基于IEC61131－3的積分分離PID控制器的實(shí)現(xiàn)

謝敏，錢丹浩

（南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇南京 210048）

0 引言

可編程序控制器（PLC）具有編程簡(jiǎn)單、通用性強(qiáng)、可靠性高的特點(diǎn)，已成為工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的控制設(shè)備。但傳統(tǒng)的PLC具有編程語(yǔ)言單一、程序可復(fù)用性差、可移植性差、缺乏程序封裝能力和不支持?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，難以應(yīng)用在復(fù)雜的控制場(chǎng)合。1993年3月由國(guó)際電工委員會(huì)IEC正式頒布可編程控制器的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC61131，這一標(biāo)準(zhǔn)對(duì)PLC及其相關(guān)外設(shè)的使用規(guī)則、設(shè)備特性、用戶導(dǎo)則、通信、編程等方面做出了規(guī)范，其中IEC61131－3是工業(yè)自動(dòng)化編程語(yǔ)言的標(biāo)準(zhǔn)。

1 IEC61131－3編程語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)

IEC61131－3規(guī)定了可編程控制器編程語(yǔ)言的語(yǔ)法和語(yǔ)義，定義了兩大類編程語(yǔ)義:2種文本化編程語(yǔ)義和3種圖形化編程語(yǔ)言，同一項(xiàng)目中多種語(yǔ)言可以進(jìn)行混合編程。文本化編程語(yǔ)義包括指令表編程語(yǔ)義（IL）和結(jié)構(gòu)化文本編程語(yǔ)言（ST），圖形化編程語(yǔ)言包括梯形圖編程語(yǔ)言（LD）、功能塊圖編程語(yǔ)言（FBD）和順序功能圖（SFC）編程語(yǔ)言。符合IEC61131－3標(biāo)準(zhǔn)的軟件系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)好、可重用、即時(shí)響應(yīng)、可維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，不僅能用于PLC產(chǎn)品，而且還用于運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、DCS和基于工業(yè)PC的軟邏輯、SCADA等，采用符合IEC61131標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，已經(jīng)成為工業(yè)控制領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。

2 IEC61131－3軟件模型

IEC61131－3標(biāo)準(zhǔn)的軟件模型采用分層結(jié)構(gòu)描述基本的高級(jí)語(yǔ)言軟件元素及其相互關(guān)系。這些元素包括:程序組織單元，即程序和功能塊;組態(tài)元素，即配置、資源、任務(wù)、全局變量和存取路徑。IEC61131－3標(biāo)準(zhǔn)允許一個(gè)配置內(nèi)有多個(gè)資源，每個(gè)資源可支持多個(gè)程序。因此，在一臺(tái)PLC中可以同時(shí)裝載、啟動(dòng)和執(zhí)行多個(gè)獨(dú)立程序，IEC61131－3軟件模型如圖1所示。

圖1 IEC61131－3軟件模型

1）配置

配置位于軟件模型的最上層，是可編程控制器系統(tǒng)的整個(gè)軟件相對(duì)于IEC61131－1標(biāo)準(zhǔn)所定義的可編程控制系統(tǒng)。

2）資源

每一個(gè)配置有一個(gè)或多個(gè)資源。資源反映了可編程控制器的物理結(jié)構(gòu)，為程序和PLC的物理輸入輸出通道提供了一個(gè)接口。每個(gè)資源可支持多個(gè)程序，資源使PLC能夠加載、啟動(dòng)和執(zhí)行許多總體獨(dú)立程序。

3）任務(wù)

一個(gè)資源中可以有多個(gè)任務(wù)。任務(wù)被設(shè)置后就可以控制一系列程序組織單元周期地執(zhí)行，或者根據(jù)一個(gè)特定的事件來觸發(fā)執(zhí)行。

4）程序組織單元（POU）

是用戶程序的最小軟件單位。對(duì)應(yīng)于傳統(tǒng)可編程控制器的程序塊、組織塊、順序塊和功能塊。程序組織單元按功能分為函數(shù)、功能模塊和程序。

5）全局變量

全局變量定義在配置、資源或程序?qū)觾?nèi)部，每個(gè)變量的范圍由它被申明的位置和申明所使用的變量關(guān)鍵字所定義。全局變量提供了兩個(gè)不同程序和功能塊之間靈活交換數(shù)據(jù)的方法。

6）存取路徑

存取路徑將全局變量、直接表示變量和功能塊的輸入、輸出和內(nèi)部變量聯(lián)系起來，實(shí)現(xiàn)信息的存取以及不同配置之間交換數(shù)據(jù)和信息的方法。

3 積分分離PID理論分析

3.1 PID調(diào)節(jié)及增量型PID控制算法

普通模擬PID調(diào)節(jié)方程為:

數(shù)字PID控制系統(tǒng)的原理框圖如圖2所示，系統(tǒng)由數(shù)字PID控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和被控對(duì)象組成。

圖2 數(shù)字PID控制系統(tǒng)原理框圖

數(shù)字PID控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采用時(shí)刻的誤差e（k）來計(jì)算控制量u（k），對(duì)連續(xù)系統(tǒng)PID算法離散化為:

式中:T為采樣周期，Kp為比例系數(shù)，Ti、Td分別為積分、微分時(shí)間常數(shù)，k為采樣序號(hào)，k=0，1，2，…;u（k）為第k次采樣時(shí)刻的計(jì)算機(jī)輸入的偏差值;e（k）為第k次采樣時(shí)刻輸入的偏差值;e（k－1）為第k－1次采樣時(shí)刻輸入的偏差值。上式可以進(jìn)一步改寫為:

式中:Ki=KpT/Ti，為積分系數(shù);Kd=KpTd/T，為微分系數(shù)。

數(shù)字PID控制算法分為位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。增量型PID控制算法具有無(wú)需累加、系統(tǒng)開銷小、精度高、輸出為控制量的增量等優(yōu)點(diǎn)，在此采用增量型PID控制，k時(shí)刻的控制量的增量為:

3.2 積分分離PID控制分析

PID數(shù)字控制器中的積分環(huán)節(jié)能消除靜差、提高精度。但在啟動(dòng)、結(jié)束或大幅度增減設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)輸出會(huì)出現(xiàn)短時(shí)很大偏差的情況，經(jīng)過PID運(yùn)算的積分積累，致使計(jì)算出的控制量超過執(zhí)行機(jī)構(gòu)的最大輸出量，從而引起系統(tǒng)很大的超調(diào)和振蕩。積分分離PID控制原理是:當(dāng)被控量與設(shè)定值偏差較大時(shí)，取消積分作用，避免由于積分作用使系統(tǒng)穩(wěn)定性降低，超調(diào)量增大;但當(dāng)被控量接近給定值時(shí)，引入積分控制，以便消除靜差，提高控制精度。首先，根據(jù)實(shí)際情況，人為設(shè)定閾值ε＞0，當(dāng):

|e（k）︱≤ε時(shí)，采用PID控制，以保證系統(tǒng)的控制精度;

︱e（k）︱＞ε時(shí)，采用PD控制，可避免過大的超調(diào)，又使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)。因此，增量型積分分離算法可統(tǒng)一表示為:

其中β為積分項(xiàng)的開關(guān)系數(shù)，

設(shè)計(jì)積分分離PID算法的程序流程圖如圖3所示。

圖3 積分分離PID算法的程序流程圖

3.3 基于IEC61131－3的積分分離PID控制器實(shí)現(xiàn)

在固高OtoStudio平臺(tái)上，建立基于IEC61131－3的自定義積分分離型PID模塊，如圖4所示。定義I/O接口變量:

圖4 自定義積分分離型PID模塊圖

積分分離型PID控制器的算法實(shí)現(xiàn)按圖3所示流程圖。定義如下的結(jié)構(gòu)體變量用于該程序參數(shù)傳遞

4 積分分離PID控制器仿真

設(shè)被控對(duì)象函數(shù)為:

采樣時(shí)間為1 ms，采用Z變換進(jìn)行離散化，經(jīng)過Z變換后的離散化對(duì)象為:

設(shè)定閾值 ε=0.5，進(jìn)行方波跟蹤。設(shè)定Kp=0.5，Ki=0.002，Kd=0.002，普通 PID 控制和積分分離型 PID 控制方波響應(yīng)如圖5所示。

圖5 積分分離型PID和普通PID控制方波響應(yīng)

5 結(jié)論

通過普通PID和積分分離型PID的方波響應(yīng)仿真圖可見，設(shè)計(jì)的積分分離控制器顯著降低了超調(diào)量，縮短了調(diào)節(jié)時(shí)間。該控制器采用IEC61131－3標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言設(shè)計(jì)，具有模塊化、可復(fù)用等特點(diǎn)，在PLC產(chǎn)品、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、DCS和基于工業(yè)PC的軟邏輯、SCADA等方面具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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