三菱FX3G 控制器PID 手動(dòng)自動(dòng)無擾切換算法

許維強(qiáng)，袁振廷，余志平，程志強(qiáng)

（1.廣州優(yōu)法電子科技有限公司，廣東廣州 511356；2.東莞理工學(xué)院城市學(xué)院，廣東東莞 100000；3.濰坊學(xué)院，山東濰坊 100000）

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科技進(jìn)步，大量機(jī)器設(shè)備采用可編程控制器作為控制核心，自動(dòng)化程度越來越高，進(jìn)一步推進(jìn)了對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)和工藝過程的要求。在生產(chǎn)過程中，常見手動(dòng)模式和自動(dòng)模式之間的切換，不論哪種方式切換都必須保證生產(chǎn)系統(tǒng)無擾動(dòng)，既輸出量不應(yīng)因切換動(dòng)作產(chǎn)生較大的波動(dòng)。這種無擾切換對(duì)安全生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率和提高產(chǎn)品品質(zhì)至關(guān)重要。

1 實(shí)現(xiàn)原理

一般來說，自動(dòng)控制對(duì)應(yīng)PID 自動(dòng)調(diào)整，其輸出值取決于PID 的計(jì)算結(jié)果，輸出值用A 表示，手動(dòng)控制對(duì)應(yīng)寄存器直接給定，給定值用B 表示。當(dāng)從自動(dòng)控制切換到手動(dòng)控制時(shí)，應(yīng)將A賦值給B;當(dāng)從手動(dòng)控制切換到自動(dòng)控制時(shí)，應(yīng)將B 賦值給A。因此，在切換的時(shí)刻，可以保證A=B 成立,從而實(shí)現(xiàn)控制器輸出不發(fā)生劇烈波動(dòng)。

在工業(yè)過程控制中，自動(dòng)控制非PID 算法莫屬。PID 算法通過誤差信號(hào)控制被控量，是比例、積分、微分三個(gè)環(huán)節(jié)的和。PID及衍生算法是應(yīng)用最廣泛的控制算法，是經(jīng)典中的經(jīng)典。三菱公司FX3G 系列PLC 支持PID 指令，根據(jù)三菱編程手冊(cè)可知，其指令格式為：

PID S1,S2,S3，D

其中，S1 為設(shè)定值SV；S2 為反饋值PV；S3 為采樣時(shí)間，設(shè)定范圍0～32 767 ms；S4 為控制字（可以控制動(dòng)作方向，變化量報(bào)警檢測(cè)、上下限、自動(dòng)調(diào)諧）；S5 為輸入濾波常數(shù)，設(shè)定范圍0～100%；S6 為比例增益K，設(shè)定范圍0～32 767%；S7 為積分時(shí)間T，單位100 ms，設(shè)定范圍0～32 767；S8 為微分增益Kd,設(shè)定范圍0～99%；S9 為微分時(shí)間，單位10 ms，設(shè)定范圍0～32 767；S10～S23 PID 內(nèi)部計(jì)算占用；S24 輸入變化量（增側(cè)）報(bào)警設(shè)定值；S25 輸入變化量（減側(cè)）報(bào)警設(shè)定值；S26 輸出變化量（增側(cè)）報(bào)警設(shè)定值，或輸出上限設(shè)定；S27 輸出變化量（減側(cè)）報(bào)警設(shè)定值，或輸出下限設(shè)定；S28 報(bào)警輸出功能選擇。特別說明，PID 的計(jì)算結(jié)果存放在D 寄存器中，該寄存器一般選擇非停電保持寄存器。對(duì)于指定掉電保持寄存器的情況，在PLC 初始化時(shí)用RST 指令清除該寄存器的內(nèi)容。

對(duì)于正動(dòng)作PID，三菱給出的計(jì)算公式為[1]：

式中，EVn是本次采樣偏差，EVn-1是前一采樣偏差，SV 是目標(biāo)值，PVnf是本次采樣值（濾波后），PVnf-1是前一周期采樣值（濾波后），PVnf-2是前兩周期采樣值（濾波后），MV 是輸出變化量，MVn是本次操作量，Dn是本次微分項(xiàng)，Dn-1是前次微分項(xiàng)，Kp是比例增益，Ts是采用周期，Ti是積分時(shí)間，Td是微分時(shí)間，d 是微分微分增益。由公式可知，此PID 算法按增量方式計(jì)算，以累加結(jié)果作為輸出量[2]。即通過修改PID 的輸出結(jié)果MVn，可以影響下一周期的輸出MVn+1。這個(gè)特性為手動(dòng)到自動(dòng)的切換創(chuàng)造了條件。

圖1 手動(dòng)和自動(dòng)切換原理圖

對(duì)照?qǐng)D1，當(dāng)切換開關(guān)從手動(dòng)狀態(tài)切換到自動(dòng)狀態(tài)的上升沿，將手動(dòng)D 寄存器的數(shù)值賦值到PID 的輸出寄存器MVn，然后PID 開始工作，PID 的輸出以手動(dòng)D 寄存器的數(shù)值為起始點(diǎn)開始變化，實(shí)現(xiàn)從手動(dòng)到自動(dòng)的無擾切換；當(dāng)切換開關(guān)從自動(dòng)切換到手動(dòng)狀態(tài)的下升沿，將PID 的輸出寄存器MVn的值賦值到手動(dòng)D 寄存器，然后停止PID 計(jì)算，此時(shí)手動(dòng)D 寄存器的值為PID 最后的計(jì)算結(jié)果，實(shí)現(xiàn)從自動(dòng)到手動(dòng)的無擾切換。切換后，操作員根據(jù)自己的需要修改手動(dòng)D 寄存器的值。

2 工程實(shí)例

吹膜機(jī)是塑料行業(yè)的一種常見設(shè)備。其特點(diǎn)是連續(xù)生產(chǎn)，對(duì)薄膜厚度和寬度有嚴(yán)格要求，是一個(gè)典型的過程控制。開機(jī)時(shí)，一般先手動(dòng)調(diào)整到一個(gè)合適的狀態(tài)，然后切換到自動(dòng)，這種切換就要求平穩(wěn)過渡，一旦出現(xiàn)波動(dòng)，就會(huì)造成廢品。在停機(jī)時(shí)，一般會(huì)從自動(dòng)切換到手動(dòng)狀態(tài)，同樣也不能出現(xiàn)波動(dòng)。無擾切換部分程序代碼及說明注釋如下：

經(jīng)實(shí)際工程驗(yàn)證，在手動(dòng)自動(dòng)切換時(shí)平穩(wěn)過渡，實(shí)用效果好，達(dá)到設(shè)計(jì)目的。

3 結(jié)束語

深入研究三菱FX3G 系列PLC 的PID 功能算法，提出手動(dòng)自動(dòng)切換原理圖，設(shè)計(jì)無擾切換的思路，展示具體實(shí)現(xiàn)代碼算法。類似工程實(shí)踐可借鑒該算法。