完整的机电一体化生产制造系统。德国某公司的M S M-2 1 0 2 仿真软件为我们提供了一个实验仿真平台。在今后的自动化教学研究中，“模拟替代制造”是发展的趋势。通过一些仿真软件，可以在不损害专用设备的情况下对从未使用过专业设备的学生、企业员工和售后服务人员进行培训。跟“模拟替代制造”相配合的是模块化教学。例图4 物料分配单元的仿真效果图如本课题的硬件核心是一个传

22、送系统，它是柔性制5 结语：教学与研究应用蓑菱羹篓磊姜熊主耋詈葚翥髫等龆本文中的“物料分配单元”控制任务是S L 柔性S L 系统是一套典型的机电一体化教学系统。自主开制造系统的一个模块，还有2 个基本模块是高架仓发这样的教学系统，应用模块化教学方法，我想是库的物料输送和数控加工。“物料分配单元”与这2今后高等学校和职业学校机电专业教育的方向。个模块的结合，是进一步拓展的研究课题。龛妻古赫自动化技术不同于其他单一的技术，是一门综：1】志俊工业机器人的应用及发展趋势【J】机械工程师，合的技术，本文就把P L C 技术和机器人技术结合起2 0 0 2 r 5、8-1 0来实现物料分配的自动控制。然

23、而通常在传授和学【2】西门子(中国)有限公司自动化驱动集团S I M A T I Cs 7 3 0 0习自动化技术时会遇到一些特殊的问题，其原因是，可编程控制器2 0 0 2 一方面是与自动化技术相关的复杂技能只能在实际【3】孙玉华，贾殿涛模块化柔性制造系统在现代职业技术教工作中才能获得，另一方面是这些培训费用很高，而育中的应用【J】职业技术教育，2 0 0 3(1 0)相关教学单位通常都缺少购置这类自动化设备的经【4】s A u 沁m 撕8 3 竺n g8 眦h n l kG m b H P r o g r a m m i*u n dT r-费。因此，当牵涉到有关设备自动化方面的研发、试【5

24、】；：篡篓：等篆仃o l L a n g u a g e v 粥i。n F 2 2 8 f o r c。n验和培训问题时，可以说节约时间和成本是非常关t r o l l e r BR e f e r e n c e G u i d e 键的因素。这样“虚拟开发”的产品设计理念被提 6 1G u e r l t e r,K M e c h a t r o n i k：S y s t e m e n a c h b i l d e n,t e s t e nS i m u l i e 了出来，而S L M S M 2 1 0 2 仿真软件正是基于这一理r e n，L o e s u n g e n

25、 t w i c k e l n 2 0 0 2 第3 1 卷第4 期2 0 0 9 0 4 2 3 1万方数据基于PLC的闭环控制系统PID控制器的实现基于PLC的闭环控制系统PID控制器的实现作者：任俊杰，李永霞，李媛，李红星，REN Jun-jie，LI Yong-xia，LI Yuan，LI Hong-xing作者单位：北京联合大学,自动化学院,北京,100101刊名：制造业自动化英文刊名：MANUFACTURING AUTOMATION年，卷(期)：2009，31(4)引用次数：0次 参考文献(5条)参考文献(5条)1.祁鸿芳.王淑红 PID算法在西门子PLC模拟量闭环控制中的实现期

26、刊论文-机床电器 2005(1)2.吴海燕 PLC闭环控制系统中PID控制器的实现 2006(8)3.万鸾飞.李康 浅谈PLC中PID功能的实现方法期刊论文-芜湖职业技术学院学报 2006(3)4.廖常初 大中型PLC应用教程 20075.Siemens AG Standard PID Control Manual 2003 相似文献(10条)相似文献(10条)1.期刊论文 王有庆.田涌涛.王占杭.李从心 用PLC实现电机速度闭环控制-机床与液压2002(3)本文结合电机速度闭环控制,提出了用PLC的定时中断实现闭环控制的通用程序框架,阐述了用PLC实现闭环控制2.期刊论文 张文庆 PID算法

27、在PLC模拟量闭环控制中的实现-信息技术2003,27(1)提出了在PLC控制的中小型系统中,用PLC的梯形图来完成变速积分PID算法,实现了对模拟量的闭环控制,给出了程序流程图和梯形图程序.3.期刊论文 张文庆 用PLC的软件实现PID闭环控制-自动化技术与应用2003,22(2)本文提出了在PLC控制的中小型系统中,用软件的方法去实现PID闭环控制的方法和用数字形式实现惯性滤波的动态滤波方法,给出了程序流程图.4.期刊论文 黄云鸿.赵文玉.Huang Yunhong.Zhao Wenyu S7-300 PLC在桂林北区污水厂模拟量闭环控制中的应用-电子测量与仪器学报2008,22(z1)本

28、文简要介绍了桂林市北区污水净化厂扩建工程的PLC控制系统.重点使用西门子SIMETICS7-300系列可编程逻辑控制器对A/O池曝气量进行模拟量闭环控制的内容.包括模拟量闭环控制系统的组成,PID控制及其算法,并对曝气系统PID控制中涉及的参数调整进行了分析.5.期刊论文 宁振雷.权龙 PLC闭环控制钢坯修磨机磨头压下系统试验研究-液压与气动2009(8)针对砂轮位置扰动引起的多余惯性力,及其磨头自身重力、摩擦力和惯性力对磨头压下系统输出力的影响,采用开环控制,系统压力波动较大的问题,提出在三通比例减压阀控制压力的基础上叠加闭环控制的方法进行改进.对钢坯修磨机控制系统提出采用分层控制结构,研制

29、了以可编程控制器(PLC)为核心的磨头压下控制系统,实现了各个功能模块的闭环控制,改善了控制效果,提高了设备的可靠性.为提高工作效率,压下过程采用位置、压力复合控制;引入带积分分离的增量式PID控制器闭环控制压力,实现了对磨头压下力的精确控制,使该系统在位置扰动下能够保持良好的跟随特性,满足了性能要求,并已成功应用于国产板坯修磨机上.6.期刊论文 齐亮.李众.李彦 集装箱装卸桥小车速度环PI闭环控制的PLC软件实现-华东船舶工业学院学报（自然科学版）2004,18(5)通过介绍OMRON可编程控制器(PLC)在集装箱装卸桥上的具体应用,说明这种速度环PI(Percentage Integrat

30、ion)闭环控制的PLC软件实现的关键技术,同样适用于一般中小型控制系统,并给出了PLC的定时中断实现PI控制的控制算法流程图.7.期刊论文 张志松.张争气.王英民.王成.ZHANG Zhi-song.ZHANG Zheng-qi.WANG Ying-min.WANG Cheng 基于PLC的电缆对缠机自动控制系统-科学技术与工程2007,7(15)介绍了S7-200PLC在电缆对缠机中实现对变频器、传感器、步进电机三者的协调控制,从而实现了其主动鼓轮的速度闭环控制和被动鼓轮的拉力闭环控制.系统不但实现了主动恒速收缆,而且其关键性在于实现了恒拉力放缆,并有效地解决了收缆和放缆过程的统一问题.实

31、验证明本系统具有很好的应用价值.8.期刊论文 徐祖华.王彦.雷运喜.朱慧玲 用PLC实现的磁溅式三靶真空镀膜机控制系统-南华大学学报(理工版)2003,17(3)设计的磁溅式三靶真空镀膜机控制系统,采用三菱PLC和EasyView触摸屏,具有参数设置、工艺流程控制、故障报警、保护等功能.文中介绍了PLC控制系统硬件与软件结构,以及对靶单元实现闭环控制,获得稳定靶电流情况.9.期刊论文 傅连东 PLC在脱硫速度控制系统中的应用-炼钢2001,17(6)论述了使用PLC对电液比例速度系统进行控制,可以大大改善系统的动、静态性能,提高自动化程度.同时还证实了采用PLC实行闭环控制是一种提高系统性能指标的简单可行的方法.10.期刊论文 漆海霞.张铁民.魏德仙.王建.QI HAIXIA.ZHANG TIEMIN.WEI DEXIAN.WANG JIAN 基于PLC间通信的步进电机远程闭环控制-微计算机信息2008,24(4)本文介绍一种PLC间通信的步进电机远程闭环控制的方案,主要介绍了系统构成、主站和从站的程序编制,步进电机的驱动实现,该方案简单、实用,适合用于作业与控制分离的场合.本文链接：http:/