基于PID的乒乓球吹浮位置控制實訓平臺設計

曹小兵，姚曉寧，謝瑞

（無錫職業技術學院，江蘇無錫 214121）

基于PID的乒乓球吹浮位置控制實訓平臺設計

曹小兵，姚曉寧，謝瑞

（無錫職業技術學院，江蘇無錫 214121）

針對PID控制理論教學中的實訓設備問題，設計一種基于PID的乒乓球吹浮位置控制實訓平臺。利用PLC、HMI、激光測距儀、PWM調節器、軸流風機等搭建系統硬件，在此基礎上設計軟件程序及HMI界面，給出了具體的設計思路與代碼，并對樣機進行了調試與運行。監控結果表明，乒乓球位置的變化規律符合PID控制理論，證明了該平臺的正確性，設計思路與方法可為類似平臺的研制提供參考。

PID控制;實訓平臺;HMI;PWM調節器;激光測距儀

PID控制作為一種經典的控制策略［1］，具有結構簡單，較易于整定的優點，被廣泛應用于工業過程控制。在控制理論相關課程中，PID控制也是講解的重點與難點內容之一。為了使學生更好地掌握PID控制的思想，直觀感受其控制效果，做到理論聯系實際，有必要開發合適的PID控制實訓平臺。目前常見的PID控制實訓平臺多為溫度［2］、液位［3］調節系統，這類平臺主要存在以下缺點：一是對實訓環境要求較高，如需配置給排水管路、增加電氣負荷等，使操作存在安全隱患;二是該類控制系統多為大慣性環節，參數設定困難，調節周期長;三是實訓準備耗時長，故障率高，維修困難。為此，本文設計了一種基于PID的乒乓球吹浮位置控制實訓平臺，以放置在豎直玻璃筒內的乒乓球為控制對象，針對其吹浮位置進行PID控制，并利用HMI設備［4］顯示乒乓球位置變化暫態過程。實驗表明該實訓系統慣性環節較小，參數易于調節，響應速度快，調節時間短，故障率較低并易于維修，既可進行單項目實驗，又可用于綜合項目訓練，設計思路可為類似實訓裝置的研制提供參考。

1 系統功能分析

本實訓平臺主要由玻璃筒、乒乓球、控制器、HMI設備、PWM調節器、激光測距儀、軸流風機等裝置組成，樣機實物如圖1所示。

乒乓球放置在下方安裝有軸流風機的豎直玻璃筒內，風機可吹動兵乓球在筒內沿豎直方向運動，激光測距儀測得乒乓球在筒內的相對位置信息并將其傳給控制器，利用控制器中的PID控制模塊處理位置信息并改變PWM調節器的輸入電壓，進而改變PWM調節器的輸出電壓，以調整風機風量，最終將乒乓球吹浮并穩定于設定高度值處。系統閉環控制過程可以用圖2描述。

PID參數的設置可在HMI設備上進行，而通過HMI監視界面，還可方便地觀察曲線實時變化情況，并實現曲線放大、暫停、查看歷史數據等。

2 硬件設計

2．1 控制器及HMI選型

根據所需要滿足的控制功能，并結合學校實際教學需要，設計時采用實訓室已有的S7－300 PLC （CPU 314C－2 DP）作為控制器，西門子MP 277 10"Touch來提供可視化的人機界面（HMI）。通過調用PLC內部的PID控制模塊實現乒乓球吹浮位置的控制。HMI的應用則大大提升了學生在使用實訓平臺時的便捷性與交互性。通過預先設計好的操作界面，學生可以在其中完成過程和設備的參數管理，如設置位置給定值以及P、I、D三個參數值等，并可實現過程值歸檔。此外，通過監控界面，還可實時觀察乒乓球的位置變化暫態過程。

2．2 激光測距儀選型

實訓平臺的控制對象為玻璃筒內的乒乓球，為了精確獲得乒乓球運動位置的實時數據以及學校實際教學需要，選用XUE5AA2NM12激光測距儀。本控制系統中定義乒乓球零點位置為軸流風機未工作時乒乓球靜止停留的位置，最高點位置為乒乓球運動到玻筒上方并與玻筒口平面相切的位置，如圖3所示。

圖3 乒乓球高度位置標定示意圖

2．3 PWM脈寬調制

乒乓球要沿玻璃筒垂直方向運動，關鍵是控制軸流風機的風速，本文采用PWM調節器來實現。PWM調節器的輸入控制電壓為0－5V，輸出電壓為0－24V。當進行開環控制時，輸入控制電壓由人工手動旋轉電位器給定。當進行閉環控制時，輸入控制電壓則由PLC給定，通過改變占空比來改變PWM調節器的輸出電壓。占空比越大，電機轉得越快，當占空比D=1時，電機轉速最大［5］。

3 軟件設計

3．1 主程序設計

控制系統程序采用SIMATIC Manager軟件來編寫，程序的編寫主要采用塊，主要包括PID控制模塊FB41、數值轉換模塊FC105、FC106等。

在PID控制模塊中可以根據實際控制要求通過對控制器組態來實現不同的控制方式。激光測距儀的模擬量輸出作為控制器的模擬量輸入，隨著乒乓球運動位置的變化而變化，在程序設計中通過FC105功能塊將輸入的模擬量轉換為一定范圍內的實型值，并作為PID控制模塊FB41塊中的外部過程輸入變量。在FB41塊中對應輸入端鍵入高度設定值，并根據控制方式調節控制器的輸入增益、積分時間和微分時間。通過FC106功能塊將FB41塊的實型值輸出轉換為模擬量輸出并作為PWM調節器的輸入控制電壓，通過改變輸入控制電壓來調節軸流風機的風速從而控制乒乓球的運動。

乒乓球位置變化暫態過程不僅與PID參數設置有關，還與外部擾動因素有關，如空氣氣流、震動等因素，這些因素可能打破乒乓球的動態平衡，為了模擬外界擾動因素，還在主程序中加入了擾動程序，使得本系統更為真實。主要功能程序圖如圖4～6所示。

調試發現，乒乓球運動位置存在死區。當乒乓球的高度設定值小于550mm時，乒乓球經過一段時間調節后能夠穩定停留在設定高度處，而當乒乓球的設定位置高于550mm時，乒乓球無法維持動態平衡，無法穩定停留在設定高度處。因此在程序中還需設計高度限定功能。

圖5 PID整定程序

圖6 PWM占空比程序

3．2 HMI界面設計

為了加強實訓平臺交互功能，方便學習者直觀地了解各種參數變化及外部擾動因素對小球平衡位置的影響，在設計中采用了HMI可視化設備，設計了操作界面和監控界面，如圖7和8所示。學習者可以通過HMI可視化設備直觀地觀察乒乓球位置變化暫態過程。

圖8 監控界面

操作界面主要由啟動/停止按鈕、擾動按鈕、PID初值按鈕、位置給定值設定IO域、PID三個參數IO域、監控界面轉換按鈕、退出系統按鈕等組成。

監控界面主要由趨勢視圖、玻璃筒吹浮模型、操作界面轉換按鈕和退出系統按鈕等組成。趨勢視圖可以直觀地顯示出每個時刻乒乓球位置的變化狀態，同時該曲線還可以放大、暫停、查看歷史數據，方便學習者研究和討論。

4 系統調試與分析

將設計好的系統分別在開環控制和閉環控制兩種方式下進行調試，乒乓球位置監控結果如圖9～12所示。

圖9是采用開環控制方式，手動旋轉電位器開關，通過改變占空比大小使乒乓球運動位置發生改變。從圖中曲線可以看出，乒乓球經歷了緩慢上升緩慢下降、快速上升快速下降，最終停留在某一高度處。顯然，為使乒乓球到達設定位置，開環控制調節速度比較慢且效果不理想。

圖10～12分別為閉環控制方式下，分別采用P、PI和PID控制時的乒乓球位置變化曲線。通過對比可以直觀地看出，P控制響應速度快，但不能消除穩態誤差，加入積分環節后穩態誤差得以消除，而微分環節則有助于抑制系統超調并減小系統的調節時間，實驗結果符合PID控制理論。

5 結論

文章以一種乒乓球位置控制實訓平臺為研究對象，根據控制要求，進行了硬件設計、編寫了軟件程序，并設計了HMI界面。實際應用結果表明，該平臺集趣味性、互動性與綜合性于一體，拓寬了實訓室已有的PLC、觸摸屏等實訓設備的應用方式，并有助于學生了解和掌握PID控制核心思想，學習PLC、HMI、傳感器等的使用，提高其系統集成能力和綜合技術應用能力。文中所提出的軟硬件設計思路與方法對于同類系統的設計具有一定的參考意義。

［1］王威，楊平．智能PID控制方法的研究現狀及應用展望［J］．自動化儀表，2008，（10）．

［2］郝少杰，方康玲．基于模糊PID參數自整定的溫度控制系統的研究［J］．現代電子技術，2011，（7）．

［3］孔學森．模糊自適應PID對三容水箱液位控制的仿真與試驗研究［D］．秦皇島：燕山大學，2012．

［4］王兆陽．基于PLC和HMI的壓合監控系統的設計與實現［D］．杭州：杭州電子科技大學，2013．

［5］庹朝永．基于單片機的直流電機PWM調速系統設計與開發［J］．煤炭技術．2011，（6）．

［編校：張芙蓉］

Design of the Training Platform for the Floating Position Control of Table Tennis Ball Based on PID

CAO Xiaobing，YAO Xiaoning，XIE Rui
（Wuxi Institute of Technology，Wuxi Jiangsu 214121）

Aiming at the problem of training equipment used for the teaching of PID control theory，a training platform for the floating position control of table tennis ball based on PID was designed．The hardware of the system was builtby PLC，HMI，laser range finder，PWM regulator and axial－flow fan．And accordingly the software program and HMI interface were designed．The design idea and source codeswere also given．The debugging and running of the prototype was carried out．Themonitoring results show that the change of the position of table tennis ball is in accordancewith the PID control theory．It proves the correctness of the platform．The design idea and method can provide reference for the development of similar platform．

PID control;training platform;HMI;PWM regulator;laser range finder

TP273

A

1671－9654（2015）04－043－04

10.13829/j.cnki.issn.1671-9654.000140

2015－11－11

曹小兵（1982－），男，江蘇海安人，講師，工學博士，研究方向為智能控制技術。

本文為江蘇省高等教育教改研究課題“基于品牌企業合作的高職專業建設研究與實踐”（編號：2015JSJG433）階段性研究成果。