電氣自動化專業多功能教學一體機的PID溫控算法設計

肖仕馳 張興華

摘要：本文描述了電氣自動化專業多功能教學一體機溫度控制及PID調節教學模塊的PLC程序和算法的設計思路。PID溫控調節算法設計過程明確為確定PID控制回路參數表的內容、參數模糊自整定和編寫PID控制程序三個步驟，最終編寫的PLC程序提高了系統魯棒性，使設備能夠達到實踐教學的目的。

關鍵詞：PID；PLC；溫度控制；模糊控制

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：1672-9129（2019）04-0181-03

Abstract：This paper describes the design idea of PLC program and arithmetic for the teaching module of temperature control and PID regulation of multi-function teaching integrated machine for electrical automation specialty. The design process of PID temperature control arithmetic is to determine the content of the parameter table of the PID control loop， the parameter fuzzy self-tuning and the programming of the PID control program. The final PLC program improves the robustness of the system and enables the equipment to achieve the purpose of practical teaching.

Keywords：PID； PLC； temperature control； fuzzy control

1 引言

電氣自動化專業多功能教學一體機為了達到多功能教學的目的設計了溫度控制和PID調節教學模塊，主要為電氣自動化專業學生提供一個學習PID控制的實踐平臺，而溫度控制系統是一種非線性控制系統，若采用傳統PID控制方式，其控制性能會降低，無法達到實踐教學的目的。由于溫度控制的非線性特點，與溫度相關的參數、數據都是隨著系統的情況不斷變化的，為了達到理想的控制效果，需要對參數進行不斷的設置和整定。該算法設計思路參考了參數模糊自整定PID控制方法，利用模糊控制規則或設備使用者手動輸入，在線對PID參數進行修改。

2 算法設計

教學一體機的溫控教學模塊PID調節算法設計過程為確定PID控制回路參數表的內容、參數模糊自整定和編寫PID控制程序三個步驟。

2.1 溫控教學模塊PID控制原理

PID溫控系統是一個典型的閉環控制系統，用于控制加熱溫區的溫度（PVn）保持在恒定的溫度設定值（SPn）。系統通過溫度采集單元反饋回來的實時溫度信號（PVn）獲取偏差值（△），并計算偏差變化率（ρ）。偏差值與偏差變化率都參與PID參數模糊自整定過程，但偏差變化率不作為PID運算的輸入量。偏差值（△）與模糊自整定后的三個PID參數kp、ki、kd經過PID運算輸出，控制可控硅的電壓，以克服偏差，促使偏差趨近于零。溫度控制教學模塊如圖1所示。

2.2 指令介紹與PID參數表的建立

程序定義的指令名稱為PID，從TBL指定首地址的參數表中取出有關值對LOOP回路進行PID運算，TBL為PID參數表的起始地址，操作數VB（字節型）；LOOP為PID回路號，常數0～7（字節型）。根據PID控制原理和指令建立PID控制回路參數表如表1所示。

2.5 輸入量的轉換與標準化

在執行PID運算前，必須先把輸入量從16位整數值轉換成32位實數（浮點型）。將AIW0（模擬量輸入單元）中的16位整數轉換成32位雙整數，再保存到累加器AC0中。將AC0中的32位雙整數轉換成實數（浮點型）。將實數轉換成0.0～1.0之間的標準化數值。轉換表達式為輸入量的標準化值=輸入量的實數值/跨度+偏移量。跨度值取32000（針對0～32000單極性數值）或64000（針對-32000～+32000雙極性數值）；偏移量取0.0（單極性數值）或0.5（雙極性數值）。將AC0中的輸入量的實數值除以64000，將AC0中的值加0.5，將AC0中已標準化的數值傳送到PID控制回路參數表的VD100單元。

2.6 輸出量的轉換

將PID運算輸出的0.0～1.0標準值按比例轉換成16位整數，再通過模擬量輸出端子輸出。PID輸出量的轉換表達式為PID輸出量整數值=（PID運算輸出量標準值-偏移量）×跨度。將VD108單元的PID輸出量標準值減0.5，結果存入AC0，將AC0中的值乘以跨度64000，變成比例實數值，對AC0中的比例實數值進行四舍五入，變成32位整數值，將AC0中的32位整數值轉換成16位整數值，對AC0中的16位整數值存入AQW0（模擬量輸出）單元。

3 控制程序編寫

在網絡1中，將溫度設定值（SPn）“0.04000”送入VD104，將增益值（Kc）“0.3”送入VD112，將采樣時間（Ts）“0.05”送入VD116，將積分時間（Tsi）“15”送入VD120將微分時間（Td）“0.0”送入VD124，即關閉微分運算。

在網絡2中，將AIW0（模擬量輸入）單元的16位整數值轉換成32位雙整數值，并存入AC0，將AC0中的32位雙整數值轉換成實數值（浮點數值），將AC0中實數值除以32000，將AC0中已標準化的數值作為實時溫度信號（PVn）送入VD100單元。

在網絡3中，PID指令執行，以PID參數表（VB100為首地址）的設置值為依據，對PID回路0進行PID運算，運算結果存入參數表的輸出單元（VD108）。

在網絡4中，將VD108單元的標準化輸出值乘以32000，結果存入AC1，對AC1中的數值進行四舍五入，將實數轉換成雙整數，將AC1中的雙整數轉換成整數，將AC1中的整數送入AQW0（模擬量輸出）單元。

4 結束語：

PID溫控調節算法設計過程明確為確定PID控制回路參數表的內容、參數模糊自整定和編寫PID控制程序三個步驟，最終編寫的PLC程序提高了系統魯棒性，使設備能夠達到實踐教學的目的。

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