王生龍，王建梅，馬立新

(太原科技大學(xué)機械工程學(xué)院，太原 030024)

PID控制器是自動控制領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛、最容易實現(xiàn)的閉環(huán)控制器。參數(shù)整定時不需要精確的系統(tǒng)模型，通過試湊法得到理想的控制參數(shù)，達到預(yù)期控制效果[1]。西門子S7-300 PLC的編程軟件STEP7中提供了基于軟件的PID連續(xù)控制模塊FB41，可直接調(diào)用該模塊，對設(shè)定值、反饋值和控制器輸出值進行處理。通過WinCC監(jiān)控界面可實時采集設(shè)定值、反饋值和輸出值參數(shù)，并以曲線趨勢的方式顯示出來。同時，界面可進行相應(yīng)參數(shù)設(shè)定，避免在PID控制程序中頻繁改變參數(shù)并下載到PLC中的復(fù)雜步驟。

1 系統(tǒng)組成

1.1 控制對象及控制要求

在油膜軸承試驗研究中，載荷是重要影響參數(shù)。油膜軸承試驗臺通過液壓缸向試驗軸承施加載荷，液壓缸伸縮桿與軸承座上部接觸。液壓系統(tǒng)以液壓泵為壓力油源，通過比例溢流閥調(diào)節(jié)載荷大小[2]。保持載荷的穩(wěn)定與精度是確保試驗結(jié)果可靠的重要方面。

載荷大小由上位機監(jiān)控界面輸入給定，PLC模擬量輸出模塊(4-20 mA)輸出控制電流，比例放大器將控制電流放大(100-800 mA)以驅(qū)動比例溢流閥電磁鐵來調(diào)節(jié)閥的開度，進而調(diào)節(jié)載荷大小。實際載荷通過壓力變送器(4-20 mA)采集。

系統(tǒng)控制要求：系統(tǒng)壓力PI調(diào)節(jié)的響應(yīng)速度應(yīng)能夠滿足試驗的基本要求，允許載荷在一定范圍內(nèi)存在誤差，控制系統(tǒng)不允許存在過大超調(diào)，保證其安全穩(wěn)定性。

1.2 控制系統(tǒng)組成

控制系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)組成Fig.1 Control system

控制系統(tǒng)由PID控制器、比例放大器、比例溢流閥、壓力變送器、A/D和D/A轉(zhuǎn)換器構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。PID控制器、A/D和D/A轉(zhuǎn)換器由西門子S7-300 CPU315-2DP實現(xiàn)[3-4]。

2 PLC程序設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)塊DB

2.1.1 背景數(shù)據(jù)

使用FB41進行PID控制，首先要建立FB41的背景數(shù)據(jù)塊DB41[5]，如圖2所示。

DB41中包含PID控制模塊FB41所有引腳的地址和默認值。比例閥的PID控制使用的引腳包括：

MAN-ON：手動值開關(guān)，用于手動控制與自動控制的切換，默認值TRUE，地址DB41.DBX0.0；

P-SEL：比例作用開關(guān)，在調(diào)試的整個過程均需使用，默認值TRUE，地址DB41.DBX0.3；

I-SEL：積分作用開關(guān)，在調(diào)試比例因子時需關(guān)閉積分作用，將其置位為FALSE，默認值TRUE，DB41.DBX0.4；

CYCLE：采樣時間，設(shè)定100ms，與OB35中斷時間相同；

SP-INT：設(shè)定值，通過WinCC界面設(shè)定，DB41.DBD6；

PV-IN：實際值，通過WinCC界面顯示，地址DB41.DBD10；

MAN：手動值，通過WinCC界面設(shè)定地址DB41.DBD16；

GAIN：比例因子，通過WinCC界面設(shè)定，地址DB41.DBD20；

TI：積分時間，通過WinCC界面設(shè)定，地址DB41.DBD24；

DEADB-W：死區(qū)寬度，可降低閥芯的動作頻率，但需犧牲一定的精度；可通過WinCC界面設(shè)定，地址DB41.DBD36；

LMN-HLM：設(shè)定值上限，默認值100；

LMN-LLM：設(shè)定值下限，默認值0；

2.1.2 共享DB

建立共享數(shù)據(jù)塊DB1，便于進行參數(shù)整定時在WinCC界面輸入設(shè)定轉(zhuǎn)速和載荷。DB1.DBD12存放設(shè)定的轉(zhuǎn)速值，DB1.DBD20存放設(shè)定的壓力值。

圖3 共享數(shù)據(jù)塊DB1 Fig.3 Shared data block DB1

2.2 參數(shù)的規(guī)格化處理

在進行模擬量的PID控制時，常將設(shè)定值、反饋值和控制器輸出值進行規(guī)格化處理，即將給定和反饋值轉(zhuǎn)換為0～100%范圍內(nèi)的實數(shù)，將控制器輸出值(0～100%)轉(zhuǎn)換為0～27648范圍內(nèi)的整數(shù)值。

設(shè)定值0-20 MPa對應(yīng)0～100%；控制器輸出0～100%對應(yīng)0～27648，0～27648對應(yīng)模擬量輸出4-20 mA，4-20 mA對應(yīng)比例溢流閥壓力范圍0-20 MPa；壓力變送器4-20 mA經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換和FC105處理后得到實際壓力值，對應(yīng)其量程0-25 MPa，0-20 MPa對應(yīng)0～100%.規(guī)格化方法如式(1)-(3)所示，SP-INT、PV-IN、LMN為PID控制模塊FB41的給定值、反饋值和輸出值對應(yīng)引腳。

(1)

(2)

(3)

規(guī)格化PLC程序如圖4、圖5、圖6所示。

圖4 給定值規(guī)格化程序Fig.4 Set-point standardization procedure

圖6 輸出值規(guī)格化程序Fig.6 Output standardization procedure

2.3 PID控制程序

圖7 FB41程序Fig.7 Procedure of FB41

圖7為FB41程序，PID控制程序FB41在組織塊OB35中調(diào)用，OB35為定時中斷模塊，中斷時間可在硬件組態(tài)——CPU315-2DP——循環(huán)中斷中設(shè)定，如圖8所示。此處設(shè)定中斷間隔為100 ms，CPU可以定時中斷去執(zhí)行此模塊中的程序，即每隔一段時間就停止當前的程序，轉(zhuǎn)去執(zhí)行定時中斷組織塊中的程序，執(zhí)行結(jié)束后再返回。

圖8 OB35中斷時間設(shè)定Fig.8 Break period setting of OB35

3 WinCC界面設(shè)計

WinCC監(jiān)控界面的作用為在線監(jiān)測實際載荷并設(shè)定PID控制器參數(shù)進行參數(shù)整定[6]。界面的制作主要包括創(chuàng)建歸檔變量和設(shè)計過程界面。

3.1 創(chuàng)建歸檔變量

參數(shù)整定所需的歸檔變量及地址分配如表1所示。設(shè)定歸檔變量的采樣和歸檔周期為500 ms，便于在監(jiān)控界面快速反應(yīng)參數(shù)變化狀態(tài)。界面輸入的積分時間單位為ms.

表1 WinCC的歸檔變量Tab.1 File variables of WinCC

3.2 過程畫面

在創(chuàng)建歸檔變量的基礎(chǔ)上，在畫面設(shè)計窗口添加轉(zhuǎn)速設(shè)定、壓力設(shè)定、死區(qū)寬度、實際壓力、比例因子、積分時間輸入輸出控件和手動值開關(guān)、積分功能開關(guān)按鈕。此外，為了反映設(shè)定值、反饋值和控制器輸出值的變化趨勢，添加WinCC Online Trend Control控件，對該控件組態(tài)，添加設(shè)定值、反饋值和控制器輸出值變量。過程畫面見圖9.

4 參數(shù)整定

4.1 整定步驟

(1)檢查系統(tǒng)各設(shè)備是否可正常運行；

(2)檢查PLC程序編寫是否正確，包括給定值、反饋值和控制器輸出值的規(guī)格化，F(xiàn)B41模塊各端子與地址的對應(yīng)情況；

(3)在設(shè)定值為0的情況下，采用手動控制方式，觀察反饋的壓力是否隨著給定值的增加而在正常范圍內(nèi)增大；

(4)完成步驟(3)確定無問題后，將載荷減小至0，控制方式切換為自動，關(guān)閉積分作用，設(shè)定較小的比例因子，使設(shè)定值在適當?shù)姆秶鷥?nèi)發(fā)生階躍變化，觀察輸出與反饋值曲線是否發(fā)生振蕩；若無振蕩，則適當增大比例因子，使設(shè)定值發(fā)生階躍變化，觀察曲線變化情況，直至曲線處于臨界振蕩，記下此時比例因子的大小，取略小于該比例因子的值；

(5)將載荷減小至0，開啟積分作用，選擇一個比較大的積分時間，使設(shè)定值在適當?shù)姆秶鷥?nèi)發(fā)生階躍變化，觀察輸出與反饋值曲線是否發(fā)生振蕩；若無振蕩，則適當減小積分時間，使設(shè)定值發(fā)生階躍變化，觀察曲線變化情況，直至曲線處于臨界振蕩，記下此時積分時間的大小。然后在所取值的小范圍內(nèi)綜合調(diào)節(jié)比例因子和積分時間，直至達到滿意的控制效果。

4.2 整定結(jié)果

比例因子和積分時間的調(diào)試，主要是調(diào)節(jié)二者合適的搭配，使輸出值能快速響應(yīng)，使反饋值與設(shè)定值相等。在一定范圍內(nèi)，比例因子越大，積分時間越小，輸出值上升的速率越大。但比例因子過大，積分時間過小會產(chǎn)生較大的超調(diào)量，使壓力在較大范圍內(nèi)頻繁波動，一方面會減小比例閥的壽命，另一方面則可能發(fā)生液壓系統(tǒng)泄漏發(fā)生安全事故。

試驗臺比例溢流閥的非線性范圍約為0～3 MPa，在此范圍內(nèi)，設(shè)定值發(fā)生微小階躍(如0.1 MPa)時，系統(tǒng)就出現(xiàn)較大的超調(diào)量，如圖9所示。

圖9 大超調(diào)量曲線Fig.9 Large overshoot curve

因此在實際調(diào)試時，使比例閥工作在線性范圍內(nèi)，首先設(shè)定比例因子為1(為1時，偏差值在比例作用下即為其本身)，將積分時間設(shè)置為20 s，通過觀察曲線情況可知，在此積分時間下，閥的響應(yīng)時間為20 s.

使比例因子在1左右小范圍調(diào)整，同時調(diào)節(jié)積分時間，使輸出值和反饋值的曲線上升時間適當縮短。經(jīng)過多次調(diào)試搭配，確定比例因子為0.80，積分時間為1 500 ms(1.5 s)，死區(qū)寬度0.5(即允許存在0.1 MPa的誤差)，曲線如圖10所示。

圖10 參數(shù)整定結(jié)果曲線Fig.10 Parameter tuning result curve

在比例因子為0.80，積分時間為1 500 ms(1.5 s)的情況下，將壓力加到10 MPa時，系統(tǒng)穩(wěn)定。

5 結(jié)論

通過S7-300PLC和WinCC進行PID壓力控制，得到參數(shù)整定結(jié)果為比例因子0.8、積分時間1 500 ms，通過調(diào)節(jié)死區(qū)寬度，將誤差控制在0.1 MPa以內(nèi)。該方法程序設(shè)計簡單，界面顯示直觀，便于參數(shù)設(shè)定和數(shù)據(jù)采集，控制效果良好，滿足試驗要求，提高了油膜軸承試驗臺控制系統(tǒng)的精度和試驗數(shù)據(jù)的合理性與可靠性。

參考文獻：

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[3] 張傳斌，俞佳芝，張曉偉.PLC在液壓比例控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].林業(yè)機械與木工設(shè)備，2005，33(5)：40-41.

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[5] 羅庚興，寧玉珊.基于WinCC和STEP7的PID控制[J].機電工程技術(shù)，2009，38(1)：39-42.

[6] 馬立新，王建梅，薛亞文，等.大型油膜軸承試驗臺監(jiān)控系統(tǒng)研制[J].軸承，2013(10)：30-33.