基于PID的乒乓球吹浮位置控制实训平台设计

曹小兵，姚晓宁，谢瑞

（无锡职业技术学院，江苏无锡 214121）

基于PID的乒乓球吹浮位置控制实训平台设计

曹小兵，姚晓宁，谢瑞

（无锡职业技术学院，江苏无锡 214121）

针对PID控制理论教学中的实训设备问题，设计一种基于PID的乒乓球吹浮位置控制实训平台。利用PLC、HMI、激光测距仪、PWM调节器、轴流风机等搭建系统硬件，在此基础上设计软件程序及HMI界面，给出了具体的设计思路与代码，并对样机进行了调试与运行。监控结果表明，乒乓球位置的变化规律符合PID控制理论，证明了该平台的正确性，设计思路与方法可为类似平台的研制提供参考。

PID控制;实训平台;HMI;PWM调节器;激光测距仪

PID控制作为一种经典的控制策略［1］，具有结构简单，较易于整定的优点，被广泛应用于工业过程控制。在控制理论相关课程中，PID控制也是讲解的重点与难点内容之一。为了使学生更好地掌握PID控制的思想，直观感受其控制效果，做到理论联系实际，有必要开发合适的PID控制实训平台。目前常见的PID控制实训平台多为温度［2］、液位［3］调节系统，这类平台主要存在以下缺点：一是对实训环境要求较高，如需配置给排水管路、增加电气负荷等，使操作存在安全隐患;二是该类控制系统多为大惯性环节，参数设定困难，调节周期长;三是实训准备耗时长，故障率高，维修困难。为此，本文设计了一种基于PID的乒乓球吹浮位置控制实训平台，以放置在竖直玻璃筒内的乒乓球为控制对象，针对其吹浮位置进行PID控制，并利用HMI设备［4］显示乒乓球位置变化暂态过程。实验表明该实训系统惯性环节较小，参数易于调节，响应速度快，调节时间短，故障率较低并易于维修，既可进行单项目实验，又可用于综合项目训练，设计思路可为类似实训装置的研制提供参考。

1 系统功能分析

本实训平台主要由玻璃筒、乒乓球、控制器、HMI设备、PWM调节器、激光测距仪、轴流风机等装置组成，样机实物如图1所示。

乒乓球放置在下方安装有轴流风机的竖直玻璃筒内，风机可吹动兵乓球在筒内沿竖直方向运动，激光测距仪测得乒乓球在筒内的相对位置信息并将其传给控制器，利用控制器中的PID控制模块处理位置信息并改变PWM调节器的输入电压，进而改变PWM调节器的输出电压，以调整风机风量，最终将乒乓球吹浮并稳定于设定高度值处。系统闭环控制过程可以用图2描述。

PID参数的设置可在HMI设备上进行，而通过HMI监视界面，还可方便地观察曲线实时变化情况，并实现曲线放大、暂停、查看历史数据等。

2 硬件设计

2．1 控制器及HMI选型

根据所需要满足的控制功能，并结合学校实际教学需要，设计时采用实训室已有的S7－300 PLC （CPU 314C－2 DP）作为控制器，西门子MP 277 10"Touch来提供可视化的人机界面（HMI）。通过调用PLC内部的PID控制模块实现乒乓球吹浮位置的控制。HMI的应用则大大提升了学生在使用实训平台时的便捷性与交互性。通过预先设计好的操作界面，学生可以在其中完成过程和设备的参数管理，如设置位置给定值以及P、I、D三个参数值等，并可实现过程值归档。此外，通过监控界面，还可实时观察乒乓球的位置变化暂态过程。

2．2 激光测距仪选型

实训平台的控制对象为玻璃筒内的乒乓球，为了精确获得乒乓球运动位置的实时数据以及学校实际教学需要，选用XUE5AA2NM12激光测距仪。本控制系统中定义乒乓球零点位置为轴流风机未工作时乒乓球静止停留的位置，最高点位置为乒乓球运动到玻筒上方并与玻筒口平面相切的位置，如图3所示。

图3 乒乓球高度位置标定示意图

2．3 PWM脉宽调制

乒乓球要沿玻璃筒垂直方向运动，关键是控制轴流风机的风速，本文采用PWM调节器来实现。PWM调节器的输入控制电压为0－5V，输出电压为0－24V。当进行开环控制时，输入控制电压由人工手动旋转电位器给定。当进行闭环控制时，输入控制电压则由PLC给定，通过改变占空比来改变PWM调节器的输出电压。占空比越大，电机转得越快，当占空比D=1时，电机转速最大［5］。

3 软件设计

3．1 主程序设计

控制系统程序采用SIMATIC Manager软件来编写，程序的编写主要采用块，主要包括PID控制模块FB41、数值转换模块FC105、FC106等。

在PID控制模块中可以根据实际控制要求通过对控制器组态来实现不同的控制方式。激光测距仪的模拟量输出作为控制器的模拟量输入，随着乒乓球运动位置的变化而变化，在程序设计中通过FC105功能块将输入的模拟量转换为一定范围内的实型值，并作为PID控制模块FB41块中的外部过程输入变量。在FB41块中对应输入端键入高度设定值，并根据控制方式调节控制器的输入增益、积分时间和微分时间。通过FC106功能块将FB41块的实型值输出转换为模拟量输出并作为PWM调节器的输入控制电压，通过改变输入控制电压来调节轴流风机的风速从而控制乒乓球的运动。

乒乓球位置变化暂态过程不仅与PID参数设置有关，还与外部扰动因素有关，如空气气流、震动等因素，这些因素可能打破乒乓球的动态平衡，为了模拟外界扰动因素，还在主程序中加入了扰动程序，使得本系统更为真实。主要功能程序图如图4～6所示。

调试发现，乒乓球运动位置存在死区。当乒乓球的高度设定值小于550mm时，乒乓球经过一段时间调节后能够稳定停留在设定高度处，而当乒乓球的设定位置高于550mm时，乒乓球无法维持动态平衡，无法稳定停留在设定高度处。因此在程序中还需设计高度限定功能。

图5 PID整定程序

图6 PWM占空比程序

3．2 HMI界面设计

为了加强实训平台交互功能，方便学习者直观地了解各种参数变化及外部扰动因素对小球平衡位置的影响，在设计中采用了HMI可视化设备，设计了操作界面和监控界面，如图7和8所示。学习者可以通过HMI可视化设备直观地观察乒乓球位置变化暂态过程。

图8 监控界面

操作界面主要由启动/停止按钮、扰动按钮、PID初值按钮、位置给定值设定IO域、PID三个参数IO域、监控界面转换按钮、退出系统按钮等组成。

监控界面主要由趋势视图、玻璃筒吹浮模型、操作界面转换按钮和退出系统按钮等组成。趋势视图可以直观地显示出每个时刻乒乓球位置的变化状态，同时该曲线还可以放大、暂停、查看历史数据，方便学习者研究和讨论。

4 系统调试与分析

将设计好的系统分别在开环控制和闭环控制两种方式下进行调试，乒乓球位置监控结果如图9～12所示。

图9是采用开环控制方式，手动旋转电位器开关，通过改变占空比大小使乒乓球运动位置发生改变。从图中曲线可以看出，乒乓球经历了缓慢上升缓慢下降、快速上升快速下降，最终停留在某一高度处。显然，为使乒乓球到达设定位置，开环控制调节速度比较慢且效果不理想。

图10～12分别为闭环控制方式下，分别采用P、PI和PID控制时的乒乓球位置变化曲线。通过对比可以直观地看出，P控制响应速度快，但不能消除稳态误差，加入积分环节后稳态误差得以消除，而微分环节则有助于抑制系统超调并减小系统的调节时间，实验结果符合PID控制理论。

5 结论

文章以一种乒乓球位置控制实训平台为研究对象，根据控制要求，进行了硬件设计、编写了软件程序，并设计了HMI界面。实际应用结果表明，该平台集趣味性、互动性与综合性于一体，拓宽了实训室已有的PLC、触摸屏等实训设备的应用方式，并有助于学生了解和掌握PID控制核心思想，学习PLC、HMI、传感器等的使用，提高其系统集成能力和综合技术应用能力。文中所提出的软硬件设计思路与方法对于同类系统的设计具有一定的参考意义。

［1］王威，杨平．智能PID控制方法的研究现状及应用展望［J］．自动化仪表，2008，（10）．

［2］郝少杰，方康玲．基于模糊PID参数自整定的温度控制系统的研究［J］．现代电子技术，2011，（7）．

［3］孔学森．模糊自适应PID对三容水箱液位控制的仿真与试验研究［D］．秦皇岛：燕山大学，2012．

［4］王兆阳．基于PLC和HMI的压合监控系统的设计与实现［D］．杭州：杭州电子科技大学，2013．

［5］庹朝永．基于单片机的直流电机PWM调速系统设计与开发［J］．煤炭技术．2011，（6）．

［编校：张芙蓉］

Design of the Training Platform for the Floating Position Control of Table Tennis Ball Based on PID

CAO Xiaobing，YAO Xiaoning，XIE Rui
（Wuxi Institute of Technology，Wuxi Jiangsu 214121）

Aiming at the problem of training equipment used for the teaching of PID control theory，a training platform for the floating position control of table tennis ball based on PID was designed．The hardware of the system was builtby PLC，HMI，laser range finder，PWM regulator and axial－flow fan．And accordingly the software program and HMI interface were designed．The design idea and source codeswere also given．The debugging and running of the prototype was carried out．Themonitoring results show that the change of the position of table tennis ball is in accordancewith the PID control theory．It proves the correctness of the platform．The design idea and method can provide reference for the development of similar platform．

PID control;training platform;HMI;PWM regulator;laser range finder

TP273

A

1671－9654（2015）04－043－04

10.13829/j.cnki.issn.1671-9654.000140

2015－11－11

曹小兵（1982－），男，江苏海安人，讲师，工学博士，研究方向为智能控制技术。

本文为江苏省高等教育教改研究课题“基于品牌企业合作的高职专业建设研究与实践”（编号：2015JSJG433）阶段性研究成果。