李鵬程， 黃海龍， 單超， 左世洋

（遼寧工業(yè)大學 機械工程與自動化學院，遼寧 錦州121001）

0 引 言

本文針對PID算法制作了PID控制仿真軟件和基于PID的溫度控制的實驗裝置，PID控制仿真軟件基于MATLAB設(shè)計開發(fā)，基于PID的溫度控制的實驗裝置利用PLC和觸摸屏設(shè)計開發(fā)，PLC實現(xiàn)PID算法，觸摸屏用于PID算法參數(shù)的輸入和控制結(jié)果的顯示[1-2]。通過該仿真軟件和實驗裝置對水溫的控制，能夠更好地學習PID算法的基本原理，掌握比例系數(shù)、積分時間系數(shù)、微分時間系數(shù)的作用，理解溫度控制系統(tǒng)實驗裝置的結(jié)構(gòu)和原理。

1 實驗裝置的功能

1) 虛實結(jié)合。本文的設(shè)計內(nèi)容既有“虛”的PID算法仿真軟件，又有“實”的基于PID算法的溫度控制系統(tǒng)實驗裝置。利用PID算法仿真軟件，學生可以輸入不同的Kp，比較系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線，總結(jié)比例控制的性質(zhì)和特點；輸入不同的Ki，比較系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線，總結(jié)積分控制的性質(zhì)和特點；輸入不同的Kd，比較系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線，總結(jié)微分控制的性質(zhì)和特點，進而能夠找到一個基于PID算法的控制系統(tǒng)最優(yōu)的Kp、Ki和Kd。利用溫度控制系統(tǒng)實驗裝置可以驗證PID算法的工作原理，驗證Kp、Ki和Kd三個參數(shù)的控制規(guī)律。

2) 軟硬結(jié)合。本文的設(shè)計過程既涉及MATLAB軟件和STEP7-MicroWin軟件，又包括觸摸屏、PLC等硬件。利用MATLAB軟件編寫PID算法仿真程序，利用STEP7-MicroWin編寫PLC控制程序，利用觸摸屏實現(xiàn)控制系統(tǒng)的設(shè)定和PID控制參數(shù)的輸入，利用PLC實現(xiàn)PID算法。

2 PID控制仿真軟件

2.1 PID控制仿真軟件使用方法

PID控制仿真軟件基于MATLAB設(shè)計開發(fā)，打開PID控制仿真軟件V1.0，輸入用戶名和密碼，進入主界面，PID控制仿真軟件V1.0的登錄界面如圖1所示，主界面如圖2所示。

輸 入b2、b1、b0、a3、a2、a1、a0，確定系統(tǒng)的傳遞函數(shù)；輸入不同的Kp，比較系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線，總結(jié)比例控制的性質(zhì)和特點；輸入不同的Ki，比較系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線，總結(jié)積分控制的性質(zhì)和特點；輸入不同的Kd，比較系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線，總結(jié)微分控制的性質(zhì)和特點。

圖1 PID控制仿真軟件登錄界面

圖2 PID控制仿真軟件主界面

2.2 PID控制仿真軟件的仿真結(jié)果

1) 一階系統(tǒng)。b2=0、b1=0、b0=1、a3=0、a2=0、a1=1、a0=10，傳遞函數(shù)為G（s）=1/s+10。

比例控制（Kp=50、100、200、500、1000）的仿真結(jié)果如圖3（a）所示，比例-積分控制（Kp=500，Ki=500、200、100、50、10）的仿真結(jié)果如圖3（b）所示，比例-微分控制（Kp=500，Kd=10、50、100、200、500）的仿真結(jié)果如圖3（c）所示，比例-積分-微分控制（Kp=500，Ki=50，Kd=200）的仿真結(jié)果如圖3（d）所示。

圖3 一階系統(tǒng)仿真結(jié)果

2) 二階系統(tǒng)。b2=0、b1=0、b0=1、a3=0、a2=1、a1=10、a0=20，傳遞函數(shù)為G（s）=1/s2+10s+20。

比例控制（Kp=50、100、200、500、1000）的仿真結(jié)果如圖4（a）所示，比例-積分控制（Kp=500，Ki=500、200、100、50、10）的仿真結(jié)果如圖4（b）所示，比例-微分控制（Kp=500，Kd=10、50、100、200、500）的仿真結(jié)果如圖4（c）所示，比例-積分-微分控制（Kp=500，Ki=300，Kd=40）的仿真結(jié)果如圖4（d）所示。

圖4 二階系統(tǒng)仿真結(jié)果

3 基于PID算法的溫度控制系統(tǒng)實驗裝置

圖5 實驗裝置的原理圖

表1 實驗裝置的主要元件

PID算法的溫度控制系統(tǒng)實驗裝置的原理圖如圖5所示，該實驗裝置的主要元件包括PLC、觸摸屏、加熱元件、降溫元件、溫度傳感器、24 V開關(guān)電源等[3-4]，其型號和參數(shù)如表1所示，實驗裝置的實物圖如圖6所示。

圖6 實驗裝置的實物圖

4 實驗裝置的特點

該實驗裝置的主要特點有：

1) 實用性。軟硬結(jié)合，設(shè)計開發(fā)的PID算法仿真軟件和溫度控制系統(tǒng)實驗裝置相輔相成，幫助學生對PID算法有更深入的認識和了解，特別是理解和掌握比例系數(shù)、積分時間常數(shù)和微分時間常數(shù)在PID算法中的作用。

2) 簡單易操作性。實驗裝置的硬件設(shè)計清晰明了，程序設(shè)計簡潔優(yōu)化，對于有PLC和觸摸屏操作基礎(chǔ)的使用者，僅需要不到1 h就能夠掌握該裝置的使用方法。

3) 開放性。PID算法仿真軟件和溫度控制系統(tǒng)實驗裝置的程序是開源的，學生可以在原有程序的基礎(chǔ)上開發(fā)功能更多、更高級的新程序，溫度控制系統(tǒng)實驗裝置經(jīng)過簡單改造也可滿足部分工業(yè)生產(chǎn)和日常生活上的需求。

4) 安全性。溫度控制系統(tǒng)實驗裝置對電源部分進行了特殊處理，可以有效地保護學生的安全。實驗裝置在前面板配有急停按鈕，當水箱溫度出現(xiàn)異常時，可以銨下急停按鈕切斷整個裝置的電源，從而保護實驗裝置。

5 結(jié) 論

該實驗裝置已經(jīng)應(yīng)用于《PLC技術(shù)基礎(chǔ)》、《機械控制工程》等課程的實驗教學，取得了良好的教學效果，受到老師和學生的好評。該實驗裝置還存在一些不足之處，實驗裝置的設(shè)計不太美觀，有待于進一步修改和完善。