基于PLC的PID温度智能控制系统的研究

偏差及偏差变化率区域划分如图 4所示 。
图 4 偏差及偏差变化率区域划分
M7 区 :加最大区 ,偏差太大 ,应最大限度地增加控制
图 5 M 1～M 7, M 8～M 10的区域划分
M achine B uilding A utomation, D ec 2008, 37 (6) : 152～154
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上述 K1 , K2 , K3 , K4 为系数 ,它们直接影响控制性 能 ,根据控制趋势 ,应有 K1 > K2 > K3 ≥0, K4 ≥0。当 K4 = 0时 ,不考虑提前减小控制量 ;当 K3 = 0时 , 不考虑增加控 制量 ,上述系数根据系统实际确定 。 PLC温度控制系统如 图 3所示 。
3 温度控制应用
采用智能 P ID 控制算法 ,以 PLC作为核心部件 ,实现 恒温控制 。系统的控制原理框图如图 3所示 。温度检测 器由 PT100铂电阻构成 ,用来实时检测温度输出 ,经 RTD 模块放大后送给 A /D 转换模块 。A /D 转换采用 FX2N 2 4AD完成 ,该模块有 4 个模拟量输入通道 , 12 位的分辨 率 ,总体精度在 + 1% ,转换速度 15 m s/通道 。转换后的数 据存入 PLC内部数据寄存器 。 PLC根据采集的信号计算 出偏差 e ( t)和偏差变化率 ec ( t) ,按照智能 P ID 的控制规 则计算控制量 u ( t) ,并输出控制量 u ( t) 。经 PLC的 D /A 转换 ,变换成 0 ～5 V 的电压信号 ,送至调压模块 SSR,并 驱动调压模块以调节电加热丝的工作电流 ,实现系统的温 度控制 。D /A 转换模块采用 FX2N 24DA ,核模块有四通道 的 D /A 输出 ,总体精度 + 1% ,转换速度 2. 1 m s。在温度 采集时 ,运用 FROM ( FNC78)指令采样 5 次求平均值 ,在 软件上设计数字滤波程序 ,实现每个通道数据的均值滤
Abstract: In view o f indu s tria l p ro duc tio n re qu ire d h igh s ta b le fre que n tly a nd co n s ta n t tem p e ra tu re e nviro nm en t, the tra d itio na l s im u la 2 tio n2like p ro be tem p e ra tu re co n tro l a nd s im p le P ID a re d ifficu lt to re a ch the ide a l fluc tua tio n. Th is p ap e r p ropo se s tha t PLC is ta ke n a s the co re o f the temp e ra tu re co n tro l system to o b ta in PLC tem p e ra tu re co n tro l d ia g ram and re g io na lism cha rt th ro ugh a na lysis o f P ID co n tro l p rinc ip le a nd ru le , co n tro l a lgo rithm and re g io na lism. Key words: P ID; PLC; tem p e ra tu re; in te lligen t co n tro l
图 2 偏差及趋势 [ 3]
d) 若 em in < | e ( t) | < emax ,且 e ( t) ·ec ( t) = 0,则 u ( t) = u ( t - 1) + K2 e ( t) 。偏差值恒定不变 ,呈稳定状态 ,应增 加较小的控制量 ,使偏差减小 。
e) 若 emin < | e ( t) | < emax ,且 e ( t) ·ec ( t) < 0, 则 u ( t) = u ( t - 1) + K3 e ( t) + K4 ec ( t) / e ( t) 。实际值正不断接近 设定值 ,一方面随着偏差减小 ,相应的控制量可以增加很小 或者不增加 ;另一方面 , | ec ( t) / e ( t) |值越大 ,表明实际值趋 向设定值的程度越强 ,为防止过冲 ,应适当减小控制量 。
1 P ID 的控制原理及控制规则
智能 P ID控制就是将智能控制 ( intelligent control)与 传统的 P ID控制相结合 ,是自适应的 ,其控制器参数可以实 时地在线自动调整 ,不依赖系统精确数学模型 ,对系统参数 变化具有较好的适应性 ,具有较强的鲁棒性和抗干扰能力 。 智能 P ID控制主要有模糊 P ID 控制 、专家 P ID 控制和基于 神经网络的 P ID控制等 ,这里主要运用专家 P ID控制 。
作者简介 :李景福 (1962— ) ,男 ,湖南嘉禾人 ,郴州职业技术学院工业自动化系副教授 ,研究方向为机电与电子技术应用。
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http: ∥ZZHD. chinajournal. net. cn E2mail: ZZHD@ chainajournal. net. cn《机械制造与自动化 》
0 引言
在工业生产中经常需要高稳定度的恒温环境 ,传统的 模拟式仪表温度控制 ,以简单的 P ID来实现 ,此类仪表对环 境条件和控制参数较敏感 ,较难达到理想的波动度 ,即使能 达到要求的波动度时 ,也需要较长的过渡时间 。常规的 P ID调节具有结构简单 ,稳定性好 ,可靠性高 ,易于工程实 现等优点 ,其主要问题是参数整定问题 ,一旦整定计算好 后 ,在整个控制过程中都是固定不变的 ,而在实际系统中 , 由于系统状态和参数等发生变化 ,控制过程具有大滞后 、非 线性 、时变性 ,采用常规 P ID 控制较难获得最佳的控制效 果 。 PLC为核心的温度控制系统 ,采用了专家智能 P ID 控 制方法 ,利用专家系统知识库输出修正 P ID 参数以及改变 P ID控制方式 。实践表明用 PLC实现的智能 P ID 控制 ,方 法简单易行 、适应性好 、鲁棒性强 [1, 2 ] 。
图 3 PLC温度控制系统 [ 3]
对控制规律进行了以上的分段处理后 ,可在实际温度 与设定温度偏差较大时 ,以较大的速度平缓的升温或降 温 。在接近恒温时又不会因太大的惯性而引起振荡 ,从而 减少了过渡过程的时间 。
2 控制算法与区域划分
a) 控制算法 :设数据寄存器 D0 ～D5 分别存储偏差 值 e1～e6, D6～D7分别存储偏差变化率 ec 1～ec 2。
专家 P ID控制的结构图如图 1所示 :由于产生式规则 库结构简单 ,易于修改 ,适合于 PLC实现 ,故控制器中的 知识规则采用产生式规则 ,其基本形式为 :
图 1 专家 P ID 控制结构图
IF (条件 ) , THEN (动作 ) 数据库的事实知识选取如下数 据 : e ( t) , ec ( t) , u ( t) , em in , emax , umax。其中 : e ( t) 是偏差 , e ( t) = SV (设定 温度值 ) - PV (实际温度值 ) ; ec ( t)是偏差变化率 , ec ( t) = e ( t) - e ( t - 1 ) ; u ( t) 是控制量 ; em in是最小允许偏差 ; emax 是最大允许偏差 ; umax是最大控制量 。 利用上述数据 ,构成有关的知识库 ,事实知识的构成 简单而无相交集 ,因此任何情况都能找到唯一的匹配条 件 ,触发相应的控制规则 。控制规则及依据如下 [3～5 ] : a) 若 | e ( t) | > emax ,则 u ( t) = umax。说明偏差过大 ,则 相应控制量应最大 ,加快升温速度 ,尽快减小偏差 。 b) 若 | e ( t) | < em in ,则 u ( t) = u ( t - 1 ) 。说明偏差已 达到允许范围 ,控制量不变 ,维持现状 。
·电气技术与自动化 ·
李景福 ,等 ·基于 PLC的 P ID温度智能控制系统的研究
基于 PLC的 P ID温度智能控制系统的研究
李景福 ,孙伟春
(郴州职业技术学院 ,湖南 郴州 423000)
摘 要 :针对工业生产中经常需要高稳定度的恒温环境 ,传统模拟式的仪表温度控制及简单的 P ID较难达到理想的波动度 ,通过对 P ID 的控制原理及控制规则 、控制算法与区域划分的分析 , 提出一种以 PLC为核心的温度控制系统 ,得到了 PLC温度控制系统图和区域划分图 。 关键词 : P ID; PLC;温度 ;智能控制 中图分类号 : TH706; TP273 +. 5 文献标识码 : B 文章编号 : 167125276 (2008) 0620152203
c) 控制量的修正 :由于被控温度是一个连续变化的 物理量 ,不可能在相邻几个控制周期里发生大的突变 ,所 以控制量也不应发生大的突变 。基于此 ,为防止由于温度 测量不准确而使计算出的控制量 u ( t)波动过大 ,影响恒 温效果 ,在 P ID 控制阶段按照 u ( t) = u ( t - 1) +Δu计算 出 u ( t) 对其进行修正 。
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
c) 若 emin < | e ( t) | < 0,则 u ( t) = u ( t - 1) + K1 e ( t) ,根 据偏差及偏差变化趋势图 2可知 ,实际值正远离设定值 ,控 制量明显减小 ,应增加较大的控制量 ,尽快减小偏差 。