王生龍,王建梅,馬立新
(太原科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,太原 030024)
PID控制器是自動(dòng)控制領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛、最容易實(shí)現(xiàn)的閉環(huán)控制器。參數(shù)整定時(shí)不需要精確的系統(tǒng)模型,通過(guò)試湊法得到理想的控制參數(shù),達(dá)到預(yù)期控制效果[1]。西門(mén)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(duì)設(shè)定值、反饋值和控制器輸出值進(jìn)行處理。通過(guò)WinCC監(jiān)控界面可實(shí)時(shí)采集設(shè)定值、反饋值和輸出值參數(shù),并以曲線(xiàn)趨勢(shì)的方式顯示出來(lái)。同時(shí),界面可進(jìn)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。
在油膜軸承試驗(yàn)研究中,載荷是重要影響參數(shù)。油膜軸承試驗(yàn)臺(tái)通過(guò)液壓缸向試驗(yàn)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(guò)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(yàn)結(jié)果可靠的重要方面。
載荷大小由上位機(jī)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(dòng)比例溢流閥電磁鐵來(lái)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度,進(jìn)而調(diào)節(jié)載荷大小。實(shí)際載荷通過(guò)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(mǎn)足試驗(yàn)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(guò)大超調(diào),保證其安全穩(wěn)定性。
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(mén)子S7-300 CPU315-2DP實(shí)現(xiàn)[3-4]。
2.1.1 背景數(shù)據(jù)
使用FB41進(jìn)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(rèn)值。比例閥的PID控制使用的引腳包括:
MAN-ON:手動(dòng)值開(kāi)關(guān),用于手動(dòng)控制與自動(dòng)控制的切換,默認(rèn)值TRUE,地址DB41.DBX0.0;
P-SEL:比例作用開(kāi)關(guān),在調(diào)試的整個(gè)過(guò)程均需使用,默認(rèn)值TRUE,地址DB41.DBX0.3;
I-SEL:積分作用開(kāi)關(guān),在調(diào)試比例因子時(shí)需關(guān)閉積分作用,將其置位為FALSE,默認(rèn)值TRUE,DB41.DBX0.4;
CYCLE:采樣時(shí)間,設(shè)定100ms,與OB35中斷時(shí)間相同;
SP-INT:設(shè)定值,通過(guò)WinCC界面設(shè)定,DB41.DBD6;
PV-IN:實(shí)際值,通過(guò)WinCC界面顯示,地址DB41.DBD10;
MAN:手動(dòng)值,通過(guò)WinCC界面設(shè)定地址DB41.DBD16;
GAIN:比例因子,通過(guò)WinCC界面設(shè)定,地址DB41.DBD20;
TI:積分時(shí)間,通過(guò)WinCC界面設(shè)定,地址DB41.DBD24;
DEADB-W:死區(qū)寬度,可降低閥芯的動(dòng)作頻率,但需犧牲一定的精度;可通過(guò)WinCC界面設(shè)定,地址DB41.DBD36;
LMN-HLM:設(shè)定值上限,默認(rèn)值100;
LMN-LLM:設(shè)定值下限,默認(rèn)值0;
2.1.2 共享DB
建立共享數(shù)據(jù)塊DB1,便于進(jìn)行參數(shù)整定時(shí)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
在進(jìn)行模擬量的PID控制時(shí),常將設(shè)定值、反饋值和控制器輸出值進(jìn)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(shí)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(duì)應(yīng)0~100%;控制器輸出0~100%對(duì)應(yīng)0~27648,0~27648對(duì)應(yīng)模擬量輸出4-20 mA,4-20 mA對(duì)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(shí)際壓力值,對(duì)應(yīng)其量程0-25 MPa,0-20 MPa對(duì)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(duì)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
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(shí)中斷模塊,中斷時(shí)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(shí)中斷去執(zhí)行此模塊中的程序,即每隔一段時(shí)間就停止當(dāng)前的程序,轉(zhuǎn)去執(zhí)行定時(shí)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(shí)間設(shè)定Fig.8 Break period setting of OB35
WinCC監(jiān)控界面的作用為在線(xiàn)監(jiān)測(cè)實(shí)際載荷并設(shè)定PID控制器參數(shù)進(jìn)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(jì)過(guò)程界面。
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(shí)間單位為ms.
表1 WinCC的歸檔變量Tab.1 File variables of WinCC
在創(chuàng)建歸檔變量的基礎(chǔ)上,在畫(huà)面設(shè)計(jì)窗口添加轉(zhuǎn)速設(shè)定、壓力設(shè)定、死區(qū)寬度、實(shí)際壓力、比例因子、積分時(shí)間輸入輸出控件和手動(dòng)值開(kāi)關(guān)、積分功能開(kāi)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(shì),添加WinCC Online Trend Control控件,對(duì)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(guò)程畫(huà)面見(jiàn)圖9.
(1)檢查系統(tǒng)各設(shè)備是否可正常運(yùn)行;
(2)檢查PLC程序編寫(xiě)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(duì)應(yīng)情況;
(3)在設(shè)定值為0的情況下,采用手動(dòng)控制方式,觀(guān)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(wú)問(wèn)題后,將載荷減小至0,控制方式切換為自動(dòng),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(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)發(fā)生階躍變化,觀(guān)察輸出與反饋值曲線(xiàn)是否發(fā)生振蕩;若無(wú)振蕩,則適當(dāng)增大比例因子,使設(shè)定值發(fā)生階躍變化,觀(guān)察曲線(xiàn)變化情況,直至曲線(xiàn)處于臨界振蕩,記下此時(shí)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(kāi)啟積分作用,選擇一個(gè)比較大的積分時(shí)間,使設(shè)定值在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)發(fā)生階躍變化,觀(guān)察輸出與反饋值曲線(xiàn)是否發(fā)生振蕩;若無(wú)振蕩,則適當(dāng)減小積分時(shí)間,使設(shè)定值發(fā)生階躍變化,觀(guān)察曲線(xiàn)變化情況,直至曲線(xiàn)處于臨界振蕩,記下此時(shí)積分時(shí)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(shí)間,直至達(dá)到滿(mǎn)意的控制效果。
比例因子和積分時(shí)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(shí)間越小,輸出值上升的速率越大。但比例因子過(guò)大,積分時(shí)間過(guò)小會(huì)產(chǎn)生較大的超調(diào)量,使壓力在較大范圍內(nèi)頻繁波動(dòng),一方面會(huì)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(yàn)臺(tái)比例溢流閥的非線(xiàn)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(shí),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(xiàn)Fig.9 Large overshoot curve
因此在實(shí)際調(diào)試時(shí),使比例閥工作在線(xiàn)性范圍內(nèi),首先設(shè)定比例因子為1(為1時(shí),偏差值在比例作用下即為其本身),將積分時(shí)間設(shè)置為20 s,通過(guò)觀(guān)察曲線(xiàn)情況可知,在此積分時(shí)間下,閥的響應(yīng)時(shí)間為20 s.
使比例因子在1左右小范圍調(diào)整,同時(shí)調(diào)節(jié)積分時(shí)間,使輸出值和反饋值的曲線(xiàn)上升時(shí)間適當(dāng)縮短。經(jīng)過(guò)多次調(diào)試搭配,確定比例因子為0.80,積分時(shí)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(xiàn)如圖10所示。
圖10 參數(shù)整定結(jié)果曲線(xiàn)Fig.10 Parameter tuning result curve
在比例因子為0.80,積分時(shí)間為1 500 ms(1.5 s)的情況下,將壓力加到10 MPa時(shí),系統(tǒng)穩(wěn)定。
通過(guò)S7-300PLC和WinCC進(jìn)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(shí)間1 500 ms,通過(guò)調(diào)節(jié)死區(qū)寬度,將誤差控制在0.1 MPa以?xún)?nèi)。該方法程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,界面顯示直觀(guān),便于參數(shù)設(shè)定和數(shù)據(jù)采集,控制效果良好,滿(mǎn)足試驗(yàn)要求,提高了油膜軸承試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)的精度和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的合理性與可靠性。
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