基于AB PLC的扭矩PID控制改進

梁鵬

摘要：本文主要探討基于AB CompactLogix系列PLC的PID扭矩控制方法，通過對目標扭矩的快速有效控制，達到提高設備效能和節約生產時間的目的。

關鍵詞：PLC;PID;閉環控制;扭矩控制;

引言

現代工業控制系統中，PID作為閉環控制的一個重要解決方案，它在并不精確知道控制系統模型的情況下仍然可以實現溫度、液位、壓力、流量等模擬量的控制。

1 PID原理

PID控制就是根據系統反饋的誤差，利用比例、積分、微分進行計算并調節輸出以達到控制的目的。它的核心是“反饋”。反饋讓系統的實時輸出加入到輸入中，從而實現自動調節。其原理框圖如下。

根據控制誤差e（t）與設定值r（t）和輸出值y（t）的關系，得到e（t）計算公式如下

e（t） = r（t） – y（t）

控制公式如下

式中的變量解釋如下

u（t）： 控制器的輸出信號;e（t）： 輸入偏差信號;Kp：比例增益;

TI：積分時間常數;TD： 微分時間常數;r（t）： 控制器給定值;y（t）： 系統實際輸出值

1）比例控制作用

比例部分的表達式

當過程輸出值y（t）與設定值r（t）存在偏差時，比例控制器通過調節比例系數Kp從而改變控制器輸出u的值，u的大小會朝著減少偏差e的方向變化。

純比例控制的缺點是無法消除系統的靜態誤差，影響調節精度。

2）積分控制作用

積分部分的表達式為：

積分控制器的引入是為了消除靜態誤差。只要偏差e（t）不為零，它的控制作用就一直在增加;而當e（t）為零時，它是一個常數。可見，積分部分可以消除系統的偏差。

TI值大小決定了積分的強弱程度。TI的值越大，積分的控制作用就越小，消除系統偏差的時間就越長;TI的值越小，積分的控制作用就越大，消除系統偏差的時間就越短，但系統可能會產生振蕩;所以，雖然積分部分可以消除系統靜態偏差，但系統的動態性能變差了，因此我們必須根據實際的需要來具體確定TI的值。

3）微分控制作用

微分部分的表達式為：

微分控制作用是阻止偏差變化，通過變化趨勢（變化速度）進行控制。偏差變化的越快，微分控制器的輸出就越大，并且可以在偏差值變大之前進行修正。微分控制的作用是由TD決定，TD越大，則其抑制偏差的作用越強，TD越小，其抑制作用越弱。

2 PID在扭矩控制方面的應用

我們以一臺磨合機扭矩控制的程序改造為例，來說明PID的算法原理及其控制功能的實現。

改造前：設備到達目標扭矩的時間為11秒，每磨合一個零件總時間為60秒，存在明顯的時間浪費。

改造目標：嘗試降低無效的磨合時間，減少每個零件的生產時間。

2.1 程序編寫

在程序中，新增扭矩控制的設定值、P參數/D參數設定（根據實際情況，該設備使用PD控制方式）、扭矩的計算等參數和計算公式，由于篇幅所限，此處就不詳細列出具體內容了。

2.2 將PID控制的參數放到觸摸屏參數設置頁面，并與PLC關聯起來。

2.3 效果對比

（橫坐標是時間軸，縱坐標是扭矩值）

至此，可以通過扭矩監控的趨勢圖看到改造后扭矩的輸出響應比較及時，而且在扭矩上升階段，由于有微分的作用，可以有效抑制扭矩的超調。具體的改造前后比較見下表。達成同樣的效果，磨合時間從60秒降低到52秒，經濟效益明顯。

對比 到達目標扭矩時間

（加速時間） 有效磨合時間

（僅指正向或反向磨合） 控制方式 經濟效益

改造前 11秒 10秒 非PID控制 N/A

改造后 3秒 18秒 PID控制 約4小時時間*

*假設每個班生產600個零件，每天三個班，每天節約時間：

（60-52）*600*3/（60*60）=4 小時

如其他設備有改進的空間，可以配合一起減少生產總時間。

3 結論

通過PID控制方式實現的扭矩控制，只要通過參數的輸入，可以選擇控制的類型（PI，PD，PID），簡單實用。為了實現最佳的控制，我們在實施的時候需要根據整定的原則，選擇合理的控制類型和正確的整定參數，并經過耐心調試，最終會得到我們想要的效果。

參考文獻：

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