基于机器自动化控制器的水箱水温和电机转速的PID控制

张彦迪



基于机器自动化控制器的水箱水温和电机转速的PID控制

张彦迪

（银川能源学院）

基于Socket通信接口，使用Sysmac Studio软件编程，配置机器自动化控制器及从站的硬件结构，解决机器自动化控制器与工控机之间的通信问题。在工控机中使用C++语言编程，利用遗传算法对控制参数进行优化，实现机器自动化控制器对水箱水温和电机转速的PID控制。

机器自动化控制器；PID控制；Socket通信；遗传算法

0 引言

PLC是一种基于数字运算操作的电子系统，具有高可靠性，广泛应用于工业控制各领域。机器自动化控制器是OMRON公司从硬件体系和软件体系进行架构设计的一种新型的PLC，给工业控制带来新的契机。本文将工控机与NJ系列机器自动化控制器相结合，对水箱水温和电机转速实现高速、精密和复杂的运动控制[1]。

1 机器自动化控制器的配置

本文使用NJ301-1100PLC和与之相配合的供电模块NJ30-PA3001、S8JC-Z15024C；Devicenet网络主站的扩展模块CJ1W-DRM21、输入端口CJ1W-ID211、输出端口CJ1W-OD211和Profibus-DP主站；EtherCAT网络主站的扩展模块NX-ECC201、输入元件NX-ID3343、输出元件NX-OD3153、T型分支接头DCN1-1C、输入端口DRT2-ID16、输出端口DRT2-OD16、水温控制器DRS1T。NS8-TV01B-V2彩色显示器为输入输出口；温控器e5ez-r3mt、温控器通信模块e53-az03、温度探头e52-p6dy 2m完成温度控制；变频器3g3mx2-ab002-z-ch、变频器E-CAT网络单元3g3ax-mx2-ect、高速计数模块cj1w-ct201和旋转编码器e6b2-cwz6c完成转速控制。该硬件配置相当于一个工业现场，由NJ30-PA3001进行核心控制，通过EtherCAT的扩展模块对从站进行控制。

机器自动化控制器通过温控器e5ez-r3mt控制水温；通过3g3mx2-ab002-z-ch变频器控制电机；通过变频器E-CAT网络单元3g3ax-mx2-ect网络使机器自动化控制器与3g3mx2-ab002-z-ch进行通信。旋转编码器e6b2-cwz6c在电机旋转时，可以产生与转速成正比例的电脉冲信号。cj1w-ct201是一种高速计数模块，计数高频率的脉冲信号，并通过3g3ax-mx2-ect将计数结果传递给机器自动化控制器。将e6b2-cwz6c和cj1w-ct201结合起来，再由机器自动化控制器确定cj1w-ct201计数时的清零时间（一般设置为1 s），计算得到转速，电机转速信号返回给机器自动化控制器，形成闭环控制。机器自动化控制器通信控制连接示意图如图1所示。

图1 机器自动化控制器通信控制连接示意图

2 工控机与机器自动化控制器间的Socket通信

Sysmac Studio是专门用于机器自动化控制器编程的软件，它提供一个整合的开发环境，可进行设置、编程、调试以及维护机器自动化控制器和EtherCAT从站。本文在工控机上采用C++或Matlab程序对机器自动化控制器的从站进行控制；使用Visual Studio软件的C++语言编程功能与机器自动化控制器通信；工控机和机器自动化控制器之间实现Socket通信并与客户端完成连接[2]。工控机端使用Visual Studio实现Socket通信的服务器端监听连接请求。机器自动化控制器作为客户端，负责向IP端口发送连接请求，连接之后开始数据交换等工作。工控机与机器自动化控制器互相通信建立后，采用Sysmac Studio编写梯形图程序，如图2所示（其中嵌套ST语句）。

图2 Sysmac Studio为机器自动化控制器编写的Socket客户端程序

Sysmac Studio编程有ST和梯形图2种语言，并支持在同一个程序里既可使用梯形图编程，又可使用ST编程[3]，这样可以取长补短，程序直观易懂、形式简洁，便于调用。ST主要包括基本算数、逻辑运算、判断、循环、数组和结构体等功能，它可以使用一条简短的语言实现梯形图中任何功能或功能块所具备的功能，即梯形图中的功能和功能块可以被ST语言方便调用。Sysmac Studio梯形图和ST语言共同编写Socket通信界面如图3所示。

图3 梯形图和ST语言共同编写Socket通信界面

3 系统建模及仿真

3.1 水温控制模型

水温控制系统的控制对象具有热储存能力和惯性大的特点，水在水箱内的流动或热量传递都存在一定的阻力，因比可以看作一个具有纯滞后的一阶惯性环节，其传递函数如式(1)[4]所示。

其中，，，都是常数，可根据不同的实际情况进行更改。

水箱加热器的额定电压为24 V，根据机器自动化控制器发来的控制信号调整水箱加热的电压，从而控制水箱的温度。

3.2 电机控制模型

电机是一个惯性环节，可用传递函数式(2)表示。

其中，，T都是常数，可根据不同的实际情况进行更改。

电机是24 V直流步进电动机，根据机器自动化控制器发来的控制信号调整电动机的供电电压，从而控制电机的转速。

3.3 PID控制的数学模型

PID控制器的输入为给定值（系统实际输出），输出为控制量，理想状态下PID控制器的微分方程如式(3)所示。

其中，()为控制器的输出；()为偏差，即设定值与反馈值之差；K为控制器的放大系数，即比例增益；T为控制器的积分常数；T为控制器的微分时间常数。

PID算法通过调节K，T，T参数使系统达到稳定。结合时域关系式(4)[5]的系统，将预定值设置为18，分别对它们进行控制分析。

3.4 仿真结果

当K= 0.16，T= 1，T= 0.006时，得到水箱水温的仿真结果如图4所示。由图4可知，系统超调量小，调节时间短，控制效果好。

图4 Kp =0.16，Ti =1，Td =0.006时程序的运行结果

3.5 系统控制问题

控制过程中，PID控制可以先看作为一种PD控制，非常灵敏，会生成一个较大的控制量，使系统产生类似跳变的结果。过大的加速会损伤电机，过高的电压可能烧坏加热器。为解决这个问题，本文在控制器前端增加一个滤波器，使系统不再跳变。但为了使系统平稳，增加系统的调节时间，也可在控制器后端加入滤波器，对控制器的输出进行滤波。如果控制器的输出大于某个预先设定值（这里设置值为18），就用这个值代替控制器的输出[6]。

4 PID参数遗传寻优算法的实现

在实际工作中，如果反复调节系统参数，并进行实验，不但浪费时间，还很可能对系统造成危害，且结果不够精确。通过机器自动化控制器编程的方法，生成不同的参数，并从控制结果中选取最优参数，将快速精准地获得最优参数。本文采用遗传算法对PID参数进行优化。

基于遗传算法的电机转速控制系统如图5所示，采样时间为1 ms，输入指令为一阶跃信号。在进行遗传算法编程时，用长度为10位的二进制编码串来分别表示3个决策变量。仿真结果得出：遗传寻优PID控制算法的输出几乎没有超调量，调整时间为0.07 s；传统PID算法超调量20%，调整时间为0.09 s。遗传寻优PID控制相比于常规PID控制具有更快的响应速度、几乎无超调的优点，具有更好的动态特性和稳定特性[7]。通过遗传算法得到了较好的PID参数K=0.0280，T=0.0048，T=0.0980，被控量随时间变化的结果如图6所示。

基于遗传算法寻优的PID控制器的设计简单易行，同时实现了PID参数的优化。该方法比常规方法更能使系统的动态特性和稳态特性得到较大的提高，解决了PID控制器参数整定难的问题。

图5 基于遗传算法的电机转速控制系统图

图6 Kp =0.0280，Ti =0.0048，Td =0.0980时程序的运行结果

5 结语

综上所述，工控机通过Socket通信协议，使用C++语言在Sysmac Studio中编程，同时在机器自动化控制器中编写程序，实现了工控机对机器自动化控制器从站的控制，最终控制了水箱水温和电动机转速；并通过遗传算法进行了PID参数优化，实现了机器自动化控制器对水箱水温和电机转速的最优PID控制。

[1] 徐世许,宫淑贞,彭涛.可编程序控制器应用指南编程•联网 [M].北京:电子工业出版社,2007.

[2] OMRON. NJ-series CPU Unit Hardware User's Manual[M]. OMRON公司, 2011.

[3] 徐世许.机器自动化控制器原理与应用[M].北京:机械工出版社,2013.

[4] NJ-series CPU Unit Built-in EtherCAT Port User's Manual [M]. OMRON公司, 2011.

[5] 张艳艳.基于PID算法和89C52单片机的温度控制系统[J]. 现代电子技术,2009,32(21):216-218．

[6] 秦国经,任庆昌．基于遗传算法寻优的PID控制与仿真[J]．中国西部科技,2011,10(11):12-13.

[7] 李红梅.遗传算法概述[J].软件导刊,2009,8(1):67-68.

PID Control of the Temperature of Water in the Tank and the Speed of Motor Based on Machine Automation Controller

Zhang Yandi

(Yinchuan Energy Institute)

The hardware structure and performance of the Machine Automation Controller NJ salve station are analyzed in this thesis. Based on the Socket communication interface, the communication problems between PLC and industrial computers and simultaneous-send of multiple data are solved via programming with PLC by Sysmac Studio. Second, the C++ program is used in industrial computers and the controlling parameters are optimized by Genetic Algorithm. The program can be applied in some practical problems and the system state mutation in control process because of the realization of the PID control of PLC salve station. Finally, the PID control of water temperature and motor speed can be realized by machine automation controller.

Machine Automation Controller; PID Control; Socket Communication; Genetic Algorithm

张彦迪，女，1979年生，硕士，讲师，主要研究方向：电气工程及其自动化。E-mail: 331970191@qq.com