基于專家PID的電鍍行車速度控制系統(tǒng)

陳文科，張瑞康，劉 強(qiáng)

（1. 長(zhǎng)沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2. 中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083）

在電鍍自動(dòng)化生產(chǎn)線中，采用行車進(jìn)行電鍍產(chǎn)品的起吊及運(yùn)轉(zhuǎn)，其運(yùn)行穩(wěn)定性和精確性直接影響電鍍生產(chǎn)效率［1］。電鍍行車多采用三相交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，由于其在運(yùn)行過程中啟停頻繁，且要求速度可調(diào)，多采用變頻器調(diào)節(jié)行車運(yùn)行速度。但在該類行車速度控制方案中，一般采用傳統(tǒng)PID 算法進(jìn)行控制，存在抗干擾能力不強(qiáng)、控制精度低等不足［2］?；诖耍疚脑O(shè)計(jì)了一種基于專家PID 的電鍍行車速度控制系統(tǒng)，通過光電編碼器檢測(cè)行車速度，采用西門子S7-200 Smart PLC 實(shí)施專家PID 算法，以確保行車運(yùn)行速度符合工藝要求。

1 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

電鍍生產(chǎn)過程中，待鍍工件通常放置在吊籃中，通過行車轉(zhuǎn)運(yùn)至不同工位，完成不同工藝處理。如圖1所示，某電鍍生產(chǎn)線中，待鍍工件從上料工位放置在吊籃后，通過行車依次運(yùn)送至前處理等多個(gè)工位。

圖1 電鍍行車平面示意圖Fig.1 Schematic diagram of electroplate crane

為準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)行車定位及穩(wěn)定運(yùn)行，以PLC 為控制系統(tǒng)硬件核心，設(shè)計(jì)了如圖2 所示控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用RS485 總線+Profinet 總線的雙總線結(jié)構(gòu)，通過RS485總線采集升降電機(jī)和平移電機(jī)運(yùn)動(dòng)位置及運(yùn)行速度，通過Profinet總線實(shí)現(xiàn)升降電機(jī)和平移電機(jī)的變頻驅(qū)動(dòng)控制，通過編寫PLC 程序，采用專家PID控制算法，實(shí)現(xiàn)行車速度的閉環(huán)控制。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Block diagram of control system

2 行車速度專家PID控制算法

針對(duì)傳統(tǒng)PID 算法對(duì)大滯后、多擾動(dòng)且難以建立數(shù)學(xué)模型的電鍍行車自動(dòng)化系統(tǒng)速度控制效果不佳，結(jié)合專家控制方法與PID控制策略，本文提出圖3所示的行車速度專家PID控制算法［3］。

圖3 行車速度專家PID控制算法Fig.3 Driving speed expert PID control algorithm

專家PID 由專家控制器和PID 控制器有機(jī)結(jié)合而成，專家控制器負(fù)責(zé)根據(jù)速度偏差e（t）和速度偏差變化率Δe（t），按照專家經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的專家控制規(guī)則優(yōu)化調(diào)整PID 參數(shù)Kp、Ki、Kd，以滿足系統(tǒng)的工藝要求。專家控制規(guī)則采用“IF-THEN”形式設(shè)計(jì)，具體如下：

（1）IF|e（t）|≥max

THENKp（k）=λ1*Kp（k-1）ANDKi=0 ANDKd（k）=λ2*Kd（k-1）

該規(guī)則用以提高系統(tǒng)快速響應(yīng)性，且防止出現(xiàn)超調(diào)。

（2）IF|e（t）|＜min

THENKp（k）=Kp（k-1）ANDKi=Ki（k-1）ANDKd（k）=Kd（k-1）

該規(guī)則用以防止系統(tǒng)出現(xiàn)超調(diào)及振蕩。

（3）IF min≤|e（t）|＜max AND e（t）×Δe（t）=0

THENKp（k）=λ3*Kp（k-1）ANDKi=λ4*Ki（k-1）ANDKd（k）=λ5*Kd（k-1）

該規(guī)則用以降低系統(tǒng)響應(yīng)速度，減少超調(diào)，防止振蕩。

（4）IF min ≤|e（t）|＜max AND e（t）×Δe（t）＜0

THENKp（k）=λ6*Kp（k-1）ANDKi=0 ANDKd（k）=λ7*Kd（k-1）

該規(guī)則用以減少控制量，確保系統(tǒng)不出現(xiàn)超調(diào)。

（5）IF min≤|e（t）|＜max AND e（t）×Δe（t）＞0

THENKp（k）=λ8*Kp（k-1）ANDKi=λ9*Ki（k-1）ANDKd（k）=Kd（k-1）

該規(guī)則用以減少控制量，且防止出現(xiàn)超調(diào)。

其中 λ1-λ9 為加權(quán)系數(shù)，λ1、λ8 的取值范圍為（0，1），其他參數(shù)取值范圍為（1，∞）。min、max 表示偏差極限值。

3 控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 硬件實(shí)現(xiàn)

電鍍行車控制電路包括PLC、變頻器遠(yuǎn)程控制模塊和行車速度檢測(cè)模塊。PLC 與變頻器采用Profinet 總線通信，PLC 與行車速度檢測(cè)模塊采用RS485 總線通信。基于對(duì)PLC 通信接口、IO 資源及性價(jià)比的考慮，選用PLC 為S7-200 smart 系列CPU SR40，其控制電路如圖4所示。

圖4 PLC控制電路Fig.4 PLC control circuit

圖5 為變頻器遠(yuǎn)程控制模塊。其中，Profinet 遠(yuǎn)程模擬量輸出模塊由華泰Profinet適配器FR8210和遠(yuǎn)程模擬量輸出模塊FR4004構(gòu)成，輸出兩路0-10 V 用于行車電機(jī)變頻器D700的頻率給定，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的可逆變頻調(diào)速控制。

圖5 變頻器遠(yuǎn)程控制模塊Fig.5 Inverter remote control module

為了檢測(cè)行車電機(jī)運(yùn)行位置和運(yùn)行速度，采用電機(jī)同軸安裝多圈絕對(duì)值編碼器GEX60進(jìn)行測(cè)量，檢測(cè)數(shù)據(jù)通過RS485 總線反饋至PLC，為電機(jī)閉環(huán)調(diào)速提供轉(zhuǎn)速反饋，其電路如圖6所示。

圖6 速度檢測(cè)電路Fig.6 Speed detection circuit

3.2 軟件實(shí)現(xiàn)

根據(jù)電鍍作業(yè)要求，行車既需要能手動(dòng)操作，又要能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行。手動(dòng)操縱行車時(shí)，為開環(huán)控制轉(zhuǎn)速；自動(dòng)控制時(shí)，采用專家PID 控制算法調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，其控制程序流程如圖7 所示。在自動(dòng)控制模式下，電鍍生產(chǎn)線行車速度控制系統(tǒng)通過PLC 的RS485 總線接口采集行車電機(jī)的轉(zhuǎn)速信息，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，同時(shí)計(jì)算轉(zhuǎn)速偏差及偏差變化率，根據(jù)偏差及偏差變化率選擇不同的PID 參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)行車電機(jī)的專家PID控制［4-6］。

圖7 主程序流程圖Fig.7 Main program flow chart

根據(jù)前文所述專家控制規(guī)則，具體對(duì)應(yīng)有五種PID 控制參數(shù)的計(jì)算規(guī)則，PLC 控制器根據(jù)偏差及偏差變化率對(duì)控制參數(shù)Kp、Ki及Kd進(jìn)行計(jì)算，選擇不同的PID參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了對(duì)比基于專家PID 算法和傳統(tǒng)PID 算法的電鍍行車速度控制效果，在硬件中分別載入基于專家PID 和傳統(tǒng)PID 的PLC 控制程序，并通過上位機(jī)對(duì)行車速度波形進(jìn)行記錄［7］。圖8 為基于傳統(tǒng)PID算法的行車速度響應(yīng)曲線，圖9 為基于專家PID 算法的行車運(yùn)行速度響應(yīng)曲線。

圖8 基于傳統(tǒng)PID算法的行車速度響應(yīng)曲線Fig.8 Driving speed response curve based on traditional PID algorithm

圖9 基于專家PID算法的行車運(yùn)行速度響應(yīng)曲線Fig.9 Driving speed response curve based on expert PID algorithm

采用傳統(tǒng)PID控制算法時(shí)，速度響應(yīng)較慢，速度上下波動(dòng)大，速度控制穩(wěn)定時(shí)間較長(zhǎng)，不利于行車穩(wěn)定運(yùn)行；采用專家PID控制算法時(shí)，速度響應(yīng)速度較快，速度上下波動(dòng)較小，速度穩(wěn)定時(shí)間較短。對(duì)比兩圖可知，與傳統(tǒng)PID 行車速度控制相比，專家PID 行車速度控制具有更快的響應(yīng)速度、更小的超調(diào)量、更少的振蕩次數(shù)，能較快達(dá)到穩(wěn)態(tài)，具有較優(yōu)的控制效果。

5 結(jié)語

由于傳統(tǒng)PID 控制算法在具有明顯時(shí)變性、滯后性且難以建立數(shù)學(xué)模型的電鍍行車自動(dòng)化系統(tǒng)中控制效果不理想，設(shè)計(jì)了以PLC 為硬件核心的專家PID 電鍍生產(chǎn)線行車速度控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了電鍍行車速度的精準(zhǔn)控制。專家PID根據(jù)速度偏差及偏差變化率，依據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)建立的PID 參數(shù)優(yōu)化規(guī)則實(shí)時(shí)調(diào)整PID參數(shù)，提高了行車速度的響應(yīng)速度，減少了超調(diào)量，具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，滿足電鍍自動(dòng)化生產(chǎn)線對(duì)行車的速度控制要求。