PID算法在PLC模拟量闭环控制中的实现

第27卷 第1期2003年1月 信 息 技 术

I NFORMATI ON TECHNOLOGY

VOL.27 NO.1

Jan.2003

PID算法在PLC模拟量闭环控制中的实现

张文庆

(哈尔滨学院,哈尔滨150086)

摘 要: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。

关键词:PLC;PID;调节器;闭环控制

中图分类号:TP301.6 文献标识码:B 文章编号:1009-2552(2003)01-0041-03

Realization of PID Arithmetic in PLC

Analogue Cosed-loop Control

Zhang Wenqing

(Harbin Institute,Harbin150086,China)

Abstract:This text puts forward a method to realize control of analog measurand in moderate and small closed -loop system by digitizing adjuster,and using PLC echelon chart progra m to achieve shift inte gral PID arith-metic.The method is generally applied to slowly changing process such as humidity,liquid location and etc. with good dynamic performances.Taking panasonic(NAIS)PLC as e xample,the text presents program flow chart and echelon chart program.

Key words:PLC;PI D;Adjuster;Closed-loop control

0 前言

在工业生产过程控制中,模拟量的PID(比例、积分、微分)调节是常见的一种控制方式,这是由于PID调节不需要求出控制系统的数学模型,至今为止,很难求出许多控制对象准确的数学模型,对于这一类系统,使用PID控制可以取得比较令人满意的效果,同时PID调节器又具有典型的结构,可以根据被控对象的具体情况,采用各种PID的变种,有较强的灵活性和适用性。

PLC作为一种新型的工业控制装置,在科研、生产、社会生活的诸多领域得到了越来越广泛的应用。大型的可编程序控制器配备过程控制模块可同时对几十路模拟量进行闭环控制,但造价昂贵。一般中小型PLC控制系统只对一路或几路模拟量进行闭环控制。硬件上只需配备A D及D A转换模块,软件可购买相应厂家提供的PID编程功能模块,只需设定好PID参数,运行PID控制指令,就能求得输出控制值,而厂家一般只提供标准PID算法,灵活性和适应性较差,如根据被控对象的具体情况不同,采用各种PID控制的变种,如积分分离PID、不完全微分PID等则操作上有些困难,这时用户可根据控制的算法,自行设计梯形图程序。

1 PID调节器的特点及数字化

标准的PID控制系统中,由于系统的执行结构线性范围受到限制,当偏差信号较大时,如系统启动、停止、或大幅度波动,由于积分的作用会产生较大的超调量,造成系统性能变差,这种现象对慢过程如湿度、液位等调节更为严重。如能在系统偏差大时将积分的作用减弱,偏差小时将积分的作用加强,这样可以大大提高系统的调节品质,采用变速积分

收稿日期:2002-10-23

作者简介:张文庆(1970-),男,1992年毕业于哈尔滨工程大学,工程师,现为哈尔滨学院物理与应用电子系教师。

41

PID 可以解决这一问题。

一个典型的PLC 模拟量闭环控制系统方框图如图1

。

图1 PLC 模拟量闭环控制系统

PID 控制的理想微分方程为:p (t )=K p e (t )+1

T

i

0e (t )dt +T d

de (t )d (t )

假设采样周期为T,系统开始运行时刻为t=0

将上式离散化后得

P (n )=K p e (n )+K i

n

j =0

e (j )+K

d

[e (n )-e (n

-1)],P(n)为第n 次采样后计算调节器的输出,e (n),e(n-1)分别是第n 次和第n-1次采样时的误差值,T 为采样周期,n 为采样序号。K i =K p T T i 为积分系数,K d =K p T d T 为微分系数,而变速积分

PID 算式为P (n )=K p e (n )+K i {

n -1

j =0

e (j )

+

f [e (n )]e (n )}+K d [e (n )-e (n -1)],式中在积分项中增加一项f [e (n )],它是e (n )的函数。当e (n )

增大时,f 减小,反之增大。若所设积分变化区间为[A ,B ],其函数关系可设计为

f [e (n )]=

1 |e (n )| B

A -e (n )+

B B <|e (n )| A +B

A

|e (n )|>A +B f 值在0~1之间变化,当偏差大于所给变化区间A+B 后,f=0;小于A+B 后偏差变小,f 增大;当偏差小于B 后,达到最大值1。所以应用变速积分可以完全消除了积分饱和现象,并减少了超调量,使系统易于稳定。

2 PID 运算子程序的编制

变速积分PID 算式简记为:

P (n )=K p e (n )+K i {

n -1

j =0

e (j )+

f [e (n )]e (n )}+

K d [e (n )-e (n -1)]=K p e (n )+K i

n -1

j =0

e (j )+

K i f [e (n )]e (n )+

K d [e (n )-e (n -1)]=

U p (n )+U i 1(n )+U i 2(n )+U d (n )图

2是变速积分PID 控制子程序流程图,采样时间是用PLC 内部定时中断来控制,定时时间到,转入中断服务程序,进行A D 转换,调用PID 运算子程序,并将运算结果送给D A 转换器。如需要,还可增加上下限报警及输出限幅处理等。随着PLC 的发展,指令的执行速度不断加快,数据处理能力不断增强,可选用运算速度较快且具有算术运算等功能的PLC 。为提高其抗干扰性能,还可在A D 转换后填加数字滤波处理程序。子程序1中先乘后除是为了防止运算过程中出现0~1之间的小数。

图2 PID 运算子程序流程图

3 PID 控制梯形图子程序的编制

以松下FP1为例,主程序中用初始化脉冲将调节器的比例系数kP 、调节器的积分时间常数T i 、调节器的微分时间常数T d 、A+B 、B 的值送入PLC 的数据寄存器中,这些参数随不同的控制对象的要求而定。由于中小型PLC 的高级指令系统中一般不提供浮点运算,如遇到小数可采取先扩大N 倍,最后计算结果再缩小N 倍的方法。预留一定数量的数据寄存器用于存放各种数据,或运算处理的中间结果等。每个数据寄存器均为16位。乘法的运算结果可占用相邻的两个数据寄存器。

4 结束语

近年来,PLC 的结构和性能不断改进,随着PLC

42

的性能价格比不断提高,许多小型PLC 具备了过去大型机才具有的运算速度和高级功能,因此已广泛地应用在所有的工业部门,本文所提出的方法具有普遍性,

取自具体的工程实践。

图3 PID 控制梯形子程序

参 考 文 献

[1] 松下电工株式会社.可编程控制器(FP 系列)FP-M FP1编程

手册.

[2] 松下电工株式会社.可编程控制器(FP 系列)FP-M FP1硬件

技术手册.

[3] 朱善君,等.可编程控制系统原理应用维护.北京:清华大学出

版社,1992.

责任编辑:杨立民

(上接第40页)

2.3.3 系统仿真

通常,在正式下载前,设计人员还要对设计的电路进行一些校验工作,这些工作即可通过EDA 的功能仿真和时序仿真工具来完成。本系统在CKC NT,CKDSP 和RE SET 信号的情况下,输出DO D7。由仿真结果可以看出,此设计的各信号的延迟在5ns 左右,基本符合设计指标要求。2.3.4 编程下载

当设计人员确定设计工作已基本成功时,即可通过编程电缆下载数据流来进行硬件验证。验证合格后,总体设计工作即圆满完成。

通过此例的设计流程讲述可知,EDA 技术及其工具在数字电路系统(包括模拟电路系统)中正发挥

着越来越重要的作用,其应用的深度和广度正在向更深层次延伸。

3 结束语

目前,现代集成电路技术的发展使以现场可编程门阵列为代表的大容量可编程逻辑器件的等效门数迅速提高,其规模直逼标准门阵列,达到了系统集成的水平。特别是进入二十世纪90年代后,随着CPLD 、FPGA 等现场可编程逻辑器件的逐渐兴起,VHDL 、Verilog 等通用性好、移植性强的硬件描述语言的普及,ASIC 技术的不断完善,EDA 技术在现代数字系统和微电子技术应用中起着越来越重要的作用。从通常意义上来说,现代电子系统的设计已经再也离不开EDA 技术的帮助了。

责任编辑:杨立民

43