电气自动化专业多功能教学一体机的PID温控算法设计

肖仕驰 张兴华

摘要：本文描述了電气自动化专业多功能教学一体机温度控制及PID调节教学模块的PLC程序和算法的设计思路。PID温控调节算法设计过程明确为确定PID控制回路参数表的内容、参数模糊自整定和编写PID控制程序三个步骤，最终编写的PLC程序提高了系统鲁棒性，使设备能够达到实践教学的目的。

关键词：PID；PLC；温度控制；模糊控制

中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：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

电气自动化专业多功能教学一体机为了达到多功能教学的目的设计了温度控制和PID调节教学模块，主要为电气自动化专业学生提供一个学习PID控制的实践平台，而温度控制系统是一种非线性控制系统，若采用传统PID控制方式，其控制性能会降低，无法达到实践教学的目的。由于温度控制的非线性特点，与温度相关的参数、数据都是随着系统的情况不断变化的，为了达到理想的控制效果，需要对参数进行不断的设置和整定。该算法设计思路参考了参数模糊自整定PID控制方法，利用模糊控制规则或设备使用者手动输入，在线对PID参数进行修改。

2 算法设计

教学一体机的温控教学模块PID调节算法设计过程为确定PID控制回路参数表的内容、参数模糊自整定和编写PID控制程序三个步骤。

2.1 温控教学模块PID控制原理

PID温控系统是一个典型的闭环控制系统，用于控制加热温区的温度（PVn）保持在恒定的温度设定值（SPn）。系统通过温度采集单元反馈回来的实时温度信号（PVn）获取偏差值（△），并计算偏差变化率（ρ）。偏差值与偏差变化率都参与PID参数模糊自整定过程，但偏差变化率不作为PID运算的输入量。偏差值（△）与模糊自整定后的三个PID参数kp、ki、kd经过PID运算输出，控制可控硅的电压，以克服偏差，促使偏差趋近于零。温度控制教学模块如图1所示。

2.2 指令介绍与PID参数表的建立

程序定义的指令名称为PID，从TBL指定首地址的参数表中取出有关值对LOOP回路进行PID运算，TBL为PID参数表的起始地址，操作数VB（字节型）；LOOP为PID回路号，常数0～7（字节型）。根据PID控制原理和指令建立PID控制回路参数表如表1所示。

2.5 输入量的转换与标准化

在执行PID运算前，必须先把输入量从16位整数值转换成32位实数（浮点型）。将AIW0（模拟量输入单元）中的16位整数转换成32位双整数，再保存到累加器AC0中。将AC0中的32位双整数转换成实数（浮点型）。将实数转换成0.0～1.0之间的标准化数值。转换表达式为输入量的标准化值=输入量的实数值/跨度+偏移量。跨度值取32000（针对0～32000单极性数值）或64000（针对-32000～+32000双极性数值）；偏移量取0.0（单极性数值）或0.5（双极性数值）。将AC0中的输入量的实数值除以64000，将AC0中的值加0.5，将AC0中已标准化的数值传送到PID控制回路参数表的VD100单元。

2.6 输出量的转换

将PID运算输出的0.0～1.0标准值按比例转换成16位整数，再通过模拟量输出端子输出。PID输出量的转换表达式为PID输出量整数值=（PID运算输出量标准值-偏移量）×跨度。将VD108单元的PID输出量标准值减0.5，结果存入AC0，将AC0中的值乘以跨度64000，变成比例实数值，对AC0中的比例实数值进行四舍五入，变成32位整数值，将AC0中的32位整数值转换成16位整数值，对AC0中的16位整数值存入AQW0（模拟量输出）单元。

3 控制程序编写

在网络1中，将温度设定值（SPn）“0.04000”送入VD104，将增益值（Kc）“0.3”送入VD112，将采样时间（Ts）“0.05”送入VD116，将积分时间（Tsi）“15”送入VD120将微分时间（Td）“0.0”送入VD124，即关闭微分运算。

在网络2中，将AIW0（模拟量输入）单元的16位整数值转换成32位双整数值，并存入AC0，将AC0中的32位双整数值转换成实数值（浮点数值），将AC0中实数值除以32000，将AC0中已标准化的数值作为实时温度信号（PVn）送入VD100单元。

在网络3中，PID指令执行，以PID参数表（VB100为首地址）的设置值为依据，对PID回路0进行PID运算，运算结果存入参数表的输出单元（VD108）。

在网络4中，将VD108单元的标准化输出值乘以32000，结果存入AC1，对AC1中的数值进行四舍五入，将实数转换成双整数，将AC1中的双整数转换成整数，将AC1中的整数送入AQW0（模拟量输出）单元。

4 结束语：

PID温控调节算法设计过程明确为确定PID控制回路参数表的内容、参数模糊自整定和编写PID控制程序三个步骤，最终编写的PLC程序提高了系统鲁棒性，使设备能够达到实践教学的目的。

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