位置控制的PLC實現方法及應用

張彩霞

（日照市技師學院，山東 日照 276826）

引言

隨著工業和科學技術的發展，位置控制在工業控制系統中的應用越來越廣泛。目前在棉紡廠的抓棉機上，大都應用可靠性很高的可編程控制器（簡稱PLC）來進行位置控制。這種系統的控制方案基本上都是利用PLC加軸定位模塊,成本比較高。目前的PLC基本上都配備有RS485標準串口和高速計數器模塊，該模塊配合軸編碼器就可用來作為位置反饋，并且執行電動機的變頻控制基本上也都支持RS485串行通信。所以，本文利用PLC強大的控制能力，結合RS485串口驅動技術和高速計數的方法來實現精確的位置控制。

一、位置控制系統的基本原理

一般位置控制系統的驅動部件都是電動機，主要是利用轉動電動機軸時，經由絲杠使工作臺能夠直線運動的原理。所以，只要能夠控制工作臺的位置，就可以來對電動機進行定位。

位置控制系統的基本組成結構是由PLC、交流電動機、變頻器、軸脈沖編碼器以及高速計數器組成。其工作原理為：控制對象（如工作臺）的指令位置由PLC給出，通過RS485接口或D/A模塊連接到變頻器，然后通過變頻器來對電動機的轉速進行有效的調整。同時還要在三相交流異步電動機的絲杠或者轉動軸上安裝增量型軸脈沖編碼器，由其輸出的脈沖則要接入PLC的高速可逆計數器模塊。因此，通過轉動電動機，再經由相關的傳動裝置，轉化為了控制對象的運動，而計數器主要是記錄電動機的絲杠或軸的旋轉位置，這樣也就獲取到了控制對象的具體位置，同時，PLC還能夠通過實際值與指令值中存在的偏差，然后利用自動控制理論中閉環反饋控制的原理產生控制信號，反映都變頻器上讓電動機再次旋轉，通過一系列的調節可以適當的調整控制對象（工作臺）的實際位置與指令位置之間存在的偏差，使偏差盡可能的處于允許誤差范圍以內。

整個過程中，整體控制對象就是調速，主要是由變頻器與交流電動機兩部分組成，其傳遞函數為1階慣性環節，如果這時的固體摩擦很小，幾乎不會出現穩態位置的誤差，也沒有特別強調響應速度，最好是選擇PD算法來放置位置控制器；但是，考慮絲杠磨損及機械間隙等固體摩擦的影響，在目標值附近存在不敏感區，產生固定的定位誤差，這時通過加入積分補償環節，構成PID控制器來消除該誤差。一般，在工業控制系統中，常采用PID控制算法，公式為：

其中，e(t)=R(t)?Y(t)

由于采用數字計算機控制

上式中：k為采樣序號；T為閉環采樣周期。

反饋環節kf主要的作用是將反饋結果與指令值的單位進行統一增加的比例環節，如果在控制程序中選擇反饋值的單位作為統一單位的話，則kf=1。

在實際工業現場的控制系統中，執行機構是由變頻器與交流電動機組成，當控制在輸入時比較小時，就會導致執行機構收不到信息而不產生動作。這種現象稱為控制系統的“死區”。所以，通常為了解決死區造成的影響，而在控制環節中采用死區補償器，其是典型的非線性環節。死區ε是一個可調的參數，其具體數值可以根據實際控制對象由實驗來確定，但也要遵循一些基本的原則：

（1）ε太小，系統將會產生很大的滯后；

（2）ε太大，則容易產生振蕩，達不到穩定被調節對象的目的。

死區補償的輸出u就是供給變頻器的控制信號，若采用D/A轉換輸出，由于受限于計算機系統中表示數位的精度，一般還需要增加一個飽和非線性環節，以防止不切實際的干擾信號加到變頻器端。

二、控制算法的PID實現

綜上分析，現以往復式抓棉機的打手位置控制為例來說明用PLC實現位置控制的系統，其基本組成結構由歐姆龍PLC,通信板（其帶1個RS485串口，1個RS232串口），CT001高速可逆計數器模塊（其最高計數頻率50kHZ）,富士變頻器及電動機，KOYO軸脈沖編碼器(1K脈沖/轉)，滾珠絲杠（其導程為12mm）構成。

KOYO軸編碼器直接安裝在絲杠上，CT001工作在線性模式,最大計數范圍為：-8388608-8388607，實際打手可移動的距離有限，計數范圍在0-166666，CT001的IR106和IR107兩個單元一起存放當前的計數值,即打手的實際位置 (單位為軸編碼器的脈沖個數).IR106和IR107的值可以直接用作位置的反饋.此時,表示指令位置必須也用兩個通道如 (例如DM4000和DM4001)才能與IR106和IR107進行雙字運算。PLC的一個通道為16 bit,能表示的最大數為65535,顯然,要表示打手的最大移動距離對應的計數器值為166666,1個通道是不夠的.但是采用兩個通道表示,在處理后續乘除運算以及計數值從BCD碼到BIN碼格式的互換時算法相當復雜，占用的PLC通道過多.因此,在實際的位置控制系統中采用計數器值的1/10為單位，指令位置和反饋值都以此單位表示，簡化了程序結構。當然由于測量單位放大了10倍，控制精度也相應降低，但仍能達到0.01mm的控制精度，對抓棉機打手的位置控制來說已經完全足夠了。

位置控制器選擇PD算法，控制器采樣周期選擇為控制程序的掃描周期，Kp和Kd的選擇應注意:增大Kp將加快打手的到位,有利于消除穩態位置誤差,但Kp過大會使打手在目標位置處出現振蕩,增大Kd,有利于加快打手的迅速到位，使打手定位超調減小!但系統對擾動的抑制能力減弱。實際確定Kp和Kd時對參數實行先比例后微分的調整步驟為：

（1）首先將Kp由小變大，當Kp=0，觀察控制系統響應，直至控制系統反應快、超調小，調整后的結果一般出現輕微的振蕩。若Kp不夠大，這時系統有靜態誤差。

（2）逐步增大Kd，位置控制系統的振蕩現象將會消失，響應加快，在此基礎上再重復上述兩個步驟,直至靜態誤差達到允許的范圍且系統動態性能良好為止。

當系統在運行一段時間后，由于絲杠磨損及機械間隙等固體摩擦的原因，會使得系統模型參數可能發生變化，因此，為了確保系統穩定，這些控制參數也應該再次做微量調整。

位置控制相應的PLC控制程序如下所示。

三、結束語

在利用PLC實現位置控制的工業生產過程中，采用了RS485數字驅動加上高速計數模塊組成閉環位置控制。在實際情況中經過反復證明，PLC控制系統極大地降低了系統的成本，大大地提高了系統調整的靈活性。

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