PID溫控系統(tǒng)實訓教學探討

張春鵬

（廣東省粵東高級技工學校 廣東 汕頭 515041）

PID溫控系統(tǒng)實訓教學探討

張春鵬

（廣東省粵東高級技工學校 廣東 汕頭 515041）

在開展PID溫控系統(tǒng)的程序設計實訓教學中，通過合理設計教學環(huán)節(jié)，以及采用有效的教學方法及手段，指導學生逐步解決若干技術難點，從而掌握PID控制技術。

PID溫控系統(tǒng)；實訓教學；程序設計

廣東省粵東高級技工學校于2005年在技師班開展PID溫控系統(tǒng)實訓教學，使學生通過對PID溫控系統(tǒng)進行程序設計掌握PID控制技術。在這個過程中，學生需要耗費不少時間解決若干技術難點。由于技師班教學課時有限，教師需要合理設計教學環(huán)節(jié)，采用有效的教學方法及手段，才能幫助學生盡快走出困境，掌握相關技能。現就筆者在教學中對若干教學環(huán)節(jié)的處理與同行交流。

突破理論“瓶頸”是程序設計的重要開端

在進行程序設計的過程中，學生首先需要具備相關的理論知識，才能在實踐中較為透徹地認識和分析問題，較為有效、快速地解決問題。根據實訓需要，筆者將理論知識的指導重點放在PID控制理論部分。

PID控制理論涉及高等數學知識，但技師班學生大多數欠缺高等數學知識，難以接受抽象的PID控制數學模型。為此，在教學中，筆者結合學生實際，針對PLC采用數字控制模式的特點，盡量將高等數學初等化、具體化，以使學生正確理解PID控制的實質并將其用于指導實踐。

熟悉溫控系統(tǒng)是程序設計的前提

通過熟悉溫控系統(tǒng)，可以使學生知道各個設備的作用、性質和類型，理解系統(tǒng)的工作流程，這樣學生才能編寫出符合工藝要求的程序。學生熟悉溫控系統(tǒng)可按以下三個教學步驟進行。

（一）熟悉溫控系統(tǒng)的硬件構成（見圖1）

第一，明確負載性質——恒溫箱，有兩組各1100W的電熱絲，是一種熱慣性較大的負載。

第二，明確溫度傳感器類型——鉑熱電阻PT—100，與FX2N—4AD—PT模塊配套使用給系統(tǒng)提供測量值PV。

第三，明確主控制器類型——型號為FX2N-16MR的三菱PLC。

第四，明確模擬量輸出的控制對象——型號為SPC1—35的調功器，控制電熱絲的功率。

第五，明確用于A/D、D/A轉換的模塊的類型——分別為FX2N—4AD—PT模塊和FX2N—4DA模塊，用以處理模擬量數據。

（二）熟悉溫控系統(tǒng)的工作原理

待學生了解了系統(tǒng)的硬件構成后，教師可以歸納出系統(tǒng)工作流程圖（見圖1），引導學生理解溫控系統(tǒng)的具體流程及工作原理，同時，讓學生進一步熟悉每個硬件的作用及應用特點。

圖1 PID溫控系統(tǒng)硬件構成及工作流程圖

（三）熟悉溫控系統(tǒng)的電路組成（見圖4）

溫控系統(tǒng)的電路由幾個部分組成：主電路，電器控制回路，PLC主機輸入、輸出端口連接部分，模擬量輸入模塊FX2N—4AD—PT與溫度傳感器連接部分，模擬量輸出模塊FX2N—4DA與調功器連接部分。

編寫程序是程序設計的核心環(huán)節(jié)

學生熟悉設備之后就可以編寫程序，以實現對溫控系統(tǒng)的控制。在這個過程中，教師應重點指導學生解決兩個技術難點：編寫模擬量模塊應用程序及PID控制程序。

（一）編寫模擬量模塊應用程序

模擬量模塊的應用有一個顯著特點是通過軟件來管理硬件，軟件設置和硬件連接必須匹配。FX2N—4AD—PT、FX2N—4DA模塊均有各自的緩沖存儲器（簡稱BFM），PLC通過FROM和TO指令來讀/寫B(tài)FM的數據，可以實現對模塊的應用。在教學中，指導學生編寫模擬量模塊應用程序，可分四個步驟實施。參考程序見圖2。

圖2 模擬量模塊應用程序圖

確定FX2N—4AD—PT與FX2N—4DA模塊的位置 編寫程序前，學生必須清楚模塊的安裝位置（見圖4）。在硬件結構中，FX2N—4AD—PT模塊安裝位置最靠近PLC，因此其編號為0號模塊，而FX2N—4DA的編號應為1號模塊。在編寫程序時不能搞錯模塊的編號，以便PLC準確地對模塊讀/寫數據。兩個模塊的識別碼都存放在其緩沖存儲器BFM的#30單元中。為防止數據傳輸錯誤，學生可通過編寫程序，將該位置模塊的識別碼讀入PLC并進行數據比較，若相等則表示該位置上安裝的是這種模塊，就可以讓該模塊進行模擬量數據處理。

對FX2N—4AD—PT與FX2N—4DA模塊進行通道初始化 （1）FX2N—4AD—PT模塊通道初始化。FX2N—4AD—PT模塊與鉑熱電阻PT—100是配套使用的，它有四個獨立通道，本系統(tǒng)只用到該模塊的CH1通道 （見圖4）。應讓學生明確，由于模塊的應用特點，不需對該模塊通道的輸入方式及范圍進行初始化設置。（2）FX2N—4DA模塊通道初始化。FX2N—4DA模塊有四個獨立通道，在使用前必須對模塊通道的輸出方式及范圍進行初始化設置。在本溫控系統(tǒng)中，FX2N—4DA的CH3通道與調功器SPC1—35的控制端子連接，且調功器的輸入控制信號選用+4mA～20mA的電流信號。因此，在編寫程序前，學生應明確器件的對應關系，在編寫程序時，應設置模塊的CH3通道為電流輸出模式，且輸出范圍選為+4mA～20mA。

對模擬量數據進行處理 在溫控系統(tǒng)中，因FX2N—4AD—PT模塊的CH1通道與鉑熱電阻連接，所以其模擬量輸入數據（已經A/D轉換成數字量）的平均值存儲在BFM#5中（以0.1℃為單位）。在編寫程序時，學生應明確模擬量輸入數據的流程，使用FROM指令讀取模塊BFM#5中的數據，傳送至PLC內部的數據寄存器中 （參考程序中使用D190），給系統(tǒng)提供測量值PV。FX2N—4DA模塊的CH3通道與調功器連接，學生編寫程序時，也應明確模擬量輸出數據的流程，使用TO指令將存放在D160的PID運算結果寫入BFM#3中，經D/A轉換后使CH3通道有電流輸出，并用這個電流信號去控制調功器。

監(jiān)視FX2N—4AD—PT、FX2N—4DA運行 兩個模塊的BFM#29存放的是模塊工作狀態(tài)的信息。根據需要，學生可編寫程序，通過讀取BFM#29的數據，監(jiān)視模擬量模塊的運行情況。

（二）編寫PID控制程序

學生在編寫程序時，需要解決的另外一個技術難點是恰當運用PID指令編寫PID控制程序，教師可分兩步指導：

熟悉PID指令 讓學生了解PID指令的格式及使用要素，如指令編碼、助記符、數據長度、執(zhí)行形式及操作數等。其中重點在于操作數的解釋。PID指令的操作數包括設定值、測量值、控制參數及運算結果（見圖3）。可以通過舉例，讓學生理解各個操作數的作用以及它們之間的運算關系，使學生盡快熟悉PID指令的用法。

圖3 PID控制程序圖

按步驟編寫PID控制程序（參考程序見圖3） （1）設置設定值與測量值。編寫程序時，學生應明確：系統(tǒng)的設定值SV只能使用數據寄存器D，若需要設定值在PLC掉電后保持，則應選用D200～D511。具體的數值可以在程序中直接用MOV指令設定，或者通過人機界面間接設定。系統(tǒng)的測量值（現場當前值）PV，只能使用數據寄存器D，測量值一般不必掉電保持，故應選用D0～D199。具體的數值從FX2N—4AD—PT模塊的BFM#5中讀取。在參考程序中設定值使用D300，測量值使用D190。（2）設定控制參數。編寫程序時，學生應明確：PID指令中，必須設定存放PID控制參數的數據寄存器首地址。PID控制參數需在PID運算開始前，通過MOV指令預先設定。可以只設定重要的控制參數，而忽略其他控制參數，比如用于報警的控制參數。在參考程序中（見圖3）是以D100為首地址的25個數據寄存器存放PID控制參數，即D100～D124，其中，D100～D106都是重要的控制參數。（3）指定運算結果存放位置。編寫程序時，學生應明確：PID運算結果要指定數據寄存器存放，該數據寄存器最好指定非保持型的數據寄存器。在參考程序中，指定D160存放PID運算結果。

程序調試是程序設計的必要環(huán)節(jié)

編寫程序后，必須通過程序調試檢查程序的實際效果。在教學中，教師應遵循程序調試的步驟，采用有效的方法指導學生進行程序調試，并解決其中的技術難點。

（一）程序調試的步驟及方法

模擬調試 程序在現場調試之前，應進行模擬調試。這樣，可以在相對安全的環(huán)境下及早發(fā)現問題，提高現場調試的成功率，降低現場調試的風險。模擬調試的形式和方法很多，應根據實際系統(tǒng)的特點以及有利于學生學習的原則進行選擇。本教學項目，采用混合仿真法進行模擬調試，以溫控系統(tǒng)實機設備為原型形成混合仿真系統(tǒng)，讓學生將編寫的程序在仿真系統(tǒng)上進行模擬調試。混合仿真系統(tǒng)的PLC基本單元、模擬量模塊與實機設備一致，而恒溫箱、電熱絲、調功器和溫度傳感器用合適的模擬電路來代替。采用這種方法，可以讓學生在相對安全、相對接近實際的環(huán)境下檢查程序的效果，并且還能讓學生進行PID參數的調試實驗，從而初步掌握PID參數整定的方法。

現場調試 現場調試是將模擬調試通過的程序進一步在實機設備上調試，只有經過實機測試，才能最終確定編寫的程序是否符合控制系統(tǒng)的工藝要求。現場調試過程應讓學生循序漸進、分步進行。首先，檢查接線是否正確，各個設備是否工作正常，然后將編制好的程序下載到現場的PLC中；其次，將主電路斷電，在不帶負載的情況下調試控制回路，檢查邏輯控制是否符合要求，接著，調試模擬量控制回路，看模擬量數據處理是否正確；再次，調試PID指令看能否正常運算；最后，將主電路通電，看負載運行情況。為使系統(tǒng)運行良好，還需要進行PID控制參數的調試，這個過程是漫長的，需要耐心，參數要作多種選擇才能從中選出最優(yōu)者。

圖4 溫控系統(tǒng)的電路組成圖

（二）程序調試的技術難點

在調試程序時，根據系統(tǒng)溫度的變化特點以及PID參數的變化規(guī)律，合理整定P（比例）、I（積分）、D（微分）參數，使系統(tǒng)達到“穩(wěn)、準、快”的控制要求，這是學生必須解決的技術難點。PID參數整定的方法很多，其中湊試法主要依賴于工程經驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進行，其方法簡單、易于初學者掌握，可作為教學首選。湊試法，即在模擬環(huán)境或實機環(huán)境下，通過閉環(huán)運行觀察系統(tǒng)的響應曲線，然后根據各調節(jié)參數對系統(tǒng)響應的大致影響，反復湊試參數，以達到滿意的系統(tǒng)響應，從而確定PID參數。要讓學生學會用湊試法整定PID參數，教師應重點做好以下兩方面的指導工作。

讓學生認識PID參數變化時的作用規(guī)律 PID參數整定的過程中最重要的問題是當系統(tǒng)性能不盡如人意時，知道應該調節(jié)哪一個參數，應該往什么方向調整（即該參數應該增大還是減小）。因此，認識PID參數變化時的作用規(guī)律尤為重要。在模擬調試時，教師可以有步驟地進行實驗安排，通過實驗數據的比對及分析，引導學生認識PID參數變化時的作用規(guī)律。例如，通過實驗安排，讓學生掌握P參數變化時的作用規(guī)律。首先，提供一組事先選好的數據給學生，例如，第一個數據KP（比例增益）=500%，第二個數據KP=300%，第三個數據KP=1000%。其次，讓學生觀察及記錄每一個KP數據單獨作用時，它的測量值PV趨勢曲線。再次，比對三組趨勢曲線的數據，通過數據分析，當系統(tǒng)出現溫度誤差的時候，比例控制會起什么作用，分析當KP值變大或者變小時，會引起溫度系統(tǒng)怎樣的變化，等等。最后，經課堂討論及教師指導，學生歸納出P參數變化時的作用規(guī)律。 用相同的實驗方法，也可以讓學生歸納出積分參數及微分參數變化時的作用規(guī)律。

讓學生掌握湊試法整定PID參數的步驟 學生在掌握PID參數的變化規(guī)律之后，就可以對PID參數進行整定，應按照先比例，再積分，后微分的步驟進行。首先，整定比例增益KP。指導學生將KP值由小變大，并觀察溫控系統(tǒng)的響應，直至得到反應快、超調小的響應曲線。如果系統(tǒng)沒有靜差或靜差已經小到允許范圍內，并且對響應曲線已經滿意，則只需要比例控制即可。其次，考慮加入積分控制。如果在比例控制的基礎上系統(tǒng)的靜差不能滿足設計要求，則必須加入積分環(huán)節(jié)。在整定時，指導學生先將積分時間TI設定到一個比較大的值，然后將之前整定好的KP值略為縮小，觀察系統(tǒng)的變化情況。在此過程中，指導學生根據系統(tǒng)響應曲線的好壞反復改變KP值和TI值，使得系統(tǒng)在保持良好動態(tài)性能的情況下，靜差得到消除。最后，考慮加入微分控制。如果在上述調整過程中對系統(tǒng)的動態(tài)過程反復調整還不能得到滿意的結果，則可以加入微分環(huán)節(jié)。在整定時，指導學生先置微分時間TD及微分增益KD為零，然后逐步增大TD及KD，同時相應地改變KP值和TI值，逐步湊試，直至得到滿意的調節(jié)效果。

本教學項目教學思路清晰，各個教學環(huán)節(jié)緊密相連且有序實施，使得課堂化學習具有較高效率。每個教學環(huán)節(jié)能夠抓住教學要點，采用有效的教學方法及手段對學生進行指導。如盡量將高等數學初等化、具體化，讓學生突破理論“瓶頸”；使用混合仿真法，讓學生在相對安全、相對接近實際的環(huán)境下調試程序；指導學生采用湊試法整定PID參數，等等。最終，可使學生能有效地突破技術難點，在盡量短的時間內掌握PID控制技術。

[1]史國生.電氣控制與可編程序控制器技術[M].北京：化學工業(yè)出版社，2003.

[2]丁煒，魏孔平.可編程序控制器在工業(yè)控制中的應用[M].北京：化學工業(yè)出版社，2004.

[3]李俊秀，趙黎明.可編程序控制器應用技術實訓指導[M].北京：化學工業(yè)出版社，2005.

[4]吳明亮，蔡夕忠.可編程序控制器實訓教程[M].北京：化學工業(yè)出版社，2005.

[5]廖常初.FX系列PLC編程及應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.

[6]廖常初.PLC應用技術問答[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.

[7]岳慶來.變頻器、可編程序控制器及觸摸屏綜合應用技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.

□有話職說

什么是成功的人？就是今天比昨天更有智慧的人，今天比昨天更慈悲的人，今天比昨天更懂愛的人，今天比昨天更懂得寬容的人。

——林清玄

G712

A

：1672-5727（2011）12-0135-03

張春鵬（1976—），男，廣東汕頭人，廣東省粵東高級技工學校電工工藝一級實習指導教師，主要從事電工生產實習課教學。